완성계 강사장교의 극한 거동의 해석적 연구

김승준(Kim Seungjun),임석빈(Im Seok-Been),이기세(Lee Kee-Sei),강영종(Kang Young-Jong) 대한토목학회 2012 대한토목학회논문집 A Vol.32 No.2A

논문은 비선형 해석을 통한 완성계 강사장교의 극한 거동에 대해 다룬다. 사장교는 재료적 비선형성과 함께 다양한 기하학적 비선형성을 나타내므로 극한 거동을 명확히 규명하려면 반드시 합리적인 비선형해석이 수행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 합리적인 극한 해석기법을 통해 활하중에 대한 강사장교의 주요한 극한거동을 규명하고자 하였다. 강사장교의 비선형 해석을 위하여 비선형 트러스 요소 및 비선형 프레임요소를 이용하였고, 강재의 재료적 비선형성을 효율적으로 고려하기 위해 개선소성힌지법을 이용하였다. 활하중에 대한 극한 거동을 합리적으 분석하기 위해 본 연구에서는 초기형상해석활하중 해석으로 이어지는 2단계 해석 기법을 통해 극한 해석을 수행하였다. 해석 모델은 총 지간장이 920.0 m 사장교를 이용하였고, 방사형 및 팬 형 사장교를 해석에 이용하였다. 극한 해석결과를 통해 얻은 하중-변위 곡선, 구조물 변형형상, 소성단면, 휨모멘트분포도 등을 분석하여 활하중에 대한 완성계 사장교의 주요한 극한 거동을 규명하였다. This paper presents an investigation on the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges using nonlinear finite element analysis method. Cable-stayed bridges exhibit various geometric nonlinearities as well as material nonlinearities, so rational nonlinear finite element analysis should be performed for investigation of the ultimate behavior. In this study, ultimate behavior of steel cable-stayed bridges was studied using rational ultimate analysis method. Nonlinear equivalent truss element and nonlinear frame element were used for modeling the cable, girder and mast. Moreover, refined plastic hinge method was adopted for considering the material nonlinearity of steel members. In this study, the 2-step analysis method was used. Before live load analysis, initial shape analysis was performed in order to consider the dead load condition. For investigation of the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges, analysis models which span length is 920.0 m were used. Radiation type and fan type were considered as the cable-arrangement types. With various quantitative evidences such as load-displacement curves, deformed shapes, locations of the yield point or region, bending moment distribution and so on, the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges was investigated and described in this paper.

기하학적 특성이 강사장교의 극한 거동에 미치는 영향

김승준(Kim, Seungjun),신도형(Shin, Do Hyoung),최병호(Choi, Byung Ho),강영종(Kang, Young Jong) 대한토목학회 2012 대한토목학회논문집 A Vol.32 No.6A

본 논문은 완성계 강사장교의 기하학적 특성이 극한 거동에 미치는 영향을 분석한다. 사장교는 구조형식의 특성에 따라 매우 효율적인 구조체로 알려져 있지만, 이러한 구조 특성에 따라 구조물의 극한 거동에 영향을 미치는 다양한 비선형성과 함께 복잡한 구조거동을 보인다. 본 연구에서는 거더 및 주탑의 단면 크기, 케이블 배치 형식 및 케이블 단면적 변화에 따른 완성계 강사장교의 극한 거동에 대해 다룬다. 선행연구를 통해 도출된 극한거동에 지배적인 활하중에 대해 각 인자의 변화에 대한 매개변수연구를 수행하였다. 활하중에 대한 완성계 사장교의 합리적인 해석을 위해 초기형상해석-활하중해석을 거치는 2단계 해석법을 통해 극한 해석을 수행하였다. 해석에 고려된 사장교 모델은 총 920.0 m의 지간장을 갖는 강사장교 이고 케이블 배치각도에 따른 거동분석을 위해 방사형 사장교와 팬 형 사장교 모델을 이용하였다. 본 해석 연구를 통해 각 기하학적 특성 인자 변화에 따른 완성계 강사장교의 극한거동 변화 특성을 도출하였다. This study presents the effects of various geometric properties on the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges. In general, cable-stayed bridges are well known as a very efficient structural system, because of those geometric characteristics, but at the same time, the structure also shows complex structural behavior including various nonlinearities which significantly affect to the ultimate behavior of the structure. In this study, the effects of various geometric properties of main members on the ultimate behavior under specific live load cases, which had been studied in previous studies, were investigated using a rational analytical method. In this parametric study, sectional dimensions of main members were considered as main geometric parameters. For the rational ultimate analysis under specific live load cases, the 2-step analysis method, which contains initial shape analysis and live load analysis, was used. As the analysis model, 920.0 m long steel cable-stayed bridges were used and two different types of cable arrangement were considered to study the effect of the cable arrangement types. Through this study, the effects of various geometric properties on the characteristics of the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges were intensively investigated.

