철근콘크리트 구조물의 다자유도 실시간 하이브리드 동적 실험

Multi-DOF Real-time Hybrid Dynamic Test of Reinforced Concrete Structure

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(3):283-288
Publication date (electronic) : 2017 June 30
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.3.283
나옥빈, 김성일**
** Principal Researcher, High-speed Railroad Systems Research Center, Korea Railroad Research Institute
Member, Advanced material R&D team, R&D division, Hyundai E&C. (Tel: +82-2-746-0162, Fax: +82-2-746-0162, E-mail: okpin.na@hdec.co.kr)
Received 2017 March 09; Revised 2017 March 09; Accepted 2017 March 29.

Abstract

실시간 하이브리드 실험은 진동대에 비해 구조물의 동적특성을 저비용에 고효율적인 방법으로 평가할 수 있다. 본 연구에서는 비선형 동적거동을 하는 콘크리트 구조물을 대상으로 재료적 비선형 거동특성을 반영한 실시간 하이브리드 실험기법의 적용성 및 신뢰성을 검토는데 그 목적이 있다. 이를 위해서 콘크리트 구조물을 대상으로 실시간 하이브리드 실험을 수행하였으며 진동대 실험결과와 비교하였다. 그 결과, 수치해석과 실시간 하이브리드 실험결과와는 약 13%정도의 차이를 보였으며 진동대 실험과는 잘 일치하였다. 따라서, 실시간 하이브리드 실험기법은 콘크리트 구조물의 동적거동을 경제적으로 예측 평가하는데 효과적으로 활용될 수 있으리라 판단된다.

Trans Abstract

Real-time hybrid method is a test method to evaluate the dynamic behavior of infrastructures economically and efficiently. The purpose of this paper is to investigate the reliability and application of a real-time hybrid system with concrete structures expecting severe nonlinear response. For proving the test, concrete specimen was used for hybrid test and compared with shaking table result. As a result, the difference between numerical analysis and real-time hybrid test was 13%. However, the result of real-time hybrid test showed a better agreement with the shaking table test. Therefore, real-time hybrid method can be used effectively to predict the dynamic behavior of concrete structures.

1. 서론

유사 동적 실험과 진동대 실험은 구조물의 동적탄성특성은 비교적 효과적으로 평가할 수 있지만 원형구조물의 파괴모드에 대한 정확성은 떨어진다. 또한 실험체 제작에 소요되는 비용이 고가이기 때문에 반복적 실험을 수행하기에는 어려움이 따른다. 이러한 실험기법과는 달리 실시간 하이브리드 실험법은 진동대 실험과 비교하여 저비용-고효율적인 방법이며 높은 정확성을 가지고 구조물의 동적 특성을 평가할 수 있다.

하이브리드 실험은 60년대 말 Hakuno et al.(1969)에 의해서 기본개념이 제안되었으며, Takanashi and Nakashima (1987)은 최초로 지진하중에 대한 구조물의 비탄성 동적 거동을 연구하기 위하여 디지털 컴퓨터를 이용한 하이브리드 실험기법을 개발하였다.

1980년대에는 일본과 미국을 중심으로 하이브리드 실험기법의 이론적 정당성을 입증하게 되었고, Mahin et al. (1989), Shing et al.(1996)에 의해 체계가 정립되었으며 다양한 방법과 이론으로 실시간에 가까운 동적실험을 구현하였다. 2000년대에 들어서는 Nakashima(2001)에 의해 실시간 하이브리드 실험이 활발히 진행되었으며, Darby et al.(1999; 2001)은 비선형 문제를 처리하기 위한 수치해석 알고리즘을 개발하여 다양한 실시간 분할 하이브리드 실험을 실시하였다. 더불어 McKenna(1997)Fenves et al.(2004)에 의해 C++언어를 기반으로 PEER를 중심으로 OpenSees가 개발되었으며, Schellenberg and Mahin(2006)에 OpenFresco를 개발하여 다 지역간 또는 다 국가간 분산 하이브리드 실험에 대한 강력한 협력체계를 구축하였다. Jung and Shing(2006)은 단자유도와 다자유도 모델에 대한 비선형 거동실험을 수행하였으며, Saouma and Kang(2011)이 실시간 하이브리드 실험이 가능한 단일 영역 내에서 수치해석 및 하드웨어 제어에 최적화된 컴퓨터 환경을 가지는 Mercury를 개발하여 콘크리트 구조물에 대한 실시간 하이브리드 실험을 수행하였다. 국내에서는 2000년 후반부터 강재모형을 활용하여 실시간 하이브리드 실험을 수행해 왔다. 국내에서 최근에 Na et al.(2012) Kim et al.(2013)은 OpenSee뿐만 아니라 Mercury를 기반으로 자체개발한 FEAPH을 강뼈대 구조물에 적용하여 최적화된 제어시스템을 기반으로 실시간 하이브리드 실험에 대한 검증을 수행하였다. 그러나 비선형 동적거동을 하는 콘크리트 구조물에 대한 적용성 및 신뢰성에 대한 검토는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 구조물을 대상으로 재료적 비선형 거동특성을 반영한 실시간 하이브리드 실험기법을 적용하고자 한다.

