포스트 텐션 플랫 플레이트 슬래브 변형성능

Abstract

플랫 플레이트 슬래브 시스템은 보가 없는 2방향 슬래브와 기둥을 가진 시스템으로 층고 절감, 평면 공간의 유연성, 공기단축 및 공사비 절감 등의 장점을 가지고 있다. 특히 포스트 텐션 플랫 플레이트 슬래브(Post-tensioned flat plate slab 이하 PT 플랫 플레이트 슬래브)는 이러한 철근콘크리트 플랫 플레이트 슬래브(이하 RC 플랫 플레이트 슬래브)의 장점에 균열 및 처짐 제어, 보다 넓은 경간 확보 등 프리스트레스트 콘크리트(PSC)의 특징이 추가되어 더욱 효율적인 시스템을 구현할 수 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 지진 등 횡력을 받는 플랫 플레이트 슬래브 구조는 슬래브-기둥 접합부의 취성거동으로 인하여 일반 모멘트골조 구조보다 낮은 횡 변형 능력을 보유하고 있다. 현행 ACI 기준에 따르면 플랫 플레이트 슬래브는 중력 저항시스템으로 설계되며, 특히 지진에 대한 특별한 상세조건을 만족하면 횡력 저항 시스템의 일부로도 사용할 수 있도록 제안되어 있다. 그러나 슬래브-기둥 접합부의 낮은 횡강성 때문에 지진 지역에서 플랫 플레이트 슬래브는 전단벽과 같은 횡력 저항시스템과 함께 설계된다. 지진 및 바람에 의한 횡력이 구조물에 작용하여 횡력 저항 시스템에서 발생된 변형은 시스템의 적합조건 때문에 중력 저항 시스템으로 설계된 플랫 플레이트 골조에서도 동일한 변형이 발생한다. 따라서 전단벽 등의 횡력 저항시스템을 사용하는 구조에서도 구조물의 취성파괴를 방지하기 위해서는 구조물 전체의 횡변형을 수용할 수 있도록 플랫 플레이트 접합부의 변형능력이 충분히 확보되어야 한다. 기존 연구결과에 의하면 플랫 플레이트 슬래브의 변형성능은 전단강도()에 대한 중력으로 인한 전단력(V_(g))의 비(중력전단비,V_(g)/V_(c) )에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 이들 연구결과에 따르면 중력전단비(Gravity Shear Ratio), V_(g)/V_(c) 가 클수록 낮은 횡변위에서 뚫림 전단파괴가 발생하기 때문에 횡변형 저항성능이 작아진다고 보고하고 있다. ACI 318-05(Section 21.11.5)에서는 이러한 연구결과를 토대로 강진 지역에서 중력 저항시스템으로 설계된 플랫 플레이트 슬래브에 대하여 중력전단비와 설계 지진력에 대한 변형각의 크기에 따라 중력 저항시스템의 연성능력을 확보할 수 있도록 상세조건을 제시하고 있다. 하지만 기준은 기존의 RC 플랫 플레이트 슬래브-기둥 접합부의 실험결과를 근거로 하여 제시된 것이다. 기존에 반복 횡하중이 작용한 PT 플랫 플레이트 슬래브-기둥 접합부의 실험적 연구는 매우 부족한 실정이며, 일반 RC 플랫 플레이트 슬래브-기둥 접합부와 비교하여 우수한 횡 변형성능을 나타내는 연구결과(15),(17),(21)가 있지만, 접합부의 변형성능에 영향을 주는 주요 변수에 대한 연구는 부족한 실정이다. 특히 중력하중 이외에도 강선배치 형태의 영향, 하부철근의 영향 및 접합부 위치에 따른 변수연구가 기준에서는 명확히 반영되어 있지 않다. 이러한 현 설계기준(1)과 실험연구의 미비점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 기존 및 이번 실험결과를 근거로 다양한 변수를 고려한 PT 플랫 플레이트 슬래브-기둥 접합부의 변형성능에 대해 분석하였다. 본 논문은 총 5장으로 구성되어 있으며 제 1장은 서론, 제 2장은 기존 연구 분석, 제 3장은 실험적 연구, 제 4장은 변형 성능 분석, 제 5장은 결론 순으로 기술하였다. 각 장에 기술된 내용을 간단히 요약하면 다음과 같다. 제 1장에서는 연구의 배경 및 목적, 연구내용 및 범위 등을 명시하였다. 제 2장에서는 이번 연구과 관련된 기존 연구자들의 연구에 대하여 정리 하였다. 제 3장에서는 대상건물의 설계, 실험, 실험결과에 관하여 정리 하였다. 제 4장에서는 접합부의 변형성능에 영향을 주는 주요변수인 중력하중 이외에도 강선배치 형태에 따른 영향, 하부철근의 영향, 접합부의 형태에 따른 영향에 대하여 분석하였다. 제 5장에서는 상기의 분석 및 결과를 통하여 다음과 같은 결과를 기술하였다. (1) 기존 연구자들의 연구결과와 본 실험결과를 근거로 중력전단비와 횡 변형 성능과의 상관관계에서 알 수 있듯이 중력하중이 증가함에 따라 접합부 횡 변형 저항성능은 감소하는 경향을 파악할 수 있으며, 작은 변형각을 보유하는 것으로 나타났다. (2) 기존의 전단 강도 저하 모델[식(5)] 및 전단 강도 저하 모델을 근거로 수정된 변형성능모델은 본 실험결과와 함께 표현했을 경우 PT 플랫 플레이트 슬래브-기둥 접합부의 변형성능을 정확히 평가하지 못하고 있으며 큰 편차를 나타내었다. 따라서 실험결과를 근거로 회귀분석을 통해 산정된 (6)식은 접합부의 최대 변형각을 산정함에 있어서 더욱 적절함을 보여주었다. (3) 기존에 강선배치 영향에 따른 연구의 부족으로 인해 본 연구의 실험결과를 기준으로 분석을 수행하였으며, 강선의 배치형태는 슬래브-기둥 접합부의 최대변형에 대해선 그 영향이 미소함을 보여주었다. (4) 본 연구에서는 하부철근의 유무에 따라 PT 플랫 플레이트 슬래브-기둥 접합부의 변형성능을 검토하였다. 