파형 복부판이 수평 곡선 I형 거더의 극한 거동에 미치는 영향

김승준,한택희,원덕희,강영종,Kim, Seungjun,Han, Taek Hee,Won, Deok Hee,Kang, Young Jong 대한토목학회 2013 대한토목학회논문집 Vol.33 No.4

본 논문은 파형 복부판이 수평 곡선 I형 거더의 극한 거동에 미치는 영향을 다룬다. 파형 복부판은 기하학적 특성에 따라 플레이트 거더의 비틂 및 뒴 강성 증진을 위해 적용이 가능하다. 그동안 파형 복부판이 일반 직선 거더의 극한 거동에 미치는 영향을 다룬 많은 연구들이 있었으나, 면외 방향 거동이 주요하게 나타나는 곡선 거더의 극한 거동에 미치는 영향에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 이 연구에서는 비탄성-비선형 해석을 통해 파형 복부판 수평 곡선 I형 거더의 극한 거동을 다룬다. 본 해석 연구에서는 파형 복부판을 갖는 곡선 거더의 극한 거동에 영향을 미칠 수 있는 기하학적 인자로써, 곡선 거더의 횡방향 비지지 길이와 사잇각, 복부판의 파고 및 파장이 주요 매개변수로 고려되었다. 본 해석 연구를 통해, 각 매개변수 변화에 따른 극한 거동 및 내하력 변화를 분석하고, 일반 판형 복부판이 적용된 거더의 내하력과 비교하여 파형 복부판이 내하력 증진에 미치는 영향을 도출하였다. 본 해석 결과에 따르면, 높은 비틂 및 뒴 강성에 의해 파형 복부판은 곡선 거더의 내하력 증진에 효과적인 것으로 나타났다. 그러나 곡선 거더의 곡률 또는 사잇각이 작은 경우, 파형 판의 아코디언 효과에 의해 오히려 내하력이 감소될 수 있다는 것 또한 나타났다. In this study, the effects of corrugated webs on the ultimate behavior of horizontally curved I-shaped girders are investigated. Because of the geometric characteristics of corrugated plates, corrugated webs can be used for enhancing torsional and warping stiffness of plate girders. Many researches have been conducted to study the effects of corrugated webs on the ultimate behavior of straight girders. But, the studies of the ultimate behavior of horizontally curved girders with corrugated webs, which generally show out-of plane behavior manly, have been rarely performed so far. By performing inelastic-nonlinear analysis, the ultimate behavior of curved girders with corrugated webs is studied in this paper. Laterally unsupported length and subtended angle of girders, and length of height of corrugation of webs are considered as the geometric parameters which would be expected to affect the ultimate behavior. By this analytical study with considering the geometric parameters, the changes of ultimate behavior and load carrying capacity of curved girders with corrugated webs are investigated. Also, the effects of corrugated webs on the increase of load carrying capacity for curved girders are studied with comparing to the capacity of general curved girders with flat webs. According to the analytical results, corrugated webs can be used to increase the ultimate load carrying capacity of curved girders, because of their high torsional and warping stiffness. But, it is also indicated that they may decrease the load carrying capacity of curved girders which have relatively small subtended angle or initial curvature, because of an accordion effect.

