[논문]경계부재내 횡보강근 배근방법에 따른 R/C전단벽의 반복하중에 대한 이력거동

서수연; 오태근; 김경태; 윤승조

doi:10.4334/jkci.2010.22.3.357

경계부재내 횡보강근 배근방법에 따른 R/C전단벽의 반복하중에 대한 이력거동
Hysteretic Behavior of R/C Shear Wall with Various Lateral Reinforcements in Boundary Columns for Cyclic Lateral Load 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.22 no.3, 2010년, pp.357 - 366

서수연 (충주대 건축공학과) , 오태근 ((주)오푸스.펄구조기술사사무소) , 김경태 (B&K 엔지니어링) , 윤승조 (충주대 건축공학과)

초록
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이 연구에서는 경계부재내에 다양한 형태의 횡보강근 상세를 가진 전단벽에 대한 실험연구를 다루고자 한다. 연구의 주요 내용은 시공성 개선을 위해 사각나선 횡보강근과 헤드가 있는 크로스타이로 전단벽의 경계부재내 콘크리트를 구속함에 따른 거동을 실험적으로 관찰하는 것이다. 이 두 가지 상세는 공장에서 제작된 후 현장에서 조립만 할 경우, 현장작업량을 줄일 수 있는 상세로 고려될 수 있으며, 이 연구에서는 이 두 가지 상세를 가진 전단벽에 대한 구조성능을 구명하고자 한다. 실험의 주요변수는 경계부재내 횡보강근의 형태로서 기존의 띠철근, 사각나선근, 그리고 기존 크로스타이와 헤드가 있는 크로스타이를 사용한 경우로서, 총 4개의 바벨형상의 전단벽 실험체를 제작하고 일정 축력 아래에서 반복하중 실험을 통하여 그 성능을 평가한다. 콘크리트 공칭강도의 10%의 일정축력 작용상태에서 횡방향 반복가력을 실시하여 구조성능을 평가한다. 실험 결과 전단벽의 경계부재내 시공성 개선을 위해 제안된 사각나선근과 기계적 정착장치를 사용함으로써 재래의 보강방법과 거의 동등한 구조성능을 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 띠철근의 직경이 크고 횡보강근의 체적비가 다소 높은 SW-Hh시험체가 항복 이후 균열이 닫힌 다음 강성이 높아짐으로 인하여 전체적인 소산에너지 면적이 다른 시험체에 비하여 높게 나타났으나 최대강도 도달 이후 내력이 다소 급격히 저하되는 것으로 나타나 강도와 연성의 확보측면에서 횡보강근의 체적비와 함께 간격에 대한 고려가 필요한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents experimental results about shear wall with various lateral reinforcement details in boundary elements. The research objective is to study the structural behavior of shear wall with boundary column confined by rectangular spiral hoops and headed cross ties developed to improve workability in the fabrication of boundary columns. These two details can be fabricated in a factory and put together on-site after being delivered so that the construction work may be reduced. Main parameters in the experimental study were the types of hoop and cross tie: rectangular spiral hoop and headed cross tie vs. standard hoop and cross tie with hook. Four half scaled shear wall specimens with babel shape were made and tested by applying horizontal cyclic load under constant axial force, 10% of nominal compressive strength of concrete. Based on the test result, it was shown that the shear wall with rectangular spiral hoop and headed cross tie in boundary columns has structural capacity compatible with conventional shear wall. The specimen SW-Hh which has bigger hoop bar and higher volumetric ratio of transverse reinforcements than other showed improved energy dissipating characteristic but it presented a rapid reduction of strength after peak point. The results indicates that, it is necessary to consider volumetric ratio of transverse reinforcements as well as hoop space in designing of shear wall with boundary columns for improved strength and ductility.

