[논문]조적채움벽 골조의 내진성능평가를 위한 등가 스트럿 모델의 비교연구

유은종; 김민재; 정대계

doi:10.5000/eesk.2014.18.2.079

조적채움벽 골조의 내진성능평가를 위한 등가 스트럿 모델의 비교연구
A Comparison Study of Equivalent Strut Models for Seismic Performance Evaluation of Masonry-Infilled Frame 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.18 no.2 = no.96, 2014년, pp.79 - 87

유은종 (한양대학교 건축공학과) , 김민재 (한양대학교 건축공학과) , 정대계 (한양대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Masonry-infilled walls have been used in reinforced concrete(RC) frame structures as interior and exterior partition walls. Since these walls are considered as nonstructural elements, they were only considered as additional mass. However, infill walls tend to interact with the structure's overall strength, rigidity, and energy dissipation. Infill walls have been analyzed by finite element method or transposed as equivalent strut model. The equivalent strut model is a typical method to evaluate masonry-infilled structure to avoid the burden of complex finite element model. This study compares different strut models to identify their properties and applicability with regard to the characteristics of the structure and various material models.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 연구 및 각국의 규준에 나타난 조적채움벽의 재료특성을 파악하고 기존에 제안된 등가 스트럿 모델을 사용하여 단위 조적채움벽 골조를 해석하고 그 결과를 비교함으로써 여러 등가 스트럿모델의 특징을 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 재료특성의 변동과 함께 다양한 등가스트럿 모델에 의한 해석결과의 차이를 분석하고자 하였다. Table 8은 본 연구에서 사용된 해석의 케이스를 정리한 표로서 재료특성과 함께 각 스트럿모델 제안식에 따른 스트럿의 폭과 강도, 편심스트럿모델의 경우 접촉길이(이격거리)를 정리하였다.
조적채움벽은 내진설계 시 무시되나 실제 지진 시에는 구조부재와의 상호작용을 통해 전체 거동에 상당한 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 조적채움벽을 등가의 스트럿으로 치환하여 해석하기 위해 제안된 다양한 등가스트럿모델의 특징을 분석하고자 하였다. 이를 위해 기존의 실험연구에 사용된 1경간 조적채움벽골조를 여러 등가스트럿모델을 사용하여 해석하고 그 결과를 분석하였다.
2의 (b)와 같이 프레임의 모서리로부터 z/3만큼 떨어진 위치에 편심 스트럿을 설치하여 프레임의 전단파괴 발생 여부를 검사하도록 하였다. 이는 중심 스트럿모델의 경우 기둥과 보의 접합부로 스트럿이 연결되어 프레임의 파괴를 모사하지 못하므로 이를 보완하기 위해서이다. Fig.