비부착 PSC 보에서 슬립이 없는 강선의 극한 응력 예측에 관한 연구

홍성수(Hong Sung-Su),유성원(Yoo Sung-Won),박승범(Park Seung-Bum) 대한토목학회 2008 대한토목학회논문집 A Vol.28 No.4A

최근 들어 비부착 강선을 이용한 프리스트레스트 콘크리트 구조물의 건설이 증가하고 있다. 그러나 극한거동 해석 시 단면 적합조건을 이용하는 내부 부착 강선과는 다르게 비부착 강선은 부재의 전체거동에 의해서 응력 증가량이 결정된다. 또한 외부 강선의 경우에는 편향부에서의 미끌림 효과와 강선의 편심 변화 효과 등이 발생하게 된다. 따라서 본 연구는 비부착 강선을 가지는 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 보의 거동 특성을 평가하고 비부착 강선의 극한 응력을 구하기 위하여 지간길이/유효깊이, 콘크리트 압축강도, 철근비 및 기존 부착강선의 영향 등을 변수로 하여 정적 휨실험을 수행하여 비부착 강선 부재의 휨거동 특성을 얻었다. 실험결과에 의하면 균열하중, 철근 항복 하중 및 파괴하중의 경우, 콘크리트 강도보다는 철근비의 영향이 더 크게 나타났으며, 강도 측면에서는 고강도의 경우가 저강도의 경우보다 약간은 구조 성능이 우수하나, 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. 또한 L/dp 값이 커질수록 훨씬 더 긴 구간의 연성 거동이 있는 것으로 나타났다. 이는 철근 항복 이후 비부착 강선의 기여가 상당히 크다는 것을 알 수 있었으며, ACI-318에서 제시하고 있는 비부착 강선의 극한 응력식은 실험 결과와 잘 일치하지 않으며, 경향성도 없는 것으로 나타났다. 실험결과 들을 분석하여 미끌림 현상이 없는 비부착 강선의 극한 응력에 대한 예측식을 제안하였다. 제안된 예측식은 실험결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 미끌림 현상이 없는 비부착 강선의 극한 휨거동 평가, PSC 부재 해석 및 설계 시 본 연구에서 제안된 식은 유용한 기초가 될 것으로 사료된다. Recently, the prestressed unbonded concrete structures are increasingly being built. The mechanical behavior of prestressed concrete beams with un bonded tendon is different from that of normal bonded PSC beams in that the increment of tendon stress was derived by whole member behavior. The purpose of the present paper is therefore to evaluate the flexural behavior and to propose the equation of ultimate tendon stress by performing static flexural test according to span/depth, concrete compression strength, reinforcement ratio and the effect of existing bonded tendon. From experimental results, for cracking, yielding and ultimate load, the effect of reinforcement ratio was more effective than concrete compression strength, and the beams having high strength concrete had a good performance than having low concrete, but there was no difference between high strength and low strength. And as L/dp was larger, test beams had a long region of ductility. This means that un bonded tendon has a large contribution after reinforcement yielding. Especially, the equation of ACI-3l8 was not match with test results and had no correlations. After analysis of test results, the equation of ultimate un bonded tendon stress without slip was proposed, and the proposed equation was well matched with test results. So the proposed equation in this paper will be a effective basis for the evaluation of unbonded tendons without slip, analysis and design.

