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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 비보강 조적식 구조물의 내진성능 향상을 위해 조적식 구조물 벽체의 내외벽면에 보강부재를 도입하여 내진력을 향상시키고 벽체의 노후화로 인한 내하력 저감 방지와 내하력을 증대시킬 수 있는 내진보강공법을 제안하였다. 제안된 내진보강공법의 적용성 검증을 위해 본 연구에서는 진동대 실험을 수행하고, 거동을 평가하였다.
- 본 실험에서는 건축구조설계기준 및 IBC-2000에서 제시하는 극한설계지반가속도에서의 내진 성능을 평가하고자 하였으며, 데이터 계측에는 가속도, 변위, 보강 철근의 변형률을 측정하여 비교하였다. 실험체의 일반 사항은 Table 3에 정리하였으며, 실험체 배치와 도면, 그리고 수직하중효과를 위한 추는 Fig.
- 본 연구에서는 무공벽돌을 이용하여 조적된 조적벽체의 내진성능 향상을 위한 보강방안을 제안하였다. 이 방안은 조적벽체 외부에 홈을 파고, 수직 및 수평 보강철근을 배근한 뒤, 무수축 모르타르로 마감하는 기법으로, 본 연구에서는 진동대 동적시험을 통하여 그 성능을 평가하였다.
- 본 연구에서는 위와 같이 조적 벽체의 내진보강 기법을 제안하고, 진동대 실험을 통하여 성능을 평가하였다. 평가 결과 미국 내진 기준인 0.
- 본 연구에서는 조적식 벽체 구조물의 내진성능 향상 및 내하력 증진을 위해 조적식 벽체의 내외벽면에 홈을 파고철근을 도입하는 기법을 제안한다. 본 내진 보강기법은 먼저 비 보강 조적식 내력벽체의 내외벽면에 일정 크기의 홈을 파고, 보강철근을 삽입한 뒤, 무수축 모르타르(압축강도 50MPa 이상)를 이용하여 보강철근을 매입하는 구조이다.
- 제안된 내진보강공법의 적용성 검증을 위해 본 연구에서는 진동대 실험을 수행하고, 거동을 평가하였다. 이러한 연구를 통하여 향후 실제 조적식 구조물에 쉽게 적용할 수 있도록 하고자 하였다.
- 이와 반대로, RM-D-I, RM-D-O 실험체는 미국 내진기준에서 제시하고 있는 0.4g를 직접 가력하였으며, 이어서 0.5g, 0.6g를 순차적으로 가력하여 본 실험에서 제안한 보강벽체가 0.4g 이상의 지진에서도 충분한 내진성능을 가진다는 것을 확인하고자 하였다. 이 때, RM-A-I,-O 실험체와 달리 0.
제안 방법
- (3) 본 실험에서 측정된 변위비와 한국 건축구조설계기준(대한건축학회, 2005)에서 제시하고 있는 변위비를 비교하였다. 약축방향 벽체(RM-A-O)의 경우 우리나라 건축구조설계기준의 내진규준인 0.
- 진동대 실험체가 실제로 받게 되는 힘은 관성력인데, 이는 상대가속도와 관련이 있는 것이 아니라 절대가속도와 관련이 있다. 그러므로 조적 벽체의 강축(In-plane: 면내 방향), 약축(Out-of-plane: 면외 방향)의 각각 상부에 설치된 가속도계에서 기록된 절대가속도를 각 단계별 시간이력에 따라 비교하였다. 이 결과는 다음 Table 6에 나타내었다.
- 조적식 벽체 실험체 내외벽에 도입되는 보강철근은 철근을 고정시키기 위해 충전되는 모르타르와의 일체성이 매우 중요하다. 따라서 보강철근의 부착시험을 통해 조적식 벽면에 배근되는 철근의 부착성능을 검토하고 최적의 부착성능을 발휘하는 홈 크기를 결정한다. 시험체는 다음 Fig.
- 본 연구에서 실험 대상으로 하고 있는 철근보강 조적벽은 내진설계 시 변위조건을 만족하여야 한다. 따라서 본 실험에서 측정된 변위비와 한국 건축구조설계기준(대한건축학회, 2009)에서 제시하고 있는 변위비를 비교하였다. Table 9는 한국 건축구조설계기준에서 제시하고 있는 허용 층간변위를 나타내었으며, Table 10은 실험 결과에 따라 계산된 층간 변위비를 나타내었다.
