리모델링에는 여러 형태가 있을 수 있다. 그 중 건축주나 리모델링 수행자가 선호하는 방법이 두 개의 주거 공간을 하나로 만들어 평면 확장을 목표로 하는 세대 병합형 리모델링이다. 그러나 이러한 방법을 현재 국내에서 리모델링 대상이 되고 있는 벽식 구조의 아파트에 적용할 경우 주요 횡력 저항 요소인 전단벽에 큰 손상을 가하게 될 수 있다. 그러나 아직 이러한 주요 구조 부재인 철근콘크리트 전단벽에 개구부가 발생할 경우의 명확한 손상 정도를 정의 해주는 연구는 진행되고 있지 않은 실정이다. 현행 ACI 기준은 이러한 철근콘크리트 전단벽 내의 개구부에 대한 명확한 고려 방안을 제시하지 않고 있다. 반면 AIJ 기준은 철근콘크리트 전단벽 내부의 벽체에 대한 고려 방안으로 강도 저감률 $\gamma$를 제시하고 있다. 그러나 이 강도 저감률은 탄성 판 이론으로부터 제시된 것으로 철근콘크리트 부재에 있어서의 강도 저감률을 제대로 표현하지 못하고 있는 실정이다. 그러므로 이 연구에서는 AIJ에서 제시하고 있는 강도 저감률 $\gamma$에 대하여 현재까지 진행되었던 실험 결과에 대한 통계적 분석과 유한요소해석을 통한 변수 분석을 통해 개구부에 의한 강도 저감률에 대한 연구를 수행하였다. 통계적 분석 결과 현재 제시되어 있는 강도 저감률은 개구부의 벽체 면적에 대한 비율만을 변수로 설정하여 그 저감률이 실험 결과보다 크게 나타나고 있었다. 또한 개구부의 형상비를 면적과 통합적으로 고려하며 철근비에 대한 고려를 하지 못하는 것으로 나타났다. 이에, 기존의 실험 결과와 이를 토대로한 유한요소해석을 통한 변수분석을 수행하여 새로운 강도 저감률을 제안하였다.
리모델링에는 여러 형태가 있을 수 있다. 그 중 건축주나 리모델링 수행자가 선호하는 방법이 두 개의 주거 공간을 하나로 만들어 평면 확장을 목표로 하는 세대 병합형 리모델링이다. 그러나 이러한 방법을 현재 국내에서 리모델링 대상이 되고 있는 벽식 구조의 아파트에 적용할 경우 주요 횡력 저항 요소인 전단벽에 큰 손상을 가하게 될 수 있다. 그러나 아직 이러한 주요 구조 부재인 철근콘크리트 전단벽에 개구부가 발생할 경우의 명확한 손상 정도를 정의 해주는 연구는 진행되고 있지 않은 실정이다. 현행 ACI 기준은 이러한 철근콘크리트 전단벽 내의 개구부에 대한 명확한 고려 방안을 제시하지 않고 있다. 반면 AIJ 기준은 철근콘크리트 전단벽 내부의 벽체에 대한 고려 방안으로 강도 저감률 $\gamma$를 제시하고 있다. 그러나 이 강도 저감률은 탄성 판 이론으로부터 제시된 것으로 철근콘크리트 부재에 있어서의 강도 저감률을 제대로 표현하지 못하고 있는 실정이다. 그러므로 이 연구에서는 AIJ에서 제시하고 있는 강도 저감률 $\gamma$에 대하여 현재까지 진행되었던 실험 결과에 대한 통계적 분석과 유한요소해석을 통한 변수 분석을 통해 개구부에 의한 강도 저감률에 대한 연구를 수행하였다. 통계적 분석 결과 현재 제시되어 있는 강도 저감률은 개구부의 벽체 면적에 대한 비율만을 변수로 설정하여 그 저감률이 실험 결과보다 크게 나타나고 있었다. 또한 개구부의 형상비를 면적과 통합적으로 고려하며 철근비에 대한 고려를 하지 못하는 것으로 나타났다. 이에, 기존의 실험 결과와 이를 토대로한 유한요소해석을 통한 변수분석을 수행하여 새로운 강도 저감률을 제안하였다.
