Shear Strength and Degradation Model for Performance Based Seismic Design/Evaluation of RC Walls

Abstract

In the performance based seismic design/evaluation, the behavior of structure by earthquakes is evaluated by the nonlinear analysis. In the slender walls of high-rise residential buildings, because the large shear force is applied by a dynamic mode effect, the high-strength reinforcement is required for economic design. Therefore, in this dissertation, experimental studies were conducted to provide the evidence of validity of RC walls with 700 MPa high-strength reinforcement. In the case of walls in the existing buildings, because the deformation capacity is limited by not applying the seismic design, it is necessary to evaluate the shear strength and inelastic deformation of the walls accurately. Therefore, the present dissertation investigated the major design parameters affecting the shear strength of wall, and developed the shear strength and strength degradation model based on the shear failure mechanism. The large demand force is applied by the gravity loads and earthquake loads at the walls in the high-rise residential buildings. Thus, the validity of 700 MPa reinforcement should be verified for the walls with high shear reinforcement ratio and high axial force. Even the demand force is small, the current design code requires the minimum reinforcement ratio for serviceability and safety. Thus, it is required to investigate the effects of the low reinforcement ratio on the strength and deformation capacity of the walls. For these purpose, the cyclic loading tests were conducted for the 700 MPa RC walls with various test parameters. The test results showed that the shear strength of walls with 700 MPa reinforcement was greater than the design strength, regardless of the test parameters. 700 MPa shear reinforcement was yielded at the peak shear strength. However, because of the greater yield strain and less reinforcement ratio, the walls with 700 MPa rebars showed the less strength margin, the greater crack width, the less energy dissipation and the less drift ductility ratio. Based on the test results, the effects of design parameters on the shear strength were investigated. The major design parameters were the yield strength of shear reinforcement, the vertical web reinforcement ratio, the axial load ratio, and the shape of the cross section. Since such parameters are closely related to the compression zone depth, the shear strength and shear strength degradation of walls are explained based on the effective compressive stress of concrete and effective area of concrete in compression. Based on the consideration, the present study developed the shear strength and strength degradation model. The major failure mechanisms of diagonal tension cracking and web crushing were addressed. The diagonal tension strength was defined by the compression zone depth and the normal stress of concrete in the compression zone. As the inelastic deformation increased, concrete crushing occurred in the compression zone. Thus, the effective compression zone gradually decreased, and diagonal tension strength degraded. The web crushing strength was defined by effective compressive stress of diagonal strut. By the compression softening effect, the effective concrete stress decreased as the crack width increased. Therefore, the web crushing strength degraded as the lateral deformation increased. Based on these shear failure mechanisms, simplified shear strength and strength degradation models were developed. Compared to existing design method, the proposed model agreed with the existing test results. To implement the proposed model into the practical design, design tables and guideline were suggested. The proposed model was applied in the Perform 3D, and the analysis results were compared with the test results. The Perform 3D analysis results showed that the strength degradation occurred after flexural yielding, and the deformation capacity was limited by the strength degradation.

성능기반 내진설계 및 평가 기법에서는 비선형 해석을 통해 지진에 의한 건축물의 거동을 평가한다. 성능설계 시, 고층 공동주택의 세장한 벽체는 구조적 동적 특성으로 인해 지진하중에 의해 큰 전단력이 벽체에 작용하므로 경제적인 설계를 위해 고강도 철근의 사용이 요구된다. 이를 위하여 본 연구에서는 실험적 연구를 바탕으로 700 MPa 철근을 사용한 벽체의 유효성에 대하여 입증 자료를 제공하였다. 한편, 기존 건물의 벽체는 내진설계가 미비하여 연성능력이 부족하고 전단파괴에 취약하기 때문에, 성능 평가 시 벽체의 전단강도와 변형능력을 정확히 평가하는 것이 중요하다. 따라서, 벽체의 전단거동에 영향을 미치는 주요 요인을 조사하고, 벽체의 전단 거동 메커니즘을 기반으로 전단 강도와 변형능력을 평가하는 설계모델을 개발하였다. 고층 공동주택의 벽체에는 중력하중과 지진하중에 의하여 큰 요구하중이 작용한다. 따라서 높은 축력비가 작용하고 철근비가 높은 벽체에 대하여 700 MPa 철근의 유효성이 검증되어야 한다. 한편 요구강도가 크지 않더라도 현행 설계 기준은 벽체의 사용성 및 안전성을 확보하기 위하여 최소 철근비를 규정하고 있다. 따라서 낮은 철근비가 벽체의 강도와 변형능력에 미치는 영향이 평가되어야 한다. 이를 위하여 700 MPa 철근을 사용한 벽체에 대하여 반복 주기 횡 하중 실험이 수행되었다. 실험 결과, 700 MPa 철근을 사용한 벽체는 파괴모드 및 설계변수와 관계없이 설계 강도 이상의 전단 강도를 나타냈다. 700 MPa 전단철근은 최대강도에서 항복하였다. 그러나 700 MPa 철근은 항복 변형률이 크고 철근비가 감소하기 때문에 일반강도 (400 MPa) 철근을 사용한 벽체와 비교하여 강도 여유치는 감소하였고, 균열폭 증가, 에너지 소산량 감소, 연성능력 감소가 나타났다. 실험 연구 결과를 바탕으로 벽체 전단 강도에 영향을 미치는 설계 변수를 분석하였다. 주요한 설계변수는 전단철근 강도, 복부 수직철근비, 축력비, 단면 형상 등이었다. 이러한 설계변수들은 압축대 깊이와 밀접한 관련이 있으므로 콘크리트의 압축 응력을 기반으로 전단강도와 강도저하를 설명할 수 있다. 이러한 고찰을 바탕으로 본 연구에서는 전단강도와 강도저하 예측모델을 개발하였다. 대표적인 전단파괴 메커니즘인 대각 인장 균열 파괴와 복부 압괴 파괴를 고려하였다. 대각인장 균열 강도는 콘크리트 압축대의 깊이와 압축대에 작용하는 평균 응력으로부터 산정하였다. 비탄성 변형이 증가하면 콘크리트 압괴가 압축대에서 발생한다. 유효 압축대 깊이가 감소함에 따라 대각 인장 균열 강도는 저하된다. 복부 압괴 강도는 대각 압축 스트럿의 유효 응력을 사용하여 정의하였다. 콘크리트의 압축강도 연화 작용에 의하여 유효 콘크리트 응력은 균열폭이 증가함에 따라 감소한다. 따라서 횡 변형이 증가할수록 복부 압괴 강도는 저하된다. 이러한 전단거동 메커니즘을 바탕으로 단순 모델을 개발하였다. 기존 설계 기준과 비교하여 제안 모델은 실험 결과를 비교적 잘 예측하였다. 본 연구의 제안 모델을 실무설계에 적용하기 위하여 설계 테이블과 가이드라인이 제시되었다. Perform 3D 해석 프로그램을 기반으로 제안 모델을 적용하고 실험결과와 비교하였다. Perform 3D를 사용한 해석 결과는 항복 이후 강도 저하를 모사할 수 있었으며, 벽체의 변형능력이 강도저하에 의하여 제한되었다.