- 5 시험체가 부착강도가 더 크게 나온 것을 알 수 있다. 따라서 조적식 벽면에 배근되는 철근에 충전되는 모르타르는 △60-8.5 시험체 형상으로 충전하는 형식을 채택하였다.
- 또한 벽체에 수직 하중 효과를 주기 위해, 조적식 2층 주택의 1층 외벽을 기준으로 고정하중을 산정하여 10kN을 수직 하중으로 고려하였고 이를 위해 벽체 상부에 H형강을 설치하고 단면 540mm×400mm 와 길이 1,750mm를 갖는 콘크리트를 타설하였다(최창순, 2001).
- 이 때, 실험체 하단부의 앵글과 콘크리트 슬래브 간의 체결을 위해 설치가 쉽고 높은 성능을 갖는 24mm 세트 앵커를 이용하였다(e). 마지막으로는 보강철근을 위해 파 둔 벽돌 홈을 무수축 모르타르로 충전시켰으며, 이 때 보강철근의 묻힘깊이와 무수축 모르타르의 배합비에 유의하였다(f). 실험체의 하단부에는 수직 보강철근의 정착을 위해 24mm 앵커를 볼트 체결한 SS400 재질의 L-200mm×200mm×16mm 앵글을 설치하고 수직 보강철근을 앵글의 뒷면에 용접시켰다.
- 진동대 실험을 위해 면내, 면외방향 각각 1개 벽체씩 총 2개의 실험체를 준비하였으며, 각 실험체별 가력방법은 Table 5에 정리하였다. 본 연구는 제안한 조적벽체의 내진보강 기법으로 보강된 벽체가 미국 및 한국의 건축기준인 0.4g 및 0.14g에서 충분한 내진성능을 보이는 것을 검토하고자 하는데 그 목표가 있으므로, 두 실험체의 가력계획을 Table 2와 같이 결정하였다.
- 본 연구에서는 무공벽돌을 이용하여 조적된 조적벽체의 내진성능 향상을 위한 보강방안을 제안하였다. 이 방안은 조적벽체 외부에 홈을 파고, 수직 및 수평 보강철근을 배근한 뒤, 무수축 모르타르로 마감하는 기법으로, 본 연구에서는 진동대 동적시험을 통하여 그 성능을 평가하였다. 시험 결과, 한국 건축구조설계기준에서 제시하는 0.
- 따라서 본 연구에서는 비보강 조적식 구조물의 내진성능 향상을 위해 조적식 구조물 벽체의 내외벽면에 보강부재를 도입하여 내진력을 향상시키고 벽체의 노후화로 인한 내하력 저감 방지와 내하력을 증대시킬 수 있는 내진보강공법을 제안하였다. 제안된 내진보강공법의 적용성 검증을 위해 본 연구에서는 진동대 실험을 수행하고, 거동을 평가하였다. 이러한 연구를 통하여 향후 실제 조적식 구조물에 쉽게 적용할 수 있도록 하고자 하였다.
- 조적식 보강 벽체의 내진성능을 평가하기 위한 실험 항목은 형상비, 축응력, 쌓기 방법, 개체 종류 등 다양한 실험 변수가 있으나, 본 연구에서는 내외벽 보강 철근을 이용한 보강 벽체의 초기 연구로 현장에서 이루어지고 있는 시공 방법에 따라 기본적인 변수를 대상으로 실험을 수행하였다. 즉 형상비, 축응력, 쌓기 방법, 개체 종류, 모르타르 강도 등은 변수로 하지 않고, 외부에 홈을 파고 보강철근을 도입한 보강 벽체를 면내 및 면외 하중 방향에 대하여 각각 2개 씩 4개를 제작하였다.
대상 데이터
- 190mm×90mm×57mm의 일반 조적용 표준벽돌(KS L 4201: 기술표준원, 2008)을 이용하였으며, 2개 실험체씩 각각 면내, 면외 방향의 지진 하중에 대응하도록 설치되었다(Fig. 8).
- 4(b)에 나타내었다. 본 시험체는 벽돌에 난 홈의 크기에 따라 각각 3개씩 3개 시험체로 구분되며, Table 1에 정리하였다. 각각의 시험체명은 홈의 폭과 벽돌-보강철근 간의 거리를 명시하여 나타내었다.
- 본 실험은 부산대학교 양산캠퍼스 다지점 가진 대용량 지진모사 실험센터에서 수행하였다. 실험체는 0.
