[논문]무량판 슬래브-기둥 내부 접합부에 대한 전단강도모델

최경규; 박홍근

doi:10.4334/jkci.2010.22.3.345

무량판 슬래브-기둥 내부 접합부에 대한 전단강도모델
Shear Strength Model for Interior Flat Plate-Column Connections 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.22 no.3, 2010년, pp.345 - 356

초록
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직접전단과 불균형모멘트를 재하받는 슬래브-기둥 내부 접합부에 대한 대체설계방법이 개발되었다. 슬래브-기둥 접합부는 뚫림전단파괴에 앞서서 휨균열에 의해서 손상을 받으므로, 이 연구에서는 위험단면의 압축대에서 대부분의 전단저항이 발휘된다고 가정하였다. 뚫림전단강도의 산정을 위하여, 슬래브 휨모멘트와 불균형모멘트에 의해서 유발되는 압축수직응력의 영향을 고려하였다. 압축수직응력과 전단응력 사이의 상관관계를 고려하기 위하여, Rankine의 콘크리트 재료파괴기준을 사용하였다. 제안된 강도모델은 실험 결과와의 비교를 통하여 검증하였다. 검증 결과, 제안된 설계방법은 ACI 318과 Eurocode 2 보다 우수한 강도추정능력을 가지고 있으며 직접전단 또는 직접전단-불균형모멘트 복합하중을 재하받는 슬래브-기둥 접합부의 설계에 사용될 수 있다는 점이 밝혀졌다.

Abstract ▼ AI-Helper

An alternative design method for interior flat plate-column connections subjected to punching shear and unbalanced moment was developed. Since the slab-column connections are severely damaged by flexural cracking before punching shear failure, punching shear was assumed to be resisted mainly by the compression zone of the slab critical section. Considering the interaction with the flexural moment of the slab, the punching shear strength of the compression zone was evaluated based on the material failure criteria of concrete subjected to multiple stresses. The punching shear strength was also used to evaluate the unbalanced moment capacity of the slab-column connections. For verification, the proposed strength model was applied to existing test specimens subjected to direct punching shear or combined punching shear and unbalanced moment. The results showed that the proposed method predicted the strengths of the test specimens better than current design methods in ACI 318 and Eurocode 2.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 모델은 휨응력의 변화에 따라 콘크리트 단면의 전단성능의 변화를 예측하고, 전단과 휨의 복합거동을 고려하여 콘크리트 단면의 전단강도를 비교적 정확하게 평가하였다. 이 연구에서는 이 변형률 기반 전단강도모델을 슬래브-기둥 접합부의 뚫림전단강도의 평가에 도입하여, 직접전단과 편심전단을 재하받는 접합부에 모두 사용될 수 있는 설계방법을 개발하였다. 제안된 모델은 실무적용을 위하여 단순화되었으며, 기존 실험 결과와의 비교를 통하여 적합성을 검증하였다.
이 연구에서는 직접 뚫림전단과 불균형모멘트를 재하 받는 슬래브-기둥 접합부의 강도평가를 위한 설계방법을 개발하였다. 제안된 설계방법에서는 휨에 의해서 발생하는 압축응력과 전단응력의 상호작용을 고려하기 위하여 재료파괴기준을 사용하였으며, 압축대의 변형률에 근거 하여 슬래브 단면의 전단강도를 정의하였다.

