지진하중을 받는 RC 플랫 플레이트 구조물의 뚫림전단파괴에 관한 연구

Abstract

철근콘크리트 플랫 플레이트 구조는 다른 구조형식에 비해 층고절감, 진동 및 처짐의 제어 그리고 철근상세 및 거푸집작업의 단순화와 같은 많은 장점을 갖는 반면에 보가 없으므로 보-기둥 골조에 비하여 구조적인 취약점을 갖게 되는데, 대표적인 것이 접합부에서의 뚫림전단파괴이다. 특히 지진 하중과 같은 횡하중 발생시에 횡변위의 발생과 함께 접합부에 발생하게 되는 불균형 모멘트는 플랫 플레이트의 전단강도를 약화시킬 수 있으며, 연쇄붕괴 등의 우려가 있다. 그러나 기존의 중·저층 플랫플레이트 건물은 중력하중에 대해 설계되어졌으며, 이에 대한 정확한 내진성능의 평가가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 플랫 플레이트 시스템이 단독으로 횡력 저항골조로 사용된 5, 10층 그리고 15층 건물에 대하여 최대지진가속도 및 지반조건에 따른 지진하중에 대한 거동특성을 분석하고, 추출된 설계변수들의 통계적 특성을 사용하여 지진하중을 받는 플랫 플레이트 구조에서 접합부의 뚫림 전단파괴에 대한 파괴확률을 구하여 내진 안전성을 평가하였다. 지진하중에 대하여 플랫 플레이트 구조물의 거동을 평가하기 위하여 선행연구에서 실험된 슬래브-기둥 접합부의 부분 구조체실험결과로부터 플랫 플레이트의 강성저하, 강도감소 및 핀칭 등의 이력특성을 구하여 수정된 해석모델을 수행하였으며, 이를 이용한 플랫 플레이트 구조의 비선형동적해석을 수행하여 응답특성을 평가하였다. 또한 해석결과를 이용하여 제안된 한계상태식에 의해 플랫 플레이트 구조의 파괴확률 및 신뢰성지수를 구하였다. 본 연구는 다음과 같이 5장으로 구성되어 있다. 1장에서는 연구의 배경, 목적, 방법 및 내용에 대하여 기술하였으며, 2장에서는 해석 모델, 슬래브 모델, 부재의 파괴확률 등의 플랫 플레이트 구조의 해석기법을 기술하였다. 3장에서는 시간이력해석 수행을 위한 해석 모델과 지진 하중 그리고 해석결과에 대해 기술하였으며, 4장에서는 위험단면내에서의 뚫림전단파괴 확률 및 신뢰성 지수 산정에 관한 내용과 그 결과를 기술하였다. 마지막으로 5장에서는 본 연구의 결론을 기술하였다. 중력하중에 의해 설계된 기존 플랫 플레이트 건물의 내진성능을 비선형 시간이력해석 및 신뢰성해석을 이용하여 평가하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1) 최대지진가속도의 증가에 따라 10층, 15층 건물에서 소성힌지 분포가 더 많이 발생하였으며, 소성힌지는 저층에 집중되어 상부층으로 확산되는 양상을 나타내었다. 2) 시간이력해석결과, 플랫 플레이트 건물은 기둥과 슬래브의 강성차에 의 해 초기에는 휨에 의한 균열 및 항복이 지배적이었으나 변형과 불균형 모멘트의 증가에 따라 뚫림전단파괴가 발생할 가능성이 많은 것으로 판단된다. 최대지진가속도의 크기, 건물의 높이 그리고 지반의 조건에 따라 플랫 플레이트 건물의 취약부위의 차이가 발생하여 소성힌지의 위치가 차이가 나타났다. 3) 콘크리트의 위험단면에서의 전단응력에 대한 한계상태식에 의한 신뢰성 해석결과, 뚫림전단파괴는 최대지진가속도의 크기, 건물의 높이의 증가에 따라 파괴확률이 증가하였으며, 최대지진가속도(PGA) 0.3g에서 15층 건물에 비해 5층 건물은 약 1.27배, 10층 건물은 1.12배의 신뢰도 지수(β)를 나타내었다. 또한 시간이력해석결과로부터 한계상태의 허용 층간변위인 층고의 2%를 모두 만족하였으나 뚫림전단파괴확률이 발생하므로 전단벽 등의 추가적인 횡력 저항골조를 사용한 검토가 필요한 것으로 판단된다. 4) 플랫 플레이트 건물의 뚫림전단파괴확률은 연약지반에서의 파괴확률이 경암반에 비해 5층 건물에서는 1.3배, 10층 건물에서는 1.38배 그리고 15층 건물에서는 1.51배 크게 나타남으로서 지반조건에 따라 뜷 림전단 파괴확률의 변화가 크게 영향을 받는 것으로 나타났으며, 보다 다양한 지진동에 대한 결과가 필요할 것으로 판단된다. 5) 국내 건축구조설계기준(KBC 2005)에서는 동적지진해석으로 시간이력 해석을 허용하고 있으나, 지반 조건 및 최대지진가속도 등을 고려한 지진파 선정에 대한 명확한 방법을 제시하지 않고 있다. 이는 구조물의 과다 및 과소 설계의 원인 될 수 있으므로 지반조건과 최대지진가속도, 지진규모 등을 함께 고려한 지진기록 선정방법의 제시가 필요하다고 판단된다.; Although the RC flat plate structure has many advantages such as reduction of story height, control of deflection and vibration, simplification of formwork and reinforcing steel layout, the principal vulnerability of flat plate structure without beam is imposed by punching shear failure in the slab-column connection. Especially, the shear strength of the RC flat plate is decreased by the unbalanced moment of connection subjected to horizontal load like earthquake, and than the RC flat plate will be collapsed. The older flat plate buildings were designed and built to resist gravity loads only. The slab-column connections in these buildings have reinforcing detail appropriate for gravity load design and thus may not have the capacity to sustain deformation reversals during an earthquake of moderate intensity. And seismic safety evaluation of these buildings is currently insufficient. This study presents an analytical approach to analyze the behavior characteristic of reinforced concrete flat plate buildings subjected to earthquake according to the soil condition and peak ground acceleration. Three flat plate buildings, 5, 10 and 15 stories height, were used in the nonlinear