불균형 휨모멘트를 재하받는 플랫플레이트-기둥 접합부의 편심전단강도와 모멘트강도를 규명하기 위해 그동안 많은 실험연구가 수행되어 왔다. 기존 실험들은 서로 다른 실험방식을 사용하고 있는데, 접합부의 전단강도는 실험방식에 따라 차이가 있는 것으로 나타났다. 따라서 기존 실험에 근거하여 개발된 현행 설계기준들은 플랫플레이트의 강도를 정확히 설명하고 있지 못한 실정이다. 선행 연구에서는 연속 플랫플레이트에 대한 비선형 유한요소해석에 근거하여, 슬래브-기둥 접합부에 패한 새로운 설계방법을 개발하였다. 그러나 제안된 설계방법에서는 휨모멘트 강도산정에 필요한 접합부 편심강도를 경험식에 의존하여 산정하고 있다. 본 연구에서는, 접합부 파괴 메카니즘을 분석하기 위해서, Rankine 재료파괴기준을 이용하는 이론적인 접근법을 채택하였다. 분석결과에 근거하여 개선된 편심전단강도모델이 개발되었고, 기존 실험과의 비교를 통해 검증되었다. 개발된 강도식을 이용하여, 선행연구에서 개발된 설계방법을 재검증하였다.
불균형 휨모멘트를 재하받는 플랫플레이트-기둥 접합부의 편심전단강도와 모멘트강도를 규명하기 위해 그동안 많은 실험연구가 수행되어 왔다. 기존 실험들은 서로 다른 실험방식을 사용하고 있는데, 접합부의 전단강도는 실험방식에 따라 차이가 있는 것으로 나타났다. 따라서 기존 실험에 근거하여 개발된 현행 설계기준들은 플랫플레이트의 강도를 정확히 설명하고 있지 못한 실정이다. 선행 연구에서는 연속 플랫플레이트에 대한 비선형 유한요소해석에 근거하여, 슬래브-기둥 접합부에 패한 새로운 설계방법을 개발하였다. 그러나 제안된 설계방법에서는 휨모멘트 강도산정에 필요한 접합부 편심강도를 경험식에 의존하여 산정하고 있다. 본 연구에서는, 접합부 파괴 메카니즘을 분석하기 위해서, Rankine 재료파괴기준을 이용하는 이론적인 접근법을 채택하였다. 분석결과에 근거하여 개선된 편심전단강도모델이 개발되었고, 기존 실험과의 비교를 통해 검증되었다. 개발된 강도식을 이용하여, 선행연구에서 개발된 설계방법을 재검증하였다.
Many experiments have been performed to investigate eccentric shear strength and unbalanced moment-carrying capacity of flat plate-column connections under combined gravity and lateral load. However, each existing experiment used different test setup, and the shear strength of the connection was dif...
Many experiments have been performed to investigate eccentric shear strength and unbalanced moment-carrying capacity of flat plate-column connections under combined gravity and lateral load. However, each existing experiment used different test setup, and the shear strength of the connection was different depending on the test setup. Current design methods which were based on the experimental results might not accurately explain the shear strength of the flat plate. In a companion study, based on results of nonlinear finite element analyses, an alternative design method for the plate-column connection was developed. However, in this method, eccentric shear strength of the connection which was required for assessing unbalanced moment-carrying capacity was evaluated by an empirical formula. In the present study, a theoratical approach using Rankine's failure criterion was attemped to investigate failure mechanism of the eccentric shear. Based on the results, an improved strength model of the eccentric shear was developed, and it was verified by comparison with the existing experimental results. By means of the strength model, the design method developed in the companion study was re-verified.
Many experiments have been performed to investigate eccentric shear strength and unbalanced moment-carrying capacity of flat plate-column connections under combined gravity and lateral load. However, each existing experiment used different test setup, and the shear strength of the connection was different depending on the test setup. Current design methods which were based on the experimental results might not accurately explain the shear strength of the flat plate. In a companion study, based on results of nonlinear finite element analyses, an alternative design method for the plate-column connection was developed. However, in this method, eccentric shear strength of the connection which was required for assessing unbalanced moment-carrying capacity was evaluated by an empirical formula. In the present study, a theoratical approach using Rankine's failure criterion was attemped to investigate failure mechanism of the eccentric shear. Based on the results, an improved strength model of the eccentric shear was developed, and it was verified by comparison with the existing experimental results. By means of the strength model, the design method developed in the companion study was re-verified.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 전후면과 측면의 전단 강도식을 구분하여 개발하였으며, 압축지배 전단파괴에 근거하여 접합부의 뚫림전단강도식을 개발하였다.
