기둥단면형상이 플랫플레이트 시스템 거동에 미치는 영향

Abstract

공기단축, 공간가변성, 낮은 층고 등의 장점을 가지는 플랫플레이트 구조시스템이 고층 공동주택이나 사무실 등의 구조형식으로 사용이 증가되는 추세이다. 최근 건설되고 있는 플랫플레이트 구조시스템에서는 구조적 효율성과 건축계획적인 요인으로 다양한 형상의 기둥을 사용하는 경우가 증가하고 있다. 그러나 기존의 플랫플레이트 구조물에 대한 설계과정에서는 다양한 형상의 기둥 사용으로 인한 거동변화의 영향을 합리적으로 반영하지 못하였다. 본 연구에서는 기둥단면형상에 따른 플랫플레이트 시스템의 거동을 합리적으로 예측하고 이에 따른 효율적인 설계방법을 제공하고자 하였다. 이러한 연구 목적을 달성하기 위한 연구내용은 다음과 같다. 기둥단면형상에 따른 플랫플레이트 구조시스템의 거동변화에 대한 기본적인 자료를 얻기 위하여 플랫플레이트-기둥 내부접합부 실험을 실시하였다. 실험의 주요변수는 기둥단면형상이고 실험체는 플랫플레이트 구조시스템 저층부의 슬래브-기둥 내부접합부를 포함하는 실물 독립실험체로 계획하였으며, 실험체에 주기횡하중을 가력하여 기둥단면형상에 따른 플랫플레이트 내부접합부의 거동특성과 성능한계를 규명하였다. 기둥단면형상이 접합부 강도에 미치는 영향을 분석하고 이를 토대로 기존 강도모형을 개선하기 위하여 해석연구를 수행하였다. 우선 플랫플레이트 접합부 강도에 대하여 본 연구에서 수행된 실험과 기존 실험을 분석하여, 다양한 기둥단면형상을 가진 플랫플레이트 접합부를 대상으로 기존 강도식을 적용하였을 때의 유효성을 평가하였다. 기둥단면형상을 비롯한 여러 설계변수에 따른 접합부의 거동을 평가하기 위하여 비선형 유한요소해석을 실시하였다. 기둥단면형상을 포함한 설계변수의 영향을 고려하여 보다 합리적으로 접합부 강도를 산정하기 위하여 접합부 측면에서의 유효최대전단응력값을 제안하였고, 제안된 유효최대전단응력의 유효성을 수치해석과의 비교를 통하여 검증하였다. 또한, 기둥단면형상이 유효보폭 산정에 미치는 영향을 분석하였다. 본 실험및 UCB(U. C. Berkeley) 실험과의 비교를 통하여 기존의 유효보폭 산정식의 유효성을 검증하였으며, 특히 다양한 기둥단면형상에 따른 유효보폭 산정식의 유효성을 검증하였다. 유효보폭식의 개선을 위해 탄성유한요소해석을 실시하여 기둥단면형상에 따른 플랫플레이트 유효보폭을 합리적으로 산정할 수 있도록 기존 유효보폭식을 개선하였다. 이상과 같은 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다. (1) 기둥단면형상을 포함한 설계변수의 영향을 고려하여 보다 합리적으로 접합부 강도를 산정하기 위하여 위험단면 측면에서의 유효최대전단응력값을 제안하였다. (2) 기둥단면형상에 따른 유효보폭 변화를 합리적으로 반영하기 위하여 유한요소해석을 통하여 탄성 유효보폭을 산정하였다. 기둥의 형상비의 영향을 고려하여 수정된 탄성 유효보폭계수 산정식을 제안하였다. (3) 기둥단면형상비가 4 이상일 경우, 벽체로 간주하여 슬래브-벽체 접합부의 유효보폭 산정식을 제안하였다. 이러한 연구성과는 플랫플레이트 구조시스템의 합리적 구조설계에 기여하고, 향후 경제성 및 시공성이 향상된 설계기술 확보 및 경쟁력 향상에 따른 국내 건설기술 발전에 기여할 것으로 예상된다.; Flat plate building systems are utilized extensively for the construction of apartments, hotels, and office buildings because of a short construction period, low floor-to-floor height, and flexibility in plan design. Recently, columns with various section shapes have been used for flat plate building systems because of structural efficiency and design purpose. However, current structural design method doesn't consider effect of column section shape on the structural behavior of flat plate system properly. A present study was performed to analyze the effect of column section shape on the behavioral characteristics of flat plate system and to provide the design method considering these effects. Research processes to achieve these purposes are as follows. To obtain basic data for analyzing behavioral characteristics of flat plate system according to column section shape, experimental study was performed on interior connection of flat plate system. Main parameter of experiment was column section shape and the specimen was designed to simulate interior connection of flat plate system. By cyclic loading test, behavioral characteristics and capacity limit of flat plate system according to column section shape were analyzed. To analyze the effect of column section shape on strength of flat plate connection and to modify strength model of connection considering this effect, analytical study was performed. The effectiveness of existing strength model was verified by comparison with experimental results on flat plate system. Nonlinear FE analysis was performed for interior connections of flat plate system to analyze the effect of column section shape and other design parameters. Effective maximum shear stress at side face of critical region was modified to consider the effect of column section shape and other design parameters on strength of connection. Effectiveness of modified effective maximum shear stress was verified by investigating numerical analysis results. The effect of column section shape on effective beam width was analyzed. The effectiveness of existing method for assessing effective beam width was verified by comparison with experimental results on flat plate system. FE analysis was performed to investigate the effect of column section shape on effective beam width. Based on FE analysis result, existing effective beam width was modified to consider the effect of column section shape properly. Finally, the conclusion in the present study was summarized as follows. (1) To consider properly the effect of column section shape on strength of flat plate connection, effective maximum shear stress at side face of critical region was proposed. (2) To consider properly the effect of column section shape on effective beam width, modified effective beam width method was proposed. (3) The effective beam width method for slab-wall connection of flat plate system was proposed. These research results can contribute to reasonable design of flat plate system and development of structural engineering by obtaining design method which can assure economical efficiency and improving competitive power.