가설 설정

따라서 AB단계의 전단성능(식 (6))을 이용하여 측면의 최대전단강도는 v_cT = f_t로 정의하였다. 더구나 휨손상과 비틀림에 의한 균열방향과 파괴면의 형상이 서로 다르므로, 전후면과 달리 유효깊이 전체 d가 전단저항 또는 비틀림저항을 발휘한다고 가정하였다. 또한 슬래브기둥 접합부에서는 일방향 보와는 달리 각 위험단면에서직교방향으로 구속효과가 크므로, 이 연구에서는 측면에서 전단응력이 v_cT에 도달한 이후에 소성분포를 이룬다고 가정하였다(Eurocode2¹⁴⁾).
따라서 이 연구에서는 압축연화를 겪지 않은 압축대(0 ≤ z ≤ cu / α)에서만 전단응력성능이 발휘된다고 가정하였다(Fig.
더구나 휨손상과 비틀림에 의한 균열방향과 파괴면의 형상이 서로 다르므로, 전후면과 달리 유효깊이 전체 d가 전단저항 또는 비틀림저항을 발휘한다고 가정하였다. 또한 슬래브기둥 접합부에서는 일방향 보와는 달리 각 위험단면에서직교방향으로 구속효과가 크므로, 이 연구에서는 측면에서 전단응력이 v_cT에 도달한 이후에 소성분포를 이룬다고 가정하였다(Eurocode2¹⁴⁾). 직접전단응력의 영향을 고려한 측면의 유효전단강도는 (v_cT − v_g)이며, 따라서 측면에서 편심전단모멘트는 식 (18)로 정의된다.
이 연구에서는 간편설계방법을 개발하기 위하여 뚫림전단파괴시 압축변형률αεo = 0.002(α = 1)을 가정하였다.
두 조합응력에 대한 콘크리트 재료파괴기준으로서 Rankine(Chen²⁶⁾)의 파괴기준을 사용하였다. 이 파괴기준에서는 주응력이 콘크리트의 재료강도에 도달하면 재료파괴가 발생하는 것으로 가정하였다. 즉 압축대의 각 지점에 작용하는 주 압축응력이 압축강도 #에 도달하면 압축지배 전단파괴가 발생하며, 인장강도 #에 도달하면 인장지배 전단 파괴가 발생한다(Figs.
제안된 불균형모멘트강도모델에서 전후면의 휨모멘트 강도 M_F는 직접전단에 관계없이 일정하다. 반면 전후면과 측면의 편심전단에 의한 불균형모멘트강도(M_S + M_T)는 직접뚫림전단력 Vu와 선형의 관계로 정의되며, 따라서 V_u가 증가함에 따라서 (M_S + M_T)는 비례적으로 감소한다.

