횡하중을 받는 플랫 플레이트 구조는 슬래브-기둥 접합부의 취성 전단파괴에 대하여 취약하며, 이러한 접합부의 취성적 파괴를 방지하기 위해 접합부의 강도 및 연성능력이 반드시 확보되어야 한다. 그러나 이전 연구에 의하면 현행 설계기준이 플레이트-기둥 접합부의 강도를 정확히 예측하지 못하는 것으로 밝혀졌다. 본 연구에서는 비선형 유한요소해석을 이용한 변수연구를 내부 접합부에 대해 실시하였으며 수치해석 결과에 근거하여 접합부에 대한 설계방법을 개발하였다. 접합부 주위의 위험단면에서는 중력하중과 횡하중에 의해 발생된 휨모멘트와 전단력이 공존하며, 이 휨모멘트와 전단력의 상호작용을 고려하여 최대 허용편심전단응력을 제안하였다. 제안된 강도모델은 현 설계기준에 비하여 접합부의 강도를 보다 정확히 산정 할 수 있으며, 연속 슬래브에 대한 비선형 해석결과와 기존의 실험결과와의 비교를 통해 그 유효성을 검증하였다.
횡하중을 받는 플랫 플레이트 구조는 슬래브-기둥 접합부의 취성 전단파괴에 대하여 취약하며, 이러한 접합부의 취성적 파괴를 방지하기 위해 접합부의 강도 및 연성능력이 반드시 확보되어야 한다. 그러나 이전 연구에 의하면 현행 설계기준이 플레이트-기둥 접합부의 강도를 정확히 예측하지 못하는 것으로 밝혀졌다. 본 연구에서는 비선형 유한요소해석을 이용한 변수연구를 내부 접합부에 대해 실시하였으며 수치해석 결과에 근거하여 접합부에 대한 설계방법을 개발하였다. 접합부 주위의 위험단면에서는 중력하중과 횡하중에 의해 발생된 휨모멘트와 전단력이 공존하며, 이 휨모멘트와 전단력의 상호작용을 고려하여 최대 허용편심전단응력을 제안하였다. 제안된 강도모델은 현 설계기준에 비하여 접합부의 강도를 보다 정확히 산정 할 수 있으며, 연속 슬래브에 대한 비선형 해석결과와 기존의 실험결과와의 비교를 통해 그 유효성을 검증하였다.
Flat plate structures under lateral load are susceptible to the brittle shear failure of plate-column connection. To prevent such brittle failure, strength and ductility of the connection should be ensured. However, according to previous studies, current design methods do not accurately estimate the...
Flat plate structures under lateral load are susceptible to the brittle shear failure of plate-column connection. To prevent such brittle failure, strength and ductility of the connection should be ensured. However, according to previous studies, current design methods do not accurately estimate the strength of plate-column connection. In the present study, parametric study using nonlinear finite element analysis was performed for interior connections. Based on the numerical results, a design method for the connection was developed. At the critical sections around the connection coexist flexural moment and shear developed by lateral and gravity loads, and maximum allowable eccentric shear stresses were proposed based on the interactions between the flexural moment and shear, The proposed method can precisely predict the strength of the connection, compared with the current design provisions. The predictability of the proposed method was verified by the comparisons with existing experiments and nonlinear numerical analyses.
Flat plate structures under lateral load are susceptible to the brittle shear failure of plate-column connection. To prevent such brittle failure, strength and ductility of the connection should be ensured. However, according to previous studies, current design methods do not accurately estimate the strength of plate-column connection. In the present study, parametric study using nonlinear finite element analysis was performed for interior connections. Based on the numerical results, a design method for the connection was developed. At the critical sections around the connection coexist flexural moment and shear developed by lateral and gravity loads, and maximum allowable eccentric shear stresses were proposed based on the interactions between the flexural moment and shear, The proposed method can precisely predict the strength of the connection, compared with the current design provisions. The predictability of the proposed method was verified by the comparisons with existing experiments and nonlinear numerical analyses.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 실험결과 보다는 연속 슬래브 조건을 보다 충실히 만족시킬 수 있는 해석결과에 근거해서 강도산정식을 개발하고자 한다.
한다. 또한 해석결과 및 기존의 실험 연구 결과와 비교하여 이 모델의 유효성을 검증하고자 한다.
