[논문]저층형 철근콘크리트 전단벽의 전단강도 평가를 위한 스트럿-타이 모델

문주현; 양근혁

doi:10.4334/jkci.2015.27.6.615

저층형 철근콘크리트 전단벽의 전단강도 평가를 위한 스트럿-타이 모델
Strut-and-Tie Model for Shear Strength of Reinforced Concrete Squat Shear Walls 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.27 no.6, 2015년, pp.615 - 623

문주현 (경기대학교 일반대학원 건축공학과) , 양근혁 (경기대학교 플랜트.건축공학과)

초록
AI-Helper

철근콘크리트 전단벽의 전단강도를 예측하기 위한 기존 연구자들의 스트럿-타이 모델(STM)들은 횡하중 및 상부의 축력에 대한 전단벽의 내부 힘의 흐름과 웨브의 전단철근에 의해 전달되는 전단력의 비율을 명확히 제시하고 있지 않다. 이를 개선하기 위해서, 이 연구에서는 콘크리트 파괴역학의 균열 띠 이론을 기반한 단순한 STM을 개발하였다. 응력이완 스트립을 동반하는 콘크리트 스트럿의 등가유효너비는 중립축 깊이와 콘크리트 유효압축강도 계수로 결정되었다. 균열 띠 확장영역의 전단 전달 메커니즘은 강성법에 의한 트러스 작용으로부터 산정되었다. 웨브 콘크리트 스트럿과 전단철근에 의한 전단 전달력은 응력이완 스트립과 균열 띠 이론을 기반한 에너지평형조건으로부터 유도되었다. 제시된 모델은 Siao와 Hwang et al.의 STM에 비해 150여개의 기존 실험결과의 경향을 잘 예측하였다. 또한, 제시된 STM은 각 변수에 따른 무차원된 전단강도의 경향을 잘 반영하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The previous strut-and-tie models (STMs) to evaluate the shear strength of squat shear walls with aspect ratio less than 2.0 do not consider the axial load transfer of concrete strut and individual shear transfer contribution of horizontal and vertical shear reinforcing bars in the web. To overcome the limitation of the existing models, a simple STM was established based on the crack band theory of concrete fracture mechanics. The equivalent effective width of concrete strut having a stress relief strip was determined from the neutral axis depth and effective factor of concrete strength. The shear transfer mechanism of shear reinforcement at the extended crack band zone was calculated from an internally statically indeterminate truss system. The shear transfer capacity of concrete strut and shear reinforcement was then driven using the energy equilibrium in the stress relief strip and crack band zone. The shear strength predictions of squat shear walls evaluated from the current models are in better agreement with 150 test results than those determined from STMs proposed by Siao and Hwang et al. Furthermore, the proposed STM gives consistent agreement with the observed trend of the shear strength of shear walls against different parameters.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이 연구의 목적은 전단벽에서 외력에 대한 힘의 흐름과 웨브의 전단 전달력을 적절하게 반영하면서 부재의 전단강도를 평가할 수 있는 STM을 제시하는 것이다. 스트럿-타이 및 웨브의 전단철근 타이작용에 의한 하중전달의 기본방정식은 파괴역학의 균열 띠 이론⁹⁾과 에너지 평형조건을 이용하여 유도하였다.

가설 설정

Wood5)와 Gulec and Whittaker6)의 경험식 모델은 특히 전단파괴가 주로 슬라이딩에 의해 지배된 저층형 전단벽의 실험결과를 기반하였기 때문에 웨브에서 전달되는 전단력을 대부분 수직 전단철근에 의해 전달되는 것으로 가정하였다.
콘크리트 스트럿과 타이에 작용하는 부재력들은 절점에서 교차하며, 힘의 평형을 이룬다. 콘크리트 스트럿은 프리즘으로 가정하였다.^2,3,7) 저층형 RC 전단벽의 전단강도를 예측을 위한 스트럿-타이 모델은 Bažant and Planas⁹⁾의 균열 띠 이론을 이용하였고 이에 따른 기본 가정은 다음과 같다: 1) 콘크리트 스트럿에서 발생된 응력이완 스트립(stress relief strip)은 쪼갬 미세균열(splitting micro-cracks)로 구성된 균열 띠를 갖는 사인장 균열에 집중된다(Fig.

