The nonlinear dynamic responses of RC frame structures under earthquake excitations are usually developed at certain critical regions, and these regions are often located at points of maximum internal forces such as the beam-column joints. This means that an accurate numerical model, which can simulate the hysteretic behavior of RC columns and beams, is necessary in order to exactly predict the nonlinear response of the frame structures. To make numerical model, the determination of influence factors which affect to the nonlinear response
at a joint is essential step in the construction of an numerical model. Typically, initial stiffness, bond-slip, anchorage slip, and axial force effect are some of the influence factors which must be included in the numerical model because the major sources of deformation in RC frame structures are flexural rotation, shear deformation including shear sliding, and bond-slip. The hysteretic load-deformation behavior of frame member arises from a combination of these deformation mechanisms.
Many analytical models have been proposed to date for the nonlinear analysis of RC frame structures, and these range from very refined and complex local models to simplified global models. Of these models, an numerical model based on the moment-curvature relation is popular used in the case of frame structures. Such models include cyclic stiffness degradation and further modifications to take into consideration the pinching effect due to the shear force and the strength degradation after yielding of steel. In addition, by using the bilinear hysteretic curve instead of trilinear, a more simplified model has been proposed. Nevertheless, these models still have limitations in simulating exact structural behavior of RC columns because of the exclusion of the bond-slip, fixed-end rotation effect, axial force and Bauschinger effect.
This dissertation concentrates on the introduction of a moment-curvature relation of a RC section that can simulate the cyclic behavior of RC columns and RC frame. Unlike most mathematical or mechanical models found in the literature, the proposed model has taken into account the bond-slip effect, Bauschinger effect of the steel, axial force effect and fixed-end rotation effect. In advance, a modification of the hysteretic moment curvature relation to consider an increase of the ultimate resisting capacity and the pinching phenomenon in the axially loaded RC columns is also introduced on the basis of the energy conservation. Moreover, correlation studies between analytical and experimental results are conducted to establish the validity of the proposed algorithms.
산업의 발달과 더불어 생산활동 및 사회생활에 필요한 수많은 대형 구조물과 시설물들이 건설되었으며, 앞으로도 복잡하고 고가인 대형 구조물이 지속적으로 건설될 전망이다. 최근 들어 국내외적으로 풍하중과 지진하중 등 과다하중으로 인한 구조물의 붕괴가 빈번해 지고 있는 상황에서, 건축구조물과 토목구조물에 대한 내진설계 규정의 강화와 극한하중에 대한 구조물의 저항력 및 연성(ductility)의 확보에 대한 필요성 또한 증가하고 있다. ACI, UBC 등 각국의 시방서에서는 구조물에 충분한 강도 이외에도 적당한 연성을 갖게 함으로서 규모가 작은 지진에 대해서 구조물에 손상이 가지 않도록 하고, 규모가 큰 지진에 대해서는 인간생활에 위험을 초래할 수 있는 붕괴까지 유발되지 않도록 규정하고 있다. 이와 같은 이유로, 반복하중을 받는 철근 콘크리트의 탄성영역을 벗어난 구간에서 거동에 대한 연구가 요구되었으며, 이를 수행할 수 있는 효과적인 동적-비선형 거동 해석기법의 개발 또한 절실히 요구되고 있다.
실험을 통해 콘크리트 구조물의 거동특성을 예측할 경우 상대적으로 정확하고 실제적인 거동을 파악할 수 있는 반면 비용과 시간이 많이 소요되고 광범위한 정보를 얻는데 매우 제한적이다. 그러나 이를 컴퓨터를 이용한 수치해석적인 방법으로 수행할 경우 비교 정확한 결과를 얻을 수 있으며, 비용과 시간을 절약할 수 있는 이점이 있다. 특히 컴퓨터의 성능이 나날이 향상되어 가고 있고, 복잡한 철근콘크리트 구조물의 거동에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 요즘에는 실험을 통한 기본적인 설계인자의 거동파악과 함께 수치해석 기법을 통한 다양한 영향인자의 분석을 통해 구조물의 거동을 효과적으로 분석하고자 하는 노력이 더욱 활발해져 가고 있는 추세이다.
이 논문에서는 대형 구조물의 해석시 구조물의 모델링이 복잡해지고, 해석시 많은 저장공간과 계산 시간을 요구하는 다중요소모델 (Multi-Component Model), 적층단면법(Layered Section Method)에 의한 해석을 지양하고, 반복하중을 받는 철근콘크리트 구조물의 비선형 거동을 효율적으로 해석할 수 있는 모멘트-곡률 관계를 제안하였다. 반복하중을 받는 철근콘크리트 구조물의 모멘트-곡률 관계는 철근의 거동에 크게 영향을 받는다는 점에 착안하여 철근의 모델을 토대로 모멘트-곡률 관계를 직선이 아닌 곡선으로 제안함으로써 철근의 Bauschinger 효과에 의해 나타나는 모멘트-곡률 관계의 특징을 반영하였다. 또한 기존의 모델들과는 달리 초기 휨강성 구성시 부착-슬립효과와 축력의 영향을 고려한 모멘트-곡률 관계 사용하였고, 축력에 의해 부재의 거동에 나타나는 핀칭효과를 고려하기 위하여 에너지 개념을 토대로 한 해석방법을 제안하였다. 보-기둥 접합부 같은 고정단을 유한요소법 으로 해석할 경우 해석시 고정단의 회전량을 0(zero)으로 가정하지만 실제로는 주철근의 슬립에 의한 고정단에서의 회전이 발생하고 이로 인하여 비교적 큰 처짐량이 발생하는 것을 알 수 있었다. 따라서 이런 현상들이 고려되지 않았을 경우 해석결과에 큰 오류가 발생할 수 있으므로 이 연구에서는 이러한 경우에 대하여 등가휨강성을 이용하여 기존의 해석방법이 고려하지 못했던 앵커리지 슬립에 의한 강체 변형을 고려할 수 있는 간편한 해석 방법을 제안하였다. 적층단면법에 의해 철근콘크리트 구조물의 거동의 해석을 수행해 본 결과, 구조물이 흡수할 수 있는 에너지량을 실제보다 과대평가 하고 있는 것을 알 수 있었다. 그리고 이 연구에서 제안된 모멘트-곡률 모델에 의해 해석을 수행해 얻은 결과들이 실제거동과 비슷한 결과를 나타낸 것과는 달리 제안된 모델보다 더 큰 휨강성을 사용하고 하중이력을 곡선이 아닌 직선으로 사용하는 기존의 제안된 모멘트-곡률 관계의 모델들 역시 구조물이 흡수할 수 있는 에너지량을 실제보다 과대평가 하고 있는 것을 알 수 있었다. 마지막으로 제안된 해석모델이 프리스트레스트 콘크리트 부재나 기둥부재의 동적-비선형거동을 해석하는데 있어서 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