이처럼 슬래브 단면에서 큰 휨 균열이 발생한 이후에는 균열이 발생한 인장측보다는 압축 대의 콘크리트가 주로 전단력에 저항한다. 또한 압축 대의 콘크리트는 휨에 의한 압축응력과 전단응력의 조합력을 받으며, 따라서 본 연구에서는 조합응력을 재하받는 접합부 압축대의 전단강도를 연구하였다.
개발하였다. 본 연구에서는 기존 연구 결과에 근거하여, 재료파괴기 준을 사용한 편심 전단 강도 모델을 개발하고자 한다. 일반적으로 플랫플레이트는 경간대 슬래브 두께의 비가 매우 크므로 휨변형이 지배적으로 발생하며, 따라서 슬래브-기둥 접합부에서 휨모멘트에 의해 인장철근의 항복과 휨균열 손상이 선행되며 그 이후에 전단파괴가 일어난다.
근거한 경험적인 방법을 사용하였다. 본 연구에서는 불균형 휨모멘트를 재하받는 슬래브-기둥 접합 부의 전단 강도를 재료역학적으로 규명하기 위하여 , 철근콘크리트의 재료파괴기준에 근거하여 접합부의 파괴 메커니즘을 분석하였다 이에 근거하여 개선된 편심전단강도 모델을 개발하였으며, 선행연구에서 개발하였던 설계방법을 재검증하였다.
가설 설정
횡하중이 재하되는 동안 접합부 후면에는 압축응력의 제하(unloading)이 발생하며 극한상태에서는 전후면에 압축응력의 재분배가 발생하므로, 전후면에서 압축응력의 분포가 매우 복잡하다. 따라서 본 연구에서는 계산의 편의를 위해서, 전후면에 대해 평균응력의 개념을 도입해서 전후면의 콘크리트 압축대에 재하되는 압축응력의 크기와 분포가 동일하며 압축연화가 발생하지 않는 것으로 가정하였다. 이때 콘크리트 압축대에는 식 (11)에서 정의하는 포물선 형태의 압축응력이 분포하는 것으로 가정하였다.
본 연구에서는, Rankine 재료파괴기준을 적용하여 접합부 전후면의 편심전단강도를 재 정의하기 위해서, Fig. 9 와 같이 변형률이 선형적으로 분포하고 인장철근은 항복한다고 가정하였다. 횡하중이 재하되는 동안 접합부 후면에는 압축응력의 제하(unloading)이 발생하며 극한상태에서는 전후면에 압축응력의 재분배가 발생하므로, 전후면에서 압축응력의 분포가 매우 복잡하다.
5에는 중력하중과 불균형 휨모멘트에 의해 접합부 측면에 발생하는 응력성분들이 제시되어 있다. 불균형 휨모멘트를 재하받는 동안에 접합부 측면의 압축 대에 분포되는 수직응력은 실제 매우 복잡하게 변화하지만, 본 연구에서는 접합부 측면의 압축대에 발생하는 균형 휨모멘트는 평균적으로 거의 변화하지 않는다고 가정한다 Fig. 11에 나타난 바와 같이 접합부 측면의 압축 대에는 중력 하중에 의해서 최대압축응력 (7 G가 재하되며, 압축응력이 선형으로 분포하는 것으로 가정하였다. 계산의 편의를 위하여 압축대에 분포되는 압축응력을 등가의 압축응력블럭 σ GE(=1/2σG)으로 치환하였다.
따라서 본 연구에서는 계산의 편의를 위해서, 전후면에 대해 평균응력의 개념을 도입해서 전후면의 콘크리트 압축대에 재하되는 압축응력의 크기와 분포가 동일하며 압축연화가 발생하지 않는 것으로 가정하였다. 이때 콘크리트 압축대에는 식 (11)에서 정의하는 포물선 형태의 압축응력이 분포하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
11에 나타난 바와 같이 접합부 측면의 압축 대에는 중력 하중에 의해서 최대압축응력 (7 G가 재하되며, 압축응력이 선형으로 분포하는 것으로 가정하였다. 계산의 편의를 위하여 압축대에 분포되는 압축응력을 등가의 압축응력블럭 σ GE(=1/2σG)으로 치환하였다. 이때, 압축 대에 대한 전단강도 vus와 유효깊이 전체에 대한 전단 강도vus는 식 (8a)의 압축파괴기준으로부터 각각 식 (16), (17)로 정의된다.
그러나 제안된 설계방법에서는 접합부 강도산정의 중요한 요소인 편심전단강도의 산정을 위해서, 수치해석과 실험 결과에 근거한 경험적인 방법을 사용하였다. 본 연구에서는 불균형 휨모멘트를 재하받는 슬래브-기둥 접합 부의 전단 강도를 재료역학적으로 규명하기 위하여 , 철근콘크리트의 재료파괴기준에 근거하여 접합부의 파괴 메커니즘을 분석하였다 이에 근거하여 개선된 편심전단강도 모델을 개발하였으며, 선행연구에서 개발하였던 설계방법을 재검증하였다.
