KR102338666B1 - 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치 및 방법 - Google Patents

철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치 및 방법 Download PDF

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KR102338666B1 KR1020200017117A KR20200017117A KR102338666B1 KR 102338666 B1 KR102338666 B1 KR 102338666B1 KR 1020200017117 A KR1020200017117 A KR 1020200017117A KR 20200017117 A KR20200017117 A KR 20200017117A KR 102338666 B1 KR102338666 B1 KR 102338666B1
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Abstract

본 발명은 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치 및 방법에 관한 것으로, 콘크리트의 형상 정보 및 콘크리트에 배설된 철근의 구조 정보를 설정하는 철근콘크리트 구조 설정부, 콘크리트의 형상 정보 및 철근의 구조 정보를 기초로 부재강도 목적함수를 결정하는 부재강도 목적함수 결정부, 축강도 및 휨강도비를 통해 제한조건을 결정하는 제한조건 결정부 및 제한조건 하에서 부재강도 목적함수에 철근콘크리트에 대한 압축연단의 변형률, 인장연단의 변형률 및 중립축의 회전각을 가변 입력변수로서 입력하여 목적함수에 대한 최대 값을 결정하는 부재강도 최적 설계부를 포함한다.

Description

철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치 및 방법{MEMBER STRENGTH CALCULATION DEVICE AND METHOD FOR REINFORCED CONCRETE MEMBER}
본 발명은 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철근콘크리트 부재의 부재강도를 산출하는 과정에서 가변 입력변수인 변형률의 변화를 고려하여 정확한 철근콘크리트 부재의 압축강도와 휨강도를 결정할 수 있는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치 및 방법에 관한 것이다.
철근콘크리트는 보강재와 콘크리트로 이루어진 합성재료이다. 콘크리트는 시멘트, 골재, 물, 환화재로 구성되어 있어 재료 배합에 따라서 성질이 달라진다. 콘크리트를 구성하는 중요한 성분 중의 하나인 시멘트는 물과 화학적으로 결합하여 골재를 연결시키는 접착재의 역할을 한다.
철근콘크리트 보는 슬래브에 작용하는 고정하중과 활하중을 기둥에 전달하는 선형부재이다. 보는 지점의 종류에 따라 단순보, 연속보로 구분할 수 있으며, 철근 배근에 따라 단철근 직사각형보, 복철근 직사각형보로 구분한다. 또한, 압축력을 받는 슬래브와 일체화된 보를 T형보로 구별하여 직사각형보와 다르게 설계한다. 휨부재인 철근콘크리트 보에는 휨모멘트, 전단력, 비틀림모멘트 등이 작용한다.
철근콘크리트의 휨강도를 산출하는 사용되는 요소로서 콘크리트의 압축변형률 및 인장철근의 변형률이 있다. 이러한 변형률에 대해서 상수로서 표현하는 것이 일반적인데, 이는 정확한 휨강도를 계산하지 못하는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1337499(2013.11.29)호는 신뢰성 기반 최적설계 방법에 관한 것으로, (a) 현재 설계점에서 주어진 목적함수를 최소화하면서 복수의 구속조건을 만족하는 확정론적 최적해를 산출하는 단계 (b) 상기 (a) 단계에서 산출된 상기 확정론적 최적해에 대해 민감도방향을 이용하여 다음 설계점에서의 최대가능손상점을 산출하기 위한 최대가능손상점 방향벡터를 산출 하는 단계 (c) 산출된 최대가능손상점 방향벡터에 기초하여 다음 설계점에서의 최대가능손상점을 산출하고 이에 기초하여 상기 목적함수를 최소화하면서 상기 복수의 구속조건을 만족하는 신뢰성 기반 최적해를 산출하는 단계 (d) 상기 (c) 단계에서 산출된 상기 신뢰성 기반 최적해가 주어진 수렴조건을 만족하는지 확인하는 단계 및 (e) 상기 (d) 단계의 확인 결과 상기 신뢰성 기반 최적해가 상기 수렴조건을 만족하지 않으면, 상기 신뢰성 기반 최적해에 대해 민감도방향 또는 공액경사도법을 이용하여 최대가능손상점 방향벡터를 산출하는 단계를 포함한다.
