전단경간비에 따른 합성지하벽의 거동과 접촉면의 조건을 고려한 유한요소 해석
Structural Behavior of Composite Basement Wall According to Shear Span-to-Depth Ratio and FE Analysis Considering the Condition of Contact Surface
서 수 연1)*
Seo, Soo Yeon
Abstract
The objective of this paper is to study the structural behavior of Composite Basement Wall (CBW) according to shear span-to-depth ratio through an experiment and predict the nonlinear behavior of CBW by using ADINA program widely has been being used for FE analysis. Especially, this study focuses on the part of CBW in which the Reinforced Concrete (RC) is under compression stress; At the region of CBW around each floor, RC part stresses by compressive force when lateral press by soil acts on the wall. The contact condition between RC wall and steel (H-Pile) including stud connector is main factor in the analysis since it governs overall structural behavior.
In order to understand the structural behavior of CBW whose RC part is under compressive stress, an experimental work and finite element analysis were performed. Main parameter in the test is shear span-to-depth ratio. For simplicity in analysis, reinforcements were not modeled as a seperated element but idealized as smeared to concrete. All elements were modeled to have bi-linear relation of material properties. Three type of contact conditions such as All Generate Option (AGO), Same Element Group Option with Tie(SEGO-T) and Same Element Group Option with Not tie(SEGO-NT) were considered in the analysis. For each analysis, the stress flow and concentration were reviewed and analysis result was compared to test one.
From the test result, CBW represented ductile behavior by contribution of steel member even if it had short shear span-to-depth ration which is close to “1”. The global composite behavior of CBW whose concrete wall was under compressive stress could be predicted by using contact element in ADINA program. Especially, the modeling by using AGO and SEGO-T showed more close relation on comparing with test result.
Keywords : Composite basement wall, Shear span-to-depth ratio, Finite element analysis, ADINA program, Shear connector, Contact face
1) 정회원, 충주대학교 건축공학과 교수 * Corresponding author : [email protected] 043-841-5205
• 본 논문에 대한 토의를 2011년 12월 31일까지 학회로 보내주시면 2012년 1월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
Fig. 1 Composite basement wall
1. 서 론
합성지하벽(Composite Basement Wall; CBW)이란 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 지하층의 외부 지하벽 시공 시 가설재로만 사용되어 왔던 흙막이용 H-Pile과 일정 두께의 철근 콘크리트벽이 전단연결재에 의해 합성된 구 조벽을 말한다(이리형 등, 2001). 즉 토압이 작용하는 외 벽 면에는 H-Pile, 내벽면에는 RC벽체가 전단연결재로 연결되어 토압에 대하여 합성거동으로 저항한다.
횡토압 작용에 대하여 합성지하벽의 휨모멘트 분포는 Fig. 2의 굵은 점선과 같다. 즉 횡토압에 대하여 각 층의 중앙부분에서 내부 RC벽체는 최대인장응력상태에 도달
Steel column (H-pile) Steel beam (Strut) Wale
RC wall
Compression Tension
Tension
Compression
BMD line H-pile
Soil pressure
Fig. 2 BMD of CBW for soil pressure
하고 반대측 H-pile은 최대압축응력에 도달한다. 반대로 보가 설치된 바닥에서는 RC벽체는 압축응력, H-pile은 인장응력상태가 된다. 즉 RC벽과 강재의 응력상태를 볼 경우, 일반적인 합성보에서의 응력상황과는 정반대가 되 는 것이다.
합성보에서는 최대전단력이 작용하는 단부에서 RC 슬 래브가 인장응력상태로 되기 때문에, 콘크리트의 전단에 대한 기여도는 무시하지만, 합성지하벽에서는 최대전단력 이 작용하는 각 층 바닥에서 RC벽체가 압축응력상태로 되기 때문에 실제로 강재와 RC벽이 함께 전단에 저항하 게 된다.
