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문제 정의
- 5%로 나타났다. 따라서 국내 연결보에서 요구되는 변형능력은 약 2.5% 정도의 수준일 것으로 예상되며, 향후 실험결과 분석에서는 이러한 관점에서 연결보의 변형능력을 검토해 보고자 한다.
- 또한 천영수 등(2012)에 따르면 현재의 KBC2009에서는 대각선방향의 다발철근이 모든 전단력과 휨을 부담하도록 설계하고 있으나 실험결과 벽체 내로 단부 정착된 휨 보강근과 연결보 내에 배근된 스터럽이 일부 휨과 전단에 기여할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 대각철근의 상세를 단순화하기 위한 방안으로 휨 보강근과 연결보의 스터럽(전단보강근)을 최대한 활용하여 대각선 방향의 보강근 자체를 완전히 제거하는 방안을 함께 제안하였다.
- 선행 연구결과들을 종합해 볼 때, 연결보 전체의 횡구속성능개선과 내부 철근의 대구경화 그리고 강재와의 합성 등을 통하여 시공성 개선이 가능할 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 보 전체를 횡 구속하고, 내부 대각선다발철근의 배근상세를 단순화한 실용적인 상세를 제시하고, 그 내진성능을 실험을 통하여 검증함으로서 특수전단벽 연결보의 현장적용 시 어려움을 해결할 수 있는 대안마련을 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 이러한 사실들에 근거하여 연결보의 콘크리트 구속방법을 기존의 대각선다발철근 보강에서와 같이 대각방향의 철근을 기둥식으로 보강하는 대신 연결보 전체를 횡구속하는 방식을 채용하는 것으로 하여 그림 1과 같이 4가지 대체상세(안)을 제안하고자 한다. 이 때 횡구속을 위한 스터럽은 기존 상세와 동일하게 135º갈고리를 갖는 폐쇄형 스터럽으로 하고, 연결철근(tie)은 양단부에 헤드바를 채용하거나 한쪽 단부는 헤드바를 다른 쪽 단부는 135º 갈고리를 갖는 형태로 제안하고자 한다.
제안 방법
- 실험체는 그림 2에 나타낸 바와 같이 가력이 용이하도록 수평상태의 실험체를 90°회전시켜 설치하였으며, 먼저 실험체 하부 벽체를 고정하기 위하여 하부 벽체 양 옆에 고정프레임을 설치하고 볼트를 이용하여 하부 벽체가 움직이지 않도록 고정하였으며, 연결보의 면외 좌굴현상을 방지하기 위하여 상부 벽체의 중심에 볼 지그를 설치하였다. 또한 상부 벽체에 가력프레임을 설치하고 1,000kN 용량의 엑츄에이터(actuator)를 연결보 중심축 위치에 설치하여 연결보에 복곡률이 도입되면서 점증가력이 가능하도록 하였다.
- 본 연구에서는 현행 건축구조기준(KBC2009)에서 정하고 있는 복잡한 특수전단벽 연결보의 배근 상세를 대체할 수 있는 상세를 제안하고 실물실험(full scale)을 통하여 내진성능을 검토하였으며, 실험결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
- 실험체는 그림 2에 나타낸 바와 같이 가력이 용이하도록 수평상태의 실험체를 90°회전시켜 설치하였으며, 먼저 실험체 하부 벽체를 고정하기 위하여 하부 벽체 양 옆에 고정프레임을 설치하고 볼트를 이용하여 하부 벽체가 움직이지 않도록 고정하였으며, 연결보의 면외 좌굴현상을 방지하기 위하여 상부 벽체의 중심에 볼 지그를 설치하였다.
- 표 1과 그림 4에 실험체 일람표 및 실험체의 배근상세를 나타내었다. 실험체는 대각방향의 보강방법, 횡 구속 방법, 그리고 연결보와 벽체 접합부의 배근 방법을 주 변수로 하여, 현행 건축구조기준(KBC2009)에 의한 상세(CA)를 지닌 실험체를 비교 기준 실험체로서 계획하였으며, 기준 실험체와 유사한 설계개념을 갖고 CA상세의 대각선다발철근을 ㄱ자형 앵글로 대체한 상세(SA), 그리고 휨보강근과 스터럽의 기여도를 반영하여 깊은 보의 설계개념을 도입한 상세(SB1, SB2,SB3)로 구분하여 총 5개의 실험체를 계획하였다.
