[논문]조적채움벽의 전단강도에 따른 채움벽골조의 내진성능

유은종; 김민재; 이상현; 김충만

doi:10.5000/eesk.2015.19.4.173

조적채움벽의 전단강도에 따른 채움벽골조의 내진성능
Relation between Shear Strength of Masonry infills and Seismic Performance of Masonry-infilled Frames 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.19 no.4, 2015년, pp.173 - 181

유은종 (한양대학교 건축공학과) , 김민재 (한양대학교 건축공학과) , 이상현 (한양대학교 건축공학과) , 김충만 (한양대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, material tests were performed on the masonry specimens constructed with bricks and mortar used in Korea. The specimens included two types of thickness(0.5B and 1.0B) and physical conditions (good and poor). It was shown that 1.0B specimens have 3.2~1.8 times larger shear strength than 0.5B specimens and shear strength of specimens in poor condition was 66%~38% of those in good condition. Average shear stress of masonry-infills was calculated from previous experimental studies, and relationships with failure mode, material strength of masonry, aspect ratio, and frame-to-infill strength ratio were investigated. In addition, the effects of masonry strength on the seismic performance of a masonry-infilled frame was studied using a simple example building. It can be seen that the obtained average shear stress were considerably higher than the default masonry shear strength recommended by the ASCE 41, and low values the strength of masonry does not guarantee conservative evaluation results due to the early shear failure of frame members.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

0B 조적의 쌓기방법은 상이하다. 따라서 본 연구에서는 쌓기방법에 따른 영향을 규명하기 위해 0.5B와 1.0B 두 종류의 시험체를 제작하였으며, 또한 과거와 같이 시공정밀도가 높지 않게 제작되었던 채움벽의 강도 파악을 목적으로 모르타르의 채움상태가 좋은 경우와 나쁜 경우 두 종류로 나누어 시편을 제작하였다.
본 연구에서는 국내 조적조의 재료특성에 관한 자료축적을 위해 국내에서 사용되는 벽돌개체를 사용한 경우에 대해 압축강도, 사인장전단강도, 부착강도에 대한 재료시험을 실시하였다. 이때 모르타르의 채움상태가 좋지 않은 경우 및 채움벽의 두께를 다르게 한 경우를 포함하여 이들에 의한 경향을 파악하였다.
또한 국내의 조적조는 외국과 상이한 조적개체를 사용하여 제작되므로 외국에서 제시된 재료특성치의 기본값을 그대로 사용할 수는 없다. 본 연구에서는 국내에서 사용되는 조적채움벽의 재료특성의 규명을 위해 국내에서 내부칸막이벽으로 사용되는 콘크리트벽돌과 외부칸막이벽의 일부로 사용되는 점토벽돌을 사용한 조적 프리즘으로부터 압축강도, 사인장 전단강도, 부착강도를 구하기 위한 재료 시험을 실시하였다. 일반적으로 채움벽의 강도는 벽의 두께와 상관없이 일정하다고 가정하지만 실제 0.

가설 설정

또한 식 (5)의 대각인장파괴 산정 시 축응력 fa는 채움벽이므로 없다고 가정하였다.
이때 식 (3)과 식(4)의 압축력이 작용하지 않을 때의 모르타르의 부착강도는 FEMA 306[2]에서 제안한 바와 같이 0.25f′m을 사용하였으며 마찰계수는 0.9로 가정하였다.

