유한요소해석을 통한 철근콘크리트 부재의 복합하중(축력·휨·비틀림) 상관관계 평가

국문 초록 (Abstract)

비틀림 내력 설계식의 현행 설계기준(KDS 14 20 22 및 ACI 318-19)은 주로 순수 비틀림을 받는 RC 부재의 비틀림 내력을 산정한다. 그러나 실제 구조물에 작용하는 하중은 순수비틀림뿐만 아니라 축력, 휨, 전단 등 다양한 하중이 복합적으로 작용한다. 이 연구에서는 휨·비틀림을 받는 RC 부재의 비틀림 거동을 평가하고, 현행 설계기준이 이러한 복합하중 하에서 비틀림 내력을 정확하게 예측할 수 있는지 검토하고자 한다.
구체적으로, 이 연구는 복합하중을 받는 RC 부재에서 휨모멘트비를 주요 변수로 설정하여 실험을 진행하여 비틀림 거동을 분석하고, 이를 바탕으로 유한요소해석프로그램의 실험체를 모델링하여, 축력비와 휨모멘트비를 주요 변수로 분석을 진행하여 축력·휨·비틀림의 상관관계를 확인하고자 한다.
제1장 서론에서는 비정형 구조물에서 비틀림 하중의 중요성 및 현행 설계기준의 한계를 설명하였고, 복합하중을 받는 RC부재에 대한 선행연구를 바탕으로 연구의 필요성을 도출하였다.
제2장 선행연구 이론 및 현행 설계기준에서는 순수비틀림에 대한 이론적 배경을 설명하고, 국내·외 비틀림 설계기준을 분석한다. 복합하중을 받는 RC 부재에서 하중 간 상관관계를 다룬 선행연구들의 제안식을 검토하고, 이 연구에서 사용할 이론적 틀을 제시하였다.
제3장 휨·비틀림을 받는 RC 부재의 실험계획 및 결과에서는 휨모멘트비를 변수로 설정하여 실험의 세부 계획을 설명하고, 실험체의 설계, 사용재료, 실험 방법 및 계측계획을 구체적으로 제시하고 실험을 통해 얻은 결과로 비틀림 모멘트-회전각 관계, 최종파괴 시의 균열 양상, 그리고 종방향 및 횡방향 비틀림 보강근의 변형률 분포를 정리하였다.
제4장 유한요소해석을 위한 모델링에 사용되는 프로그램과 이론을 설명하였다. 이를 통해 실제 실험에서 사용한 재료, 지지조건, FE Mesh, Monitoring Ponit, 하중조건 등을 설정하였으며 유한요소해석결과와 실제 실험결과를 비교하고 이에 따른 유한요소 해석계획 및 결과를 나타내었다.
제5장 다양한 축력비와 다양한 휨모멘트비를 받는 비틀림 부재에 대해 해석결과를 통해, Liang Huang의 축력·휨·비틀림의 하중 상관관계를 통해 상수 , 를 축력에 대한 식으로 표현하고 이를 이용하여 복합하중을 받는 실험체의 비틀림 내력을 예측하고 축력·휨·비틀림의 상관관계를 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study compared and analyzed the experimental results and finite element analysis (FEA) results of reinforced concrete (RC) members subjected to axial force, bending, and torsion. Based on this analysis, axial force, bending moment ratios, and their interactions were evaluated to propose a load correlation equation focused on axial force by modifying Liang Huang’s axial-bending-shear-torsion correlation equations.

1) Comparing the experimental and FEA results demonstrated high accuracy in the torsional moment-rotation angle relationship and strain distribution of torsional reinforcement. This validation enabled the reproduction of conditions with varying axial force and bending moment ratios.

2) Analyzing load contributions based on Liang Huang’s correlation equations showed that the test specimens primarily fell within the bending-dominated region. This affirmed the applicability of axial-bending-torsion correlation equations to the study.

3) Verification of Liang Huang’s axial-bending correlation through FEA confirmed that the proposed correlation equations accurately predicted FEA results.

4) For RC members under axial force and torsion, the torsional strength increased with higher axial force ratios. Based on this trend, a correlation equation focused on axial force was proposed.

5) The axial-bending-torsion correlation was adjusted into a bending-torsion-focused equation, with regression analysis used to determine key constants. When these constants were applied to the axial-bending-torsion equation, it was observed that the bending-torsion correlation expanded consistently with increasing axial force, supported by statistical validation.

In conclusion, this study demonstrated that the correlation between axial force, bending, and torsion varies and expands with changes in axial force magnitude. A new model with improved accuracy over existing equations was proposed based on these findings. However, as this research focused on bending-dominated members, further experimental validation, including shear-dominated members, is required to generalize the proposed model.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 1. 서론 1
• 1) 연구배경 및 목적 1
• 2) 연구동향 2
• 3) 연구내용 및 구성 3
• 2. 선행연구 이론 및 현행 설계기준 5
• 1) 비틀림 선행연구 이론 5
• (1) 비틀림의 거동과 비틀림보강근의 효과 5
• (2) 순수 비틀림 연구 흐름 7
• 2) 철근콘크리트 부재의 현행 비틀림 설계기준 11
• (1) KDS 14 20 22 11
• (2) ACI 318-19 12
• (3) EC2-04 13
• 3) 복합하중을 받는 RC부재의 선행연구 14
• (1) 전단·비틀림 하중을 받는 RC부재의 상관관계 15
• (2) 휨·비틀림 하중을 받는 RC부재의 상관관계 16
• (3) 축력·전단·휨·비틀림 하중을 받는 RC부재의 상관관계 17
• 3. 복합하중을 받는 RC부재의 실험계획 및 결과 19
• 1) 실험개요 19
• 2) 실험체 계획 19
• (1) 실험체 상세 19
• (2) 사용재료 21
• 3) 가력 및 계측계획 23
• (1) 복합하중 가력장치 및 가력방법 23
• (2) 실험체 계측방법 26
• 4) 복합하중을 받는 RC부재의 실험결과 27
• (1) 비틀림 모멘트-회전각 관계 27
• (2) 최종파괴 시 균열양상 30
• (3) 종방향 및 횡방향 비틀림 보강근의 변형률 분포 32
• 4. 유한요소해석 모델링 39
• 1) 개요 39
• (1) 재료구성법칙 39
• (2) 모델화 개요 45
• 2) 유한요소해석결과와 실험결과 비교 47
• (1) 비틀림모멘트-회전각관계 47
• (2) 하중과 종방향철근 변형률 관계 49
• 3) 유한요소해석 계획 및 결과 50
• (1) 유한요소해석 계획 50
• (2) 유한요소해석 결과 50
• 5. 축력·휨·비틀림 상관관계 53
• 1) 축력·휨 상관관계 53
• 2) 휨·비틀림 상관관계 55
• 3) 축력·휨·비틀림 상관관계 57
• 6. 결론 68
• 참고문헌 70
• ABSTRACT 74