이때 각층 바닥에서의 합성거동을 설계에 반영하기 위 해서는 Fig. 2와 같은 응력상황에서 합성효과 등에 대한 이해가 필요하다. 즉 합성지하벽의 합리적인 설계를 위해 서는 여러 가지 실험과 해석적인 연구를 통하여 규명되어 야 할 사항 이 많다. 최근 이와 같은 합성지하벽의 거동 규명을 위한 일련의 실험 및 해석연구(김성만 등, 2002;
서수연 등, 2007; 서수연 등, 2010; 조창근 등, 2009; 윤 용대 등, 2009)가 진행되어 왔으며 또한 실제 현장 적용 을 위한 설계지침(이리형 등, 2001)도 개발되어 현장에 서 실제 활용되고 있다.
기존 실험연구를 보면, 김성만 등(2002)은 합성벽에 대하여 합성율과, 전단경간비 등을 변수로 실험을 실시하 여 합성벽의 기본적인 거동을 파악하였고, 서수연 등
(2010)은 압축응력상태에 있는 콘크리트의 전단기여도 뿐만 아니라 강재 플랜지의 기여도를 고려한 전단강도 산 정식을 제시하여 실제 실험결과를 근사적으로 산정할 수 있는 방안을 제시하였다.
해석적 연구와 관련하여, 서수연 등(2007)은 ATENA 프로그램(2000)을 이용하고 강재와 콘크리트는 단순히 접촉된 것으로 간주하여 해석을 실시하여 비교적 단순한 방법으로 합성벽의 거동을 묘사하였으나, 이 해석에서는 전단연결재가 적절히 모델링 되지 않음에 따라 실제 접촉 면에서의 응력전달이 반영되지 않았다. 이에 반하여 조창 근 등(2009)은 ABAQUS 프로그램의 접촉면 요소를 고 려하여 전단연결재로 연결된 강재-콘크리트 전단거동을 묘사하였지만 실제 합성벽을 대상으로 하지 않고 단순 전 단에 대한 해석만을 실시하였기 때문에 실제 합성벽의 거 동을 적절히 고려할 수 있는 해석방법에 대한 연구가 요 망된다.
이에 따라 본 연구에서는 실험을 통하여 합성지하벽의 부모멘트 지역을 대상으로 전단경간비에 따른 거동을 연 구하고, 유한요소해석 프로그램인 ADINA(2008)를 활용 하여 접촉면의 특성에 따른 거동특성을 연구하고자 한다.
특히 각 층 바닥 부근과 같이 콘크리트가 압축응력상태일 때의 합성벽의 거동을 연구하고자 한다.
유한요소해석에서는 강재와 콘크리트가 접하는 부위, 즉 전단연결재 그리고 강재 플랜지 부위의 조건을 접촉면 요소로 모델링하고 접촉조건에 따른 영향을 연구하고자 한다.
2. 합성지하벽의 거동특성
2.1 실험체 일람
전단경간비에 따른 합성벽의 거동 특히, Fig. 2에 나타 낸 부모멘트 지역에서와 같이 콘크리트가 압축응력을 받 으면서 파괴되는 양상을 관찰하는 실험을 실시하였다.
실험체는 두께 150mm인 RC벽과 H형강부재 (H-150
×100×6×9)로서 실물의 1/2규격으로 제작하였다. RC 벽체와 강재의 합성은 전단연결재인 직경 13mm 규격의 스터드볼트로 연결하였으며, 합성율은 모두 60%로 하였 다. 이 값은 실제 합성벽에서 가장 널리 사용되는 합성율이 다. 벽체의 수직 및 수평철근으로서, D10철근을 100mm 간격으로 배근하였다. 철근의 피복두께는 20 mm로 하였다.