수 없다. 따라서 위험단면의 형상비에 따른 전단 강도의 저하현상을 고려하기 위해서, 수치해석결과에 근거하여 보정계수 λ 를 도입하여 접합부 전후면의 평균 전단 강도식을 다음과 같이 수정하였다.
33√fck (MPa)로 일정하다. 반면 제안된 설계법에서는 전후면과 측면의 최대 편심 전단응력을 각기 별도로 산정하며, 그 크기는 전후면에서는 대략 vu = 0.33√fck (MPa)이고 측면에서는 안전 측으로 vus = 3.5 × 0.33√fck (MPa)이다.
= 횡하중 방향 과 그 직각방향의 스팬길이이다. 변수연구 결과에 근거하여, Fig. 1에 나타난 바와 같이 새로운 슬래브-기둥 접합 부 설계방법을 개발하였다.
이용하였다. 분석결과에 근거하여 접합부 위험 단면에 대해 개선된 편심전단강도모델을 개발하였다. 개발된 편심 전단강도식을 이용하여, 비선형 유한요소해석 결과에 근거하여 선행연구에서 개발하였던 슬래브-기둥 접합부의 설계방법을 재검증하였다 개발된 편심 전단 강도 모델은 다양한 설계변수에 대하여 기존의 설계식이나 이론식보다 접합부강도를 정확히 추정할 수 있으므로, 현행 설계기준의 개선에 활용될 수 있다.
선행연구에서는 중력하중 및 횡하중을 재하받는 연속 플랫플레이트 구조의 슬래브-기둥 접합부의 거동과 강도 의 규명에 활용하기 위하여, 비선형 유한요소해석을 수행 하였다. 슬래브의 기하학적 조건과 재료적 조건 그리고 중력하중의 크기 등 다양한 변수 조합 별로 실제 설계범 위를 포괄할 수 있는 넓은 변수범위에 대해 해석연구를 수행하였다. 해석모델은 참고문헌에 제시되어 있다.
또한 이 그림에서 콘크리트구조 설계기준d(KCI)에 제시된 강도산정식과 본 연구에서 제안된 강도산정모델에 의한 추정결과가 함께 비교되고 있는데, 기존의 설계기준에 의한 강도는 전반적으로해석결과를 과소평가하고 있으며 또한 큰 편차를 보이는 것을 알 수 있다. 제안된 강도산정모델의 유효성을 검증하기 위해 제안된 강도모델을 기존 실험결과에 적용하였다. 기존 시험체의 부재 형상 및 재료 특성, 그리고 시험체의 강도산정결과와 실험강도의 비교는 Table 2에 정리되어 있다.
이론/모형
본 연구에서는 슬래브-기둥 접합부의 편심전단파괴메카니즘을 재료역학적으로 분석하기 위해, Rankine 주응력파괴기준을 이용하였다. 분석결과에 근거하여 접합부 위험 단면에 대해 개선된 편심전단강도모델을 개발하였다.
수직응력과 전단응력의 조합응력을 재하받는 접합 부의 전단 강도를 추정하기 위해서, Rankine 파괴기준을 사용한다. 즉 압축대의 콘크리트에 재하되는 압축주응력 (prinapal stress)이 콘크리트 압축강도 -fck에 도달하면 압축파괴가 일어나고, 평균 응력 개념을 도입하여 철근과 콘크리트 전체에 재하되는 인장주응력이 철근콘크리트 재료의 인장강도 ftr 도달하면 인장파괴가 발생하는 것으로 정의하였다.
성능/효과
1) 현행 설계기준에서는 휨모멘트와 편심전단에 대해 서로 다른 위험단면을 사용하는데, 이는 독립된 두 저항 성분의 합으로 접합부 강도를 정의하고 있는 설계개념과 상충된다. 반면 제안된 설계방법에서는 휨모멘트와 편심 전단에 대하여 동일한 위험단면을 사용하고 있으므로, 설계의 일관성을 유지할수 있다.
3) 현행 설계기준에서는 전후면과 측면의 최대 편심 전단응력이 vu = 0.33√fck (MPa)로 일정하다. 반면 제안된 설계법에서는 전후면과 측면의 최대 편심 전단응력을 각기 별도로 산정하며, 그 크기는 전후면에서는 대략 vu = 0.