예측하지 못한다. 본 연구에서는 비선형 수치해석 결과를 이용하여 접합부 강도에 대한 새로운 설계 방법을 개발하였다. 본 연구에서 제안된 설계방법에서는, 접합부주위의 각 파괴면에 대한 전단강도를 제안하였으며 중력 하중과 횡력에 의해 발생하는 전단력과 휨모멘트의 상호작용을 고려하였다.
본 연구에서는 이전 연구에서 수행된 플랫 플레이트에 대한 변수연구결과와 위에서 기술된 분석결과를 반영하여 슬래브-기둥 접합부에 대해 새로운 강도산정모델을 제안하고자 한다. 또한 해석결과 및 기존의 실험 연구 결과와 비교하여 이 모델의 유효성을 검증하고자 한다.
가설 설정
2) 극한상태의 모멘트 재분배과정이 상이하다. 수치해석 결과, 접합부 측면의 휨모멘트 Mg는 연속슬래브 조건에서는 극한상태에 돌입하더라도 크게 변하지 않지만, 실험조건에서는 큰 폭으로 증가하는 것으로 나타났다.
3) 극한상태의 전단력 재분배과정이 상이하다. 수치해석 결과, 연속슬래브에서는 전후면이 담당하는 하향의 전단력의 합 (+) **이 극한상태에서도 크게 변하지 않지만, 실험조건에서는 전면의 조기파괴로 전단내력이 크게 감소하게 되므로 접합부 측면에 전단력이 재분배되어 큰 하향전단력을 부담하게 된다.
같다. 단, 슬래브에서는 인장 철근비가 그다지 크지 않으므로 일반적으로 압축철근은 항복되지 않는다고 가정한다.
제안 방법
본 연구에서는 비선형 수치해석 결과를 이용하여 접합부 강도에 대한 새로운 설계 방법을 개발하였다. 본 연구에서 제안된 설계방법에서는, 접합부주위의 각 파괴면에 대한 전단강도를 제안하였으며 중력 하중과 횡력에 의해 발생하는 전단력과 휨모멘트의 상호작용을 고려하였다.
슬래브의 기하학적 조건과 재료적 조건 二L리고 수직 하중 수준 등 다양한 변수 조합 별로 실제 설계범위를 포괄할 수 있는 넓은 변수범위에 대해 해석연구를 수행하였으며, 각 해석모델은 참고문헌 2에 제시되어 있다. Table 1 에 나타난 모델명은 주요변수를 나타내고 있는데, 모델명은 계열—q-@-必-ujk이며 이때, q= 횡하중 재하방향의 기둥 폭 (mm), 3=횡하중 직교 방향의 기둥 폭 (mm), 7z=슬래브 두께 (mm), R= 상부 철근비 (percent), 0=하부철근비 (percent), μ以匕= 접합부의 전단공칭성능 대비 중력하중에 의한 뚫림전단력의재하비율 (percent), 丄, 乙2 二 횡하중 방향과 그 직각 방향의 스팬길이이다.
반영하는 보정과정이 필요하다. 실험조건에 의한 기둥 주위의 응력변화를 고려하기 위하여, 와 μ伝의 값으로 앞서 연속슬래브에 대한 제안식 (14)와 (16)을 사용하지 않고 실험체의 경계 및 하중조건을 고려한 수치해석 결과(Table 3)를 그대로 사용하여 제안설계식의 재검증을 실시하였다.
제안된 강도산정모델의 유효성을 검증하기 위해 기존실험에 대해 제안된 설계방법을 적용하였다. 기존 시험체의 부재 형상 및 재료 특성, 그리고 시험체의 강도 산정 결과와 실험강도의 비교는 Table 2에 정리되어 있다.
4에 나타나 있다. 해석 모델에서는, 스팬 길이가 일정한 연속 슬래브의 대칭성을 고려하기 위해서 슬래브의 A와 B 면에서 서로 대응되는 모든 변위가 일치하도록 하였으며 C 면과 D 면에서는 C-C와 D-D축에 대한 회전 변위를 구속하였다. Fig.