제안 방법

이 연구에서 제안된 설계방법은 기존 실험체에 적용되었으며, 그 예측 결과가 현행설계기준의 예측 결과와 비교되었다. 검증 결과, 이 연구에서 제안된 설계방법은 주요 설계변수에 따른 뚫림전단강도와 불균형모멘트강도의 변화를 비교적 정확하게 그리고 안전 측으로 예측하였다. 반면 ACI 318, Eurocode 2 등 현행 설계기준은 예측오차가 비교적 크며, 일부 실험체에 대하여 안전하지 않은 결과를 나타내었다.
모델에서는 콘크리트 압축대의 전단강도를 정확하게 산정하기 위하여, 압축대의 콘크리트에 작용하는 압축응력과 전단응력의 조합응력을 고려하였다. 두 조합응력에 대한 콘크리트 재료파괴기준으로서 Rankine(Chen²⁶⁾)의 파괴기준을 사용하였다.
는 콘크리트 보에 대하여 변형률 기반 전단강도모델을 개발하였다. 이 모델은 휨응력의 변화에 따라 콘크리트 단면의 전단성능의 변화를 예측하고, 전단과 휨의 복합거동을 고려하여 콘크리트 단면의 전단강도를 비교적 정확하게 평가하였다. 이 연구에서는 이 변형률 기반 전단강도모델을 슬래브-기둥 접합부의 뚫림전단강도의 평가에 도입하여, 직접전단과 편심전단을 재하받는 접합부에 모두 사용될 수 있는 설계방법을 개발하였다.
그 이유는 슬래브-기둥의 접합부 부근에서 휨변형에 의한 휨손상이 최대가 되고 전단파괴의 위험단면의 길이가 줄어드므로 전단성능이 최소가 되며, 반면 전단요구는 접합부 부근에서 최대가 되기 때문이다. 이 연구에서 간편설계식을 개발하기 위하여 현행 ACI318-08¹¹⁾의 설계기준(Fig. 1)을 따라서 기둥폭에 슬래브의 유효두께를 더하여 위험단면의 폭을 c₁ + d (또는 c₂ + d)로 정의하였다.
이 연구에서 개발된 강도산정모델의 검증을 위하여 제안된 설계방법을 기존 실험체에 적용하였다. 직접전단에 대한 슬래브-기둥 접합부와 직접전단 및 불균형모멘트를 함께 재하받는 접합부는 각각 Tables 1과 2에 주어져 있다.
이 전단강도를 사용하여 접합부의 직접전단강도와 뷸균형모멘트강도를 정의하였다. 이 연구에서 제안된 설계방법은 기존 실험체에 적용되었으며, 그 예측 결과가 현행설계기준의 예측 결과와 비교되었다. 검증 결과, 이 연구에서 제안된 설계방법은 주요 설계변수에 따른 뚫림전단강도와 불균형모멘트강도의 변화를 비교적 정확하게 그리고 안전 측으로 예측하였다.
일반적으로 대부분의 슬래브-기둥 접합부에는 직접 뚫림전단력과 함께 불균형모멘트가 재하되며, 이로 인하여, 위험단면에서 수직응력과 전단응력의 분포가 매우 복잡하다. 이 연구에서는 불균형모멘트에 대한 슬래브 기둥 접합부의 저항모멘트를 Fig. 10과 같이 5개의 모멘트 성분으로 구분하였다. M_Ff, M_Fb = 전면과 후면 슬래브의 휨 모멘트, M_Sf, M_Sb = 전면과 후면의 편심전단에 의한 모멘트, M_T = 측면의 편심전단에 의한 비틀림모멘트이다.
이 연구에서는 직접 뚫림전단과 불균형모멘트를 재하 받는 슬래브-기둥 접합부의 강도평가를 위한 설계방법을 개발하였다. 제안된 설계방법에서는 휨에 의해서 발생하는 압축응력과 전단응력의 상호작용을 고려하기 위하여 재료파괴기준을 사용하였으며, 압축대의 변형률에 근거 하여 슬래브 단면의 전단강도를 정의하였다. 이 전단강도를 사용하여 접합부의 직접전단강도와 뷸균형모멘트강도를 정의하였다.

이론/모형

모델에서는 콘크리트 압축대의 전단강도를 정확하게 산정하기 위하여, 압축대의 콘크리트에 작용하는 압축응력과 전단응력의 조합응력을 고려하였다. 두 조합응력에 대한 콘크리트 재료파괴기준으로서 Rankine(Chen²⁶⁾)의 파괴기준을 사용하였다. 이 파괴기준에서는 주응력이 콘크리트의 재료강도에 도달하면 재료파괴가 발생하는 것으로 가정하였다.
이 연구에서는 기존 연구에서 보고된 크기효과⁷⁾를 고려하기 위하여, British Standard8110¹³⁾의 크기효과계수 #를 사용하였다. 또한 ACI318-08¹¹⁾와 Manterola²⁹⁾의 실험연구에 의하면 접합부의 뚫림전단강도는 위험단면의 형상비에 영향을 받는다.

