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Technical overview

고강도 철근콘크리트 단면 해석을 위한 클라우드 계산

이 문서는 StructFlow 계산 엔진이 다루는 해석 범위, 근거로 삼은 연구와 기준, 그리고 원본 New RC 연구 프로그램과의 관계를 개괄합니다.

StructFlow 연구개발팀・SUHUL LLC・업데이트

초록

StructFlow는 New RC 고강도 철근콘크리트 연구 성과를 기반으로 한 클라우드 단면 해석 플랫폼으로, 직사각형 및 원형 기둥과 구조벽의 2축 강도, 모멘트–곡률 해석, 캔틸레버식 옹벽 설계를 포괄한다. 계산 엔진은 교수 검증을 거쳤으며 원본 연구 프로그램의 실제 출력과 점 단위로 대조되었다. 결과의 일치를 유지하면서 클라우드 버전은 압축 영역 계산의 정밀도와 속도를 높이고, 연속적인 소요/공칭 강도비(수요/용량비)로 보다 안정적인 하중 검토를 제공한다. 본 문서는 기술 개요이며, 전체 설계 근거와 검토 과정은 가입 후 계산서에서 제공된다.

키워드고강도 철근콘크리트・New RC・2축 상관 곡면・수요/용량비・섬유요소 단면해석・옹벽

1연구 배경

대만은 2010년대부터 신형 고강도 철근콘크리트(New RC) 연구를 추진해 왔으며, 고강도 콘크리트에 고강도 철근을 조합하여 고층 건축물의 부재 크기와 철근량을 줄이는 것을 목표로 한다 [9, 10]. 고강도 재료에서는 기존 설계 변수와 구속 거동을 다시 보정해야 하며 [15, 16], 관련 연구 프로그램은 대부분 데스크톱 실행 파일 형태로 유통되므로 실무에서 통합, 갱신, 추적이 쉽지 않다.

StructFlow의 목표는 이러한 연구 프로그램을 일상적으로 사용할 수 있는 실무 도구로 전환하되 역학적 결과는 바꾸지 않는 것이다.

2단면 강도

콘크리트 압축은 등가 직사각형 응력 블록 [3, 4]을 사용하며, 변수는 고강도 콘크리트에 대한 New RC 연구 [10]에 따라 보정하여 fc′ 100 MPa급까지 적용한다. 압축 영역은 기존 섬유 분할 방식의 이산화 오차 없이 직접 정밀하게 계산하며, 강도감소와 축력 상한은 구속 형식(띠철근／나선철근)에 따른다.

32축 상관 곡면

중립축 방위각마다 P–M 자오선을 계산하여 3차원 상관 곡면을 구성한다. 샘플링 방식이 원본과 같으므로 원본 출력과 점 단위로 대조할 수 있다.

구조벽 P–M 상관도 (강축과 약축)06,00012,00018,00024,00030,000-2,0001,6675,3339,00012,66716,33320,000M (tf·m)P (tf)θ＝0° (x축 기준)θ＝90° (y축 기준)
그림 1구조벽 기본 사례의 θ＝0°와 90°에서의 설계강도 곡선. 강축과 약축의 내력 차이를 보여 준다(계산 엔진 실계산).

4연속적인 수요/용량비

이산적인 샘플링 점으로 판정하는 기존 검토 결과는 샘플링 각도에 따라 튄다. StructFlow는 설계강도 곡면으로부터 연속적이고 안정적인 수요/용량비를 구하며, ETABS에서 내보낸 수만 건의 하중을 한 번에 검토할 수 있다. 원본의 판정 방식도 함께 남겨 두어 기존 결과와 대조할 수 있다.

5모멘트–곡률 해석

섬유요소 단면 해석은 피복 콘크리트와 횡구속 코어 콘크리트를 함께 고려한다. 코어 콘크리트는 Mander 구속 모델 [1, 2]을 사용하고, HUNG 모델은 고성능 섬유보강 콘크리트(HPFRCC)를 기술하며 [11, 12], UHPC 피복 모델은 UHPC 피복 보강의 평가에 사용한다 [13, 14].

네 가지 콘크리트 모델의 모멘트–곡률 곡선0.000.050.100.150.20050100150200250곡률 φ (1/m)M (tf·m)비구속（μφ ≈ 3.25）Mander 구속 K＝1.3（μφ ≈ 19.21）HUNG (HPFRCC)（μφ ≈ 12.01）UHPC 피복（μφ ≈ 8.79）
그림 2같은 단면(60 × 60 cm, fc′ 700 kgf/cm², P＝0.1fc′Ag)의 네 가지 콘크리트 모델별 모멘트–곡률 곡선. 계산 엔진 실계산.

