철근 콘크리트 코벨 (ACI)
이 연구에서는 7개의 철근 콘크리트(RC) 코벨 시험체의 거동을 조사합니다. IDEA StatiCa를 사용하여 강도 및 변형 능력을 계산하고, ACI 318-19(2019) 및 AASHTO LRFD(2016) 절차에 따라 계산된 설계 능력과 비교하였습니다. 결과는 실험 데이터와 비교되었습니다. 시험된 코벨 시험체 중 하나가 ABAQUS 소프트웨어(버전 2023)를 통한 추가 조사를 위한 기준 모델로 선정되었으며, 중간점 처짐, 주 응력 분포 및 균열 패턴이 계산되어 실험 중 측정된 값과 비교되었습니다(Wilson, 2017). 또한, 보강 철근이 코벨 내력에 미치는 영향을 상세히 조사하였습니다.
실험 연구
코벨의 구조적 성능을 평가하기 위해, Wilson(2017)이 ACI 318-19(2014)의 스트럿-타이 모델(STM) 규정에 따라 C0~C3으로 식별되는 4개의 이중 코벨 시험체를 설계하였습니다. 또한 Khosravikia et al.(2018)이 AASHTO LRFD(2016)의 STM 규정에 따라 S1, S2, S3으로 표기되는 3개의 이중 코벨 시험체를 설계하였습니다. 시험체는 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 Ferguson 구조공학 실험실에서 설계, 제작 및 시험되었습니다. C 범주의 4개 시험체에서는 주 철근이 동일하게 유지되었으며, 보강 철근은 다양하게 변화하였습니다. 마찬가지로, S1, S2, S3 시험체는 동일한 형상을 공유하였으나 주 철근과 보강 철근 모두에서 차이가 있었습니다. 7개의 시험체 모두 수직 하중만을 견디도록 설계되었으며, 잠재적인 수평 인장력은 무시되었습니다. 따라서 시험 설정은 수직 하중에만 집중하여 단순화되었으며, 각 시험체는 두 개의 지압판으로 지지되었습니다. 7개의 시험체 중 C0이 기준 모델로 선정되어 ABAQUS에서 분석되었습니다.
4개의 시험체(C0, C1, C2, C3) 모두 폭 14 in.(356 mm), 전체 코벨 높이 24 in.(610 mm), 각 측면의 코벨 길이 20 in.(508 mm), 연장 기둥 높이 12 in.(305 mm)를 포함한 유사한 치수로 설계되었습니다. 시험체의 형상 및 각 시험체에 사용된 철근 상세는 그림 1.1에 나타나 있습니다. 코벨 시험체의 설계 매개변수는 표 1.1에 제시되어 있습니다. 그림 1.1의 시험체는 시험된 방향으로 표시되어 있음을 유의하시기 바랍니다.
그림 1.1: 철근 상세를 포함한 시험체 설계(Wilson, 2017).
ACI 318-19에 따른 규준 설계 계산
규준 기반 설계 검토가 수행되었으며, 코벨 시험체의 내력은 스트럿-타이 모델(STM)을 사용하여 계산되었고, RC 코벨의 균열 제어 요건은 ACI 318-19의 규정에 따라 수치적으로 조사되었습니다. 스트럿-타이 모델에서 콘크리트 부재는 노드에서 상호 연결된 콘크리트 스트럿과 강재 타이로 구성된 가상 트러스로 대체됩니다. ACI 318-19의 STM 규정에 따르면, 각 타이의 강도 요구를 충족하기 위해 적절한 철근이 제공되어야 합니다. 적절한 균열 제어와 과도한 변형률 불일치를 방지하기 위해, 임의의 스트럿 축과 노드에 진입하는 임의의 타이 사이의 각도는 25° 이상이어야 합니다. 노드는 세 가지 유형으로 분류됩니다: 타이가 없는 노드(압축-압축-압축 노드)를 나타내는 CCC 노드, 하나의 타이를 가진 노드를 나타내는 CCT 노드, 두 개 이상의 타이를 가진 노드를 나타내는 CTT 노드.
이 시험체들의 설계에 사용된 스트럿-타이 트러스 모델은 그림 1.15에 나타나 있습니다. 노드 A와 A'의 수평 정렬은 지압판의 중심에 맞추어졌으며, 노드 B와 B'는 기둥 폭 내의 1/4 지점에 위치하였습니다. 노드 B와 B'의 수직 위치는 기둥 면에서의 직사각형 압축 블록의 중간점으로 결정되었습니다. 설계 과정에는 타이 AA'의 항복 강도, 스트럿 AB, A'B', BB', BC 및 B'C'의 압축 강도, 그리고 노드 A, A', B 및 B'의 후면, 지압면 및 경사면 검토가 포함되었습니다.
그림 1.15: 스트럿-타이 모델(Wilson, 2017).
표 1.6은 ACI 318-19에 따른 코벨 시험체의 설계 검토 항목을 제시합니다. 콘크리트 요소의 구조적 건전성은 미국 콘크리트 학회(ACI) 318-19 건축 규준을 참조하는 다양한 검토 항목을 통해 엄격하게 평가됩니다.
IDEA StatiCa 해석
1.2.1절 및 1.2.2절에 기술된 7개의 철근 콘크리트 코벨은 IDEA StatiCa Detail에 구현된 CSFM(적합 응력장 방법) 방법으로 모델링되어 시험체의 거동을 시뮬레이션하였습니다. Wilson(2017)이 제시한 시험체 C0, C1, C2, C3(표 1.3)과 Khosravikia et al.(2018)이 제시한 시험체 S1, S2, S3의 콘크리트 실측 압축 강도, 철근 항복 강도 및 철근 극한 강도가 IDEA StatiCa Detail에 적용되었습니다.