2. 하이브리드 시스템

2.1 시스템 구성

본 연구에서 사용된 실시간 하이브리드 시스템의 전체흐름은 Fig. 1과 같으며 이는 크게 FEAPH window, DAQ, Flextest로 구성되어 있다. 이 영역은 SCRAMNet (Shared Common RAM Network)으로 연결되어 있으며 실시간으로 데이터를 공유할 수 있다. 실시간 하이브리드 시스템은 전용 유한요소해석 프로그램인 FEAPH을 실행하고 그 결과를 SCRAMNet을 통하여 액추에이터에 명령변위를 주고 LVDT와 로드셀을 통하여 들어온 피드백 값은 다시 SCRAMNet을 통해 공유됨으로서 실시간 실험을 구현하게 된다(Na et al., 2012; Kim et al., 2013).

Fig. 1

Optimized Hybrid System Flowchart

시스템에서 사용되는 컴퓨터는 델(Dell)사의 워크스테이션 T5400 (2.33GHz 쿼드코어, 1G RAM) 3대를 사용하였으며, 액추에이터는 MTS사의 동적 액추 에이터(250kN, ±125mm)를 3대를 동시에 사용하였으며, 공유메모리인 SCRAMNet을 사용하여 각각의 시스템 영역에서 도출된 결과를 거의 동시에 공유하도록 구성하였다. 이 프로그램은 기존의 하이브리드 실험에서 사용하는 OpenSees 실행시 반드시 필요한 Simulink 모델을 프로그램 내부에 포함하여 별도의 실행과정 없이 바로 실험을 수행할 수 있는 특징이 있다(Na et al., 2012; Kim et al., 2013).

2.2 하이브리드 해석 프로그램

본 연구에서 사용된 하이브리드 수치해석 프로그램 FEAPH (Finite Element Analysis for Hybrid)은 Fig. 2와 같이 FEAPH Window내에 있다. 기존 시스템인 OpenSees 프로그램과 달리 데이터 통신을 원활하게 도와주는 Simulink와 xPC Target의 역할을 포함하도록 구성하였다. 또한, OpenFresco와 같이 부분구조물의 결과에 대한 상호응답을 가능케 도와주는 미들웨어를 수치해석 프로그램 내에 구현함으로서 실험 수행과정을 최적화 시켰다.

Fig. 2

FEAPH ConFiguration

FEAPH의 내부구성은 크게 모델링과 해석알고리즘 부분으로 구분된다. 모델링 요소로는 일반적인 유한요소해석 프로그램과 동일한 구성을 가지고 있으며 기본적인 콘크리트와 강재 재료모형을 제공한다. 특히, 실시간 하이브리드 실험을 위해서는 하이브리드 전용 요소인 Hybrid2DTruss, Hybrid2DBeam 요소를 사용할 수 있다.

해석을 위해서는 기본적인 정적, 동적실험을 수행할 수 있도록 하였으며, 실시간 하이브리드 실험을 위해서는 최적화된 행렬연산을 위해 Intel Math Kernel Library를 적용하고 해석알고리즘으로는 Shing에 의해서 제안된 시간적분법인 고정반복법을 적용한 HHT기법과 Kang-Saouma 알고리즘 을 포함하고 있으며, 연산수행시간을 최소화하기 위해서 요소상태 결정을 위해 병렬해석기법을 최대화하는 멀티쓰레딩기법을 사용하였다.