한국등록특허 제10-0342272(2002.07.02)호는 강건설계 기법을 이용한 최적설계 방법 및 이를 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것으로, 2수준계 직교배열표, 3수준계 직교배열표, 4수준계 직교배열표, 5수준계 직교배열표, 다수준계 직교배열표, 및 복합수준계 직교배열표 등 인자의 수준을 선정하는 직교배열표 선정 단계(S1); 직교배열표들중 실행하고자 하는 직교배열표를 선택한(S2) 후, 실험치의 데이터 파일을 입력하고(S3) 실험치의 반복수를 입력하는 단계(S4);품질 특성치를 체크하여(S5) 망대특성(S6), 망소 특성(S7), 망목특성(S8) 중 하나를 선택하는 손실함수 품질특성 선택 단계; 해당 인자를 선택한(S9) 다음 전체 인자의 변동 유의성과 각각 인자의 유의성을 통계적으로 분석하는 분산분석 단계(S10); 실행 버튼을 선택하면(S11) 최적수준을 다차원적으로 분석결과를 출력하기 위 박스 플롯(S12), 최적수준 결과인 시험 그래프 화면(S13) 및 요인효과도(S14) 등 분산분석 결과를 출력하는 단계로 구성된다.
한국등록특허 제10-1337499(2013.11.29)호 한국등록특허 제10-0342272(2002.07.02)호
본 발명의 일 실시예는 철근콘크리트 구조에 맞추어 부재강도 목적함수를 결정할 수 있는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 압축연단의 변형률 및 인장연단의 변형률의 변화에 따라서 변화하는 철근콘크리트 부재의 휨강도를 정확하게 산출할 수 있는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치는 콘크리트의 형상 정보 및 상기 콘크리트에 배근된 철근의 구조 정보를 설정하는 철근콘크리트 구조 설정부, 상기 콘크리트의 형상 정보 및 상기 철근의 구조 정보를 기초로 부재강도 목적함수를 결정하는 부재강도 목적함수 결정부, 축강도 및 휨강도비를 통해 제한조건을 결정하는 제한조건 결정부 및 상기 제한조건 하에서 상기 부재강도 목적함수에 철근콘크리트에 대한 압축연단의 변형률, 인장연단의 변형률 및 중립축의 회전각을 가변 입력변수로서 입력하여 상기 목적함수에 대한 최대 값을 결정하는 부재강도 최적 설계부를 포함할 수 있다.
상기 철근콘크리트 구조 설정부는 상기 콘크리트 형상 정보 상기 압축연단의 변형률, 상기 인장연단의 변형률 및 상기 중립축의 회전각을 기초로 상기 중립축을 결정할 수 있다.
상기 철근콘크리트 구조 설정부는 상기 콘크리트의 형상이 균형보의 형상을 가지는 경우 상기 중립축을 아래 [수학식 1]에 따라 결정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020014961928-pat00001
(여기에서, c는 중립축의 높이,
Figure 112020014961928-pat00002
는 압축연단의 변형률,
Figure 112020014961928-pat00003
는 인장연단의 변형률 그리고 D는 압축연단에서 인장연단까지의 거리이다.)
상기 철근콘크리트 구조 설정부는 상기 휨강도비를 기초로 상기 철근콘크리트 구조를 재설정할 수 있다.
상기 부재강도 목적함수 결정부는 상기 부재강도 목적함수를 제1 축을 기준으로 하는 제1 휨강도 및 제2 축을 기준으로 하는 제2 휨강도로 나누어서 결정할 수 있다.
상기 제한조건 결정부는 상기 축강도와 휨강도비를 이용하여 철근콘크리트 부재가 받고 있는 특정한 축강도와 휨강도의 조건을 결정할 수 있다.
