[논문]철근콘크리트 전단벽의 구조성능개선을 위한 보강방안에 관한 실험적 연구

하기주; 서수연

doi:10.11112/jksmi.2008.12.4.79

철근콘크리트 전단벽의 구조성능개선을 위한 보강방안에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Retrofit Method to Improve the Structural Capacity of Reinforced Concrete Shear Wall 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.12 no.4 = no.50, 2008년, pp.79 - 86

초록
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본 연구의 목적은 RC 전단벽의 구조성능 개선을 위한 보강방법을 연구하는 것이다. 이를 위하여 형상비가 2.2인 4개의 RC 전단벽 실험체를 제작하고 모르터로 단면을 증설하거나 강판 등으로 보강하는 방법으로 실험체의 휨성능을 향상시켰다. 보강이 완료된 실험체에 대하여 일정축력을 작용시킨 후 반복횡하중을 가력하여 구조성능을 평가하였다. 이때 작용시킨 횡력은 ACI에서 제시한 이력에 준하였다. 실험결과, 추가의 철근을 배치하고 단면을 증설한 경우에는 내력과 변형능력을 모두 증대시킬 수 있는 것으로 나타났으며 특히, 단면증설과 함께 단부에 U형태로 용접철망으로 횡구속한 실험체의 경우에는 강도와 연성의 측면에서 가장 효율적인 보강으로 확인되었다. 강판으로 보강하는 방법은 항복이후 부재의 급격한 내력저하를 방지하고 부재의 변형능력을 상승시키는데 매우 효과적인 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Four RC shear wall specimens with a/d of 2.2 are designed. And a flexural retrofitting is performed for one specimen by both enlarging wall section and adding additional vertical reinforcements. Also the effectivity of jaketting wall sides is evaluated for the two methods using only steel plate or welded wire mesh with enlargement of section. Cyclic loads are applied to the retrofitted specimens according to the loading history proposed by ACI under constant axial force. Test result showed that the strength and ductility of specimen were improved where the section was enlarged after the installation of additional vertical reinforcements. Confining the ends of wall by U shape W.W.F. with enlargement of section showed most excellent structural capacity regarding to the strength and ductility. Retrofitting by using steel plate was much effective not only to protect the abrupt decrease of strength after yield but also to improve the deformation capacity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

실험으로부터 전단거동을 보이는 전단벽에 대해서, 탄소섬유와 강판보강의 효과를 비교한 결과 강판보강을 한 경우가 변형이 억제되는 것으로 밝혔다. 본 연구는 휨거동을 보이는 전단벽에 대한 휨성능 개선에 관련된 연구로서, 휨거동이 지배적인 건물에서 부재의 휨성능을 개선시키기 위하여 부재의 압축과 인장 측의 단면력을 증대시키는 방안을 다루고자 한다. 물론 이 경우 지나친 휨성능개선에 의해 전단 성능이 상대적으로 저하되지 않는 배려가 필요하다.
본 연구에서는 인장측 보강을 위한 방안으로서 철근 또는 강판을 추가인장재로 보강하고, 압축측 보강방안으로서 횡구속 보강여부를 대상으로 실험하기 위하여 4개의 실험체를 계획하였다. 실험체는 실물규격의 1/2이 되도록 하였고 Table 1에 나타낸 바와 같이 FRW-1 실험체는 고강도 모르터를 이용한 단면증설을 통하여 내력을 2배 증진시키고, FRW-2 실험체는 내력의 증진없이 연성능력을 증대시키며, 실험체 FRW- 3는 2배의 내력증진과 연성이 증진되도록 계획하였다.
연구하였다. 연구를 통하여 보강에 의해 과도하게 강성이 증진된 경우에는 변형능력이 상대적으로 저하되어 인접된 부재에 국부적인 변형을 유도하게 됨으로 궁극적으로는 건물의 안전성이 저해될 수 있는 현상을 지적하였다. 그리고 이러한 분류기준에 적합한 보강방법으로서, 3가지의 보강강법을 제안하고, 각 방법의 적합성을 확인하였다.
물론 이 경우 지나친 휨성능개선에 의해 전단 성능이 상대적으로 저하되지 않는 배려가 필요하다. 이와 같은 벽체의 휨성능을 개선시키기 위한 방안으로 철근 또는 강판을 사용한 보강법에 대한 실험연구를 실시하고 보강효과 즉, 부재의 강도와 변형능력에 대한 변화 등을 분석하고자 한다.