- 5를 기준으로 설정하고 실물크기(full scale)로 계획하였다. 실험체는 실험실 옆 야적공간에서 제작하였으며, 계획된 배근도에 따라 철근을 선 조립하고, 플라스틱 스페이서와 몰탈 스페이서를 사용하여 최소 피복두께를 확보할 수 있도록 거푸집 내에 배치하였다. 콘크리트는 레미콘을 사용하였으며, 타설 중 바이브레이터를 사용하여 콘크리트가 고르게 충진되도록 하였다.
- 실험체의 가력은 0.16Vy(Vy : 예상 항복하중)까지는 1 사이클씩 하중제어방식으로 가력하였으며, 이후에는 변위제어에 의하여 2 사이클씩 점증 가력하였다. 변위제어는 실험체 상·하부에 설치한 변위계로 측정된 상대 변위량에 따라 제어하였으며, 그림 3에 적용된 하중이력을 나타내었다.
- 실험체의 형상은 연결보와 양단부 벽체를 함께 모델링하였으며, 실험체의 크기는 현행 기준에 의한 세장비 구분 규정과 기 시공된 아파트의 평면분석을 토대로 l/h =1.5를 기준으로 설정하고 실물크기(full scale)로 계획하였다.
- 이 때 횡구속을 위한 스터럽은 기존 상세와 동일하게 135º갈고리를 갖는 폐쇄형 스터럽으로 하고, 연결철근(tie)은 양단부에 헤드바를 채용하거나 한쪽 단부는 헤드바를 다른 쪽 단부는 135º 갈고리를 갖는 형태로 제안하고자 한다.
- 콘크리트는 레미콘을 사용하였으며, 타설 중 바이브레이터를 사용하여 콘크리트가 고르게 충진되도록 하였다. 타설 후 콘크리트의 건조수축을 방지하기 위하여 습윤포를 덮어 양생하였다.
대상 데이터
- 콘크리트 압축강도 시험용 공시체는 KS F 2403에 따라 실험체 타설과 동시 제작하였으며, 실험체와 동일한 조건 하에서 현장 양생하였다. 압축강도는 재령 28일 강도를 KS F2408에 준하여 측정하였으며, 시험장비는 2000kN 만능재료시험기(Universal Test Machine, UTM)를 사용하였다.
- 실험체는 실험실 옆 야적공간에서 제작하였으며, 계획된 배근도에 따라 철근을 선 조립하고, 플라스틱 스페이서와 몰탈 스페이서를 사용하여 최소 피복두께를 확보할 수 있도록 거푸집 내에 배치하였다. 콘크리트는 레미콘을 사용하였으며, 타설 중 바이브레이터를 사용하여 콘크리트가 고르게 충진되도록 하였다. 타설 후 콘크리트의 건조수축을 방지하기 위하여 습윤포를 덮어 양생하였다.
데이터처리
- 압축강도는 재령 28일 강도를 KS F2408에 준하여 측정하였으며, 시험장비는 2000kN 만능재료시험기(Universal Test Machine, UTM)를 사용하였다. 콘크리트 압축강도는 3개 공시체의 시험으로부터 얻은 결과를 평균값으로 구하였다(표 2 참조).
이론/모형
- 실험체 제작에 사용된 철근의 재료시험은 KS B 0801에 따라 시험편을 제작하고 KS B 0802에 따라 시험을 실시하였으며, 시험결과는 표 3과 같다.
- 콘크리트 압축강도 시험용 공시체는 KS F 2403에 따라 실험체 타설과 동시 제작하였으며, 실험체와 동일한 조건 하에서 현장 양생하였다. 압축강도는 재령 28일 강도를 KS F2408에 준하여 측정하였으며, 시험장비는 2000kN 만능재료시험기(Universal Test Machine, UTM)를 사용하였다. 콘크리트 압축강도는 3개 공시체의 시험으로부터 얻은 결과를 평균값으로 구하였다(표 2 참조).