제안 방법

또한, 전단철근에 의해 전달되는 전단력의 비는 트러스 작용에 의한 강성법으로 결정하였다. 기본방정식의 실험상수들은 기존의 150개의 전단지배형 실험결과들⁸⁾로부터 수직 및 수평 전단철근비와 축력비의 함수로 결정하였다. 제시된 STM을 이용하여 주요 변수들이 전단벽의 전단강도에 미치는 영향을 평가하였다.
이 연구의 목적은 전단벽에서 외력에 대한 힘의 흐름과 웨브의 전단 전달력을 적절하게 반영하면서 부재의 전단강도를 평가할 수 있는 STM을 제시하는 것이다. 스트럿-타이 및 웨브의 전단철근 타이작용에 의한 하중전달의 기본방정식은 파괴역학의 균열 띠 이론⁹⁾과 에너지 평형조건을 이용하여 유도하였다. 특히 균열 띠 이론⁹⁾에서는 횡하중 및 축력이 반영된 응력이완과 확장영역을 고려하였다.
기본방정식의 실험상수들은 기존의 150개의 전단지배형 실험결과들⁸⁾로부터 수직 및 수평 전단철근비와 축력비의 함수로 결정하였다. 제시된 STM을 이용하여 주요 변수들이 전단벽의 전단강도에 미치는 영향을 평가하였다.

대상 데이터

제시된 모델은 경계요소에 관계없이 단면이 장방형, 바벨형 및 플랜지형, fck가 15~100 MPa, as가 0.5~2.0, ρs가 0~0.08, ρv 및 ρh가 0.002~0.05, RN가 0~0.3의 적용범위를 갖는다.

데이터처리

13). 비교는 전단강도의 실험값에 대한 각 예측모델값의 비((V_n)_Exp/(V_n)_Pre)의 평균 및 표준편차를 이용하였다. Siao²⁾의 모델은 (V_n)_Exp/(V_n)_Pre의 평균이 0.
3의 적용범위를 갖는다. 제시된 저층형 전단벽의 전단강도는 스트럿-타이 모델을 기반한 기존 예측모델^2,3)과 함께 총 150개의 RC 전단벽의 실험결과⁸⁾와 비교하였다(Fig. 13). 비교는 전단강도의 실험값에 대한 각 예측모델값의 비((V_n)_Exp/(V_n)_Pre)의 평균 및 표준편차를 이용하였다.

이론/모형

또한 수직 및 수평 전단철근에 의해 전달되는 전단력의 비율은 강성법에 의해 제시된 Schäfer10)의 모델을 이용하였다.
특히 균열 띠 이론⁹⁾에서는 횡하중 및 축력이 반영된 응력이완과 확장영역을 고려하였다. 또한, 전단철근에 의해 전달되는 전단력의 비는 트러스 작용에 의한 강성법으로 결정하였다. 기본방정식의 실험상수들은 기존의 150개의 전단지배형 실험결과들⁸⁾로부터 수직 및 수평 전단철근비와 축력비의 함수로 결정하였다.
는 확장영역의 길이를 나타낸다. 수직 및 수평 전단철근에 의해 분담되는 전단력의 비는 강성법에 의해서 결정하였다. 이를 위한 트러스 작용에 의한 전단전달 메커니즘을 Fig.
0 이하인 저층형 전단벽은 응력흐름이 비선형인 D-영역으로 분류된다. 이를 고려하여 Siao²⁾는 저층형 RC 전단벽의 V_n을 예측하기 위해서 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 깊은 보에서 정립된 개선된 콘크리트 스트럿(refined concrete strut)-타이 모델을 이용하였다. 또한 Siao²⁾의 STM은 축응력(σ_p)을 도입함으로서 RC 전단벽의 N_u를 고려하여 제시된 V_n은 다음과 같다.
콘크리트 파괴에너지(G_f)는 다음의 Sim et al.¹⁶⁾의 모델을 이용하였다.
또한 수직 및 수평 전단철근에 의해 전달되는 전단력의 비율은 강성법에 의해 제시된 Schäfer¹⁰⁾의 모델을 이용하였다. 특히 V_n의 정해를 산정하기 위한 연화된 콘크리트 응력-변형률 관계는 다음의 Zhang and Hsu¹¹⁾의 모델을 이용하였다.

