검증

개구부가 있는 전단벽 (ACI)

Concrete

ACI (USA)

Detail 2D

Wall

Shear

Reinforcement

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이 문서는 오하이오 주립대학교의 전단벽 활용 사례 검증 연구 요약을 제시합니다. 네 가지 활용 사례를 포함한 전체 연구는 이 페이지 하단에서 다운로드할 수 있습니다.

이 장에서는 개구부가 있는 네 개의 철근 콘크리트(RC) 전단벽 시험체의 거동을 검토합니다. 횡하중 내력과 층간변위각(변위/길이)은 IDEA StatiCa 소프트웨어를 사용하여 평가하였으며, Taleb et al. (2012)이 보고한 실험 데이터와 비교하였습니다.

결과는 또한 ACI 318-19 (2019)에 포함된 스트럿-타이 모델(STM)을 사용하여 산정한 설계 내력과도 비교하였습니다. 시험된 전단벽 시험체 중 하나를 기준 모델로 선정하여 ABAQUS 소프트웨어(2023)를 이용한 추가 분석을 수행하였으며, 층간변위각, 주 응력 분포 및 균열 패턴을 산출하여 실험 측정값과 비교하였습니다. 또한, Mander et al. (1988)의 구속 모델을 적용하여 구속 콘크리트가 전단벽 내력에 미치는 영향을 상세히 검토하였습니다.

실험 연구

개구부가 있는 전단벽의 구조 성능을 평가하기 위해 N1, S1, M1, L1로 식별된 네 개의 RC 단경간 구조벽 시험체를 연구하였습니다. 이 시험체들은 Taleb et al. (2012)이 교토대학교 구조 실험실에서 횡방향 반복 사이클 하중 하에 제작하고 시험하였습니다. 벽체는 6층 RC 건물의 하부 3개 층을 나타내도록 40%로 축소 제작되었습니다. 이 실험의 주요 목표는 횡방향 거동을 분석하고 다양한 개구부 크기 및 위치가 RC 구조벽의 균열 분포 및 전단 강도에 미치는 영향을 이해하는 것이었습니다. 모든 시험체에서 주 철근은 일관되게 유지되었으며, 개구부 비율에 변화를 주었습니다. 이 시험체들 중 L1이 ABAQUS 소프트웨어를 이용한 추가 분석의 기준 모델로 선정되었습니다.

실험 설치

실험 설치 및 재하 시스템의 세부 사항은 각각 그림 3.1 및 3.2에 나타나 있습니다. 횡하중 Q는 두 개의 2 MN(449.6 kips) 유압 잭을 사용하여 재하 보에 적용되었으며, 시험체에 사이클 반복 수평 하중을 전달하였습니다. 이 하중은 실제 지진 조건을 모사하여 양방향으로 적용되었습니다. 수평 하중 외에도, 두 개의 1 MN(224.8 kips) 유압 잭을 사용하여 기둥에 수직 축하중을 적용하여 6층 RC 건물의 하부 3개 층에 작용하는 하중을 재현하였습니다. 수직 하중 수준은 해당 구조물에서 예상되는 장기 축하중을 반영하도록 선택되었으며, 각 잭은 초기에 상부 층의 자중을 나타내기 위해 400 kN(89.9 kips)의 하중을 적용하였습니다.

두 개의 수직 유압 잭은 전단 스팬 비(M/Ql)를 1.0으로 유지하기 위해 횡하중 Q에 따라 변하는 축력 N_w 및 N_e를 적용하도록 조정되었습니다. 여기서 M은 벽체 기부의 모멘트, Q는 수평 하중, l은 측면 기둥 중심 간의 거리를 나타냅니다. 이 설치는 벽체의 휨 항복이 발생하기 전에 전단 파괴가 일어나도록 보장하였습니다.

측면 기둥이 시험 종료 시까지 온전하게 유지되었으므로 축하중이 전단 내력에 미치는 영향은 미미하였습니다.

그림 3.1, 3.2 실험 설치, 재하 시스템

시험 시험체

네 개의 철근 콘크리트 벽체 시험체가 교토대학교에서 제작되어 시험되었습니다. 그림 3.3에 나타난 바와 같이, 세 개의 시험체(S1, M1, L1)는 편심 개구부를 가지고 있었으며, 한 개의 시험체(N1)는 개구부가 없었습니다. 개구부가 있는 3층 시험체의 주요 변수는 개구부 비율과 개구부의 위치였습니다. 실험 시험의 주요 목적 중 하나는 다양한 개구부 비율이 구조벽의 전단 강도에 미치는 영향을 평가하는 것이었습니다. S1, M1, L1 시험체의 개구부 비율은 각각 0.30, 0.34, 0.46이었습니다.

그림 3.3: 시험체 형상 및 철근 배치: a) 개구부 없는 시험체 N1의 상세 및 치수, b) 시험체 S1, M1, L1의 치수 및 개구부 상세.

