플랫 플레이트 구조의 외부접합부는 편심전단에 대해 비대칭형의 위험단면을 가지고 있으며, 위험단면의 길이가 내부접합부 보다 작고 중력하중과 횡하중 모두에 의해 편심전단응력이 발생하게 되므로 뚫림전단파괴에 대해 대단히 취약하다. 외부접합부의 거동은 대단히 복잡하며 또한 구조해석에서 사용하고 있는 강도모델이 부적합하기 때문에, 현 설계기준은 실험결과를 정확히 설명하고 있지 못하다. 본 연구에서는 이러한 현 설계기준의 미비점을 보완하기 위하여 슬래브-기둥 외부접합부에 대해 비선형유한요소해석을 수행하였다. 외부접합부에서는 횡하중의 재하방향에 따라 거동 및 최대강도가 상이하며, 해석결과에 근거하여 하중재하방향 별로 외부접합부에 대한 강도모델을 제안하였다. 제안된 강도모델은 실험결과와의 비교를 통해 검증되었다.
플랫 플레이트 구조의 외부접합부는 편심전단에 대해 비대칭형의 위험단면을 가지고 있으며, 위험단면의 길이가 내부접합부 보다 작고 중력하중과 횡하중 모두에 의해 편심전단응력이 발생하게 되므로 뚫림전단파괴에 대해 대단히 취약하다. 외부접합부의 거동은 대단히 복잡하며 또한 구조해석에서 사용하고 있는 강도모델이 부적합하기 때문에, 현 설계기준은 실험결과를 정확히 설명하고 있지 못하다. 본 연구에서는 이러한 현 설계기준의 미비점을 보완하기 위하여 슬래브-기둥 외부접합부에 대해 비선형유한요소해석을 수행하였다. 외부접합부에서는 횡하중의 재하방향에 따라 거동 및 최대강도가 상이하며, 해석결과에 근거하여 하중재하방향 별로 외부접합부에 대한 강도모델을 제안하였다. 제안된 강도모델은 실험결과와의 비교를 통해 검증되었다.
Exterior plate-column connection has an unsymmetrical critical section for eccentric shear of which perimeter is less than that of interior connection, and hence, around the connection, unbalanced moment and eccentric shear are developed by both gravity load and lateral loads. Therefore, exterior co...
Exterior plate-column connection has an unsymmetrical critical section for eccentric shear of which perimeter is less than that of interior connection, and hence, around the connection, unbalanced moment and eccentric shear are developed by both gravity load and lateral loads. Therefore, exterior connection is susceptible to punching shear failure. Current design provision cannot accurately explain strength of existing experiments, partly due to the complexity in the behavior of exterior plate-column connection, or partly due to the theoretical deficiency of the strength analysis model adopted. In the present study, nonlinear finite element analyses were performed for exterior connections belonging to continuous flat plate. For each direction of lateral load, the behavior and strength of exterior plate-column connection were quite different. Based on the numerical result, strength prediction model for exterior connection was proposed for each direction of lateral load. Compared with existing experiments, the proposed method was verified.
Exterior plate-column connection has an unsymmetrical critical section for eccentric shear of which perimeter is less than that of interior connection, and hence, around the connection, unbalanced moment and eccentric shear are developed by both gravity load and lateral loads. Therefore, exterior connection is susceptible to punching shear failure. Current design provision cannot accurately explain strength of existing experiments, partly due to the complexity in the behavior of exterior plate-column connection, or partly due to the theoretical deficiency of the strength analysis model adopted. In the present study, nonlinear finite element analyses were performed for exterior connections belonging to continuous flat plate. For each direction of lateral load, the behavior and strength of exterior plate-column connection were quite different. Based on the numerical result, strength prediction model for exterior connection was proposed for each direction of lateral load. Compared with existing experiments, the proposed method was verified.
