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문제 정의
- 본 연구에서는 대상건물의 아파트 평면에서 개구부를 가지는 1층과 2층의 일부분인 T자형 벽체를 실물의 3/5 크기로 축소한 모델을 대상으로 횡방향 정적가력을 통하여 전단 벽식구조의 정적거동 특성을 파악하고 인방보의 유･무에 따른 벽체의 구조적성능 및 거동의 차이에 대해서 평가하여 전단벽식 구조에서 인방보가 내진성능에 미치는 영향과 이에 대한 기초자료를 얻는 것을 주된 목적으로 한다.
제안 방법
- 본 실험에 사용된 콘크리트의 재료시험은 KS F 2405와 KS F 2423에 명시된 재료시험 방법에 따라 24개의 공시체를 제작하여, 실험체와 동일한 조건으로 양생 후 재료시험을 시행하였다. 철근은 KS D 3504에 따라 실험체 제작에 사용된 HD6(벽체 sW3의 수직근, 벽체 수평근, 인방보 스트럽)･HD10(벽체 sW2･sW3의 수직근, 인방보의 주근)･HD19(기초의 수평･수직근) 철근의 재료시험을 시행하였다.
- 본 연구에서는 2층 RC 전단벽식 구조물을 대상으로 횡방향 정적가력 실험을 수행하여 전단벽식 구조의 정적거동 특성을 파악하고 인방보의 유･무에 따른 벽체의 구조적 성능에 대해서 비교･분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 가력장치 및 실험체 설치현황은 그림 4와 같으며, 실험체의 최상부에 철근콘크리트 가력보를 설치하여 철골 프레임과 볼트 접합을 통하여 가력장치(Actuator)와 연결하였다. 수평하중은 가력보와 동일한 높이의 반력벽에 설치된 총용량 1000kN의 Actuator를 사용하여 가력하였고, 실험체 순 높이(h=3910mm)에 대하여 부재각을 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 1.5, 2.0%로 높여가며 변위제어 방식으로 가력 하였다. 각각의 부재각별로 2회 반복 Cycle이 진행되도록 제어하였으며 실험체의 가력 Cycle은 그림 5에 나타낸다.
- 31%이었다. 이를 기준으로 정･부 방향 가력 시 수직철근에 위치한 스트레인게이지(S.G) SWS1, 2, 3, 6번의 변형률과 비교하여 휨 철근의 변형률이 항복변형에 도달한 시점으로 항복내력을 평가하였으며, 최대내력의 약 75% 지점에서 발생하였다.
- 본 실험에 사용된 콘크리트의 재료시험은 KS F 2405와 KS F 2423에 명시된 재료시험 방법에 따라 24개의 공시체를 제작하여, 실험체와 동일한 조건으로 양생 후 재료시험을 시행하였다. 철근은 KS D 3504에 따라 실험체 제작에 사용된 HD6(벽체 sW3의 수직근, 벽체 수평근, 인방보 스트럽)･HD10(벽체 sW2･sW3의 수직근, 인방보의 주근)･HD19(기초의 수평･수직근) 철근의 재료시험을 시행하였다. 모든 재료시험은 각 사용재료별로 3개 시험체의 결과를 평균으로 나타내며, 실험체 제작에 사용된 콘크리트와 철근의 재료시험 결과를 표 1과 표 2에 나타낸다.
- 한편, 2개의 실험체는 실제의 시공성을 고려하여 기초･1층･2층･3층 및 가력부로 4번에 걸쳐 콘크리트를 타설하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 RC 전단벽식 구조물의 내진성능을 평가하기 위하여, 그림 2와 같이 15층 철근콘크리트 공동주택에서 개구부를 포함하는 저층(1층, 2층) 부분의 일부분을 대상으로, 실험동의 규모를 고려하여 실물 크기의 3/5 축소 모델을 제작하였다. 대상건물은 15층 건물로서 1층과 2층에는 큰 축력이 발생하나 본 연구에서는 실험조건 등으로 축력의 영향을 고려하지 못하는 한계를 가지고 있다. 실험체는 슬래브와 내부 문형태의 개구부를 가지는 R.
- 각 실험체의 하중-3층 슬래브 지점에서의 변위 관계 곡선을 그림 11에 나타낸다. 두 실험체 RCSW, RCSW-B의 벽체 sW1, sW2 수직철근은 D10이 사용되었으며 재료시험 결과 D10 철근의 항복 시 변형률은 0.31%이었다. 이를 기준으로 정･부 방향 가력 시 수직철근에 위치한 스트레인게이지(S.
