This thesis presents an analytical model to simulate the nonlinear hysteretic behavior of reinforced concrete (RC) structures subject to general in-plane stresses. The material behavior of concrete is described by an orthotropic constitutive relation, focusing on the tension-compression region with tension-stiffening and compression softening effects defining the equivalent uniaxial stress-strain relation in the axes of orthotropy. The behavior of cracked concrete is described by a system of orthogonal cracks, which follows the principal strain directions and rotates according to the loading history.
From the strain distribution of concrete, energy equilibrium condition and average stress-strain concept, a cracking model for reinforced concrete planar structures to predict the post-cracking behavior of tension governing structures is introduced. Based on the force equilibrium, compatibility condition, and bond stress-slip relationship between the reinforcement and the surrounding concrete, a tension stiffening model that can simulate the rotation of crack angle and the interaction between reinforcing steel and concrete for shear dominated structures is proposed using the concept of average stresses and strains. In addition, an interface element is used to account for local discontinuous deformations at the boundary plane where members with different thicknesses are connected.
While maintaining all the basic assumptions adopted in defining the constitutive relations of concrete under monotonic loadings, a hysteretic stress-strain relation of concrete, which crosses the tension-compression region, is defined. In addition, unlike previous simplified hysteretic stress-strain relations, curved unloading and reloading branches inferred from the stress-strain relation of steel considering the Bauschinger effect are used. Modifications of the stress-strain relation of steel are also introduced to reflect pinching and buckling effects depending on the shear span ratio and to represent an average stress distribution in a damaged RC element, respectively.
The developed numerical model is validated through comparison of the obtained numerical results with experimental data for idealized orthogonally reinforced concrete tension and shear panels subject to monotonic and cyclic loadings. In addition, to assess the applicability of the material model under different stress conditions, hysteretic load-deformation relationships obtained are compared with monotonic, cyclic and dynamic shear wall test results.
이 논문에서는 일반적인 하중을 받는 철근콘크리트 전단벽의 거동 해석을 위한 철근콘크리트 재료의 구성모델을 제안하였고, 이를 토대로 비선형 동적 유한요소 해석 프로그램을 개발하여 수치해석을 통해 검증하였다.
등가의 일축변형률 개념을 토대로 하중이력에 따라 회전하는 주변형률 축에 대해 구성 관계가 수립되는 직교이방성모델을 사용하여 균열발생 및 항복 후의 거동을 중심으로 일반적인 응력 이력을 포함한 서로 다른 응력 상태에 따른 콘크리트와 철근의 재료모델을 정의하였다. 콘크리트의 경우 단조증가상태에서 응력-변형률 곡선을 정의하기 위해 이축응력상태의 파괴포락선, 균열발생 후 압축강도 감소효과와 인장강화효과 및 압축파쇄 이후의 구속효과 등을 고려하였고, 이를 토대로 단순하면서도 인장과 압축이 교번하는 이력특성을 효과적으로 모사할 수 있는 이력곡선을 정의하였으며, 철근의 경우 평균응력-변형률 개념을 통해 매립 및 좌굴효과에 따른 단조증가 상태의 응력-변형률 관계를 구성하였고, 이를 기반으로 역전된 반복하중으로 인해 발생하는 Bauschinger 효과를 고려하여 이력곡선을 정의하였으며, 전단 효과를 고려하기 위해 전단지간 비에 따라 기존에 제안된 이력곡선을 수정하였다.
일축상태의 철근콘크리트 축방향 부재나 이축응력상태의 패널 등의 균열발생 이후 비선형 거동을 모사하기 위한 해석모델을 제안하였다. 균열 이후부터 항복상태까지의 거동을 모사하는 인장증강효과를 모사하기 위해 균열 시 변형률 분포를 결정하고, 국부항복 및 항복 이후 대변형 상태에서 철근의 평균 거동 등을 복합적으로 고려하여 콘크리트의 유효인장응력-변형률 곡선을 정의하였다. 임의의 방향으로 배근된 이축응력하의 거동을 모사하기 위해 일축상태에서 제안된 해석모델을 수정, 확장하였다. 또한 전단이 지배적으로 작용하는 구조물의 균열 거동을 모사하기 위해 주인장방향에서 힘의 평형, 적합조건 및 부착응력-슬립 관계를 토대로 직교이방성 모델에 적용이 용이한 해석모델을 제안하였다. 한편, 부재의 두께가 서로 다른 부분에서의 국부적인 불연속 변위를 모사하기 위한 경계면 요소를 추가적으로 도입하였다.
해석과정의 효율성을 도모하고 변형연화 거동특성 등 일반적인 하중-변위 평형경로를 갖는 철근콘크리트 구조물의 비선형 해석을 위해 arc-length 기법을 도입하였으며, 시간이력 해석을 위해 직접 적분법 중 Newmark 방법을 사용하였다. 제안된 수치해석모델에 대한 효율성을 검증하기 위해 요소단계의 철근콘크리트 패널 시험체와 대표적인 전단벽 시험체의 단조증가 및 반복하중 그리고 지진이력에 따른 하중-변위 관계 등 전단에 의해 지배를 받는 구조체에 대한 해석 결과와의 비교가 이루어졌다.
