축력비에 따른 수정된 단부 횡보강상세를 갖는 특수전단벽의 내진성능 Seismic Performance of Special Shear Wall with Modified Details in Boundary Element Depending on Axial Load Ratio원문보기
이 논문은 최근 천영수 등(2011)에 의하여 제안된 벽체 단부 횡보강상세를 지닌 벽체를 중심으로 벽체의 구조성능 영향 변수들을 대상으로 한 실험결과와 그에 따른 내진거동 및 이력특성을 제시하고 있다. 제시된 결과는 동 벽체의 비선형이력특성을 규명함으로써 향후 성능기반설계의 적용을 위한 기초자료를 제공하게 될 것이다. 실험결과, 제안된 횡보강 상세를 채용한 실험체의 균열 및 파괴 양상은 축력과 내진철근의 적용 여부와 상관없이 유사한 경향을 나타내었으며, 기준에서 제시하고 있는 설계식에 의하여 실험체의 최대강도를 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 축력이 높을 수록 초기강성과 최대강도는 증가하나 변형능력은 떨어지는 경향이 있어 고 축력으로 인한 변형능력 감소에 대한 고려가 필요할 것으로 보이며, 고 축력이 작용하는 벽체의 경우 내진철근의 사용이 변형능력의 확보라는 관점에서 매우 효과적인 방안이 될 것으로 보임으로 가능하다면 소성힌지 영역은 내진철근을 사용한 경계요소로 보강하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
이 논문은 최근 천영수 등(2011)에 의하여 제안된 벽체 단부 횡보강상세를 지닌 벽체를 중심으로 벽체의 구조성능 영향 변수들을 대상으로 한 실험결과와 그에 따른 내진거동 및 이력특성을 제시하고 있다. 제시된 결과는 동 벽체의 비선형이력특성을 규명함으로써 향후 성능기반설계의 적용을 위한 기초자료를 제공하게 될 것이다. 실험결과, 제안된 횡보강 상세를 채용한 실험체의 균열 및 파괴 양상은 축력과 내진철근의 적용 여부와 상관없이 유사한 경향을 나타내었으며, 기준에서 제시하고 있는 설계식에 의하여 실험체의 최대강도를 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 축력이 높을 수록 초기강성과 최대강도는 증가하나 변형능력은 떨어지는 경향이 있어 고 축력으로 인한 변형능력 감소에 대한 고려가 필요할 것으로 보이며, 고 축력이 작용하는 벽체의 경우 내진철근의 사용이 변형능력의 확보라는 관점에서 매우 효과적인 방안이 될 것으로 보임으로 가능하다면 소성힌지 영역은 내진철근을 사용한 경계요소로 보강하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
In this paper, we propose experimental results, which target the major variables that influence the structural performance of a wall, as well as the resulting seismic and hysteretic behavior. Results also provide the basis for the application of performance based design by identifying the nonlinear ...
In this paper, we propose experimental results, which target the major variables that influence the structural performance of a wall, as well as the resulting seismic and hysteretic behavior. Results also provide the basis for the application of performance based design by identifying the nonlinear hysteretic behavior of the wall with boundary element details recently proposed in previous study by Chun et al(2011). From the experimental results, the crack and fracture patterns of a specimen, which adopt the proposed boundary element details, showed similar tendencies regardless of whether axial force or high performance steel bars is applied. Furthermore, results show that the maximum strength of the specimen can be predicted accurately based on the design equation proposed by the standard. In addition, with a higher axial force, there is a tendency that both the initial load and maximum strength increase as deformation capacity reduces, requiring consideration of the reduced deformation capacity due to a high axial force. For walls under such high axial forces, using high performance steel bars is a very effective manner of enhancing deformation capacity. Therefore, reinforcing the plastic hinge region with boundary elements using high performance steel bars is preferable.