상기 부재강도 최적 설계부는 시간 변화에 따라 변경되는 상기 압축연단 및 인장연단의 변형률을 반영하여 상기 목적함수에 대한 최대 값을 시간별로 결정할 수 있다.
상기 부재강도 최적 설계부는 상기 시간별로 결정된 목적함수의 최대 값을 상기 시간 변화 중간에 발생하는 중간이벤트에 따라서 다시 결정할 수 있다.
상기 부재강도 최적 설계부는 상기 중간이벤트는 상기 철근콘크리트에 가해지는 화재일 수 있다.
실시예들 중에서, 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 방법은 철근콘크리트 구조 설정부, 부재강도 목적함수 결정부, 제한조건 결정부 및 부재강도 최적 설계부를 포함하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치에 있어서, 상기 철근콘크리트 구조 설정부에 의해, 콘크리트의 형상 정보 및 상기 콘크리트에 배설된 철근의 구조 정보를 설정하는 철근콘크리트 구조 설정 단계, 상기 부재강도 목적함수 결정부에 의해, 상기 콘크리트의 형상 정보 및 상기 철근의 구조 정보를 기초로 부재강도 목적함수를 결정 단계, 상기 제한조건 결정부에 의해, 축강도 및 휨강도비를 통해 제한조건을 결정하는 제한조건 결정 단계 및 상기 부재강도 최적 설계부에 의해, 상기 제한조건 하에서 상기 부재강도 목적함수에 철근콘크리트에 대한 압축연단의 변형률, 인장연단의 변형률 및 중립축의 회전각을 가변 입력변수로서 입력하여 상기 목적함수에 대한 최대 값을 결정하는 휨강도 최적 설계 단계를 포함할 수 있다.
상기 철근콘크리트 구조 설정 단계는 상기 콘크리트 형상 정보 및 상기 콘크리트에 배설된 철근의 구조 정보를 기초로 아래 [수학식 2]에 따라 중립축을 결정하고, 상기 휨강도비를 기초로 상기 철근콘크리트 구조를 재설정할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020014961928-pat00004
(여기에서, c는 중립축의 높이,
Figure 112020014961928-pat00005
는 압축연단의 변형률,
Figure 112020014961928-pat00006
는 인장연단의 변형률 그리고 D는 압축연단에서 인장연단까지의 거리이다.)
상기 부재강도 목적함수 결정 단계는 상기 부재강도 목적함수를 제1 축을 기준으로 하는 제1 휨강도 및 제2 축을 기준으로 하는 제2 휨강도로 나누어서 결정할 수 있다.
상기 휨강도 최적 설계 단계는 시간 변화에 따라 변경되는 상기 압축연단 및 인장연단의 변형률을 반영하여 상기 목적함수에 대한 최대 값을 시간별로 결정하고, 상기 시간별로 결정된 목적함수의 최대 값을 상기 시간 변화 중간에 발생하는 중간이벤트에 따라서 다시 결정할 수 있다.
상기 휨강도 최적 설계 단계는 상기 중간이벤트는 상기 철근콘크리트에 가해지는 화재일 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치 및 방법은 철근콘크리트 구조에 맞추어 부재강도 목적함수를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치 및 방법은 압축연단의 변형률 및 인장연단의 변형률의 변화에 따라서 변화하는 철근콘크리트 부재의 휨강도를 정확하게 산출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근콘크리트 부재의 휨강도 산출 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 도 1에 있는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치의 물리적 구성을 설명하는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 도 1에 있는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치의 기능적 구성을 설명하는 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치의 철근 콘크리트 부재의 휨강도를 산출하는 것을 설명하는 순서도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 중립축을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 유로코드에 따른 응력 변형률 곡선을 나타내는 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근콘크리트부재의 부재강도 산출 시스템(100)을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 철근콘크리트부재의 부재강도 산출 시스템(100)은 사용자 단말(110), 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130) 및 데이터베이스(150)를 포함할 수 있다.
