3.1 SHCC-RC 복합슬래브 부재
3.1.3 SHCC-RC 복합슬래브의 비선형 해석 모델
여기서, = 1 의 값으로 정하며, 부재 내에서의 저항력은 중립축 위치 를 기 준으로 하여 압축영역과 인장역역에서 발생한 휨모멘트의 응력에 의하여 유도하게 된 다. 따라서, ˍ ˍˍ 이 되어 부재 단면의 공칭 휨모멘트 강도
ˍ 은 [식 3.22]을 통해 산정 할 수 있다.
ˍ ˍ
[식 3.22]
[Fig 3.3] Cross-Section of SHCC and RC Slabs
SHCC-RC 복합슬래브 단면의 층상화 비선형 휨 해석에서 모델의 정식화를 위해, 복합 슬래브 단면의 콘크리트, 철근, SHCC 등 복합슬래브 부재를 완성하기 위한 재료의 비 선형 재료 특성을 고려한다. 이를 고려했을 시 층상화 단면 휨 해석법에 대하여 그림 [Fig 3.4]와 같이 나타낼 수 있다. 아래 그림[Fig 3.4]에서처럼, 부재단면의 임의의 위치에 대한 변형률 증분
은 도심에서의 축변형률에 대한 증분
와 단면의 휨곡률 증분
에 의한 합으로서 [식 3.23]과 같다.
( )
od e z = d e + z d f
[식 3.23]부재의 단면에 작용하게 되는 축방향 응력 과 모멘트 은 각각 아래와 같은 [식 3.24], [식 3.25]으로 산정된다.
( )
N = ò E d z d A e
[식 3.24]
( )
M = ò E d z z d A e
[식 3.25]여기에서, 는 단면의 각 층(fiber)에 대응하게 되는 부재 상부의 콘크리트와 철 근, 하부층의 SHCC 재료의 탄성계수,
는 기준 축 부분에서 대응하게 되는 각 층까지 의 거리이다. ([Fig 3.4] 참조)[Fig 3.4] Nonlinear Bending Analysis by a Layered Sectional Approach
[식 3-23] ~ [식 3-25] 의 식으로 부터 부재의 층상화를 통해 유한분할화하게 되면 축력의 유한증분 은 아래의 [식 3-26]과 같이 유도된다.
1 1 1
1 1 1
conc As SHCC
ci ci s j s j SHCC k SHCC k o
i j k
SHCC As SHCC
ci ci i s j s j j SHCC k SHCC k k
i j k
N f A f A f A d
f A z f A z f A z d
e
f
= = =
= = =
æ ö
D = ç + + ÷
ç ÷ è ø
æ ö
+ ç + + ÷
ç ÷ø
è
å å å
å å å
[식 3.26]
위의 식에서 콘크리트(
), 철근의 단면적(
), 는 적용된 재료의 층 수를 나타내며,
,
,
에 대한 부분은 각각의 콘크리트와 철근 및 SHCC 의 재료 응력을, , , 에 대한 부분은 각각의 콘크리트와 철근 및 SHCC 재료의 각 층 면적을 나타낸다. 그리고
,
,
에 대한 부분은 각각의 콘크 리트와 철근 및 SHCC 의 재료의 기준축에서 대응하게 되는 각 층까지의 거리를 기호로 나타낸 것이다. [식 3.26]은 SHCC 에 대해서 패널의 폭을 변화시킴으로써 SHCC의 전 단연결재가 기여하게 되는 면적 부분을 계산에 고려하고 있다.위 식들을 통해 매 하중증분 단계에서의 평형조건 만족을 위한 축방향의 불평형력으 로부터의 원인이 되는 도심축에서의 축변형률 유한증감에 대한
는 아래의 [식 3.27] ~ [식 3-29]와 같이 유도하게 된다.( ) /
o
N E
xE
ae f
D = D - D
[식 3.27]1 1 1
conc As SHCC
a ci ci s j s j ECC k ECC k
i j k
E f A f A f A
= = =
= å + å + å
[식 3.28]1 1 1
conc As SHCC
x ci ci i s j s j j ECC k ECC k k
i j k
E f A z f A z f A z
= = =
= å + å + å
[식 3.29]위 식으로부터 산정하는 도심에서의 변형률 증분은 이전 단계에서의 추정된 값에 추 가되어 새로이 갱신된 변형률 분포가 산정되어 진다. 계산된 축력에 대하여 부재에 작 용하는 축력과 같이 수렴하게 되는 부분까지 해석에 대하여 반복과 수렴 과정을 거치 도록 하여 층상화 비선형 증분해석을 잘 수행할수 있도록 하였다.
