기둥 형상비에 따른 플랫 플레이트 슬래브-기둥 접합부의 뚫림전단거동

Abstract

철근콘크리트 무량판 구조는 다른 구조형식에 비하여 매우 경제적인 구조형식이며, 국내에서는 삼풍백화점의 붕괴사고 이후 지하주차장 등에 제한적으로 사용되다가 최근에는 주거용 (초)고층 건축물에 대한 사용이 보편화 되고 있다. 보가 없는 2방향 슬래브(무량판) 형식은 보가 없기 때문에 바닥구조가 단순화됨으로써 시스템 거푸집의 사용이 가능하고, 코어월(Core wall) 선행공법에 의한 바닥공사 구간 조닝(Zoning) 등의 시공 방법으로 2일～4일 공정으로 골조공사를 수행할 수가 있으며, 슬래브 콘크리트의 고강도화를 통해 공기단축을 도모할 수 있다. 또한 Fig. 1.1에 나타낸 바와 같이 층고의 절감과 설비계획의 융통성, 그리고 처짐 제한 기준에 의한 슬래브 최소 두께의 확보로 층간소음 완화 등 거주성 측면에서도 우수한 장점을 지닌다. 반면에, 보가 없으므로 보-기둥 골조(Beam-column frame)에 비하여 구조적인 취약점을 갖게 되는데 대표적인 것이 접합부에서의 뚫림전단파괴이다. 슬래브에서 기둥으로의 직접적인 하중전달은 기둥 주위에 큰 응력을 유발하여 접합부 전단파괴를 유발하며, 접합부 파괴는 구조물 전체로 연쇄적인 붕괴(Progressive collapse)를 유발하게 될 수도 있으므로 접합부에서의 뚫림전단파괴 매커니즘 규명과 전단내력의 산정을 위한 연구 및 전단보강방법 등에 관한 연구가 매우 활발히 진행되어 왔다. 국내에서는 삼성동 I-Park(2004년)에 RC 플랫 플레이트 구조시스템이 적용된 이후 이러한 장점을 활용한 초고층 주거 건축물의 건립이 증가하고 있으며, Fig. 1.2의 사례와 같이 실내 공간구획과 넓은 조망 확보를 위해 벽체와 유사하게 형상비가 큰 Wall Column 형식의 기둥으로 설계하는 것이 보편적이다. Fig. 1.2(1)의 삼성동 I-Park(47층, 154.3m)의 경우는 기둥의 형상비가 4.27까지 사용되고 있으며, Fig. 1.2(2)의 건대 스타시티(47층, 154.3m)의 경우는 기둥 형상비가 3.65까지 사용이 되었다. 그러나 플랫 플레이트 구조의 취약점인 뚫림전단파괴에 있어서는 기둥의 형상비(기둥 단면의 장단변비, )가 증가 할수록 지지기둥의 단변 방향의 전단력 전달면적이 감소하여 이곳에 전단응력이 집중되고, 그 결과 뚫림전단강도가 정방형 기둥을 사용한 경우보다 줄어들게 되는 단점이 있다. 그리고 횡하중이 작용하는 경우에는 접합부의 불균형 모멘트 중 슬래브의 휨 저항으로 전달된 나머지가 위험단면에 전단응력으로 작용하여 중력하중과 함께 접합부의 전단응력으로 작용되므로 이러한 Wall Column 형식의 장방형 기둥이 사용된 경우 기둥의 형상비 증가에 따른 불균형 모멘트의 전달과 조합하중(중력하중+횡하중)에 의한 전단응력의 크기를 적절히 규명할 필요가 있다. 그러나, 현행 ACI 설계기준식에서 수직전단력 산정식은 경험적 설계식(Empirical design equation)으로 채택된 기존의 다른 기준식들에 비해서 실험 데이터의 수가 매우 적었으며, 횡하중 작용에 대한 편심전단응력모델(Eccentric shear stress model)은 이론적인 탄성 플레이트 해석(Flexural theory of elastic plate)에 기초한 가정에 의해 정립되어 사용되고 있으므로, 기둥 형상비가 크게 증가된 슬래브-기둥 접합부에 대한 실험적 검토가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 기둥의 장단변비가 5까지 증가된 높은 형상비를 갖는 슬래브-기둥 접합부의 수직하중실험과 조합하중(일정수직하중과 반복 횡하중) 실험을 통해서 접합부의 뚫림전단거동을 규명하고 실험결과에 기초하여 각국 설계기준식의 적용성을 평가하여 기둥 형상비의 영향이 적절히 고려될 수 있도록 개선방향을 제시하는데 본 연구의 목적이 있다. 이러한 목적을 위하여 본 논문은 총 7장으로 구성되었으며, 제 1장 서론, 제 2장 설계기준식 및 기존연구, 제 3장 슬래브-기둥 접합부의 수직전단력 실험, 제 4장 슬래브-기둥 접합부의 조합하중실험, 제 5장 설계기준식의 평가, 제 6장 기둥 형상비 영향을 고려한 설계 제안식, 7장 결론 및 향후 연구방향으로 구성되었으며, 본 연구의 결과로 얻은 결론은 다음과 같다. 1) 수직하중 실험을 통해서 콘크리트의 뚫림전단강도에 대한 기둥 형상비의 영향을 고찰한 결과, 기둥 형상비가 증가되면 기둥 단면의 단변 방향에서 슬래브 위험단면의 전단력 전달면적이 감소하게 되므로 콘크리트 뚫림전단강도가 감소하는 경향을 나타낸다. 이러한 경향은 기둥 형상비 증가에 따른 전단강도 감소를 고려하고 있는 ACI 318-05 기준식의 예측 결과에서도 반영되어 있으나, ACI 기준식의 경우 기둥 형상비가 2를 넘으면 1방향 전단강도의 크기로 수렴되도록 되어 있어서 실험결과를 점차로 과소평가하는 경향을 보였다. 2) 조합하중 실험을 통해서 기둥 형상비의 증가(수식 삽입. 원문 참조.)는 횡하중 방향의 기둥폭이 증가(수식 삽입. 원문 참조.)하여 최대 횡하중의 증가를 나타내고, 횡하중과 평행한 기둥 측면에서의 비틀림 저항 균열이 뚜렷하게 형성되는 경향을 보였으며, 뚫림전단파괴시의 층간변위비는 기준 실험체(수식 삽입. 원문 참조.)에 비해 약간 감소되었다. 반대로 기둥 형상비가 감소(수식 삽입. 원문 참조.)하는 경우는 횡하중과 직교방향의 기둥폭이 증가(수식 삽입. 원문 참조.)하여 최대 횡하중이 감소하였으나, 최대하중 이후에도 1% ～ 3% 정도의 변형에 견디는 연성파괴 거동을 나타내었다. 3) 수직하중 실험 및 조합하중 실험 결과를 통해서 뚫림전단파괴가 발생한 이후의 전단 저항(Post-punching resistance)에 있어서 ACI 318-05 기준에 의해 주열대에서 기둥을 관통하여 연속 배근된 하부 철근이 매우 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었다. 4) 본 연구의 실험결과를 기존 실험자료와 종합하여 각국 설계기준식들을 평가 한 결과 콘크리트의 수직전단강도의 경우 BS 8110-97과 ACI 318-05, MC-90 (EC 2-04)는 실험값/계산값의 비가 평균 1.07(표준편차 0.16, 변동계수 0.15), 1.22(표준편차 0.23, 변동계수 0.19), 1.33(표준편차 0.20, 변동계수 0.15)으로 각각 나타났고, EC 2-92는 평균 1.86(표준편차 0.44, 변동계수 0.24)으로 가장 유의성이 떨어지는 것으로 나타났다. 5) ACI 318-05와 MC-90(EC 2-04)의 편심전단응력모델에 대하여 계산값에 대한 실험값의 비는 각각 평균 1.28(표준편차 0.39, 변동계수 0.31)과 1.20(표준편차 0.26, 변동계수 0.22)으로 나타났고, 기둥 형상비(수식 삽입. 원문 참조.) 또는 위험단면의 형상비(수식 삽입. 원문 참조.)가 증가 할수록 두 기준식 모두 실험결과를 과소평가하는 경향이 증가하였으며, 모멘트 강도의 평가에서도 동일한 경향을 보였다. 