Abaqus에서의 콘크리트 시뮬레이션 | 철근 콘크리트 모델

대부분의 현대식 건물, 교량, 터널은 철근 콘크리트로 건설됩니다. 철근 콘크리트는 콘크리트의 압축 강도와 철근의 인장 강도를 결합한 구조 공학의 핵심 재료입니다. 이러한 조합 덕분에 철근 콘크리트는 다양한 하중을 견디는 데 이상적입니다.

안전하고 신뢰할 수 있는 구조를 설계하기 위해 엔지니어는 다음을 사용합니다. 콘크리트 시뮬레이션 도구. 이를 위한 가장 강력한 도구 중 하나는 다음과 같습니다. 아바쿠스. 이를 통해 자세한 내용을 실행할 수 있습니다. 철근 콘크리트 구조물의 유한요소해석. 이는 구조물이 실제 조건에서 어떻게 작동할지 예측하는 데 도움이 됩니다.

이 블로그에서는 사용 방법을 배우게 됩니다. 아바쿠스 콘크리트 철근 모델링 도구. 철근 층 및 매립 영역 기법과 같은 주요 방법을 설명합니다. 또한 CDP 및 견인 분리 법칙과 같은 모델을 사용하여 파괴를 시뮬레이션하는 방법도 살펴봅니다. 콘크리트 구조 분석 새로운 보나 슬래브를 설계할 때, 이 가이드가 올바른 방법으로 설계하는 데 도움이 될 것입니다.

What is Reinforced Concrete?

철근 콘크리트 복합 재료입니다. 콘크리트의 압축 저항성과 철근이나 철망의 인장 강도를 결합한 재료입니다. 이 두 재료는 구조물의 서로 다른 힘을 견디기 위해 함께 작용합니다.

철근은 콘크리트가 굳기 전에 콘크리트 내부에 설치됩니다. 이러한 결합 덕분에 하중이 가해졌을 때 두 철근이 하나의 단위처럼 작용합니다. 결과적으로 구조물은 더욱 강하고 유연해집니다. 이제 일반 콘크리트만으로는 감당할 수 없는 인장력과 전단력을 견딜 수 있습니다.

철근 콘크리트는 다재다능하고 강도가 높아 다양한 구조물에 사용됩니다. 건물과 교량의 보, 기둥, 기초 등이 그 예입니다.

그림 1: 철근 콘크리트 기초 [참조]

Finite Element Analysis of Reinforced Concrete Structures

철근콘크리트 구조물의 유한요소해석 건물과 인프라가 하중에 어떻게 반응하는지 이해하는 강력한 방법입니다. 이 방법은 복잡한 형상을 더 작은 부분(유한 요소)으로 분해하여 응력, 변형률, 변형을 시뮬레이션합니다.

철근 콘크리트는 균열, 압궤, 항복으로 인해 비선형 거동을 보입니다. 이러한 요인들 때문에 정확한 모델링이 필수적입니다. 다음과 같은 도구를 사용하면 아바쿠스 콘크리트, 엔지니어는 세부적인 재료 모델을 사용하여 이러한 효과를 시뮬레이션할 수 있습니다.

핵심 모델 중 하나 콘크리트 구조 분석 이다 콘크리트 손상 가소성(CDP) 모델입니다. 콘크리트의 손상 및 소성 거동을 모두 포착합니다. Abaqus는 또한 인장 강화, 본드 슬립, 반복 하중과 같은 내진 설계에 중요한 기능을 지원합니다. 이를 통해 철근 콘크리트 구조물의 유한요소해석 안전하고 효율적인 설계를 위한 필수 도구입니다.

그림 2: 3점 굽힘 시험을 실시한 철근 콘크리트 보

다음 섹션에서는 철근 콘크리트 구조물의 유한 요소 모델링에 관련된 방법론과 고려 사항을 자세히 살펴보고 모범 사례와 일반적인 과제에 대한 통찰력을 제공합니다.

How to Reinforce the Concrete in Abaqus? | Abaqus Concrete Simulation

할 때 콘크리트 시뮬레이션 Abaqus에서는 콘크리트와 철근을 모두 정확하게 모델링하는 것이 중요합니다. 구조와 필요한 상세 수준에 따라 Abaqus는 이러한 상호 작용을 시뮬레이션하는 여러 가지 방법을 제공합니다.

