횡하중을 받는 플랫 플레이트 구조는 슬래브-기둥 접합부의 뚫림전단파괴에 대해 취약하며, 이러한 접합부의 취성적 파괴를 방지하기 위해 접합부의 강도 및 연성능력이 반드시 확보되어야 한다. 그러나 플랫 플레이트 시스템의 거동은 대단히 복잡하고 실제 하중재하방식과 경계조건을 정확히 실현하기는 매우 어려우므로, 이전의 실험연구로부터 강도 및 연성능력에 대한 신뢰할 만한 실험결과를 얻기가 쉽지 않다. 본 연구에서는 이러한 실험연구의 어려움을 보완하기 위하여 연속 플랫 플레이트의 내부 접합부에 대해 수치해석 연구를 수행하였다. 이를 위해 비선형 유한요소해석을 위한 컴퓨터 프로그램을 개발하였고, 기존의 실험결과와의 비교를 통해 그 유효성을 검증하였다. 변수연구를 통하여 접합부 주위의 휨모멘트, 전단력, 비틀림모멘트의 변화를 분석하였고, 분석결과에 근거해서 기존 설계방법에서 개선되어야 할 사항을 검토하였다. 본 연구결과는 후속논문에서 불균등 휨모멘트를 받는 접합부에 대한 설계방법을 개발하는데 사용될 것이다.
횡하중을 받는 플랫 플레이트 구조는 슬래브-기둥 접합부의 뚫림전단파괴에 대해 취약하며, 이러한 접합부의 취성적 파괴를 방지하기 위해 접합부의 강도 및 연성능력이 반드시 확보되어야 한다. 그러나 플랫 플레이트 시스템의 거동은 대단히 복잡하고 실제 하중재하방식과 경계조건을 정확히 실현하기는 매우 어려우므로, 이전의 실험연구로부터 강도 및 연성능력에 대한 신뢰할 만한 실험결과를 얻기가 쉽지 않다. 본 연구에서는 이러한 실험연구의 어려움을 보완하기 위하여 연속 플랫 플레이트의 내부 접합부에 대해 수치해석 연구를 수행하였다. 이를 위해 비선형 유한요소해석을 위한 컴퓨터 프로그램을 개발하였고, 기존의 실험결과와의 비교를 통해 그 유효성을 검증하였다. 변수연구를 통하여 접합부 주위의 휨모멘트, 전단력, 비틀림모멘트의 변화를 분석하였고, 분석결과에 근거해서 기존 설계방법에서 개선되어야 할 사항을 검토하였다. 본 연구결과는 후속논문에서 불균등 휨모멘트를 받는 접합부에 대한 설계방법을 개발하는데 사용될 것이다.
Flat plate structures under lateral load are susceptible to punching shear failure of the slab-column connection. To prevent such brittle failure, strength and ductility of the connection should be ensured. However, due to complexity in the behavior and difficulty in simulating the actual load and b...
Flat plate structures under lateral load are susceptible to punching shear failure of the slab-column connection. To prevent such brittle failure, strength and ductility of the connection should be ensured. However, due to complexity in the behavior and difficulty in simulating the actual load and boundary conditions of the flat plate system, it is not easy to obtain reliable data regarding to the strength and ductility from the previous experimental studies. In the present study, a numerical study was performed for interior connections of continuous flat plate. For the purpose, a computer program for nonlinear FE analyses was developed, and the validity was verified by comparisons with the existing experimental results. Through the parametric studies, the variations of bending moment, shear, and torsional moment around the connection were investigated. Based on the findings of the numerical studies, the aspects which need to be improved in current design methods were discussed. The results of the present study will be used for developing a design method for the flat plate-column connection in the companion paper.