주제어

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문제 정의

이 연구에서는 이상과 같은 전단벽 경계부재 횡보강에 있어서 시공성개선을 위한 헤드철근과 사각나선 횡보강의 효과를 연구하기 위하여 실험을 실시한다.
이 연구에서는 전술한 전단벽의 경계부재내에 많은 철근이 배근되는 점을 고려하여, 시공성 개선을 위한 다양한 배근방법에 대하여 연구하고자 한다. 즉 바벨형 전단벽의 경계부재내 횡보강근 배근방법, 특히 헤드철근과 사각형 나선근을 사용한 경우에 대한 거동차이를 연구하고자한다.
이 연구의 범위는 일정 연직하중작용상태에서 수평횡력이 반복하여 작용하는 전단벽의 경계부재내 횡보강근의 배근 방법에 따른 거동특성에 관한 실험이다.
이 연구에서는 전술한 전단벽의 경계부재내에 많은 철근이 배근되는 점을 고려하여, 시공성 개선을 위한 다양한 배근방법에 대하여 연구하고자 한다. 즉 바벨형 전단벽의 경계부재내 횡보강근 배근방법, 특히 헤드철근과 사각형 나선근을 사용한 경우에 대한 거동차이를 연구하고자한다.

제안 방법

반복하중이 작용할 때 전단벽의 단부에 위치한 경계부재 주근과 벽체 주근, 횡보강근 및 크로스타이의 변형률을 측정하기위하여 시험체를 제작할 때 미리 부착한 철근용 W.S.G에서 측정하였다. Fig.
시험체는 Fig. 7과 같이 반력벽에 490 kN용량의 스크류식 액츄에이터을 설치하여 횡변위를 제어하였고, 실험용 골조에 490 kN용량의 유압식 액츄에이터를 설치하여 콘크리트 공칭 압축내력의 10%로 일정하게 유지시키면서 수평하중을 정·부방향 반복가력하였다.
실험의 주요 변수는 경계부재내 횡구속방법으로서, 경계부재에 띠철근과 기계정착형 크로스타이로 횡보강한 전단벽(SW-Hh), Fig. 3의 사각나선보강근과 기계정착형 크로스타이를 사용하여 횡보강한 전단벽(SW-Sh), 사각나선보강근과 일반 크로스타이를 사용하여 횡보강한 전단벽(SW-SC), 띠철근과 일반 크로스타이를 사용하여 횡보 강한 전단벽(SW-6HC), 총 4개의 시험체를 기준에 따라 설계한 후 제작하였다.
이들은 응력기반 설계법을 기초로 한 ACI 318-95와 변위기반 설계법을 기초로 한 ACI 318-99의 설계조항에 따라 설계한 일자형 벽체와 T형 벽체에 대하여 실험을 실시하였다. 연구로부터 일자형 벽체의 응력한계는 0.2f_ck를 초과할 가능성이 매우 높기 때문에 벽체의 단부에 정방형 상세의 경계부재를 갖는 바벨형 벽체의 설계를 제안하였다. 또한 경계부재의 위험지역에는 횡구속이 필요함을 제시하여 그 결과가 현재 ACI기준에 반영되어있다.
횡력은 ACI에서 정한 강진지역 골조실험가이드라인¹¹⁾에 따라 최초 0.16 mm(회전각 1/10000)에서 최대 80 mm(회전각 1/20)까지 각 단계별 3싸이클씩 점증 반복하여 Fig. 8과 같이 변위비에 따라 최대하중 이후 최대하중의 80%까지 반복가력 하였다.

대상 데이터

또한 벽체의 주근 및 경계부재내 사각나선보강근은 Φ6의 강봉을 사용하였다.
시험체 제작에 사용된 철근은 D10(경계부재 주철근, 기초의 보강근, 보 횡보강근, 경계부재 횡보강근)과 Φ (벽체 주근, 경계부재 횡보강근)으로서, 철근의 물리적 성질은 Table 2와 같다.
시험체는 일반적인 철근콘크리트 전단벽으로 구조 계획되는 전단벽 형식을 채택하였으며, 크기는 실물의 약 1/2로 축소하여 모델화 하였다. Table 1은 각 시험체의 설계변수를 나타내고 Fig.