하부철근이 배근되어 있지 않은 실험체는 하부철근이 배근된 실험체에 비해 횡력에 대한 변형성능이 약 50% 저하되었으며 실험체가 공칭 전단강도에 도달하기 전에 접합부에서 뚫림 전단파괴가 발생하였다, 따라서 본 연구를 통해 중력하중 이외에도 하부철근이 슬래브-기둥 접합부의 횡 변형 저항성능에 중요한 역할을 함을 확인되었다. (5) 본 연구를 통해 슬래브-기둥 접합부의 형태에 따라 서로 다른 횡 변형 능력을 나타내었다. PT 외부접합부인 경우 내부접합부에 비해 작은 변형각을 보유함을 알 수 있으며, 향후 이에 대한 세밀한 연구가 필요할 것으로 사료된다.; It presently unclear whether the post-tensioned(PT) flat plate slab connection possesses sufficient lateral displacement capacity to survive the lateral deformations that can be expected during a strong earthquake or wind. According to current building code and design practice, a building system can be designed as combination of LFRS(lateral Force resisting System) and GLRS (Gravity-only load resisting System). Where, LFRS should be designed to resist all of the lateral forces induced by earthquakes and winds. As well, GLRS may function as resisting a vertical load caused by gravity. Actually, most buildings have been constructed by this method. However, a demage investigation report of Northridge Earthquke(Magnitute=6.7) occured in 1994 presented that reinforced concrete perimeter frame buildings, composed of LFRS and GLRS, were damaged and collapsed in the part of GLRS; The failures in columns of gravity load system, diaphragms, as well slab-column connections were observed. It can be inferred that design method for GLRS not proportioned to resist forces induced by earthquake motions is not appropriate. Lateral deformations incurred by lateral force would make GLRS deformed as well. Therefore GLRS would suffer from lateral displacements and stresses which is not considered in the procedure of design. Since there are few researches on PT flat plate slab systems, the deformation capacity of the systems have not been defined. According to sec 21.12 of ACI 318-05 the value of gravity shear ration(Vg/Vc) for flat plate designed as IMRCF should be limited to 0.4. This is similar to requirements suggested by ACI -ASCE 352R-Vg(direct shear) should not be exceed 0.4Vc. Where, 0.4 is a maximum value of gravity shear ratio within which slab-column connection shall have a lateral deformation capacity of 1.5% drift ratio which is generally considered as an allowable story drift of LFRSs in accordance with current seismic design code. Specific detailing provisions for flat plate designed as gravity-only resisting system was accepted to be incorporated in ACI 318-05(2005). Lateral deformation capacity was presented as a function of gravity shear ratio on the basis of "Shear Strength Degrading Model for flat plate" suggested by Moehle(1996). In this paper, a series of experiment was carried out using 8 interior and 2 exterior PT flat plate slab-column connections. Test variables of this experimental study are vertical load level, tendon distribution patterns and bottom reinforcement arrangement. And the objective of this paper is to examine the available data from present and past research and develop major parameters that influence the lateral displacement capacity and ductility of PT flat plate slab.