외부 앵커압착형 프리캐스트 벽체로 보강된 비내진 상세를 갖는 철근콘크리트 골조에 대한 실험적 연구 Experimental Study on RC Frame Structures with Non-Seismic Details Strengthened by Externally-Anchored Precast Wall-Panel Method (EPWM)원문보기
비내진 상세를 갖는 노후된 철근콘크리트 골조의 내진보강을 위해 철근콘크리트 끼움벽 공법이 많이 사용되고 있다. 기존 콘크리트 골조에 끼움벽을 이용하여 보강하는 방법은 지진과 같은 횡력에 대하여 높은 강도를 확보할 수 있는 방법이다. 그러나, 기존의 끼움벽공법은 공사기간동안 이용자의 사용이 제한될 수 밖에 없으며, 접합부의 시공이 어렵고, 접합부의 합성성능을 확보하기 어려운 측면이 있다. 이 연구에서는 기존 끼움벽 공법의 단점을 개선하기 위하여 공장제작된 프리캐스트 콘크리트 벽체를 건물의 외부에서 압착하여 보강하는 방법을 제안하였다. 제안된 공법을 검증하기 위하여 반복하중을 받는 총 4개의 1/3축소 실험체들을 제작하여 실험을 수행하였으며, 제안된 공법이 적용된 철근콘크리트 골조의 강도, 강성, 에너지 소산 능력이 크게 향상되는 것을 실험적으로 확인하였다.
비내진 상세를 갖는 노후된 철근콘크리트 골조의 내진보강을 위해 철근콘크리트 끼움벽 공법이 많이 사용되고 있다. 기존 콘크리트 골조에 끼움벽을 이용하여 보강하는 방법은 지진과 같은 횡력에 대하여 높은 강도를 확보할 수 있는 방법이다. 그러나, 기존의 끼움벽공법은 공사기간동안 이용자의 사용이 제한될 수 밖에 없으며, 접합부의 시공이 어렵고, 접합부의 합성성능을 확보하기 어려운 측면이 있다. 이 연구에서는 기존 끼움벽 공법의 단점을 개선하기 위하여 공장제작된 프리캐스트 콘크리트 벽체를 건물의 외부에서 압착하여 보강하는 방법을 제안하였다. 제안된 공법을 검증하기 위하여 반복하중을 받는 총 4개의 1/3축소 실험체들을 제작하여 실험을 수행하였으며, 제안된 공법이 적용된 철근콘크리트 골조의 강도, 강성, 에너지 소산 능력이 크게 향상되는 것을 실험적으로 확인하였다.
The infill-wall strengthening method has been widely used for the seismic performance enhancement of the conventional reinforced concrete (RC) frame structures with non-seismic detail, which is one of the promising techniques to secure the high resisting capacity against lateral forces induced by ea...
The infill-wall strengthening method has been widely used for the seismic performance enhancement of the conventional reinforced concrete (RC) frame structures with non-seismic detail, which is one of the promising techniques to secure the high resisting capacity against lateral forces induced by earthquake. During the application of the infill-wall strengthening method, however, it often restricts the use of the structure. In addition, it is difficult to cast the connection part between the wall and the frame, and also difficult to ensure the shear resistance performances along the connection. In this study, an advanced strengthening method using the externally-anchored precast wall-panel (EPCW) was proposed to overcome the disadvantages of the conventional infill-wall strengthening method. The one-third scaled four RC frame specimens were fabricated, and the cyclic loading tests were conducted to verify the EPCW strengthening method. The test results showed that the strength, lateral stiffness, energy dissipation capacity of the RC frame structures strengthened by the proposed EPCW method were significantly improved compared to the control test specimen.
The infill-wall strengthening method has been widely used for the seismic performance enhancement of the conventional reinforced concrete (RC) frame structures with non-seismic detail, which is one of the promising techniques to secure the high resisting capacity against lateral forces induced by earthquake. During the application of the infill-wall strengthening method, however, it often restricts the use of the structure. In addition, it is difficult to cast the connection part between the wall and the frame, and also difficult to ensure the shear resistance performances along the connection. In this study, an advanced strengthening method using the externally-anchored precast wall-panel (EPCW) was proposed to overcome the disadvantages of the conventional infill-wall strengthening method. The one-third scaled four RC frame specimens were fabricated, and the cyclic loading tests were conducted to verify the EPCW strengthening method. The test results showed that the strength, lateral stiffness, energy dissipation capacity of the RC frame structures strengthened by the proposed EPCW method were significantly improved compared to the control test specimen.