IDEA StatiCa 해석

3.3.1절에서 검토된 개구부가 있는 철근 콘크리트 전단벽 시험체의 거동은 IDEA StatiCa Detail을 사용하여 분석되었습니다. 이 연구는 Taleb et al. (2012)의 선행 연구를 확장하며 시험체 N1, S1, M1, L1에 초점을 맞춥니다. 이 시험체들은 다양한 개구부 비율 및 위치가 구조 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해 특별히 선정되었습니다. IDEA StatiCa Detail의 모델링 방법론은 Taleb et al. (2012)이 제시한 매개변수에 따라 콘크리트의 실제 압축 강도와 철근의 항복 및 극한 강도를 통합하였습니다.

IDEA StatiCa 해석에서는 ULS 하중 조합에 초점을 맞추어 자중과 적용 횡하중 두 가지 하중 패턴 모두에 하중 계수 1.0을 사용하였습니다. 시뮬레이션의 정확성과 실험 결과와의 일치를 보장하기 위해 IDEA StatiCa 내의 콘크리트(f_c) 및 철근(f_s)에 대한 재료 계수를 1.0으로 설정하였습니다.

IDEA StatiCa의 내력 산정 과정은 다음 조건 중 하나에 도달할 때까지 상단 보 중앙에 적용되는 횡하중을 점진적으로 증가시키는 방식으로 진행되었습니다:

모델의 임의 지점에서 콘크리트가 적용 하중 하에 강도 내력의 100%에 도달한 경우.
철근이 적용 하중 하에 강도 내력의 100%에 도달한 경우.
정착 강재가 적용 하중 하에 강도 내력의 100%에 도달한 경우.

그림 3.5: 1.82 kN/mm(10.4 kip/in.) 횡하중에서 개구부가 있는 전단벽 L1: a) 결과가 포함된 IDEA StatiCa Detail 모델, b) 처짐 등고선, c) 콘크리트 주 응력(σc), d) 철근의 응력(σs).

스트럿-타이 모델을 이용한 내력 산정

개구부가 있는 모든 전단벽의 내력은 미국 콘크리트 학회(ACI 318-19) 규정에 명시된 스트럿-타이 모델(STM) 조항에 따라 결정되었으며, 구체적으로는 2.2절에 기술되어 있습니다. 절점 구역 및 스트럿의 위치에 따라 스트럿 및 절점 구속 수정 계수(β_c), 스트럿 계수(β_s)_,및 절점 구역 계수(β_n)는 각각 2장의 표 2.1부터 2.3에서 취하였습니다. 스트럿 및 절점 구역에서 콘크리트의 유효 압축 강도(f_ce)는 각각 식 2.4 및 2.9를 사용하여 산정하였습니다.

최대 횡하중 내력과 파괴 위치를 가능한 한 정확하게 산출하는 최적 모델을 식별하기 위해 여러 스트럿-타이 모델이 개발되었습니다. 트러스 모델(또는 압축 트러스 부재로서의 스트럿과 인장 트러스 부재로서의 타이를 포함하는 STM)을 구성하기 위해 모든 전단벽 시험체에 대해 IDEA StatiCa 해석에서 얻은 응력 흐름 다이어그램과 위상 최적화 도표를 활용하였습니다. IDEA StatiCa에서 생성된 위상 최적화 도표의 유효 체적은 20%였습니다.

트러스 모델 또는 STM을 개발하는 것은 힘의 평형 및 응력 분포 원리를 사용하여 복잡한 구조 거동의 단순화된 표현을 만드는 것을 포함합니다. 트러스 모델 설계의 구체적인 접근 방식은 관련된 구조 엔지니어의 판단, 선호도 및 전문성에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 엔지니어는 구조물 내에서 응력과 힘이 전달되고 분배되는 방식을 정확하게 묘사하는 것을 목표로 다양한 방법 중에서 트러스 모델을 구성하는 방법을 선택합니다. 이 과정은 트러스 모델이 전반적인 물리적 거동과 구조적 완전성을 효과적으로 나타내고 설계의 하중 지지 요건과 일치하도록 보장하는 것을 목표로 합니다.

ACI 318-19(특히 23장)와 같은 규정 및 기준에 명시된 요건을 충족하는 것은 트러스 모델 또는 STM을 개발하는 데 여러 가지 어려움을 제시합니다. 이러한 기준은 다양한 하중 조건 하에서 구조적 완전성과 안전성을 보장하기 위해 부재 크기, 연결성 및 하중 경로를 포함한 중요한 요소를 명시합니다. 구체적인 요건으로는 모든 절점이 평형 상태에 있어야 하고, 절점 구역에서 경사 스트럿의 수직 및 수평 힘이 균형을 이루어야 하며, 스트럿과 타이가 교차하지 않아야 합니다. 또한, 스트럿은 최소 25도의 경사각을 유지해야 하며, 스트럿과 절점 구역 모두 적용 하중을 견딜 수 있도록 적절하게 크기가 결정되어야 합니다. 스트럿과 절점 구역의 치수는 2장의 2.3절 및 2.4절에 정의된 유효 콘크리트 강도를 기반으로 결정됩니다.