Table 1 Test specimen list
Specimen Shear span-to- depth ratio
Wall length
(mm) H-Pile
NS1 1 900
150×100×6×9
NS2 2 1,500
NS3 3 2,100
D10@100
Fig. 3 Specimen detail (NS1)
Table 2 Material property
Type
(MPa)
(MPa)
(×, MPa)H-Pile 315 396 1.91
Reinforcement (D10) 408 549 1.95
Stud bolt (f13) 407 534 2.10
Oil jack
Roller Pin
Fig. 4 Loading of specimen
(a) NS1
(b) NS2
(c) NS3
Fig. 5 Final failure pattern of specimens
H-Pile 강재는 6mm판과 9mm판을 공장에서 용접제 작하였으며, 특히 지지부에는 국부적인 응력에 의해 철골 부재가 좌굴되지 않도록 수직스티프터를 추가로 설치하 였다.
Table 1은 실험체 일람을 나타내며 Fig. 3은 실험체 상세를 나타낸다.
재료특성을 파악하기 위하여 KS기준에 따라 재료강도 시험을 실시한 결과, 콘크리트는 28일 압축강도가 19 MPa로 나타났으며, 벽체에 사용된 철근, H-Pile 그리고 스터드볼트의 재료강도는 Table 2에 나타낸 바와 같다.
2.2 실험 및 결과
실험체는 합성벽의 바닥층, 즉 부모멘트발생 지역을 대
상으로 하여 RC벽체가 압축응력상태, 그리고 H-Pile부 재가 인장응력상태가 되도록 가력하였다.
Fig. 4는 실험체의 가력상황을 나타내며, 지지조건은 단순지지조건이 되도록 하였다. 가력은 중앙부 변위를 계 측하면서 점진적으로 변위가 증분되도록 변위조절방식을 택하였다.
공통적으로 초기균열은 벽체 중앙하단에서 휨균열 형 태로 발생하였고, 점진적으로 가력점과 지지점을 잇는 사 인장균열이 발생하였다. 전단경간비가 작은 실험체에서는 전체적으로 전단균열이 발생하였으나 전단경간비가 길어 질수록 중앙부에서 많은 균열이 집중되었다.
최대내력단계에서는 강재에서 많은 변형이 발생하고 이에 따라 콘크리트에 전단균열이 발생하는 양상을 보였 다. 최대내력에 도달한 이후 최종 실험체 파괴양상은 Fig.
5와 같다.
실험체의 중앙부 처짐과 작용하중과의 관계를 그래프
Fig. 6 Load-Displacement curve
(a) Full dimension modeling
(b) 1/4 modeling Fig. 7 Modeling of specimen
Table 3 Material properties
Material
Elastic modula [MPa]
Possion ratio
Yield strength
[MPa]
Density [㎏/㎥]
Plastic deformation
RC 2.6×105 0.19 20.6 2,322 0.15
H-Pile 1.9×105 0.3 315 7,698 0.001 Shear
connector 2.1×105 0.3 407 7,698 0.001
로 비교하여 나타내면 Fig. 6과 같다. 전단경간비가 1로 서 비교적 짥은 벽의 경우에도, 강재의 변형에 의해 항복 이후 완연한 변형경화 거동을 보이고 있음을 알 수 있고, 콘크리트와 강재의 복합적인 거동에 의해 높은 내력을 발 휘함을 알 수 있다.
3. 유한요소해석
3.1 모형 및 기본제원
합성벽을 모델링함에 있어서, 벽체내에는 많은 철근이 배근되고 이들 철근을 모두 해석에서 고려하기 보다는 철 근이 콘크리트내에 적절히 분포된 것으로 가정하여, RC 벽체를 하나의 재료모델로 간주하여 모델링하는 것이 본 연구의 목적에 적합하다. 철근의 부착문제는 실제 전단연 결재와의 접촉부분을 주 연구대상으로 한 본 연구에서 고 려할 경우, 해석과정이 매우 복잡해지기 때문이다. 이와 같은 해석상의 과정을 정리하면 다음과 같다.
