스터드 앵커 철판으로 보강된 플랫 플레이트 슬래브의 구조거동 연구

Abstract

최근 국내에서 설계 · 시공된 몇몇의 주상복합 고층건물들에서 Flat plate slab 구조를 이용하여 설계되었으며, 이로 인한 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 횡 하중에 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 횡 하중에 대한 플랫 플레이트의 거동 특성과 성능을 규명하기 위해서 그 동안 많은 실험연구가 수행되었으며, 이들 실험연구결과에 근거하여 ACI 318-051), CEB-FIP Model code, NEHRP’s Guidelines2) 등 다양한 설계기준들이 개발되어 있고 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구는 기존의 뚫림 전단 보강기법보다 기둥-슬래브 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 횡 하중 작용 시 성능평가를 위해 반복 횡 하중 실험을 통하여 뚫림 전단 및 슬래브-기둥 접합부의 구조적 성능을 평가하였다. 즉 지진 및 풍하중과 같은 반복 횡 하중에 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 횡 하중에 대한 저항성능이 효율적임을 확인 할 수 있었다. 더욱이 하부 철판은 횡 하중 작용 시 슬래브-기둥 접합부에 발생될 수 있는 모멘트 역전현상에 대한 하부 인장 보강재의 역할을 하여 슬래브-기둥 접합부 하부의 균열 제어에 효과적인 것으로 나타났다. 제시된 스터드 철판(Stud plate)을 이용한 새로운 뚫림 전단 보강기법은 기존 스터드 레일 보강기법보다 슬래브-기둥 접합부의 연성을 크게 증가시켜 다른 뚫림 전단 보강기법 보다 횡 하중에 대한 저항성능이 효율적임을 확인 할 수 있었다. 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 횡 하중 작용 시 뚫림 전단 저항성능(Punching shear resistance of reinforced concrete flat plate)은 기존 스터드 레일(Stud rail)보다 약 15% 이상 전단내력이 증가하였으며, 극한변위는 스터드 레일에 비해 약 30% 이상의 변위량을 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 연성거동으로 유도하기 때문인 것으로 사료된다. 3. 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.; Reinforced concrete flat plates are commonly used structural systems. Slabs supported directly on columns provide architectural flexibility, reduced building height and more clear space due to the absence of beams. One of the most important phenomena related to flat plates is the vulnerability of these systems to punching shear failure. Sampoong Department Collapse in 1995 is an important example where failure initiated as a result of punching of a slab-column connection due to unaccounted unbalanced forces and construction errors. The purpose of this study is to investigate punching shear strength of exterior flat plate slab supported by rectangular column, with respect to column aspect ratio varied between 2.0 to 4.5. To inspect the effect of column aspect ratios on the punching shear behavior, the length of critical shear section was held constant. Six flat plate slab specimens connected to normal and high strength concrete column having aspect ratio between 2.0 and 4.5 have been made and tested. As increased column aspect ratios, the punching shear strengths are decreased but the reducing values were not much than KCI and ACI Code's prediction in the column aspect ratio over 3.5.