비선형 동적해석을 통한 국내 비보강 조적조 건축물의 내진성능 평가

백은린,김정현,이상호 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.3

본 연구의 목적은 비선형 동적해석을 통한 국내 비보강 조적조의 내진성능을 평가하는데 있다. 보다 정밀한 내진성능 평가를 위해 조적벽체의 파괴모드를 고려한 비선형 이력모델을 이용하고자 하나, 선행연구의 비선형 이력모델은 정적반복가력해석에 대한 검증만이 수행 되었다. 이에 본 연구에서는 진동대실험과 동적해석 결과를 비교하여 제안한 비보강 조적조 비선형 해석모델의 신뢰성을 검증한 다음, 국내 비 보강 조적조 건축물의 비선형 동적해석을 수행하고 결과를 분석하여 내진성능을 평가하였다. 그 결과, 1층의 조적조 건축물의 경우 개구부율 에 관계없이 비교적 지진피해가 작은 반면, 2층 이상의 국내 비보강 조적조 건축물의 대부분이 국내에 발생가능한 지진에 취약하였다. The purpose of this study is to evaluate the seismic performance of domestic unreinforced masonry(URM) buildings using nonlinear dynamic analysis. For that, the nonlinear hysteresis models suggested in the previous research were validated for the dynamic analysis. The results of the shaking table test were compared with the dynamic analysis results using the suggested nonlinear hysteresis models. As a result, the nonlinear hysteresis models were expected to be applicable to the dynamic analysis of URM buildings. Based on the models, the dynamic analysis of domestic URM buildings varying the number of stories and opening ratio was carried out. The analysis results showed that most of the domestic URM buildings were very vulnerable to design earthquake in Korea.

반복하중을 받는 스테인리스강의 이력거동 해석모델 개발

전준태 한국재난정보학회 2019 한국재난정보학회 논문집 Vol.15 No.2

연구목적: 본 연구에서는 대변형 효과를 구현할 수 있는 유한요소 해석기법을 기반으로 반복하중에 의 한 스테인리스강의 이력거동을 정확하게 평가할 수 있는 비선형 반복소성 손상모델을 개발하였다. 연 구방법: 개선된 운동경화 모델과 등방경화 법칙을 연계하여 반복하중 하에서의 재료의 거동을 모사하 는데 필요한 반복소성 모델을 개발하였으며, 이를 비선형 손상모델과 결합하였다. 연구결과 및 결론: 제안된 비선형 손상모델을 검증하기 위하여 변형률 제어 단조 및 반복하중 시험을 모사하였으며, 이를 통한 해석결과를 시험결과와 비교하였다. 비교 결과, 본 연구에서 제안한 비선형 손상모델은 스테인리 스강의 반복하중 하에서의 이력거동을 정확하게 모사할 수 있음을 확인하였다. Purpose: This study intends to develop a nonlinear cyclic plasticity damage model in the framework of finite element formulation, which is capable of taking large deformation effects into account, in order to accurately predict the hysteretic behavior of stainless steel structures. Method: The new cyclic constitutive equations that utilize the combined isotropic-kinematic hardening rule for plastic deformation is incorporated into the damage mechanic model in conjunction with the large strain formulation. The damage growth law is based on the experimental observations that the evolution of microvoids yields nonlinear damage accumulation with plastic deformation. The damage model parameters and the procedure for their identification are presented. Results and Conclusion: The proposed nonlinear damage model has been verified by simulating uniaxial strain-controlled monotonic and cyclic loading tests, and successfully applied to a thin-walled stainless steel pipe subjected to constant and alternating strain-controlled cyclic loadings.

