This thesis deals with the integration of a non-linear finite element analysis method and a bond-slip model of a partially composite beam. In the proposed bond-slip model, the governing equation of the composite beams is derived based on a linear partial interaction theory and is solved by applying boundary conditions at the two ends of the beam with compatibility conditions.
It is possible to perform structural analyses that are more efficient by means of implementing this bond-slip model in the FEM code, as the results of a general structural analysis are necessary to perform the bond-slip analysis. By implementing the bond-slip model in the code, these two processes are connected to each other directly. Moreover, complicated modeling processes such as the insertion of double nodes are simplified through the use of typical beam elements which have 2 degree of freedom for a node.
Initially, for the verification of the integrated analysis system, numerical results by the integrated analysis system for steel-concrete composite beams are compared with the analytic results of the existing study. The main characteristics of the bond-slip behavior are shown to be suitably reflected in the results. Secondly, numerical results by the integrated analysis system are compared with the experimental results for the various concrete composite beams with different material properties and sizes. These structural analysis results, considering bond-slip effect, showed good consistency with experimental data. Through these comparisons, the validity of the integrated analysis system is established.
재료속성이 서로 다른 상부 슬라브와 하부 보로 이루어진 합성보의 형태는 교량 건설에 있어 많이 채택되는 유형이다. 일반적으로 이러한 합성보의 해석이나 설계 시 두 부재가 완벽하게 접합되었다고 가정을 하지만, 실제적으로는 유연성이 큰 강부재를 이용한 전단연결재를 사용하기 때문에 부재 간 완전접합이라는 가정은 성립하지 않으며 슬라브와 보 사이에 발생하는 변위가 부착슬립을 유발한다. 이러한 부착슬립의 거동을 해석하기 위해 많은 연구가 수행되어 왔으며 각각 장단점을 가지고 있다. 일부의 연구결과는 하중이 대칭으로 작용하는 구조계에만 국한된 해석적 해를 제시하였으며 유한요소법과의 결합도 용이하지 못하다. 또한 이러한 단점을 극복한 절점 당 4자유도를 가진 이중절점이론이 제시되었지만 이 역시 체눈 구성이 복잡하다는 단점을 가지고 있다. 한 편, 이중절점을 사용하지 않고 수치적으로 부착슬립의 거동을 해석할 수 있는 효율적인 수치모델이 제안되었지만 이 수치모델은 고전적인 보해석 방법으로 도출되는 구조해석 결과를 이용했다. 또한, 유한요소법과 병용되지 않고 독립적으로 사용되어 변위 값을 해석적으로 구하는 등 적용범위에 제한이 크고 그 과정이 비효율적이었다.
상기 문단에 마지막으로 제시된 기존의 수치모델은 주요계산결과로 연속적인 수평력 및 부착슬립 분포를 주며 이를 바탕으로 곡률을 적분하여 변위를 구하는 방법을 취하고 있다. 따라서 이 수치모델을 유한요소법의 요소별로 이산화된 체계에 적합하게 변형하여야 하며 일련의 수치해석 과정을 유한요소법의 구조해석과 연계하여 수행할 수 있도록 구현해야 한다. 이 부착슬립 수치모델을 체눈 구성이 복잡하지 않은 절점 2 자유도 보 요소를 이용한 유한요소법과 결합하여 대칭 및 비대칭 구조계에 모두 적용가능한 통합해석시스템을 구현했다. 강합성보 및 콘크리트 합성보 두 경우 모두 부착슬립이 고려된 구조해석결과는 완전결합이 가정된 경우보다 확연히 더욱 유연한 거동을 보여주었다. 계산결과의 검증을 위하여 재료의 선형거동을 가정한 강합성보에 대해서 수치모델의 해석적인 기존 계산결과와 구현된 통합해석시스템의 구조해석 결과를 비교하였다. 그 결과 부착슬립, 수평력 및 합성보의 변위 계산결과가 잘 일치하였으며 부착슬립 발생에 따른 불연속적인 단면 변형률 분포도 적절히 나타났다. 또한 다양한 콘크리트 합성보의 실험결과를 인용하여 통합해석시스템의 비선형 해석결과와 비교함으로써, 검증의 범위를 더욱 확장시켰다. 4 종류의 콘크리트 합성보에 대한 하중-변위 곡선을 작성하였으며 4 경우 모두 실험결과와 해석결과가 매우 근접한 경향을 나타냄을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 부착슬립 수치모델과 비선형 유한요소해석의 결합을 통해 기존의 분리된 해석체계를 효율적으로 개선할 수 있었다. 또한, 여러 합성보에 대한 해석을 수행한 결과 기존의 해석결과 및 실험결과와 잘 일치하여 부착슬립의 거동이 해석과정에 잘 반영되어 있음을 확인함으로써 해석결과에 대한 유효성을 확립할 수 있었다.
