KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research (대한토목학회논문집)

Korean Society of Civil Engeneers (대한토목학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Nonlinear Analysis of Steel-concrete Composite Girder Using Interface Element

경계면 요소를 사용한 강·콘크리트 혼합 거더의 비선형 거동 해석

  • 권희정 (연세대학교 토목공학과 응용역학연구실) ;
  • 김문겸 (연세대학교 토목환경공학과) ;
  • 조경환 (GS건설(주) 기술연구소) ;
  • 원종화 (연세대학교 토목공학과 응용역학연구실)
  • Received : 2008.10.28
  • Accepted : 2009.06.29
  • Published : 2009.07.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

In this study, an analysis technique of hybrid girder considering nonlinearity of steel-concrete contact surface is presented. Steel-concrete hybrid girder shows partial-interaction behavior due to the deformation of shear connectors, slip and detachment at the interface, and cracks under the applied loads. Therefore, the partial-interaction approach becomes more reasonable. Contact surface is modeled by interface element and analyzed nonlinearly because of cost of time and effort to detailed model and analysis. Steel and Concrete are modeled considering non-linearity of materials. Material property of contact surface is obtained from push-out test and input to interface element. For the constitutive models, Drucker-Prager and smeared cracking model are used for concrete in compression and tension, respectively, and a von-Mises model is used for steel. This analysis technique is verified by comparing it with test results. Using verified analysis technique, various analyses are performed with different parameters such as nonlinear material property of interface element and prestress. The results are compared with linear analysis result and analysis result with the assumption of full-interaction.

혼합구조체의 강-콘크리트 경계면은 하중이 증가함에 따라 합성작용 저하, 미세균열, 슬립 및 분리 등으로 비선형 거동을 나타내어 부분합성에 적합한 해석기법이 필요하다. 스터드의 상세해석을 통하여 이를 실현할 수 있으나 이는 해석 결과의 실효성에 비해 시간과 비용이 많이 투입되기 때문에 본 연구에서는 접합부의 경계비선형과 강-콘크리트의 재료비선형을 고려하여 더욱 정확한 강 콘크리트 혼합구조 해석기법을 제안하였다. 접합부의 경계면의 비선형성은 인터페이스 요소를 이용하여 모델링한다. 이를 위해 먼저 경계면의 비선형 거동 물성치를 산정하여야 한다. 경계면의 물성은 push-out test 등을 통하여 얻을 수 있는데 이는 기존에 연구되었던 실험결과를 이용하였다. 강과 콘크리트의 재료비선형을 고려하기 위해 콘크리트의 압축부는 Drucker-Prager 모델을 이용하고, 강재는 von-Mises 모델과 2개의 직선으로 이상화한 응력-변형률 관계를 적용하였다. 해석의 검증을 위해 프리스트레스트 콘크리트-강 혼합구조를 갖는 혼합거더의 정적 휨 거동에 관해 해석하여 기존의 실험결과와 비교하였다. 제안된 혼합구조 해석 기법을 이용하여 경계면의 비선형 모델을 변화시켜가면서 해석을 수행하여 강-콘크리트 혼합구조체의 거동을 분석하였다. 이후 경계면의 선형 해석방법과 완전부착을 가정하는 해석방법의 결과와 비교 분석하여 제안한 비선형 해석기법의 타당성을 검증하였다.

