최근, 경제적 이점을 살리는 동시에 환경 부하를 줄이기 위하여 많은 기술자들이 리모델링을 선택하고 있다. 세대 통합을 하여 면적을 확대시키는 경우 세대간벽에 대한 개구부의 발생이 필연적인데 이에 따라 벽체의 유효 면적을 상실함으로써 벽체의 강도와 강성이 떨어지게 되며 최종적으로 전체 구조물의 성능을 감소시키는 결과를 낳게된다. 그러므로 이 손상에 대해서는 별도의 보강이 필요하다. 이 연구에서는 손상을 입은 벽체의 성능을 파악함과 동시에 보강 성능의 파악을 위해 네 개의 실험체를 계획하였다. 이 벽체들은 인위적인 손상을 입은 것으로, 프리스트레싱과 강판의 부착에 의해 보강되어 있다. 실험 결과 보강된 실험체들은 전단과 휨에 대해 강도와 강성 모두 향상된 성능을 보여 주었다. 특히 강판 보강의 경우 최대 하중 이후의 연성적 거동을 보여주었고 프리스트레싱 벽체는 강성의 큰 증가를 보여주었다.
최근, 경제적 이점을 살리는 동시에 환경 부하를 줄이기 위하여 많은 기술자들이 리모델링을 선택하고 있다. 세대 통합을 하여 면적을 확대시키는 경우 세대간벽에 대한 개구부의 발생이 필연적인데 이에 따라 벽체의 유효 면적을 상실함으로써 벽체의 강도와 강성이 떨어지게 되며 최종적으로 전체 구조물의 성능을 감소시키는 결과를 낳게된다. 그러므로 이 손상에 대해서는 별도의 보강이 필요하다. 이 연구에서는 손상을 입은 벽체의 성능을 파악함과 동시에 보강 성능의 파악을 위해 네 개의 실험체를 계획하였다. 이 벽체들은 인위적인 손상을 입은 것으로, 프리스트레싱과 강판의 부착에 의해 보강되어 있다. 실험 결과 보강된 실험체들은 전단과 휨에 대해 강도와 강성 모두 향상된 성능을 보여 주었다. 특히 강판 보강의 경우 최대 하중 이후의 연성적 거동을 보여주었고 프리스트레싱 벽체는 강성의 큰 증가를 보여주었다.
Recently, for more demands of the economical benefits and environmental conservation, many engineers prefer to choose remodeling. Artificial openings are often unavoidable to make house wider, which will degrade wall strength and stiffness by losing effective wall section that may cause the weakenin...
Recently, for more demands of the economical benefits and environmental conservation, many engineers prefer to choose remodeling. Artificial openings are often unavoidable to make house wider, which will degrade wall strength and stiffness by losing effective wall section that may cause the weakening of system capacity. In these cases the damaged shear walls need to be retrofitted by additional materials or members. In this research, four specimens were tested to investigate the capacity of the damaged wall and the retrofitted wall. The artificially damaged wall was prestressed by tendons to improve the shear capacity of the wall, and the other walls were retrofitted by adding steel plate at the surface for the same purpose. Consequently, these retrofitted walls had improved capacity and stiffness in both shear and flexure. Especially, the wall with steel plate showed ductile behavior after ultimate load and the prestressed wall had greater stiffness than the unstrengthened prototype wall.
Recently, for more demands of the economical benefits and environmental conservation, many engineers prefer to choose remodeling. Artificial openings are often unavoidable to make house wider, which will degrade wall strength and stiffness by losing effective wall section that may cause the weakening of system capacity. In these cases the damaged shear walls need to be retrofitted by additional materials or members. In this research, four specimens were tested to investigate the capacity of the damaged wall and the retrofitted wall. The artificially damaged wall was prestressed by tendons to improve the shear capacity of the wall, and the other walls were retrofitted by adding steel plate at the surface for the same purpose. Consequently, these retrofitted walls had improved capacity and stiffness in both shear and flexure. Especially, the wall with steel plate showed ductile behavior after ultimate load and the prestressed wall had greater stiffness than the unstrengthened prototype wall.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 리모델링시 벽체의 철거 한계치를 30%로 설정하였으며, 적정 면적비는 세대간 출입구 형태를 대상으로 23%의 면적비를 갖는 경우를 대상으로 연결부재에 대한 고려를 위해 개구부 상부의 연결보 및 연결슬래브가 설치된 다층 실험체를 (2층) 대상으로, 연결부재 설치에 따른 개구부의 영향평가 및 효율적인 보강방법을 도출하고자 한다.