전단벽 시험체 N1에 대한 IDEA StatiCa 해석에서 결정된 위상 최적화 도표 및 응력 흐름 다이어그램을 기반으로 여러 트러스 모델이 개발되었습니다. 이후 이 트러스들은 SAP2000 소프트웨어(2024)를 사용하여 분석되었습니다. 이 과정은 두 가지 주요 목표에 초점을 맞추었습니다: (a) 임계 스트럿, 타이 및 절점 구역 식별(IDEA StatiCa 해석의 응력 흐름 도표 활용), (b) 각 모델의 하중 지지 내력 평가(SAP2000 해석의 트러스 부재 및 반력 활용). 여러 번의 반복 후, 최종 STM의 결과를 보고하고 측정된 시험 데이터와 비교하였습니다.

그림 3.269: 시험체 N1의 스트럿-타이 모델: a) 응력 흐름이 포함된 STM, b) SAP2000의 STM, c) SAP2000에서 산정된 STM 부재의 축력.

ABAQUS 모델 개발 및 해석

이 절에서는 3.5.1절에서 모델링 및 분석된 시험체 L1을 유한요소(FE) 해석을 위해 ABAQUS 소프트웨어(2023)를 사용하여 재모델링하였습니다. 결과는 IDEA StatiCa에서 얻은 결과와 비교되었습니다. 구조물의 복잡성으로 인해 콘크리트 및 철근을 포함한 CAD 모델은 Rhino 소프트웨어(McNeel, 2020)에서 작성된 후 STEP 파일로 ABAQUS에 내보내졌습니다. 사용된 Rhino 버전은 참고문헌에 포함될 것입니다. IDEA StatiCa 모델과 유사하게, ABAQUS에서도 자중(즉, 하중 1) 외에 그림 3.34에 나타난 바와 같이 두 개의 수직 하중(즉, 하중 2 및 3) 각 400 kN이 두께 4 in.의 두 개의 하중 지지 플레이트에 적용되었습니다. ABAQUS에서 선하중은 보 요소에만 사용할 수 있으므로, 실험 시험 및 IDEA StatiCa에서 구조물에 부과된 횡하중을 모사하기 위해 수평력(즉, 하중 4)을 선하중을 재현하기 위해 상단 보의 모서리에 결합된 정의된 기준점(즉, RF2)에 적용하였습니다.

그림 3.34: 적용 하중 및 경계 조건의 위치와 상세를 나타내는 ABAQUS의 모델 설정.

구조물 하부의 두 개의 지지 플레이트는 수직 및 횡방향 변위를 구속하기 위해 고정되었습니다(그림 3.34 참조). 균열 발생 및 진전을 정확하게 포착하기 위해 요소 크기를 20 mm로 선택하였으며, 모델에 총 396,505개의 요소가 생성되었습니다(그림 3.35 참조). 콘크리트에는 3D 응력, 8절점 선형 육면체 저감 적분(즉, C3D8R) 요소 유형이 선택되었으며, 철근에는 트러스 요소가 선택되었습니다.

그림 3.35: 요소 크기 20 mm의 메시 밀도.

ABAQUS에서는 콘크리트 손상 소성(CDP) 구성 모델이 사용되었습니다. 이 모델을 기술하는 데 필요한 매개변수는 Taleb et al. (2012)에 명시적으로 제시되지 않았으므로 다양한 출처(Federal Highway Administration, 2006, 및 Watanabe et al., 2004)로부터 보정을 통해 얻었습니다. 철근의 경우 재료 거동은 이선형 소성을 사용하여 모델링되었습니다. 밀도, 탄성 계수 및 포아송 비를 포함한 기타 매개변수는 IDEA StatiCa 재료 라이브러리에서 그대로 취하였습니다. 수치 시뮬레이션은 16개의 프로세서(Intel Xeon® Gold Processor 6430 @2.10GHz)를 갖춘 가상 머신에서 수행되었으며 완료하는 데 약 185분이 소요된 반면, IDEA StatiCa는 2분 이내에 계산을 완료하였습니다.

요약

결론적으로, 개구부가 있는 철근 콘크리트 전단벽의 내력은 IDEA StatiCa Detail을 사용하여 평가되었으며, ACI 318-19의 스트럿-타이 모델, ABAQUS, CSFM(적합 응력장 방법) 및 실험 데이터와 비교하였습니다. 연구 결과, STM은 보수적인 설계 가정으로 인해 하중 지지 내력을 크게 과소평가하는 것으로 나타났습니다. 반면, CSFM과 ABAQUS 모두 특히 정방향 하중 조건에서 측정된 내력과 밀접하게 일치하는 결과를 제공하였습니다. 또한, 해석에서는 구속 및 비구속 콘크리트 재료가 강도 및 층간변위 거동에 미치는 영향을 고려하였습니다. 결과는 구속이 일반적으로 전단벽 내력을 향상시키지만, 층간변위각에 대한 영향은 시험체마다 다양하게 나타났습니다. 전반적으로, 연구 결과는 적절한 예측 방법 선택의 중요성을 강조하며, CSFM과 ABAQUS가 STM에 비해 우수한 정확도를 보여주고 설계 및 해석에서 구속 효과의 신중한 고려 필요성을 강조합니다.