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문제 정의
5에 나타낸 것과 같이 EPCW와 기존 골조의 앵커접합을 보에만 적용하였다. 실험체 BC와 B를 통해 보강 벽체와 기존 골조의 접합 위치에 따른 거동 차이를 보고자 하였다.
이 연구에서는 기존 끼움벽 공법의 단점을 극복하기 위하여 기둥과 보의 외부에 프리캐스트 벽체를 앵커볼트로 압착하여 고정된 프리캐스트 벽체(Externally-anchored precast wall-panel, EPCW) 보강공법을 제안하였다. 이 연구에서 제안한 EPCW 공법은 프리캐스트 벽체를 활용함으로써 공기를 단축하고, 건물의 내부가 아닌 외부에서 간편한 시공을 통해 기존골조와 접합되기 때문에 보강공사 기간을 크게 단축시킬 수가 있다.
이 연구에서는 기존 끼움벽 내진보강법의 단점을 개선하기 위하여 프리캐스트 벽체(EPCW)를 앵커볼트로 압착 고정하는 보강공법을 제안하였다. 또한, 제안공법의 내진성능을 평가하기 위하여 기존 비내진상세를 갖는 골조와 보강골조를 대상으로 반복횡가력실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
EPCW로 보강된 비내진 상세를 갖는 RC 골조의 보강효과를 검증하기 위하여 Fig. 1 및 Table 1에 나타낸 것과 같이 골조와 벽체의 접합 방식 및 EPCW 의 크기를 변수로 총 4개의 실험체를 제작하였다. 실험실의 조건을 고려하여 실험체의 크기를 1/3 스케 일로 축소된 단경간 단층 철근콘크리트 골조 실험체들이다.
9에 나타낸 바와 같이 미리 설정된 목표 층간횡변위비(실험체의 횡변위/실험체의 높이)에 따라 모든 층간 횡변위비에서 각각 3회씩 반복 가력되었다. 또한 가력 중 예기치않은 프레임의 변위와 면외방향 편심을 방지하기 위하여 수평유지 장치를 사용하였으며, 실험체의 옆면에 변위 측정 및 미끄럼(slip) 계측을 위해 5개의 LVDT를 설치하였다.
또한, 강봉의 중앙부에 변형률 게이지를 부착하여 약 300 με이 될 때까지 너트를 체결함으로써 강봉에 동일한 인장력을 도입되도록 하였다.
실험체의 제작시 콘크리트를 실제 건축물의 시공상황을 고려하여 기초, 기둥, 상부 가력보 순서로 수직타설 하였다. 또한, 비내진상세를 갖는 골조와 EPCW를 별도로 제작한 후에, 기초에는 PVC 파이프를 매설하여 벽체의 하부연단으로부터 연장된 장부철근이 정착될 슬리브를 만든 상태로 타설하고, PVC 파이프를 제거하고 벽체의 장부철근을 삽입하여 벽체와 기초를 조립하였다. 벽체의 수직철근(즉, 장부철근)의 연장길이는 350 mm이었고, 철근 끝단을 나사 가공한 후에 헤드를 조립하여 확대머리 철근(Headed bar)으로 적용하였다.
이 연구에서는 기존 끼움벽 내진보강법의 단점을 개선하기 위하여 프리캐스트 벽체(EPCW)를 앵커볼트로 압착 고정하는 보강공법을 제안하였다. 또한, 제안공법의 내진성능을 평가하기 위하여 기존 비내진상세를 갖는 골조와 보강골조를 대상으로 반복횡가력실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
벽체의 수직철근(즉, 장부철근)의 연장길이는 350 mm이었고, 철근 끝단을 나사 가공한 후에 헤드를 조립하여 확대머리 철근(Headed bar)으로 적용하였다. 벽체와 기초 조립 이후에 슬리브 내에 무수축 몰탈을 충진한 후 양생하여 충분한 정착성능을 확보하였다. EPCW와 RC 골조 사이의 접합은 고강도 강봉을 이용하였다.