철근 콘크리트 모델링을 위한 두 가지 일반적인 기술:

Rebar Layers in Shell or Membrane Elements

이 방법은 슬래브, 벽, 패널과 같은 얇은 요소에 적합합니다. 철근을 별도의 부품으로 모델링하는 대신, 쉘 또는 멤브레인 요소 내에 레이어로 추가합니다. 재료 속성, 방향 및 간격을 정의하면 모델이 더 단순해지고 시뮬레이션 시간이 단축됩니다.

Embedded Region Method in Solid Elements

더 자세한 내용은 콘크리트 구조 분석, 매립 영역 방법이 자주 사용됩니다. 이 방법에서는 철근을 와이어 또는 트러스 요소로 생성하여 솔리드 콘크리트 요소에 매립합니다. Abaqus는 구속조건을 사용하여 이를 연결합니다. 이는 특히 국부 응력이나 파괴를 분석할 때 더욱 현실적인 시뮬레이션을 제공합니다.

각 접근 방식에는 장단점이 있습니다. 예를 들어, 연구에 따르면 철근과 콘크리트 사이의 접착-미끄럼 효과를 정확하게 모델링하는 것이 현실적인 시뮬레이션에 필수적이며, 이는 철근 콘크리트 구조물의 유한요소해석. 임베디드 영역 방법은 철근 층보다 이러한 거동을 더 효과적으로 포착할 수 있습니다. 이러한 방법은 다음 부분에서 자세히 설명합니다.

그림 3: Abaqus에서의 철근 콘크리트 시뮬레이션 방법

참고: Abaqus에서 철근 콘크리트를 모델링하는 것에 대한 실제 예가 7개 있습니다. 전체 튜토리얼 콘크리트 패키지; 그 중 세 가지는 다음과 같습니다.

Using Structural Elements to specify Rebar Layers | Abaqus Rebar

~ 안에 아바쿠스 콘크리트 모델링을 통해 쉘, 멤브레인 또는 표면과 같은 구조 요소에 철근 레이어를 추가할 수 있습니다. 이 방법은 슬래브나 벽과 같이 철근이 대부분 한 방향으로 배치되는 얇은 벽 구성 요소에 특히 유용합니다.

철근 레이어 사용의 장점

• 얇은 구조에 효율적
  철근 레이어는 슬래브와 같은 요소에 대한 모델링을 간소화하여 복잡성을 줄이고 시간을 절약해줍니다.

• 별도의 재료 동작
  보강재는 호스트 요소와 별개로 자체적인 재료 특성을 갖습니다. 이를 통해 복합재의 거동을 더욱 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다.

• 낮은 계산 비용
  철근은 완전한 3D 부품으로 모델링되지 않으므로 분석 속도가 더 빠르고 리소스 사용량이 적습니다.

• 쉘 요소의 세부 제어
  막대 크기, 간격, 방향을 정의하고 단일 요소 내에서 이를 변경할 수도 있습니다. 이를 통해 고급 콘크리트 시뮬레이션 균일하지 않은 보강으로.

• 명확한 스트레스 시각화
  Abaqus는 각 철근 층에 대한 결과를 보여주어 엔지니어가 보강된 영역의 응력 분포를 이해하는 데 도움이 됩니다.

철근 층의 한계

• Shell 유형 요소에만 제한됨
  철근 레이어는 쉘, 멤브레인 또는 표면 요소에서만 작동합니다. 전체 3D 모델에는 적합하지 않습니다.

• 저용량 분획만
  보강량이 적을 때(일반적으로 1%~4%) 가장 잘 사용됩니다.

• 단순화된 결합 행동
  이 방법은 강철과 콘크리트 사이의 접착력 감소 효과를 완전히 포착하지 못합니다.

• 균일한 레이아웃을 가정합니다
  철근 층은 규칙적인 철근 분포를 가정하는데, 이는 복잡한 철근 설계를 반영하지 않을 수 있습니다.

• 전단 보강에 대한 도전
  이 접근 방식을 사용하면 등자나 기타 전단 보강재를 모델링하는 것이 더 어려울 수 있습니다.

이 방법은 모델링 속도와 구조적 정확도 간의 균형 잡힌 균형을 제공합니다. 특히 초기 단계에서 유용합니다. 콘크리트 구조 분석.

차이점을 모르시는 경우 껍데기 그리고 막 요소에 대해서는 이 블로그를 참조하세요:

Defining rebar layers in Abaqus/CAE | rebar modeling

~ 안에 아바쿠스 콘크리트 모델링에서 철근 레이어는 쉘, 멤브레인 또는 표면 요소의 단축 철근을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 이러한 레이어는 호스트 요소와 독립적으로 동작하므로 정확한 콘크리트 시뮬레이션 얇은 구조로.