제안 방법

1998년 Elnashai와 Pinho⑸는 이러한 단면성능개선에 착안하여 보강개념을 강성, 강도, 그리고 연성의 확보라는 3가지 개념으로 분류하고, 그 보강 방법을 실험적으로 연구하였다. 연구를 통하여 보강에 의해 과도하게 강성이 증진된 경우에는 변형능력이 상대적으로 저하되어 인접된 부재에 국부적인 변형을 유도하게 됨으로 궁극적으로는 건물의 안전성이 저해될 수 있는 현상을 지적하였다.
연구를 통하여 보강에 의해 과도하게 강성이 증진된 경우에는 변형능력이 상대적으로 저하되어 인접된 부재에 국부적인 변형을 유도하게 됨으로 궁극적으로는 건물의 안전성이 저해될 수 있는 현상을 지적하였다. 그리고 이러한 분류기준에 적합한 보강방법으로서, 3가지의 보강강법을 제안하고, 각 방법의 적합성을 확인하였다. 하지만 그 보강 방법은 시공이 어려워 적용상 문제가 있기 때문에 국내실정에 적합한 보강방법의 구축 및 상세의 개발이 필요하며 아울러 각 보강방법에 대한 성능규명이 요망되고 있는 실정이다.
"T는 실험체의 곡률분포를 알기위하여 1D구간까지와 그 이상 부분을 구분하여 수직방향으로 설치하였다. 또한 단부에서의 미끄러짐을 측정하기 위하여 벽체 하단부에 수평방향 설치 및 집중적으로 파괴가 발생하는 부위에서의 전단변형을 측정하기 위하여 1D 구간내에 X자형태로 설치하였다. Fig.
보다 정량적으로 보강효과를 비교하기 위하여 기존의 벽체에 대한 단면해석을 실시하고 보강재에 의한 기여도를 Fig. 9와 같이 구분하여 산정한 후 이를 합하여 실험체의 내력을 산정하였다. 비선형 단면해석에 사용한 프로그램은 X-TRACT9)이며, 그 결과는 Fig.
실험체를 계획하였다. 실험체는 실물규격의 1/2이 되도록 하였고 Table 1에 나타낸 바와 같이 FRW-1 실험체는 고강도 모르터를 이용한 단면증설을 통하여 내력을 2배 증진시키고, FRW-2 실험체는 내력의 증진없이 연성능력을 증대시키며, 실험체 FRW- 3는 2배의 내력증진과 연성이 증진되도록 계획하였다.
실험체의 설치는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 벽체의 좌굴에 영향이 미치지 않는 범위내에서 오일 잭을 이용하여 단면력의 10% (통상 건물의 최하층에 작용하는 응력의 크기임)에 해당하는 수직하중을 벽체 1/4지점에 지속적으로 유지시킨 다음 수평하중을 가력하였다.
또한, 전체적으로 보강에 의해 변형능력이 상승되었음을 알 수 있다. 실험체의 최대하중에서 20%정도 내력이 저하된 시점, 즉 0.8 Pm을 부재의 최대변형능력으로 고려하여 각 실험체의 연성을 평가하였다. Table 3은 각 실험체의 연성비를 나타낸 것으로서, FRW-2와 FRW-3실험체의 경우에는 부재항복이후 내력의 저하 없이 높은 연성 거동을 보였으며 종국단계에서도 최대내력의 80%에해당되는 내력까지 저하가 발생되지 않는 것으로 나타났다.
인장측과 압축측에 대한 휨보강에 대한 효과를 파악하기 위하여 추가로 보강된 인장철근의 변형률을 측정하였다. Fig.
작용 횡하중은 ACI⑻에서 제시한 방법과 같이 부재회전각으로 점증시켜 가력하였으며 각 단계별로 3싸이클씩 진행하였다. Fig.

