콘크리트 구조부재의 스트럿-타이 모델 해석을 통한 스트럿 유효강도의 적합성 평가

전창현(Jeun Chang Hyun),윤영묵(Yun Young Mook) 대한토목학회 2010 대한토목학회논문집 A Vol.30 No.5A

스트럿-타이 모델 방법은 응력교란영역을 포함하는 콘크리트 구조부재의 극한강도 해석 및 설계에 효과적인 방법으로 알려져 있다. 그러나 콘크리트 구조부재의 정확한 극한강도 해석 및 설계를 위해서는 콘크리트 스트럿의 유효강도를 정확하게 결정하여야 한다. 이를 위해 여러 콘크리트 스트럿의 유효강도 값, 식, 그리고 결정방법이 제안되었다. 이 연구에서는 연구 문헌, 설계기준서, 그리고 본 연구자의 방법 등에 의해 결정한 콘크리트 스트럿의 유효강도를 여러 스트럿-타이 모델 설계 예제집의 전통적인 선형 스트럿-타이 모델 방법에 적용하여 파괴실험이 수행된 24개 철근콘크리트 패널, 275개 철근콘크리트 깊은 보, 그리고 218개 철근콘크리트 코벨 등의 파괴강도를 평가하였으며, 그 결과의 비교분석을 통해 제안된 콘크리트 스트럿의 유효강도 값, 식, 방법 등의 적합성을 평가하였다. 이 연구를 통하여 콘크리트 구조부재의 파괴강도를 비교적 정확하고 일관적으로 평가한 본 연구자의 유효강도 결정방법은 콘크리트 구조부재의 종류, 스트럿-타이 모델의 구조형식, 전단경간대 유효깊이의 비, 그리고 콘크리트 압축강도 등의 주요 변수의 영향을 콘크리트 구조부재의 스트럿-타이 모델 해석 및 설계 시 합리적으로 반영할 수 있음을 알았다. The strut-tie model approach has proven to be effective in the ultimate analysis and design of structural concrete with disturbed regions. For the reliable analysis and design by the approach, however, the effective strength of concrete struts must be determined accurately. In this study, the validity of the effective strength of concrete struts, presented by the several design codes and many researchers including the author, was examined through the ultimate strength analysis of 24 reinforced concrete panels, 275 reinforced concrete deep beams, and 218 reinforced concrete corbels by using the conventional linear strut-tie model approach of current codes. The present study shows that the author’s approach, resulting in an accurate and consistent evaluation of the ultimate strength of the panels, deep beams, and corbels, may reflect rationally the effects of primary variables including the types of strut-tie model and structural concrete, the conditions of load and geometry, and the strength of concrete in the strut-tie model analysis and design of structural concrete.

3차원 콘크리트 스트럿의 유효강도

윤영묵,Yun, Young Mook 대한토목학회 2014 대한토목학회논문집 Vol.34 No.2

For the reliable design of the structural concrete by the strut-tie model approaches of current design codes, the effective strengths of concrete struts must be determined with sufficient accuracy. Many values and equations for the effective strengths have been suggested until now. As those are for the two-dimensional concrete struts, however, it is inappropriate to employ them in the strut-tie model designs of three-dimensional structural concretes. In this study, an approach, that determines the effective strengths of three-dimensional concrete struts consistently and accurately by reflecting the state of 3-dimensional stresses, the 3-dimensional failure criteria of concrete, the degree of cracks (or tensile strains of reinforcing bars crossing the struts), the strut's longitudinal length, the deviation angle between strut orientation and compressive principal stress flow, compressive strength of concrete, and the degree of concrete confinement by reinforcing bars, is proposed. To examine the validity of the proposed approach, the ultimate strength analyses of 115 reinforced concrete pile caps tested to failure by previous investigators were conducted by the ACI 318-11's strut-tie model approach with the existing and proposed effective strengths of concrete struts. 스트럿-타이 모델 방법을 이용한 콘크리트 구조부재의 설계 시 가장 중요한 요소 중 하나는 콘크리트 스트럿의 유효강도를 정확하게 결정하는 것이다. 콘크리트 스트럿의 유효강도를 결정하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 여러 종류의 스트럿의 유효강도 값 및 산정식이 제안되었다. 그러나 이들은 2차원 콘크리트 구조부재의 스트럿-타이 모델 설계를 위한 것으로, 그 값을 3차원 콘크리트 구조부재의 설계에 적용하는 것은 적절하지 않다. 이 연구에서는 콘크리트 스트럿이 위치한 곳의 3축 응력 상태, 콘크리트의 3차원 파괴기준, 스트럿 길이의 영향, 스트럿과 압축 주응력 흐름과의 불일치의 영향, 콘크리트 압축강도의 영향, 그리고 철근에 의한 콘크리트 스트럿의 구속의 정도 등을 고려하여 3차원 콘크리트 스트럿의 유효강도를 일관성 있게 결정할 수 있는 방법을 제안하였다. 제안한 방법의 타당성을 검증하기 위해 기존 연구자들에 의해 파괴실험이 수행된 115개의 철근콘크리트 파일캡 시험체의 극한강도를 평가하였으며, 그 결과를 실험결과 및 현행 설계기준에서 제안한 스트럿의 유효강도 값을 이용하여 평가한 결과와 비교분석하였다.