- 콘크리트내의 철근은 콘크리트에 분포된 것으로 가정.
- 전단연결재는 정팔면체로 단순화하여 모델링.
- 변위조절을 통하여 하중이 점증되도록 해석을 진행.
- 실험체와 동일하게 단순지지 조건을 고려하여 모델 링(대칭성을 고려하여 실험체의 1/4을 모델링).
3.2 기본물성 및 소성해석 모델
전술한 바와 같이, 벽체내의 철근은 콘크리트에 분포된 것으로 간주하여 철근콘크리트 재료로 모델링하였다.
콘크리트의 경우 응력-변형도 곡선이 비선형영역(ℇ
=0.001)에 이를 때에도 철근은 아직 탄성 범위에 있으므로
추가되는 하중의 많은 부분을 부담하기 시작한다. 변형도가 0.002에 이르면 콘크리트 응력-변형도 곡선의 기울기는 0 에 가까워지며 응력변화는 미소하다. 철근은 이 변형에서 항 복점에 이르게 되어 두 재료는 모두가 소성 변형을 일으키 고, 이때 강도(Po)는 Eq.(1)을 통하여 예측할 수 있다.
(1)
여기서, = 콘크리트 압축강도, = 철근의 항복강 도, = 콘크리트 단면적, = 철근 단면적, = 전체면적을 나타낸다.
해석시 고려한 재료강도는 실험결과를 근거로 하였고, 철근이 벽체에 분포된 것으로 가정하였다. 각 재료의 역 학적 성질은 Table 3에 나타내었다.
Stress
Strain Bilinear stress-strain curve Fy
Fig. 8 Bilinear stress-strain relation for materials
(a) Not-tied contact
(b) Tied contact Fig. 9 Contact surface
(a) All Generate Option (AGO)
(b) Same Element Group Only(SEGO)-Not tied option
(b) Same Element Group Only(SEGO)-Tied option Fig. 10 Options of contact element
철근이 벽체에 분포된 RC로 모델링할 경우, 어느 정도 소성변형이 발생하므로 RC를 포함한, 강재와 스터드 볼 트를 모두 이선형 모델로 가정하였다.
3.3 강재와 콘크리트의 접촉면 모델링
ADINA프로그램의 접촉요소(Contact element)를 사 용하여 강재와 콘크리트, 스터드볼트와 콘크리트의 접촉 면을 모델링하였다. 접촉부의 처리방법은 절점에서의 접 촉과 부재면에서의 접촉 두가지가 있으나, 본 해석에서는 실제와 유사하도록 부재면에서의 접촉을 고려하였다. 접 촉면에서는 압축응력만 전달하는 것으로 간주(Not tied contact)하고, 전단마찰은 고려하여 않았다. 이에 따라 접촉면에서의 벌어짐 등과 같은 현상은 고려되지 않는다.
접촉면요소사용에 따른 영향을 평가하기 위하여, 강재 와 콘크리트가 완전일체로 접합되는 경우(Rigid link)와, 접촉면에서 인장응력도 전달하도록 고려한 경우(Tied contact)에도 해석을 실시하여 그 결과를 비교하였다. 접 촉면이 연결된 모델링의 경우 접촉면에서의 지지개념은 Fig. 9에 나타낸 바와 같이 접촉면에서의 간격사이에 영 구적인 강절점이 존재한다는 것이 완전일체접합과 다른 부분이다.
Fig. 10은 해석에서 고려한 접촉면에서의 응력전달 개 념을 나타내며, 그림에서 모든 절점공유(All Generate Option, AGO)는 메쉬를 통해 생성된 모든 절점을 공유 하며 동일그룹 절점공유(Same Element Group Option, SEGO)는 같은 물성치 그룹끼리만 절점을 공유한다. 접 촉면의 기본옵션은 절점이 공유되지 않더라도 압축응력 을 전달시킨다. 접촉면을 연결할 경우, 압축과 인장응력 을 모두 전달하지만, 접촉면을 미연결시킬 경우에는 압축 응력만을 전달한다.