실험에서 구한 불균형 모멘트 전단 전달계수는 기둥의 형상비(또는 위험단면의 형상비)가 1인 정방형기둥을 경계로 에서는 형상비 증가에 따라서 전달계수가 증가하여 기준식과 유사하였으나, 에서는 기준식의 전단 전달계수 값은 증가하는데 반해 실험값은 형상비 증가에 따라서 전달계수가 감소하는 경향을 보였다. 6) ACI 318-05의 불균형 모멘트 전달계수는 슬래브의 휨저항으로 부담될 수 있는 휨 전달계수(수식 삽입. 원문 참조.)를 먼저 계산하고, 전단 전달계수(수식 삽입. 원문 참조.)는 (수식 삽입. 원문 참조.)의 크기로 산정하도록 되어있다. 이러한 휨 전달계수(수식 삽입. 원문 참조.)의 산정식에서 기둥 형상비 증가에 따라서 위험단면의 형상비(수식 삽입. 원문 참조.)가 증가 할수록 슬래브의 휨저항 이 감소되도록 하여 전단 저항이 증가되는 결과를 제시하고 있으나, 실제 실험 결과에서는 기둥 형상비가 증가함에 따라서 전단 전달계수값이 감소되는 것으로 나타나고 있다. 이처럼 실험결과와 기준식의 계산값의 차이가 발생되는 것은 위험단면 측면에서의 비틀림 저항성분이 증가되는 특성에 기인한 것으로 분석되었다. 7) 장방형 기둥을 고려하여 수행된 가용한 실험자료의 범위와 실무 적용성을 고려하여 기둥의 형상비(수식 삽입. 원문 참조.)를 5 이내로 제한하고, 실험자료를 회귀분석하여 두 가지 하중조건(수직하중, 조합하중)에 대하여 설계 기준식을 수정하여 적용될 수 있도록 다음과 같이 제안식을 도출하였으며, 기존 설계기준식에 비하여 기둥 형상비 증가에 따른 강도 예측이 크게 향상되었다. ㆍ수직하중에 대한 콘크리트 전단강도 제안식 ㆍACI 318-05의 불균형 모멘트 전단 전달계수 제안식 ㆍMC-90, EC 2-04의 불균형 모멘트 전단 전달계수 제안식; A flat plate structure is defined as a slab supported directly on columns without beams, drop panels or capital heads. The reinforced concrete flat plate is very efficient and economical and is currently the most widely used floor system for multistory residential and institutional construction. In comparison to other concrete floor systems, flat plates can be constructed in less time and with minimum labor costs because the system utilizes the simplest formwork and reinforcing steel layout. Flat plate structure also provide for the most flexibility in the layout of columns, partitions, plumbing, etc. Although the flat plate structure has many advantages, the principal limitation on the use of flat plate construction is imposed by punching shear around the columns. Thus, the ultimate strength of flat plates is often determined by the shear failure load, which is smaller than the flexural failure load. Furthermore, for tall residential buildings the flat plates are generally supported by rectangular columns with high aspect ratio of the cross section. For example, the I-Park project(2004, 47-stories, Seoul, Korea) and the Star City project(2007, 58-stories, Seoul, Korea), tall residential buildings recently constructed in Korea utilizing flat plates, have the wall-like rectangular columns with an aspect ratio greater than 3 or 4. However, under the gravity loading the plat plates with rectangular column support produce punching shear strength less than square one. This is explained by the reasoning that the slab shear stresses around the column are not distributed uniformly due to the reduction of slab critical section area adjacent to the short sides of the column. Although a considerable amount of research on the punching shear strength of slab-column connections has been conducted, existing experimental data primarily concerns slabs with square column supports. Nevertheless, design codes, such as ACI 318-05, BS 8110-97, EC 2-92 and EC 2-04, and CEB-FIP Model Code 1990, provide ultimate shear strength equation for flat plates with rectangular column support considering the effect by assumption of slab critical perimeter. Furthermore, in comparison to other design codes, ACI 318-05 provides directly the term related to the column aspect ratio as well as slab critical perimeter. In addition, when slab-column connections subjected to lateral cyclic moment transfer under combined vertical shear and lateral load, unbalanced moments between column and slab are transmitted by shear and bending of the slab. However, the proportions of transferred unbalanced moment are dependent on the ratio between the column dimensions c1 and c2. Therefore, the shear fraction of the unbalanced moment transmitted in the slab-column connections is needed as the column aspect ratio (수식 삽입. 