철근콘크리트 부재 저항능력의 통계적 모델 개발

김지상(Kim Jee Sang),김종호(Kim Jong Ho) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 A Vol.31 No.4A

대부분의 콘크리트구조설계기준은 구조물의 안전에 대한 여유를 확보하기 위해 하중계수 및 저항계수의 안전계수를 고려하고 있다. 이 안전계수는 하중과 저항의 통계적 불확실성을 적절하게 고려한 구조신뢰성 이론에 근거하여 결정되어야 하는데, 구조신뢰성 이론의 적용은 하중 및 저항에 대한 통계적 모델의 정립이 선행되어야 한다. 이 논문에서는 콘크리트 압축 강도, 철근 항복강도 및 부재 단면치수의 통계적 변동성을 고려한 철근콘크리트 부재의 저항모델을 개발하였다. 통계모델 개발에 적용된 자료는 국내의 실험 및 시험 자료를 기초로 하였으며, 몬테칼로 시뮬레이션(Monte Carlo Simulation)기법을 적용하였다. 이 논문의 결과는 콘크리트 구조설계 기준의 검증 및 개정작업에 유용한 자료를 제공할 것으로 기대된다. Most current design codes of concrete structures adopt the partial safety factor format to assure the proper safety margin or reliability against various limit states as a practical design tool. The safety factors, load and resistance factors and so on, are determined based on the theory of structural reliability, which takes into account the statistical uncertainties of both loads and resistances. The establishment of statistical models for load and resistance should be preceded the application of reliability theory. In this paper, especially the influence of the statistical variations of resistance models, which are described in terms of strength of concrete, strength of reinforcements and sectional dimensions and so on, are examined and the probabilistic models for resistance of reinforced concrete members were developed. The statistical data were collected on local tests and experiments in Korea and the Monte Carlo simulation (MCS) technique was used. The results of this paper may be useful and valuable in calibration of design code in this country.

