본 연구에서는 고강도 콘크리트 기둥-일반강도 콘크리트 슬래브 접합부의 구속도, 형상비 (h/c), 강도비 ($f^{\prime}_{cc}/f_{cs}$)에 따른 구조거동 분석하였다. 유한요소해석 프로그램을 통해 해석적 연구가 수행되었으며, 해석 방법의 검증을 위하여 기존의 구조 실험과 동일한 조건의 해석 부재를 제작하여 결과를 비교하였다. 부재의 종류는 내부기둥, 외부기둥, 모서리기둥, 독립기둥으로 분류하였으며 내부기둥에서 가장 높은 극한강도를 보였다. 또한 형상비가 증가할수록 접합부에 작용하는 축방향 응력이 작게 나타났으며 강도비가 증가할수록 부재의 극한강도가 상승하였으나 1.83이후로는 뚜렷한 강도 증진을 나타내지 않았다.
본 연구에서는 고강도 콘크리트 기둥-일반강도 콘크리트 슬래브 접합부의 구속도, 형상비 (h/c), 강도비 ($f^{\prime}_{cc}/f_{cs}$)에 따른 구조거동 분석하였다. 유한요소해석 프로그램을 통해 해석적 연구가 수행되었으며, 해석 방법의 검증을 위하여 기존의 구조 실험과 동일한 조건의 해석 부재를 제작하여 결과를 비교하였다. 부재의 종류는 내부기둥, 외부기둥, 모서리기둥, 독립기둥으로 분류하였으며 내부기둥에서 가장 높은 극한강도를 보였다. 또한 형상비가 증가할수록 접합부에 작용하는 축방향 응력이 작게 나타났으며 강도비가 증가할수록 부재의 극한강도가 상승하였으나 1.83이후로는 뚜렷한 강도 증진을 나타내지 않았다.
In this study, the structural performance of high strength concrete (HSC) column-normal strength concrete (NSC) slab connection was investigated according to confinement effects, aspect ratio (h/c) and strength ratio ($f^{\prime}_{cc}/f_{cs}$). The study was conducted by using finite elem...
In this study, the structural performance of high strength concrete (HSC) column-normal strength concrete (NSC) slab connection was investigated according to confinement effects, aspect ratio (h/c) and strength ratio ($f^{\prime}_{cc}/f_{cs}$). The study was conducted by using finite element analysis. To verify the analysis methods, the experiments and analyses results were compared. The specimens were classified by connection types including interior column, edge column, corner column and isolated column. As a result, ultimate strength of interior column was larger than other specimens. Also, the axial stresses of connection were decreased when the aspect ratio was increased. As the strength ratio between column and slab was increased, the ultimate strength of specimens was also increased until the strength ratio was reached to 1.83.
In this study, the structural performance of high strength concrete (HSC) column-normal strength concrete (NSC) slab connection was investigated according to confinement effects, aspect ratio (h/c) and strength ratio ($f^{\prime}_{cc}/f_{cs}$). The study was conducted by using finite element analysis. To verify the analysis methods, the experiments and analyses results were compared. The specimens were classified by connection types including interior column, edge column, corner column and isolated column. As a result, ultimate strength of interior column was larger than other specimens. Also, the axial stresses of connection were decreased when the aspect ratio was increased. As the strength ratio between column and slab was increased, the ultimate strength of specimens was also increased until the strength ratio was reached to 1.83.
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문제 정의
또한 기둥 단면 치수에 대한 슬래브 두께의 형상비 (h/c)에 대한 영향을 고려하고 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 유한요소해석을 통해 기둥-슬래브 접합부의 구속도와 형상비에 따른 구조거동을 분석하였다. 추가적으로 기둥과 슬래브의 강도비(f′cc/f′cs )를 변수로 설정하여 강도 차이에 따른 구조거동을 확인하였다.
가설 설정
해석 부재의 경계조건은 예비 해석과의 일관성을 위해 Lee et al. (2007)에 의해 수행된 기존의 구조실험과 동일하게설정하였으며 Fig. 4에 표시하였다. 기둥 상하부면에서 지압 파괴를 방지하기 위해 가력면과 반력면의 요소들은 횡방향 변위를 구속하였으며, 기둥 하부면은 횡방향 및 수직방향 변위를 구속하였다.
