횡하중 작용시 스터드 鐵板으로 補强된 RC 플랫 플레이트 內部 接合部의 構造性能에 관한 實驗적 硏究

Abstract

최근 국내에서 설계·시공된 몇몇의 주상복합 고층건물에서 Flat plate slab 구조를 이용하여 설계되었으며, 이로 인하여 층고의 단축, 시공의 편이, 경제성 등에 있어 많은 혜택을 누리고 있다. 그러나 보 없는 슬래브와 기둥이 직접 접합됨에 따라 기둥 둘레에는 국부적인 응력집중현상이 나타나게 되며, 중력하중과 횡하중의 작용을 받는 플랫 플레이트 시스템은 슬래브-기둥 접합부의 뚫림 전단(Punching shear)파괴에 의해 그 성능이 지배된다. 우선 뚫림 전단 파괴가 발생하면, 구조물 전체의 성능은 급격히 저하되며 구조물 전체의 붕괴가 초래될 수 있다. 이와 같은 접합부의 취성적인 거동 특성으로 인하여 플랫 플레이트 구조는 일반적인 보-기둥 골조구조 보다 변형능력 및 구조적 성능이 부족하다. 따라서 플랫 플레이트 구조의 내진설계에서는 접합부의 강도, 구조 성능, 변형능력 확보가 가장 중요한 사항이다. 중력하중과 횡하중에 대한 플랫 플레이트의 거동 특성과 성능을 규명하기 위해서 그 동안 많은 실험 및 해석적 연구가 수행되었으며, 이들 실험 연구결과에 근거 하여 ACI 318-05, CEB-FIP Model code, NEHRP’s Guidelines 등 다양한 설계기준 들이 개발되어 있고 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구는 기존의 뚫림 전단 보강기법보다 슬래브-기둥 접합부의 가장 취약한 취성거동을 완화시키면서 뚫림 전단 저항력도 함께 증가시키는 Shear stud와 Steel plate를 결합한 새로운 전단 보강체인 스터드 철판(Stud with steel plate)의 횡하중 작용시 성능평가를 위해 반복 횡하중 실험을 통하여 뚫림 전단 및 슬래브-기둥 접합부의 구조적 성능을 평가하였다. 즉 지진 및 풍하중과 같은 반복 횡하중에 의한 RC 플랫 플레이트 내부 접합부의 뚫림 전단 거동에 대한 연구가 가장 핵심이다. 제안된 스터드 철판(Stud with steel plate)을 이용한 새로운 뚫림 전단 보강기법은 기존 스터드 레일 보강기법보다 시공 상의 편리성과 내부 접합부의 연성을 크게 증가시켜 다른 뚫림 전단 보강기법 보다 횡하중에 대한 저항성능이 효율적임을 확인 할 수 있었다. 더욱이 하부 철판은 횡하중 작용시 슬래브-기둥 접합부에 발생될 수 있는 모멘트 역전현상에 대한 하부 인장 보강재의 역할을 하여 슬래브-기둥 접합부 하부 균열 제어에 효과적인 것으로 나타났다. 스터드 철판으로 전단 보강된 철근콘크리트 평판바닥 구조물 슬래브-기둥 접합부의 구조적 거동에 관한 실험적 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다. 1. 스터드 철판을 이용한 새로운 뚫림 전단 보강체에 대한 횡하중 작용시 뚫림 전단 저항성능(Punching shear resistance of reinforced concrete flat plate)은 기존 스터드 레일(Stud rail)보다 약 7～15% 이상 전단내력이 증가하였으며, 극한변위 는 스터드 레일에 비해 약 30% 이상의 변위 량을 보여 같은 뚫림 전단 보강 길이의 스터드 레일과 비교할 때 전단내력의 증가와 동시에 슬래브-기둥 접합부의 연성거동에 상당히 효과적이다. 2. 스터드 철판으로 보강된 실험체들의 연성능력이 스터드 레일로 보강된 실험체에 비해 우수하게 평가되었으며, 이는 철판(Perforated steel plate)이 스터드의 앵커(anchor)역할 뿐만 아니라, 스터드 철판 자체가 기둥을 통과하는 하부 철근의 역할을 하여 극한하중 이후의 뚫림 전단에 의한 급격한 취성파괴를 방지하고 연성 거동으로 유도하기 때문인 것으로 사료된다. 3. 스터드 철판의 보강은 슬래브의 전단력 증가에 있어 기준 실험체(Control specimen)에 비해 전단보강 길이가 3d 인 SSP-6의 경우 최대 32%까지 전단내력의 증가를 보였으며, 최대변위는 약 99%까지 증가하였다. 또한 스터드 철판의 사용은 뚫림 전단 파괴 후에도 철판에 의한 전단내력의 손실을 줄여 2차 뚫림 전단 저항을 발생시켜 구조물의 안정적 파괴를 유도했다. 4. 에너지 소산 능력과 연성능력의 경우 스터드 철판을 보강한 실험체가 더 우수함을 보였으며, 이를 통해 플랫 플레이트의 급격한 전단파괴로 인하 취성 거동을 보완하여 구조물의 안전성을 높일 수 있음을 보여주고 있다.; Recently, flat plate slab has been widely used in residential and office buildings around the world due to its advantages which reduce the overall height of building, simplify and accelerate site operations and allow easy and flexible partition of spaces. However, the flat plate system which consists of reinforced concrete slabs supported directly on reinforced concrete column without beams, capitals, or drop panels at interior supports, by itself may not be a viable structural system when lateral loads must be resisted. First of all, if punching shear failure occurs in flat plate slab, overall structural performance is rapidly decrease, which can lead to the collapse of a large area of the floor system and possibly a progressive