이론/모형

Table 3은 실험 결과 그래프에서 항복점, 최대하중점, 그리고 붕괴점(최대하중 이후 내력이 20% 감소한 때)의 하중과 변위, 연성비(항복변위와 최대하중시 변위비), 그리고 시험체의 누적된 소산에너지를 보여주고 있다. 항복점은 Park 등¹⁰⁾에 의해 제안된 이선형 모델개념(최대하중의 75%를 지나는 활선강성선(Secant stiffness line)과 의 교점에서 수직으로 내린선에 만나는 점을 항복하중 및 항복변위로 설정)에 따라 정하였다.

성능/효과

1) 경계부재내 횡보강근의 직경이 크고 횡보강근의 체적비가 다소 높은 SW-Hh시험체가 항복이후 균열이 닫힌 다음 강성이 높아짐으로 인하여 전체적인 소산에너지 면적이 다른 시험체에 비하여 높게 나타났다. 그러나 최대강도 도달이후 내력이 다소 급격히 저하되는 것으로 나타나 강도와 연성의 확보측면에서 횡보강근의 체적비와 함께 간격에 대한 고려가 필요한 것으로 사료된다.
2) 사각나선근을 경계부재내 횡보강근으로 사용한 경우에는 횡보강근과 크로스타이의 변형률이 다른 시험체에 비하여 높게 나타나고 있는 것으로 보아, 경계부재의 구속에 대한 기여도가 높은 것으로 사료된다.
3) 헤드철근을 경계부재내 크로스타이로 사용한 경우, 일반적인 갈고리형태에 비하여 횡보강근의 변형을 억제하는 역할을 하는 것으로 나타났으나, 전체적인 전단벽의 거동에 큰 차이는 없는 것으로 나타났다.
4는 원형철근, 나선철근, 띠철근 그리고 사각나선근 보강일 경우 각각에 대한 철근의 구속면적을 나타낸다.⁹⁾ 원형철근과 나선철근에서 구속면적이 증가하는 것과 마찬가지로 띠철근과 사각나선근에서도 차이가 남으로서, 그에 따라 횡구속효과도 높아지게 된다. 이는 사각 나선근의 경우 동일간격인 경우 띠철근에 비하여 체적비가 상대적으로 증가하기 때문에 이에 의한 영향으로 구속내력이 증가하게 된다.
경계부재내 크로스타이에 대한 변형률을 관찰한 결과 SW-Sh 시험체를 제외하고 전체적으로 변형량이 미소한 것으로 나타났다. 이는 실제 크로스타이가 가지고 있는 내력에 비하여 횡보강근을 구속하기 위하여 필요한 힘이 실제는 크지 않음을 의미한다.
경계부재내의 철근 변형률을 측정한 결과 경계부재 상부와 중간부 철근의 경우 실험 초기에는 반복하중의 영향을 받았지만, 변위가 증가할수록 그 영향이 줄어들었고, 실험의 후반에서는 영향이 거의 없었다.
그러나 최대내력에 도달한 이후 변위각 1/40이후에 있어서, 경계부재내 횡구속 체적비가 가장 높은 SW-Hh시험체의 강도저하가 오히려 가장 높은 것으로 나타났다. 이는 최대하중이후 횡구속의 효과는 횡보강근의 간격과도 밀접하게 관련되어 있음을 유추할 수 있다.
또한 국내 아파트 벽식 구조물에 대한 실험연구로부터, 경계부 재내 횡보강으로 폐쇄형 스터럽 대신에 우리나라의 시공 현실을 감안한 U형 스터럽과 갈고리철근을 이용하여 벽체의 양단부를 기둥식으로 보강할 경우, 구속효과가 충분함을 밝혔다. 그리고 벽체 양단부의 구속효과는 전단벽의 전단내력을 크게 향상시키지는 못하지만, 벽체 양단부에 배근된 단부횡보강근의 간격이 조밀함에 따라 벽체의 변형능력은 크게 향상됨을 밝혔다.