성능/효과

1) 강판으로 보강하는 방법은 항복이후 부재의 급격한 내력 저하를 방지하고 부재의 변형능력을 상승시키는데 매우 효과적인 것으로 나타났다.
2) 추가의 철근을 배치하고 단면을 증설한 경우에는 내력과 변형능력을 모두 증대시킬 수 있는 것으로 나타났으며 특히, 단부에 U형태로 용접 철망으로 횡 구속한 실험체의 경우에는 강도와 연성의 측면에서 가장 효율적인 보강으로 확인되었다.
3) 본 연구에서 단면증설시 보강된 주인장근의 경우에는 정착부에서 부분적인 슬립이 발생한 것으로 확인되었다. 따라서 보강시에는 인장근의 정착에 대한 세심한 배려가 요망되며, 이러한 효과를 충분히 고려하여 설계에 반영할 필요가 있는 것으로 판단된다.
기초와 벽체의 접합부에서 변위가 증가할수록 완전소성힌지 상태가 되면서 주근의 절단현상과 더불어 종국 파괴에 이르렀다. 강판의 기여도에 의해 내력이 급격히 저하되지 않고 최종파괴시까지 점진적으로 증가하는 것으로 나타났다.
반면에 강판으로 보강한 실험체의 경우에는 지속적으로 내력이 증가하는 것으로 나타나 변형능력의 측면에서 효과가 높은 것으로 나타났다. 또한 철근으로 휨 보강한 후, 단부를 용접철망으로 횡구속한 FRW-3 실험체의 경우에는 단부의 횡구속 효과에 의하여 보다 연 성적인 거동을 보이는 것으로 나타났다.
무보강 실험체인 FW-0를 대상으로 33 step(파괴시점)을 중심으로, 누적 에너지 소산능력을 비교한 결과, FRW-1실험체는 1.49배, FRW-2실험체는 1.25 배, FRW-3 실험체는 1.43배 증가하는 것으로 나타나, 보강에 따라 소산에너지는 증가함을 알 수 있다.
표 및 그림으로부터, 강판으로 휨보강하는 방법에 비하여 철근으로 휨보강한 뒤 단면을 증설하는 방법이 강도의 측면에서 내력이 높은 것으로 나타났다. 반면에 강판으로 보강한 실험체의 경우에는 지속적으로 내력이 증가하는 것으로 나타나 변형능력의 측면에서 효과가 높은 것으로 나타났다. 또한 철근으로 휨 보강한 후, 단부를 용접철망으로 횡구속한 FRW-3 실험체의 경우에는 단부의 횡구속 효과에 의하여 보다 연 성적인 거동을 보이는 것으로 나타났다.
6은 실험 결과 나타난 각 실험체의 하중-변위 곡선을 나타낸다. 표 및 그림으로부터, 강판으로 휨보강하는 방법에 비하여 철근으로 휨보강한 뒤 단면을 증설하는 방법이 강도의 측면에서 내력이 높은 것으로 나타났다. 반면에 강판으로 보강한 실험체의 경우에는 지속적으로 내력이 증가하는 것으로 나타나 변형능력의 측면에서 효과가 높은 것으로 나타났다.

참고문헌 (9)

오창학, 유승욱, 한상환, 이리형, "지진피해가 심한 벽체의 보수 후 구조성능 평가", 한국콘크리트학회 논문집, 제11권 2호, 1999. 11, pp. 513-516
이현호, 천영수, 서수연, 이용택, 이리형, "FRP 및 철근보강을 사용한 손상된 벽체의 휨보강 성능 평가", 대한건축학회 논문집, 제20권 8호, 2004. 8, pp. 51-58
신종학, 하기주, 권중배, 전찬목, "반복하중을 받는 철근콘크리트 전단 벽체의 접합방식에 따른 구조성능평가," 한국콘크리트학회 가을학술논문집 제9권 21호, 1997. 11, pp. 513-518
김현민, 최윤철, 최창식, 이리형, "피해를 입은 전단벽의 보강후 구조성능 평가", 한국콘크리트학회 학술발표논문집, 제18권 1호, 2006, pp. 234-237
A. S. Elnashai and R. Pinho, "Repair and Retrofitting of RC Walls using Selective Techniques", Journal of Earthquake Engineering, Vol. 2, No. 4, 1998, pp. 525-528

상세보기
A. E. Fiorato, R. G. Oesterle and W. G. Corley, "Behavior of Earthquake Resistant Structural Walls Before and After Repair", Journal of ACI, Vol. 80, No. 5, 1983, pp. 403-413
Josh Lombard, David T Lau, Jag L Humar, Simon Foo, and M S Cheung, "Seismic Strengthening and Repair of Reinforced Concrete Shear Walls", Proceedings of 12 WCEE, No. of paper 2032
ACI Innovation Task Group 1 and Collaborators, "Acceptance Criteria for Moment Frames Based on Structural Testing", ACI, Farmington Hills, MI, 1999
XTRACT v2.6.0, Cross Sectional X structural Analysis of Components, IMBSEN

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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