- 실험체의 상세와 배근 상세도를 그림 2와 그림 3에 나타낸다. 본 연구에서는 RC 전단벽식 구조물의 내진성능을 평가하기 위하여, 그림 2와 같이 15층 철근콘크리트 공동주택에서 개구부를 포함하는 저층(1층, 2층) 부분의 일부분을 대상으로, 실험동의 규모를 고려하여 실물 크기의 3/5 축소 모델을 제작하였다. 대상건물은 15층 건물로서 1층과 2층에는 큰 축력이 발생하나 본 연구에서는 실험조건 등으로 축력의 영향을 고려하지 못하는 한계를 가지고 있다.
- C 내력벽으로 구성되며, 개구부 상부에 인방보가 없는 경우(실험체 RCSW)와 인방보를 두는 경우(실험체 RCSW-B)를 실험변수로 설정하여 2개의 실험체를 제작하였다. 실험 대상건물의 벽체와 인방보는 D16, D10 철근으로 이루어져 있으나, 실험에 사용된 3/5크기의 실험체는 대상건물에 배근된 철근비를 고려하여 주요벽체와 인방보를 D10, D6 철근을 각각 사용하여 배근하였으며, 실험체의 기초는 큰 강성을 가지도록 D16 철근을 사용하여 배근하였다. 한편, 2개의 실험체는 실제의 시공성을 고려하여 기초･1층･2층･3층 및 가력부로 4번에 걸쳐 콘크리트를 타설하였다.
- 실험을 위한 대상건물은 그림 1과 같이 아파트 주거 환경통계(5)를 이용하여 국내의 전형적인 아파트 주거형태의 모델을 선정하였으며, 한 세대의 규모가 89m2이고 2세대가 한 층을 이루는 15층 판상형의 철근콘크리트 고층 공동주택이다.
- 실험체 RCSW의 주요 손상은 벽체의 휨･전단･수직균열, 개구부 주변 슬래브의 휨균열이며, 최종파괴는 날개벽(sW1)과 기초보의 접합부 파괴, 1층 내부벽체(sW2)의 수직철근의 좌굴에 동반되는 콘크리트의 압축파괴이었다. 실험체 RCSW-B의 주요 손상은 인방보의 전단균열, 벽체의 휨･전단･수직균열, 개구부 주변 슬래브의 휨균열이며, 최종파괴는 인방보의 전단파괴, 날개벽(sW1)과 기초보의 접합부파괴, 1층 내부벽체(sW2)의 수직철근의 좌굴에 동반되는 콘크리트의 압축파괴이었다.
- 실험체 RCSW의 주요 손상은 벽체의 휨･전단･수직균열, 개구부 주변 슬래브의 휨균열이며, 최종파괴는 날개벽(sW1)과 기초보의 접합부 파괴, 1층 내부벽체(sW2)의 수직철근의 좌굴에 동반되는 콘크리트의 압축파괴이었다. 실험체 RCSW-B의 주요 손상은 인방보의 전단균열, 벽체의 휨･전단･수직균열, 개구부 주변 슬래브의 휨균열이며, 최종파괴는 인방보의 전단파괴, 날개벽(sW1)과 기초보의 접합부파괴, 1층 내부벽체(sW2)의 수직철근의 좌굴에 동반되는 콘크리트의 압축파괴이었다.
- G)계측 위치를 나타낸다. 실험체 계측은 인방보가 있는 실험체 RCSW-B를 기준으로 Actuator의 로드셀(1개), 층변위(D1~D4: 그림 6-a), 축변위(DA1~DA13:그림 6-a), 전단변위(DS1~DS10: 그림 6-b), 들뜸변위(9개), 콘크리트 S.G(SWC1~SWC5: 그림7-a), 벽체 수직철근 S.G(SWS1~SWS7:그림 7-b), 슬래브 철근 S.G(SS1~SS28개: 그림 7-c), 인방보 S.G(SL1~12: 그림 7-d)를 포함하여 총 93개의 데이터를 취득하였다.
- 대상건물은 15층 건물로서 1층과 2층에는 큰 축력이 발생하나 본 연구에서는 실험조건 등으로 축력의 영향을 고려하지 못하는 한계를 가지고 있다. 실험체는 슬래브와 내부 문형태의 개구부를 가지는 R.C 내력벽으로 구성되며, 개구부 상부에 인방보가 없는 경우(실험체 RCSW)와 인방보를 두는 경우(실험체 RCSW-B)를 실험변수로 설정하여 2개의 실험체를 제작하였다. 실험 대상건물의 벽체와 인방보는 D16, D10 철근으로 이루어져 있으나, 실험에 사용된 3/5크기의 실험체는 대상건물에 배근된 철근비를 고려하여 주요벽체와 인방보를 D10, D6 철근을 각각 사용하여 배근하였으며, 실험체의 기초는 큰 강성을 가지도록 D16 철근을 사용하여 배근하였다.