- 이는 대부분의 지진 기록에서 볼 수 있는 일반적인 에너지 분포이다(도학용 외, 2003). 본 연구에서는 엘-센트로(El Centro) 지진파를 진동대 실험에 이용하였으며, 진동대 시설의 최소 가진 가속도 및 최대 가력변위 등을 고려하여 원 지진파를 0.08g~0.6g로 스케일하여 실험체에 가력하였다.
- 본 실험은 부산대학교 양산캠퍼스 다지점 가진 대용량 지진모사 실험센터에서 수행하였다. 실험체는 0.2m 두께의 철근콘크리트 슬래브를 기초 대용으로 하여 조적하였다. 이 때, 철근콘크리트 슬래브를 진동대에 고정할 수 있도록 양 끝단에 철판을 붙여 볼트로 체결하였다.
- 실험체는 200mm 두께의 철근 콘크리트 슬래브와 높이 1,761mm, 두께 190mm의 조적식 벽체(1.0B쌓기)로 구성되며, 이들 크기는 진동대 용량과 크기에 따라 결정되었다. 또한 벽체에 수직 하중 효과를 주기 위해, 조적식 2층 주택의 1층 외벽을 기준으로 고정하중을 산정하여 10kN을 수직 하중으로 고려하였고 이를 위해 벽체 상부에 H형강을 설치하고 단면 540mm×400mm 와 길이 1,750mm를 갖는 콘크리트를 타설하였다(최창순, 2001).
- 실험체의 상부에는 통상적인 건물의 외벽이 받고 있는 하중을 모사하기 위해 H형강(H-242mm×252mm×12mm×12mm)과 철근콘크리트(540mm×370mm)로 이루어 진 질량 약 10kN의 부가질량이 적재되었다.
- 보강철근 상단부와 하단부에 각각 스트레인 게이지가 설치되었다. 이 때, 본 실험체에서는 수직 및 수평 보강철근으로 현재 미국 등에서 조적조 보강철근으로 많이 사용되는 이형봉강 SD300을 사용하였다. 다음으로는 (c)에서 보는 바와 같이 실험체가 설치되어 있는 콘크리트 슬래브에 습식 코어드릴을 이용하여 Φ32mm로 천공하였으며, (d)와 같이 앵커볼트를 설치, 체결하였다.
- 다음으로는 (c)에서 보는 바와 같이 실험체가 설치되어 있는 콘크리트 슬래브에 습식 코어드릴을 이용하여 Φ32mm로 천공하였으며, (d)와 같이 앵커볼트를 설치, 체결하였다. 이 때, 실험체 하단부의 앵글과 콘크리트 슬래브 간의 체결을 위해 설치가 쉽고 높은 성능을 갖는 24mm 세트 앵커를 이용하였다(e). 마지막으로는 보강철근을 위해 파 둔 벽돌 홈을 무수축 모르타르로 충전시켰으며, 이 때 보강철근의 묻힘깊이와 무수축 모르타르의 배합비에 유의하였다(f).
- 조적식 보강 벽체의 내진성능을 평가하기 위한 실험 항목은 형상비, 축응력, 쌓기 방법, 개체 종류 등 다양한 실험 변수가 있으나, 본 연구에서는 내외벽 보강 철근을 이용한 보강 벽체의 초기 연구로 현장에서 이루어지고 있는 시공 방법에 따라 기본적인 변수를 대상으로 실험을 수행하였다. 즉 형상비, 축응력, 쌓기 방법, 개체 종류, 모르타르 강도 등은 변수로 하지 않고, 외부에 홈을 파고 보강철근을 도입한 보강 벽체를 면내 및 면외 하중 방향에 대하여 각각 2개 씩 4개를 제작하였다.
- 진동대 실험을 위해 면내, 면외방향 각각 1개 벽체씩 총 2개의 실험체를 준비하였으며, 각 실험체별 가력방법은 Table 5에 정리하였다. 본 연구는 제안한 조적벽체의 내진보강 기법으로 보강된 벽체가 미국 및 한국의 건축기준인 0.
이론/모형
- 본 논문에서 제안한 내진 보강기법에 의해 보강된 조적내력 벽체의 내진 성능을 평가하기 위해 실험체에 가하는 지진하중은 엘-센트로(El Centro) 지진파를 사용하였다. 엘-센트로 지진파는 가속도그램의 FFT 변환에서 1~4Hz의 범위 내에서 에너지가 집중되어 있으며, 약 1.