collapse of entire structure without little or no warning. Accordingly, because of brittleness behavior of interior connection, deformable capacity and structural performance of flat plate slab system is insufficient in comparison with generally beam-column structure. Hence, designing flat plate system, it is important to consider strength, structural performance and deformable capacity of connections. To examine structural behavior and performance of flat plate slab connections under gravity and lateral loads, many experimental and analytical studies have been performed. From study results, various design criterions such as ACI 318-05, CEB-FIP Model code, NEHRP's guidelines have been developed, also, many studies are going ahead. This study evaluated punching shear resistance and structural performance of slab-column connection using stud with steel plate through the cyclic test which increases punching shear resistance and relieves brittle behavior in comparison with stud rail. Although using the shear stud rail is a efficient method to reinforce the punching bearing capacity, severe cracks of slab around the connection may still occur during cyclic lateral loading, such as wind or seismic force. To evaluate the behavior of flat plate slab under lateral load, it's necessary to consider the performance of slabs under cyclic lateral load. In this paper, experiments about structural performance of flat plate slab connection reinforced by stud with steel plate are introduced, 5 specimens are conducted by authors. The proposed method to strengthen the punching shear capacity and structural performance was proved more effective and feasible than other method such as using stud rails. Structural performance of specimens with studs with steel plate was compared to the specimens with stud rail and the specimen Control. Based on these test results, the following conclusions are made. The first one of five specimens was severed as the control specimen. Two of them were strengthened by stud rail according to ACI 421.1R-99. The others were reinforced by stud with steel plate. Specimens were tested under constant gravity load and the lateral displacement was applied on the top surface of column in a reversed cyclic manner. Punching shear failure occurred to the control specimen at drift ratio of approximately 6%. The specimens with stud with the steel plate showed a significant flexural yielding and sustained deformation up to a drift ratio of 10.6% to 11.9% without obviously losses of strength. Furthermore, the results exhibited a maximum increase of 52.29% on ductility of the joints in comparison to the control specimen. Punching shear failure was not occurred in shear reinforce specimens. The results of the experimental program showed that the flat plate slabs strengthened by stud with steel plate are successful in increasing deformation resistance capacity, ductility and avoiding punching shear failures.