In this dissertation, effective methods for structural analysis and design are developed. For the nonlinear analysis, the effects of finite element mesh sizes on the analysis of the behavior of the structure, which is the most significant among the effects such as load step, and integration orders, etc., is investigated and a new criterion to reduce the numerical error associated with the mesh sizes is developed. This newly developed criterion is based on the fracture energy concept and can be easily implemented into a numerical analysis procedure. In particular, this approach can be used effectively with relatively large finite element mesh sizes used in most practical applications. The validity of proposed criterion is tested by comparing the analytical results from this study with those of experimental studies and other previous numerical studies.
For structural optimization, a simplified, yet effective, algorithm is presented. Instead of utilizing the more sophisticated optimization model that requires many variables and complicated descriptive functions, the proposed algorithm uses an effective direct search method. After constructing the database of predetermined R/C sections which are arranged in the order of increasing resistant capacities, the relationship between the section identification numbers and the resistant capacities of sections is established by regression and used to obtain an initial solution(section) which satisfies the imposed design constraints. Assuming that there exists an optimum section near the one initially selected by continuous optimization, a direct search is conducted to find the discrete optimum solution. The optimization of the entire structure is accomplished through the individual member optimization.
본 논문에서는 철근콘크리트 구조물의 건설시 요구되는 구조물의 해석 및 설계에 관한 효율적인 방법에 대하여 연구하였다. 구조물의 비선형 해석에 있어서는 점진적 증가하중에 의한 철근콘크리트 구조물의 전반적인 거동을 고찰하기 위해 콘크리트의 인장균열, 철근 및 콘크리트의 응력-변형율 관계의 비선형성을 고려하였다. 콘크리트는 인장영역에서는 선형 탄성체로 가정하였으며 암축 영역에서는 탄소성체로 가정하였다. 압축영역의 콘크리트 거동을 파악함에 있어 Kupfer가 제안한 파괴표면 식을 항복한계로 사용하였으며 associated flow rule에 의해 거동한다고 가정하였다. 철근은 일축응력을 받는 선형의 변형경화 재료로 모델링하였다. 콘크리트의 균열 발생시 인접한 균열 사이의 tension stiffening effect를 고려하였으며 콘크리트구조물의 해석시 나타나는 유한요소의 크기에 따른 수치해석 오차를 콘크리트 인장부분의 변형연화 영역의 기울기를 보정함으로써 감소시키는 에너지 개념에 의한 기울기 보정모델을 제안하였다.
구조물의 설계에 있어서는 단순하고 효율적인 철근콘크리트 부재의 최적 설계 기법을 제안하였다. 일정 폭 및 깊이의 철근콘크리트 단면을 구성한 후 단면 저항치가 증가하는 순으로 재배열하여 단면 데이타 베이스를 구성한다. 구성된 단면 데이타 베이스 내의 단면번호와 단면 저항치 사이의 관계식을 회귀분석을 통해 구한 후 이 관계식으로 부터 연속해를 결정한다. 결정된 연속해 부근에 불연속 해가 존재한다는 가정하에 직접탐색을 통해 불연속 최적 해를 결정한다.