6캔틸레버식 옹벽

[5, 6]에 따라 안정성은 안전율로 검토하고 부재는 강도 설계를 따르며, 지진 시 토압은 Mononobe–Okabe 이론 [7]을 사용하고 배근은 자동으로 선정한다.
캔틸레버식 옹벽 단면과 벽체 모멘트 포락선벽체 모멘트 (tf·m/m)상시 Mu지진 시 Mu설계강도 φMn
그림 3기본 캔틸레버식 옹벽의 벽체 모멘트 포락선(계산 엔진 실계산).

7클라우드 구조와 성능

계산 엔진은 클라우드에서만 실행되며, 브라우저는 입력을 보내고 결과를 받을 뿐이다. 이는 연구 성과를 보호하는 동시에 모든 사용자가 같은 버전의 계산 엔진을 사용하도록 보장하며, 계산서에 버전 번호를 인쇄하여 추적할 수 있다.

표 1계산 성능(직사각형 기둥 80 × 80 cm, #10 16본)
연산규모시간
상관 곡면2,622점약 4 ms
상관 곡면(고해상도)12,558점약 8 ms
하중조합 검토2,000건약 80 ms
모멘트–곡률곡선 1개약 60 ms

참고문헌

  1. Mander, J. B., Priestley, M. J. N., & Park, R. (1988). Theoretical stress-strain model for confined concrete. Journal of Structural Engineering, 114(8), 1804–1826. doi:10.1061/(ASCE)0733-9445(1988)114:8(1804)
  2. Popovics, S. (1973). A numerical approach to the complete stress-strain curve of concrete. Cement and Concrete Research, 3(5), 583–599. doi:10.1016/0008-8846(73)90096-3
  3. Whitney, C. S. (1937). Design of reinforced concrete members under flexure or combined flexure and direct compression. ACI Journal Proceedings, 33(3), 483–498. doi:10.14359/8429
  4. ACI Committee 318. (2019). Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19) and Commentary (ACI 318R-19). American Concrete Institute. doi:10.14359/51716937
  5. 內政部（Ministry of the Interior, Taiwan）. (2023). 建築物混凝土結構設計規範（Design Specifications for Concrete Structures of Buildings），112 年 8 月 10 日修正發布，113 年 1 月 1 日生效. nlma.gov.tw
  6. 內政部（Ministry of the Interior, Taiwan）. (2023). 建築物基礎構造設計規範（Design Specifications for Foundations of Buildings），112 年 6 月 20 日修正發布，113 年 1 月 1 日生效. nlma.gov.tw
  7. Mononobe, N., & Matsuo, H. (1929). On the determination of earth pressure during earthquakes. Proceedings of the World Engineering Congress, Vol. 9, Tokyo, 177–185.
  8. Sutherland, I. E., & Hodgman, G. W. (1974). Reentrant polygon clipping. Communications of the ACM, 17(1), 32–42. doi:10.1145/360767.360802
  9. National Center for Research on Earthquake Engineering (NCREE). 台灣新型高強度鋼筋混凝土（Taiwan New RC）專區. ncree.niar.org.tw/service/newrc
  10. Chiu, C.-K., Hung, C.-C., Lin, K.-C., Liu, K.-Y., Lee, H.-J., Cheng, M.-Y., et al. (2019). Design Guideline for Building of High-Strength Reinforced Concrete Structures (Draft), NCREE-19-001. National Center for Research on Earthquake Engineering.
  11. Hung, C.-C., & Li, S.-H. (2013). Three-dimensional model for analysis of high performance fiber reinforced cement-based composites. Composites Part B: Engineering, 45(1), 1441–1447. doi:10.1016/j.compositesb.2012.08.004
  12. Hung, C.-C., El-Tawil, S., & Chao, S.-H. (2021). A review of developments and challenges for UHPC in structural engineering: Behavior, analysis, and design. Journal of Structural Engineering, 147(9), 03121001. doi:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0003073
  13. Shao, Y., Kuo, C.-W., & Hung, C.-C. (2021). Seismic performance of full-scale UHPC-jacket-strengthened RC columns under high axial loads. Engineering Structures, 243, 112657. doi:10.1016/j.engstruct.2021.112657
  14. Hung, C.-C., Kuo, C.-W., & Shao, Y. (2021). Cast-in-place and prefabricated UHPC jackets for retrofitting shear-deficient RC columns with different axial load levels. Journal of Building Engineering, 44, 103305. doi:10.1016/j.jobe.2021.103305
  15. Ou, Y.-C., Alrasyid, H., Haber, Z. B., & Lee, H.-J. (2015). Cyclic behavior of precast high-strength reinforced concrete columns. ACI Structural Journal, 112(6), 839–850. doi:10.14359/51687911
  16. Shen, W.-C., & Hwang, S.-J. (2023). Confinement reinforcement of high-strength reinforced concrete tied columns under high axial load. ACI Structural Journal, 120(3), 145–155. doi:10.14359/51738505