There are many types of remodeling, however, engineers and architectures preferred to merge two or more separate units to one very spacious unit. Performing this type of remodeling, in the case of wall dominant apartments, requires partial removal of structural wall causing a concern of structural i...
There are many types of remodeling, however, engineers and architectures preferred to merge two or more separate units to one very spacious unit. Performing this type of remodeling, in the case of wall dominant apartments, requires partial removal of structural wall causing a concern of structural integrity. However, there are insufficient studies about partial removal, that is, openings. Presently, ACI standard have no clear way to evaluate the effect of opening on the structural wall. AIJ has the provision about strength reduction factor '$\gamma$'. However, this reduction factor cannot exactly evaluate the reduction effect of openings because this factor '$\gamma$' was determined through the elastic analysis. Therefore, in this study, 2 structural wall specimens were tested and many test results from previous studies were collected. Using these data, this study performed statistical analysis about strength of structural wall which have the opening in wall panel. And this study performed parametric study verifying shear strength reducing effect by opening area. In the results of statistical study, previous reduction factor show very conservative results because this equation did not consider other factors, reinforcement ratio and aspect ratio of openings, which was affect the shear strength of shear walls. Therefore we performed parametric study based on the test data and suggest new equation for shear strength reduction factor '$\gamma$'.
There are many types of remodeling, however, engineers and architectures preferred to merge two or more separate units to one very spacious unit. Performing this type of remodeling, in the case of wall dominant apartments, requires partial removal of structural wall causing a concern of structural integrity. However, there are insufficient studies about partial removal, that is, openings. Presently, ACI standard have no clear way to evaluate the effect of opening on the structural wall. AIJ has the provision about strength reduction factor '$\gamma$'. However, this reduction factor cannot exactly evaluate the reduction effect of openings because this factor '$\gamma$' was determined through the elastic analysis. Therefore, in this study, 2 structural wall specimens were tested and many test results from previous studies were collected. Using these data, this study performed statistical analysis about strength of structural wall which have the opening in wall panel. And this study performed parametric study verifying shear strength reducing effect by opening area. In the results of statistical study, previous reduction factor show very conservative results because this equation did not consider other factors, reinforcement ratio and aspect ratio of openings, which was affect the shear strength of shear walls. Therefore we performed parametric study based on the test data and suggest new equation for shear strength reduction factor '$\gamma$'.
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문제 정의
이 연구에서는 개구부의 설치에 따른 전단벽의 강도 감소 특성을 파악하기 위하여 실험 및 비선형 유한요소해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 이 연구에서는 개구부가 신설된 전단벽의 성능평가를 위해 실험을 수행하였고 기 수행된 전단벽의 실험 결과를 통해 개구부 설치에 따른 전단벽의 전단강도 및 변형능력 특성을 분석하여 개구부 설치에 따른 전단벽의 전단강도 평가방법을 제안하고자 한다.
가설 설정
기준 실험체는 2,600 mm × 6,000 mm, 두께 100 mm의 벽체를 대상으로 실물크기의 1/2로 축소하여 제작하였으며 개구부의 크기는 1,800 mm × 2,100 mm로 가정하였다.
제안 방법
AIJ의 강도 저감률의 효과적인 사용을 위해 전단벽의 전단 강도에 직접적인 영향을 미치는 주 변수로 생각되는 벽체에 배근된 수직 및 수평철근의 기여도 평가를 수행하였다. Figs.
개구부 형상에 의해 산정되는 강도 저감률을 파악하기 위해 벽체 중앙부에 동일한 면적비를 갖는 개구부를 대상으로 개구부 형상비를(세로/가로 비) 조절하여 해석을 수행하였다.