2 2
' ' '
c c
c c
c c
f f e e
e e
é æ ö ù
ê ú
= - ç ÷
ê è ø ú
ë û
[식 3.30]
(a) compression and tensile properties of SHCC and concrete
(b) tensile stress-strain cruve of SHCC
(c) stress-strain curve of concrete (d) stress-strain curve of reinforcement
[Fig 3.5] Stress-Strain Model of SHCC, Concrete, and Steel Reinforcement
한편, 콘크리트 및 철근에 대한 재료의 층상화 비선형 재료특성을 고려하기 위하여 [Fig 3.5]와 같이 콘크리트와 철근의 응력-변형률 관계곡선으로 나타나게 된다. 콘크 리트에 나타나는 압축 응력-변형률 관계에 대해서는 일축 압축강도
′
에 이를 때까 지 [식 3.30]과 같이 2차포물선 곡선으로 고려하며, ′
에 도달한 이후는 직선적으로 표현하고, 극한응력
부분까지는 선형적으로 감소하는 것으로 보고 이를 고려하여 적용하였다.철근에 대해서는 항복응력
에 이를 때까지 선형탄성거동을 나타내다 항복 후 직 선적으로 증가한다고 보고 소성거동을 나타내는 것으로 고려하였다. ([Fig 3.5] 참조) SHCC 재료에 대해서는 [Fig 3.5]와 같이 나타내며, 압축측에서의 거동은 일축압축강 도에 대응하게 되는 압축변형률이 0.003 내외 정도로서 기존콘크리트에서 나타나는 0.002 보다 큰 것을 제외하면 기존콘크리트와 비슷하게 고려할 수 있다. 그러나 인장 측은 위의 그림과 같이 하중재하에 따른 균열 발생 이후에도 부재 내에서 다중미세균 열의 거동으로 인해 0.02 이상의 인장변형률에 도달할 때까지 인장응력에 대하여 SHCC 가 부담할 수 있는 것으로 고려하여 인장 응력-변형률에 대한 모델링을 하였다.위에서 설명된 층상화 단면 비선형 휨 해석 모델로부터 연구된 슬래브 부재의 복합 단면에서의 층상화 비선형 휨 모멘트-곡률 거동에 대하여 예측이 가능할 수 있다[Fig 3.6].
3.1.3.2 하중-변위 관계거동 예측
(a) four-point bending load
(b) intial cracking
(c) intial yielding of tensile bar
(d) ultimate load
[Fig 3.6] Idealized Bending Curvature Distributions
층상화 비선형 해석을 통해 [Fig 3.6]과 같이 단순 지지된 슬래브가 4점 휨 재하시 험을 수행하여 나타난 하중-변위 관계거동 예측에 대한 모델이며, 여기에서 그림 b는 최초 인장균열이 발생한 경우를 나타내고, 그림 c는 최초 인장철근이 항복을 한 경우, 그리고 그림 d는 극한하중에 도달했을 시 휨 곡률 분포에 대하여 각각 가정할 수 있는 값들을 도식화 한 것이다. 이때 나타나는 최초 균열이 발생할 시의 휨곡률
, 최초 인장철근이 항복할 시의 휨곡률
, 그리고 부재가 극한하중에 도달할 시의 휨곡률
값은 위에서 설명된 층상화 비선형 단면 휨 해석을 수행하여 각 단계별로 추정을 할 수 있게 된다. 이렇게 추정된 층상화 단계별 휨 곡률 산정된 값과 [Fig 3.8]을 살 펴보고 각 단계별에서 발생되는 휨 곡률 분포로부터 슬래브 부재의 A점의 처짐각
와 부재의 지간 중앙부인 C점에서의 연직방향에 대한 처짐
을 각각 단계별로 나눌 수 있으며, 그에 대한 식을 아래와 같이 유도하여 산정할 수 있다. ([식 3.31] ~ [식 3.36])최초 균열 발생시;
1 2 S L
A cr m
q = f æ + ö
ç ÷
è ø
[식 3.31]
2 2
1 1 1 1
2 2 6 2
C
q
AL f
cr éS L
mS L
mùD = - ê + + ú
ë û [식 3.32]
인장철근 항복시;
( )
1 2
1 1
2 2
A cr
L
cr yL
y mL
q = f + f + f + f
[식 3.33]( )
1 2 1
2 2
2 2
1 1 1
2 2 3
1 2
1 1
2 3
1 2
C A cr m
cr m
y cr m
y m m
L L L L L
L L L
L L L
L L
q f
f
f f f
æ ö
D = - ç + + ÷
è ø
æ ö
- ç + ÷
è ø
æ ö
- - ç + ÷
è ø
æ ö - ç ÷ è ø
[식 3.34]
극한하중 상태;
( )
( )
1 2
3
1 1
2 2
1 2
A cr cr y
y u u m
L L
L L
q f f f
f f f
= + +
+ + +
[식 3.35]
( )
( )
1 3 2 1
2 3 2
2 3 2
3 3
3 3
1 1 1
2 2 3
1 2
1 1
2 3
1 2
1 1 1
2 3 2
C A cr m
cr m
y cr m
y m
u y m u m m
L L L L L L
L L L L
L L L L
L L L
L L L L L
q f
f
f f
f
f f f
æ ö
D = - ç + + + ÷
è ø
æ ö
- ç + + ÷
è ø
æ ö
- - ç + + ÷
è ø
æ ö
- ç + ÷
è ø
æ ö æ ö
- - ç + ÷ - ç ÷
è ø è ø
[식 3.36]
위의 식으로부터, 단순지지 상태에서의 4점 휨 하중재하를 받는 단순 슬래브부재의 연직방향에 대한 하중-처짐 관계 층상화 비선형 거동 예측에 관하여 해석의 정식화 및 모델을 제시하였다.