제안 방법

Fig. 1 (a)는 채움상태가 나쁜 시편의 제작방법을 나타낸 것으로 채움정도가 균일한 시편을 제작하기 위해 틀을 이용하여 벽돌면적의 50%에만 모르타르가 채워지도록 하였다. 프리즘 압축강도시험은 ASTM C1314[12]의 절차에 따라 실시하였다.
또한 조적채움벽 골조에 대한 기존 실험연구로부터 채움벽에 의한 강도 증가분을 조적채움벽이 부담하는 평균전단강도의 형태로 산정하고 파괴모드, 조적프리즘의 강도, 채움벽의 변장비, 골조와 채움벽의 강도비 등의 영향인자와의 관계를 분석하였다. 이후 간단한 예제건물을 사용하여 조적채움벽의 평균전단강도가 전체구조물의 내진성능에 미치는 영향을 분석하였다.
이때 모르타르의 채움상태가 좋지 않은 경우 및 채움벽의 두께를 다르게 한 경우를 포함하여 이들에 의한 경향을 파악하였다. 또한 조적채움벽 골조에 대한 기존 실험연구로부터 채움벽에 의한 강도 증가분을 조적채움벽이 부담하는 평균전단강도의 형태로 산정하고 파괴모드, 조적프리즘의 강도, 채움벽의 변장비, 골조와 채움벽의 강도비 등의 영향인자와의 관계를 분석하였다. 이후 간단한 예제건물을 사용하여 조적채움벽의 평균전단강도가 전체구조물의 내진성능에 미치는 영향을 분석하였다.
BS EN1052-3[9]에서는 프리즘의 압축강도에 따라 횡방향으로 가하는 구속력의 크기를 다르게 하도록 하고 있다. 본 시험에서 콘크리트벽돌의 프리즘 압축 강도가 10 MPa 이하로 나타났으므로 규정에 따라 시험체 좌우에 가하는 구속력을 0.1, 0.3, 0.5 MPa의 세 종류로 하여 실험하였다. 점토벽돌의 경우 프리즘 압축강도 평균이 10.
본 절에서는 간단한 조적채움벽골조 구조물을 대상으로 4절에서 분석한 파괴모드별 평균전단강도의 평균값, 즉 가로줄눈파괴 시 0.33 MPa와 특이치를 제외한 대각파괴시의 전단강도의 평균값 0.60 MPa를 채움벽의 전단강도로 할 경우, 그리고 ASCE41[7]에서 제안된 기본강도 중 재료상태가 나쁨에 해당하는 경우, 즉 전단강도가 0.12 MPa에 해당하는 경우에 대해 비선형정적해석을 실시하고 그 결과를 비교하였다. Fig.
본 절에서는 국내와 국외에서 실시된 조적채움벽골조의 실험문헌을 수집하고 이를 분석하여 조적채움벽으로 인한 강도 증가분을 평균전단강도의 형태로 산정한 후 이를 실험체의 조건 즉, 조적채움벽의 길이-높이비 (L/h), 조적채움벽과 골조의 강도비(β), 실험체에 가해지는 연직하중, 사용된 조적채움벽의 재료 강도 등을 변수로 분석하였다.
본 연구에서는 국내 조적조의 재료특성에 관한 자료축적을 위해 국내에서 사용되는 벽돌개체를 사용한 경우에 대해 압축강도, 사인장전단강도, 부착강도에 대한 재료시험을 실시하였다. 이때 모르타르의 채움상태가 좋지 않은 경우 및 채움벽의 두께를 다르게 한 경우를 포함하여 이들에 의한 경향을 파악하였다. 또한 조적채움벽 골조에 대한 기존 실험연구로부터 채움벽에 의한 강도 증가분을 조적채움벽이 부담하는 평균전단강도의 형태로 산정하고 파괴모드, 조적프리즘의 강도, 채움벽의 변장비, 골조와 채움벽의 강도비 등의 영향인자와의 관계를 분석하였다.
본 연구에서는 국내 조적조의 재료특성에 관한 자료축적을 위해 국내에서 사용되는 벽돌개체를 사용한 경우에 대해 압축강도, 사인장전단강도, 부착강도에 대한 재료시험을 실시하였다. 이때 채움벽의 상태가 좋지 않은 경우 및 채움벽의 두께를 다르게 한 경우를 포함하여 이들에 의한 경향을 파악하였다. 시험결과 모르타르의 채움 상태가 좋지 않을 경우 압축강도는 60%정도로, 사인장전단강도는 66%에서 38%정도로 감소하였다.
또한 조적채움벽 골조에 대한 기존 실험연구로부터 채움벽에 의한 강도 증가분을 조적채움벽이 부담하는 평균전단강도의 형태로 산정하고 파괴모드, 조적프리즘의 강도, 채움벽의 변장비, 골조와 채움벽의 강도비 등의 영향인자와의 관계를 분석하였다. 이후 간단한 예제건물을 사용하여 조적채움벽의 평균전단강도가 전체구조물의 내진성능에 미치는 영향을 분석하였다.
5 MPa의 세 종류로 하여 실험하였다. 점토벽돌의 경우 프리즘 압축강도 평균이 10.98 MPa로 나타났으나 10 MPa를 크게 벗어나지 않아 콘크리트벽돌의 경우와 동일한 구속력을 가하여 시험을 수행하였다. 부착강도는 구속력을 다르게 한 경우 시험결과를 선형회귀분석을 수행하여 얻어진 수식에 구속력을 0으로 놓은 경우의 강도에 해당한다.