성능/효과
- 반면, 면내방향으로 가력한 실험체의 경우에는 최대상대변위 값이 유사하게 나와, 면외방향 벽체의 경우 지진 경험에 의한 미세균열 등의 영향이 크다는 것을 알 수 있었다.
- (1) 본 연구에서 제안한 보강방안을 적용하여 보강된 조적벽체의 진동대 실험결과 회전, 전단, 미끄러짐 등 일반적인 벽체의 파괴거동을 보이지는 않았으며 보강철근으로 인한 강체거동을 보였다. 이러한 거동으로 인해 실험체의 하부 앵글 주변에서 많은 균열이 발생하였다.
- (2) 진동대 시험의 상대변위 계측 결과 약축방향으로 설치된 실험체의 경우 0.4g를 바로 가력한 실험체의 최대 상대변위가, 0.08g부터 0.4g까지 단계적으로 가력한 실험체의 최대 상대변위의 절반 이하 수준으로 나타났다. 따라서 지진의 크기에 상관없이 기존에 지진을 경험했던 벽체가 경험하지 못했던 벽체에 비하여 상당히 큰 응답을 보인다는 것을 알 수 있었다.
- 14g에서는 첫 번째 가력 시 내진등급(특)을 모두 만족하는 결과가 나왔다. 그러나 한번 이상의 지진을 경험한 벽체의 경우에는 내진등급(II)는 만족하나, 내진등급(특)에는 미치지 못하는 결과가 나왔으며, 이는 본 연구에서 제안한 조적벽체의 내진보강기법을 적용 시 지진을 경험한 뒤에는 추가적인 보수 및 보강이 필요할 수도 있다는 것을 알 수 있다. 이에 반해 강축방향 벽체(RM-A-I)의 경우, 0.
- 4g까지 단계적으로 가력한 실험체의 최대 상대변위의 절반 이하 수준으로 나타났다. 따라서 지진의 크기에 상관없이 기존에 지진을 경험했던 벽체가 경험하지 못했던 벽체에 비하여 상당히 큰 응답을 보인다는 것을 알 수 있었다. 반면, 면내방향으로 가력한 실험체의 경우에는 최대상대변위 값이 유사하게 나와, 면외방향 벽체의 경우 지진 경험에 의한 미세균열 등의 영향이 크다는 것을 알 수 있었다.
- 특히, 벽체 구조물의 요구 성능에 따라 관통철근 등을 이용하여 벽체의 내·외벽을 구속시킬 수 있으므로, 본 기법의 도입에 따른 높은 내하력 향상과 내진 성능의 향상이 기대된다. 또한 벽체의 휨 강성과 연성을 향상시키고, 기존 벽체와 보강 부재의 일체성을 높이는 효과를 얻을 수 있다. Fig.
- 분석결과, 실험체의 강축, 약축 모두 각각의 내진규준의 가속도 수준에서 최종파괴에 이르지 않았으며, 이는 본 연구에서 제안하는 내진보강기법이 충분한 내진성능을 확보한다는 것을 알 수 있다. 또한, 엘-센트로(El Centro) 지진파를 0.08g부터 0.4g까지 스케일하여 가력한 RM-A 실험체보다 직접 0.4g를 가력한 RM-D 실험체로부터 얻어진 절대가속도값이 더 큰 응답을 보였다.
- 면내방향으로 지진을 가력한 RM-A-I, RM-D-I 벽체의 경우 실험 종료단계인 0.4g와 0.5g에서 균열이 발생하지 않았으며, 이는 본 연구에서 제안한 내진보강기법이 면내방향 지진력에 대해서는 충분한 내진성능을 확보하고 있다는 것을 알 수 있다. RM-A, RM-D 두 실험체 모두 실험의 종료 단계인 0.
- 또한, 수직 보강철근의 휨거동으로 인하여 보강철근을 고정하고 있는 무수축 모르타르 주변에서 세로방향으로 균열이 발생하였다. 반면, 수평 보강철근 주변에는 균열이 발생하지 않았는데, 이는 실험체의 내진 거동 시, 수평 보강철근 보다는 수직 보강철근의 휨 거동에 지배된다는 것을 알 수 있었다.
- 이 때, 절대가속도 계측결과는 계측기로부터 생긴 계측오차를 제거하기 위해 40Hz에서 lowpass filtering하였다. 분석결과, 실험체의 강축, 약축 모두 각각의 내진규준의 가속도 수준에서 최종파괴에 이르지 않았으며, 이는 본 연구에서 제안하는 내진보강기법이 충분한 내진성능을 확보한다는 것을 알 수 있다. 또한, 엘-센트로(El Centro) 지진파를 0.