데이터처리
- 강성의 평가방법은 하중-변위 곡선상에서 정･부방향의 같은 크기의 변위를 정점을 연결한 직선의 기울기로 평가하는 강성(Peak-to-Peak Stiffness)으로 평가하였으며, 강성은 실험체의 기초와 3층 슬래브에서 취득된 변위(D4, D2:그림 6-a)로 산출하여 표 3에 나타내었다.
성능/효과
- 1. 실험체의 최종파괴에서, 실험체 RCSW는 날개벽(sW1)과 기초보의 접합부 파괴, 1층 내부벽체(sW2)의 수직철근의 좌굴에 동반되는 콘크리트의 압축파괴이며, 실험체 RCSW-B는 인방보의 전단파괴, 1층 내부벽체(sW2)의 수직철근의 좌굴에 동반되는 콘크리트의 압축파괴로 나타났다.
- 2. 실험체의 초기 강성에서, 실험체 RCSW-B는 실험체 RCSW보다 약 29% 크게 나타났으며 부재각 0.5%까지는 강성이 급격히 감소하였으나, 부재각 1% 이후로는 완만한 저감이 나타났다. 연성능력에서, 실험체 RCSW-B는 실험체 RCSW보다 최대하중에서의 정･부방향 연성지수는 26~22% 크게 나타났으며, 최대하중 이후의 최대하중의 80%에 대한 정･부방향 연성지수는 19~44% 크게 나타났다.
- 3. 최대내력은 실험체 RCSW-B의 경우 538.22KN이고 실험체 RCSW의 경우 450.38KN이었으며, 이는 인방보를 가지는 전단벽이 인방보를 가지지 않는 전단벽보다 강도면에서 약 19.6% 우수한 것으로 나타났다.
- 4. 최대하중시 1층과 2층의 층간변위비(2층 층간변위/1층 층간변위)에서, 실험체 RCSW는 정･부방향에서 약 1.44･1.32, 실험체 RCSW-B는 정･부방향에서 약 1.09･1.19로, 1층보다 2층에서 큰 변형이 나타났다.
- 5. 벽체의 전단변형은 실험체 RCSW-B가 실험체 RCSW보다 전반적으로 큰 변형이 발생하였고, 축 변형의 경우는 실험체 RCSW-B는 실험체 RCSW보다 전반적으로 적게 발생하였다.
- 6. 1층 벽체 하부의 콘크리트 변형률은 전반적으로 실험체 RCSW가 실험체 RCSW-B보다 큰 변형률이 발생하였다.
- 7. 철근의 변형률은 수직 철근의 경우 SWS6에서 다른 수직 철근과 반대 방향으로 거동하였으며 가장 큰 변형률이 측정되었다. 슬래브 철근 SS16･SS18･SS20은 두 실험체 모두 개구부 중앙지점보다 주변에서 큰 변형율이 발생하였다.
- 하중에 따른 각 실험체의 1층과 2층의 전단변형각을 그림 14에, 실험체의 부재각에 따른 두 실험체의 전단변형각을 그림 15에 나타낸다. 두 실험체 모두 전단변형각은 1층에서 2층보다 큰 전단 변형이 발생하였고, 인방보 유무에 따른 전단변형각은 실험체 2층의 부재각 1.5%를 제외한 부분에서 실험체 RCSW-B가 실험체 RCSW보다 큰 전단 변형이 발생하였다. 이는 인방보가 있는 실험체 RCSW-B의 경우 인방보의 커플링 효과에 인하여 실험체의 최대내력 및 벽체의 전단력이 증가하므로 벽체의 전단변형이 증가한 것으로 판단된다.
- 00으로 나타내어 각 부재각별로 평가한 강성의 저하율(Ki/Ke)을 강성의 저하곡선으로 그림 10에 나타낸다. 두 실험체의 강성은 부재각 0.5%까지 급격히 감소하였으며, 부재각 1% 이후로는 완만한 강성저감이 나타났다. 두 실험체의 부재각 0.