케이블 단선 후 강사장교의 구조 및 극한 거동 변화

김승준,최준호,원덕희,한택희,강영종,Kim, Seung-Jun,Choi, Jun-Ho,Won, Deok-Hee,Han, Taek-Hee,Kang, Young-Jong 한국강구조학회 2011 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.23 No.6

본 논문에서는 강사장교의 케이블이 단선된 후 정역학적인 구조 거동 및 극한 거동 변화에 대해 기술한다. 사장교의 케이블은 화재, 차량의 충돌, 케이블 본선 및 정착구의 피로에 의해 단선이 가능하다. 이에 더하여 필요시 케이블의 교체 작업 시 일시적인 단선이 나타날 수 있다. 케이블이 구조물 본체에서 단락되면 결과적으로 케이블이 분담해야할 힘을 지지하지 못하여 이 힘은 다른 구조체로 전달되고 결과적으로 구조 상태의 변화가 발생한다. 그리고 케이블의 단선은 결국 구조물의 지지력의 손실을 의미하므로 케이블 단선 후 구조물의 내하력이 저하될 것이다. 본 연구에서는 엄밀한 비선형 유한요소해석 이론을 근간으로 하여 케이블 단선 후 구조물의 새로운 평형상태를 찾는 단선 해석기법을 제시한다. 그리고 케이블이 단선된 후 활하중에 대한 구조물의 극한거동을 해석할 수 있는 극한 해석 기법 역시 제시한다. 보다 합리적인 해석 연구를 위해 본 연구에서는 초기형상해석, 케이블 단선해석, 활하중에 대한 비선형해석을 순차적으로 수행하는 총 세단계의 해석 절차를 거친다. 본 해석기법을 이용하여 각 케이블의 단선이 사장교의 구조 상태 및 극한 거동의 변화에 미치는 영향을 분석하였다. This paper presents an investigation on the change in the statical behavior and the ultimate capacity of steel cable-stayed bridges after cable failure. Cable failure can occur due to fire, direct vehicle clash accidents, cable or anchorage fatigue, and so on. Moreover, the cable may be temporarily disconnected during cable replacement work. When cable failure occurs, the load, that was supported by the broken cable is first transferred to another cable. Then the structural state changes due to the interaction between the girder, mast, and cables. Moreover, it can be predicted that the ultimate capacity will decrease after cable failure, because of the loss of the support system. In this study, the analysis method is suggested to find the new equilibrium state after cable failure based on the theory of nonlinear finite element analysis. Moreover, the ultimate analysis method is also suggested to analyze the ultimate behavior of live loads after cable failure. For a more rational analysis, a three-step analysis procedure is suggested and used, which consisted of initial shape analysis, cable failure analysis, and live load analysis. Using this analysis method, an analytical study was performed to investigate the changes in the structural state and ultimate behavior of steel cable-stayed bridges.

난형도에 따른 해양자원이송용 강관거동에 관한 연구

마호성,조광일 한국방재학회 2013 한국방재학회논문집 Vol.13 No.5

The ovality arising from production or installation can affect the responses of the steel pipes for ocean resource extractions. Ultimate strengths and the stresses occurring during installation are examined to see the effect of the ovality with various values upon the responses by using the detailed FEM analysis using shell elements. From results, the ultimate strength for bending moment decreases from 1% to 3% as the ovality increases from 0% to 6%, while the ultimate strength for the pressure decreases from 43%to 55%. The influence from the locating positions of steel pipes are also evaluated, showing that the stresses increases as the ovality increases. At the vessel, where the members are mainly under tensile forces, the stress varies at 0.01%. At the sagbend and seabed, the pressure exceeds the ultimate strength in the case of the ovality over 4%. It can be concluded that the ovality affect the pipe more highly under pressure than under bending moments or tensions. From results, steel pipes with the ovality over a standard criteria can create serious safety or stability problems. More rigorous attentions on ovality are desired to produce and install the steel pipes in the ocean. 강관의 제작 및 가설 시 발생할 수 있는 난형도가 해양자원이송용 강관거동에 미치는 영향을 파악하기 위하여 다양한 난형도를 가지는 강관의 극한강도와 가설 시 발생하는 응력을 상세유한요소 해석을 통해 분석하였다. 난형도가 0%에서 6%로 증가할 때 휨 모멘트에 대한 극한강도는 약 1~3% 감소한 반면 외압에 대한 극한강도는 약 43%~55% 감소하였다. 가설위치에 따라 난형도의 영향을 분석한 결과, 전체적으로 난형도가 증가함에 따라 강관에서 발생하는 응력이 증가하는 경향을 보였다. 주로인장력이 작용하는 vessel구간에서는 난형도 변화에 따른 응력 변화가 약 0.01%로 나타난 반면, 높은 외압이 작용하는sagbend와 seabed구간에서는 난형도가 4% 이상이 될 경우, 작용하는 외압이 강관의 극한강도를 초과하였다. 따라서 강관의 난형도는 인장력 또는 휨 모멘트 보다 외압에 의한 강관의 거동에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단되며, 난형도가 기준을 초과할 경우 심각한 안전상 문제가 발생할 것으로 예상되므로 강관 제작 및 가설 시 철저한 난형도의 관리가 요구된다.