철근의 부피가 작을 때(일반적으로 4% 미만) 철근 층을 사용하십시오. 철근의 부피가 주 부재에서 차감되지 않으므로, 이 방법은 경량 철근에 가장 적합합니다.

이제 철근 레이어를 정의하는 방법을 살펴보겠습니다.

1. 에서 옵션 쉘, 멤브레인 또는 표면 섹션 편집기의 필드를 클릭합니다. 철근 층… 아이콘. 아바쿠스 철근 층 대화 상자가 나타납니다.

그림 4: Abaqus에서 철근 레이어 옵션 선택

2. 기하학 유형 설정

• 끊임없는: 막대 간격이 균일할 때 사용합니다.

• 모난: 원통형 좌표계에서 방사형 위치에 따라 철근 간격이 달라지는 경우 이것을 사용합니다.

3. 레이어 세부 정보를 입력하세요
대화 상자에서 각 레이어에 대한 데이터를 입력합니다.

• 이름: 철근 레이어의 이름(시각화 모듈에서 후처리할 때 단면 지점 목록에서 레이어를 식별하기 위해).
• 재료: 철근 레이어를 구성하는 재료의 이름입니다. 표시되는 화살표를 클릭하여 사용 가능한 재료 목록을 표시하고, 철근 레이어를 구성하기 전에 만든 재료를 선택하세요.
• 영역: 막대당 단면적.
• 간격: 단면 평면의 철근 간격입니다. 각도 철근 간격의 경우, 간격 각도를 도 단위로 지정합니다.
• 정위: 철근 기준 방향의 1방향을 기준으로 한 철근의 각도 방향(도)입니다.
• 위치 (멤브레인/표면에는 적용되지 않음): 쉘의 중간 표면에서 측정한 쉘 두께 방향의 위치입니다.

이 설정을 사용하면 유연하고 세부적인 모델링이 가능합니다. 철근 콘크리트 구조물의 유한요소해석.

그림 5: Abaqus의 철근 레이어 대화 상자

철근 형상 지정

설정 시 철근 층 ~에 아바쿠스 콘크리트 모델의 경우, 형상을 정확하게 정의하는 것이 중요합니다. 철근 형상은 항상 로컬 좌표계를 기준으로 정의됩니다.

두 가지 기하학 옵션

• 상수 기하학
  철근을 일정한 간격으로 배치합니다. 이는 가장 일반적인 옵션이며 평평하거나 일반적인 구조물에 적합합니다.

• 각도 기하학
  막대 레이아웃이 방사형 위치에 따라 변경될 때 이 옵션을 사용합니다. 원통형이나 원형 요소에 이상적입니다.

지정할 주요 매개변수

• 간격(들): 막대 사이의 거리는 기하학적 유형에 따라 선형 또는 각도로 지정됩니다.

• 각도 방향(α): 로컬 좌표계를 기준으로 한 철근의 방향입니다. 이는 철근이 요소 내에서 하중에 저항하는 방식을 제어하는 데 도움이 됩니다.

철근 형상을 올바르게 정의하면 정확도가 향상됩니다. 콘크리트 구조 분석 실제 세계의 행동을 보다 정확하게 표현하는 데 도움이 됩니다.

그림 6: 철근 간격 및 각도 방향 지정

철근 요소에 대한 출력

Abaqus/CAE는 철근 레이어 방향 및 결과 시각화를 지원합니다. 철근 통합 지점의 응력 및 변형률과 같은 변수의 출력은 레이어별로 제공됩니다. 단계를 정의할 때 철근에 대한 출력을 요청하는 것을 잊지 마세요.

그림 7: 철근 요소에 대한 출력 정의

What is Abaqus Embedded Region?

Abaqus의 임베디드 영역 기법은 한 영역(임베디드 영역)이 다른 영역(호스트 영역)으로 완전히 둘러싸인 복합 재료 또는 구조물을 시뮬레이션하는 데 사용되는 모델링 전략입니다. 철근 콘크리트의 경우, 이 기법을 사용하면 쉘 또는 멤브레인 요소에 정의된 철근 층과 같은 보강재 요소를 솔리드 콘크리트 매트릭스 내에 통합할 수 있습니다.

이 기법을 사용하면 매립된 절점의 자유도가 호스트 요소의 변형을 따르도록 제한됩니다. 이 접근법은 철근과 콘크리트 요소의 독립적인 메싱을 용이하게 하여 모델링 과정을 간소화하고 복합재 거동의 정확한 표현을 보장합니다.