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문제 정의
5d, C2十 d를 두 변으로 하는 직사각형을 외부접합부의 위험단면으로 정의하였다. 그리고 선행연구 2)에서 밝힌 바와 같이 슬래브의 휨모멘트와 편심 전단에 대하여 서로 다른 위험단면을 사용하는 기존 설계기준의 모순을 피하기 위하여, 본 연구에서는 슬래브의 휨모멘트와 편심전단에 대해 동일한 위험단면을 사용한다. 저항모멘트에 대한 면밀한 분석을 위하여 전체 저항모멘트를 Fig.
본 연구에서는 연속 플랫 플레이트에 속하는 외부접합부의 경계조건을 보다 충실하게 반영할 수 있도록 비 선형수치해석 을 통해, 외부접합부 주변의 내력분포를 분석하고 거동적 특성을 규명하고자 한다. 외부접합부는 하중재하의 방향에 따라서 거동과 강도가 다르므로, 또한 해석을 통해 가능한 많은 정보를 얻기 위하여 Fig.
본 연구에서는 외부접합부에 대한 기존의 실험연구와 현행설계기준의 미비점을 보완하기 위해, 비선형 유한요소해석을 사용하여 변수연구를 수행하였으며, 수치해석결과 에 근거하여 외부접합부의 거동적 특성을 규명하고 외부 접합부에 대한 강도산정모델을 제안하였다
이러한 분석결과, 외부접합부의 파괴과정은 선행연구에서 밝혀진 내부접합부의 파괴과정과 본질적으로 동일한 것으로 확인되었으며 , 따라서 선행연구에서 내부접합부에 대해 제안한 강도산정모델을 수정하여 외부접합부에서 사용하고자 한다.
가설 설정
Fig. 7(a), (b)에 나타난 바와 같이, 전면에는 중력 하중과 횡하중에 의해 극한 휨모멘트가 재하된다. 그러나 외부접합부는 모서리에 가까이 위치하기 때문에 내부접합부와는 달리 기둥 폭에서 벗어난 곳에서 발생하는 휨모멘트는 공칭 휨모멘트강도에 미치지 못한다.
횡하중은 기둥에 작용하는 두 개의 짝힘으로 재하되며, 모서리의 직각방향 또는 평행방향으로 작용한다. 기둥과 슬래브가 만나는 단면적은 무한휨강성을 갖는 요소로 이상화하였으며, 실제 슬래브의 거동과 유사하도록 슬래브의 격막효과(diaphragm)을 가정하여 기둥들의 회전각 변형은 모두 동일하도록 제어하였다. (Fig.
제안 방법
AlleiU은 플랫 플레이트 구조의 내부접합부에 대해 슬래브의 유효폭 aZi을 수평부재로 갖는 등가의 평면골조로 치환하는 방법을 제안하였다. (Fig.
있지 못하다. 선행연구에서 비선형 유한요소 해석프로그램을 개발하였으며, 기존 실험과의 비교를 통하여 검증하였다. 실제 설계범위를 포괄하는 넓은 변수범위에 대해 해석연구를 실시하였으며, 그 주요한 결과는 다음과 같다.
슬래브모델에 대해 기하학적 조건, 재료적 조건, 중력하중 수준 등 다양한 변수 조합 별로 실제 설계범위를 포괄할 수있는 넓은 변수범위에 대하여 해석연구를 수행하였으며, Table 2는 이 해석 연구에 사용된 슬래브 모델과 해석 결과를 나타내고 있다. 각 해석모델은 계열명- ci —C2 —/?一仞一 <앙一 로 명명하였고, 이때 Ci, c2 = 각각 모서리의 직각방향과 평행방향의 기둥 폭 (mm), h = 슬래브 두께 (mm), pt = 상부철근비 (percent), pb = 하부철근비 (percent), V시 Vc = 공칭성능 대비 중력하중에 의한 뚫림전단력의 비율 (percent) 이다.
해석모델은 모서리 CD의 직각 방향으로는 2경간이며 모서리 CD의 평행방향으로는 연속슬래브이다. 연속조건을 고려하기 위하여 슬래브의 C-C'변과 IAD'변에서 대응하는 모든 변위는 일치하도록 하였다. 횡하중은 기둥에 작용하는 두 개의 짝힘으로 재하되며, 모서리의 직각방향 또는 평행방향으로 작용한다.