또한, 비내진상세를 갖는 골조와 EPCW를 별도로 제작한 후에, 기초에는 PVC 파이프를 매설하여 벽체의 하부연단으로부터 연장된 장부철근이 정착될 슬리브를 만든 상태로 타설하고, PVC 파이프를 제거하고 벽체의 장부철근을 삽입하여 벽체와 기초를 조립하였다. 벽체의 수직철근(즉, 장부철근)의 연장길이는 350 mm이었고, 철근 끝단을 나사 가공한 후에 헤드를 조립하여 확대머리 철근(Headed bar)으로 적용하였다. 벽체와 기초 조립 이후에 슬리브 내에 무수축 몰탈을 충진한 후 양생하여 충분한 정착성능을 확보하였다.
실험체 PB는 보강벽체의 사이즈를 축소함으로써 양중과 운반이 용이하며, 시공성이 뛰어난 장점이 있다. 실험체의 제작시 콘크리트를 실제 건축물의 시공상황을 고려하여 기초, 기둥, 상부 가력보 순서로 수직타설 하였다. 또한, 비내진상세를 갖는 골조와 EPCW를 별도로 제작한 후에, 기초에는 PVC 파이프를 매설하여 벽체의 하부연단으로부터 연장된 장부철근이 정착될 슬리브를 만든 상태로 타설하고, PVC 파이프를 제거하고 벽체의 장부철근을 삽입하여 벽체와 기초를 조립하였다.
이 연구에서 제안한 EPCW 공법은 프리캐스트 벽체를 활용함으로써 공기를 단축하고, 건물의 내부가 아닌 외부에서 간편한 시공을 통해 기존골조와 접합되기 때문에 보강공사 기간을 크게 단축시킬 수가 있다. 이 연구에서는 제안한 EPCW 공법의 검증을 위하여 비내진 상세를 갖는 RC골조를 벽체의 유무, 골조와 벽체의 접합방식, 벽체의 크기 등을 변수로한 실험을 수행하였다.
EPCW와 RC 골조 사이의 접합은 고강도 강봉을 이용하였다. 이를 위해 거푸집 제작시 기둥과 보를 천공하여 그라우팅 홀을 만들고 강봉 접합 후 무수축 몰탈을 충진하였다. 접합에 사용된 고강도 강봉의 제원은 Table 2에 나타낸 바와 같으며, Fig.
8은 가력 프레임에 설치된 실험체의 모습을 보여주고 있다. 축하중은 1000 kN 유압 액추에이터를 이용하여 각 벽체의 축강도를 포함한 실험체 단면축강도의 10%(0.1Agfck)를 실험 종료시까지 하중제어방식으로 일정하게 유지하였다. 횡력은 1000 kN 전기식 액추에이터를 이용하여 변위제어방식으로 가력되었다.
대상 데이터
벽체와 기초 조립 이후에 슬리브 내에 무수축 몰탈을 충진한 후 양생하여 충분한 정착성능을 확보하였다. EPCW와 RC 골조 사이의 접합은 고강도 강봉을 이용하였다. 이를 위해 거푸집 제작시 기둥과 보를 천공하여 그라우팅 홀을 만들고 강봉 접합 후 무수축 몰탈을 충진하였다.
실험실의 조건을 고려하여 실험체의 크기를 1/3 스케 일로 축소된 단경간 단층 철근콘크리트 골조 실험체들이다. Fig. 2에 나타낸 C실험체는 보강되지 않은 철근콘크리트 골조 실험체이며, 실험체 BC는 Fig. 3에 나타낸 압착앵커 상세를 적용하여 Fig. 4에 나타낸 것과 같이 EPCW와 보 및 기둥을 모두 접합한 실험체이다. 실험체 B의 경우 실험체 BC와 모든 상세는 동일하지만 Fig.
또한, 강봉의 중앙부에 변형률 게이지를 부착하여 약 300 με이 될 때까지 너트를 체결함으로써 강봉에 동일한 인장력을 도입되도록 하였다. 골조 및 EPCW에는 기존 비내진 상세를 갖는 건물에서 널리 사용되어 온 21 MPa의 압축강도를 갖는 콘크리트를 사용하였으며, 철근 및 콘크리트의 응력-변형률 관계곡선 및 재료강도는 Fig. 7 및 Table 3에 나타낸 바와 같다.