- 이 방안은 조적벽체 외부에 홈을 파고, 수직 및 수평 보강철근을 배근한 뒤, 무수축 모르타르로 마감하는 기법으로, 본 연구에서는 진동대 동적시험을 통하여 그 성능을 평가하였다. 시험 결과, 한국 건축구조설계기준에서 제시하는 0.14g와 미국 IBC 코드에서 제시하는 0.4g에서 모두 양호한 성능을 나타냈으며, 최종 파괴가 일어나지 않았다. 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같다.
- 위 기법을 이용하면, 보강 조적식 벽체에서 요구하는 줄눈 보강철근을 수평 보강철근으로의 대체 효과를 볼 수 있으며, 수직 보강철근을 통해 벽체의 지진 거동을 효과적으로 구속시킬 수 있을 것으로 예상된다. 특히, 벽체 구조물의 요구 성능에 따라 관통철근 등을 이용하여 벽체의 내·외벽을 구속시킬 수 있으므로, 본 기법의 도입에 따른 높은 내하력 향상과 내진 성능의 향상이 기대된다.
- 4g 가력 후의 변위와 비교하였을 때에는 24~26%로 나타났다. 이러한 결과는, 지진의 크기에 상관없이 기존에 지진을 경험했던 벽체가 경험하지 못했던 벽체에 비하여 상당히 큰 응답을 보인다는 것을 알 수 있으며, 본 연구에서 제안하는 조적벽체의 내진보강 기법으로 보강된 벽체 역시 지진, 특히 규모가 큰 지진을 경험한 후에는 적절한 보수 및 보강이 필요하다는 것을 나타내고 있다.
- 진동대 실험 시, 본 연구에서 제작한 실험체는 회전, 전단, 미끄러짐 등 일반적인 벽체의 파괴거동을 보이지는 않았으며 보강 철근으로 인한 강체거동을 보였다. 이러한 거동으로 인해 벽체 전체를 구성하고 있는 조적 벽돌 사이의 rocking 등의 균열 보다는 하부 앵글 주변에서 많은 균열이 발생하였다(Fig.
- 본 연구에서는 위와 같이 조적 벽체의 내진보강 기법을 제안하고, 진동대 실험을 통하여 성능을 평가하였다. 평가 결과 미국 내진 기준인 0.4g에서도 적정한 안전 수준을 확보하고 있음을 확인하였으며, 수평 보강철근보다는 수직 보강철근의 거동이 조적 벽체의 거동에 많은 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 내진보강 기법을 응용하여 수평 보강철근 및 수직 보강철근의 최적 간격 산정, 내·외벽 벽체간 관통철근의 삽입 등 추가적인 연구가 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 14g에서는 첫 번째 가력 시 내진등급(특)을 모두 만족하는 결과가 나왔다. 그러나 한번 이상의 지진을 경험한 벽체의 경우에는 내진등급(II)는 만족하나, 내진등급(특)에는 미치지 못하는 결과가 나왔으며, 이는 본 연구에서 제안한 조적벽체의 내진보강기법을 적용 시 지진을 경험한 뒤에는 추가적인 보수 및 보강이 필요할 수도 있다는 것을 알 수 있으며, 특히 진동대 실험을 통해 많은 균열이 발생했던 하부 앵글의 상단부 및 수직보강철근 주변부에 적절한 보강이 필요할 것으로 판단된다. 이에 반해 강축방향 벽체(RM-A-I)의 경우, 0.
- 따라서 본 연구에서 제안한 내진보강 기법을 응용하여 수평 보강철근 및 수직 보강철근의 최적 간격 산정, 내·외벽 벽체간 관통철근의 삽입 등 추가적인 연구가 가능할 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구에서 제안한 내진보강 기법을 응용하여 수평 보강철근 및 수직 보강철근의 최적 간격 산정, 내·외벽 벽체간 관통철근의 삽입 등 추가적인 연구가 가능할 것으로 판단된다. 이를 통하여 본 내진 보강기법의 실질적인 현장 적용과 보강 상세결정이 이루어지리라 기대된다.
- 특히, 벽체 구조물의 요구 성능에 따라 관통철근 등을 이용하여 벽체의 내·외벽을 구속시킬 수 있으므로, 본 기법의 도입에 따른 높은 내하력 향상과 내진 성능의 향상이 기대된다.
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