[논문]중력전단비에 따른 철근콘크리트 플랫 플레이트 골조의 내진 성능 평가

황보진; 한상환; 박영미

doi:10.4334/jkci.2010.22.1.003

중력전단비에 따른 철근콘크리트 플랫 플레이트 골조의 내진 성능 평가
Seismic Performance of Reinforced Concrete Flat Plate Frames according to Gravity Shear Ratio 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.22 no.1, 2010년, pp.3 - 10

황보진 (한양대학교 건축공학과) , 한상환 (한양대학교 건축공학과) , 박영미 (한양대학교 건축공학과)

초록
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이 연구에서는 중력 전단비에 따른 철근콘크리트 플랫 플레이트 골조의 내진성능을 평가하였다. 이를 위하여, 이 연구에서는 3층, 7층 골조를 중력하중만 고려하여 설계하고, 대상 건물에 대한 비선형 정적 푸쉬 오버 해석과 비선형 동적 해석을 수행하였다. 그리고 이 연구는 그 비선형 해석에서 중력 전단비의 차이에 따른 뚫림 전단과 파괴 메커니즘을 예측할 수 있도록 제안한 슬래브-기둥 접합부 모델을 사용하였다. 이 연구 결과에 따르면 중력 전단비가 골조의 내진성능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히 중력 전단비가 커짐에 따라 골조 접합부의 파괴가 취성적인 파괴를 나타내어 내진 성능이 떨어지는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluates the seismic performance of reinforced concrete (RC) flat plate structures relation to the gravity shear ratio. For this purpose, 3 and 7 story framed buildings were designed for gravity loads only. Subsequently, a nonlinear static pushover analysis and a nonlinear time history analysis for the prototype buildings were carried out. In the nonlinear analysis, newly propose analytical slab-column joint model was utilized to capture punching shear failure and fracture mechanism in the analysis. The analytical results showed that seismic performance of RC flat plate frame is strongly influenced by the gravity shear ratio. In particularly, in the RC flat plate frame with a large gravity shear ratio the lateral strength and maximum drift capacity decreased significantly.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

사용된 지반 가속도의 지역은 UBC기준¹¹⁾ seismic zone 4, 3, 2A에 해당하는 LA 지역과 시애틀 지역, 그리고 보스톤 지역을 선정하였다. 국내와 유사한 중 약진 지역뿐만 아니라 강진지역에서 중력하중만으로 설계된 플랫 플레이트 골조의 내진 성능을 함께 알아보기 위하여 이 세 지역의 지반 가속도를 선택하였다. 세 지역의 지반 가속도들은 50년에 초과 확률 10%(재현주기 474년)와 50년에 초과 확률 2%(재현주기 2475년)의 두 가지 hazard level에 대하여 각각 20개의 지반 가속도 기록을 사용하였으며,¹²⁾ 이를 Fig.
비선형 정적 해석은 푸쉬 오버 결과를 통해 골조의 성능을 평가하는 방법으로 동적 해석에서 알 수 없는 비선형 거동 특성을 파악할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 다른 중력전단비를 갖는 RC 플랫 플레이트 골조의 비선형 거동 특성을 알아보고자 정적 푸쉬 오버 해석을 수행하였다.
51로 나타났다. 이 연구에서는 대상건물의 뚫림 전단파괴에 대하여 내부의 중력전단 비를 중심으로 설명하였다. 콘크리트의 설계 압축강도는 30 MPa로, 철근의 항복강도는 400 MPa로 가정하였다.
이 연구에서는 지진에 대한 비선형 시간 이력 해석을 수행하여 RC 플랫 플레이트 골조의 내진 성능 평가를 수행하였다. 사용된 지반 가속도의 지역은 UBC기준¹¹⁾ seismic zone 4, 3, 2A에 해당하는 LA 지역과 시애틀 지역, 그리고 보스톤 지역을 선정하였다.

