확장유한요소법을 이용한 철근콘크리트 부재의 균열해석 :Crack Analysis of Reinforced Concrete Members by Using Extended Finite Element Method

유현석

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자료유형: 학위논문

저자정보: 유현석 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 김한수

발행연도: 2016

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

확장유한요소법을 이용한 철근콘크리트 부재의 균열해석

유현석 건축학과 2016.01 학위논문

확장유한요소법을 이용한 철근 콘크리트 보의 다중균열 해석

유현석 , 김한수 한국전산구조공학회논문집 2016.01 학술저널

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건조수축이란 외력과 무관하게 시간경과에 따라 콘크리트 내부의 수분이 증발하면서 발생하는 부피변화를 의미하며, 이러한 건조수축현상이 구조물의 균열발생에 있어서 큰 원인으로서 작용한다. 만약 콘크리트 부재가 구속되어 있다면 건조수축 변형률은 인장응력으로 전환되고, 인장응력이 콘크리트의 인장강도를 초과하면 균열이 발생한다. 게다가 이러한 건조수축의 거동은 크리프에 의해서 응력이 이완되는 효과를 포함하고 있다. 따라서 본 연구에서는 크리프의 효과를 포함한 건조수축균열을 KS F 2595 규정에 의거한 시험체로 실험한 논문의 결과와 비교분석하여 그 정확성을 판단하였다. 본 연구에서는 균열을 묘사하는 방법으로 확장유한요소법을 이용하였으며, 건조수축의 부피변화의 효과는 열팽창계수와 온도변화로서 표현하였고 크리프는 크리프 함수 또는 릴렉세이션 함수의 형태로서 표현이 된다. 크리프에 의한 응력이완효과는 수치적분을 통해서 표현되어지고, 크리프 함수나 릴렉세이션 함수는 모두 크리프 효과와 재령효과의 2가지 변수에 의해서 결정되어 진다. 본 연구에서는 확장유한요소법을 적용할 수 있는 상용유한요소프로그램으로 ABAQUS를 사용하였으며, ABAQUS에서는 크리프를 프로니 급수를 이용해서 표현한다. 그러나 ABAQUS에서는 콘크리트의 재령효과를 포함하지 못하는 문제점이 있기 때문에 본 연구에서는 건조수축응력의 이력을 아는 경우에 콘크리트의 재령효과를 포함하는 최적화 프로니 급수를 계산하는 전용프로그램을 개발하였으며, 최적화 프로니 급수를 이용하여 해석한 결과와 실험논문의 결과를 비교 분석하여 매우 유사성 있는 결과를 얻었다. 또한 본 논문에서는 확장유한요소법을 이용하여 해석을 수행함에 있어서, 이전에 연구에서는 일반적으로 콘크리트, 금속 또는 알루미늄과 같은 단일부재의 균열해석이 주를 이루었으나, 본 연구에서는 철근콘크리트와 같은 복합부재에 확장유한요소법의 사용성을 평가하고 다중균열의 묘사를 수행하였다. 이를 위해서 가장 직관적으로 균열의 발생을 알 수 있는 철근콘크리트 3점 휨 시험을 해석모델로 선택하였으며, 균열을 해석하는 과정에서 발생한 문제점을 회피할 수 있는 방안을 제시하고 다중균열을 묘사하기 위한 가이드라인을 제시하였다.

In concrete Members cause long-term behavior with time due to Shrinkage. Drying shrinkage is very harmful at reinforced concrete structure by causing cracks. If the concrete members are restrained, drying shrinkage strain develops tensile stress and consequently develops cracks. Creep which is another long term characteristic of concrete relaxes the tensile stress due to shrinkage. Creep is represented in the form of creep function or relaxation function and the relaxation effect of creep can be considered by numerical integration. Creep function or relaxation function depend on two time variables representing creep effect and aging effect, respectively. In general purpose finite element program like ABAQUS, Prony series are used in creep analysis to evade the complexity of numerical integration of creep function. However, Prony series in ABAQUS has critical deficiency that it can represent only creep effect excluding aging effect. In this paper, optimized Prony series was proposed to complement the weakness of Prony series in ABAQUS. The optimized Prony series can include not only creep effect but also aging effect. Drying shrinkage crack analysis was performed using XFEM features in ABAQUS to demonstrate the efficiency of the optimized Prony series. Analysis model representing the drying shrinkage crack test specimen specified in KS F 2595 was used to compare with the shrinkage crack development measured in experiment. Analysis results with the optimized Prony series were quite similar to the experiment results and show the effectiveness of the proposed method in long term analysis of concrete structures. Previously existing papers of crack analysis are using discrete crack method or smeared crack method, but now on eXtend Finite Element Method(XFEM) is useful for crack analysis because it doesn’t need to remesh and has the adventage for crack growth visualization. simulations of cracking using XFEM are usually doing in single material until now. for that reason, purpose of this paper is simulation of multi cracking in 3 Point Bending Test(3PBT) in reinforced concrete by using extended finite element method. XFEM is implemented by using Phantom Node Methods in ABAQUS. because of this, some kind of problems have occurred. so we suggest a proper way to avoid problems. also we present manner of multi-cracking simulation in this paper. Finally for the validity of this paper, we are going comparison with result of the advanced experiment study and result of Crack simulation by ABAQUS.

제1장 서론 1
제1절 연구배경 및 동향 1
1. 연구배경 1
2. 연구동향 2
제2절 연구목적 및 방법 3
1. 연구목적 3
2. 연구범위 및 방법 4
제2장 건조수축균열 및 점탄성 특성 6
제1절 건조수축균열 6
1. 건조수축균열의 특성 6
2. 건조수축균열의 실험방법 9
제2절 콘크리트의 점탄성 특성 10
1. 점탄성 재료 모델 10
2. 프로니 급수 12
3. 건조수축응력해석 13
제3장 콘크리트 건조수축 균열해석 20
제1절 균열해석법 20
1. 확장유한요소법의 기본이론 20
2. 팬텀노드법 23
제2절 균열해석결과 비교 25
1. 해석모델 25
2. 해석결과비교 26
제4장 철근콘크리트의 다중균열해석 30
제1절 다중균열묘사 30
1. 3점 휨 시험 30
2. 유한요소 해석 모델 31
3. 다중균열해석의 문제점 33
4. 비교분석 38
제5장 결론 40
참고문헌 42
국문초록 46

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