한편 위에서 제안된 설계 방법은 다소 복잡하므로 실무에 적용하기 위하여 횡하중재하방향별로 근사적으로 강도를 추정할 수 있는 약산 법이 필요하다. 이를 위해 우선 E3, Elb, E2의 횡하중에 대하여, 전면과 후면의 최대전단응력을 압축대의 길이가 아니라 유효깊이 전체에 대해 다음과 같이 정의하였다.
접합부 주위 파괴면에서 휨모멘트와 편심전단력의 상호작용을 고려하는 새로운 강도산정모델을 제안하였다. 기존실험 및 설계기준과 비교결과, 본 연구에서 제안한 강도 산정모델은 기존 설계기준 보다 외부접합부의 강도를 정확히 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
한편 Fig. 12에 나타난 바와 같이 측면의 실제 전단응력 분포는 매우 복잡하므로 설계식에 직접 이용하기는 어려우며, 따라서 본 연구에서는 비선형수치해석을 통하여 가우스 적분점에서 얻어진 g 〃宓, 로부터 Mg, VG, 必了를 구하였고 그 결과를 식 ⑻과 식 ⑼에 대입하여 명목상의 응력값인 忌, 〃를 구하였다. Fig.
해석결과를 분석하기 위하여, 콘크리트 구조설계기준° 또는 ACI 318-02®에서 규정하는 편심전단력에 대한 위험 단면과 동일하며, 기둥면에서 각각 0.5d 만큼 떨어진 곳에 위치하고 c「H).5d, C2十 d를 두 변으로 하는 직사각형을 외부접합부의 위험단면으로 정의하였다. 그리고 선행연구 2)에서 밝힌 바와 같이 슬래브의 휨모멘트와 편심 전단에 대하여 서로 다른 위험단면을 사용하는 기존 설계기준의 모순을 피하기 위하여, 본 연구에서는 슬래브의 휨모멘트와 편심전단에 대해 동일한 위험단면을 사용한다.
대상 데이터
제안된 강도산정모델에 의하여 산정된 접합부의 총 저 항모멘트 必0湖.은 횡하중재하방향 별로 다음과 같이 정 의 된다.
6에 제시된 해석모델을 사용하였다. 해석모델은 모서리 CD의 직각 방향으로는 2경간이며 모서리 CD의 평행방향으로는 연속슬래브이다. 연속조건을 고려하기 위하여 슬래브의 C-C'변과 IAD'변에서 대응하는 모든 변위는 일치하도록 하였다.
성능/효과
(Fig. 10 (c) 참조) 이러한 약산법에 의해 vu, 瞄 丁圣을 산정할 경우 설계가 간편해지며, 해석모델에 대한 해석 결과와 약산법에 의한 강도를 비교한 결과 횡하중 재하방향 Eu, Em, Eg] 대해 예측강도 대비 해석 강도가 각각 평균 1.01, 0.99, 0.91, 표준편차 18.8%, 25.6%, 15.2 %로써 접합부의 강도를 비교적 정확하게 추정할 수 있는 것으로 나타났다.(Table 4)
1) 외부접합부에 발생하는 휨모멘트 저항성분은 전후 면의 휨모멘트 전후면의 전단편심에 의한 모멘트 그리고 측면의 전단편심에 의한 비틀림모멘트로 구분할 수 있다. 분석결과, 각 모멘트 저항성분의 거동과 파괴과정은 본질적으로 내부접합부의 경우와 동일한 것으로 나타났다.
3) 현행 설계기준에서는 최대전단강도를 전후면과 측면에 대해 일정하게 0.33広로 규정하고 있다. 그러나 해석 결과에 의하면 전후면의 편심전단강도는 공칭성능과 거의 일치하지만 측면에서는 공칭성능의 3배 정도인 것으로 나타났으며, 이것이 편심전단모멘트의 비 r „ 가 현행설계기준 보다 큰 이유이다.