가설 설정

프로그램을 사용하였으며, P − ∆효과를 반영 하였다. RC 플랫 플레이트 골조의 슬래브에 작용하는 중력하중은 집중 하중으로 기둥에 직접 작용하고, 중력하 중에 대한 모멘트는 슬래브 단부에 작용하는 것으로 가정하였다.
이 연구에서는 대상건물의 뚫림 전단파괴에 대하여 내부의 중력전단 비를 중심으로 설명하였다. 콘크리트의 설계 압축강도는 30 MPa로, 철근의 항복강도는 400 MPa로 가정하였다. 구조물의 설계를 위하여 상용 프로그램인 MIDAS-GenW⁶⁾를 사용하였다.

제안 방법

밑면 전단력은 1층의 기둥에 작용하는 전단력을 합하여 계산하였고, 최대 층간 변위비는 주어진 횡하중 상태에서 각 층에서 발생한 층간 변위 중 최대값을 찾아 나눈 것이다. 그리고 지붕 층 변위비는 지붕 층 횡변위를 구조물 전체 높이로 나누어 계산하였다. 이 연구에서 최대변위는 최대 강도의 80%를 파괴 시점으로 결정하였다.
에서 제안된 슬래브-기둥 접합부 모델을 사용하여 내진 성능 평가를 수행하였다. 또한 중력전단비에 따라 접합부의 거동이 내진 성능에 미치는 영향을 살펴보고, 이를 위하여 비선형 정적 푸쉬 오버 해석과 지진 운동에 대한 비선형 동적 해석을 수행하였다.
이 연구는 중력하중만으로 설계된 3층, 7층 RC 플랫 플레이트를 중력전단비(Vu/φVc)를 변수로 하여 선행 연구4)에서 제안된 슬래브-기둥 접합부 모델을 사용하여 내진 성능 평가를 수행하였다.
그리고 지붕 층 변위비는 지붕 층 횡변위를 구조물 전체 높이로 나누어 계산하였다. 이 연구에서 최대변위는 최대 강도의 80%를 파괴 시점으로 결정하였다.
이 연구에서는 뚫림 전단파괴에 가장 큰 영향을 주는 중력전단비의 영향을 변수로 하여 3층과 7층의 플랫 플레이트 건물을 설계하였다. 설계는 중력하중만을 고려하여 ACI318-05⁵⁾에 따라 수행하였다.
이 연구에서는 중력전단비의 차이에 따른 RC 플랫 플레이트 골조에 대해 비선형 정적 해석과 비선형 동적 해석을 통하여 내진 성능 평가를 수행하였다.
정적 푸쉬 오버 해석을 위하여 Fig. 1(b)와 같은 FEMA 35610)에서 제안한 식에 따라 횡하중 분포를 구하였다.

대상 데이터

대상 건물의 용도는 중력전단비의 차이를 갖는 일반 주거 및 사무실 그리고 판매장의 2가지로 선정하였다. 슬래브의 고정하중은 자중(23.
설계는 중력하중만을 고려하여 ACI318-05⁵⁾에 따라 수행하였다. 대상 골조는 Fig. 1과 같이 층고 3.5 m, 경간 6m를 갖는 양방향 3경간의 정방형 골조이다. 슬래브의 두께는 200 mm로 정하였고, 기둥의 크기는 600 × 600 mm로 하였다.
이 연구에서는 지진에 대한 비선형 시간 이력 해석을 수행하여 RC 플랫 플레이트 골조의 내진 성능 평가를 수행하였다. 사용된 지반 가속도의 지역은 UBC기준¹¹⁾ seismic zone 4, 3, 2A에 해당하는 LA 지역과 시애틀 지역, 그리고 보스톤 지역을 선정하였다. 국내와 유사한 중 약진 지역뿐만 아니라 강진지역에서 중력하중만으로 설계된 플랫 플레이트 골조의 내진 성능을 함께 알아보기 위하여 이 세 지역의 지반 가속도를 선택하였다.

데이터처리

비선형 정적 푸쉬 오버 해석과 비선형 동적 해석은 OpenSees7) 프로그램을 사용하였으며, P − ∆효과를 반영 하였다.