제안 방법
Shu and Hawkins (1992)는 54개의 슬래브 구속이 없는 독립 기둥 부재의 실험을 수행하였다. 고강도 기둥-일반강도 접합부 형태의 부재를 제작하였으며 접합부의 형상비(h/c)와 강도비를 주요 변수로 설정하였다. 실험결과, 형상비와 강도비가 증가할수록 접합부 부분에서 제한적인 파괴가 발생하는 것을 확인하였으며 ACI가 외부기둥과 모서리기둥의 유효압축강도를 보수적으로 규정하고 있다는 것을 확인하였다.
4에 표시하였다. 기둥 상하부면에서 지압 파괴를 방지하기 위해 가력면과 반력면의 요소들은 횡방향 변위를 구속하였으며, 기둥 하부면은 횡방향 및 수직방향 변위를 구속하였다. 또한, 실제 구조물과의 유사성을 고려하여 슬래브가 연속하는 면의 횡방향 변위를 구속하였다.
기둥 상하부면에서 지압 파괴를 방지하기 위해 가력면과 반력면의 요소들은 횡방향 변위를 구속하였으며, 기둥 하부면은 횡방향 및 수직방향 변위를 구속하였다. 또한, 실제 구조물과의 유사성을 고려하여 슬래브가 연속하는 면의 횡방향 변위를 구속하였다.
본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 고강도콘크리트 기둥-일반강도 콘크리트 슬래브 접합부의 구조거동에 대해 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
6에 나타나있다. 접합부의 변형률은 Point C에서 D까지의 길이 변위를 측정하여 계산하였으며 기둥-슬래브 접합부에 해당하는 요소의 응력을 측정하였다.
추가적으로 기둥과 슬래브의 강도비(f′cc/f′cs )를 변수로 설정하여 강도 차이에 따른 구조거동을 확인하였다.
콘크리트의 재료모델은 균열이 압축강도에 미치는 영향, 횡방향 구속효과 등을 고려할 수 있어 철근콘크리트 해석시 많이 사용되고 있는 Total Strain Crack 모델을 사용하였고, 철근은 금속재료 해석시 가장 많이 사용되는 Von Mises 모델을 사용하였다. 특히, 본 연구의 해석 정확도 향상을 위해 콘크리트 재료모델 Total strain crack 모델에서 횡방향 구속효과 및 횡방향 균열영향을 고려하기 위한 옵션을 적용하였다. Fig.
대상 데이터
Gamble and Klinar (1991)는 기둥과 슬래브의 강도비가 상당히 큰 내부기둥과 외부기둥의 실험적 연구를 수행하였다. Bianchini et al. (1960)의 연구보다 강도비의 범위를 더 넓게 설정하였으며 총 13개의 시험체를 제작하여 실험하였다. 실험결과, ACI와 CSA의 유효압축강도 예측식이 접합부를 과대평가하고 있음을 보고하였다.
(2007)에 의해 수행된 기존의 구조실험과 동일한 형태로 부재를 모델링하여 비교하였다. 비교 대상 시험체는 총 3가지로 구분되었으며 일반강도 콘크리트 공시체(Normal strength concrete: NSC) 와 고강도 콘크리트 공시체(High strength concrete: HSC)로 구분되었으며 구속도가 없는 독립기둥 시험체(Nonconfinementcolumn: NC)에 대한 비교가 수행되었다. 시험체 NC는 Fig.
구조실험에 사용된 콘크리트와 철근의 재료특성을 해석 부재에 동일하게 적용하였으며 Table 1과 2에 나타내었다. 콘크리트의 요소는 8개의 절점을 갖는 정방형 Solid 요소를 사용하였고 철근의 요소는 2개의 절점을 갖는 Beam요소를 사용하였다. 콘크리트의 재료모델은 균열이 압축강도에 미치는 영향, 횡방향 구속효과 등을 고려할 수 있어 철근콘크리트 해석시 많이 사용되고 있는 Total Strain Crack 모델을 사용하였고, 철근은 금속재료 해석시 가장 많이 사용되는 Von Mises 모델을 사용하였다.