이 두 단계의 실험을 통하여 그 관계를 밝혔는데, 첫 번째는 일자형 벽체와 바벨형 벽체, 그리고 T형벽체에 대한 실험을 통하여 바벨형 벽체가 상대적으로 우수한 변형능력을 발휘하고, T형 벽체의 경우에는 내력은 높으나 변형능력이 취약함을 밝혔다. 또한 국내 아파트 벽식 구조물에 대한 실험연구로부터, 경계부 재내 횡보강으로 폐쇄형 스터럽 대신에 우리나라의 시공 현실을 감안한 U형 스터럽과 갈고리철근을 이용하여 벽체의 양단부를 기둥식으로 보강할 경우, 구속효과가 충분함을 밝혔다. 그리고 벽체 양단부의 구속효과는 전단벽의 전단내력을 크게 향상시키지는 못하지만, 벽체 양단부에 배근된 단부횡보강근의 간격이 조밀함에 따라 벽체의 변형능력은 크게 향상됨을 밝혔다.
소산에너지의 경우에는 모든 시험체에 대해서 수행된 싸이클수와 경험한 변위이력이 동일하기 때문에 누적에너지의 변화를 비교함으로써, 각 시험체의 보유인성을 평가할 수 있다. 변위각 1/30(53.33 mm)일 때까지의 누적된 소산에너지를 보면, SW-Hh 시험체가 가장 높은 값을 보이고, SW-Sh시험체가 가장 낮은 값을 보이고 있다. Fig.
시험체 제작용 콘크리트는 배합설계강도 fck = 24 MPa를 기준으로 하여 콘크리트를 주문하여 타설하였고, 28일 압축강도는 24.9 MPa, 탄성계수는 2.34 × 104 MPa로 나타났다.
이들은 전단벽 경계부재내의 한쪽 끝은 135^o, 다른 끝은 90^o 갈고리인 전형적인 크로스타이를 배근한 벽체와 이를 대신하여 양쪽에 헤드가 있는 철근으로 배근한 벽체의 구조성능을 실험으로 연구하였다. 실험 결과 양단 헤드철근을 사용한 전단벽이 기존 크로스타이를 사용한 전단벽과 유사한 강도와 연성을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 이에 따라 갈고리가 있는 크로스타이를 대체하여 양단 헤드철근을 사용함으로서 전단벽 경계부재에서의 과밀배근을 해소할 수 있음을 밝혔다.
은 전단벽의 시공성을 고려한 겹침나선보강을 통한 단부구속을 제안하고 실험을 통하여 구조 성능을 평가하였다. 실험으로부터 제안된 횡구속 상세를 적용함으로써 곡률 연성도는 15%, 변위 연성도는 20% 정도 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
최대내력시의 변위에 대한 항복시의 변위비, 즉 연성비의 경우에는 나머지 3개 시험체가 정방향과 부방향에 대해서 9.46~10.1의 범위로서 거의 차이가 없는 값을 보였지만, SW-Hh시험체의 경우에는 정방향과 부방향에 대하여 각각 6.72와 7.79를 보여 다른 시험체 비하여 낮은 값을 보였다.
10은 각 시험체의 하중-변위곡선을 나타낸다. 하중재하시의 기울기, 각 싸이클 최대점에서의 강도, 그리고 제하(unloading)시의 기울기 및 하중반전 후 재하 (reloading)시의 기울기 등에서 4개 시험체 모두 매우 유사한 이력거동을 보이고 있는데, 이는 각 시험체의 경계부재내 구속효과에서 큰 차이가 없음을 의미한다.
11은 각 시험체의 각 단계별 최고점을 이은 포락선을 나타낸다. 헤드철근으로 횡구속한 SW-Sh시험체와 일반적인 크로스타이로 횡구속을 한 SW-SC시험체의 비교에서는 헤드철근을 사용한 SW-Sh시험체가 변위각 1/40이후 미소하게 낮은 강도저하를 보이는 것으로 나타났다. 또한 횡구속상세의 차이에 의해 SW-Hh시험체와 SW-SC시험체의 내력저하가 다른 시험체에 비하여 다소 높음을 알 수 있다.