Table 4 Test and analysis result
Specimen name Yield load (kN) Ultimate load (kN)
Test (1) (2) (3) Test (1) (2) (3)
NS1 Load (KN) 1,045.00 976.30 1,047.00 777.80 1,145.00 1,067.30 1,129.00 912.40
Ratio 1.00 0.93 1.00 0.74 1.00 0.93 0.99 0.80
NS2 Load (KN) 640.00 615.30 629.20 462.60 727.00 660.30 680.00 482.00
Ratio 1.00 0.96 0.98 0.72 1.00 0.91 0.94 0.66
NS3 Load (KN) 442.50 404.60 497.70 420.90 532.00 503.00 557.40 471.00
Ratio 1.00 0.91 1.12 0.95 1.00 0.95 1.05 0.89
(1) AGO, (2) AEGO-Tied, (3) AEGO-Not tied
Test specimen AGO SEGO-Tied SEGO-Not Tied
(a) NS1
Test specimen AGO SEGO-Tied SEGO-Not Tied
(b) NS2
Test specimen AGO SEGO-Tied SEGO-Not Tied
(c) NS3
Fig. 11 Comparison between test and analysis result
3.4 해석결과
3.4.1 하중-변위곡선의 비교
해석결과 나타난 중앙부에서의 하중-변위 곡선을 실험 결과와 비교하여 나타내면 Fig. 11과 같다.
접촉면을 특별히 고려하지 않고, 강재와 콘크리트 또는 스터드볼트와 콘크리트가 일체로 연결된 것으로 가정한 해석결과(AGO)와, 비록 접촉면을 모델링하지만, 압축응 력과 인장응력을 모두 전달하는 것으로 고려한 해석 (SEGO-Tied)결과가 실험결과와 좋은 대응을 보이고 있 음을 알 수 있다.
반면에 압축응력만을 전달하는 접촉면 요소로 모델링 한 경우(SEGO-Not tied)에는 실험결과가 다소 과소평 가되는 것으로 나타났다. 이는 실제 실험에서는 강재와 콘크리트가 접하는 접촉면에서 주로 압축응력과 함께 전 단마찰이 발생하지만 접촉면을 고려한 해석에서는 전단 마찰이 적절히 반영되지 않았기 때문으로 사료된다. 이로 부터, 실제 접촉면에서 많은 압축응력이 작용하는 경우에 는 접촉면 요소를 사용하지 않고 모든 절점과 부재가 연 결된 일체구조로 가정하여 해석하더라도, 실제 거동을 어 느 정도 묘사할 수 있음을 알 수 있다.
본 해석에서 대부분의 재료를 이선형으로 이상화하였기 때문에, 한계변형에 도달할 때까지 지지할 수 있는 하중값 은 지속적으로 증가하게 된다. 실험값의 최대하중시 변위값 에 도달한 시점을 최대내력으로 간주하여 실험결과의 내력 과 각 해석방법에 따른 최대내력을 비교하여 Table 4에 나 타내었다. 또한 항복하중은 하중-변위곡선으로부터, Park 이 정의한 방법에 따라 구하여 Table 4에 함께 나타내었다.
접촉면 없이 모든 절점을 공유하도록 모델링한 경우 (AGO) 실험체와 해석결과값 차이가 항복하중에서 5%, 최대하중에서는 6%로 나타났고, 또한 비록 접촉면을 형 성하지만 강절로 연결시킨 (AEGO-Tied)에도 항복하중
7%, 최대하중 2%의 값차이를 보였다.