이에 본 연구에서는 세대 병합형 리모델링시 전단벽에 개구부를 설치하였을 경우 단면손실에 따른 내력 감소율을 파악하고자 하며 서로 다른 보강력 발현특성을 나타내는 보강 방법에 대한 특성 및 성능평가를 위한 실험적 연구를 진행하였다.
가설 설정
3과 같이 1980년대에 건축된 벽식 구조 아파트의 16평형이다. 평면 확장 세대 병합형 리모델링을 위해 두 세대의 사이에 있는 벽에 개구부를 설치하는 것을 가정하였다.
제안 방법
로 설치하였다. 1층 슬래브의 지점 조건을 만족시키기 위해 가력방향으로 힌지를 설치하였으며 실험체의 면외 좌굴 방지를 위해 슬래브의 높이와 같은 곳에 프레임 및 볼지그 (ball zig)를 설치하였다. 벽체의 항복 시점을 알아보기 위해 벽체와 슬래브 양단부 내의 수직 철근에 wire strain gage (WSG)를 콘크리트의 타설 전에 설치하였다.
각 사이클이 부재각별 3회씩 정·부가력으로 반복되어 진행되도록 하였다.
강판으로 보강한 CW-ST 실험체의 경우 실험 진행 중에는 균열의 진전 상황을 파악할 수 없어 실험 도중 벽체 보강 면을 두드려보고, 실험 종료 후 강판을 모체에서 분리하여 균열발생 상황을 관찰하였다. 균열은 CW-RS 와 유사하게 벽체 단부에 집중되어 있었으며 기초저면 (반력 바닥 고정용)과 벽체 부분의 분리로 종국 파괴 되었다.
1층 슬래브의 지점 조건을 만족시키기 위해 가력방향으로 힌지를 설치하였으며 실험체의 면외 좌굴 방지를 위해 슬래브의 높이와 같은 곳에 프레임 및 볼지그 (ball zig)를 설치하였다. 벽체의 항복 시점을 알아보기 위해 벽체와 슬래브 양단부 내의 수직 철근에 wire strain gage (WSG)를 콘크리트의 타설 전에 설치하였다. 벽체 하부와 상부의 수평철근에도 수평철근의 전단저항 기여 여부 판단을 위해 WSG를 설치했다.
수평하중은 실험체의 2층 슬래브에 가력 프레임을 설치하고 이를 2,000 kN의 하중을 가할 수 있는 액츄에이터와 연결하여 가력하였다. 실제 건물과의 유사성을 위해 축력 도입의 경우 2층 슬래브 중앙, 즉 벽체 중앙에 힌지를 설치하고 가력보를 벽을 따라 설치하였으며 벽체단면적의 10% (0.1)의 하중을 실험 시작부터 종료까지 일정하게 유지시켰다. 벽체의 전단변형량을 측정하기 위해 LVDT를 벽체의 코너에서 대각선 방향과 벽체의 중앙에 수직
에서 나타낸 바에 따라 인위적 손상을 입은 경우에 적절한 내력을 가질 수 있는 개구부 면적비 23%인 580 × 1,300 mm로 계획하였다. 실험의 주요변수인 보강방법을 주 변수로 선정하였으며, 연결부재의 (슬래브) 영향을 고려하기 위해 모든 실험체에 연결부재를 설치하였다. 개구부가 설치되지 않은 기준 실험체인 솔리드 (solid), 개구부가 있으며 별도의 보강을 실시하지 않은 비교 실험체인 CW-RC, 강판 및 프리스트레스 강봉을 사용하여 보강한 CW-ST, CW-PS 총 4개의 실험체를 제작하였다.
강판보강기법 중 모체에 에폭시를 주입하여 부착시키는 부착공법은 보강재가 콘크리트 표면에 접착되어 있는 상태로 보강된 부재가 소요 한계상태에 도달하기 전 보강재의 끝단에서 전단박리 (shear pelling) 또는 휨 박리(flexural pelling)등 모체로부터 보강재가 탈락하려는 경향이 있다. 이러한 탈락을 방지하기 위해 강판에 앵커볼트로 고정시키는 방법을 사용하였다.
횡력의 가력 방식은 Fig. 6과 같이 가력시 발생하는 변위를 가력점의 높이로 나누어준 부재각 (1/1000, 1/500, 1/300, 1/250, 1/200)으로 제어하였다. 각 사이클이 부재각별 3회씩 정·부가력으로 반복되어 진행되도록 하였다.