4) 현행 설계기준에서는 슬래브 휨철근량에 의하여 휨모멘트 저항내력만이 영향을 받으며 전단 편심 저항 내력은 휨 철 근량에 무관하다. 반면 제안된 설계방법에서는 슬래브 철근량의 증가에 따라서 휨모멘트 저항내력 뿐만 아니라 전단편심 저 항내 력 도 증가된다.
기존 시험체의 부재 형상 및 재료 특성, 그리고 시험체의 강도산정결과와 실험강도의 비교는 Table 2에 정리되어 있다. Fig. 14과 Table 2에의하면, 실험강도 대 예측 강도의 비 (Mexp/Mpred)는 평균 0.83, 표준편차 11.1 % 로써, 제안된 강도산정모델은 콘크리트구조 설계기준 보다 상대적으로 정확한 추정능력을 가지는 것으로 나타났다.
크게 개선되었다. 따라서 접합부 주위의 응력을 정확히 구할 수 있다면 다양한 경계조건이나 하중 조건에서도 제안된 강도식을 적용할 수 있는 것으로 나타났다.
3 %로써 기존 설계기준 보다 접합부 강도를 정확하게 추정하는 것으로 나타났다. 또한 이 그림에서 콘크리트구조 설계기준d(KCI)에 제시된 강도산정식과 본 연구에서 제안된 강도산정모델에 의한 추정결과가 함께 비교되고 있는데, 기존의 설계기준에 의한 강도는 전반적으로해석결과를 과소평가하고 있으며 또한 큰 편차를 보이는 것을 알 수 있다. 제안된 강도산정모델의 유효성을 검증하기 위해 제안된 강도모델을 기존 실험결과에 적용하였다.
무관하다. 반면 제안된 설계방법에서는 슬래브 철근량의 증가에 따라서 휨모멘트 저항내력 뿐만 아니라 전단편심 저 항내 력 도 증가된다.
따라서 접합 부의 휨모멘트 성능과 편심전단성능을 정확히 평가하기 위한 평가방법으로는 활용할 수 없다. 반면 제안된 설계법에서는 접합부강도의 명확한 정의가 가능하며, 접합부의 성능 평가기준으로 사용이 가능하다.
13과 Table 1 은 해석모델에 대한 해석결과와 제안된 설계방법에 의한 강도추정결과를 비교하고 있다. 비교 결과, 본 연구와 선행연구에서 제안된 설계방법들은, 예측 강도 대비 해석강도가 각각 평균 1.03, 1.08, 표준편차 11.0, 16.3 %로써 기존 설계기준 보다 접합부 강도를 정확하게 추정하는 것으로 나타났다. 또한 이 그림에서 콘크리트구조 설계기준d(KCI)에 제시된 강도산정식과 본 연구에서 제안된 강도산정모델에 의한 추정결과가 함께 비교되고 있는데, 기존의 설계기준에 의한 강도는 전반적으로해석결과를 과소평가하고 있으며 또한 큰 편차를 보이는 것을 알 수 있다.
12에는 접합부 측면의 편심전단강도에 대해, 비선형 수치해석 결과와 본 연구에서 개발한 전단강도식에 의한 추정 결과가 비교되어 있다. 비교결과, 제안된 전단 강도 식은 중력 하중에 의해 발생하는 압축응력의 크기에 따라 편심 전단 강도의 변화를 정확하게 추정하는 것으로 나타났다.
이처럼 위험단면의 형상비 cjd에 따라 접합부의 전단 강도가 저하되는 현상은, 비선형 수치해석결과와 Vanderbilt의 실험연구에서도 확인되었다 반면 본 연구에서 제안된 전단강도식은 위험단면 전체에 대해 평균 압축응력과 평균 전단응력의 관계를 사용하므로 양단부의 전단 강도가 조기에 국부적으로 저하되는 현상을 충분히 설명할 수 없다. 따라서 위험단면의 형상비에 따른 전단 강도의 저하현상을 고려하기 위해서, 수치해석결과에 근거하여 보정계수 λ 를 도입하여 접합부 전후면의 평균 전단 강도식을 다음과 같이 수정하였다.
후속연구
분석결과에 근거하여 접합부 위험 단면에 대해 개선된 편심전단강도모델을 개발하였다. 개발된 편심 전단강도식을 이용하여, 비선형 유한요소해석 결과에 근거하여 선행연구에서 개발하였던 슬래브-기둥 접합부의 설계방법을 재검증하였다 개발된 편심 전단 강도 모델은 다양한 설계변수에 대하여 기존의 설계식이나 이론식보다 접합부강도를 정확히 추정할 수 있으므로, 현행 설계기준의 개선에 활용될 수 있다.
접합부 설계방법을 개발하였다. 그러나 제안된 설계 방법에서는 접합부의 편심 전단강도를 경험식에 의존하는 한계가 있었다.
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