1 및 Table 1에 나타낸 것과 같이 골조와 벽체의 접합 방식 및 EPCW 의 크기를 변수로 총 4개의 실험체를 제작하였다. 실험실의 조건을 고려하여 실험체의 크기를 1/3 스케 일로 축소된 단경간 단층 철근콘크리트 골조 실험체들이다. Fig.
성능/효과
1) 비내진 상세를 갖는 RC골조인 C실험체는 정방향과 부방향에 대하여 각각 54.6 kN 및 -51.7 kN의 최대 하중을 나타내었으며, EPCW로 보강한 BC실험체와 B실험체는 각각 정방향에서 240.1 kN 및 238.9 kN, 부방향에서는 -272.1 kN 및 -216.9 kN을 나타내어 큰 강도향상을 보여주었다.
2) BC실험체와 B실험체에 비하여 축소된 크기의 EPCW를 날개벽(wing wall)을 기둥부근에 적용한 PB실험체는 강도증진과 변형능력의 향상을 보였으며, 운반 및 시공성 측면에서도 적용이 유리할 것으로 판단된다.
3) 횡하중에 의한 초기강성의 저하 및 반복가력에 따른 강성저하와 EPCW의 누적에너지소산능력을 평가한 결과, B실험체는 BC실험체에 비해 최대하중은 다소 낮은 측면이 있었으나 변형능력이 상대적으로 우수하고, 골조기둥의 손상이 적어 더욱 안정적인 횡거동을 보여주었다. 따라서, EPCW를 기존 골조에 접합할 때 기둥에 접합하는 경우 기둥의 손상을 야기할 수 있으므로 보에만 접합하는 방법이 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
C실험체와 BC실험체는 거의 유사한 수준의 강성저하특성을 보였다. B실험체는 BC실험체에 비해 횡변위비 0.5%까지는 상대적으로 강성감소가 적게 나타났으며, 횡변위비 0.5% 이후에는 C실험체, BC실험체와 거의 동일한 강성감소특성을 보여주었다. 이에 비해 PB실험체는 다른 실험체들에 비해 강성저하가 적게 발생하였다.
B실험체는 BC실험체에 비하여 기둥에서 관측된 균열폭은 작았으나, 벽체에서 관측된 균열폭은 더 크게 나타났다. B실험체는 횡변위비 2.0% 세 번째 사이클에서 내력이 최대하중의 65%까지 감소되었으며, 세 번째 사이클을 모두 가력 후 실험을 종료하였다. B실험체는 EPCW를 보에만 압착볼트로 접합하였기 때문에 Fig.
R2k 부재 해석결과 C실험체는 43.8 kN, BC 및 B실험체는 290.2 kN, PB실험체는 106.6 kN의 결과를 나타내어 실험결과와 유사하게 나타남을 확인하였다.
동일한 21번째 하중싸이클(변위비 1.5% 3번째 하중싸이클)에서 C실험체의 누적에너지소산량는 2,267 kN·mm로 나타났으며, BC실험체, B실험체 및 PB실험체는 각각 21,685 kN·mm, 16,732 kN·mm 및 8,777 kN·mm로서 C실험체에 비해 각각 9.56배, 7.38배 및 3.87배 높게 나타났다.
11에는 C실험체, BC실험체, B실험체 및 PB실험체의 하중-변위 관계 곡선을 나타내었다. 모든 실험체들은 전형적인 RC 구조물의 하중-변위 이력을 보여주었으며, 핀칭현상(Pinching effect)은 크게 나타나지 않았다. Fig.
또한, 기존 골조의 횡방향 전단강도에 대한 끼움벽의 전단강도 비율이 큰 경우에는 골조기둥의 전단파괴가 발생할 수 있으며,6,11,12) 이는 내진보강시 바람직한 파괴모드는 아니라고 할 수 있다. 이 연구에서 제안한 EPCW 공법은 보강 전 골조구조물에 비하여 보강 후에 횡변형 능력의 감소가 없었으며, 벽체를 기둥에 접합한 BC실험체를 제외한 B실험체 및 PB실험체는 기둥의 전단파괴가 발생되기 전에 벽체가 파괴되어 효율적인 내진보강이 이루어진 것으로 판단된다.