대상 데이터
실험의 주요변수인 보강방법을 주 변수로 선정하였으며, 연결부재의 (슬래브) 영향을 고려하기 위해 모든 실험체에 연결부재를 설치하였다. 개구부가 설치되지 않은 기준 실험체인 솔리드 (solid), 개구부가 있으며 별도의 보강을 실시하지 않은 비교 실험체인 CW-RC, 강판 및 프리스트레스 강봉을 사용하여 보강한 CW-ST, CW-PS 총 4개의 실험체를 제작하였다.
본 실험에 사용된 철근 및 콘크리트의 재료 실험은 KSB 0801의 라호 규정 및 KSF 2404에 따라 시험편을 제작하여, KSB 0802 및 KSF 2404 규정에 따라 실시하였으며 시험 결과는 Tables 3과 4에 나타내었다. 실험은 반력벽이 설치되어 있는 입체 공간에서 실시되었으며 실험체의 설치 상황은 Fig.
본 실험의 대상이 되는 건축물은 Fig. 3과 같이 1980년대에 건축된 벽식 구조 아파트의 16평형이다. 평면 확장 세대 병합형 리모델링을 위해 두 세대의 사이에 있는 벽에 개구부를 설치하는 것을 가정하였다.
성능/효과
1) 개구부가 없는 솔리드의 경우 중앙으로 사인장균열이 진행되며 전단으로 종국 파괴된 반면, 개구부를 가진 CW-RS의 경우 개구부 신설로 인하여 형상이 변화됨으로써 단부에 다수의 휨균열이 발생되며 종국 파괴되었다.
2) 강판과 강봉으로 보강한 CW-RS, CW-PS의 경우 개구부가 없는 솔리드의 최대내력까지는 발휘하지 못하였으나 개구부가 있으며 보강하지 않은 CW-RS에 비해 약 39%, 22%의 내력 상승률을 나타내었다.
3) 강판보강의 경우 모체 (벽체)에 응력이 도입되는 가력 초, 중반보다는 벽체가 내력을 더이상 발휘하지 못하는 최대내력 이후 보강력을 더 많이 발휘함으로써 벽체의 연성적 거동을 유도하는 것으로 나타났다.
4) 강봉으로 보강한 경우 모체에 보강재가 도입된 시점부터 보강력을 발휘함으로써 초기균열의 진행과 균열의 진행 정도를 지연시키고 있으나, 실험 중반 부에 나타나는 사선균열에 대해서는 수평 배치한 강봉은 균열 지연에 효과적이지 못한 것으로 판단된다.
보강을 실시한 CW-ST의 경우에는 CW-RS에 비해 전단 저항 내력이 증가하였으나 개구부가 없는 솔리드에 비해 21% 내력이 감소되었다. 강선으로 보강된 CW-PS는 부재각 0.96%에 최대 내력 192 kN으로 CW-ST와 유사한 이력거동을 보였으며 솔리드에 비하여 31%의 내력 감소를 보였다.
강판으로 벽체 전면을 보강한 CW-ST의 경우 초기강성은 기준 실험체인 솔리드에 비해 낮은 값을 보였으나 하중의 증가와 더불어 강성 저하율이 낮아지는 것으로 나타났다. 이는 보강 모체의 내력이 일정 강도 발휘한 후 보강재가 보강 능력을 발현하는 특성 때문으로 사료된다.
결과적으로 보강 대상이 되는 CW-RS에 비하여 보강을 실시한 실험체 CW-ST와 CW-PS는 공통적으로 기초와 벽체의 분리에 의한 슬라이딩으로 종국 파괴되었다. 이는 강판에 의한 벽체 전반의 강성 증가와 프리스트레싱에 의한 벽체의 보강효과에 의해 벽체의 강도가 증가되었기 때문으로 사료되며, 실제 대상 건물의 보강시 슬래브에 정착되는 보강기법이 필요한 것으로 판단된다.
기존 연구 결과4,6) 벽체에 설치된 개구부의 크기에 따라 벽체의 강도 감소는 개구부 크기에 비례하는 것으로 나타났으며, 개구부 면적비 (개구부면적/벽체면적)가 23%, 30%, 39%일 때 벽체의 내력감소율은 30%, 50%, 70%감소되는 것으로 나타났다. 그러나 개구부 (개구부면적비 23%)에 의해 형성된 연결부재의 (연결슬래브) 영향을 고려한 경우 벽체의 내력 감소율은 차이가 있는 것으로 나타났다.
균열은 CW-RS 와 유사하게 벽체 단부에 집중되어 있었으며 기초저면 (반력 바닥 고정용)과 벽체 부분의 분리로 종국 파괴 되었다. 또한 1층 슬래브에서 나타난 균열정도는 CW-RS 실험체에 비해 상대적으로 많은 균열이 발생하였음을 알 수 있었다. 이는 모체와 보강재의 계면이 분리됨으로써 응력이 벽체 단부의 상부로 집중되었으며 그 응력의 일부는 슬래브로 전달된 것으로 사료된다.