콘크리트 구조부재의 2차원 스트럿-타이 모델 설계를 위한 컴퓨터 그래픽 프로그램

윤영묵 대한토목학회 2017 대한토목학회논문집 Vol.37 No.3

The strut-tie model approach has been recognized as an efficient methodology for the design of all types of concrete members withD-regions, and the approach has been accepted in design codes globally. However, the design of concrete members with the approach requires many iterative numerical structural analyses, numerous graphical calculations, enormous times and efforts, and designer’s subjective decisions in terms of the development of appropriate strut-tie model, determination of required areas of struts and ties, and verification of strength conditions of struts and nodal zones. In this study, a computer graphics program, that enables the design of concrete members efficiently and professionally by overcoming the forementioned limitations of the strut-tie model approach, is developed. In the computer graphics program, the numerical programs that are essential in the strut-tie model analysis and design of concrete members including finite element analysis programs for the plane truss and solid problems with all kinds of boundary conditions, a program for automatic determination of effective strengths of struts and nodal zones, and a program for graphical verification of developed strut-tie model’s appropriateness by displaying various geometrical shapes of struts and nodal zones, are loaded. Great efficiency and convenience during the application of the strut-tie model approach may be provided by the various graphics environment-based functions of the proposed program. 스트럿-타이 모델 방법은 응력교란영역을 갖는 콘크리트 구조부재의 설계에 효과적인 방법으로 알려져 있으며, 세계 주요 설계기준서에 채택되고 있다. 그러나 스트럿-타이 모델 방법에 의한 콘크리트 구조부재의 설계과정은 스트럿-타이 모델의 형성, 스트럿 및 타이의 필요단면적의 결정, 스트럿 및 절점영역의 강도검토 등으로 인한 반복적인 수치해석과정, 많은 도식적 계산과정, 엄청난 시간과 노력, 그리고 여러 단계에서의 설계자의 주관적인 판단 등을 필요로 하는 단점을 내포하고 있다. 이 연구에서는 스트럿-타이 모델 설계과정 상의 단점을 극복하여 모든 콘크리트 구조부재의 스트럿-타이 모델 해석 및 설계를 전문적이며 효과적으로 수행할 수 있는 컴퓨터 그래픽 프로그램을 개발하였다. 이 연구의 컴퓨터 그래픽 프로그램은 평면고체 및 평면트러스의 선형 및 재료비선형 해석을 위한 모든 종류의 경계조건을 소화할 수 있는 유한요소해석 프로그램, 스트럿 및 절점영역 유효강도의 자동적 결정을 위한 수치해석 프로그램, 다양한 형태의 스트럿 및 절점영역의 형상 결정을 위한 그래픽 프로그램 등을 포함한 콘크리트 구조부재의 스트럿-타이 모델 해석 또는 설계과정 상에 필요한 모든 프로그램을 탑재하고 있다. 이 연구의 프로그램은 그래픽 환경을 접목시킨 여러 다양한 기능을 통해 콘크리트 구조부재의 모델링 및 스트럿-타이 모델 해석 및 설계 시 뛰어난 효율성과 편의성을 제공할 것이다.

콘크리트 구조부재의 설계를 위한 격자 스트럿-타이 모델 방법

윤영묵(Yun Young Mook),김병헌(Kim Byung Hun) 대한토목학회 2006 대한토목학회논문집 A Vol.26 No.4A

스트럿-타이 모텔 방법은 응력교란영역을 갖는 콘크리트 구조부재의 설계에 효과적인 방법으로 알려져 있다. 그러나 하중이나 기하학적 조건이 복잡한 경우 현행 설계기준의 스트럿-타이 모델 방법은 스트럿-타이 모델의 선정, 스트럿-타이 모델의 구조형식, 그리고 구성요소의 유효강도 측면에서의 불확실성으로 인해 콘크리트 구조부재의 합리적인 설계가 어려운 부분이 있다. 본 연구에서는 이러한 불확실성을 개선하기 위해 콘크리트 구조부재의 기하학적 형상을 바탕으로 초기격자모델을 구성하고 간단한 최적화 알고리즘을 이용하여 콘크리트 스트럿과 철근 타이의 하중전달능력을 결정함으로써 다양한 하중조건에 적합한 스트럿-타이 모텔의 선정과 동시에 일관된 설계를 수행할 수 있는 격자 스트럿-타이 모델 방법을 제안하였다. 철근콘크리트 깊은 보의 극한강도평가와 개구부를 가지는 벽체의 설계를 통해 제안한 방법의 타당성과 효율성을 검증하였다. Although the approaches implementing strut-tie models are the valuable tools for designing discontinuity regions of structural concrete, the approaches of the current design codes have to be improved for the design of structural concrete subjected to complex loading and geometrical conditions because of the uncertainties in the selection of strut-tie model, in the use of an indeterminate strut-tie model, and in the effective strengths of struts and nodal zones. To improve the uncertainties, a grid strut-tie model approach is proposed in this study. The proposed approach, allowing to perform a consistent and effective design of structural concrete, employs an initial grid strut-tie model in which various load combinations can be considered. In addition, the approach performs an automatic selection of an optimal strut-tie model by evaluating the capacities of struts and ties using a simple optimization algorithm. The validity and effectiveness of the proposed approach is verified by conducting the analysis of the four reinforced concrete deep beams tested to failure and the design of shearwalls with two openings.