필로티형 고층 RC건물의 비선형시간이력해석

고동우,이한선 한국지진공학회 2009 한국지진공학회논문집 Vol.13 No.1

강한 지진에 대한 필로티형 고층 철근콘크리트 건물의 거동을 묘사하기 위한 해석기법의 개발과 성능평가를 위해, 상부벽식 하부 골조형식인 필로티형 건물에 대한 1/12축소 진동대 실험결과와 OpenSees를 이용하여 실험모델에 대한 비선형 시간이력해석을 수행한 결과를 비교하였다. 하부골조 형식은 모두 골조로 이루어진 형태(BF)와 전단벽이 한쪽 외부골조에 치우쳐 비틀림이 발생하는 형태(ESW)의 실험체에 대해 해석연구를 수행하였다. 철근과 콘크리트의 응력-변형률관계를 정의한 후 이를 단면에 이식시킨 섬유모델을 통해 비선형거동을 나타내도록 하였으며, 벽체는 MVLEM모델을 이용하였다. 해석결과 본 논문에서 제시한 비선형 모델은 필로티층의 거동(예를 들면 필로티층의 항복강도와 강성 상부구조물의 흔들림, 거동, 그리고 축력의 변화에 따른 축강성과 전단강성의 변화)을 비교적 정확하게 묘사하였다. 그러나 MVLEM으로 벽체의 비선형거동을 구성한 결과 거시거동은 실제 모델을 잘 따랐으나, 비틀림이 주된 진동주기일 때 발생하는 벽체 횡강성의 급격한 증가와 Warping현상으로 인해 코너기둥에 발생하는 과도한 인장력은 제대로 반영하지 못하였다. 비선형 해석으로 설계부재력을 구할 경우 실제보다 약 20{\sim}30% 작게 나타났는데, 이는 실험과 해석방법의 차이때문에 발생한 것으로 보이며, 비선형 거동이 과도하게 발생한 수준의 지진에 대해서는 필로티형 건물의 거동특성을 충실히 나타내었다. Two types of piloti-type high-rise RC building structures having irregularity in the lower two stories were selected as prototypes, and nonlinear time history analysis was performed using OpenSees to verify the analysis technique and to investigate the seismic capacity of those buildings. One of the buildings studied had a symmetrical moment-resisting frame (BF), while the other had an infilled shear wall in only one of the exterior frames (ESW). A fiber model, consisting of concrete and reinforcing bar represented from the stress-strain relationship, was adapted and used to simulate the nonlinearity of members, and MVLEM (Multi Vertical Linear Element Model) was used to simulate the behavior of the wall. The analytical results simulate the behavior of piloti-type high-rise RC building structures well, including the stiffness and yield force of piloti stories, the rocking behavior of the upper structure and the variation of the axial stiffness of the column due to variation in loading condition. However, MVLEM has a limitation in simulating the abrupt increasing lateral stiffness of a wall, due to the torsional mode behavior of the building. The design force obtained from a nonlinear time history analysis was shown to be about 20{\sim}30% smaller than that obtained in the experiment. For this reason, further research is required to match the analytical results with real structures, in order to use nonlinear time history analysis in designing a piloti-type high-rise RC building.

비선형거동과 구조물유체상호작용을 고려한 취수탑 내진모델의 보수성평가

이계희 ( Gye-hee Lee ),이명규 ( Myoung-kyu Lee ),홍관영 ( Kwan-young Hong ) 한국구조물진단유지관리공학회 2020 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.24 No.6