대상 데이터

본 절에서는 국내와 국외에서 실시된 조적채움벽골조의 실험문헌을 수집하고 이를 분석하여 조적채움벽으로 인한 강도 증가분을 평균전단강도의 형태로 산정한 후 이를 실험체의 조건 즉, 조적채움벽의 길이-높이비 (L/h), 조적채움벽과 골조의 강도비(β), 실험체에 가해지는 연직하중, 사용된 조적채움벽의 재료 강도 등을 변수로 분석하였다. 문헌조사를 통해 수집된 실험논문 중 철근 콘크리트 골조와 골조 안에 조적이 완전히 채워진 조적 채움벽을 가지고 있는 경우만을 대상으로 하였다. Table 4는 분석에 사용된 실험체를 나타낸 것으로 순수골조(Bare Frame)실험시의 최대강도 (V_max of BF), 채움벽골조 (Infilled Frame)의 최대강도(V_max of IF), 조적 프리즘의 압축강도(f′_m), 골조와 채움벽의 강도비(β=V_f/V_m), 길이-높이비(L_m/H_m), 파괴모드, 그리고 계산된 평균전단응력(T_aeg)을 나타낸다.
0B 두께의 채움벽을 가지고 있다. 본 연구에서는 채움벽의 강도에 따른 영향을 분석하는 것이 목적이므로 단변방향만을 대상으로 하였다. 예제건물은 2층으로 각층의 층고는 3.
1 (c)와 같이 벽돌 6켜를 쌓은 400 mm X 400 mm의 시험체를 대각선 방향으로 가력하여 시험하였다. 시험체는 0.5B, 1.0B의 두 종류의 두께, 모르타르의 상태에 따라 밀실하게 채워진 경우와 50%만 채워진 경우로 나눠진다. 이때 0.
본 연구에서는 채움벽의 강도에 따른 영향을 분석하는 것이 목적이므로 단변방향만을 대상으로 하였다. 예제건물은 2층으로 각층의 층고는 3.3 m이며 철근콘크리트 골조의 기둥과 보 단면의 크기 및 배근은 Table 5와 같다.
5는 해석에 사용된 조적채움벽 골조로서 표준설계도면에 의해 건설된 소규모 학교건물이다. 이 건물은 장변방향으로는 창호와 허리벽이 있으며 단면방향으로는 양단부와 중앙의 3곳의 라인을 따라 길이 7.5 m인 1.0B 두께의 채움벽을 가지고 있다. 본 연구에서는 채움벽의 강도에 따른 영향을 분석하는 것이 목적이므로 단변방향만을 대상으로 하였다.
9 MPa를 사용하였다. 평균전단강도가 0.12 MPa인 모델의 경우 압축강도는 ASCE41[7]에서 제시하는 2.73 MPa를 사용하였다.

이론/모형

골조부재 및 등가스트럿의 힌지파라메터, 즉 비선형능력은 부재의 조건에 따라 ASCE41[7]에서 제시하는 값을 사용하였다. 등가스트럿의 비선형 변형능력은 ASCE 41[7]에 Fig.
부착강도 시험은 벽돌과 모르타르 사이의 접착강도를 구하는 시험으로 BS EN 1052-3[9]을 참조하여 Fig. 1 (d)와 같이 수행하였다. BS EN1052-3[9]에서는 프리즘의 압축강도에 따라 횡방향으로 가하는 구속력의 크기를 다르게 하도록 하고 있다.
채움벽은 ASCE41[7]의 등가스트럿을 사용하여 모델링하였다. 조적의 평균전단강도가 0.
1 (a)는 채움상태가 나쁜 시편의 제작방법을 나타낸 것으로 채움정도가 균일한 시편을 제작하기 위해 틀을 이용하여 벽돌면적의 50%에만 모르타르가 채워지도록 하였다. 프리즘 압축강도시험은 ASTM C1314[12]의 절차에 따라 실시하였다. 모르타르 상태가 불량한 시험체의 경우 Fig.