• 내장된 지역 구성 요소:
  • 포함된 지역:이는 내부 영역으로, 종종 재료의 보강재나 내포물을 나타냅니다. 예를 들어, 복합재의 섬유나 콘크리트의 철근이 여기에 해당합니다.
  • 호스트 지역:이는 매립 영역을 둘러싸는 외부 영역입니다. 일반적으로 복합재나 콘크리트의 매트릭스 재료를 나타냅니다.

• 이익:

• 결합된 지오메트리를 직접 생성하는 것에 비해 메시 생성이 더 간단합니다.
• 각 지역에 할당된 재료 속성을 보존합니다.
• 주기적 경계 조건 요소를 적용하는 데 적합합니다.

Abaqus 콘크리트 구조 모델링 전체 튜토리얼

• 4.50

이 패키지에는 콘크리트, 보-기둥 구조, 복합재, 철근, 초고성능 섬유 보강 콘크리트 기둥, CFRP 바, 중공 코어 정사각형 철근 콘크리트 기둥 랩, 손상된 콘크리트 보, 고강도 콘크리트(HSC), ECC/콘크리트 복합 보-기둥 접합부, 원형 콘크리트 피복 콘크리트 충전 강관(CFST) 스터브 기둥 등의 주제에 대한 19개 워크숍이 포함되어 있습니다. 모든 튜토리얼에는 필요한 모든 파일과 단계별 영어 비디오가 포함되어 있으며 A부터 Z까지 설명합니다. 패키지 기간: +600분

또한, 이 패키지의 워크숍을 포함하는 비슷한 저렴한 패키지도 제공합니다.

• 첫 번째 패키지 워크숍 1~5가 포함됩니다.
• 두 번째 패키지 워크숍 6~10이 포함됩니다.
• 세 번째 패키지 워크숍 11~15가 포함됩니다.
• 네 번째 패키지 워크숍 16~20이 포함됩니다.

이러한 패키지는 수업을 포함하지 마십시오 그리고 제한된 수의 워크숍을 포함합니다, 더 낮은 가격으로 제공됩니다 (각각 250유로).

하지만, 대신 현재 전체 패키지를 선택하는 것이 좋습니다. 1~4부를 별도로 구매하는 것과 같이 여기에는 20개의 워크숍이 모두 포함됩니다. 그리고 유사 플랫폼에서는 제공되지 않는 독점 레슨, 여전히 존재하면서 경쟁 제품보다 가격이 저렴함.

   

BUY NOW

Using Rebar layers in Solid elements 

철근 레이어를 사용하여 단단한 콘크리트 요소 내에서 철근을 모델링하려면 다음 단계를 따르세요.

• 구조 요소에 철근 레이어 정의: 먼저 쉘, 멤브레인 또는 표면 요소를 생성하고 철근 레이어를 지정합니다. 이러한 구조 요소는 모델 내에서 철근을 나타냅니다.
• 구조적 요소를 솔리드 요소에 포함: 포함된 영역 제약 조건을 사용하여 철근으로 정의된 구조 요소를 솔리드 콘크리트 요소에 포함합니다. 이 방법을 사용하면 메시를 일치시킬 필요 없이 철근이 콘크리트 매트릭스와 적절하게 상호 작용할 수 있습니다.

이러한 접근 방식은 복잡한 철근 배치를 다루거나 견고한 콘크리트 구조 내에서 철근에 대한 자세한 표현이 필요할 때 특히 유용합니다.

그림 8: Abaqus에 포함된 지역 제약 조건

선택할 때 전체 모델, Abaqus는 내장된 요소 근처의 요소에서 내장된 노드를 포함하는 요소를 검색합니다. 그 후, 내장된 노드는 이러한 호스트 요소의 응답에 의해 제한됩니다. 특정 요소가 내장된 노드를 제한하지 못하도록 하려면 호스트 요소 집합(지역 선택).

그림 9: 임베디드 지역 구성 요소

Concrete Structure Analysis: Reinforced Concrete Failure Models

~ 안에 콘크리트 구조 분석, 철근 콘크리트의 파괴 원리를 이해하는 것이 중요합니다. 콘크리트와 철근의 상호작용은 특히 다양한 하중 하에서 거동을 복잡하게 만듭니다. Abaqus는 이를 정확하게 시뮬레이션하기 위해 여러 가지 파괴 모델을 제공합니다.

1. 콘크리트 손상 소성(CDP) 모델

콘크리트 손상 소성(CDP) 모델은 Abaqus 콘크리트 시뮬레이션에서 널리 사용됩니다. 이 모델은 손상 역학과 소성을 결합하여 인장 균열과 압축 파쇄를 모두 해석합니다.