대상 데이터
이 연구에서 슬래브-기둥 접합부에 대한 위험단면은 콘크리트구조 설계기준°에서 제시하고 있는 편심전단에 대한 위험 단면과 동일한, 기둥면에서 0.5 G 만큼 떨어진 사각형의 둘레로 정의되었으며, 이 위험단면에서의 저항모멘트를 Fig. 3(b)와 같이 5개의 모멘트 성분으로 구분하였다. 즉 MFf, MFb = 전면과 후면 슬래브의 휨모멘트 MSf, MSbe 전후면의 편심전단에 의한 휨모멘트 그리고 Mt = 측면의 편심전단에 의한 비틀림모멘트 이다.
성능/효과
) ./A는 평균 0.85, 표준편차 10.8 %로써강도산정모델이 강도를 과대평가하고 있지만 편차가 작으므로 콘크리트구조 설계기준 보다는 상대적으로 정확한 추정능력을 가진 것으로 나타났다. 실험결과는 산정 강도보다 대략 15 % 정도 작은 강도를 보이는데, 이 경향은 이전 연구2)에서도 이미 확인된 바 있다.
1) 중력하중을 기등의 치올림(젝업) 등 집중하중으로 재하하면, 비록 접합부에 동일한 전단력이 재하되더라도 단순 지지 경계조건으로 인하여 연속 슬래브조건에서 보다휠씬 큰 휨모멘트 几亳가 접합부 주위의 각 파괴면에 작용하게 된다.
1) 현행 설계기준에서는 휨모멘트와 편심전단의 위험 단면이 동일하지 않는데, 이는 독립된 두 저항성분의 합으로 접합부 강도를 나타내는 설계개념과 상충된다. 그러나 제안된 설계방법에서는 휨모멘트와 편심전단에 대하여 동일한 위험단면을 사용하고 있어서 설계의 일관성을 유지할 수 있다.
2) 현행 설계기준에서는 전체 저항모멘트 중 슬래브의휨모멘트가 차지하는 비율 7/ = 0.6 그리고 편심 전단 모멘트의 비율 7 v = 0.4로 그 비율을 규정하고 있으며 또한 이 비율도 설계자에 따라서 조정이 가능하므로 접합 부강 도의 정의가 명확하지 않다. 따라서 접합부의 휨모멘트 성능과 편심전단성능을 정확히 평가하기 위한 평가 방법으로는 활용할 수 없다.
2) 현행 설계기준에서는 전후면과 측면의 공칭전단 성능으로 0.33宓(MPa)를 동일하게 적용하는데 반하여, 해석 결과에 의하면 전후면의 최대전단응력은 0.33V7Z 전후이나 측면의 최대전단응력은 이 공칭전단응력을 3배 이상 초과하는 것으로 확인되었다.
3) 측면의 최대전단응력은 중력하중에 의한 휨모멘트의 영향을 받으며, 전후면의 전단응력은 슬래브의 극한 휨모멘트의 영향을 받는다. 따라서 강도를 정확히 산정하기 위해서는 이러한 응력간의 상호작용을 고려해야 한다.
3) 현행 설계기준에서는 전후면과 측면의 최대 편심 전단 응력이 %, = 0.33伍(MPa)로 일정하다. 그러나 제안된 설계법에서는 전후면과 측면의 최대편심전단응력을 각기 별도로 산정하게 되며, 그 크기는 전후면에서는 대략 ^0.
4) 현행 설계기준에서는 슬래브 휨철근량에 의하여 휨모멘트 저항내력만이 영향을 받으며 전단편심 저항내력은휨철근량에 무관하지만, 제안된 설계방법에서는 슬래브 철근량의 증가에 따라서 휨모멘트 저항내력 뿐만 아니라 전단 편심 저 항내 력도 증가된다.
그러나 전면의 전단응력이 최대값에 도달한 이후에 후면으로 전단응력의 재분배가 이루어지게 되므로 전후면 각각의 전단응력을 평가하는 것보다 식 (2)와 같이 전후 면의 평균 전단응력을 고려하는 것이 보다 적절한 것으로 나타났다.
강도를 나타내는 설계개념과 상충된다. 그러나 제안된 설계방법에서는 휨모멘트와 편심전단에 대하여 동일한 위험단면을 사용하고 있어서 설계의 일관성을 유지할 수 있다.