성능/효과

결론적으로 ASCE 41[7]규정을 적용할 경우 채움벽의 강도가 높을수록 초기에 기둥의 전단파괴가 일어나며 그때의 강도 및 변위는 채움벽 강도를 낮게 본 경우에 비해 낮아져 오히려 내진성능에 불리하다. 따라서 채움벽의 강도를 낮게 설정하는 것이 반드시 보수적인 평가라고 볼 수는 없다.
그래프에서 볼 수 있듯이 조적프리즘의 압축강도가 높을수록 높은 평균전단응력을 나타내는 대각파괴(DF)가 발생하며 대체로 골조와 조적채움벽의 강도비인 β값이 낮을수록(골조의 강도가 조적채움벽에 비하여 낮을수록) 조적채움벽의 파괴형상은 대각인장 파괴에 가까워져 전단강도 역시 높은 값을 가지는 것을 알 수 있었다.
8배 정도 증가함을 알 수 있었다. 따라서 평균전단강도에 단순히 조적의 두께를 곱하여 전단강도를 산정하는 기존의 식들로는 이러한 관계를 정확히 반영할 수 없으며 1.0B의 두께를 가진 조적채움벽의 강도는 실제보다 상당히 낮게 평가될 가능성이 있음을 알 수 있었다.
사용된 재료는 국내 조적채움벽에 가장 많이 사용되는 2종 콘크리트벽돌과 치장용 점토벽돌, 시중에 판매되는 일반레미탈을 사용하였으며 이들 조적개체의 재료시험 결과 평균압축강도가 콘크리트벽돌의 경우 11.85 MPa, 점토벽돌의 경우 18.87 MPa, 모르타르 큐빅 시험체의 경우 20.38 MPa로 국내 기준을 만족하는 재료임을 확인하였다. Fig.
이때 채움벽의 상태가 좋지 않은 경우 및 채움벽의 두께를 다르게 한 경우를 포함하여 이들에 의한 경향을 파악하였다. 시험결과 모르타르의 채움 상태가 좋지 않을 경우 압축강도는 60%정도로, 사인장전단강도는 66%에서 38%정도로 감소하였다. 또한 벽돌의 두께를 0.
또한 조적채움벽 골조에 대한 기존 실험연구로부터 채움벽에 의한 강도 증가분을 조적채움벽이 부담하는 평균전단강도의 형태로 산정하고 파괴모드, 조적프리즘의 강도, 채움벽의 변장비, 골조와 채움벽의 강도비 등의 영향인자와의 관계를 분석하였다. 실험체의 파괴모드는 크게 가로줄눈파괴 및 대각 인장/압축파괴로 구분할 때 가로줄눈파괴 시 조적채움벽의 평균전단강도는 0.33 MPa 정도이며 대각파괴 시는 0.60 MPa 정도로 나타나 ASCE41[7]에서 제시하고 있는 기본재료강도보다 상당히 큰 값을 가짐을 볼 수 있었다. 또한 채움벽의 전단강도는 프리즘압축강도의 제곱근, 골조와 조적의 강도비, 채움벽의 변장비 순서로 큰 영향을 받으며 이를 조합한 값인 #L_m/(H_mβ)이 30이하일 경우 가로줄눈파괴가 발생함을 볼 수 있었다.
앞서 기존의 실험결과에 의하면 가로줄눈파괴 시 평균전단강도는 0.333MPa이며 대각파괴의 경우 특이치를 제외한다고 해도 0.607 MPa에 달해 ASCE41[7]에서 상태가 좋은 채움벽의 평균강도로 제안하고 있는 0.246MPa 보다 상당히 큰 값임을 알 수 있다. 더욱이 조적재료시험에 의하면 조적의 두께가 0.
880 MPa로 나타났다. 이중 매우 큰 값을 보이는 5번과 11번의 결과를 제외하더라도 0.607 MPa로 가로줄눈파괴 시의 전단강도의 약 2배에 해당하는 강도 증가가 나타났다.
이러한 관계는 각 요인과 계산된 평균전단 강도사이의 상관계수를 나타낸 Table 5를 통해서도 알 수 있다. 전체적으로 볼 때 조적채움벽의 전단강도에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 조적프리즘 압축강도, 골조-채움벽의 강도비, 형상비의 순서로 나타났다. 또한 압축 강도보다는 압축강도의 제곱근이 더 큰 상관계수를 나타내었다.
채움벽의 파괴모드는 크게 가로줄눈파괴와 대각 인장-압축에 의한 파괴로 나눌 수 있는데, 가로줄눈파괴 시보다 대각인장-압축파괴 시 훨씬 큰 강도 증가를 나타내었다. 즉, 가로줄눈파괴 시 평균전단강도의 평균은 0.333 MPa임에 비해 대각 인장-압축에 의한 파괴 시의 평균치는 0.880 MPa로 나타났다. 이중 매우 큰 값을 보이는 5번과 11번의 결과를 제외하더라도 0.