데이터처리
본 연구에서는 재료의 비선형성을 고려하기 위하여 비선형 상세 전용 해석 프로그램인 MIDAS FEA를 사용하였다. 해석 방법에 대한 검증을 위해 Lee et al. (2007)에 의해 수행된 기존의 구조실험과 동일한 형태로 부재를 모델링하여 비교하였다. 비교 대상 시험체는 총 3가지로 구분되었으며 일반강도 콘크리트 공시체(Normal strength concrete: NSC) 와 고강도 콘크리트 공시체(High strength concrete: HSC)로 구분되었으며 구속도가 없는 독립기둥 시험체(Nonconfinementcolumn: NC)에 대한 비교가 수행되었다.
이론/모형
본 연구에서는 재료의 비선형성을 고려하기 위하여 비선형 상세 전용 해석 프로그램인 MIDAS FEA를 사용하였다. 해석 방법에 대한 검증을 위해 Lee et al.
콘크리트의 요소는 8개의 절점을 갖는 정방형 Solid 요소를 사용하였고 철근의 요소는 2개의 절점을 갖는 Beam요소를 사용하였다. 콘크리트의 재료모델은 균열이 압축강도에 미치는 영향, 횡방향 구속효과 등을 고려할 수 있어 철근콘크리트 해석시 많이 사용되고 있는 Total Strain Crack 모델을 사용하였고, 철근은 금속재료 해석시 가장 많이 사용되는 Von Mises 모델을 사용하였다. 특히, 본 연구의 해석 정확도 향상을 위해 콘크리트 재료모델 Total strain crack 모델에서 횡방향 구속효과 및 횡방향 균열영향을 고려하기 위한 옵션을 적용하였다.
성능/효과
Fig. 7-(b),(c)와 같이 비대칭으로 설계된 외부기둥과 모서리기둥의 경우, 접합부 철근 중 자유면에 근접한 철근이 구속면에 근접한 철근보다 변형률이 크게 나타났다. 이는 접합부에서 구속면에 근접할수록 유효압축강도가 증가하기 때문으로 판단된다.
1) 슬래브의 구속효과로 인해 내부기둥 부재에서 가장 높은 극한강도를 보였다. 또한 외부기둥과 모서리기둥의 접합부에서 슬래브 구속면에 근접할수록 접합부의 철근 변형률이 적게 나타났다.
10) 응력분포 양상은 형상비(h/c)와 강도비(f′cc / f′cs )가 다르게 설정된 모든 부재에서 유사하게 나타났 으며 구속도가 낮은 외부, 모서리, 독립기둥 부재에서도 상부기둥에서의 파괴가 발생한 것으로 판단된다.
2) 외부기둥과 모서리기둥은 독립기둥에 비해 극한강도가 다소 높게 나타났으며 접합부 철근이 항복 이후에 연성적 거동을 함에 따라 부재 전체의 거동에서도 연성이 증가한 것으로 판단된다.
3) 외부기둥과 모서리기둥의 구속도를 독립기둥과 동일하게 평가하는 타 연구자들의 연구결과와는 달리 외부, 모서리기둥에서도 어느 정도의 구속효과가 나타났다. 따라서 기둥 종류에 따른 구속도가 기둥-슬래브 접합부에 미치는 영향에 대한 합리적인 규명을 위해 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
4) 접합부의 두께(h)가 증가할수록 부재의 전체 높이가 증가하며 축방향 하중을 전달하는 콘크리트에서 일반강도 콘크리트의 비율이 높아지기 때문에 접합부의 유효압축강도가 감소하는 것으로 판단된다. 접합부 두께에 따른 유효강도의 감소폭은 단위 치수 당 약 18%도를 보이고 있다.
5) 슬래브-기둥의 형상비(h/c)가 증가할수록 접합부의 극한강도가 약 20%씩 감소하였다. 이와 같이 형상비가 증가할수록 접합부의 유효압축강도가 감소하는 현상은 타 연구자들과 동일하게 나타났다.