이 연구에서는 기존 끼움벽 공법의 단점을 극복하기 위하여 기둥과 보의 외부에 프리캐스트 벽체를 앵커볼트로 압착하여 고정된 프리캐스트 벽체(Externally-anchored precast wall-panel, EPCW) 보강공법을 제안하였다. 이 연구에서 제안한 EPCW 공법은 프리캐스트 벽체를 활용함으로써 공기를 단축하고, 건물의 내부가 아닌 외부에서 간편한 시공을 통해 기존골조와 접합되기 때문에 보강공사 기간을 크게 단축시킬 수가 있다. 이 연구에서는 제안한 EPCW 공법의 검증을 위하여 비내진 상세를 갖는 RC골조를 벽체의 유무, 골조와 벽체의 접합방식, 벽체의 크기 등을 변수로한 실험을 수행하였다.
7 kN을 나타내었다. 정방향과 부방향 모두 횡변위비 1.0%에서 최대하중을 나타내었으며, 그 후 완만한 하중의 감소거동을 보여주었다. Fig.
0%에서 기둥 중앙부에서 최대 균열폭이 2 mm로 관측되었다. 횡변위비 2.0%의 첫 번째 사이클 가력후 기둥 상단부에서 피복이 박리되며 내력이 최대하중의 78%로 감소되었으며, 실험실의 안전규정에 의하여 실험이 종료되었다. EPCW를 기둥과 보에 압착하여 보강된 BC 실험체는 횡변위비 0.
후속연구
3) 횡하중에 의한 초기강성의 저하 및 반복가력에 따른 강성저하와 EPCW의 누적에너지소산능력을 평가한 결과, B실험체는 BC실험체에 비해 최대하중은 다소 낮은 측면이 있었으나 변형능력이 상대적으로 우수하고, 골조기둥의 손상이 적어 더욱 안정적인 횡거동을 보여주었다. 따라서, EPCW를 기존 골조에 접합할 때 기둥에 접합하는 경우 기둥의 손상을 야기할 수 있으므로 보에만 접합하는 방법이 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비내진 상세를 갖는 노후된 철근콘크리트 골조의 내진보강을 위해 많이 사용되는 공법은 무엇인가?
비내진 상세를 갖는 노후된 철근콘크리트 골조의 내진보강을 위해 철근콘크리트 끼움벽 공법이 많이 사용되고 있다. 기존 콘크리트 골조에 끼움벽을 이용하여 보강하는 방법은 지진과 같은 횡력에 대하여 높은 강도를 확보할 수 있는 방법이다.
기존 콘크리트 골조에 끼움벽을 이용하여 보강하는 방법은 어떤 이점이 있는 방법인가?
비내진 상세를 갖는 노후된 철근콘크리트 골조의 내진보강을 위해 철근콘크리트 끼움벽 공법이 많이 사용되고 있다. 기존 콘크리트 골조에 끼움벽을 이용하여 보강하는 방법은 지진과 같은 횡력에 대하여 높은 강도를 확보할 수 있는 방법이다. 그러나, 기존의 끼움벽공법은 공사기간동안 이용자의 사용이 제한될 수 밖에 없으며, 접합부의 시공이 어렵고, 접합부의 합성성능을 확보하기 어려운 측면이 있다.
기존 콘크리트 골조에 끼움벽을 이용하여 보강하는 방법의 단점은 무엇인가?
기존 콘크리트 골조에 끼움벽을 이용하여 보강하는 방법은 지진과 같은 횡력에 대하여 높은 강도를 확보할 수 있는 방법이다. 그러나, 기존의 끼움벽공법은 공사기간동안 이용자의 사용이 제한될 수 밖에 없으며, 접합부의 시공이 어렵고, 접합부의 합성성능을 확보하기 어려운 측면이 있다. 이 연구에서는 기존 끼움벽 공법의 단점을 개선하기 위하여 공장제작된 프리캐스트 콘크리트 벽체를 건물의 외부에서 압착하여 보강하는 방법을 제안하였다.
참고문헌 (13)
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