33広로 규정하고 있다. 그러나 해석 결과에 의하면 전후면의 편심전단강도는 공칭성능과 거의 일치하지만 측면에서는 공칭성능의 3배 정도인 것으로 나타났으며, 이것이 편심전단모멘트의 비 r „ 가 현행설계기준 보다 큰 이유이다.
기존실험 및 설계기준과 비교결과, 본 연구에서 제안한 강도 산정모델은 기존 설계기준 보다 외부접합부의 강도를 정확히 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
일반적으로 전면의 휨모멘트 (必矽)가 가장 먼저 파괴 되고 그 뒤 다른 성분들이 파괴된다. 또한 측면의 비틀림모멘트 (A&)가 상대적으로 매우 큰 비율을 차지하며, 비틀림 모멘트의 최대강도시점은 접합부 전체의 파괴 시점과 대략적으로 일치하는 것으로 나타났다. Fig.
있다. 분석결과, 각 모멘트 저항성분의 거동과 파괴과정은 본질적으로 내부접합부의 경우와 동일한 것으로 나타났다.
있다. 비교결과, Em Elb, Eg] 대해 예측강도 대비 해석 강도가 각각 평균 1.00, 0.93, 0.90이고 표준편차 14.9%, 14.9 %, 13.7 %로서, 제안된 강도산정방법이 비교적 정확한 것으로 나타났다. Fig.
그러나 외부접합부는 모서리에 가까이 위치하기 때문에 내부접합부와는 달리 기둥 폭에서 벗어난 곳에서 발생하는 휨모멘트는 공칭 휨모멘트강도에 미치지 못한다. 수치해석결과, 극한상태에서 접합부 전면의 폭 C2 + d에 발생하는 최대휨모멘트는 공칭 휨모멘트강도의 대략 60%인 것으로 나타났다. 슬래브 휨모멘트 강도는 복근 및 단근배근에 따라 큰 차이를 보이지 않으므로, 단근배근을 가정하여 식 ⑴ 로 구할 수 있다.
수치해석결과, 극한상태에서 접합부 측면에 전달되는 휨모멘트 必g는 중력하중에 의해 유효보폭에 발생하는 휨모멘트 必60에 선형비례하는 것으로 확인되었으며, 대략 의 35 %인 것으로 나타났다.
Fig. 15에는 KCI。와 AC” 등 현행설계기준에서 사용하고 있는 편심전단응력모델에 의한 강도 추정 결과와 ACI에서 함께 채택하고 있는 M* oehl 의 강도 모델에 의한 추정결과를 비교하고 있는데, 이들 설계기준은 전반적으로 강도를 과소평가하고 있으며 또한 큰 편차를 보이는 것으로 나타났다
후속연구
7에 나타난 것처럼 전후면에는 중력하중 뿐 아니라 횡하중에 의해서도 전단력 및 휨모멘트가 발생하며, 반면 즉면에서는 중력하중에 의한 전단력 및 휨모멘트의 영향을 주로 받게 된다. 따라서 외부접합부의 휨모멘트 강도를 산정하기 위해서는 선행연구에서와 마찬가지로 측면의 편심전단 저항성분과 전후면의 편심전단 저항 성분을 각각 분리해야 하며, 측면의 비틀림모멘트의 산정에는 중력 하중에 의한 영향을 전후면의 편심전단모멘트의 산정에는 극한 휨모멘트의 영향을 고려해야 한다 또한 외부접합부는, 위험단면의 형태와 중력하중 및 횡하중에 의해 발생 하는 응력분포가 내부접합부와는 상이하므로, 내부접합부에 대해 제안된 강도산정식을 부분적으로 수정해야 한다. 그리고 횡하중재하방향에 따라서도 접합부의 거동이 달라지므로 하중방향 별로 강도를 각각 정의해야 한다
참고문헌 (11)
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Chakrabarty, J., 'Theory of Plasticity,' McGraw-Hill,New York, 1987
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