6) 본 연구에서는 기둥-슬래브 강도비(f′cc/f′ cs )가 1.4 이상 1.83이하인 경우에도 강도 증진 효과를 확인할 수 있었다. 따라서 강도비가 1.
그러나 외부기둥과 모서리기둥에서는 기둥과 슬래브의 강도비(f′cc/f′cs)가 1.4배를 초과할 경우, 콘크리트의 강도 증가에 따른 접합부 유효강도의 증진은 크지 않음을 확인하였다.
그림에서 보는 바와 같이 기둥의 축방향 하중에 의해 변형하기 시작하여 약 1000 με까지는 모든 시험체가 유사한 거동을 보였으나 그 이후부터 서로 다른 거동을 보였다. 극한강도는 변형의 임계치에서의하중값을 바탕으로 계산되었으며 접합부가 슬래브에 의해 구속되어있는 면이 많을수록 높게 측정되었다. 접합부의 모든 면이 구속된 내부기둥은 극한강도가 85.
1) 슬래브의 구속효과로 인해 내부기둥 부재에서 가장 높은 극한강도를 보였다. 또한 외부기둥과 모서리기둥의 접합부에서 슬래브 구속면에 근접할수록 접합부의 철근 변형률이 적게 나타났다. 이에 따라 슬래브 구속면에 근접할수록 유효압축강도가 증가하는 것으로 판단된다.
50로 동일한 H125C250,H150C300 부재의 접합부 극한강도는 동일한 값을 갖는다. 또한 형상비의 차이가 0.05로 유사한 H175C250, H150C200 부재에서도 거의 유사한 극한강도를 보였다.
(1960)은 총 45개의 시험체를 내부기둥, 외부기둥, 모서리기둥 그리고 독립기둥으로 구분하여 실험을 수행하였다. 실험결과, 내부기둥은 기둥 강도의 75%, 슬래브 강도의 1.5배 이상의 접합부 유효강도가 나타났다. 그러나 외부기둥과 모서리기둥에서는 기둥과 슬래브의 강도비(f′cc/f′cs)가 1.
고강도 기둥-일반강도 접합부 형태의 부재를 제작하였으며 접합부의 형상비(h/c)와 강도비를 주요 변수로 설정하였다. 실험결과, 형상비와 강도비가 증가할수록 접합부 부분에서 제한적인 파괴가 발생하는 것을 확인하였으며 ACI가 외부기둥과 모서리기둥의 유효압축강도를 보수적으로 규정하고 있다는 것을 확인하였다.5)
Lee (2015)는 기존에 수행된 타 연구자들의 실험값을 분석하여 모서리기둥의 유효압축강도 예측식을 개발하였다. 연구결과, 국내 콘크리트구조기준 (2012), ACI 318-11 (2011) 그리고 CSA A23.3-04 (2004) 등의 설계기준에서 제시하는 모서리기둥의 유효압축강도 예측식은 매우 보수적인 것을 확인하였다.9)
0% 더 높게 나타났다. 외부기둥과 모서리기둥은 내부기둥보다 극한 강도가 상당히 낮게 측정되었지만 슬래브 구속이 없는 독립 기둥에 비해 다소 높게 나타났으며 연성적 거동을 보였다.
Ospina and Alexander (1997)는 접합부의 형상비 및 슬래브 하중이 고강도 기둥-일반강도 슬래브 접합부에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 접합부의 형상비와 슬래브 하중이 증가할수록 접합부의 유효압축강도가 감소하는 것을 확인하였다.6)
후속연구
3) 외부기둥과 모서리기둥의 구속도를 독립기둥과 동일하게 평가하는 타 연구자들의 연구결과와는 달리 외부, 모서리기둥에서도 어느 정도의 구속효과가 나타났다. 따라서 기둥 종류에 따른 구속도가 기둥-슬래브 접합부에 미치는 영향에 대한 합리적인 규명을 위해 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고강도 콘크리트 기둥-일반강도 콘크리트 슬래브 구조의 이점은?