이론/모형

콘크리트의 설계 압축강도는 30 MPa로, 철근의 항복강도는 400 MPa로 가정하였다. 구조물의 설계를 위하여 상용 프로그램인 MIDAS-GenW⁶⁾를 사용하였다. 골조의 진동 주기는 OpenSees⁷⁾를 이용하여 고유치 해석을 수행하여 Table 1에 정리하였다.
4는 5%의 감쇠비를 갖는 20개의 지진 운동에 대해 개별적인 응답 스펙트럼과 평균 응답 스펙트럼을 나타내었으며, FEMA35610)에서 제시한 방법에 따라 작성한 응답 스펙트럼도 나타내었다. 또한 20개씩의 지반 가속도에 대한 응답 스펙트럼의 신뢰도를 높이기 위해 scale factor 를 적용하였다. 50년 2% 지진과 50년 10% 지진에 대한 scale factor는 LA 지역의 경우 각각 0.
이 연구에서는 뚫림 전단파괴에 가장 큰 영향을 주는 중력전단비의 영향을 변수로 하여 3층과 7층의 플랫 플레이트 건물을 설계하였다. 설계는 중력하중만을 고려하여 ACI318-05⁵⁾에 따라 수행하였다. 대상 골조는 Fig.
이 연구에서는 선행 연구⁴⁾에서 제안한 접합부 모델을 사용하여 RC 플랫 플레이트 골조를 모델링하였다. Fig.

성능/효과

1) 비선형 정적 해석 결과 중력전단비가 0.46에서는 연 성적인 휨지배 파괴가 나타났으며, 0.59에서는 취성적인 전단지배 파괴를 나타내었다.
2) 정적 해석 시 중력전단비가 큰 경우, 최대 밑면 전단력과 최대 층간 변위는 작은 경우보다 3층 골조에서 각각 45.57%, 70.73% 감소하였고, 7층 골조에서 각각 46.93%, 66.67% 성능이 크게 감소한 것을알 수 있다. 즉, 중력전단비의 증가는 슬래브-기둥 접합부의 전단응력을 가중시켜 횡 변형 능력을 감소시키는 것으로 나타났다.
3) 동적 해석 결과 LA지역의 10/50 지진에서 모든 골 조에서 LS 한계 층간 변위를 초과하였고, 중력전단 비가 큰 경우 7층 골조에서는 CP 한계 층간 변위를 초과하였다. 50년 2% 지진에 대해서는 모든 골조가 CP 한계 층간 변위를 초과하여 나타났다.
4) 동적 해석 결과 LA지역에서 50년 10%와 50년 2%지진에 대하여 모든 골조에서 소성 힌지와 뚫림 전단파괴가 발생하였다. 시애틀 지역의 50년 2% 지진에서 소성 힌지와 뚫림 전단파괴가 발생하였으나, 50년 10% 지진에서는 발생하지 않았다.
50년의 10% 지진에서는 중력전단비의 크기에 관계없이 두 골조 모두가 LS 한계 층간 변위를 초과하지 않았다. 그리고 50년의 2% 지진에 대해서는 중력전단비가 작은 경우 CP 한계 층간 변위는 초과하지 않았으나, 중력전단비가 큰 경우 CP 한계 층간 변위를 넘어서는 것으로 나타났다. 중력전단비가 큰 경우에서 3층과 7층 골조의 최대 층간 변위는 작은 경우보다 각각 1.
따라서 주거 및 사무실 건물의 내부와 외부 접합부의 중력전단비(Vu / φVc, φ = 0.75)는 각각 0.46과 0.39로 나타났으며, 판매점 건물은 내부와 외부 접합부의 중력 전단비는 각각 0.59와 0.51로 나타났다.
50년 2% 지진에 대해서는 모든 골조가 CP 한계 층간 변위를 초과하여 나타났다. 시애틀 지역의 50년 10% 지진에서 모든 골조가 LS 한계 층간 변위를 초과하지 않았으며, 50년 2% 지진에 대해서는 판매장의 골조만이 CP 한계 층간 변위를 넘어서는 것으로 나타났다. 이는 중력전단비가 큰 경우 더 작은 지붕 층 변위에서 LS와 CP 한계 층간 변위에 도달하는 것을 의미한다.
67% 성능이 크게 감소한 것을알 수 있다. 즉, 중력전단비의 증가는 슬래브-기둥 접합부의 전단응력을 가중시켜 횡 변형 능력을 감소시키는 것으로 나타났다. 그리고 7층 골조가 3층 골조보다 최대 층간 변위비가 작게 나타난 것은 P-∆효과에 의하여 횡력 저항 능력이 감소되었기 때문으로 판단된다.
Table 2에는 중력전단비에 따라 최대 강도와 최대 변위를 비교하였다. 최대 밑면 전단력을 비교해보면 중력 전단비가 작은 경우보다 큰 경우, 3층과 7층 골조에서 각각 45.57%, 4.6.93% 감소하는 것으로 나타났다. 최대 지붕층 변위에서는 3층은 74.
재현 주기 50년 10%의 지진에서는 모든 골조에서 LS 한계 층간 변위를 초과하였고, 큰 중력전단비의 7층 골조에서는 CP 한계 층간 변위를 초과하였다. 최대 층간 변위는 큰 중력전단비가 작은 경우보다 3층과 7층에서 각각 1.33배, 1.48배 크게 나타났다. 그리고 50년의 2% 지진에 대해서는 모든 골조가 CP 한계 층간 변위를 초과 하여 나타났다.
그리고 50년의 2% 지진에 대해서는 모든 골조가 CP 한계 층간 변위를 초과 하여 나타났다. 큰 중력전단비에서 최대 층간 변위는 3층과 7층에서 작은 경우보다 각각 1.43배, 1.56배 크게 나타났다. 이는 중력전단비가 큰 경우 더 작은 지붕층 변위에서 LS와 CP 한계 층간 변위에 도달하는 것을 의미한다.