In this paper, we propose experimental results, which target the major variables that influence the structural performance of a wall, as well as the resulting seismic and hysteretic behavior. Results also provide the basis for the application of performance based design by identifying the nonlinear hysteretic behavior of the wall with boundary element details recently proposed in previous study by Chun et al(2011). From the experimental results, the crack and fracture patterns of a specimen, which adopt the proposed boundary element details, showed similar tendencies regardless of whether axial force or high performance steel bars is applied. Furthermore, results show that the maximum strength of the specimen can be predicted accurately based on the design equation proposed by the standard. In addition, with a higher axial force, there is a tendency that both the initial load and maximum strength increase as deformation capacity reduces, requiring consideration of the reduced deformation capacity due to a high axial force. For walls under such high axial forces, using high performance steel bars is a very effective manner of enhancing deformation capacity. Therefore, reinforcing the plastic hinge region with boundary elements using high performance steel bars is preferable.
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문제 정의
(2) 본 연구에서는 고연성의 내진철근 사용이 벽체의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 단부 경계요소에 내진철근을 배근한 벽체를 제작하여 축력비를 달리하여 구조실험을 수행하였다. 그 결과, 내진철근의 사용이 벽체의 초기강성과 최대강도에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났으나, 변형능력에는 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.
하지만 부재의 이력특성은 배근상세에 따라 달라지게 됨으로 성능기반설계에 이를 적용하기 위해서는 새롭게 제안된 대체상세를 지닌 벽체의 비선형이력특성에 대한 정확한 규명이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 천영수와 김상연(2011)에 의하여 제안된 벽체 단부의 횡보강상세를 지닌 벽체를 대상으로 실험을 실시하고, 그 비선형이력특성을 규명함으로써 향후 성능기반설계의 적용을 위한 기초자료를 제공하고자 한다. 단, 본 연구에서는 고강도 철근의 사용과 축력비에 따른 벽체의 이력거동에 주안점을 두고 연구를 진행하였으며, 벽체 단부의 보강범위와 기타 상세에 대해서는 콘크리트구조기준(KCI2012)에서 규정하고 있는 특수철근콘크리트 구조벽체의 규정을 준수하였다.
본 연구의 결과도 그러한 기존의 연구결과들에 부합되는 결과를 나타내었다. 본 연구에서는 경계요소의 주근 및 횡구속철근에 고강도 보통철근과 내진철근을 사용한 특수전단벽의 경우로 대별하여 축력이 벽체의 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 분석결과, 2가지 유형의 벽체가 정도의 차이는 있었으나 모두 초기강성과 최대강도는 축력과 정비례의 관계에, 변형능력은 축력과 반비례의 관계에 있음을 확인하였다.
2Agfck에 해당하는 축력이 작용한다. 본 연구에서는 이를 확인하고자 특수전단벽 상세가 적용되는 60m이상 높이에 해당되는 공동주택을 모델링하여 해석을 수행하였다. 해석결과, 20층 공동주택의 경우 축력비가 최하층 벽체내력의 약 11% 정도였으며, 30층 하였다.
이는 특수전단벽체의 설계개념이 벽체의 갑작스런 붕괴를 방지하기 위하여 벽체가 적절한 변형능력을 보유하도록 하는데 있음으로 사용철근의 연성을 충분히 확보하기 위함이다. 본 연구에서는 일반적으로 사용되는 철근과 비교하여 이러한 내진용 철근의 효용성 여부를 확인하기 위하여 내진용 철근 (high performance steel bars, HFSB)의 채용 유무를 변수로 실험을 실시하였다. 또한 실험체의 형상비는 성능설계가 채용될 건물을 고층건물로 한정하여 변수에서 제외하였으며, 특수경계 요소 설치구간의 횡보강근 간격은 콘크리트구조기준(KCI2012) 에서 제안된 D/3를 사용하였다.