강섬유의 종류 및 부재 두께에 따른 UHPFRC 휨 성능 평가

김경택,이진복,최진수,조승환,신현오 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

UHPFRC(ultra-high-performance fiber-reinforced concrete)는 고가의 재료 사용으로 인해 일반적인 구조부재 적용은 비경제적이며 활용방안이 제한적인 실정이다. 본 연구에서는 UHPFRC 박판 구조물을 휨 응력이 집중되는 구간에 활용함으로써 고가의 부재인 UHPFRC의 사용을 최소화하고 장점을 극대화시켜 보다 경제적이고 효율적인 시공 방안을 개발하기 위한 연구를 진행하였다. 최적의 UHPFRC 박판 구조물의 제작을 목적으로 서로 다른 부재 두께에서 형태가 다른 강섬유를 혼입한 UHPFRC의 휨 성능을 평가하였다. 부재 제작에는 형상비가 동일하고 (lf/df=100) 각각 직선형(straight fiber, S100) 및 비틀림 형태(twisted fiber, T100)를 가지는 두 종류의 강섬유가 사용되었다. 강섬유의 인장강도는 2000∼2500MPa의 범위이며, 두 종류의 섬유 모두 UHPFRC 전체 부피의 2 vol% 만큼 혼입하였다. 휨 시험을 위한 부재는 일반적으로 활용되는 100×100×400 mm의 각주형 공시체의 두께를 각각 24mm, 48mm, 72mm로 변화시켜 제작하였으며, 결과분석은 두께 변수 별 3개의 시험체에 대한 평균값을 사용하였다. 시험은 250kN 용량의 UTM을 사용하여 변위 제어를 통해 수행하였으며, 부재의 중앙부분에 LVDT를 설치하여 처짐을 측정하였다. 실험 결과 비틀림 강섬유를 사용한 T100 시험체의 휨-인장성능이 보다 우수하게 나타났고, 실험체의 두께가 두꺼워질수록 휨 성능이 증가하는 경향을 보이는 것을 확인하였다.

콘크리트 구조부재의 3차원 스트럿-타이 모델 해석 및 설계

윤영묵(Yun Young Mook),박정웅(Park Jung Woong) 대한토목학회 2006 대한토목학회논문집 A Vol.26 No.3A

본 연구에서는 현재의 설계기준에서 명확하게 제시하지 못하고 있는 3차원 응력교란영역의 설계를 위해 3차원 스트럿-타이 모델을 이용하는 새로운 설계방법을 제안하였고, 실무자들이 이 방법에 따라 콘크리트 구조부재를 설계하는데 편리함을 제공해주는 실용적인 3차원 스트럿-타이 모델 전용 그래픽 프로그램을 개발하였다. 격자 스트럿-타이 모델을 사용함으로서 모델 선정에 따른 주관성을 배제하였고, 3차원 파괴면 압축주응력 흐름의 방향, 그리고 스트럿의 방향 등을 이용하여 3차원 스트럿의 유효강도를 계산하는 방법을 개발하였다. 본 연구의 해석과정은 스트럿의 최대단면적과 필요단면적을 이용하여 최대하중을 계산한 다음, 계산된 타이의 필요단면적을 배근된 철근의 단면적으로 대치시켜 증분하중단계를 이용한 비선형 트러스 해석을 수행하는 방법이다. 설계과정은 주어진 설계하중에 대하여 필요철근량을 산정하고 스트럿과 절점의 강도를 검토하는 일련의 설계방법이다. 따라서 제안된 방법은 유한요소해석과의 상호작용을 통하여 스트럿-타이 모델의 단점을 보완하고 장점을 최대한 활용하기 위한 컴퓨터에 기반한 스트럿-타이 모델 방법으로 분류될 수 있다. 제안된 방법의 타당성을 검증하기 위하여 파괴실험이 수행된 9개의 말뚝기초 공시체의 파괴강도 예측 및 교각코핑부의 설계를 수행하였고, 그 결과를 기존의 연구결과 및 기존 설계기준에 의한 해석 및 설계결과와 비교하였다. In this study, a new approach employing 3-dimensional strut-tie models for analysis and design of 3-dimensional structural concrete with disturbed regions that are not properly occupied by current design codes is proposed. In addition, a computer graphics program for the practical application of the approach is developed. The approach adopts a grid strut-tie model to exclude the subjectivity in the selection of strut-tie model and evaluates the effective strength of concrete strut by considering the 3-dimensional failure criteria of concrete and the deviation angles between the struts and compressive principal stress trajectories. To verify the appropriateness of the approach, nine pile caps tested to failure are analyzed and a bridge pier is designed. The analysis and design results are compared with those obtained by several different methods.