제안 방법

2의 (a)와 같은 중심스트럿 모델과 함께 Fig. 2의 (b)와 같이 프레임의 모서리로부터 z/3만큼 떨어진 위치에 편심 스트럿을 설치하여 프레임의 전단파괴 발생 여부를 검사하도록 하였다. 이는 중심 스트럿모델의 경우 기둥과 보의 접합부로 스트럿이 연결되어 프레임의 파괴를 모사하지 못하므로 이를 보완하기 위해서이다.
본 연구에서는 재료특성의 변동과 함께 다양한 등가스트럿 모델에 의한 해석결과의 차이를 분석하고자 하였다. Table 8은 본 연구에서 사용된 해석의 케이스를 정리한 표로서 재료특성과 함께 각 스트럿모델 제안식에 따른 스트럿의 폭과 강도, 편심스트럿모델의 경우 접촉길이(이격거리)를 정리하였다. Crisafulli[6]의 모델에 적용할 스트럿의 너비 제안식 중 Dawe and Seah[20]의 제안식의 경우 보의 강성이 고려되나 본 해석모델에서는 가력보와 일체화시킨 실험 시의상황을 그대로 모사하기 위해 상부보를 강체로 모델링하였으므로 적용할 수 없어 제외하고 Bertoldi et al.
Crisafulli[6]의 모델은 Bertoldi et al.[21]의 스트럿 너비가 적용된 경우와 FEMA 356[16]의 스트럿 너비가 적용된 경우로 나누어 해석을 수행하였다. 편심스트럿 모델의 경우 FEMA 356[16]과 Crisafulli[6]의 접촉 길이 z가 다르므로 FEMA 356[16]의 편심 스트럿 모델과 Crisafulli[6]의 3-스트럿 모델을 해석케이스에 포함시켜 해석을 수행하였다.
골조의 경우 상단보는 실험 시가력보와 일체화되어 가력된 상황을 고려하여 항복이 일어나지 않는 강체로 모델링 하였으며, 기둥의 경우 실험 시 가력된 축력에 맞게 모멘트강도 및 항복변위를 구하고 한국시설안전공단의 내진성능평가요령에 따라 모델링하였다.
실험체를 모델링하기 위해 우선 주어진 정보로부터 채움벽의 재료특성을 산정하였다. 앞서 살펴본 바와 같이 등가스트럿모델 제안식에서 스트럿의 강도는 주로 조적의 전단강도 및 사인장강도로부터 산정이 되고, 스트럿의 강성은 조적의 탄성계수에 영향을 받으며 이 값은 조적의 압축강도로 산정된다.
본 연구에서는 조적채움벽을 등가의 스트럿으로 치환하여 해석하기 위해 제안된 다양한 등가스트럿모델의 특징을 분석하고자 하였다. 이를 위해 기존의 실험연구에 사용된 1경간 조적채움벽골조를 여러 등가스트럿모델을 사용하여 해석하고 그 결과를 분석하였다. 등가스트럿 모델에서 조적채움벽의 강성과 강도는 조적벽체의 전단강도 및 탄성계수로부터 산정된다.
이상과 같이 다양하게 제시된 등가 스트럿모델의 비교를 위해 단순한 1경간의 조적채움벽골조를 대상으로 제시된 방법에 따라 모델링하고 비선형정적해석을 수행하여 그 결과를 분석하였다. 해석에 사용된 모델은 이정한 등[22]의 실험 연구에서 사용된 비내진 조적조 채움벽 골조 실험체로서 실험체의 규격은 Fig.
조적채움벽의 내진평가를 위해 필요한 재료특성은 조적벽체의 압축강도, 전단강도, 인장강도, 탄성계수, 전단탄성계수 등으로, 이들 값은 벽돌의 압축강도 및 모르터의 압축강도로부터 추정하거나 프리즘이라고 불리는 모르타르를 사용하여 벽돌을 쌓은 조적개체의 시험값으로부터 산정한다.
[21]의 스트럿 너비가 적용된 경우와 FEMA 356[16]의 스트럿 너비가 적용된 경우로 나누어 해석을 수행하였다. 편심스트럿 모델의 경우 FEMA 356[16]과 Crisafulli[6]의 접촉 길이 z가 다르므로 FEMA 356[16]의 편심 스트럿 모델과 Crisafulli[6]의 3-스트럿 모델을 해석케이스에 포함시켜 해석을 수행하였다. Table 7에서 볼 수 있듯이 유사한 조적의 전단강도가 사용되었음에도 불구하고 등가스트럿의 강도는 Table 8에 나타난 바와 같이 상당한 차이를 보인다.
등가스트럿 모델에서 조적채움벽의 강성과 강도는 조적벽체의 전단강도 및 탄성계수로부터 산정된다. 하지만 조적의 재료특성의 경우에도 다양한 수식이 제시되고 있으므로 먼저 재료특성에 관한 제안식을 정리하고 이중 적절하다고 판단되는 수식을 선택하였다.

대상 데이터

4와 같다. 이 실험체에 사용된 콘크리트 압축강도는 20.69 MPa, 콘크리트 벽돌의 압축강도는 23.046 MPa, 모르타르의 압축강도는 21.93 MPa이다. 부재의 철근 배근밑 단면형상은 Table 6과 같으며 실험체의 기둥상부에는 774.
따라서 조적의 전단강도로는 FEMA 356[16]의 기본값과 유사한 값을 보이는 Paulay and Priestley[2]의 제안식을 사용하여 산정하였다. 탄성계수의 경우 FEMA 356[16]의 기본값에 해당하는 4436.58 MPa와 이원호 등[12]의 탄성계수식을 적용한 709.85 MPa, Eurocode 6[15]에 의해 산정된 압축강도에 FEMA 356[16]의 탄성계수식을 사용한 6869.5 MPa를 선택하였다. 해석에 사용된 재료강도의 종류는 Table 7과 같다.
이상과 같이 다양하게 제시된 등가 스트럿모델의 비교를 위해 단순한 1경간의 조적채움벽골조를 대상으로 제시된 방법에 따라 모델링하고 비선형정적해석을 수행하여 그 결과를 분석하였다. 해석에 사용된 모델은 이정한 등[22]의 실험 연구에서 사용된 비내진 조적조 채움벽 골조 실험체로서 실험체의 규격은 Fig. 4와 같다. 이 실험체에 사용된 콘크리트 압축강도는 20.