본 연구에서는 천영수와 김상연(2011)에 의하여 제안된 벽체 단부의 횡보강상세를 지닌 벽체를 대상으로 비선형이력특성을 규명함으로써 향후 성능기반설계의 적용을 위한 기초자료를 제공하고자 벽체의 구조성능을 좌우하는 주요 변수들을 대상으로 실험을 실시하였으며, 그에 따른 벽체의 내진거동과 이력특성을 살펴보았다. 실험으로부터 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
횡하중은 그림 5와 같이 실제 벽체 하부에서의 하중조건과 일치하도록 가력방법을 계획하였다. 지진하중의 역삼각형 형태의 횡하중을 가정하였으며, 실험체의 횡하중과 모멘트로서 구현하여 휨파괴 되도록 하였다. 또한 횡하중 가력 시 전단벽의 면외 좌굴현상을 방지하기 위하여 가력 보에 가이드 프레임과 볼지그를 설치하였다.
실험 벽체는 최하층 벽체로 국한되므로 실제 벽체 하부에서의 하중조건과 일치하도록 가력방법을 계획하였다. 하중은 역삼각형의 지진하중을 가정하여 실험체에 횡하중과 모멘트로서 구현하였으며, 휨파괴 되도록 설계하였다.
제안 방법
가력 시 철근의 항복여부와 변형률을 측정하기 위해 동일한 위치의 휨철근과 횡보강 철근에 스트레인게이지를 부착하였으며, 실험체의 수평변위와 소성힌지 영역의 곡률 측정을 목적으로 6개의 LVDT를 설치하였다. 그림 7은 연구목적에 따른 게이지의 부착현황을 도시한 것이다.
1R-01(2001) 에 따라 다음 단계가 이전 단계의 125%~150%의 범위에 들도록 그림 6과 같이 계획하였다. 각 변위마다 강도와 강성의 저하에 대한 자료를 얻기 위하여 3회씩 가력하였으며, 실험은 내력이 최대내력의 80% 이하로 저하되는 구간까지 수행하였다. 자세한 설치 및 가력상황은 천영수 등(2015)에 수록되어 있다.
따라서 본 연구에서는 천영수와 김상연(2011)에 의하여 제안된 벽체 단부의 횡보강상세를 지닌 벽체를 대상으로 실험을 실시하고, 그 비선형이력특성을 규명함으로써 향후 성능기반설계의 적용을 위한 기초자료를 제공하고자 한다. 단, 본 연구에서는 고강도 철근의 사용과 축력비에 따른 벽체의 이력거동에 주안점을 두고 연구를 진행하였으며, 벽체 단부의 보강범위와 기타 상세에 대해서는 콘크리트구조기준(KCI2012)에서 규정하고 있는 특수철근콘크리트 구조벽체의 규정을 준수하였다.
해석결과, 20층 공동주택의 경우 축력비가 최하층 벽체내력의 약 11% 정도였으며, 30층 하였다. 따라서 본 실험에서는 실제 건물의 축력비와 실험실 조의 경우 벽체하부에 약 16% 정도의 축력이 작용하는 것을 확인 건을 고려하여 각각 0.1Agfck, 0.15Agfck, 0.2Agfck를 변수로 선정하여 실험체를 제작하였다.
각 실험체는 동일한 수직철근과 수평 철근으로 배근된 장방형의 단면형상을 하고 있으며, 예상 강도는 단부의 구속된 콘크리트의 횡보강 효과를 무시하고 산정된 강도이다. 따라서 실험체는 동일한 휨강도를 보이도록 설계하였다.
지진하중의 역삼각형 형태의 횡하중을 가정하였으며, 실험체의 횡하중과 모멘트로서 구현하여 휨파괴 되도록 하였다. 또한 횡하중 가력 시 전단벽의 면외 좌굴현상을 방지하기 위하여 가력 보에 가이드 프레임과 볼지그를 설치하였다. 횡하중은 가력기 A에 의해 전달되며, 모멘트는 가력기 B와 가력기 C에 의해 가해진다.