반면에, 접촉면에서 압축응력만을 전달하도록 한 경우 (SEGO-Not tied)에는 실제 실험결과에 비하여 항복하 중에서는 28%, 최대하중에서는 36%까지 차이가 나타났
Plastic strain Stress Effective stress (a) AGO option
Plastic strain Stress Effective stress (b) SEGO-Tied option
Plastic strain Stress Effective stress (c) SEGO-Not tied option
Fig. 12 Stress of stud bolt
(a) NS1-Vector (b) NS1-Stress (c) NS1-Stress of stud bolt (d) NS1-Failure shape
(e) NS2-Vector (f) NS2-Stress (g) NS2-Stress of stud bolt (h) NS2-Failure shape
(i) NS3-Vector (j) NS3-Stress (k) NS2-Stress of stud bolt (l) NS3-Failure shape Fig. 5 Load-Strain(steel reinforcement) Relationship Curve (UBR200 Specimen)
다. 이와 같은 차이는 접촉면에서 부착에 의한 전단응력 이 상승하게 되는데, 해석에서는 이와 같은 현상을 적절 하게 고려하지 못하였기 때문으로 생각된다. 그러나 본 해석에서 대상으로 한 합성지하벽의 경우에는 스터드볼 트의 일부분을 제외하고 콘크리트와 강재의 접합면이 대 부분 압축응력을 전달하고 전단응력도 충분히 전달되기 때문에 절점연결에 의한 모델링으로도 그 거동을 예측할 수 있을 것으로 사료된다.
3.4.2 응력분포 및 거동현상
Fig. 12는 각 실험체별 최대내력시, 전단연결재에서의 응력발생 정도를 나타낸 그림으로서, 부재의 양측 단부에 위치한 전단연결재의 응력과 변형에 관한 벡터량분포를 보여준다. 각 해석모델에서 전체적으로 가장 높은 응력과 소성변형을 보인 경우는 SEGO-Tied모델로 나타났다.
각 해석모델에서 전단연결재의 변형과 응력발생 집중 도를 보면, SEGO-Not tied 모델에서 타부위에 비하여 전단연결재가 확연히 높은 소성변형과 응력을 보인 반면 에 SEGO-Tied 모델에서는 스터드볼트 하부에서 다소의 소성변형이 높게 나타났다. 특히 AGO모델에서는 콘크리 트 부분에 비하여 스터드볼트에서 소성변형량이 매우 낮 게 형성되어 있다.
Fig. 13은 SEGO-Tied 모델의 경우, 최대하중시 전체 적인 응력분포와 전단연결재에서의 응력분포를 나타낸다.
전단연결재가 있는 부분에서 부분적으로 높은 응력이 발 생하고 있으며, 특히 강재와 콘크리트가 접촉되는 부분에 서의 응력도 적절히 묘사되고 있음을 알 수 있다. 이와 같 은 양상은 다른 두가지 모델에서도 확인할 수 있었다.
4. 결 론
(1) 합성지하벽은 전단경간비가 비록 1에 가깝더라도, 강재의 소성변형에 의해 충분히 연성적인 거동을 보이는 것으로 나타났으며, 이와 같은 연성적인 거 동은 전단경간비의 변화에 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
(2) ADINA 프로그램을 이용하여 콘크리트와 강재 및 스터드볼트의 비선형특성을 고려하고 접촉면 요소 로서 강재와 콘크리트의 접합면을 모델링하여 해 석한 결과 접촉면연결과 모든 절점공유 옵션을 사 용한 모델을 적용할 경우, 실험결과와 근사한 예측 이 가능한 것으로 나타났다.
(3) 해석시 압축응력만을 전달하는 접촉면 요소로 강 재와 콘크리트의 경계부를 모델링한 결과, 해석결 과가 실험결과를 과소평가하는 것으로 나타났는 데, 이는 계면에 주로 압축응력이 작용하는 경우에 는 일체연결구조 또는 절점공유 모델을 적용하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
감사의 글
이 논문은 2011년도 충주대학교 교내학술연구비의 지 원을 받아 수행한 연구로서 연구비 지원에 감사드리며, 해석에 많은 도움을 준 우상돈군에게 감사를 드립니다.