실험체들의 파괴 패턴을 비교해볼 때 개구부가 신설될 경우 벽체는 전단파괴 보다는 휨파괴에 지배를 받는 경향이 있었다. 또한 실험에 의한 각 실험체의 내력을 살펴보면 보강을 하지 않은 개구부가 존재하는 실험체 CWRS에 비해 강판과 강봉으로 보강을 실시한 CW-ST와 CW-PS는 각각 39%와 22%의 내력 상승을 보여주고 있다. 특히 강판으로 보강한 CW-ST의 경우 벽체 내력의 상승은 급격히 증가하다 최대 내력을 지나는 순간 바로하강하기 시작했다.
보강을 실시한 CW-ST의 경우에는 CW-RS에 비해 전단 저항 내력이 증가하였으나 개구부가 없는 솔리드에 비해 21% 내력이 감소되었다. 강선으로 보강된 CW-PS는 부재각 0.
실험체들의 파괴 패턴을 비교해볼 때 개구부가 신설될 경우 벽체는 전단파괴 보다는 휨파괴에 지배를 받는 경향이 있었다. 또한 실험에 의한 각 실험체의 내력을 살펴보면 보강을 하지 않은 개구부가 존재하는 실험체 CWRS에 비해 강판과 강봉으로 보강을 실시한 CW-ST와 CW-PS는 각각 39%와 22%의 내력 상승을 보여주고 있다.
이는 보강 모체의 내력이 일정 강도 발휘한 후 보강재가 보강 능력을 발현하는 특성 때문으로 사료된다. 프리스트레싱을 가한 CW-PS 실험체의 경우 보강 대상인 CW-RS 실험체보다 높은 강성과 완만한 강성 저하율을 보여주었다. 대부분의 실험체가 파괴에 도달한 부재각 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트구조물에 대한 보강 방법 중 가장 많이 사용하는 방법은?
철근콘크리트구조물에 대한 보강 방법에는 여러 가지가 있으나, 강판과 같은 연성이 높은 부재를 구조물에 부착시키는 공법을 폭넓게 사용하는 추세다. 그러나 이러한 부착공법에는 모체와 보강재가 일체가 아닌 부착 상태이기 때문에 보강된 부재가 소요 한계상태에 도달하기 전에 보강재 끝단에서 전단 또는 휨 박리 등이 발생 하여 보강재의 탈락 현상을 발생시키는 문제가 제기되고 있다.
리모델링의 유형 중 세대병합형이 가지는 문제점은?
리모델링의 유형은 크게 수평확장형, 세대병합형, 세대 축소형, 복층형 등 4가지로 구분할 수 있으며, 이중 세대병합형의 경우 인접세대간 벽에 개구부를 형성하여 세대를 병합하는 수법이다. 이러한 세대병합형 리모델링을 실시할 경우 내력벽의 부분적인 절단 또는 해체 시 손상 이전과 손상된 이후 전단벽체의 구조성능에 대한 평가는 매우 미흡한 실정이다. 전단벽에 개구부가 설치될 경우 개구부 주위에 응력집중현상이 발생하며, 이에 따른 구조체의 내력 및 강성이 저하되어 전체 구조물의 안전에 문제가 발생하게 된다. 이러한 개구부 설치에 있어 개구부 면적 및 개구부의 위치, 개구부 형태, 개구부 상부의 연결부재 (coupling beam, coupling slab)등에 따라 개구부가 벽체에 미치는 영향은 상이할 것이다.
부착공법에서 발생하는 문제점은?
철근콘크리트구조물에 대한 보강 방법에는 여러 가지가 있으나, 강판과 같은 연성이 높은 부재를 구조물에 부착시키는 공법을 폭넓게 사용하는 추세다. 그러나 이러한 부착공법에는 모체와 보강재가 일체가 아닌 부착 상태이기 때문에 보강된 부재가 소요 한계상태에 도달하기 전에 보강재 끝단에서 전단 또는 휨 박리 등이 발생 하여 보강재의 탈락 현상을 발생시키는 문제가 제기되고 있다. 이와 같이 보강재를 구조 부재에 부착시켜 부재의 변형이 진행된 후 보강재의 변형이 유발되는 부착공법은 보강재와 일체화의 상실에 대한 문제가 있으며 이러한 위험성을 피하기 위한 방법으로 강봉에 의한 프리스트레싱 보강 방법이 있다.
참고문헌 (12)
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