하지만 이는 어느 정도 채움벽 골조의 내진평가를 위해 사용되는 현행 해석방법의 한계에 기인한 것으로 볼 수 있다. 즉, 채움벽 골조의 실험결과에서는 채움벽의 강도에 따라 기둥의 전단파괴도 발생하나 순수골조에 비해 최대강도는 증가한다. 그러나 채움벽을 하나의 등가스트럿으로 치환하여 중심가새골조와 같이 모델링할 경우 골조의 전단파괴 모사가 불가능할 뿐 아니라 부재별 응력분포도 실제와 큰 차이를 보이는 것으로 보고되고 있다[29].
간단한 예제건물을 사용하여 조적채움벽의 전단강도가 전체구조물의 내진성능에 미치는 영향을 분석하였다. 채움벽을 중심가새와 같은 형태의 스트럿으로 모델링하고 비선형 해석을 수행한 후 ASCE41[7]의 규정에 따라 기둥의 전단파괴를 검토한 결과 채움벽의 강도가 높을수록 초기에 기둥의 전단파괴가 발생하여 내진성능이 나빠지므로 채움벽의 강도를 낮게 설정하는 것이 반드시 보수적인 평가로 볼 수는 없다고 판단된다. 하지만 등가스트럿의 반력이 모두 기둥에 전달된다고 가정하는 ASCE 41[7]의 규정은 너무 보수적인 경향이 있다.
채움벽의 전단강도 vm 이 0.60 MPa와 0.33 MPa일 경우 기둥의 전단파괴가 발생하는 시점은 각 경우 탄성구간에 형성된 성능점에 해당하는 강도의 28% 및 32%로 나타났으며, 0.12 MPa인 경우 성능점 강도의 60%에 해당한다.
5B의 경우에 대해서만 시험하였다. 표에서 볼 수 있는 바와 같이 모르타르의 채움상태가 좋지 않을 경우 압축강도는 60%정도로, 사인장 전단강도는 66%에서 38%정도로 감소하였다. 또한 벽돌의 두께를 0.
표에서 알 수 있는 가장 특징적인 현상은 채움벽에 인한 강도의 증가분이 채움벽의 파괴모드와 매우 밀접하다는 점이다. 채움벽의 파괴모드는 크게 가로줄눈파괴와 대각 인장-압축에 의한 파괴로 나눌 수 있는데, 가로줄눈파괴 시보다 대각인장-압축파괴 시 훨씬 큰 강도 증가를 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조적채움벽 골조의 정확한 내진성능평가위해 필요한 것은 무엇인가?	이는 조적채움벽이 골조와 상호작용을 하여 파괴모드를 변화시키기 때문으로 특히 휨파괴가 예상되는 순수골조에 조적채움벽이 사용될 경우 골조의 변형을 구속하면서 기둥의 전단파괴 및 인장파괴를 유발하는 경우도 있다. 따라서 정확한 내진성능평가를 위해서는 강성, 강도 및 변형능력의 측면에서 조적채움벽의 역할을 내진평가를 위한 해석모델에 정확히 반영하여야 한다.
	본 논문에서 수행한, 국내에서 사용되는 벽돌개체를 사용한 경우에 대해 압축강도, 사인장전단강도, 부착강도에 대한 재료시험을 실시한 결과는 어떠한가?	이때 채움벽의 상태가 좋지 않은 경우 및 채움벽의 두께를 다르게 한 경우를 포함하여 이들에 의한 경향을 파악하였다. 시험결과 모르타르의 채움 상태가 좋지 않을 경우 압축강도는 60% 정도로, 사인장전단강도는 66%에서 38%정도로 감소하였다. 또한 벽돌의 두께를 0.5B에서 1.0B로 증가시키고 쌓기방법을 다르게 한 경우 사인장전 단강도는 3.2배에서 1.8배 정도 증가함을 알 수 있었다. 따라서 평균전단강도에 단순히 조적의 두께를 곱하여 전단강도를 산정하는 기존의 식들로는 이러한 관계를 정확히 반영할 수 없으며 1.
	조적채움벽 골조란 무엇인가?	조적채움벽 골조는 RC골조 혹은 철골 골조에 조적조의 칸막이벽을 가진 구조물로 내진설계 시 조적벽은 비구조재로 분류하여 하중으로서만 고려되나 실제 지진피해사례와 실험결과를 보면 채움벽이 구조물 거동에 큰영향을 미쳐 순수 골조와는 완전히 다른 거동을 나타냄을 볼 수 있다. 이는 조적채움벽이 골조와 상호작용을 하여 파괴모드를 변화시키기 때문으로 특히 휨파괴가 예상되는 순수골조에 조적채움벽이 사용될 경우 골조의 변형을 구속하면서 기둥의 전단파괴 및 인장파괴를 유발하는 경우도 있다.

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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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