본 연구에서는 물로 둘러싸인 철근콘크리트 취수탑에 대한 비선형내진해석을 수행하였다. 구조물 주변의 유체를 고려하기 위하여부가질량 및 CEL을 이용한 유체구조물 상호작용 모델을 구성하였다. 이 때 부가질량모델은 음해법을 사용하였고 유체구조물 상호작용 모델은 양해법을 사용하였다. 입력운동은 동일한 인공지진을 재현주기에 따라 500년, 1000년, 2400년에 해당하도록 크기를 조절하였다. 유체를 고려한 모델의 보수성을 평가하기 위하여 유체를 고려하지 않은 모델을 구성하여 참조해로 삼았다. 콘크리트와 철근의 재료모델은 항복후의 비선형 거동을 고려할 수 있도록 선정하였고 ABAQUS를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석결과 얻어진 구조물의 가속도응답스펙트럼을 비교한 결과 주변 유체의 영향은 구조물의 기본 진동수에 해당하는 첨두의 진동수와 첨두값의 크기를 감소시키는 것으로 나타났다. 하지만 부가 질량 모델에서는 고차 진동수에 해당하는 첨두값에는 영향을 미치지 못하였다. 유체의 영향을 고려한 단면모멘트는 부가질량모델의 경우 참조모델의 응답에 비하여 크게 증가하였다. 특히 선형거동이 지배적인 작은 크기의 지진응답에 대해서 이러한 증폭이 크게 발생하였다. 유체구조물 상호작용 모델의 경우 낮은 진동수성분을 가진 단면모멘트는 참조모델의 응답에 비하여 증폭이 발생하나, 높은 진동수 성분을 단면 모멘트는 증폭이 발생하지 않았다. 이러한 결과를 종합하여 볼 때 부가질량모델의 보수성이 유체구조물상호작용 모델이 비해 큰 것으로 평가되었다. In this study, series of nonlinear seismic analysis were performed on a reinforced concrete intake tower surrounded by water. To consider the fluid effect around the structure, analysis models were composed using an added mass and CEL approach. At this time, the implicit method was used for the added mass model, and the explicit method was used for the fluid structure interaction model. The input motions were scaled to correspond to 500, 1000, and 2400 years return period of the same artificial earthquake. To estimate the counteractivity of the fluid coupled model, models without fluid effect were constructed and used as a reference. The material models of concrete and reinforcement were selected to consider the nonlinear behavior after yielding, and analysis were performed by ABAQUS. As results, in the acceleration response spectrum of the structure, it was found that the influence of the surrounding fluid reducing the peak frequency and magnitude corresponding to the fundamental frequency of the structure. However, the added mass model did not affect the peak value corresponding to the higher mode. The sectional moments were increased significantly in the case of the added mass model than those of the reference model. Especially, this amplification occurred largely for a small-sized earthquake response in which linear behavior is dominant. In the fluid structure interaction model, the sectional moment with a low frequency component amplifies compared to that of the reference model, but the sectional moment with a high requency component was not amplified. Based in these results, it was evaluated that the counteractivity of the additive mass model was greater than that of the fluid structure interaction model.

내진 설계를 위한 에너지 소산량 산정법의 활용

임혜정,박홍근,엄태성 한국지진공학회 2003 한국지진공학회논문집 Vol.7 No.6

기존의 비선형 정적 및 동적 해석에서는 철근콘크리트 구조물의 에너지 소산능력을 정확히 고려하지 못하고 있다. 최근 연구에서는 휨지배 철근콘크리트 부재의 에너지 소산능력을 정확히 평가할 수 있는 식이 개발되었으며, 본 연구에서는 이 평가방법을 이용하여 에너지 소산능력을 정확히 고려할 수 있는 비선형 정적 및 동적 해석 방법을 개발하였다. 비선형 정적 해석을 위하여 에너지 스펙트럼 곡선을 개발하고 이를 적용하여 능력스펙트럼법을 개선하였으며, 또한 비선형 동적 해석을 위하여 철근콘크리트 부재의 단순화된 에너지 기초 주기거동모델을 개발하였다. 제안된 모델은 부재의 강성에 기초한 기존의 주기거동모델과는 달리 완전한 주기거동 발생시 소산되는 에너지를 정확하게 반영할 수 있다. 본 연구에서는 제안된 방법에 따라 비선형 정적 및 동적 해석법의 절차를 정립하였으며 이를 적용한 컴퓨터 해석 프로그램을 개발하였다. 제안된 해석 방법은 부재의 단면형태, 철근비, 배근형태 등 설계 변수에 따른 에너지 소산능력을 정확하게 고려하고 지진발생시 에너지 소산능력이 구조물의 성능에 미치는 효과를 반영할 수 있다. Traditional nonlinear static and dynamic analyses do not accurately estimate the energy dissipation capacity of reinforced concrete structure. Recently, simple equations which can accurately calculate the energy dissipation capacity of flexure-dominated RC members, were developed in the companion study. In the present study, nonlinear static and dynamic analytical methods improved using the energy-evaluation method were developed. For nonlinear static analysis, the Capacity Spectrum Method was improved by using the energy-spectrum curve newly developed. For nonlinear dynamic analysis, a simplified energy-based cyclic model of reinforced concrete member was developed. Unlike the existing cyclic models which are the stiffness-based models, the proposed cyclic model can accurately estimate the energy dissipating during complete load-cycles. The procedure of the proposed methods was established and the computer program incorporating the analytical method was developed. The proposed analytical methods can estimate accurately the energy dissipation capacity varying with the design parameters such as shape of cross-section, reinforcement ratio and arrangement, and can address the effect of the energy dissipation capacity on the structural performance under earthquake load.