주요 특징:

• 인장 및 압축 파괴 메커니즘을 별도로 시뮬레이션합니다.

• 정적, 순환적, 동적 하중에 적용 가능

• 강성 저하 및 돌이킬 수 없는 변형이 포함됩니다.

이 모델은 탄성, 소성 및 손상 거동을 고려하는 응력-변형률 관계를 사용합니다. CDP 옵션은 Abaqus의 속성 모듈에서 찾을 수 있습니다.

그림 10: Abaqus Property 모듈에서 CDP 모델 정의

CDP에 대해 더 자세히 알아보려면 전체 가이드를 참조하세요. “Abaqus의 콘크리트 손상 가소성(CDP).”

2. 번진 균열 모델

스미어드 크랙 접근법은 균열을 날카로운 파단이 아닌, 여러 요소에 걸쳐 퍼져 있는 변형률로 처리합니다. 따라서 일반적인 콘크리트 시뮬레이션, 특히 균열 경로가 주요 초점이 아닌 경우에 적합합니다.

주요 특징:

• 균열 방향의 강성을 감소시킵니다.

• 분산 크래킹 동작에 적합

• 개별 균열 표면 추적을 방지합니다.

변형률은 탄성 부분과 균열 부분으로 나뉘어 균열 효과를 원활하게 시뮬레이션할 수 있습니다.

공식화:

전체 변형률은 탄성 및 균열 구성 요소로 분해됩니다.

Abaqus의 Civil에 대해 더 자세히 알고 싶으시다면 최신 페이지를 확인하세요. Abaqus Civil에 대해 알아야 할 모든 내용이 나와 있습니다. 토목공학을 위한 Abaqus 소프트웨어 101 | 구조 해석 및 튜토리얼

결론

Abaqus에서 철근 콘크리트를 시뮬레이션하는 것은 신뢰할 수 있는 핵심 부분입니다. 콘크리트 구조 분석. 이 가이드에서는 다양한 기술과 파괴 모델을 사용하여 콘크리트와 강철 사이의 상호작용을 모델링하는 방법을 보여주었습니다.

우리는 철근 콘크리트가 무엇이고 왜 중요한지 설명하면서 시작했습니다. 그런 다음 기본 사항을 살펴보았습니다. 철근 콘크리트 구조물의 유한요소해석. 셸 또는 멤브레인 요소에서 철근 레이어를 사용하는 방법과 솔리드 요소에서 임베디드 영역 방법을 적용하는 방법을 배웠습니다. 각 방법은 모델의 요구 사항에 따라 고유한 장점을 가지고 있습니다.

또한 콘크리트 손상 소성(CDP), 스미어드 및 불연속 균열 모델, 그리고 수정 압축장 이론(MCFT)을 포함한 중요한 파괴 모델도 다루었습니다. 이러한 도구들은 특히 복잡하거나 위험한 상황에서 하중 하에서 철근 콘크리트의 거동을 예측하는 데 도움이 됩니다.

엔지니어는 Abaqus 콘크리트 도구를 사용하고 적절한 방법을 적용함으로써 정확하고 효율적인 콘크리트 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 이는 설계 품질을 향상시킬 뿐만 아니라 더욱 안전하고 내구성 있는 구조물을 만드는 데 도움이 됩니다.

사용자들은 이러한 질문을 합니다.

소셜 미디어에서 사용자들은 콘크리트 시뮬레이션, 철근 콘크리트 등에 관해 많은 질문을 합니다. 그래서 저희는 이러한 질문 중 일부에 답하기로 했습니다. 아래에서 확인하실 수 있습니다.

나. 인장 해석에서 콘크리트의 응력은 항복 응력을 초과합니다.

큐: 철근과 콘크리트의 재료 특성은 완전히 탄소성으로 설정되었습니다. 그러나 콘크리트의 결합점에서 항복 응력이 초과되었습니다.

마찰계수는 0.3입니다.

Abaqus에서 철근과 콘크리트의 인장 해석 시 콘크리트의 응력이 재료 특성의 항복 응력을 초과하는 이유는 무엇입니까?

항복응력이 초과되는 것을 어떻게 방지할 수 있나요?

미리 감사드립니다.

에이: 안녕,

응력-변형률 곡선과 관련이 있는 것 같습니다. 탄성/완전소성 곡선을 정의할 때는 몇 가지 규칙을 고려해야 합니다. 수렴 문제를 방지하려면 완전소성 영역에 약간의 경사를 추가하세요(아래 그림 참조).

그림의 모든 값은 단지 예시일 뿐이며 반드시 사실일 필요는 없습니다.

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