개구부에 대한 직접적인 설계 반영은 일본의 연구 결과가 유일하므로 개구부가 발생한 전단벽의 내력 감소 비율을 정량적으로 평가하기 위해 일본 건축학회에서 제안하고 있는 전단강도 감소율을 사용하여 기존 연구자들12,17-20)의 실험체를 대상으로 분석을 실시하였다.
개구부에 따른 정량적 내력 감소량을 추정하기 위해 이 연구에서는 면적비 및 형상, 위치를 주요 변수로 해석적 연구를 수행하였다. 비선형 유한요소해석은 실험 결과를 대상으로 수행하였다.
개구부의 수평 및 수직 위치에 따른 해석을 수행하기 위해 출입문 형태의 개구부 및 창문형태의 개구부를 선택하여 각 형태별 위치에 따른 벽체의 내력 평가를 위해 변수해석을 수행하였으며 해석 결과는 Fig. 12와 같다. 창문 형태의 개구부가 벽체 상부 및 중앙부를 중심으로 좌우로 배치되었을 경우(Fig.
전단벽의 콘크리트와 철근의 부착-슬립 관계식은 CEB-FIIP Model Code 199016)에서 정의하는 모델로 이상화 되었으며, 개구부의 인위적 발생으로 인한 철근의 부착력 상실이 예상되는 부위에는 부착모델을 적용하지 않았다. 변위제어를 통해 횡방향 가력상황을 이상화 하였으며 축 하중을 고정하중으로 유지하였다.
유한요소 모델의 적합성을 검증하기 위해 이 연구에서 수행된 실험 연구에 대한 유한요소해석 뿐만 아니라 기존에 연구되었던 실험체24)에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 실험체는 이 연구에서 수행하지 못한, 좌우로 넓은 형태의 창문 형식의 개구부가 설치되어 있는 것으로 결정하였으며 실험체의 모델링은 위에서 기술한 방법과 같도록 하였다.
실험 및 해석적 연구 결과, 개구부의 면적 및 형상비, 철근비 등이 벽체의 잔존 내력에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다. 이에 이 연구에서는 해석에 의해 결정된 형상비의 영향과 실험 결과에서 나타난 전단보강근비의 영향을 주요 변수로 하여 비선형 회귀 분석을 수행하였다. 개구부의 형상비에 대한 벽체의 전단 내력 감소율에 대한 비선형 회기 분석 결과 Fig.
이 연구에서는 개구부 설치에 따른 장방형 전단벽에 대한 유한요소해석을 수행하여 검증한 결과 실험값과 비교적 일치하는 것으로 나타났다. 이에 제안된 해석모델을 바탕으로 개구부 면적비(10%, 23%, 30%, 39%, 50%), 형상비(0.24, 0.94), 위치(측면, 중앙)를 대상으로 변수해석을 수행하였다.
대상 데이터
개구부에 따른 정량적 내력 감소량을 추정하기 위해 이 연구에서는 면적비 및 형상, 위치를 주요 변수로 해석적 연구를 수행하였다. 비선형 유한요소해석은 실험 결과를 대상으로 수행하였다.
선정된 실험체는 전단의 지배를 받는 1 이하의 형상비를 갖는 저형 전단벽체(squat shearwall)이며, 콘크리트의 강도는 27 MPa 이하로 설정하였다. 벽체의 두께는 70~100 mm 사이에 분포되어 있다.
에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 실험체는 이 연구에서 수행하지 못한, 좌우로 넓은 형태의 창문 형식의 개구부가 설치되어 있는 것으로 결정하였으며 실험체의 모델링은 위에서 기술한 방법과 같도록 하였다. 유한요소해석 결과 최대 하중 및 변위는 모두 3%의 오차를 보이며 실험 결과와 매우 유사하게 나타났다.
이는 개구부 면적비가 23%로서, 출입문의 형태를 갖도록 계획되었으며 AIJ기준에서 제한하고 있는 한계 개구부 면적비를(#, 이 실험체 기준 16%) 초과한 실험체이다. 실험체의 제작에 사용된 콘크리트의 강도는 21 MPa이며, 철근은 D6, 인장강도 375 MPa이다. 실험체의 상세는 Fig.