dynamic analysis and reliability analysis. A model was developed to predict punching shear failures at interior slab-column connections based on experimental results. The limit-state function was based on the punching failure capacity of the interior slab-column connections. Based on the reliability analysis, the probability of failure of existing flat-plate buildings are presented for different soil conditions and peak ground acceleration varying from 0.05g to 0.3g. The reliability index for typical 5, 10 and 15 story flat plate buildings was calculated by the Monte Carlo simulation(MCS). This study consists of 5 chapters as follows; Chapter 1 : Described background , purpose, method and contents for study. Chapter 2 : Described analytical skills of the RC flat plate structure such as analysis model, slab model, and the probability of failure of the member. Chapter 3 : Described analysis model, earthquake load, and the results of the nonlinear time history analysis. Chapter 4 : Calculation of the probability of punching failure and the reliability index on the critical section. Chapter 5 : Described conclusion of this study. Conclusions through seismic safety evaluation of the older flat plate buildings using the nonlinear time history analysis and reliability analysis are summarized as below : 1) As the peak ground acceleration increases, plasticity hinges increase in 10 and 15 story building. Plasticity hinges are concentrated on the lower stories, and diffused into the upper stories. 2) As a result of the nonlinear time history analysis, the flat plate buildings are initially cracked and yielded caused by bending. But the probability of punching shear failure are predicted to increases as an increase of deformation and unbalanced moment. the weak parts and positions occurred plasticity hinges of flat plate buildings show difference according to peak ground acceleration, heigh of building, and soil condition. 3) As a result of the reliability analysis by the limit-state function, the probability of punching shear failure increases as an increase of peak ground acceleration, heigh of building and soil condition. And the reliability index(β) in the peak ground acceleration(PGA) 0.3g show about 1.27 times in 5 story building and about 1.12 times in 10 story building comparing with 15 story building. Although the results by the nonlinear time history analysis satisfy a limit story drift which is 2% of story height, the probability of punching shear failure occur. Therefore, an additional examination considered shear wall is required. 4) The probability of punching shear failure in soft soil show about 1.3 times in 5 story building, about 1.38 times in 10 story building and about 1.51 times in 15 story building comparing with in hard rock. As a result, The probability of punching shear failure is seriously affected by soil condition. Therefore, an analysis considered various earthquake waves is required. 5) Although KBC 2005 is allowed to use the nonlinear time history analysis as a dynamic analysis, It is not mentioned how to select earthquake wave considering soil condition and peak ground acceleration. This become the causes of over and under-designed. Therefore, a suggestion of method to select earthquake wave considering soil condition, peak ground acceleration, and magnitude of earthquake is required.