Flat plate structures under lateral load are susceptible to punching shear failure of the slab-column connection. To prevent such brittle failure, strength and ductility of the connection should be ensured. However, due to complexity in the behavior and difficulty in simulating the actual load and boundary conditions of the flat plate system, it is not easy to obtain reliable data regarding to the strength and ductility from the previous experimental studies. In the present study, a numerical study was performed for interior connections of continuous flat plate. For the purpose, a computer program for nonlinear FE analyses was developed, and the validity was verified by comparisons with the existing experimental results. Through the parametric studies, the variations of bending moment, shear, and torsional moment around the connection were investigated. Based on the findings of the numerical studies, the aspects which need to be improved in current design methods were discussed. The results of the present study will be used for developing a design method for the flat plate-column connection in the companion paper.
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문제 정의
사이에도 큰 편차를 나타낸다. 따라서 본 연구에서는 연속슬래브의 하중 및 경계조건을 정확히 실현할수 있는 수치해석을 이용한 변수연구를 실시하였으며, 강도 및 변형능력 등 전체적인 거동과 함께 접합부 주위에서 일어나는 응력 및 내력의 변화를 조사하였다.
그러나 실제 슬래브의 파괴유형을 판단하기는 매우 어려우며 따라서 실험체 파괴형상의 관찰에 의존하는 경우가 대부분이다. 본 연구에서는 수치해석결과에 근거해서 각 모멘트 저항 성분들이 최대시점에 이르는 순서를 분석하여, 슬래브의 파괴과정 및 파괴유형을 정의하고자 한다.
이러한 실험연구의 한계를 보완하기 위하여 본 연구에서는 슬래브-기둥 접합부에 대한 비선형해석연구를 실시하였다. 변수연구를 통하여 접합부 주위에서 발생하는 휨모멘트 전단력, 비틀림 모멘트의 분포와 그 변화를 조사하였으며, 이에 근거하여 접합부 파괴기구를 분석하고 현 설계기준의 강도산정모델을 비교 검토하였다.
가설 설정
곡선에 의해서 정의된다.(Fig. 1) 압축 손상은주변형율축에서 변형율의 크기에 의하여 정의되며 등방성 손상(isotropic damage)을 가정하여 주변형율 축방향에 관계없이 동일한 압축손상을 가정한다.
2) 균열변형율을 초과한 경우 인장균열이 발생한 것으로 간주하여 인장균열축이 현재의 주인장변형율축으로 고정된다. 또한 현재의 주변형율축이 기존의 고정균열축으로부터 灯4 만큼 벗어난 방향에서는 어느 방향에서도 독립적인 인장균열응력이 발생할 수 있다고 가정하여 주기하중에 의한 다중의 인장 균열 방향을 나타낼 수 있도록 하였다. 주기하중시 압축의 잔류변형율이 존재할 경우 인장응력은 현재의 잔류변형율이 고려된순인장변형율 5 = 5—5에 의하여 정의되어야 한다.
수행하였다. 각 실험들은 실험장치 및 실험방식에서 차이가 있으며, 따라서 본 연구에서는 각 실험조건들의 특성을 반영하여 수치해석을 수행하였다. 그 중 Moehle의 실험체 및 실험장치가 Fig.
변수연구를 통하여 접합부 주위에서 발생하는 휨모멘트 전단력, 비틀림 모멘트의 분포와 그 변화를 조사하였으며, 이에 근거하여 접합부 파괴기구를 분석하고 현 설계기준의 강도산정모델을 비교 검토하였다.
본 연구에서는 슬래브의 휨모멘트와 편심전단모멘트에대하여 Fig. 11과 같이 동일한 위험단면을 사용하며, 각성분의기여도를 보다 자세히 연구하기 위하여 접합부의저항성능을 위험단면의 각 면에 작용하는 5가지의 성분으로 정의하였다 MFf, MFb= 전면과 후면 슬래브의 휨모멘트 Ms/, MSb = 전면과 후면에 작용하는 편심 전단력에 의한 휨모멘트 Mt = 측면에 작용하는 편심 전단력에 의한 비틀림모멘트 그리고 편심전단 저항성분의 합, Mv = Mt+ MSf + 网訪로 정의한다.