또한 입력데이터를 위해 이식성이 뛰어나고 용량이 작은 장점이 있는 Lua 스크립트 언어를 사용하였다.

3. 하이브리드 실험

3.1 실험대상

본 연구에서 사용된 실험체는 Ghannoum(2007)이 사용한 폭 16.92 m, 높이 10.74 m의 3층 3경간 구조의 콘크리트 구조물을을 사용하였다(Fig. 3(a) 참조). 이 구조물은 1960년대와 1970년대의 미국 캘리포니아에 전형적으로 사무실 건물을 대표하는 것으로서, Ghannoum은 미국 캘리포니아 버클리 대학에서 1/3 축소모형을 가지고 진동대 실험을 수행하였다. 진동대 실험의 목적은 비연성 철근 콘크리트 구조물의 붕괴 메커니즘을 규명하기 위해서 수행되어졌다.

Fig. 3

Reinforced Concrete Frame and Numerical Model

본 실험은 Fig. 3(b)에서 보여지는바와 같이 전단보강이 상대적으로 덜된 1층 3번째 기둥을 물리적 부분구조물로 사용하였으며, 그 외 부분은 수치해석 모델로 구성하였다. 수치해석 모델은 FEAPH에서 제공하는 Beam-Column요소를 사용하였으며, 변형이 많이 발생하는 부분은 Fig. 3(c)와 같이 Zero-length element를 사용하여 해석을 수행하였다.

Zero-length 요소를 사용하여 회전변위에 대한 영향을 최소화 시켰다. Zero-length 요소는 같은 좌표 상에 두 개의 절점을 연결하는 길이가 0 인 요소로서 각 자유도별로 강성을 조절함으로써 필요한 자유도의 강성을 조절할 수 있다(Na et al., 2012).

실시간 하이브리드 실험을 위해 물리적 부분모델에 사용된 재료특성을 위해 MTS사의 만능시험기(815 Load unit)를 사용하여 압축강도실험을 실시하였다. 콘크리트 압축강도는 실험체 제작시 실린더 공시체(100×200 mm)를 제작하여 실시하였으며, Fig. 4(a)와 같이 25 MPa 이상이었으며, 재료모델로는 실험결과와 유사한 Kent-Park 콘크리트 모델과 철근의 재료특성을 GMP모델을 적용하였다. 세부적인 물리적 특성은 Ghannoum(2007)을 참조하였다.

Fig. 4

Concrete Test Specimen

Fig. 4(b)4(c)는 물리적 부분구조물로 사용된 실험체의 철근배근도와 최종 완성도이며, Fig. 5는 3개의 액추에이터를 콘크리트 시편에 장착한 모습이다. 본 실험에서는 Ghannoum에 의해 Northridge 지진파로부터 추출된 입력지진파를 진동대 실험을통해 콘크리트 구조물의 하부에서 얻어진 가속도를 지반가속도로 사용하였으며 진동대 실험결과와 실시간 하이브리드 실험 결과를 비교 분석하였다.

Fig. 5

3 DOF Hybrid Test for Concrete Frame

3.2 실험결과

본 연구에서는 다자유도 실시간 하이브리드 실험을 실시하기전에 비선형 실험시 응답의 신뢰도를 확보하기 위해 wave형태의 변위를 선형거동구간부터 시작하여 최대 약 70 mm까지 증가시켜서 콘크리트 시편의 실제 거동을 검증하였다. 실험 결과 총 3,000스텝에 소요된 시간은 약 300초로 1스텝에 0.1초의 시간이 소요되었다. 실험 결과를 통해 콘크리트 구조물의 최대변위와 하중을 예측할 수 있었으며, Fig. 6에는 시간이력에 대한 변위와 이를 바탕으로 한 변위-하중 결과를 그래프로 나타내었다. 실험 결과, 절대 최대 변위 값은 약 30 mm이고 최대 하중은 35 kN이였다.