성능/효과
- 1. 깊은 보와 유사한 설계개념에 의해 수평, 수직방향으로 철근을 보강한 상세를 갖는 SB1, SB2, SB3(각각 그림 1(a), (b), (c))실험체의 경우, 대각선다발철근상세로 보강된 CA실험체(기준실험체)와 비교하여 낮은 에너지소산능력과 변형능력을 보이는 것으로 나타났다. 또한 내력 측면에서도 비록 설계강도를 상회하고는 있지만 대각보강상세와 비교하여 낮은 것으로 나타났다.
- 0%) 변위제어 이력단계에서 연결보의 우측 상단부 영역에서 균열이 증가되는 양상을 나타내었다. 19.71mm(1.4%) 변위제어 이력단계에서 다수의 수평철근이 항복하였고, 하중이 증가됨에 따라 균열의 폭이 급속하게 증가되었으며, 최종적으로 30.98mm(2.2%)변위제어 이력단계에서 연결보의 상단부 콘크리트의 피복이 박리되면서 취성적으로 파괴되는 양상을 나타내었다.
- 53kN에서 대각선 철근이 항복한 후 균열이 전반에 걸쳐 분포하는 양상을 나타내었다. 19.71mm(1.4%) 변위제어 이력단계의 부(-)가력시 균열이 급격하게 증가되었으며, 25.34mm(1.8%) 변위제어 이력단계에서 연결보 우측 상부에 콘크리트 박리가 발생하였다. 최종적으로 30.
- 2. 연결보 내부는 대각방향으로 그리고 벽체 내에는 수평방향으로 정착한 앵글형 대각보강 상세를 지닌 SA(그림 1(d))실험체는 현행 건축구조기준의 대각선다발철근 상세로 보강된 CA실험체와 비교하여 에너지소산성능은 다소 낮게 측정되었으나 약 4% 정도의 변형능력을 보유한 것으로 나타나 변형능력은 거의 유사한 것으로 판단된다. 에너지소산능력이 낮게 측정된 것은 대각선방향의 보강인 앵글의 설계강도가 대각선다발철근의 강도보다 낮게 설계된 것에 기인한 것으로 향후 강도를 높이고 벽체와의 경계인 용접연결부에서 취성파괴를 방지하도록 하는 방안이 강구된다면 기준 실험체와 유사한 변형능력과 에너지소산능력을 지닌 상세로서 사용 가능한 것으로 사료된다.
- 2%) 변위제어 이력단계의 정(+)가력 시 연결보 상하부 모서리에 초기 수평균열이 발생하였으며, 하중이 증가됨에 따라 수평균열이 단부에서 중앙부로 발전되면서 사인장 균열로 진전되는 양상이 나타났다. 8.45mm(0.6%) 변위제어 이력단계의 664.53kN에서 대각선 철근이 항복한 후 균열이 전반에 걸쳐 분포하는 양상을 나타내었다. 19.
- SB2실험체의 최대하중은 19.71mm(1.4%) 변위이력 첫 번째 사이클에서 정(+)가력과 부(-)가력 시 각각 888.57 kN과 833.53kN으로 나타났으며, 동일 변위 두 번째 사이클에서 정(+)가력 및 부(-)가력 시 각각의 최대하중은 732.69kN 및 685.95kN으로 첫 번째 사이클 내력에 비해 각각 17.5%,17.7% 강도저하가 발생하였다. 최종 파괴 시 30.
- SB3실험체의 경우는 최대하중이 19.71mm(1.4%) 변위이력 첫 번째 사이클에서 정(+)가력 시 826.38kN과 부(-)가력시 785.77kN으로 나타났으며, 동일 변위 두 번째 사이클에서의 정(+)가력 및 부(-)가력 시 최대하중은 각각 700.14kN 및 678.05kN으로 첫 번째 사이클의 내력에 비해 15.3%와 13.7%의 강도저하가 발생하였다. 또한, 최종 파괴 시 42.
- 19로 유사하게 나타났다. 따라서 제안된 상세를 갖는 실험체들의 강도는 연결보 내에 배근된 휨보강근과 스터럽이 함께 전단에 기여하는 것으로 설계하여도 충분히 안전측의 예측이 가능한 것으로 판단된다.
- 또한 기존 LH 울산 OO지구에 시공된 아파트를 대상으로 0.80 ≤ 0.67(hw/lw)+0.5≤2.5의 조건을 검토한 결과, 요구되는 최대 변형능력(drift)은 약 2.5%로 나타났다.
