비선형 유한요소해석을 통한 PC 보강재가 삽입된 슬래브 계면의 균열각 변화에 따른 뚫림전단강도 평가

Abstract

본 연구에서는 기둥-슬래브 접합부에 고강도 PC 보강재가 삽입된 무량판 구조를 대상으로, 전단균열각 변화에 따른 위험단면 재산정의 필요성을 분석하였다. 이를 위해 기존 실험을 기반으로 해석 모델을 검증하고, 비선형 유한요소해석을 수행하여 주요 설계변수(휨철근비, 압축강도, PC 보강재 너비)에 따른 전단강도 및 전단균열각 변화를 분석하였다. 해석 결과, 기존 설계기준에서 가정한 균일한 전단균열각과 달리 휨철근비, 재료 강도차, PC 보강재의 너비에 따라 계면에서의 균열각 기울기가 상이하게 나타났으며, 보강재의 기하학적 특성에 따른 위험단면 변화가 전단강도 평가에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 본 연구는 현행 설계기준의 한계를 보완하고, 이종강도 콘크리트 슬래브의 전단설계 합리화를 위한 기초자료를 제시하였다.

Flat-plate structures without beams are vulnerable to punching shear due to stress concentrations at slab–column connections. Current design codes assume a constant 45° crack angle and uniform concrete, which may not accurately capture the behavior of slabs with high-strength precast concrete (PC) near the column. This study evaluates punching shear strength by considering crack angle variation at the PC–cast-in-place (CIP) interface using a nonlinear finite element model validated against experimental data. Parametric analyses varied the compressive strength, PC head width, and flexural reinforcement ratio, revealing increased punching shear strength with all parameters. Observed crack angles ranged from 16° to 50°, deviating from the 45° assumption. Comparisons with ACI 318-19 and KDS 14 20 indicate that these codes may misestimate strength under composite slab behavior. The study consequently highlights the need to redefine the critical section to account for material discontinuity and PC head geometry, providing a basis for improved design of hybrid flat-plate systems.