성능/효과

2) 제시된 스트럿-타이 모델은 파괴역학의 균열 띠 이론과 에너지평형조건을 이용하여 저층형 전단벽 웨브에서 전달되는 힘의 흐름과 수직 및 수평 전단철근에 의한 전단전달력을 합리적으로 평가할 수 있었다.
3) 전단철근이 배근된 저층형 전단벽에서 횡하중에 대한 수평 및 수직 전단철근에 의한 전달력의 비는 0.15~0.75로 평가된 반면, 축력에 의한 그 전달력의 비는 작았다.
4) 스트럿-타이 모델을 기반하여 제시된 본 연구의 모델은 실험결과와의 비교에서 평균 및 표준편차가 각각 1.06과 0.18로서 저층형 전단벽의 전단강도를 잘 예측하였다.
^2,3,7) 저층형 RC 전단벽의 전단강도를 예측을 위한 스트럿-타이 모델은 Bažant and Planas⁹⁾의 균열 띠 이론을 이용하였고 이에 따른 기본 가정은 다음과 같다: 1) 콘크리트 스트럿에서 발생된 응력이완 스트립(stress relief strip)은 쪼갬 미세균열(splitting micro-cracks)로 구성된 균열 띠를 갖는 사인장 균열에 집중된다(Fig. 5); 2) 전단벽의 파괴는 균열 띠 내력의 응력전달이 한계에 도달할 때이다; 3) 철근의 장부작용은 무시한다; 4) 경계요소의 휨 철근과 웨브의 전단철근의 응력은 항복이전이다; 5) 전단벽의 전단강도(V_n)는 콘크리트(V_c)와 전단철근(V_s)이 각각 분담하는 내력의 합이다.
Siao2)의 모델은 (Vn)Exp/(Vn)Pre의 평균이 0.85로서 실험결과를 불안전측으로 평가하였는데, 그 불안전측의 정도는 ρh +ρv가 감소할수록 증가하였다(Fig.
³⁾의 모델에서 일정한 범위에서 불안전측으로 평가한 이유는 전단벽의 N_u의 흐름을 명확히 반영하지 못하기 때문이다. 반면, 본 연구에서 제시된 모델은 실험결과와의 비교에서 평균과 표준편차가 각각 1.12와 0.25으로서 저층형 전단벽의 V_n을 잘 예측하였다(Fig. 13(c)).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부재의 전단강도를 평가할 수 있는 STM을 제시하기 위해서 고려한 사항들은 무엇인가?	이 연구의 목적은 전단벽에서 외력에 대한 힘의 흐름과 웨브의 전단 전달력을 적절하게 반영하면서 부재의 전단강도를 평가할 수 있는 STM을 제시하는 것이다. 스트럿-타이 및 웨브의 전단철근 타이작용에 의한 하중전달의 기본방정식은 파괴역학의 균열 띠 이론9)과 에너지 평형조건을 이용하여 유도하였다. 특히 균열 띠 이론9)에서는 횡하중 및 축력이 반영된 응력이완과 확장영역을 고려하였다. 또한, 전단철근에 의해 전달되는 전단력의 비는 트러스 작용에 의한 강성법으로 결정하였다. 기본방정식의 실험상수들은 기존의 150개의 전단지배형 실험결과들8)로부터 수직 및 수평 전단철근비와 축력비의 함수로 결정하였다. 제시된 STM을 이용하여 주요 변수들이 전단벽의 전단강도에 미치는 영향을 평가하였다.
	ACI318-11의 단점은 무엇인가?	ACI318-114)의 기준은 저층형 RC 전단벽의 전단강도를 예측하기 위해서 내부 힘의 흐름을 규명할 수 있는 스트럿-타이 모델(strut-and-tie model, STM)의 적용을 허용하고 있다. 하지만, ACI318-114)은 STM에서 전단벽 외부에 작용하는 외력에 대해 힘의 흐름을 사용자가 직접적으로 결정해야 하며, 웨브 전단철근의 전단전달력에 대한 상세한 규정이 없어 수직 및 수평 전단철근의 배근상세 설계가 어렵다. 반면, 기존 연구자들2,3)은 전단벽의 웨브에서 콘크리트와 수직 및 수평 전단철근의 전단전달력을 평가할 수 있는 STM을 제시하였다.
	형상비가 2.0 이하인 전단벽의 특징은 무엇인가?	철근 콘크리트(reinforced concrete, RC) 전단벽의 전단 강도는 대부분 웨브의 콘크리트와 전단철근에 의해 기초로 전달된다.1-3) 형상비가 2.0 이하인 전단벽은 휨 보다는 횡하중에 의한 전단에 의해 지배되므로 웨브에서 콘크리트와 수직 및 수평 전단철근의 전단전달력의 평가가 중요하다. 하지만 기존 대부분의 경험식들4-6)은 웨브에서의 전단전달력을 단순히 수평 또는 수직 전단철근만의 전단 강도로 고려하고 있어 전단벽에서 전단철근이 과대하게 설계되는 문제점이 지적되고 있다.