해석연구를 위하여 비선형 유한요소 해석프로그램을 개발하였으며, 기존 실험과의 비교를 통하여 검증하였다. 슬래브 크기, 기둥 크기 및 형상, 중력하중비, 그리고 콘크리트 압축강도 등 주요변수의 조합별로 실제 설계범위를 포괄할 수 있는 넓은 변수범위에 대해 해석연구를 실시하였으며, 그 주요한 결과는 다음과 같다.
5(a)에 제시된 해석모델을 사용하였다. 슬래브의 A, B, C 세 면의 경계조건은 실제 실험조건들과 동일하며, D 면에서는 시험체의 대칭성을 고려하여 D-D0 방향 회전 변위를 구속하였다.
연속 슬래브에 대해 기하학적 조건, 재료적 조건, 중력 하중 수준 등 다양한 변수 조합 별로 실제 설계범위를 포괄할 수 있는 넓은 변수범위에 대하여 해석연구를 수행하였으며, Table 2는 이 해석 연구에 사용된 슬래브 모델과 해석 결과를 나타내고 있다. 각 해석모델은 계열명- c\ -(无 - h—pt— (邙 - VdVc으로 명명하였고, 이때 4 = 횡하중 재하방향의 기둥 폭 (mm), c2 = 횡하중 직교방향의 기둥 폭 (mm), h = 슬래브 두께 (mm), pt = 상부철근비 (percent), pb = 하부철근비 (percent), VG/VC= 공칭성능 대비 중력하중에 의한 뚫림전단력의 비율 (percent)이다.
중력하중의 재하방식과 경계조건이 슬래브의 강도 및연성도에 미치는 영향을 파악하기 위해, Moehle의 specimen 3와 Farhey specimen 3에 대해 하중조건과 경계조건을 연속 슬래브의 조건으로 변경하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석에서는 위에서 언급한 연속 슬래브의 경계조건을 사용하였다.
플랫 플레이트 구조의 슬래브-기둥 내부접합부의 내진 성능을 연구하기 위하여 비선형 해석연구를 실시하였다. 해석연구를 위하여 비선형 유한요소 해석프로그램을 개발하였으며, 기존 실험과의 비교를 통하여 검증하였다.
수직하중에 의한 휨모멘트에 부가되는 면과 상쇄되는 면을 각각 가리킨다. 해석결과의 분석을 위하여 기둥면에서 0.5 d 만큼 떨어진 곳에 위치하며 q + d와 C2 + Q를 두 변으로 하는 사각형의 둘레를 위험단면으로 간주한다. 콘크리트구조 설계기준지에서 제시하는 편심전단모멘트의 위험단면은 본 연구에서 사용하는 위험단면과동일하나, 휨모멘트에 대한 위험단면으로는 ((1) +3A) 의 슬래브 폭을 사용한다.
실시하였다. 해석연구를 위하여 비선형 유한요소 해석프로그램을 개발하였으며, 기존 실험과의 비교를 통하여 검증하였다. 슬래브 크기, 기둥 크기 및 형상, 중력하중비, 그리고 콘크리트 압축강도 등 주요변수의 조합별로 실제 설계범위를 포괄할 수 있는 넓은 변수범위에 대해 해석연구를 실시하였으며, 그 주요한 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
슬래브의 휨거동에 대한 유한요소해석을 위해 9 절점의쉘요소를 사용하였고 쉘요소의 강성 과 내 력산정 과정 에 는 면 당 9개의 가우스 점을 두께방향을 따라 20개 층으로 등간격 배치함으로써 총 180개의 가우스 점이 사용되었다.(Fig.
이론/모형
중력하중과 면외 모멘트를 재하받는 플랫 플레이트의 해석을 위해서, 비선형모델 중 상대적으로 간단하며 인장 -압축 상태의 콘크리트의 거동을 잘 나타낼 수 있는 등가 1축응력-변형율 곡선을 이용하는 회전스트멋-고정균열모델)을 사용한다.