Fig. 6

Verification of RTHT for Non-linear Model

다자유도 비선형 시스템의 검증후에 콘크리트 구조물에 실시간 하이브리드 시험을 수행하였다. Fig. 7에서는 수치해석과 진동대 실험 결과를 비교한것이며, Fig. 8은 실시간 하이브리드 실험과 진동대 실험을 비교하여 그 신뢰성 및 적용성을 분석한 결과이다. Figs. 78에서는 수치해석과 하이브리드 실험의 시간영역을 실제 실험결과인 진동대의 시간영역으로 나타내어 비교하였다. Fig. 7에서 수치해석에 의한 최대변위는 약 60 mm이나 Fig. 8의 실시간 하이브리드 실험에 의한 최대변위는 약 52 mm로 약 13% 감소하였으나, 실제적인 구조물의 거동인 진동대 실험의 결과와 비교해서는 실시간 하이브리드 실험이 거의 일치하였다. 이는 수치해석에서 사용된 콘크리트와 철근의 재료적 비선형 모델이 많은 오차를 포함하고 있으므로 실제적인 거동과는 다소 차이가 있는 것으로 판단된다. 그러나 실시간 하이브리드 실험은 액추에이터의 피드백으로부터 얻어지는 변위와 하중이 수치해석 모델에 적용됨으로서 계속적인 변위의 수정이 가능하므로 수치해석만을 적용한 경우에 비해 실제적인 거동을 더욱 잘 묘사하는 것으로 판단된다. 또한 Fig. 9는 시편의 상단부분 에서 발생되는 변위와 하중과의 관계를 나타낸 것이다. 시간이 지나면서 콘크리트에 균열이 진전하게 되고 이로 인해서 하중의 증가에 비해 변위가 갑작스럽게 변하고 강도도 급격하게 줄어들면서 비선형 거동을 하는 것을 알 수 있다. 이로 인해 상부 및 하부의 우각부에서 철근두께만큼의 많은 균열과 박리가 발생하였다(Fig. 5(c) 참조). Fig. 10은 콘크리트 내부의 철근에 변형률계를 설치하여 시간에 따른 변형율을 측정한 것으로, Fig. 5(c)의 파괴가 일어난 위치에서 측정한 결과이다. Fig. 10에서 약 200초가 지났을 때 철근이 급격하게 변위가 발생하며 그 이후에는 약 4,000 microstrain이 잔류변형으로 남았다. 이때 철근 콘크리트 시편은 급격한 변위와 하중이 작용하게 됨은 확인할 수 있었다.

Fig. 7

Numerical vs Shaking Table Results

Fig. 8

RTHT vs Shaking Table Results

Fig. 9

Force-displacement on Top of the Specimen

Fig. 10

Strain on Top of the Concrete Specimen

4. 결론

본 연구는 진동대 실험을 대체할 실시간 하이브리드 실험에 대한 제어시스템에 대해서 콘크리트 구조물에 적용함으로서 신뢰성을 확보하는데 그 목적이 있다. 본 연구에서는 최적화된 다자유도 하이브리드 시스템인 FEAPH Window를 활용하였으며, 비선형 구조물의 동적특성을 검증하기 위해서 3층 3경간 철근콘크리트 구조물을 사용하였으며, 진동대 실험결과와 실시간 하이브리드 실험과 결과를 비교하였다. 그 결과, FEAPH을 활용하여 실제적 거동을 반영한 하이브리드 실험결과는 수치해석만을 적용한 결과와 약 13%정도 차이가 발생하였으나, 전체 구조물을 활용한 진동대 실험결과와는 거의 유사한 거동을 보였다. 이는 수치해석만으로는 비선형 거동에 대한 예측의 불확실성을 하이브리드 실험이 보완할 수 있음을 보여준 결과이다. 따라서, 이러한 실시간 하이브리드 실험은 교량의 교각이나 구조물 상하부를 연결하는 댐퍼, 건축물의 동적거동을 경제적으로 예측 평가하는데 효과적으로 활용될 수 있으리라 판단된다.

감사의 글

본 연구는 한국철도기술연구원 주요사업 “차세대 스마트 철도교량 핵심기술개발”의 연구비 지원으로 수행되었습니다. 이에 깊은 감사를 표합니다.

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Article information Continued

Fig. 1

Optimized Hybrid System Flowchart

Fig. 2

FEAPH ConFiguration

Fig. 3

Reinforced Concrete Frame and Numerical Model

Fig. 4

Concrete Test Specimen

Fig. 5

3 DOF Hybrid Test for Concrete Frame

Fig. 6

Verification of RTHT for Non-linear Model

Fig. 7

Numerical vs Shaking Table Results

Fig. 8

RTHT vs Shaking Table Results

Fig. 9

Force-displacement on Top of the Specimen

Fig. 10

Strain on Top of the Concrete Specimen