3차원 격자요소를 활용한 콘크리트 구조부재의 스트럿-타이 모델 설계 방법 - (I) 방법의 제안

김병헌,윤영묵,Kim, Byung Hun,Yun, Young Mook 대한토목학회 2014 대한토목학회논문집 Vol.34 No.2

스트럿-타이 모델 방법은 응력교란영역을 갖는 콘크리트 구조부재의 설계에 효과적이다. 그러나 현행 설계기준의 스트럿-타이 모델 방법은 3차원 응력교란영역을 갖는 콘크리트 구조부재의 설계에 관한 명확한 개념 및 기준을 제시하지 못하고 있다. 이 연구에서는 현행 설계기준의 문제점을 개선하기 위한 새로운 스트럿-타이 모델 설계 방법을 제안하였다. 제안한 방법에서는 스트럿-타이 모델을 한 절점에서 주변의 인접한 모든 절점들로 힘을 전달할 수 있는 3차원 기본격자요소를 활용하여 형성한다. 또한 콘크리트 스트럿 및 절점영역의 유효강도를 이들이 위치한 곳의 철근의 영향 및 3차원 응력상태를 고려할 수 있는 수치해석적 방법을 사용하여 결정한다. 뿐 만 아니라 스트럿 및 타이의 하중전달능력을 격자요소의 최대단면적 개념을 도입하여 검토한다. Although the strut-tie model approaches of current design codes are regarded as the valuable methods for designs of structural concretes with D-regions, the approaches have to be improved because of the uncertainties in terms of the concepts and provisions for designs of 3-dimensional structural concretes. To improve the uncertainties, a new strut-tie model approach is proposed in this study. In the proposed approach, the concepts of employing a 3-dimensional grid element allowing load transfers in all directions at a node to construct a strut-tie model, a numerical analysis approach to determine the effective strengths of concrete struts and nodal zones by reflecting the effects of reinforcing bars and 3-dimensional stress state, and maximum areas of struts and ties to examine their load carrying capacities are integrated into the strut-tie model approaches of current design codes.

설계자를 위한 구조 부재 가단면 선정 시스템 개발에 관한 연구

안홍영(An, Hong-Young),김용한(Kim, Yong-Han),옥종호(Ock, Jong-Ho) 대한건축학회 2020 대한건축학회 학술발표대회 논문집 Vol.40 No.2

In the case of the domestic construction industry, it is necessary for architectural designers to properly assume structural members and proceed with the design, as each company works as a separate organization for each sector and thus it is difficult to cooperate with each other. However, most architectural designers currently rely on empirical methods to design structural members, and thus fail to design appropriate sections. The purpose of this study is to develop an Excel-based system that allows designers to design appropriate assumed sections based on basic design variables without relying on empirical methods. Through the development of the design process and the selection algorithm for each beam, column and foundation member, the Excel-based section selection system was developed so that architectural designers could design the appropriate assumed section by comparing tables only.

고로슬래그 미분말 및 섬유를 혼입한 내화패널 적용 철근콘크리트 부재의 구조성능 평가

하기주(Ha, Gee-Joo),이동렬(Yi, Dong-Ryul),하영주(Ha, Young-Joo),하재훈(Ha, Jae-Hoon) 대한건축학회 2017 대한건축학회 학술발표대회 논문집 Vol.37 No.2

In this study, to prevent the spalling of high strength concrete, the fire resistance panels was constructed using blast furnace slag and fiber. And the structural performance of reinforced concrete members was conducted after a fire test on the fire resistance panels. Ten reinforced concrete members using high strength concrete were constructed and tested under monotonic loading. Experimental programs were carried out to improve and evaluate the structural performance of the test specimens: the load-displacement, the failure mode, and the maximum strength were assessed. As a result of the test, The specimen BSS-F that did not use the fire resistance panel had decreased load-carrying capacity. And the specimen showed the shear failure. However, the specimen with the fire resistance panel showed stable behavior and it has decrease the loss of load-carrying capacity of reinforced concrete members.