경량콘크리트를 사용한 플랫 플레이트 슬래브-기둥 접합부의 뚫림전단강도

Abstract

건물의 초고층화, 친환경화가 진행되면서 콘크리트의 고강도화 및 경량화에 대한 연구의 필요성이 크게 대두되고 있다. 하지만 경량콘크리트는 경량골재 자체의 강도가 보통중량골재보다 작기 때문에 재료역학적, 구조역학적 성능이 다소 떨어지는 것으로 알려져 있으며, 국내외 기준에서도 이러한 특성을 반영하여 보통중량콘크리트의 경우 보다 더큰 안전율을 두는 방향을 취하고 있다. ACI Building Code 에서는 콘크리트의 전단강도(Vc)를 계산함에 있어서 잔골재를 모래로 사용한 경우(Sand lightweight concrete)는 강도저감계수(λ)를 0.85로 사용하게 되어있다. 주거를 중심으로 한 복합용도의 초고층 건축물 건립이 증가하고 있으며, 층고절감과 공기단축 및 경제성 향상 등의 장점을 활용하기 위하여 무량판 구조시스템이 활발히 사용되고 있으며 최근에는 평면계획의 융통성을 위하여 벽체와 유사하게 형상비가 큰 wall column 형식의 장방형 기둥으로 설계되는 경우가 많다. 또한 초고층 시공시 적용되는 수직, 수평 분리타설공법은 공기지연 등의 이유로 내민길이 타설을 현실적으로 어렵게 하므로 수직재의 초고강도 적용시 슬래브와 수직부재의 강도차이가 1.4배 이내로 하기 위해서는 슬래브의 고강도화가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 실험을 통하여 고강도 경량콘크리트를 적용한 플랫플레이트의 뚫림전단강도에 대한 기둥형상비(column aspect ratio) 및 강도저감계수(λ)에 관한 영향을 평가하고 현행 설계식의 적용성을 검토 하였으며, 연구결과를 정리하면 다음과 같다. 본 연구는 다음과 같이 4장으로 구성되어 있다. 제 1장은 연구의 배경, 목적, 범위, 내용을 기술하였다. 제 2장은 일반사항 및 설계기준식 및 기존연구에 대해 기술하였다. 제 3장은 재료시험, 실험개요, 실험계획, 실험 방법 및 결과에 대해 기술하였다. 제 4장은 본 연구의 결론에 대하여 기술하였다. 각기 다른 형상비를 가지는 경량콘크리트가 사용된 플랫플레이트 슬래브 2개와 각각 같은 형상의 보통중량콘크리트를 사용한 실험체 2개에 대한 실험결과와 현행 뚫림전단강도 평가를 통해 강도저감계수를 결정하고 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 기둥의 형상비가 증가할수록 기둥 단변에 지지되는 슬래브면의 전단력 전달면적이 감소하여 기둥 단변과 나란한 방향으로 뚫림전단파괴가 나타나면서 전단강도가 감소하며 기둥 형상비가 증가할수록 실험결과를 점차 과소평가 하게 되는 것으로 나타났다. 2) 슬래브 유효보폭내 집중배근 및 기둥을 관통시켜 배근되는 슬래브 철근의 영향으로 뚫림전단균열이 발생한 이후에도 최대하중의 약 2/3 수준의 하중지지능력(post-punching resistance)을 유지하면서 큰 변형이 일어났으며, 플랫 플레이트 구조의 취성적 전단파괴로 인한 진행형 붕괴(progressive collapse)를 방지하는데 효과적인 것으로 나타났다. 3) 유효보폭내 집중배근으로 기둥의 형상비가 증가할수록 기둥을 관통하는 상부근(인장철근)의 대수가 많아지며 이는 최대하중 부근에서의 연성거동에 영향을 주는 것으로 나타났다. 4) 경량콘크리트를 사용한 L-series 의 경우 같은 기둥 형상비를 가지는 N-series에 비해 84～98%의 내력을 가지는 것으로 나타났으며 경량콘크리트의 전단강도를 보통중량콘크리트와 같은 수준으로 λ(강도저감계수)를 1.0으로 적용하여 실험값과 비교한 결과 평균값은 1.39로 나타났고 대부분의 자료가 1.0을 넘는 결과를 나타내었다. 따라서 현행설계식에서 경량콘크리트 적용시 강도저감계수(λ) 0.85는 매우 보수적이라 판단되며 상향조정할 필요가 있다.; The purpose of this study is to investigate punching shear strength of interior flat plate slab using lightweight concrete supported by rectangular column, with respect to column aspect ratio varied between 1 to 3. To inspect the effect of column aspect ratios(long side length/short side length of column section) and shear strength reduction factor(λ) 0.85 on the punching shear behavior for light weight concrete, four specimens made of normal weight and light weight concrete were held constant the length of shear critical section. As increased column aspect ratios, punching shear strengths decreased due to the concentration of applied loads to the short side of column support. Punching shear strength of light weight concrete specimens are the same as 84~98% of nomal weight concrete, ACI building code unnecessarily overestimate the reduction factor(λ) 0.85. This study consists of 4 chapters as follows; Chapter 1 : Described background , purpose, range and contents for study. Chapter 2 : Described effect of column aspect ratio about punching shear failure mechanism, internal and external code and punching shear strength. Chapter 3 : Described material test, overview of test, test plan, method of test. Evaluated calculating table of punching shear strength by investigating influence of each variable based on the test. Chapter 4 : Evaluation of design codes according to strength reduction factor based on present test. Reached a conclusion through comparative analysis about test result of flat plate slab - column connection adopting variables. 1) As column aspect ratio increases, shear delivery area of short side of slab decreases. As a result, punching shear failure occurs earlier in the parallel with short side than long side of loaded area. 2) Slab reinforcements that arranged through cloumn have an effect on punching shear behavior. After punching shear failure, slab-column connection that arranged transverse bar maintains about 71~79% of maximum punching shear capacity and leads gradually progressive collapse. 3) Punching shear strength of light weight concrete specimens are the same as 84~98% of nomal weight concrete. And all of the ratio of measured to predicted shear strength (VTEST/VPRED) are over 1.0. In conclusion, ACI code and Euro code unnecessarily underestimate to light weight concrete. 4) EC 2 - 04 is more appropriate predicted shear strength than ACI 318 - 05 in effect of concrete strength and slab reinforcement ratio. Because It considered with a cube root of concrete strength. And in the design code, it has directly considered about slab reinforcement ratio. Therefore ACI 318 - 05 is necessary to newly design of appropriate predict shear strenth.