구조물의 동적해석에서의 비선형 요소모델의 비교

한채훈,임영근,강병두,김재운 대한건축학회지회연합회 2008 대한건축학회지회연합회 학술발표대회논문집 Vol.2008 No.1

In the context of earthquake engineering, nonlinear response history analysis is an important tool to predict with reasonable accuracy the building response for varying levels of ground motion intensity. Ideally, the nonlinear response history analysis should faithfully simulate all significant modes of deformation and deterioration in the structure from the onset of damage up to collapse. However, given present analysis technologies and the practical constraints of design, it is usually not feasible and perhaps not warranted to directly simulate all significant nonlinear effects in analysis. Acceptance criteria for both individual components and the overall system must be tailored to the specific analysis capabilities for simulating nonlinear response. In this study, nonlinear response characteristics of the simple structure are examined with respect to three-nonlinear component models. The objective of this paper is to propose most appropriate nonlinear component models through a comparative analysis of top floor displacement and element force on the actual structure subjected to Elcentro earthquake.

비선형 동적해석을 통한 국내 비보강 조적조 건축물의 내진성능 평가

백은림,김정현,이상호 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.3

The purpose of this study is to evaluate the seismic performance of domestic unreinforced masonry(URM) buildings using nonlinear dynamic analysis. For that, the nonlinear hysteresis models suggested in the previous research were validated for the dynamic analysis. The results of the shaking table test were compared with the dynamic analysis results using the suggested nonlinear hysteresis models. As a result, the nonlinear hysteresis models were expected to be applicable to the dynamic analysis of URM buildings. Based on the models, the dynamic analysis of domestic URM buildings varying the number of stories and opening ratio was carried out. The analysis results showed that most of the domestic URM buildings were very vulnerable to design earthquake in Korea. 본 연구의 목적은 비선형 동적해석을 통한 국내 비보강 조적조의 내진성능을 평가하는데 있다. 보다 정밀한 내진성능 평가를 위해 조적벽체의 파괴모드를 고려한 비선형 이력모델을 이용하고자 하나, 선행연구의 비선형 이력모델은 정적반복가력해석에 대한 검증만이 수행되었다. 이에 본 연구에서는 진동대실험과 동적해석 결과를 비교하여 제안한 비보강 조적조 비선형 해석모델의 신뢰성을 검증한 다음, 국내 비보강 조적조 건축물의 비선형 동적해석을 수행하고 결과를 분석하여 내진성능을 평가하였다. 그 결과, 1층의 조적조 건축물의 경우 개구부율에 관계없이 비교적 지진피해가 작은 반면, 2층 이상의 국내 비보강 조적조 건축물의 대부분이 국내에 발생가능한 지진에 취약하였다.