이론/모형

Crisafulli[6]의 모델에 적용할 스트럿의 너비 제안식 중 Dawe and Seah[20]의 제안식의 경우 보의 강성이 고려되나 본 해석모델에서는 가력보와 일체화시킨 실험 시의상황을 그대로 모사하기 위해 상부보를 강체로 모델링하였으므로 적용할 수 없어 제외하고 Bertoldi et al.[21]의 제안식만을 사용하였다. Stafford Smith[4]와 Dolsek and Fajfar[5]의 모델은 FEMA 356[16]과 동일한 수식을 사용하므로 제외하였다.
하지만 이원호 등이나 Masonry Designers’ Guide[18]에 의해 조적의 전단강도를 산정할 경우는 식 (5)~(7)에 제시된 Stafford Smith[4]의 각 파괴모드시의 전단강도를 산정해본 결과 조적의 압축강도에 비해 전단강도가 높아 수평 줄눈 미끄러짐 파괴가 아닌 결과가 나타나 실험체의 실험결과와 일치하지 않음을 알 수 있다. 따라서 조적의 전단강도로는 FEMA 356[16]의 기본값과 유사한 값을 보이는 Paulay and Priestley[2]의 제안식을 사용하여 산정하였다. 탄성계수의 경우 FEMA 356[16]의 기본값에 해당하는 4436.
Dolsek and Fajfar[5]은 실험을 통해 등가스트럿의 강성과 강도식을 검토하였다. 실험결과로부터 채움벽의 초기강성으로는 Stafford Smith[4]가 제안한 식 (4)로부터 유도된 식 (10)을 사용하며, 조적채움벽의 최대강도로는 식 (11)을 사용할 경우 실험결과와 일치함을 확인하였다.
예를 들어 C종 2급 콘크리트벽돌과 1:3 배합비의 모르타르가 사용된 경우 각 수식에 따른 조적물성치는 Table 4와 같다. 이때 벽돌의 강도는 KS F4004[7]에서 규정된 강도인 8.04MPa를 공칭강도로 보고 여기에 공칭강도와 평균강도를 보정하기 위한 계수로 ASCE 41[19]에서 사용하고 있는 계수인 1.3을 곱한 값인 10.45MPa를 사용하였으며, 모르타르의 강도는 이원호 등[12]의 수식에 의해 산정하였다. 표에서 볼 수 있듯이 조적조의 평균압축강도 f′_m의 경우 최저 3.