참고문헌 (24)

Park, R., and Paulay, T., "Reinforced Concrete Structures", Wiley Interscience Publication, New Jersey, USA, 1933, p.769.
Siao, W. B., "Shear Strength of Short Reinforced Concrete Walls, Corbels, and Deep Beams", ACI Structural Journal, Vol.91, No.2, 1994, pp.123-132.

상세보기
Hwang, S. J., Fang, W. H., Lee, H. J., and Yu, H. W., "Analytical Model for Predicting Shear Strength of Squat Walls", Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.127, No.1, 2001, pp.43-50.

상세보기
ACI Committee 318, "Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318M-11) and Commentary", American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, USA, 2011, p.503.
Wood, S. L., "Shear Strength of Low-Rise Reinforced Concrete Walls, ACI Structural Journal, Vol.87, No.1, 1990, pp.99-107.
Gulec, C. K., and Whittaker, A. S., "Empirical Equations for Peak Shear Strength of Low Aspect Ratio Reinforced Concrete Walls", ACI Structural Journal, Vol.108, No.1, 2011, pp.80-89.

상세보기
Yang, K. H., "Development of Performance-Based Design Guideline for High-density Concrete Walls", Technical Report (2nd year). Kyonggi University, 2013, p.115 (in Korean).
Mun, J. H., "Flexure and Shear Design Approach of High-Weight Concrete Shear Walls", Ph.D. Thesis, Architectural Engineering, Kyonggi University, South Korea, 2014 (in Korean).
Bazant, Z. P., and Planas, J., "Fracture and Size Effect in Concrete and Other Quasibrittle Materials", CRC, New York, 1998.
Schafer, K., "Strut-and-Tie Models for the Design of Structural Concrete, Notes of Workshop", Department of Civil Engineering, National Cheng Kung University, Tainan, Taiwan, 1996.
Zhang, L. X. B., and Hsu, T. T. C., "Behavior and Analysis of 100 MPa Concrete Member Membrane Elements," Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.124, No.1, 1998, pp.24-34.

상세보기
Yang, K. H., and Ashour, A. F., "Strut-and-Tie Model Based on Crack Band Theory for Deep Beams", Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.137, No.10, 2011, pp.1030-1038.

상세보기
CEP-FIP Model Code 1990, "Design of Concrete Structures", Comite Euro-International du Beton, Thomas Telford Services Ltd, London, 1993.
Marti, P., "Basic Tools of Reinforced Concrete Beam Design", ACI Journal, Vol.82, No.1, 1985, pp.46-56.

상세보기
Mun, J. H., and Yang, K. H., "Plastic Hinge Lengths Model for Reinforced Concrete Slender Shear Walls", Magazine of Concrete Research, Accepted, 2014.
Sim, J. I., Yang, K. H., Lee, E. T., and Yi, S. T., "Effect of Aggregate and Specimen Sizes on Lightweight Concrete Fracture Energy", Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, Vol.26, No.5, 2014, pp.845-854.

상세보기
Hirosawa, M., "Past Experimental Results on Reinforced Concrete Shear Walls and Analysis on Them", Kenchiku Kenkyu Shiryo No. 6, Building Research Institute, Ministry of Construction, 1975 (in Japanese).
Tan, K. H., Kong, F. K., Teng, S., and Weng, L. W., "Effect of Web Reinforcement on High-Strength Concrete Deep Beams", ACI Structural Journal, Vol.94, No.5, 1997, pp.572-582.

상세보기
Maier, J., "Shear Wall Tests", Concrete Shear in Earthquake, University of Houston, 1992.
Lefas, L. D., Kotsovos, M. D., and Ambraseys, N. N., "Behavior of Reinforced Concrete Structural Walls: Strength, Deformation Characteristics and Failure Mechanism", ACI Structural Journal, Vol.87, No.1, 1990, pp.23-31.
Bazant, Z. P., and Sun, H. H., "Size Effect in Diagonal Shear Failure: Influence of Aggregate Size and Stirrups", ACI Materials Journal, Vol.84, No.4, 1987, pp.259-272.

상세보기
Wallace, J. W., "Behavior and Design of High-Strength RC Walls", ACI Special Publication, Vol.176, 1998, pp.259-279.
Wasiewicz, Z. F., "Sliding Shear in Low-Rise Shear Wall under Lateral Load Reversals", M.S. Thesis, Department of Civil Engineering, Ottawa University, Canada, 1988.
Yun, H. D., "Seismic Resistance of High Strength Reinforced Concrete Structural Walls", Ph.D. Thesis, Architectural Engineering, Hanyang University, South Korea, 1994 (in Korean).

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증