사용자 단말(110)은 콘크리트, 철근의 정보 및 목적함수에 대한 최대 값 등 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)에서 생성되는 데이터를 확인 및 제어할 수 있는 컴퓨팅 장치에 해당할 수 있고, 스마트폰, 노트북 또는 컴퓨터로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않고, 태블릿 PC 등 다양한 디바이스로도 구현될 수 있다. 사용자 단말(110)은 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)와 네트워크를 통해 연결될 수 있고, 복수의 사용자 단말(110)들은 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)와 동시에 연결될 수 있다.
철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)는 철근콘크리트부재의 구조 정보, 제한조건 및 가변 입력변수를 기초로 목적함수에 대한 최대 값을 결정하는 컴퓨터 또는 프로그램에 해당하는 서버로 구현될 수 있다. 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)는 사용자 단말(110)과 블루투스, WiFi, 통신망 등을 통해 무선으로 연결될 수 있고, 네트워크를 통해 사용자 단말(110)과 데이터를 주고받을 수 있다.
데이터베이스(150)는 철근콘크리트부재의 구조 정보, 제한조건 및 가변 입력변수를 기초로 목적함수에 대한 최대 값을 결정하는 과정에서 필요한 다양한 정보들을 저장하는 저장장치에 해당할 수 있다. 뿐만 아니라, 데이터베이스(150)는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)가 철근콘크리트부재의 구조 정보, 제한조건 및 가변 입력변수를 기초로 목적함수에 대한 최대 값을 결정하는 과정에서 다양한 형태로 수집 또는 가공된 정보들을 저장할 수 있다.
도 2는 도 1에 있는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)의 물리적 구성을 설명하는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)는 프로세서(210), 메모리(230), 사용자 입출력부(250) 및 네트워크 입출력부(270)를 포함하여 구현될 수 있다.
프로세서(210)는 철근콘크리트부재의 구조 정보, 제한조건 및 가변 입력변수를 기초로 목적함수에 대한 최대 값을 결정하는 과정에서 동작을 수행하는 프로시저를 실행할 수 있고, 그 과정 전반에서 읽혀지거나 작성되는 메모리(230)를 관리할 수 있으며, 메모리(230)에 있는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리 간의 동기화 시간을 스케줄할 수 있다. 프로세서(210)는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)의 동작 전반을 제어할 수 있고, 메모리(230), 사용자 입출력부(250) 및 네트워크 입출력부(270)와 전기적으로 연결되어 이들 간의 데이터 흐름을 제어할 수 있다. 프로세서(210)는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)의 CPU(Central Processing Unit)로 구현될 수 있다.
메모리(230)는 SSD(Solid State Drive) 또는 HDD(Hard Disk Drive)와 같은 비휘발성 메모리로 구현되어 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)에 필요한 데이터 전반을 저장하는데 사용되는 보조기억장치를 포함할 수 있고, RAM(Random Access Memory)과 같은 휘발성 메모리로 구현된 주기억장치를 포함할 수 있다.
사용자 입출력부(250)는 사용자 입력을 수신하기 위한 환경 및 사용자에게 특정 정보를 출력하기 위한 환경을 포함할 수 있다. 예를 들어, 사용자 입출력부(250)는 터치 패드, 터치 스크린, 화상 키보드 또는 포인팅 장치와 같은 어댑터를 포함하는 입력장치 및 모니터 또는 터치스크린과 같은 어댑터를 포함하는 출력장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 사용자 입출력부(250)는 원격 접속을 통해 접속되는 컴퓨팅 장치에 해당할 수 있고, 그러한 경우, 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)는 서버로서 수행될 수 있다.
네트워크 입출력부(270)는 네트워크를 통해 외부 장치 또는 시스템과 연결하기 위한 환경을 포함하고, 예를 들어, LAN(Local Area Network), MAN(Metropolitan Area Network), WAN(Wide Area Network) 및 VAN(Value Added Network) 등의 통신을 위한 어댑터를 포함할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 도 1에 있는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)의 기능적 구성을 설명하는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)는 철근콘크리트 구조 설정부(310), 부재강도 목적함수 결정부(330), 제한조건 결정부(350), 부재강도 최적 설계부(370) 및 제어부(390)를 포함할 수 있다.