그림 1.16: (a) 580 kips(2578 kN) 하중 하의 코벨 C0, (b) 580 kips 하중 하의 C0 처짐, (c) 580 kips 하중 하의 C0 콘크리트 주 응력 σ_c, (d) 철근의 변형률.
ABAQUS 모델 개발 및 해석
이 절에서는 1.4.1절에서 개발된 기준 모델(즉, 시험체 C0)을 유한요소법(FE) 해석을 위해 ABAQUS 소프트웨어(버전 2023)를 사용하여 재구성하였으며, 결과를 IDEA StatiCa에서 얻은 결과와 비교하였습니다. 모델에서는 자중 외에도 그림 1.23a에 나타난 바와 같이 592 kips(2633 kN)의 수직 하중이 상부 지압판에 부과되었습니다. 실험 시험 및 IDEA StatiCa 모델과 유사한 두 가지 경계 조건(즉, 우측의 롤러 유형과 좌측의 경사 새들 유형)이 시험체 C0에 적용되었습니다(그림 1.23b 참조).
그림 1.23: a) ABAQUS의 모델 설정, b) ABAQUS에서의 두 가지 경계 조건 적용.
이 모델을 기술하는 데 필요한 매개변수는 참고문헌(Wilson, 2017)에 명시적으로 나타나 있지 않아 보정 후 실험 시험에서 획득하였습니다. 강재 철근의 재료 거동은 단순 이선형 소성 모델을 사용하여 모델링되었습니다. 밀도, 탄성 계수 및 포아송 비를 포함한 기타 매개변수는 IDEA StatiCa Detail 재료 라이브러리에서 가져왔습니다. 수치 시뮬레이션은 16개의 프로세서(Intel Xenon® Gold Processor 6430 @2.10GHz)를 갖춘 가상 머신에서 수행되었으며 완료까지 약 56분이 소요된 반면, IDEA StatiCa Detail은 1분 이내에 계산을 완료하였습니다.
그림 1.26, 1.27 IDEA StatiCa Detail과 ABAQUS 간의 주 응력 방향 및 수직 변위 비교.
요약
7개의 철근 콘크리트 코벨을 IDEA StatiCa를 사용하여 조사하였으며, 4개의 코벨(C0, C1, C2, C3)에 대해서는 ACI 318-19의 스트럿-타이 모델 방법 규정에 따라, 3개의 코벨 시험체(S1, S2, S3)에 대해서는 AASHTO LRFD(2016)에 따라 분석하였습니다. 또한, IDEA StatiCa 기준 모델(즉, 코벨 C0)의 결과를 동등한 ABAQUS 모델의 결과와 비교하였습니다. 시험체는 코벨의 실험적 거동을 포착하기 위해 IDEA StatiCa를 사용하여 모델링 및 분석되었습니다. 코벨의 최대 하중 지지 능력과 하중-중간점 처짐 곡선이 IDEA StatiCa에서 얻은 결과와 함께 도시되어 측정 데이터와 비교되었습니다.
그림 1.30에는 시험체 C에 대한 실험, 스트럿-타이 모델(STM) 및 IDEA StatiCa에서 얻은 하중의 비교가 제시되어 있습니다. 결과는 PIDEA StatiCa 가 실험 결과와 밀접하게 일치하며, 코벨 성능의 근사 정확한 예측을 제공하는 데 있어 STM과 같은 전통적인 방법을 능가하는 효과를 강조합니다. 모든 시험체(C0, C1, C2, C3)에 걸쳐 PIDEA StatiCa는 실험적 최대 하중 내력(Pmax)과 지속적으로 밀접한 일치를 보입니다. 시험체 C0과 C2의 특성은 동일하였으나, 시험체 C0은 더 큰 av /d 비율로 시험되었습니다. 이는 av /d 비율이 코벨의 하중 지지 능력에 미치는 영향을 보여줍니다. 코벨의 내력은 av /d 비율에 반비례하여 변화하였습니다.
그림 1.30: C 시험체에 대한 측정값, 계산값(STM) 및 IDEA StatiCa 최대 하중 비교.
요약하면, 7개의 모든 코벨 시험체(C0~C3 및 S1~S3)에 걸쳐 IDEA StatiCa가 예측한 최대 하중은 STM의 결과를 지속적으로 상회하였으며, S1 및 S3 시험체를 제외하고 실험 결과와 밀접하게 일치하였습니다. 구체적으로, S1 및 S3의 경우 IDEA StatiCa에서 도출된 최대 하중은 측정값을 각각 1.5% 및 3.1% 초과하였습니다. 전반적으로, 실험 시험, 스트럿-타이 모델(STM), IDEA StatiCa 및 ABAQUS의 결과는 합리적으로 비교됩니다.
IDEA StatiCa의 성능과 관련하여, 결과가 ABAQUS의 결과와 비교 가능한 수준임이 명확합니다. 이는 IDEA StatiCa가 구조적 거동을 정확하게 시뮬레이션하고 분석할 수 있음을 나타냅니다. ABAQUS와 같은 기존 도구와 일치하는 결과를 제공하는 능력은 엔지니어링 해석 및 설계 작업에서 소프트웨어의 효과성과 신뢰성을 강조합니다. 그럼에도 불구하고, 특정 적용에 대한 정확성과 신뢰성을 보장하기 위해 소프트웨어의 결과를 실험 데이터 또는 대안적인 수치 방법으로 검증하는 것이 항상 권장됩니다. 해석 모델의 추가적인 개선 및 검증은 예측의 정확성을 향상시켜 보다 견고한 구조 해석 및 설계 프로세스를 보장할 수 있습니다.