- m의 범위로 거의 유사한 수치를 나타내었다. 또한, SA는 약 4%정도의 변형능력을 보유하고 있는 것으로 나타나 기준 실험체인 CA와 비교하여 변형능력이 거의 유사하며, 국내 요구수준을 충분히 만족할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 에너지소산능력은 적게 나타났는데 이는 CA 실험체의 다발철근 대각보강근과 동일한 단면적의 강재를 사용하였으나 SS400강재를 사용하여 내력이 낮게 설계된 점에 기인한 결과로서 강도가 무차원화된 이력을 토대로 비교하여 거의 유사한 에너지소산능력을 보유하고 있는 것을 알 수 있다, 따라서 향후 고강도 강재를 사용하여 설계내력을 동일하게 가져간다면 CA 실험체와 유사한 연성능력과 에너지소산능력을 나타내게 될 것으로 판단된다.
- 7%의 강도저하가 발생하였다. 또한, 최종 파괴 시 42.24mm(3.0%)변위이력 단계에서 정(+)가력 및 부(-)가력 시 최대하중은 각각 514.92kN 및 408.22kN으로 내력이 감소하여 나타났으며, 최대하중의 각각 약 0.6배 및 0.5배의 강도를 나타내었다.
- CA실험체의 경우 연성적인 거동을 보이고 있으며, 약 4%의 변형능력(drift)을 보유하고 있는 것으로 나타나 국내 요구수준의 변형능력을 충분히 확보할 수 있는 것으로 판단된다. 반면, SB1, SB2, SB3실험체의 경우에는 SB1와 SB3실험체가 SB2실험체보다 다소 연성적인 거동을 나타내고 있기는 하나 기준 실험체인 CA에 비하여 크게 떨어지는 변형능력과 강도를 보유하고 있는 것으로 나타났다. 이들 실험체의 변형능력(drift)은 약 2% 수준으로 기존 대각선다발철근 보강상세를 지닌 연결보의 대체상세로서는 적용이 어려우나 일정 수준이상의 변형능력은 보유하고 있는 것으로 나타나 향후 성능설계 적용 시에는 활용이 가능한 것으로 판단된다.
- 반면, SB1, SB2, SB3실험체의 경우에는 SB1와 SB3실험체가 SB2실험체보다 다소 연성적인 거동을 나타내고 있기는 하나 기준 실험체인 CA에 비하여 크게 떨어지는 변형능력과 강도를 보유하고 있는 것으로 나타났다. 이들 실험체의 변형능력(drift)은 약 2% 수준으로 기존 대각선다발철근 보강상세를 지닌 연결보의 대체상세로서는 적용이 어려우나 일정 수준이상의 변형능력은 보유하고 있는 것으로 나타나 향후 성능설계 적용 시에는 활용이 가능한 것으로 판단된다. SB1과 SB2의 누적 에너지소산양은 최종파괴 시 74.
- 2% 강도저하가 발생하였다. 최종 가력 시 30.97mm(2.2%)변위이력에서 정(+)가력 및 부(-)가력의 최대하중은 각각 761.43kN 및 660.46kN으로 내력이 감소하여 나타났다.
- 7% 강도저하가 발생하였다. 최종 파괴 시 30.97mm(2.2%)변위이력 단계에서 정(+)가력 및 부(+)가력의 최대하중은 각각 439.15kN 및 331.07kN으로 내력이 현저히 감소하였으며, 최대하중의 각각 약 0.5배 및 0.4배의 강도를 나타내었다.
- 4% 강도저하가 발생하였다. 최종 파괴 시 42.24mm(3.0%) 변위이력 단계를 정(+)가력 진행 중에34.27mm 변위에서 최대하중이 453.97kN으로 나타났으며,30.98mm(2.2%) 변위이력 단계에서 부(-)가력 시 최대하중은 574.08kN으로 내력이 감소하였다. 최대하중의 약 0.
- 8%) 변위제어 이력단계에서 연결보 우측 상부에 콘크리트 박리가 발생하였다. 최종적으로 30.98mm (2.2%) 변위제어 이력단계에서 연결보의 수평균열 폭의 증가와 콘크리트의 피복이 발생하였으며 연성적인 거동을 보이는 휨 파괴 양상을 나타내었다.