성능/효과

그림에서 주철근비가 증가하면 불균형모멘트강도는 점차 증가하고 중력하중의 크기가 증가하면 불균형 모멘트 강도는 조금씩 감소하는 경향이 있다. 그러나 ACI318이나 Eurocode 2에서 추정하는 것과 달리 직접 뚫림전단력의 증감에 따라 강도의 변화는 그다지 크지 않은 것으로 나타났다. 이들 그림에 나타나듯이, 이 연구에서 제안된 설계방법은 주요 설계변수에 따른 실험체의 뚫림 전단강도와 모멘트휨강도의 변화를 정확하게 예측하고 있다.
그러나 ACI318이나 Eurocode 2에서 추정하는 것과 달리 직접 뚫림전단력의 증감에 따라 강도의 변화는 그다지 크지 않은 것으로 나타났다. 이들 그림에 나타나듯이, 이 연구에서 제안된 설계방법은 주요 설계변수에 따른 실험체의 뚫림 전단강도와 모멘트휨강도의 변화를 정확하게 예측하고 있다.
이 연구에서는 이 변형률 기반 전단강도모델을 슬래브-기둥 접합부의 뚫림전단강도의 평가에 도입하여, 직접전단과 편심전단을 재하받는 접합부에 모두 사용될 수 있는 설계방법을 개발하였다. 제안된 모델은 실무적용을 위하여 단순화되었으며, 기존 실험 결과와의 비교를 통하여 적합성을 검증하였다.
3과 4에는 현행설계기준과 제안된 설계방법에 대하여 실험강도 대비 산정강도의 비가 제시되어 있다. 제안된 설계방법은 직접뚫림전단의 경우, 평균 1.08, COV는 15.3%이며, 불균형모멘트의 경우, 평균 1.29. COV는 14.
11에는 이 연구에서 제안한 직접전단 (V_u / V_n) -불균형모멘트(M_u / M_n)의 상관관계도와 실험결과를 비교하고 있다. 제안한 상관관계도는 주어진 설계변수 범위에서 콘크리트 압축강도가 증가하거나 주철근비가 증가 하면 뚫림전단강도가 증가한다. 이는 이 연구에서 제안된 설계방법에서는 뚫림전단강도가 압축대의 깊이와 밀접한 관계가 있기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비선형유한요소해석을 수행한 결과는?	이러한 단점을 보완하기 위하여 최근에 여러 연구자들이 보다 개선된 설계방법을 개발하고 있다. 박홍근과 최경규17)는 불균형모멘트를 받는 슬래브-기둥 접합부의 다양한 설계변수조건에 대하여 비선형유한요소해석을 수행하였고, 그 결과 기둥주위에서 발생하는 편심전단응력의 분포와 강도의 크기가 기존설계기준에서 사용하는 것과 크게 다르다는 것을 밝혔으며, 그 결과를 바탕으로 새로운 편심전단응력모델을 개발하였다. 이 외에도 Tian et al.
	무량판 구조의 슬래브-기둥 접합부의 단점은?	무량판 구조의 슬래브-기둥 접합부는 펀칭전단에 취약하여, 펀칭전단의 설계방법에 대하여 많은 연구가 수행 되어 왔다. 그러나 무량판 구조의 슬래브-기둥 접합부는 대표적인 응력교란영역(discontinuity region)1)으로 구조 거동이 복잡하며 취성적인 파괴양상을 보이므로 구조해석과 강도추정이 매우 어렵다. 그동안 슬래브-기둥 접합부의 파괴메커니즘을 구명하기 위하여 다양한 이론 및 실험연구들이 수행되어 왔다.
	슬래브-기둥 접합부의 파괴메커니즘을 규명하기 위한 이론 및 실험연구들의 사례로 어떤 것들이 있는가?	그동안 슬래브-기둥 접합부의 파괴메커니즘을 구명하기 위하여 다양한 이론 및 실험연구들이 수행되어 왔다. Yitzhaki,2) Long and Rankin3)은 실험연구 결과를 바탕으로 슬래브의 휨강도를 이용하여 뚫림강도를 정의하였으며, Pralong and Nielsen4)은 소성이론을 바탕으로 뚫림전단강도의 하한치와 상한치를 구명하였다. 또한 Kinnunen and Nylander5)는 전단균열의 진행양상에 대한 실험적 관측을 바탕으로 재료파괴기준에 근거하는 역학적 모델을 개발하였다. 이 모델은 슬래브-기둥 접합부 부근의 복잡한 응력흐름을 시각화하고 접합부의 파괴메커니즘을 구명하는데 크게 기여하였다. 한편, Alexander and Simmonds6)는 스트럿-타이 모델을 이용하여 슬래브-기둥 접합부의 강도산정모델을 개발하였으며, Bazant and Cao7)는 파괴역학에 근거하여 크기효과를 고려하는 뚫림전단강도모델을 개발하였다.

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