원문 참조.) increased. It is considered in the design codes such as ACI 318-05 and EC 2-05 as eccentric shear stress model, and the shear fraction of both codes is increased according to column aspect ratio. In the ACI 318-05 code, a shear fraction is remainder of the unbalanced moment which transferred by flexure of the slab within the effective transfer width of . The proportion of the flexural moment transmitted in the slab is computed by an equation dependent on the ratio between the slab dimensions and . The equation for the fraction of the unbalanced moment transferred by flexure was based on the flexural theory of elastic plates presented by Paul E. Mast and the fraction is increased along with increased aspect ratio of the slab critical section. However, the original study of Paul was only evaluated by limited experimental results of Hanson and Hanson that was performed column aspect ratio between 0.5 and 2.0. Therefore, the equation for the fraction of the unbalanced moment transferred by flexure is needed more experimental verifications for the extended ranges of the column aspect ratios. Experimental studies were conducted to examine the punching shear behavior under both vertical shear load and cyclic moment transfer combined with vertical shear. In the vertical shear load tests, experimental variables were column aspect ratio (수식 삽입. 원문 참조.) and concrete compressive strength (수식 삽입. 원문 참조.). In the combined load tests, the variables were column aspect ratio (수식 삽입. 원문 참조.), flexural reinforcement ratio (수식 삽입. 원문 참조.) and gravity shear ratio (수식 삽입. 원문 참조.). In all tests, perimeter of the critical section was kept constant in order to examine the effect of column aspect ratio completely. After experimental studies, analytical studies were conducted to evaluate code predictions for vertical shear strength and eccentric shear stress combined vertical and eccentric shear stress, comparing with test results including previous studies. Thereafter, based on the experimental database, proposed equations were presented for both vertical shear and eccentric shear by means of regressive analysis according to column aspect ratio. Through the experimental and analytical studies, the following conclusions were drawn. 1) As the column aspect ratio increased, measured punching shear strengths in the vertical shear load tests decreased due to the concentration of applied loads in the direction of the short sides of the columns. This stress concentration phenomenon was also evidenced by the distinctly varied slab deflection and steel strain values. Also, the number and width of cracks resulted in the vicinity of the shorter sides of column are well represent the influence of stress concentration. Therefore, it is preferred that the shear reinforcement, if necessary, at the slabs in shorter sides of the rectangular column are more effective placement. 2) In the combined load tests, increase of column aspect ratio increases peak lateral loads due to the increased torsional moment resistance of the slab at the side face of the column with remarkable torsional cracks compared to the square column specimen. Peak story drift ratios at punching were decreased slightly as the column aspect ratio increased. On the other hand, decrease of column aspect ratio lesser than one reduces the peak lateral loads due to the decreased column side dimension(수식 삽입. 