33伍(MPa)로 일정하다. 그러나 제안된 설계법에서는 전후면과 측면의 최대편심전단응력을 각기 별도로 산정하게 되며, 그 크기는 전후면에서는 대략 ^0.33沅 (MPa)이고 측면에서는 ^«s~3.5>< 0.33 质 (M倍a) 이다.
이 그림에 나타난 바처럼 전단응력은 파괴 면의 양단부에 우선적으로 집중되게 되며, 이러한 경향은 파괴 면이 긴 장방형인 경우 두드러진다. 따라서 시d가 클수록 양단부가 전단집중으로 인해 조기에 국부적으로 파괴되며, 그 결과 전단저항을 발휘할 수 있는 유효 단면이 줄어들면서 최대전단응력의 크기가 감소한다.
이는 슬래브 유효보폭 만큼의 강성이 모멘트 저항을 일으킨다는 것을 의미한다. 또한 비선형 해석결과에 의하면, 유효폭 a, 】에 작용하는 모멘트 중에서 기둥면에 전달되는 휨모멘트 비율은 대략 40 %인 것으로 나타났다. 따라서 스팬의 길이가 일정한 연속 슬래브에서, 중력하중이 균등하게 작용할 때 MG는 다음과 같이 정의된다.
Table 3에 나타난 바와 같이 시험체의 해석결과에 의한 Vgs와 는 연속 슬래브에 대해 예측된 VGs, Mg 보다 매우 큰 값을 나타내며, 이것이 시험체의 강도가 연속 슬래브보다 작게 나타나는 이유이다. 보정결과, 산정강도 대비 실험강도의 평균은 수정전 0.82 에서 수정후 1.02로 추정력이 크게 개선되었다. 이와 같은 결과는 접합부 주위의 응력을 정확히 구할 수 있다면 다양한 경계조건이나 하중조건에서도 본 연구에서 제안된 강도식을 적용할 수 있는 가능성을 보여주고 있다.
의한 강도를 비교하고 있다. 비교결과, 예측강도 대비 해석강도가 평균 1.08, 표준편차 11.0 %로써 본 연구에서 제안된 설계방법이 비교적 정확한 것으로 나타났다.
수치해석 결과, 연속슬래브에서는 전후면이 담당하는 하향의 전단력의 합 (+) **이 극한상태에서도 크게 변하지 않지만, 실험조건에서는 전면의 조기파괴로 전단내력이 크게 감소하게 되므로 접합부 측면에 전단력이 재분배되어 큰 하향전단력을 부담하게 된다.
수치해석 결과, 접합부 측면의 휨모멘트 Mg는 연속슬래브 조건에서는 극한상태에 돌입하더라도 크게 변하지 않지만, 실험조건에서는 큰 폭으로 증가하는 것으로 나타났다.
수치해석 및 실험결과와의 비교를 통하여 제안된 설계 방법의 유효성을 검증하였으며, 제안된 설계방법은 현 설계기준에 비하여 접합부의 강도를 정확히 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 실험과의 비교에 의하면, 제안된 설계 방법은 실험강도를 저평가하고 있으나 이는 실험의 경계조건이나 하중조건이 연속슬래브 조건과 다르기 때문이다.
5u를 사용할 수 있다. 약산법에 의한 皿, 〃处를 사용할 경우 설계가 간편해지며, 또한 해석모델에 대한 해석결과와 약산법에 의한 강도를 비교한 결과 예측 강도 대비 해석강도가 평균 1.07, 표준편차 15.2 %로 비교적 정확한 것으로 나타났다.
후속연구
실험과의 비교에 의하면, 제안된 설계 방법은 실험강도를 저평가하고 있으나 이는 실험의 경계조건이나 하중조건이 연속슬래브 조건과 다르기 때문이다. 실험의 조건을 정확히 반영할 경우 제안된 설계방법은 실험 강도를 정확히 예측할 수 있었으며, 이와 같은 결과는 접합부 주위의 응력분포를 정확히 구할 수 있다면 다양한 경계조건이나 하중조건에서도 본 연구에서 제안된 강도 식을 그대로 적용할 수 있는 가능성을 보여주고 있다.
02로 추정력이 크게 개선되었다. 이와 같은 결과는 접합부 주위의 응력을 정확히 구할 수 있다면 다양한 경계조건이나 하중조건에서도 본 연구에서 제안된 강도식을 적용할 수 있는 가능성을 보여주고 있다.
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