성능/효과

강도 측면에서 봤을 때 순수 골조에 비해 중심스트럿모델은 153%에서 271%정도로 최대강도가 증가하였으며 최대강도시의 변위는 순수골조의 77%에서 105% 정도 수준이다. 또한 편심스트럿모델의 경우 최대강도는 순수골조의 59%에서 210%정도, 변위의 경우 순수골조의 9%에서 59%정도로 일부는 순수골조의 최대강도에도 미치지 못하는 경우가 발생하였다.
동일한 재료와 스트럿의 너비산정식을 사용하되 중심스트럿으로 모델링된 경우와 편심스트럿으로 모델링된 경우를 비교해 보면, 모든 경우 최대강도가 낮으며 최대강도시의 변위도 작아 구조물이 초기에 파괴되는 것으로 나타났다. 특히, FEMA 356[16]에서 제시하는 편심스트럿의 모델링절차에 따라 해석을 수행한 E1-1, E1-2, E1-3의 경우 순수골조의 최대하중보다도 낮은 강도를 보여 너무 보수적으로 평가하는 경향이 있는 것으로 판단된다.
이정한 등[22]의 실험에서는 채움벽에 균열이 발생한 후 최종적으로 기둥의 전단균열이 심해짐과 동시에 조적채움벽체의 균열 폭이 늘어나며 취성적인 거동을 나타내었다. 따라서 해석 모델의 파괴모드가 등가 스트럿의 항복 이후 기둥의 전단파괴와 등가 스트럿의 파괴가 같이 일어나는 경우에 등가 스트럿 모델이 조적채움벽을 가장 잘 모사했다고 할 수 있다.
실험결과와 비교하여 볼 때 파괴모드와 최대강도, 최대강도시의 변위를 모두 유사하게 산정한 모델은 없었으나 최대강도 및 변위의 측면에서 가장 근사한 결과를 나타내는 해석모델은 이원호 등[12]의 재료강도식과 FEMA 356[16]의 중심스트럿모델을 사용한 경우였다. 보수적인 평가를 위해 선택될 수 있는 가장 합리적인 모델은 FEMA 356[16]의 기본재료강도와 FEMA 356[16]의 중심스트럿모델로 판단된다.
실험결과 조적채움벽은 대각사인장 균열 및 중앙의 수평 줄눈 미끄러짐으로 파괴되었으며, 이후 최대강도 620.24 kN, 횡변위 35mm 정도에서 최종적으로 기둥 상부에 전단 균열이 발생하면서 파괴되었다.
해석결과는 재료강도 및 사용된 스트럿모델에 따라 아주 큰 편차를 나타내었다. 실험결과와 비교하여 볼 때 파괴모드와 최대강도, 최대강도시의 변위를 모두 유사하게 산정한 모델은 없었으나 최대강도 및 변위의 측면에서 가장 근사한 결과를 나타내는 해석모델은 이원호 등[12]의 재료강도식과 FEMA 356[16]의 중심스트럿모델을 사용한 경우였다. 보수적인 평가를 위해 선택될 수 있는 가장 합리적인 모델은 FEMA 356[16]의 기본재료강도와 FEMA 356[16]의 중심스트럿모델로 판단된다.
또한 이원호 등[12]의 조적조 탄성계수에 대한 제안식이 사용된 C1-2, C2-2, C3-2의 결과에서는 채움벽의 항복과 파괴가 높은 하중단계에서 일어남을 알 수 있었다. 실험체의 파괴 형상을 가장 잘 모사한 모델은 스트럿의 파괴와 기둥의 파괴 시점이 가장 가까운C3-1이며, C1-1, C1-3, C2-1, C3-3의 경우에서도 실험체의 파괴 형상을 잘 모사한 것으로 보인다.
[21]의 접촉거리식을 적용한 E2-2의 경우가 실험결과와 최대강도의 면에서 가장 근사한 결과를 나타내었다. 하지만 다른 편심스트럿모델의 경우와 같이 최대강도시의 변위는 실험결과의 47%로 크게 과소평가하는 것으로 나타났다.
참고로 이정한 등[22]의 실험결과 강도의 증가율은 240% 정도였으며, 그 시점의 변위는 63%정도로 감소하였다. 해석 결과를 볼 때 이원호 등[12]의 재료강도식과 FEMA 356[16]의 중심스트럿모델을 사용한 C2-2의 경우가 실험결과 와 가장 근사한 결과를 나타내었다. 하지만, C2-2의 경우 최대강도를 과대평가하고 있으므로 실험시의 최대강도를 초과하지 않으면서 가장 유사한 결과는 나타내는 C1-3이 실제 채움벽의 평가시에 사용될 수 있는 합리적인 모델이라고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조적채움벽은 어떤 인식이었는가?	건물의 칸막이나 외벽의 치장을 위해 이용되는 조적채움벽은 내진설계시 비구조재로 인식되어 하중으로서만 고려되어 왔다. 그러나 실제 지진 시조적채움벽은 하중으로서 뿐만 아니라 구조적으로도 전체 구조물의 강성, 강도 및 변형능력에 상당한 영향을 미친다.
	건물의 칸막이나 외벽의 치장을 위해 이용되는 조적채움벽은 실제 지진시 구조적으로 어떤 영향을 미치는가?	건물의 칸막이나 외벽의 치장을 위해 이용되는 조적채움벽은 내진설계시 비구조재로 인식되어 하중으로서만 고려되어 왔다. 그러나 실제 지진 시조적채움벽은 하중으로서 뿐만 아니라 구조적으로도 전체 구조물의 강성, 강도 및 변형능력에 상당한 영향을 미친다. 또한 조적채움벽에 개구부가 있는 경우 기둥의 유효길이를 감소시키는 단주효과로 인해 기둥의 전단파괴를 일으키는 등 전체 건물의 지진응답에 큰 영향을 준다. 따라서 구조물의 정확한 내진성능평가를 위해서는 조적채움벽의 영향을 고려해야만 한다.
	구조물의 정확한 내진성능평가를 위해서 고려해야 하는 것은 무엇인가?	또한 조적채움벽에 개구부가 있는 경우 기둥의 유효길이를 감소시키는 단주효과로 인해 기둥의 전단파괴를 일으키는 등 전체 건물의 지진응답에 큰 영향을 준다. 따라서 구조물의 정확한 내진성능평가를 위해서는 조적채움벽의 영향을 고려해야만 한다.

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표제어: PCR

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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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