MSM 스페리컬 받침의 지진시 극한거동 해석

조정래(Jeong-Rae Cho),박성용(Sung Yong Park),김성태(Sung Tae Kim),이강돈(Kang Don Lee) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.11

스페리컬 받침은 연직 반력과 회전량이 큰 철도교에 주로 사용되는 받침 형식이다. 국내에서는 회전 구면에 고력황동을, 유럽에서는 PTFE를 사용하는 방식이 주로 사용되어 왔다. 최근 PTFE에 비해 2배의 강도, 5배의 내구성을 갖는 MSM(Maura Sliding Material)이라는 미끄럼 소재가 개발되어 보다 소형의 고성능 스페리컬 받침의 설계가 가능하게 되었다. 본 연구에서는 MSM을 스페리컬 받침의 회전 구면에 적용하여 소형화된 고성능 MSM스페리컬 받침을 대상으로 지진시 수평력에 대한 극한거동을 비선형 유한요소 해석을 통해 분석하였다. Spherical bridge bearing is a preferable bridge bearing for railway bridge with large vertical load and rotation. Recently, new sliding material called MSM(Maura Sliding Material) were developed, which has a considerably higher life-time, double as high pressure in comparison with PTFE. This new sliding material results in spherical bridge bearing with smaller dimension than the existing one. In this study, the ultimate strength analysis of the spherical bridge bearing with small dimensions by incorporating MSM was performed and its safety was checked using three dimensional finite element.

판 두께와 볼트 크기를 고려한 고장력 볼트 이음부의 극한 거동

김성보,최종경,허인성,Kim, Sung-Bo,Choi, Jong-Kyoung,Heo, In-Sung 한국전산구조공학회 2008 한국전산구조공학회논문집 Vol.21 No.5

본 연구에서는 판 두께와 볼트 크기에 따른 고장력 볼트 마찰이음부의 극한 거동을 비선형 유한 요소 해석 및 실험을 통하여 분석하였다. 볼트의 크기 및 모재의 두께가 고장력 볼트 마찰이음부에 끼치는 영향을 미끄러짐 하중, 볼트의 변형 및 파괴하중과의 관계와 함께 파악하였다. M20, M22, M24의 세가지 볼트와 모재의 두께가 12mm, 16mm, 20mm, 30mm, 40mm인 경우에 대하여 압축력을 받는 고장력 볼트 이음부의 극한 거동을 고찰하였다. 이음부의 힘-변위 관계 및 외력-변형도 관계를 실험적으로 도출하였으며 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQYS를 사용한 수치해석 결과와 비교, 분석하였다. The ultimate behavior of high-tension bolted joints with various plate thickness and bolt size is investigated using nonlinear F.E. analysis and experimental study. The relation with sliding load, bolt deformation, and failure modes are presented based on plate thickness and bolt size. Three kinds of the bolt diameter(M20, M22, M24) and five types of the steel plates (l2mm, 16mm, 20mm, 30mm, 40mm) are considered for the ultimate behavior of the bolted joints. The numerical model, constructed by commercial F.E. program, ABAQUS, of ultimate behavior of bolted joints is introduced and verified by experimental results. The force-displacement and force-axial strain relations are measured and compared with the results by 3D finite element analysis.

