Development of Sectional Analysis Platform for Reinforced and Prestressed Concrete Elements

Abstract

주요 구조부재로서 프리스트레스트 콘크리트의 중요성은 점점 더 부각되고 있다. 하지만 프리스트레스트 콘크리트 부재에 대한 단면해석 연구는 아직 실무적으로 미비한 실정이다. 3차원 유한요소법을 이용한 해석은 거동을 이해하는데 좋은 방법일 수 있지만, 많은 컴퓨터 자원과 시간이 소요되므로 다소 실무적이지 않다. 따라서, 포스트텐션 무량판 구조물 등과 같은 프리스트레스트 콘크리트 건물 전체에 대하여 비선형 해석을 효과적으로 수행하기 위해서는 변위기반 설계법을 위한 소성 힌지 모델링이 요구된다. 본 연구에서는 비부착 프리스트레스트 콘크리트 부재를 포함하여 모든 콘크리트 부재에 대한 모멘트-곡률 곡선 및 P-M 관계도 산출 프로그램을 개발하였다. 이를 위해 기존의 비부착 프리스트레스트 콘크리트 실험결과들을 취합 정리한 후, 강연선 응력 증가와 부재에 작용하는 힘 또는 모멘트간의 관계식을 도출하여 이 프로그램에 적용하였다. 프로그램은 C#를 이용하여 개발되었으며, 비부착 프리스트레스트 콘크리트 부재를 포함한 다양한 조건의 단면에 대하여 모멘트-곡률 곡선 및 P-M 관계도를 편리하게 산출해 낼 수 있도록 구성되었다. 프로그램으로부터 산출된 결과 중 일반 철근 콘크리트와 부착 프리스트레스트 콘크리트 부재에 대해서 기존의 검증된 단면해석 프로그램 및 타 프로젝트와의 비교를 통해 정확도를 검증하였다. 반면 비부착 프리스트레스트 콘크리트의 경우 기존의 단면해석 프로그램이나 도출된 곡선 또는 관계도가 없기 때문에 다양한 조건의 강연선 응력 증가 모델을 이용한 변수 연구를 진행하였다. 이를 통해 강연선 응력의 선형 및 지수적 응력 증가 모델이 모멘트-곡률 곡선 산출에 있어 적합한 것으로 나타났다.

Prestressing has become one of the most important reinforcement methods for concrete elements. However the research for analyzing the sectional behavior of a prestressed concrete element has not been thorough yet. Three dimensional finite element method could be one of the means to understand the behavior, but computational cost is too high. Therefore, simple lumped plasticity modeling is necessary for analyzing a multi-story building system with prestressed elements and performing its displacement-based seismic design. In this study, a computer program with new analytic models is developed focusing on the generation of moment-curvature relation and axial force-moment (P-M) interaction that may be used for the performance-based design. A new analytic model regarding the relation between tendon stress increase and element load/moment is established from the collated previous experimental results. The program is well-designed for users to calculate the moment-curvature relations and P-M interactions of various reinforced and prestressed concrete sections, including unbonded prestressed element sections. The generated data from the program when it comes to normal reinforced concrete elements and bonded prestressed concrete elements are reasonable and accurate, comparing with the previously verified program and other projects. On the other hand, the sectional analysis of unbonded prestressed elements is unprecedented. Through the case study with various analysis options, it is shown that linear and exponential tendon stress increase models can be recommended. This study focuses on the convergence research of computer programming and structural engineering through development of the sectional analysis program supporting most cases of structural elements.