철근콘크리트 구조 설정부(310)는 콘크리트의 형상 정보 및 콘크리트에 배설된 철근의 구조 정보를 설정할 수 있다. 예를 들어, 철근콘크리트 구조 설정부(310)는 콘크리트 강도 정보를 포함하는 콘크리트의 종류를 설정할 수 있고 콘크리트의 가로 및 세로의 길이를 포함하는 콘크리트 형상 정보를 설정할 수 있다. 예를 들어, 철근콘크리트 구조 설정부(310)는 콘크리트에 배설된 철근의 강도에 대한 정보를 포함하는 철근의 종류를 설정할 수 있고, 큰크리트에 배설된 위치에 대한 정보를 설정할 수 있다.
일 실시예에서, 철근콘크리트 구조 설정부(310)는 상기 콘크리트 형상 정보, 상기 콘크리트에 배근된 철근의 구조 정보, 상기 압축연단의 변형률, 상기 인장연단의 변형률 및 상기 중립축의 회전각을 기초로 상기 중립축을 결정할 수 있다. 도 5는 일 실시예에 따른 중립축을 설명하기 위한 도면으로서, 도 5를 참조하면, 중립축은 철근콘크리트의 단면을 압축을 받는 부분과 인장을 받는 부분으로 나누는 축이다. 예를 들어, 철근콘크리트 구조 설정부(310)는
일 실시예에서, 철근콘크리트 구조 설정부(310)는 콘크리트의 형상이 균형보의 형상을 가지는 경우 중립축을 아래 [수학식 1]에 따라 결정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020014961928-pat00007
(여기에서, c는 중립축의 높이,
Figure 112020014961928-pat00008
는 압축연단의 변형률,
Figure 112020014961928-pat00009
는 인장연단의 변형률 그리고 D는 압축연단에서 인장연단까지의 거리이다.)
예를 들어, 철근콘크리트 구조 설정부(310)는 콘크리트 형상이 사각형의 형상을 가지는 경우에 도 5에서 볼 수 있듯이 압축연단의 끝에서 중립축까지의 거리를 위의 [수학식 1]에 따라 결정할 수 있다. 다른 예를 들어, 철근콘크리트 구조 설정부(310)는 압축연단의 변형률, 인장연단의 변형률 및 중립축의 회전각 α에 따라서 중립축을 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 철근콘크리트 구조 설정부(310)는 휨강도비를 기초로 철근콘크리트 구조를 재설정할 수 있다. 예를 들어, 철근콘크리트 구조 설정부(310)는 제한조건 결정부(350)에 의해 결정된 휨강도비의 제한조건에 따라서 콘크리트 형성 정보 및 콘크리트에 배설된 철근의 구조 정보를 다시 설정할 수 있다.
부재강도 목적함수 결정부(330)는 콘크리트의 형상 정보 및 철근의 구조 정보를 기초로 부재강도 목적함수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 부재강도 목적함수 결정부(330)는 콘크리트의 강도, 형상, 철근의 강도 및 배설 위치에 따라서 부재강도 목적함수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 부재강도 목적함수 결정부(330)는 아래의 [수학식 2]에 따라 부재강도 목적함수를 결정할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020014961928-pat00010
(여기에서, F는 목적함수,
Figure 112020014961928-pat00011
는 x축 철근콘크리트 휨강도이고
Figure 112020014961928-pat00012
는 y축 철근콘크리트 휨강도이다.)
일 실시예에서, 부재강도 목적함수 결정부(330)는 부재강도 목적함수를 제1 축을 기준으로 하는 제1 휨강도 및 제2 축을 기준으로 하는 제2 휨강도로 나누어서 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1축과 제2 축은 수직할 수 있다. 예를 들어, 부재강도 목적함수 결정부(330)는 제1 축을 기준으로하는 철근콘크리트의 휨강도를 결정한 후에, 제2 축을 기준으로 하는 철근콘크리트의 휨강도를 결정하고 제1 축 및 제2 축을 기준으로 하는 휨강도를 기초로 목적함수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 부재강도 목적함수 결정부(330)는 상기 [수학식 2]와 같이 목적함수를 결정할 수 있다.