7과 같이 구성하였다. 콘크리트는 평면응력 상태의 2차원 4절점 쉘 요소(CPS4R)을 적용하였으며 철근은 트러스(T2D2) 요소를 사용하였다. 콘크리트의 모델은 콘크리트의 최대 하중 이후의 거동이 표현 가능한 concrete damaged plasticity21)로 정하였다.
이론/모형
비선형 유한요소해석은 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS/Standard21)를 사용하였으며, 해석에 사용된 모델은 Fig. 7과 같이 구성하였다. 콘크리트는 평면응력 상태의 2차원 4절점 쉘 요소(CPS4R)을 적용하였으며 철근은 트러스(T2D2) 요소를 사용하였다.
콘크리트의 모델은 콘크리트의 최대 하중 이후의 거동이 표현 가능한 concrete damaged plasticity21)로 정하였다. 여기서 적용 모델 관계식은 1축 압축시에는 Hognestad22)의 모델, 인장 강성시에는 Okamura23) 모델을 사용하였다. 전단벽의 콘크리트와 철근의 부착-슬립 관계식은 CEB-FIIP Model Code 199016)에서 정의하는 모델로 이상화 되었으며, 개구부의 인위적 발생으로 인한 철근의 부착력 상실이 예상되는 부위에는 부착모델을 적용하지 않았다.
성능/효과
1) 개구부를 갖는 전단벽체의 성능 평가에 있어 개구부 면적비를 고려한 AIJ 기준의 강도 감소율은 벽체의 보유성능을 과소평가하는 경향을 보였다. 이는 벽체 전단 지지능력 중 콘크리트의 분담능력만을 고려하기 때문으로 판단된다.
2) 개구부 평가에 있어 한계 개구부 면적비를(0.4 ≤ #, 이 실험체 기준 16%)갖는 실험체의 경우 강도 감소율은 AIJ에서 제안한 감소율 보다 낮게 나타났다.
부가력의 경우는 각각 800 kN과 487 kN으로 나타났다. 23% 면적의 개구부의 영향은 벽체의 강도를 정가력시 25%, 부가력시 40% 감소시키는 것으로 나타났다. 이는, Table 1에서 나타나는 바와 같이 AIJ 기준에 의해 결정되는 벽체의 내력 감소량(0.
3) 1/2 축소 전단벽 실험 결과를 근거로 검증된 유한요소해석모델에 의한 해석 결과는 개구부 유무에 상관없이 실험 결과와 비교적 일치하는 것으로 나타났다.
4) 실험을 통해 검증된 해석 모델을 사용하여 개구부 면적비(10%, 23%, 30%, 39%, 50%)를 대상으로 하여 변수해석을 수행한 결과, 개구부 면적비 및 형상비에 큰 영향을 받는 것으로 나타났으며, 기존 문헌을 토대로 통계 분석을 실시한 결과 내력감소율은 벽체의 면적비에 비례하여 감소되는 것으로 나타났으나 기준에서 제시하고 있는 감소량에 비해 작은 것으로 나타났다.
5) 실험 및 해석을 통해 제안된 강도 감소율 산정식은 기존 문헌의 통계분석 결과 AIJ에서 제안하고 있는 방법에 비해 실험 결과를 잘 예측하는 것으로 나타났다.
AIJ에서 제한하고 있는 개구부 면적비를 초과한 실험체의 실험 결과 개구부 설치에 따른 내력 감소는 크지 않은 것으로 나타났으며, AIJ에서 제안하고 있는 개구부 면적비에 따른 강도 감소율은 개구부에 의해 벽체에 형성되는 압축지주의 감소를 과대평가하여 실제 보유내력을 과소평가하고 있다.