후속연구

4) 전단벽의 경계부재내 시공성 개선을 위해 제안된 사각나선근과 기계적 정착장치를 사용함으로써 재래의 보강방법과 거의 동등한 구조성능을 확보할 수 있는 것으로 사료되며 추가적으로 횡보강근의 직경과 간격에 따른 구조성능변화의 관찰이 요망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경계부재의 내진성능 향상이 구조물 전체의 성능개선에 지대한 역할을 하는 이유는 무엇인가?	철근콘크리트 전단벽의 거동은 경계부재의 형상 및 철근 등 여러 가지 조건에 의해 영향을 받는데 지진과 같은 횡력을 받는 경우, 경계부재에 큰 압축력이 발생하여 구조물의 안전성에 영향을 미치기 때문에 경계부재의 내진성능 향상은 구조물 전체의 성능개선에 지대한 역할을 한다.
	경계부재는 주근비가 커질수록 어떤 경향을 나타내는가?	경계부재의 단면 형상이 바벨형인 경우 전단벽의 거동은 장방형 단면의 벽체에 비하여 그 거동이 훨씬 더 복잡하다. 경계부재 및 단부에 보강된 철근양 역시 전단벽의 거동에 영향을 미치는 주요 요인 중의 하나로서 주근비가 커질수록 전단파괴의 경향을 나타내며 연성비 역시 감소하는 경향을 나타내고 있다.
	내진설계기준에서 압축응력 작용시 발생하는 벽체의 취성파괴를 방지하기 위해 어떻게 하고 있는가?	최근 각 국의 내진설계기준1-3)에서는 설계하중에 대한 변위에 대하여 압축연단에서의 변형률이 임계값을 초과할 경우, 경계부재 내 콘크리트를 충분히 구속할 수 있도록 하고 있다. 또한 벽체의 최대 연단압축응력도가 일정 값을 초과하는 경우, 경계부와 벽체의 개구부 주변에 경계부재를 설치하도록 하고 있다. 이는 모두 압축응력 작용시 발생하는 벽체의 취성파괴를 방지하기 위한 것이다.

참고문헌 (11)

ACI Committee 318, Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI318-08) and Commentary (ACI318R-08), American Concrete Institute, 2009.
British Standard, Eurocode 8 : Design of Structures for Earthquake Resistance, BSI, 1998.
鐵筋コンクリ一ト造建物の靭性保型耐震設計指針.同解設, 日本建築學會, 1999.
Wallace, J. W. and Orakcal, K., “ACI 318-99 Provisions for Seismic Design of Structural Walls,” ACI Structural Journal, Vol. 99, No. 4, 2002, pp. 499-508.

상세보기
Mobeen, S. S., Elwi, A. E., and Ghali, A., “Double-Headed Studs in Shear Walls,” Concrete International, Vol. 27, No. 3, 2005.
한상환, 오영훈, 오창학, 이리형, “단면형상에 따른 벽식구조 전단벽의 구조성능 평가,” 콘크리트학회 논문집, 12권, 4호, 2000, pp. 3-14.
이희동, 한상환, 이리형, “전단벽의 단부보강효과에 따른 변형능력의 평가,” 한국콘크리트학회 가을학술대회논문집, 10권, 2호, 1998, pp. 525-528.
김록배, 홍성걸 “Spiral 철근 배근된 전단벽 단부의 내진 성능 연구를 위한 예비 고찰,” 한국콘크리트학회 학술대회 논문집, 12권, 2호, 2000, pp. 589-594.
한범석, 신성우, “철근콘크리트 기둥에서 콘크리트 구속과 횡구속 철근에 대한 고찰,” 콘크리트학회지, 15권, 2호, 2003, pp. 144-150.
Park, R. and Paulay, T., Reinforced Concrete Structures, John Willey & Sonns, 1975.
ACI Innovation Task Group 1 and Collaborators, Acceptance Criteria for Moment Frames Based on Structural Testing, ACI, Farmington Hills, MI, 1999.

저자의 다른 논문 :

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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