참고문헌
1. 김성만, 이성호, 서수연, 이리형, “합성 지하벽의 전단성능”, 한 국콘크리트학회 논문집, 제14권 제3호, 2002, 6, pp.321-330.
2. 서수연, 이성호, “접촉면 요소를 사용한 합성 지하벽의 비선형 해석”, 한국구조물진단학회 논문집, 제11권 제3호, 2007. 5, pp.176-184.
3. 서수연, 윤용대, 김성수, “합성율과 벽체두께가 합성지하벽의 전 단거동에 미치는 영향”, 구조물진단학회지, 제14권 제1호, 2010.
1, pp.93-101.
4. 조창근, 하기주, 서수연, 권민호, “전단연결재 상세에 따른 H 형강과 콘크리트의 합성효과에 관한 실험 및 해석적 평가”, 대한건축학회논문집, 제25권 제9호, 2009. 9, pp.23-30.
5. 윤용대, 서수연, 김성수, “전단스팬비(a/d)에 따른 합성지하벽 의 전단내력에 관한 연구”, 대한건축학회 논문집. 제25권 제 11호, 2009. 11, pp.61-69.
6. 이리형 외, “CBS 공법의 개발 및 성능 평가에 관한 연구”, 초 대형 구조 시스템 연구 센터 연구보고서, 2001.
7. ADINA R & D, Inc, “ADINA System 8.5.2”, 2008.
8. Cervenka Consulting, “User’s Manual for ATENA 2D”, 2000.
9. R. Park, “Evaluation of Ductility of structures and structural assemblages from Laboratory Testing”, Bulletin of the Newzealand National society for Earthquake Engineering, vol. 22, No. 3. Sept. 1989.
(접수일자 : 2011년 5월 9일)
(수정일자 : 2011년 6월 28일)
(심사완료일자 : 2011년 7월 5일)
요 지
본 연구의 목적은 전단경간비에 따른 합성지하벽의 거동을 실험적으로 연구하고 유한요소해석 프로그램인 ADINA를 활용 하 여 합성지하벽 (Composite Basement Wall, CBW)의 비선형 거동의 예측이다. 특히 각 층 바닥 부근과 같이 콘크리트가 압축응 력상태일 때의 합성벽의 거동을 연구하였다. 특히 강재와 콘크리트가 접촉되는 부분의 모델링 방법에 따른 해석방법의 적합성을 검토하고자 하였다.
콘크리트 벽체부분이 압축응력상태에 있는 합성지하벽의 거동을 이해하기 위하여 합성지하벽에 대한 실험을 실시하고 ADINA 프로그램을 이용하여 유한요소해석을 실시하였다. 해석의 편의를 위하여, 철근은 별도의 독립 요소로 모델링하지 않고, 콘크리트 에 등분포되어 콘크리트와 함께 거동하는 것으로 하고 모든 요소는 소성거동을 표현하기 위하여 이선형 모델로 하였다. 강재와 콘크리트의 접촉면과 관련해서는 접촉면의 연결조건에 따라, AGO, SEGO-T 그리고 SEGO-NT로 모델링하여 해석을 실시한 뒤 각 조건에 따른 응력흐름과 집중정도를 관찰하고 그 결과를 실험결과와 비교하였다.
연구결과, 합성지하벽은 전단경간비가 비록 1에 가깝더라도, 강재의 소성변형에 의해 충분히 연성적인 거동을 보이는 것으로 나타났으며, 이와 같은 거동을 묘사하기 위하여 ADINA 프로그램을 이용하여 콘크리트와 강재 및 스터드볼트의 비선형특성을 고 려하고 접촉면 요소로서 강재와 콘크리트의 접합면을 모델링하여 해석한 결과 접촉면연결과 모든 절점공유 옵션을 사용한 모델을 적용할 경우, 실험결과와 근사한 예측이 가능한 것으로 나타났다.
