This dissertation presents an analytical model that can simulate the nonlinear behavior of slender reinforced concrete (RC) columns considering the long-term behavior of concrete using a layered section. The ultimate resisting capacities of slender RC columns according to the variation of design variables, such as the compressive strength of concrete, steel ratio, eccentricity, and creep coefficient, are reviewed through nonlinear analyses of the slender RC columns considering the time-dependent behavior of concrete. On the basis of the obtained numerical analysis results, the resisting capacity reduction factor, which represents the reduction rates of the resisting capacity in a long column corresponding to a short column on a P-M interaction diagram, is introduced. The relationships between the resisting capacity reduction factor and design variables are established from regression and used to determine the ultimate resisting capacity of slender RC columns without any rigorous numerical analysis. The ultimate resisting capacities calculated from the regression formula are compared with those obtained from rigorous nonlinear analyses and from the ACI formula with the objective of establishing the relative efficiency of the proposed formula.
In addition, in order to effectively analyze the cyclic behavior of RC columns using the layered section approach, a procedure to quantify the bond-slip effect along the reinforcing bar and indirectly implement the effect into the stress-strain relation of the reinforcing steel is introduced. Comparisons between experimental data and analytical results verify that the proposed analytical procedure can effectively simulate the cracking behavior of RC frame members, which are accompanied by stiffness degradation caused by the bond-slip. Based on the proposed analytical procedure, nonlinear dynamic analyses of slender RC columns are conducted with sixty sets of horizontal and vertical earthquake inputs. This approach differs from previous analyses conducted by other researchers in that the proposed procedure can simulate the change of the load-displacement curve of a RC column due to an axial force. Using the analysis results, the effects of axial force, P-Δ, and a vertical earthquake on the structural response are assessed.
이 논문에서는 시간 의존적 거동을 고려한 철근콘크리트 기둥의 비선형 해석법이 제안되었다. 콘크리트의 균열 등을 포함한 재료의 비선형성을 고려하기 위해 적층단면법이 사용되었으며, P-Δ 효과를 구현하기 위하여 기하강성행렬이 고려되었다. 또한 콘크리트의 시간 의존적 거동특성을 고려하기 위하여 단면의 각 층에서의 크리프 변형률을 계산하였으며, 크리프 변형률은 Compliance의 전개에 기본을 둔 1차 순환적 단계의 알고리즘을 사용하였다. 기존 연구자들에 의한 연구 결과와 비교하여 제안된 해석법의 효율성을 검토하였고, 몇몇 경우에 대한 해석을 통하여 철근콘크리트 기둥의 거동특성을 알아보았다. 다양한 해석결과를 토대로 각 변수의 변화에 따른 철근콘크리트 기둥의 저항력의 변화를 비교하였으며 이를 토대로 회귀분석모델을 제안하였다. 또한 회귀분석을 수행하여 철근콘크리트 장주의 극한저항력을 효과적으로 산정할 수 있는 회귀분석식을 제안하였고, 기존의 설계규준과 비교하여 제안식의 효율성을 검증하였다.
나아가 이 논문에서는 적층단면법에 기초하여 지진과 같은 반복하중을 받는 철근콘크리트 보 및 기둥 부재의 비선형 해석모델이 제안되었다. 완전부착 가정을 토대로 하고 있는 적층단면법은 콘크리트와 철근 사이의 부착슬립 거동을 고려하지 못한다는 고전적 비선형 해석법과는 달리, 균열 발생시 철근을 따라 발생되는 부착슬립거동을 힘의 평형관계와 변위의 적합조건으로 정량화 하고, 그 결과로부터 철근의 강성을 보정해줌으로써 반영하도록 하였다. 제안된 방법에 의한 해석결과와 실험결과와의 비교를 통해, 제안된 방법은 부착슬립거동에 의한 강성저하 (stiffness degradation)를 동반하는 철근콘크리트 보 및 기둥 부재의 균열거동을 효과적으로 고려할 수 있음을 검증하였다.
또한 철근콘크리트 장주의 비선형 지진하중 해석을 수행하여, 철근콘크리트 장주의 동적 P-Δ 효과를 분석하였다. 기존의 연구에서 가정된 모멘트-곡률 관계를 토대로 고정된 안정계수를 갖는 응답스펙트럼을 구성하여 동적 P-Δ 효과를 분석한 것과는 달리, 안정계수의 증가, 즉, 축력의 증가에 따른 하중-변위관계의 변화를 고려할 수 있도록 하는 적층단면법을 토대로 실용범위의 세장비와 안정계수를 변화시켜가며 해석을 수행하여 철근콘크리트 장주의 동적 P-Δ 효과를 분석하였다. 다양한 지진에 대한 보편화된 결과를 얻기 위해 각기 다른 60개의 입력지진을 사용하였다. 또한, 수평지진과 수직지진을 동시에 작용하여 해석을 수행해 수직지진에 따른 P-Δ 효과를 살펴보았다. 해석결과, 철근콘크리트 장주의 최대 변형은 축력, P-Δ 효과 및 수직지진의 영향을 거의 받지 않는 반면, 부재 내력은 축력에 의한 강성과 항복강도의 증가에 의해 증가하기 때문에, 철근콘크리트 장주의 내진설계시 축력효과를 고려하여 설계할 경우 P-Δ 효과 또는 수직지진에 대한 추가적인 영향은 고려하지 않아도 될 것으로 판단된다.