고강도 콘크리트 기둥-일반강도 콘크리트 슬래브 구조는 1960년대부터 시공이 편리하고 경제적이며 공간적으로 유리한 이점이 있어 고층 구조물에 많이 적용되어왔다. 하지만 기둥의 축방향 하중이 상대적으로 강도가 약한 슬래브 접합부를 통과할 때 하중 전달 능력이 저감되어 구조적인 문제를 일으킬 수 있다.
국내 콘크리트구조기준 (2012) 및 미국 ACI 318-11 (2011)1,2)에서는 기둥의 강도가 슬래브 강도의 1.4배를 초과할 경우 어떤 조치를 취해야 하는가?
하지만 기둥의 축방향 하중이 상대적으로 강도가 약한 슬래브 접합부를 통과할 때 하중 전달 능력이 저감되어 구조적인 문제를 일으킬 수 있다. 이에 따라 국내 콘크리트구조기준 (2012) 및 미국 ACI 318-11 (2011)1,2)에서는 기둥의 강도가 슬래브 강도의 1.4배를 초과할 경우, 기둥, 슬래브 콘크리트 강도를 이용하여 접합부의 유효압축강도를 산정하는 등 적절한 조치를 취하도록 규정하고 있다. 하지만 이러한 설계지침은 접합부가 슬래브로 둘러싸인 내부기둥에 국한되어 있으며 상대적으로 구속도가 낮은 외부기둥 및 모서리기둥에 대해서는 뚜렷한 규정을 제시하고 있지 않다.
고강도 콘크리트 기둥-일반강도 콘크리트 슬래브 구조의 문제점은?
고강도 콘크리트 기둥-일반강도 콘크리트 슬래브 구조는 1960년대부터 시공이 편리하고 경제적이며 공간적으로 유리한 이점이 있어 고층 구조물에 많이 적용되어왔다. 하지만 기둥의 축방향 하중이 상대적으로 강도가 약한 슬래브 접합부를 통과할 때 하중 전달 능력이 저감되어 구조적인 문제를 일으킬 수 있다. 이에 따라 국내 콘크리트구조기준 (2012) 및 미국 ACI 318-11 (2011)1,2)에서는 기둥의 강도가 슬래브 강도의 1.
참고문헌 (11)
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Bianchini, A. C., Woods, R. E., and Kesler, C. E., "Effect of Floor Concrete Strength on Column Strength," ACI Journal Proceedings, Vol. 56, No. 5, 1960, pp. 1149-1170.
Gamble, W. L., and Klinar, J. D., "Tests of High-strength Concrete Columns with Intervening Floor Slabs," Journal of Structural Engineering-ASCE, Vol. 117, No. 5, 1991, pp. 1462-1476.
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Ospina, C. E. and Alexander, S. D. B., and MacGregor James G., "Transmission of Loads from High-strength Concrete Columns through Normal-strength Concrete Floors," ACI Structural Journal, Vol. 167, 1997, pp. 127-148.
McHarg, P. J., Cook, W. D., Mitchell, D., and Yoon Y. S., "Improved Transmission of High-strength Concrete Column Loads through Normal-strength Concrete Slabs," ACI Structural Journal, Vol. 97, No. 1, 2000, pp. 157-165.
Lee, S. C., and Mendis, P. "Behavior of High-strength Concrete Corner Columns Intersected by Weaker Slabs with Different Thicknesses," ACI Structural Journal, Vol. 101, No. 1, 2004, pp. 11-18.
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Lee, J. H., Yang, J. M. and Yoon, Y. S., "Strategic Slab-column Joint Details for Improved Transmission of HSC Coulmn Loads," Magazine of Concrete Research, Vol. 60, No. 2, 2008, pp. 85-91.
Lee, J. H., Yoon, Y. S., Cook, W. D., and Mitchell, D., "Benefits of Using Puddled HSC with Fibers in Slabs to Transmit HSC Column Loads," Journal of Structural Engineering-ASCE, Vol. 133, No. 12, 2007, pp. 1843-1847.
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