제한조건 결정부(350)는 축강도 및 휨강도비를 통해 제한조건을 결정할 수 있다. 축강도는 철근콘크리트 부재에 가해지는 하중이 될 수 있다. 예를 들어, 축강도는 활하중 및 정하중으로 나뉘어 결정될 수 있다. 제한조건 결정부(350)는 목적함수의 값을 산출할 때, 고정되는 값으로 제한조건을 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 제한조건 결정부(350)는 상기 축강도와 휨강도비를 이용하여 철근콘크리트 부재가 받고 있는 특정한 축강도와 휨강도의 조건을 결정할 수 있다. 예를 들어, 제한조건 결정부(350)는 휨강도비를 아래 [수학식 3]에 따라 결정할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020014961928-pat00013
(여기에서, k는 휨강도비,
Figure 112020014961928-pat00014
는 y축의 철근콘크리트 휨강도이고
Figure 112020014961928-pat00015
는 x축의 철근콘크리트 휨강도이다.)
부재강도 최적 설계부(370)는 제한조건 하에서 부재강도 목적함수에 철근콘크리트에 대한 압축연단의 변형률, 인장연단의 변형률 및 중립축의 회전각을 가변 입력변수로서 입력하여 목적함수에 대한 최대 값을 결정할 수 있다. 압축연단은 콘크리트 부재가 휨압축을 받을 경우 중립축에서 가장 멀리 떨어진 부분을 의미한다. 인장연단은 콘크리트 부재가 휨인장을 받을 경우 중립축에서 가장 멀리 떨어진 부분을 의미한다. 중립축의 회전각은 중립축과 x-y 좌표계의 x축과의 각도를 의미하는 것으로 x축 휨강도와 y축 휨강도의 비율에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 부재강도 최적 설계부(370)는 외부 요인에 따라 입력변수를 입력하여 목적함수에 대한 최대 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 부재강도 최적 설계부(370)는 시간 변화에 따른 철근콘크리트 부재의 크리프에 따른 압축연단의 변형률 및 인장연단의 변형률을 달리하여 목적함수의 최대값을 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 부재강도 최적 설계부(370)는 압축연단 및 인장연단의 변형률을 시간 변화에 따라 변경시켜 입력하고 목적함수에 대한 최대 값을 시간별로 결정할 수 있다. 예를 들어, 부재강도 최적 설계부(370)는 시간 단위를 t1으로 하여 일정 주기 또는 설계자의 설정에 따라 비주기적으로 압축연단 및 인장연단의 변형률을 변경시켜 입력할 수 있다. 예를 들어, 부재강도 최적 설계부(370)는 시간 변화에 따른 철근콘크리트 부재의 온도변화를 고려하여 압축연단 및 인장연단의 변형률을 시간 변화에 따라 변경시켜 입력하고 목적함수에 대한 최대 값을 시간별로 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 부재강도 최적 설계부(370)는 시간별로 결정된 목적함수의 최대 값을 시간 변화 중간에 발생하는 중간이벤트에 따라서 다시 결정할 수 있다. 예를 들어, 부재강도 최적 설계부(370)는 지진으로 인해 철근콘크리트 부재에 충격이 가해지는 경우, 크리프 변화량을 산출하여 해당 크리프 변화량을 반영한 압축연단 및 인장연단의 변형률을 변경 입력하여 목적함수에 대한 최대 값을 다시 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 부재강도 최적 설계부(370)는 중간이벤트는 철근콘크리트에 가해지는 화재일 수 있다. 예를 들어, 부재강도 최적 설계부(370)는 철근콘크리트 부재에 화재가 발생하는 경우 철근콘크리트 부재에 가해지는 열에 따른 압축연단 및 인장연단의 변형률을 변경 입력하여 목적함수에 대한 최대 값을 다시 결정할 수 있다. 다른 예를 들어, 부재강도 최적 설계부(370)는 철근콘크리트 부재에 화재가 발생하고 일정 시간이 지난 시점에서의 철근콘크리트의 압축연단 및 인장연단의 변형률을 변경 입력하여 목적함수에 대한 최대 값을 다시 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 부재강도 최적 설계부(370)는 공지된 실험 값, 모델 및 수학식에 따라 화재에 의해 변형된 철근콘크리트 부재의 강도 및 변형률을 반영하여 목적함수에 대한 최대 값을 다시 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 부재강도 최적 설계부(370)는 온도변화에 따른 압축연단의 변형률 및 인장연단의 변형률을 기초로 목적함수에 대한 최대 값을 결정할 수 있다. 도 6은 유로코드에 따른 응력 변형률 곡선을 나타내는 도면으로서, 도 6을 참조하면, 온도가 증가할수록 동일한 응력에 대하여 콘크리트 및 철근의 변형률이 상승되는 것을 알 수 있다.