- 두 실험체의 부재각 0.5%까지의 강성저감을 비교하면 인방보가 없는 경우가 강성저감이 크게 나타났으며, 이는 인방보가 실험 초기인 부재각 0.5%까지는 인방보가 두 벽체를 연결하여 일정하게 응력을 분배함으로서 다소 완만한 강성 저하율이 나타난 것으로 판단된다.
- 두 실험체의 연성지수를 비교하면 실험체 RCSW 보다 실험체 RCSW-B의 경우 μp는 정방향시 26%, 부방향시 22%가 증가하였고, μu는 정방향시 19%, 부방향시 44%가 증가하였다.
- 변형을 살펴보면 SWC3이 가장 큰 변형이 발생하였으며, 벽체 sW2와 sW3의 교차점에 위치하는 SWC4는 변형 발생이 가장 적었으며 탄성구간에 머물렀다. 두 실험체의 콘크리트 변형률을 비교하면 계측된 모든 곳에서 실험체 RCSW가 실험체 RCSW-B보다 콘크리트의 변형률이 크게 나타났으며, 이는 전술한 3.2.2 강성 및 연성 평가에서처럼 실험체 RCSW-B가 실험체 RCSW에 비하여 큰 강성을 가지기 때문으로 판단된다.
- 실험체 RCSW-B가 실험체 RCSW보다 1층과 2층의 층간변형의 차이가 줄어들었으며 이는 인방보가 없는 실험체 RCSW의 벽체는 슬래브의 커플링(Coupling) 효과가 없는 켄틸레버 벽으로 볼 수 있어 1층에서 소성회전이 집중되어 휨변형에 의하여 2층의 층간변형이 1층의 층간변형보다 크게 발생하였으나, 실험체 RCSW-B의 경우에는 인방보의 설치로 인한 슬래브의 커플링 효과로 인하여 sW2의 부분벽체의 전단력이 증가하며, 실험체 RCSW에 비하여 1층에서의 전단변형이 증가하고 전단변형 증가분만큼 휨변형은 감소한다. 따라서 실험체 RCSW-B는 벽체의 휨변형이 줄어들며 2층의 층간변위는 다소 감소하고, 1층은 전단변형 증가에 따른 1층의 층간변형의 증가로 1층과 2층의 층간변형의 차이가 줄어든 것으로 판단된다.
- 실험체 RCSW-B가 실험체 RCSW보다 강도면에서 약 19.6% 우수한 것으로 나타났으며, 이는 개구부가 있는 경우와 같이 연속되지 않는 내력벽을 인방보가 슬래브와 함께 연속되게 하여 sW3 벽체에 힘을 전달하여 강도면에서 우수한 것으로 사료되며 인방보가 전단벽에서 에너지를 적절히 분배하고 흡수하는 역할을 한 것으로 분석된다.
- 실험체 RCSW-B는 정방향 가력시 부재각 1.43%에서 최대내력 538.22kN과 부방향 가력시 부재각 1.44%에서 최대내력 497.34kN을 보였으며, 최대내력 이후에 날개벽과 기초보 접합부의 파괴와 개구부 주변의 콘크리트 압축파괴와 인방보의 전단파괴로 콘크리트의 박리현상이 발생하여 더 이상의 하중 지지능력을 발휘하지 못한 것으로 판단된다.
- 실험체 RCSW는 정방향 가력시 부재각 1.39%에서 최대내력 450.08kN과 부방향 가력시 부재각 1.49%에서 최대내력 436.9kN을 보였으며, 최대내력 이후에 날개벽과 기초보 접합부의 파괴와 개구부 주변의 콘크리트 압축파괴로 콘크리트의 박리현상이 발생하여 더 이상의 하중 지지능력을 발휘하지 못한 것으로 판단된다.
- 하중에 따른 1층과 2층의 층간변형을 비교하여 그림 12에 나타내며, 두 실험체 모두 층간변형은 1층보다 2층에서 더 큰 변형이 나타났다. 실험체의 부재각 약 1.5%에서, 실험체 RCSW는 정방향 가력시 약 44.1%, 부방향 가력시 약 31.5% 가량, 실험체 RCSW-B는 정방향 가력시 약 9.3%, 부방향 가력시 약 19.4%로, 2층에서 1층보다 큰 변형이 나타났다.
- 5%까지는 강성이 급격히 감소하였으나, 부재각 1% 이후로는 완만한 저감이 나타났다. 연성능력에서, 실험체 RCSW-B는 실험체 RCSW보다 최대하중에서의 정･부방향 연성지수는 26~22% 크게 나타났으며, 최대하중 이후의 최대하중의 80%에 대한 정･부방향 연성지수는 19~44% 크게 나타났다.
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