Fiber 모델 요소를 이용한 곡선 강사장교의 극한 해석

이재석 ( Jae Seok Lee ),최규천 ( Kyu Chon Choi ) 충북대학교 건설기술연구소 2014 建設技術論文集 Vol.33 No.1

이 논문에서는 화이버(fiber) 모델 요소를 사용하여 곡선 강사장교의 비선형 거동 및 극한 거동을 해석하였다.곡선 강사장교는 곡선 형상으로 인하여 축력에 의한 기하학적 비선형 효과가 커지고 과재하될 경우 재료의 항복으로 인해 복잡한 거동을 보이면 따라서 이반 공간보 모덜에 근거한 상용 유한요서해석 프로그램으로 과화중에 따른 비선형 거동 해석을 정확히 수행하는 데는 한계가 있다. 이 논문에서는 강재 박스거더의 단면을 충분한 수의 화이버로 나누고 각 화이버에는 다른 재료성질을 정의할 수 있는 화이버 모덜에 근거한 비선형 해석 방법을 적용하였다. 실제 설계된 강사장교를 대상으로 이 논문에서 제시한 해석방법을 적용하면 해석한 결과와 타연구자의 해석 결과와 비교하였고 화이버 모덜에 근거한 비선형 해석 방법이 곡선 강사장교의 비선형 거동 및 극한거동을 잘 예측할 수 있음을 확인하였다. An adaptedness of the nonlinear analysis method based on fibered element to curved steel cable-stayed bridge is presented. The curved steel cable-stayed bridge exhibit very complex nonlinear behavior due to the geometric nonlineariry by large axial forces in the deck and nonlinear stress-strain relations of steel deck and cables. The usual 3D-beam elements in commercial structural analysis progreams have been known to be inefficient because they can not model varying material properties through the element sections under overload stages. In the proposed nethod, to trace varying material properties through the deck sections, steel deck sections are divided into fibers which can havedifferent material properties. To evaluate the applicability and exatness of the proposed analysis method, an actually designed curved steel cable-stayed bridge is analyzed and the results are compared with other analytical results. It is found that the fibered element-based nonlinear analysis method can trace the ultimate behavior as well as the nonlinear behavior of the curved steel cable-stayed bridge fairly well.

외부 후 긴장에 의해 지간이 증가된 합성보의 안전도 평가

박용걸(Park Yong Gul),박영훈(Park Young Hoon) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 A Vol.27 No.4A

본 연구는 외부 후 긴장에 의하여 지간이 증가된 합성보의 구조적 안전도 평가 결과를 나타낸 것이다. 긴장된 합성보의 정적 거동을 실험 및 해석적으로 분석하고, 긴장된 합성보의 동적 거동을 유한요소법을 이용하여 분석하였다. 실험 및 해석결과로 부터 긴장에 의해 지간장이 증가된 합성보의 실험적 파괴 강도가 이론적 극한 강도 보다 약 20% 높은 것으로 분석 되었다. 본 논문의 동적 해석 결과에서는 외부 후 긴장에 의한 지간장 증가에 있어서 급격한 가속도 상승이 발생하는 것으로 분석되었으며, 본 연구 실험 결과에 의해서는 지간장 22.2% 증가 까지는 가속도에 의한 사용성 문제가 발생하지 않는 것으로 분석 되었다. This paper presents the result of an evaluation on the structural safety of a composite beam whose span length was increased by external post-tensioning. The experimental and analytical studies on the behavior of a post-tensioned composite beam were carried out. The dynamic behavior of a post-tensioned composite beam was also analyzed by using the finite element method. From the experimental and analytical results, it was verified that the experimental breakout strength of the composite beam whose span length was increased by post-tensioning were higher than the theoretical ultimate strength by about 20%. The analytical results presented in this paper indicate that rapid acceleration increase occurred with increasing span length with the adoption of external post-tensioning. From the experimental results of this study, the serviceability problem caused by the acceleration increase did not occur for span length increase up to 22.2%