제어부(390)는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)의 전체적인 동작을 제어하고, 철근콘크리트 구조 설정부(310), 부재강도 목적함수 결정부(330), 제한조건 결정부(350) 및 부재강도 최적 설계부(370) 간의 제어 흐름 또는 데이터 흐름을 관리할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)의 철근 콘크리트 부재의 휨강도를 산출하는 것을 설명하는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)는 철근콘크리트 구조 설정부(310)를 통해 콘크리트의 형상 정보 및 상기 콘크리트에 배설된 철근의 구조 정보를 설정할 수 있다(S410).
철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)는 부재강도 목적함수 결정부(330)를 통해 콘크리트의 형상 정보 및 철근의 구조 정보를 기초로 부재강도 목적함수를 결정할 수 있다(S430).
철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)는 제한조건 결정부(350)를 통해 축강도 및 휨강도비를 통해 제한조건을 결정할 수 있다(S450).
철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치(130)는 부재강도 최적 설계부(370)를 통해 제한조건 하에서 부재강도 목적함수에 철근콘크리트에 대한 압축연단의 변형률, 인장연단의 변형률 및 중립축의 회전각을 가변 입력변수로서 입력하여 목적함수에 대한 최대 값을 결정할 수 있다(S470).
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 철근콘크리트부재의 부재강도 산출 시스템
110: 사용자 단말
130: 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치
150: 데이터베이스
210: 프로세서 230: 메모리
250: 사용자 입출력부 270: 네트워크 입출력부
310: 철근콘크리트 구조 설정부 330: 부재강도 목적함수 결정부
350: 제한조건 결정부 370: 부재강도 최적 설계부
390: 제어부

Claims (14)

  1. 콘크리트의 형상 정보 및 상기 콘크리트에 배근된 철근의 구조 정보를 설정하는 철근콘크리트 구조 설정부;
    상기 콘크리트의 형상 정보 및 상기 철근의 구조 정보를 기초로 부재강도 목적함수를 결정하는 부재강도 목적함수 결정부;
    축강도 및 휨강도비를 통해 제한조건을 결정하는 제한조건 결정부; 및
    상기 제한조건 하에서 상기 부재강도 목적함수에 철근콘크리트에 대한 압축연단의 변형률, 인장연단의 변형률 및 중립축의 회전각을 가변 입력변수로서 입력하여 상기 목적함수에 대한 최대 값을 결정하는 부재강도 최적 설계부를 포함하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 철근콘크리트 구조 설정부는
    상기 콘크리트 형상 정보, 상기 콘크리트에 배근된 철근의 구조 정보, 상기 압축연단의 변형률, 상기 인장연단의 변형률 및 상기 중립축의 회전각을 기초로 상기 중립축을 결정하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 철근콘크리트 구조 설정부는
    상기 콘크리트의 형상이 균형보의 형상을 가지는 경우 상기 중립축을 아래 [수학식 1]에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치.