API-X80 강재 라인파이프의 대변형 비선형 해석

이승정,윤영철,조우연,유성문,지광습,Lee, Seung-Jung,Yoon, Young-Cheol,Cho, Woo-Yeon,Yu, Seong-Mun,Zi,, Goang-Seup 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.4

본 논문에서는 비선형 유한요소해석 기법을 이용하여 API-X80 강재 라인파이프의 대변형 비선형 거동을 모사하였다. 강재의 구성방정식을 작성하기 위해 GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman) 모델을 사용하였다. 대변형 해석을 위해 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS과 연계해서 사용할 수 있는 사용자 서브루틴(User Subroutine)의 사용자 재료모델(UMAT)을 개발하였다. 유한요소해석 결과와 일축인장실험의 결과와의 비교를 통해 GTN 모델에서 사용되는 재료모델상수를 도출하였다. 도출된 모델상수를 이용해 API-X80 강재 라인파이프의 소성 좌굴변형해석을 실시하여 실험결과와 비교하였고 소성 좌굴변형에서 발생하는 거동 특성을 성공적으로 모사하였다. We simulated large deformation and inelastic behavior of API-X80 steel linepipes using nonlinear finite element method. Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN) model is employed for the development of the constitutive model of the steel. The GTN model is implemented in the form of the user-supplied material subroutine(UMAT) for the commercial software of ABAQUS. To calibrate the model parameters, we simulated the behavior of the uniaxial tension test using ABAQUS equipped with the developed GTN model. Using the set of the model parameters, we were able to capture the characteristics of the plastic buckling of API-X80 steel linepipes.

GTN 모델을 이용한 X80 라인파이프의 인장 변형성능 해석

윤영철,김기석,이재혁,조우연 대한토목학회 2016 대한토목학회논문집 Vol.36 No.6

This study presents a nonlinear finite element procedure involving a phenomenological model to validate the tensile strain capacity of the X80 line pipe developed for the strain-based design purpose. The procedure is based on the Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) model, which models nucleation, growth and coalescence of void volume fraction occurred inside a metal. In this study, the user-defined material module (UMAT) is implemented in the commercial finite element platform ABAQUS and is applied to thenonlinear damage analysis of steel specimens. Material parameters for the nonlinear damage analysis of base and weld metals are calibrated from numerical simulations for the tensile tests of round bar and full thickness specimens. They are then employed in thenumerical simulations for SENT (Single Edge Notch Tension) test and CWPT (Curved Wide Plate Test) and in the simulations, the tensile strain capacities are naturally evaluated. Comparison of the numerical results with the experimental results and the conventional empirical formulae shows that the proposed numerical procedure can fairly well predict the tensile strain capacity of X80 line pipe. So, it is readily expected to be effectively applied to the strain-based design procedure. 본 연구는 변형률 기반 설계를 위해 개발된 X80 라인파이프의 인장 변형성능을 검증하기 위해 금속의 비선형 거동을 해석할 수 있는 대표적 경험적인 모델인 GTN (Gurson-vergaard-Needleman) 모델을 이용한 비선형 유한요소 해석기법을 제시한다. GTN 모델은 재하과정중 금속내부에서 발생하는 공극의 생성, 성장, 합체에 대한 모델링을 통해 재료의 손상거동을 묘사하는데, 본 연구에서는 GTN 모델에 대한 사용자 정의 재료모델을 작성하고 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS에 연동시켜 강재의 비선형 손상거동을 해석하였다. 비선형 손상해석을 위한모재와 용접용 재료의 재료상수는 원형봉과 전두께 시편에 대한 인장시험 결과를 수치모사하여 결정하였으며, 결정된 재료상수를 이용하여 SENT (Single Edge Notch Tension) 시험과 CWPT (Curved Wide Plate Test)를 수치모사하였다. 수치해석 결과로부터 인장 변형성능을 산정하고 이를 시험결과 및 기존의 경험공식과 비교한 결과 본 연구에서 개발한 수치기법이 X80 라인파이프 부재의 인장 변형성능을 신뢰도 높게 평가하는 것을 확인하였으며, 결과적으로 변형률 기반 설계에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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.