- 최종적으로 42.24mm(3.0%) 변위제어 이력단계에서 연결보의 상·하부 콘크리트가 탈락되면서 취성적인 파괴 양상을 나타내었다.
- 이후 하중이 증가함에 따라 상하부에 수평균열이 연결보의 경계면에 따라 진전되었으며 연결보 1중앙부에 경사균열이 발생하였다. 최종적으로 70.4mm(5%)변위제어 이력단계까지 가력 후 실험이 종료되었으며, 연결보 상하부의 경계면의 수평균열의 폭이 더욱 증가되고, 콘크리트가 탈락되면서 휨 파괴 양상을 나타내었다.
- 하중이 증가됨에 따라 철근이 다수 항복되면서 균열의 폭이 증가되었다. 최종적으로는 30.98mm(2.2%)변위제어 이력단계에서는 연결보의 중앙부에서 콘크리트의 피복이 일부 박리되면서 취성적으로 최종 파괴되는 양상을 나타내었다.
- 9kN으로 첫 번째 사이클에 비해 각각 16%, 11% 강도저하가 발생했다. 최종파괴 시 56.32mm (4.0%) 변위이력 최대하중은 정(+)가력 시 426.59kN이며, 부(-)가력 시 396.08kN으로 나타났으며, 최대하중의 각각 약 0.8배, 0.7배의 강도를 나타내었다.
- 하중이 증가됨에 따라 다수의 철근이 항복하였고, 14.08mm(1.0%) 변위제어 이력단계에서 정(+)가력 및 부(-)가력 시 경사균열의 폭이 증가되었으며, 연결보의 상·하부 부근에서 콘크리트 피복이 박리되는 양상을 나타내었다.
후속연구
- 따라서 동 상세들은 현행 건축구조기준(KBC2009)에서 정하고 있는 대각선다발철근의 특수전단벽 연결보 상세를 직접적으로 대체하기는 어려운 것으로 판단된다. 단, 이들 보는 보와 벽체의 경계부에서 소성힌지가 형성되었고, 약 2%의 변형능력을 보유하고 있는 것으로 나타나 향후 성능설계등에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 선행 연구결과들을 종합해 볼 때, 연결보 전체의 횡구속성능개선과 내부 철근의 대구경화 그리고 강재와의 합성 등을 통하여 시공성 개선이 가능할 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 보 전체를 횡 구속하고, 내부 대각선다발철근의 배근상세를 단순화한 실용적인 상세를 제시하고, 그 내진성능을 실험을 통하여 검증함으로서 특수전단벽 연결보의 현장적용 시 어려움을 해결할 수 있는 대안마련을 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
- 연결보 내부는 대각방향으로 그리고 벽체 내에는 수평방향으로 정착한 앵글형 대각보강 상세를 지닌 SA(그림 1(d))실험체는 현행 건축구조기준의 대각선다발철근 상세로 보강된 CA실험체와 비교하여 에너지소산성능은 다소 낮게 측정되었으나 약 4% 정도의 변형능력을 보유한 것으로 나타나 변형능력은 거의 유사한 것으로 판단된다. 에너지소산능력이 낮게 측정된 것은 대각선방향의 보강인 앵글의 설계강도가 대각선다발철근의 강도보다 낮게 설계된 것에 기인한 것으로 향후 강도를 높이고 벽체와의 경계인 용접연결부에서 취성파괴를 방지하도록 하는 방안이 강구된다면 기준 실험체와 유사한 변형능력과 에너지소산능력을 지닌 상세로서 사용 가능한 것으로 사료된다.
- 또한, SA는 약 4%정도의 변형능력을 보유하고 있는 것으로 나타나 기준 실험체인 CA와 비교하여 변형능력이 거의 유사하며, 국내 요구수준을 충분히 만족할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 에너지소산능력은 적게 나타났는데 이는 CA 실험체의 다발철근 대각보강근과 동일한 단면적의 강재를 사용하였으나 SS400강재를 사용하여 내력이 낮게 설계된 점에 기인한 결과로서 강도가 무차원화된 이력을 토대로 비교하여 거의 유사한 에너지소산능력을 보유하고 있는 것을 알 수 있다, 따라서 향후 고강도 강재를 사용하여 설계내력을 동일하게 가져간다면 CA 실험체와 유사한 연성능력과 에너지소산능력을 나타내게 될 것으로 판단된다.
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