Keywords

References

  1. 김광수, 정광회, 심정욱, 유성원(2004(a)) PSC-강 혼합거더의 연결부 거동 해석, 한국콘크리트학회 봄학술대회논문집, 한국콘크리트학회, 제16권, 제1호(통권 제30호), pp. 766-769.
  2. 김광수, 정광회, 심정욱, 유성원(2004(b)) 프리스트레스트 콘크리트-강 혼합구조를 갖는 복합거더의 정적 휨 거동, 대한토목학회 정기학술대회 논문집, 대한토목학회, pp. 48-53.
  3. 김용희, 이갑중, 문태경(1997) 강-콘크리트 합성바닥판에 있어서 전단연결재 설계에 관한 기초적 연구, 대한토목학회 1997년도 학술발표회 논문집(1), 대한토목학회, pp. 153-156.
  4. 양석규(1998) Push-out Test에 의한 스터드와 고장력 볼트의 역학적 거동에 관한 연구, 석사학위논문, 경남대학교 대학원.
  5. 연세대학교 건설공학연구소(2004) 복합구조형식 교량의 접합부 거동분석 및 안전성 검토에 관한 연구.
  6. 이갑중(1997) 스터드를 사용한 합성 바닥판의 실험적 연구, 석사학위논문, 경남대학교 대학원.
  7. 정연주, 정광회, 김병석(2003) 강.콘크리트 경계면의 비선형성에 따른 합성구조체의 거동(I) -비선형 경계면 모델에 따른 매개변수 연구-, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제15권 제5호(통권 66호), pp. 499-507.
  8. 정연주, 정광회, 김병석(2003) 강.콘크리트 경계면의 비선형성에 따른 합성구조체의 거동(I) -강.콘크리트 경계면의 거동 특성-, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제15권 제5호(통권 66호), pp. 509-518.
  9. 정연주, 정광회, 구현본, 김병석(2004) 교량용 강.콘크리트 합성바닥판의 실험적 정적거동 특성, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제24권, 제1A호, pp. 17-25.
  10. 한국건설기술연구원(2002) Development of Long-Life Deck System for Bridge (I), KICT 2002-049.
  11. 한국건설기술연구원(2003) Development of Long-Life Deck System for Bridge (II), KICT 2002-053.
  12. European Commitee for Standardization (2002) Eurocode 4-1: Design of Composite Steel and Concrete Structures. prEN-1994-1-1.
  13. Herrmann, L.R. (1978) Finite element analysis of contract problems. J. of the Engineerin Mechanics Division, Vol. 104, No. EM5, pp. 1043-1057.
  14. Jeong, Y.J, Kim, H.Y., and Kim, S.H. (2005) Partial-interaction analysis with push-out tests. Journal of Constructional Steel Research, Vol. 61, No. 9, pp. 1318-1331. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2005.01.010
  15. Jeong, Y.J, Kim, H.Y., Koo, K.B., and Kim, S.T. (2005) Steel-concrete interface behavior and analysis for push-out. KSCE Journal of Civil Engineering, Vol. 9, No. 2, pp. 119-124. https://doi.org/10.1007/BF02829065
  16. Jeong, Y.J. (2005) Partial-Interaction Behavior of Steel-Concrete Composite Bridge Deck., Ph.D. Thesis Dept. of Civil Eng., Yonsei University, Korea.
  17. Johnson, R.P. (1994) Composite Strictures of Steel and Concrete. Blackwell Scientific Publications, London.
  18. Kantona, M.G. (1983) A simple concrete-friction interface element with application to buried culverts. Int. J. for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol. 7, pp. 371-384. https://doi.org/10.1002/nag.1610070308
  19. Kayyali, O.A. and Yeomans, S.R. (1995) Bond and slip of coated reinforcement in concrete. Constr. and Building. Mater., Vol. 9, No. 4, pp. 219-226. https://doi.org/10.1016/0950-0618(95)00024-A
  20. Kim, B., Wright, H.D., Cairns, R., and Bradford, M.A. (1999) The numerical simulation of shear connection. Prog. of the 16th Australasian Conf. on the Mechanics of Struct. and Mater., pp. 341-346.
  21. Konke, P. (1994). ANSYS Theory Reference-Release 5.5. ANSYS, Inc.
  22. Oehlers, D.J. (2001) Some new concepts in the assessment of composite steel and concrete vehicular bridge beams. Steel Structr., Vol. 1, pp. 133-139.
  23. Oehlers, D.J. and Bradford, M.A. (1999) Elementary Behavior of Composite Steel & Concrete Structural Members. Butterworth-Heinemann, Oxford.
  24. Oehlers, D.J. and Johnson, R.P. (1987) The Strength of stud shear connections in composite beams. The Structural Engineer, Vol. 65B, No. 2, pp. 44-48.
  25. Oehlers, D.J., Seracino, R., and Yeo, M.F. (2000) Fatigue behavior of composite steel & concrete beams with stud shear connections. Prog. Struct. Engng. Mater., pp. 187-195.
  26. Oven, V.A., Burgess, I.W., Plank, R.J., and Wali, A.A. (1997) An analytical model for the analysis of composite beams with partial interaction. Computers & Struct. Vol. 62, No. 3, pp. 493-504. https://doi.org/10.1016/S0045-7949(97)80001-2
  27. Seracino, R., Oehlers, D.J., and Yeo, M.F. (2002) Partial-interaction fatigue assessment of stud shear connectors in composite bridge beams. Structural Engineering and Mechanics, Vol. 13, No. 4, pp. 455-464. https://doi.org/10.12989/sem.2002.13.4.455
  28. Soh, C.K., Chiew, S.P., and Dong, Y.X. (1999) Damage model for concrete-steel interface. J. of Engineering Mechanics, ASCE, Vol. 125, No. 8, pp. 979-983. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9399(1999)125:8(979)
  29. Soh, C.K., Chiew, S.P., and Dong, Y.X. (2002) Concrete-steel bond behavior under repeated loading. Magazine of Concrete Research, Vol. 54, No. 1, pp. 35-46. https://doi.org/10.1680/macr.2002.54.1.35
  30. Veljkovic, M. (1993). Development of a New Sheeting Profile or Composite Floors. Research Report TULEA1993:47, Lulea University, Sweden.
  31. Veljkovic, M. (1995) Longitudinal shear capacity of composite slab. Proc. of Nordic Steel Construction Conference '95, Molmo, Sweden, pp. 547-554.
  32. Veljkovic, M. (1996). Behavior and Resistance of Composite Slabs. Ph.D. Thesis, Lulea University, Sweden.
  33. Veljkovic, M. (1998) Design of composite slab based on small scale tests. Proc. of Nordic Steel Construction Conference, Bergen, Norway, pp. 415-427.
  34. Veljkovic, M. (1998) Influence of load arrangement on composite slab-behavior and recommendations for design. J. of Constructional Steel Research, Vol. 45, No. 2, pp. 149-178. https://doi.org/10.1016/S0143-974X(97)00055-2
  35. Veljkovic, M. (2000) Behavior and design of shallow composite slab. Proc. of Composite Construction-, Alberta, Canada, pp. 12.
  36. Veljkovic, M. (2001) Behavior of Shear Studes under Repeated Load. Report 2001-02, Univ. of Lulea, Sweden.
  37. Veljkovic, M. and Johansson, B. (2001) Partial Interaction in Composite Slab-Final Report for BFR Project., No.2001:03, TU-Lulea, Sweden.
  38. Veljkovic, M. and Johansson, B. (2004) Residual static resistance of welded stud shear connectors. Prog. of Composite Construction in Steel and Concrete-V, South Africa, pp. 100-120.
  39. Wang, S.P. and Nakamachi, E. (1997) The inside-outside contact search algorithm for finite element analysis. Int. J. for Numerical Methods in Engineering, Vol. 40, pp. 3665-3685. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0207(19971015)40:19<3665::AID-NME234>3.0.CO;2-K