    [수학식 1]
    Figure 112020014961928-pat00016

    (여기에서, c는 중립축의 높이,
    Figure 112020014961928-pat00017
    는 압축연단의 변형률,
    Figure 112020014961928-pat00018
    는 인장연단의 변형률 그리고 D는 압축연단에서 인장연단까지의 거리이다.)
  4. 제1항에 있어서, 상기 철근콘크리트 구조 설정부는
    상기 휨강도비를 기초로 상기 철근콘크리트 구조를 재설정하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 부재강도 목적함수 결정부는
    상기 부재강도 목적함수를 제1 축을 기준으로 하는 제1 휨강도 및 제2 축을 기준으로 하는 제2 휨강도로 나누어서 결정하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제한조건 결정부는
    상기 축강도와 휨강도비를 이용하여 철근콘크리트 부재가 받고 있는 특정한 축강도와 휨강도의 조건을 결정하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 부재강도 최적 설계부는
    시간 변화에 따라 변경되는 상기 압축연단 및 인장연단의 변형률을 반영하여 상기 목적함수에 대한 최대 값을 시간별로 결정하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 부재강도 최적 설계부는
    상기 시간별로 결정된 목적함수의 최대 값을 상기 시간 변화 중간에 발생하는 중간이벤트에 따라서 다시 결정하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 부재강도 최적 설계부는
    상기 중간이벤트는 상기 철근콘크리트에 가해지는 화재인 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치.
  10. 철근콘크리트 구조 설정부, 부재강도 목적함수 결정부, 제한조건 결정부 및 부재강도 최적 설계부를 포함하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 장치에 의해 각 단계가 수행되는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 방법에 있어서,
    상기 철근콘크리트 구조 설정부에 의해, 콘크리트의 형상 정보 및 상기 콘크리트에 배설된 철근의 구조 정보를 설정하는 철근콘크리트 구조 설정 단계;
    상기 부재강도 목적함수 결정부에 의해, 상기 콘크리트의 형상 정보 및 상기 철근의 구조 정보를 기초로 부재강도 목적함수를 결정하는 부재강도 목적함수 결정 단계;
    상기 제한조건 결정부에 의해, 축강도 및 휨강도비를 통해 제한조건을 결정하는 제한조건 결정 단계; 및
    상기 부재강도 최적 설계부에 의해, 상기 제한조건 하에서 상기 부재강도 목적함수에 철근콘크리트에 대한 압축연단의 변형률, 인장연단의 변형률 및 중립축의 회전각을 가변 입력변수로서 입력하여 상기 목적함수에 대한 최대 값을 결정하는 휨강도 최적 설계 단계를 포함하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 철근콘크리트 구조 설정 단계는
    상기 콘크리트 형상 정보, 상기 콘크리트에 배설된 철근의 구조 정보 상기 압축연단의 변형률, 상기 인장연단의 변형률 및 상기 중립축의 회전각을 기초로 아래 [수학식 2]에 따라 중립축을 결정하고,
    상기 휨강도비를 기초로 상기 철근콘크리트 구조를 재설정하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112020014961928-pat00019

    (여기에서, c는 중립축의 높이,
    Figure 112020014961928-pat00020
    는 압축연단의 변형률,
    Figure 112020014961928-pat00021
    는 인장연단의 변형률 그리고 D는 압축연단에서 인장연단까지의 거리이다.)
  12. 제10항에 있어서, 상기 부재강도 목적함수 결정 단계는
    상기 부재강도 목적함수를 제1 축을 기준으로 하는 제1 휨강도 및 제2 축을 기준으로 하는 제2 휨강도로 나누어서 결정하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 휨강도 최적 설계 단계는
    시간 변화에 따라 변경되는 상기 압축연단 및 인장연단의 변형률을 반영하여 상기 목적함수에 대한 최대 값을 시간별로 결정하고,
    상기 시간별로 결정된 목적함수의 최대 값을 상기 시간 변화 중간에 발생하는 중간이벤트에 따라서 다시 결정하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 휨강도 최적 설계 단계는
    상기 중간이벤트는 상기 철근콘크리트에 가해지는 화재인 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 부재의 부재강도 산출 방법.

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