Seismic Design of Wall-Column Transfer Structure in RC Building

Abstract

국내 RC 고층 건물에서는 개방감 및 공용공간 확보를 위해 전이구조를 활용한다. 기존의 전이구조는 대형 단면의 전이부재를 많이 활용하였지만, 최근 시공성과 경제성을 고려하여 간략화된 전이구조를 개발한다. 간략화된 전이구조 중 하나의 방법으로 벽체에서 기둥으로 하중이 바로 전이되는 전이구조가 개발되었다. 하지만 벽기둥 전이구조에 대한 경제적인 내진설계방법이 없기에, 이에 대한 설계법 개발 및 실험적 검증을 통해 내진설계 지침을 제시하고자 한다. 전이구조에 대한 성능설계은 지진하중에 대하여 벽체의 휨연성거동을 유도하고 연성능력이 취약할 것으로 판단되는 하부의 전이부재(기둥, 벽보)는 초과강도를 고려하여 손상을 억제하도록 하는 것을 목적으로 한다. 따라서 전이구조에 대한 지진하중은 실제 벽체의 철근배근에 근거한 벽체의 휨강도를 계산하며, 이 지진하중을 안전하게 전이구조가 지지하기 위하여 전이부재는 초과강도계수(1.25)를 적용하여 충분한 강도를 보유하도록 설계해야한다. 또한 전이구간은 응력집중이 발생하는 D영역이므로, 스트럿-타이 모델을 기반으로 해석과 설계를 하였다. 반복가력 실험은 일정한 축력하에서 주기 횡하중을 가력하여 지진하중에 대한 강도와 변형능력을 검증하는 것을 목적으로 하였다. 실험체의 경계조건은 실제 전이층에서 발생할 수 있는 두 가지 극단적인 횡지지조건을 고려하였다. 첫 번째는 동일한 전이구조의 골조가 연속되어 전이골조 자체의 모멘트 저항능력으로 횡력을 지지하는 경우, 두 번째는 전이층에 강성이 큰 횡력지지구조가 존재하여 전이구조가 횡력지지구조에 의하여 횡지지되는 경우를 고려하였다. 실험체는 실험체는 실제 공동주택 전이구조의 축소된 크기이며, 실험 변수로는 경계조건, 철근비, 단면 감소율, 횡지지에 따른 허용 횡변위, 초과하중 계수 적용 등으로 하였다. 벽체로부터 기둥으로 전이되는 단면변화에 따른 응력집중완화를 위한 횡철근 상세, 수직철근절곡 상세 등을 적용하였다. 실험 결과는 경계조건과 관계없이 모든 실험체가 연성거동을 나타냈으며, 전이기둥을 비롯한 전이부재의 손상은 억제되어, 성능설계에서 의도하였던 내진성능을 만족하였다. 다만, 초과강도를 적용하지 않은 전이 기둥과 벽보에는 휨균열 등 일부 손상이 발생하였다. 따라서 전이구조에 대한 초과강도계수 적용의 타당성을 검증하였다. 또한 단면이 축소되는 구간(철근이 절곡되는 위치)에서 휨인장력을 받는 경우, 벽체의 설계휨강도를 만족하지 못하였기에, 이에 대한 고려사항을 설계방법에서 반영하였다. 이외에도 전이구조의 국부파괴를 방지하기 위하여 제안한 철근상세의 유효성도 확인하였다. 실험결과를 바탕으로, 전이구조에 적용할 수 있는 성능설계방법을 제안하였다. 성능설계방법은 고층 RC 구조물의 일반적인 설계방법을 고려하였다. 성능설계의 절차는 전체골조해석, 벽체설계, 성능설계를 위한 하중계산, 스트럿-타이 모델 구성방법 및 해석, 초과강도계수를 고려한 전이부재의 설계, 철근상세 지침 순서로 제안한다. 이러한 절차 안에는 설계법 적용을 위한 제한 조건(단면폭 축소율, 단면의 크기, 재료강도 등), 전이구조의 벽체 설계, 전이층 해석모델 및 설계하중 산정, 철근 상세 등이 제시되어있다.

주요어 : 고층공동주택, 벽기둥 전이구조, 성능설계, 스트럿-타이 모델, 반복가력실험 학 번 : 2021-27166

In high-rise RC buildings, transfer structures are used to secure openness and public space. The existing transfer structure used a large section of members on the transfer floor. Recently, a simplified transfer structure has been developed to enhance constructability and economics. As one of the simplified transfer structures, a method where the load directly passes from the wall to the column was developed. However, there needs to be an optimized seismic design method for the wall-column transfer structure. This study aims to develop economical design methods and guidelines through research and test verification. The capacity design for the wall-column transfer structure intends to induce the flexural ductility behavior of the wall against the earthquake load. Also, it is to prevent damage to the members on the transfer floor which can occur brittle failure in the system considering the overstrength. Therefore, the seismic demand for the transfer structure is calculated as the nominal flexural strength of a wall based on the reinforcement. For the transfer structure to secure safety, the members (column, spandrel beam) in the transfer floor should be designed to have sufficient strength by applying an overstrength factor (Ω_0,1.25). Also, since the transfer structure is the D region where stress concentration occurs, analysis and design were conducted based on the strut-and-tie model. The cyclic loading test aims to verify the strength and deformation capacity of the seismic load by applying a cyclic lateral load under a constant compression force. For the boundary condition of the specimen, two extreme lateral support conditions that may occur on the transfer floor were considered. The one is where the wall-column frame systems are continuous and are supported by the moment resistance on the lateral force. The other case is where the wall-column transfer structure is supported by a highly rigid structure in the transfer floor. The specimen is a reduced scale of the transfer structure in the RC apartment. The test parameters were boundary condition, re-bar ratio, reduction in width ratio, allowable lateral displacement, and application of an overstrength factor. In addition, details with transverse reinforcement and diagonal re-bar were applied to lower the stress concentration due to the vertical discontinuity. As a result of the tests, all specimens showed ductile behavior regardless of boundary conditions. Furthermore, damage to members on the transfer floor was prevented, satisfying the intended seismic performance in capacity design. However, some damage, such as flexural cracks, occurred in the columns and spandrel beams where overstrength was not applied. Therefore, the validity of applying the overstrength factor to the transfer floor was verified. In addition, when flexural tensile force is applied in the discontinuous section where the diagonal re-bars are placed, the design strength of the wall is not satisfied. So, a consideration for the strength degradation was reflected in the design method. In addition, the validity of the proposed re-bar details to prevent local failure of the transfer structure was also confirmed. Based on the test results, a seismic design method that can be applied to the wall-column transfer structure was proposed. The conventional design procedure of high-rise RC structures was considered for the seismic design method. The seismic design procedure is proposed in the following order: preliminary design, design of wall, calculation design loads for capacity design, strut-tie model analysis, design transfer structure applied to overstrength factor and guidelines for re-bar details. This procedure includes the recommendations and limitations where reduction ratio, member size, material strength, and general strut-tie model for the wall-column transfer structure.

Keywords : High-rise RC building, Wall-column transfer structure, Capacity design, Strut-and-Tie model, Cyclic loading test Student Number : 2021-27166