개구부 면적이 확대됨에 따라 벽체의 유효면적 감소에 따른 강도 감소가 나타났으며 변형 능력이 감소되었다. 개구부 면적비에 따른 벽체의 내력감소량은 면적비에 따라 11%에서 64% 감소되는 것으로 나타났으며, 개구부 면적에 비례하여 감소되는 것으로 나타났다.
9는 변수해석 결과에 따른 하중-변위 관계를 나타낸 것이다. 개구부 면적이 확대됨에 따라 벽체의 유효면적 감소에 따른 강도 감소가 나타났으며 변형 능력이 감소되었다. 개구부 면적비에 따른 벽체의 내력감소량은 면적비에 따라 11%에서 64% 감소되는 것으로 나타났으며, 개구부 면적에 비례하여 감소되는 것으로 나타났다.
추세선을 살펴보면, 수직 철근비의 경우 보강근의 양이 증가함에 따라 감소계수 γ가 이 규준식을 통한 평가값과 실험값 모두 증가하는 경향을 보이고 있다. 그러나 실험 결과는 규준식을 통한 계산으로 인해 나타난 결과보다 큰 비율로 증가하는 것으로 나타났다. 수평 철근비의 경우 보강근비의 증가에 따라 감소계수(γ)는, 기준식을 통해 평가한 값은 감소하는 경향을 나타낸 반면 실험값은 증가하는 상반된 경향을 나타내었다.
여기서 실선은 면적비에 따른 AIJ 전단강도 감소 규준에 의한 감소율의 변화를 나타내며, 점선은 AIJ 기준에서 개구부 길이-벽체 길이의 비율에 의해 전단강도 감소율이 결정될 경우의 감소율을 나타낸다. 비선형 유한요소해석의 결과를 살펴보면 AIJ 기준에서 적용하는 면적비에 의한 감소율이 해석 범위 전체에 있어서 더 크게 나타난 것을 알 수 있다. 또한 선형 감소로 대변되는 개구부-벽체 길이비에 의한 감소율보다는 낮은 감소율을 가지고 있음을 알 수 있다.
실험 및 해석적 연구 결과, 개구부의 면적 및 형상비, 철근비 등이 벽체의 잔존 내력에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다. 이에 이 연구에서는 해석에 의해 결정된 형상비의 영향과 실험 결과에서 나타난 전단보강근비의 영향을 주요 변수로 하여 비선형 회귀 분석을 수행하였다.
8과 같다. 실험과 해석의 결과를 비교해본 결과 기준 실험체인 solid 실험체의 경우 최대 내력 및 최대 변위는 각각 4%와 6%의 오차를 보였으며, 개구부가 설치된 WB-0.23 실험체의 경우 최대 내력은 10% 크게 예측되었고 변위는 10% 작게 나타나, 개구부 유무와 상관없이 해석모델이 실험값을 비교적 잘 예측하는 것으로 나타났다. 또한 실험에 의한 파괴 양상 및 해석에 의한 응력 분포는 Fig.
실험체는 이 연구에서 수행하지 못한, 좌우로 넓은 형태의 창문 형식의 개구부가 설치되어 있는 것으로 결정하였으며 실험체의 모델링은 위에서 기술한 방법과 같도록 하였다. 유한요소해석 결과 최대 하중 및 변위는 모두 3%의 오차를 보이며 실험 결과와 매우 유사하게 나타났다.
이 연구에서는 개구부 설치에 따른 장방형 전단벽에 대한 유한요소해석을 수행하여 검증한 결과 실험값과 비교적 일치하는 것으로 나타났다. 이에 제안된 해석모델을 바탕으로 개구부 면적비(10%, 23%, 30%, 39%, 50%), 형상비(0.
수평 철근비의 경우 보강근비의 증가에 따라 감소계수(γ)는, 기준식을 통해 평가한 값은 감소하는 경향을 나타낸 반면 실험값은 증가하는 상반된 경향을 나타내었다. 즉, 현행 AIJ 규준의 전단강도 감소계수는 수직 또는 수평 보강근비에 대한 추가적인 고려를 하지 않고 있음을 알 수 있다.
