Structural Analysis and Design of Coupled Wall Considering Slab-Wall Interaction

Abstract

78년 국내 지진 관측 이래 최대지진인 규모 5.8의 경주지진(16.09.12) 및 포항지진(17.11.15)이 발생하였으며 지진 발생 빈도가 지속적으로 증가하고 있어 지진에 대한 구조물의 안전과 관련된 국민적 관심이 증가하고 있다. 이로 인해 1988년 3월 국내 내진설계기준은 1988년 3월 도입 이후 총 4차례의 개정이 이루어 졌으며 이에 따라 설계법과 적용대상이 변경되었다. 설계법과 적용대상이 변경되며 최근 국내에서는 성능기반 내진설계법을 활용하여 벽식구조 공동주택에 대한 비선형해석 및 내진설계가 활발히 수행되고 있으며 일반적으로 내진설계를 위한 국내 벽식공동주택의 구조해석 시 간편한 모델링 및 해석 시간의 단축 등을 위해 층 슬래브의 휨성능을 고려하지 않고 평면을 다이아프램으로 단순화하는 모델링 기법을 사용하고 있다. 그러나 표준바닥구조제도의 도입에 따라 바닥충격음에 대응하기 위하여 구조적인 요구성능과 관계없이 벽식공동주택의 슬래브 두께는 210mm 이상을 만족하여야 한다. 위의 법규로 인해 과거 (120mm ~ 180mm)와 비교하여 크게 증가되었으며 두꺼운 슬래브의 영향에 의해 구조물의 횡 저항능력이 향상될 수 있을 것으로 예상된다. 최근 벽식구조 공동주택의 경우, 벽량이 감소하고 있는 추세다. 또한 벽체형상이 T 형, L 형, H 형 등으로 다양하므로 다이아프램 만으로는 실제 슬래브와 벽체 사이의 상호작용을 모사하기 어려울 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 슬래브-벽체 상호작용을 고려한 설계법을 제안하는 것에 초점을 두었다. 슬래브-벽체 상호작용이 일어나는 다양한 형상의 벽체 형상 중 병렬벽 벽체에 대하여 2층 골조 슬래브-벽체 실험체를 제작하여 주기 반복가력 하중을 통해 구조성능실험을 수행하였다. 구조성능실험 결과를 바탕으로 벽식구조 공동주택을 탄성해석시 슬래브-벽체 상호작용을 고려하는 설계방법을 수립하였다. 제안된 설계방법을 검증하기 위해 비선형 유한요소해석과 실험을 통한 슬래브-벽체 구조의 메커니즘을 규명과 탄성해석에서의 슬래브 및 벽체 유효강성 값을 검증하였다. 본 연구는 슬래브-벽체 상호작용을 고려한 설계법을 제안함으로써 실제 구조물의 거동이 모사 가능하고 벽체 철근량을 감소시켜 원가 절감이 가능한 설계법을 제안한다. 본 연구에서는 면내방향 벽체에 대하여 연구를 수행하였으므로 추후 슬래브-벽체 상호작용이 발생하는 다양한 벽체 평면을 고려한 설계법 연구시, 근거로 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

Gyeongju earthquake ( 16.09.12) and Pohang earthquake ( 17.11.15), the largest earthquake since the 1978 earthquake observation in Korea, have occurred, and the frequency of earthquakes has continued to increase. Therefore, public interest in the safety of structures in earthquakes is increasing. As interest in structural safety increased, a total of four revisions have been made since the introduction of seismic design standards in Korea in March 1988. Therefore, seismic design laws and applications have been changed accordingly. Recently, nonlinear analysis and seismic design of wall-type structure have been actively conducted in Korea by utilizing performance-based seismic design method. Typically, structural analysis of wall type structure for seismic design uses modeling method to constrain floor slabs with diaphragm method for ease of modeling and reduction of analysis time. However, with the introduction of the Standard Floating Floor Insitution, the slab thickness of the wall-type strucuture must satisfy 210mm or more, regardless of the structural performance requirements, in order to cope with the floor impact sound. Due to the above regulations, it has been greatly increased compared to the past (120mm ~ 180mm). Therefore, it is expected that the lateral resistance capacity of the structure can be improved by the influence of the slab thickness. Recently, in the case of wall-type structure, the wall section area per floor is decreasing. In addition, since the shape of the wall is diverse, such as T-type, L-type, and H-type, it will be difficult to simulate the interaction between the slab and the wall with only the diaphragm. Therefore, this study focused on proposing a design method that considers the slab-wall interaction. Two-story RC frame of slab-coupled wall specimens were constructed among various wall shapes in which the slab-wall interaction occurs. And structural performance tests were performed through cyclic lateral loading. Based on the test results, a structural design method was proposed that considers the slab-wall interaction in the linear elastic analysis of the wall-type structure. In order to prove the proposed design method, the mechanism of the slab-wall structure was identified through the nonlinear finite element analysis and test. In addition, the effective stiffness of slabs and walls used in the elastic design was verified. This study proposes a structural design method that considers the slab-wall interaction to simulate the behavior of the actual structure and to reduce the cost by decreasing the reinforcement quantity. Since the study was performed on the in-plane wall-slab structure, it is expected that it can be provided as a basis for future design methods considering various wall planes in which the slab-wall interaction occurs.