[논문 리뷰] Elastic Composite, Reinforced Lightweight Concrete as a Type of Resilient Composite Systems

Kamyar Esmaeili|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 14.

Innovations in Concrete and Construction Materials인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 굴곡 하중 하에서 비선형 변형률 분포를 나타내어 높은 연성과 탄성율을 갖는 내구성 있는 복합재료 시스템인 탄성 복합 철근 경량 concrete(ECRLC)을 제안한다. 전통적인 굴곡 이론의 가정에서 벗어나, 경량 빔과 슬래브에서 안정적이고 연성 있는 파손 패턴을 달성함으로써, 특히 지진 및 동적 하중 조건에서 흔히 발생하는 취약성 문제를 해결한다.

ABSTRACT

. A kind of "Elastic Composite, Reinforced Lightweight Concrete (ECRLC)" with the mentioned specifics is a type of "Resilient Composite Systems (RCS)" in which, contrary to the basic geometrical assumption of flexure theory in Solid Mechanics, "the strain changes in the beam height during bending" is typically "Non-linear". . Through employing this integrated structure, with significant high strain capability and modulus of resilience in bending, we could constructively achieve high bearing capacities in beams with secure fracture pattern, in less weight. . Due to the system particulars and its behavior in bending, the usual calculation of the equilibrium steel amount to attain the low-steel bending sections with secure fracture pattern in the beams and its related limitations do not become propounded. Thereby, the strategic deadlock of high possibility of brittle fracture pattern in the bending elements made of the usual reinforced lightweight concretes, especially about the low-thickness bending elements as slabs, is being unlocked. . This simple, applied technology and the related components and systems can have several applications in "the Road and Building Industries" too. . Regarding the "strategic importance of the Lightweight & Integrated Construction in practical increase of the resistance and safety against earthquake" and considering the appropriate behavior of this resilient structure against the dynamic loads, shakes, impacts and shocks and capability of making some lightweight and insulating, non-brittle, reinforced sandwich panels and pieces, this system and its components could be also useful in "seismic areas". . This system could be also employed in constructing the vibration and impact absorber bearing pieces and slabs, which can be used in "the Railroad & Subway Structures" too. . Here, the "RCS" and "ECRLC" (as a type of RCS) have been concisely presented.

연구 동기 및 목표

• 특히 슬래브와 같은 얇은 단면에서 발생하는 취약한 파손 위험을 해결하기 위해 전통적인 철근 경량 콘크리트의 취약성을 해결하고자 한다.
• 하중 용량은 유지하면서도 구조물의 무게를 줄이고 연성을 향상시키는 구조 시스템을 개발하고자 한다.
• 지진 지역에서 사용 가능한 경량, 단열성, 취약하지 않은 샌드위치 패널 및 구조 부재를 활용할 수 있도록 하고자 한다.
• 교통 및 건축 인프라의 동적 하중 저항을 위한 실용적이고 적용 가능한 솔루션을 제공하고자 한다.
• 저철근 섹션에서 전통적인 강재 보강 계산의 한계를 극복하기 위해 굴곡 파손 역학을 재정의하고자 한다.

제안 방법

• 빔 깊이 전반에 걸친 변형률 분포가 비선형이 되도록 복합 시스템을 설계하여 고전적 굴곡 이론의 선형 탄성 가정에서 벗어나도록 한다.
• 고변형능력과 향상된 내구성을 갖춘 특수 설계된 경량 콘크리트 혼합재를 사용한다.
• 갑작스럽고 취약한 붕괴가 아닌, 연성 있고 에너지를 흡수하는 파손 모드를 유도할 수 있도록 철근을 통합한다.
• 이 시스템의 내재된 내구성 덕분에 굴곡 하중에서 높은 탄성율을 확보하고 에너지 산산이 흩트림을 향상시킨다.
• 최소한의 무게와 높은 충격 저항성을 갖춘 샌드위치 패널 및 수직 부재로 구성된 구성 요소를 설계한다.
• 이론적 분석과 도로 및 건축 공사 현장 응용을 통해 시스템 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전통적인 강재 비율 계산에 의존하지 않고도 철근 경량 콘크리트 시스템이 굴곡 하중에서 연성 있고 취약하지 않은 파손을 달성할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 ECRLC가 동적 하중 하에서 고변형능력과 내구성을 나타내는 데 기여하는 기계적 거동 특성은 무엇인가?
• RQ3 ECRLC는 하중 용량과 안전성을 유지하거나 향상시키면서 얼마나 많은 구조물의 무게를 줄일 수 있는가?
• RQ4 ECRLC 빔에서의 비선형 변형률 분포가 지진 및 충격 발생 가능 환경에서 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 ECRLC는 슬래브, 샌드위치 패널, 진동 흡수 부품과 같은 실용적 건설 응용 분야에 효과적으로 구현될 수 있는가?

주요 결과

• ECRLC는 빔 깊이 전반에 걸쳐 비선형 변형률 분포를 나타내며, 이는 고전적 굴곡 이론의 선형 탄성 가정을 무효화한다.
• 이 시스템은 높은 탄성율과 상당한 변형능력을 확보하여, 저철근 섹션에서도 연성 있는 파손 모드를 달성한다.
• 이 기술은 경량 콘크리트 빔과 슬래브에서의 취약한 파손 위험을 효과적으로 제거하며, 특히 얇은 단면에서 두드러진다.
• ECRLC는 지진 및 동적 하중 환경에서 사용 가능한 경량, 단열성, 취약하지 않은 샌드위치 패널의 건설을 가능하게 한다.
• 이 시스템은 도로 및 건축 산업에 적용 가능하며, 철도 및 지하철 시설의 진동 및 충격 흡수 부품으로도 활용될 수 있다.
• 이 방법은 기존의 보강 설계 한계를 우회하여 내구성 있는 복합재료 시스템을 위한 새로운 구조적 패러다임을 제공한다.