후속연구

5) 플랫 플레이트의 골조의 내진 성능 평가 시 중력전단비의 영향을 반영하여야 하며 높은 중력 전단비를 갖는 플랫 플레이트 골조인 경우 충분한 내진 성능 평가를 통해 안정성 검토가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플랫 플레이트 구조의 장점은 무엇인가?	플랫 플레이트 구조는 층고 절감, 공간의 유연성, 공기 단축 등의 장점으로 널리 사용되고 있다. 플랫 플레이트 골조는 중력저항시스템인 보통 모멘트 골조 또는 ACI 318-05에서 제시한 특별한 상세를 만족하는 중간 모멘트 골조로 설계하여 단독으로 지진하중에 저항하도록 설계하기도 한다.
	지진과 같은 횡하중이 작용할 때, 중력 하중만으로 설계된 플랫 플레이트 골조를 적용하면 어떤 위험이 증가하는가?	지진과 같은 횡하중이 작용할 때, 중력하중만으로 설계된 플랫 플레이트 골조는 일체화된 횡력 저항 시스템의 횡변형과 동일한 변형을 일으킨다. 따라서 이러한 횡 변형은 슬래브-기둥 접합부에 설계시 고려되지 않았던 불균형 모멘트가 발생하고, 이로 인한 접합부의 뚫림 전단파괴의 위험은 증가된다. 접합부의 뚫림 전단파괴는 급작스럽게 일어나기 때문에, 일반 RC 보-기둥 골조와 달리 슬래브-기둥 접합부의 뚫림 전단파괴의 예측은 매우 중요하다.
	플랫 플레이트 골조는 어떻게 설계하는가?	플랫 플레이트 구조는 층고 절감, 공간의 유연성, 공기 단축 등의 장점으로 널리 사용되고 있다. 플랫 플레이트 골조는 중력저항시스템인 보통 모멘트 골조 또는 ACI 318-05에서 제시한 특별한 상세를 만족하는 중간 모멘트 골조로 설계하여 단독으로 지진하중에 저항하도록 설계하기도 한다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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상세보기
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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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