원문 참조.) and the peak story drift ratios at punching were increased distinctly with ductile behavior after peak load due to the increased flexural resistance of the effective slab width. 3) Post-punching behavior was observed in both tests after sudden drops at the ultimate or peak load, resulted from flexural reinforcements passing through the column head. In the vertical shear load tests, the load carrying capacity after punching maintained about 30% to 45% of the ultimate loads. 4) In this experimental investigation, code predictions of punching shear strength for flat plates supported by rectangular columns with an aspect ratio between 2.0 and 4.5 are presented. The predictions by design codes indicate mostly conservative results but the safety margin was different. As column aspect ratio increased, the ratio of measured to predicted shear strength (수식 삽입. 원문 참조.) increased in ACI 318-05 and EC 2-92, while the ratio decreased in BS 8110-97 and MC-90 (EC 2-04). Within the present experimental results, ACI 318-05 tends to overestimate shear strengths as the column aspect ratio increased, and EC 2-92 had the largest values of overestimating the shear strengths of the test specimens by two times due to the assumption of smallest critical perimeter length of the four codes. 5) By means of analyzing available experimental database including previous study, predictions of four design codes were evaluated. The prediction by BS 8110-97 presented most accurate results and the prediction by EC 2-92 showed most inaccurate results. ACI 318-05 and MC-90 (EC 2-04) had an adequate safety margin of about 30 to 40 percent. However, in the ACI 318-05 two-way shear strength prediction considering column aspect ratio was formulated unlimited ratio from 2.0 to ∞ ideally. Due to the available experimental observations limited in the column aspect ratio of 5.0, a modification of ACI formula was proposed based on the tests results and this limit is able to cover actual design extensions in general practices. ㆍProposed equation for concrete shear strength under vertical load (수식 삽입. 원문 참조.) 6) In order to evaluate eccentric shear stress model, design codes such as ACI 318-05 and EC 2-04 were compared with experimental results. The ratio between tested shear and predicted shear was a mean of 1.28 and 1.20, respectively. In particular, the ratio was increased up to 2.0 or more as the column aspect ratio increased 3.0 or more, resulted in overestimation of both codes according to column aspect ratio. 7) The proportions of unbalanced moment transmitted by shear and flexure were reevaluated using experimental database on the slab-column tests with rectangular column. While the shear fractions computed by ACI 318-05 and EC 2-04 were increased with increase of column aspect ratio, the shear fractions obtained from test results were decreased due to the torsional moment resistance increased in the side face of the slab critical section with higher column aspect ratio. Proposed model to modification of ACI 318-05 and EC 2-04 formulation was produced based on the tests results and limited in the column aspect ratio of 5.0 due to the available experimental observations. This limit is able to cover actual design extensions in general practices. ㆍProposed shear fraction of unbalanced moment for ACI 318-05 (수식 삽입. 원문 참조.) ㆍProposed shear fraction of unbalanced moment for MC-90 and EC 2-04 (수식 삽입. 원문 참조.)