파괴형태를 살펴보면 초기 균열의 발생위치는 벽체와 기초 저면이었으며, 항복하중에 도달하기 전까지 벽체의 중앙 부분으로 전단균열이 확산되는 양상을 보였다. 항복하중 이후 전단균열의 확산범위는 크게 증가하지 않았으나, 기존에 발생된 균열과 균열사이에 새로운 균열이 다수 발생되어, 벽체 중앙부의 사인장 균열의 폭이 증대되어 콘크리트의 박리와 벽체의 부분적인 압괴로 최종파괴 되었다.
해석 결과 각각 265 kN, 500 kN의 최대내력을 나타내었다(Fig. 11). 이는 기준 실험체에 비해 63%, 29%의 내력이 감소된 것으로 응력 분포도에서 나타나는 것과 같이 벽체 중앙부를 관통하여 형성되는 대각선 압축지주가 중앙부에 위치한 개구부에 의해 개구부를 중심으로 상/하로 분산되었기 때문이다.
후속연구
제시된 강도 저감 계수는 개구부 설치에 따른 콘크리트의 유효단면적 감소에 의한 횡력 지지능력을 감소시키는 방법을 통해 결정되기 때문에 이러한 현상이 나타나는 것으로 판단되며, 그 외의 전단지지 구성 요소에(벽체의 철근비, 개구부의 형상비, 개구부의 위치 등) 대한 영향평가가 추가적으로 고려되어야 할 것이다. 또한, 현행 AIJ에서 제안하고 있는 강도저감방법은 탄성판이론 및 벽체의 응력분포상태를 대략적으로 가정하여 도입된 방법으로, 균열발생 이후 최대 내력 하에서의 적용 가능성에 대한 확신은 없다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
개구부가 설치된 전단벽을 그렇지 않은 변체와 비교할 때, 전체적인 거동 및 전단강도에 큰 영향을 끼치게 되는것은 무엇인가?
개구부가 설치된 전단벽의 경우 개구부가 설치되지 않은 벽체와 동일하게 트러스 기구에 의한 저항을 하지만 개구부 설치에 따른 벽면의 압축지주의 유효면적이 감소됨에 따라 개구부의 크기, 위치, 형상 등의 변수가 전체적인 거동 및 전단강도에 큰 영향을 끼치게 된다. 그러나 현행 국내 기준은 전단벽의 변형능력 및 전단강도 특성에 개구부의 영향을 명확하게 규정하고 있지 않다.
비선형 유한요소해석을 위하여 1축 압축시와 인장 강성시에 각각 어떤 적용 모델 관계식을 사용하였는가?
콘크리트의 모델은 콘크리트의 최대 하중 이후의 거동이 표현 가능한 concrete damaged plasticity21)로 정하였다. 여기서 적용 모델 관계식은 1축 압축시에는 Hognestad22)의 모델, 인장 강성시에는 Okamura23) 모델을 사용하였다. 전단벽의 콘크리트와 철근의 부착-슬립 관계식은 CEB-FIIP Model Code 199016)에서 정의하는 모델로 이상화 되었으며, 개구부의 인위적 발생으로 인한 철근의 부착력 상실이 예상되는 부위에는 부착모델을 적용하지 않았다.
전단벽에 대한 대다수의 연구는 무엇에 집중되었었는가?
철근콘크리트 내력벽(structural wall)의 일종인 전단벽의 내진성능은 과거의 지진에 대한 피해조사 및 기존 전단벽에 대한 연구 결과로부터 이미 입증되었다.1-3) 이러한 전단벽에 대한 대다수의 연구는 전단벽의 연성적 거동확보를 위한 내진성능 개선에 집중되어 왔으며, 특히 개구부가 설치되지 않은 전단벽을 대상으로 진행되어 왔다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 현행 IBC4) 및 ACI5) 규준에서는 대칭 및 비대칭 단면의 개구부를 갖지 않는 전단벽에 대한 설계방법 만을 제시하고 있는 실정이다.
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