성능/효과
Fig. 14(a)에 나타난 바와 같이 중력하중이 비교적 작은 경우에서는 心矽가 최대값에 도달한 이후, 也3가 최대에 이르게 되고 그 뒤 슬래브가 최대강도에 도달하면서 파괴된 것으로 나타났다. 이러한 경향은 휨파괴로 알려진 Farhey의 Specimen 1과 Moehel의 Specimen 3에 대한 실험 및 해석결과에서도 공통적으로 확인된다.
1) 기존의 실험조건은 연속 플랫 플레이트의 경계조건이나 하중조건과는 다르며 따라서 실험결과는 연속 플레이트 접합부의 강도와 연성도를 정확히 나타낸다고 볼 수 없다.
2) 기존의 실험결과는 연속 플레이트에 비하여 접합부의 강도 및 초기강성을 과소평가하며, 연성도를 과대평가하는 것으로 나타났다.
3) 해석결과 슬래브의 최대변형능력은 1 ~ 1.5 퍼센트로서 변수의 조합이나 변화에 관계없이 변형능력이 크게 개선되지 않는 것으로 나타났다.
4) 접합부에 발생하는 휨모멘트 저항성분은 전후면의휨모멘트 전후면의 전단편심에 의한 모멘트 그리고 측면의 전단편심에 의한 비틀림모멘트로 구분할 수 있다. 각성분의 최대강도에 도달하는 시점은 일치하지 않으며 각성분이 최대강도에 도달하는 순서에 따라서 접합부의 파괴유형을 휨 파괴와 전단파괴로 구분할 수 있다.
6) 콘크리트 설계기준에서는 최대 뚫림전단성능을 0.33 m로 일정하게 규정하고 있는데, 해석결과에 따르면전후면의 편심전단응력은 이 공칭성능과 대략적으로 일치하지만 측면의 최대전단응력은 공칭성능 보다 3배 이상 크며 이것이 편심전단 모멘트 비 7 〃가 현행 설계기준보다 큰 이유이다.
7) 측면의 최대편심전단응력은 중력하중에 의하여 영향을 받으며, 전후면의 최대 편심전단응력은 극한 휨모멘트의 영향을 받는다. 따라서 강도를 정확히 산정하기 위해서는 이러한 응력의 상호작용을 고려해야 한다.
그러나 대부분의 실험들은 기등과 그 주위의 슬래브로 구성된 축소모델을 사용하였는데, 이 축소모델은 실제 연속슬래브의 하중과 경계조건을 정확히 실현하기는 어렵다. 따라서 기존 실험 결과가 실제 연속슬래브의 거동특성과 다를 수 있으며, 이 실험 결과에 근거하여 개발된 기존 설계방법은 연속슬래브 접합부의 강도를 정확히 나타낼 수 없다. 또한 실험연구를 통하여 얻을 수 있는 자료는 슬래브-기둥 접합부 축소모델의 전체적인 강도 및 연성능력에 국한되므로 접합부주위의 내력분포와 변화를 정확히 파악하기 어렵다.
위의 연구결과로부터 편심전단모멘트를 정확히 추정하기 위해서는, 측면의 편심전단 저항성분과 전후면의 편심 전단 저항 성분을 분리하여야 하며 측면의 비틀림모멘트 Mr에 대해서는 중력하중의 영향을, 전후면의 편심 전단 모멘트 MSf, 以訪에 대해서는 슬래브의 극한 휨모멘트의 영향을 고려해야 한다는 것을 알 수 있다.
이 연구결과 연속슬래브와 상이한 경계조건 및 하중 조건을 사용하는 실험에서는, 강도는 안전측일 수 있으나 접합부의 실제 강도를 정확히 나타낼 수 없으며 반면 변형능력은 과대평가되므로 안전측이라고 할 수 없다.
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Moehle, J. P., Kreger, M. E., and Leon, R., "Background to Recommendations for Design of Reinforced Concrete Slab-Column Connections," ACI Structural Journal, V. 85, No. 6, November-December, 1988, pp.636-644.
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