본 실험에서는 상기 열거한 변수들을 고려하여 표 1과 같이 총 6개의 실험체를 실물크기로 제작하였으며, 각각의 변수에 따른 벽체의 거동을 파악하였다. 실험체의 치수와 단면형상 및 특성은 그림 4에 나타내었다.
본 연구에서는 수직철근 변형률 분포를 살펴보기 위하여 벽체의 수직철근 하부에 스트레인 게이지를 부착하였으며 경계요소 구간의 수직철근은 항복이후의 변형률도 살펴보기 위하여 소성게이지를 부착하였다. 수직철근의 변형률 측정의 결과는 그림 18에 나타내었다.
이에 본 실험에서는 그림 2와 같이 실험여건을 고려하여 최하층 벽체만을 모델링하여 실험을 수행하였다. 실험 벽체는 최하층 벽체로 국한되므로 실제 벽체 하부에서의 하중조건과 일치하도록 가력방법을 계획하였다. 하중은 역삼각형의 지진하중을 가정하여 실험체에 횡하중과 모멘트로서 구현하였으며, 휨파괴 되도록 설계하였다.
실험이 진행되는 동안 각 실험체별 파괴상황을 조사하였다. 균열은 중력하중 가력 직후, 각 횡변위비의 3번째 싸이클 종료 후, 그리고 최종파괴 시 조사하였으며, 실험종료 후 최종 파괴상황을 그림 8에 나타내었다.
표 5는 각 실험체의 실험결과를 비교한 것이다. 실험체 설계 시 가정했던 콘크리트 강도는 24MPa이었으나 실험당일 공시체의 압축강도 시험결과 상이한 결과를 나타내어 실험수행 시는 이를 기준으로 축력비를 계산하여 축력을 가력한 후 실험을 진행하였다. 공칭강도 Mn값은 실제 재료시험을 통해 얻은 재료강도 값으로부터 구한 실제 강도이며, 횡변위비 Dmax는 각 실험체가 동일 변위의 3회 사이클을 모두 수행한 최대 변위비를 나타낸 것이다.
실험체는 연구목적에 부합하도록 경계요소 주철근을 구속하는 횡방향 구속철근의 형태를 내진갈고리를 갖는 폐쇄형 후프형태(KBC2009)가 아니라 벽체 단부의 U형 스터럽과 연결철근(crosstie)의 조합으로 된 부분폐쇄형 형태(천영수 등, 2011)를 갖는 특수 전단벽(그림 3 참조)을 대상으로 축력비와 고강도 내진철근의 채용여부에 따른 벽체의 거동을 분석할 수 있도록 계획하였다.
6으로 유지하였다. 실험체에 적용된 반복하중은 LVDT-1과 LVDT-2의 변위차에 따른 변위제어방식으로 가력하였다. 하중이력은 ACI T1.
중력하중은 실험체 설치가 완료된 후, 유압기를 이용하여 계획한 하중을 벽체 상부의 철골 보에 수직 방향으로 재하하였다. 유압잭과 철골 보 사이에는 로드셀을 두어 하중 값을 실시간 확인할 수 있도록 하였다. 중력하중은 벽체 상부 콘크리트 보의 무게, 철골 보, 상부 철물 등의 무게를 제외하고 로드셀에 의해 측정되는 하중이 계획한 축력이 되도록 조절하였다.
등가점성감쇠(equivalent viscous damping)는 진동을 해석할 목적으로 가정된 선형 점성 감쇠의 값으로 그림 15에 나타낸 바와 같이 벽체의 이력곡선을 둘러싼 직사각형의 면적에 대한 이력곡선의 면적비로 산정되는데 이를 통해 에너지소산능력을 가시화할 수 있다. 이 비교에서는 모든 실험체에 동일한 조건을 부여하기 위하여 각 횡변위비의 첫번째 싸이클의 면적만을 고려하였다.
이 절에서는 실험된 벽체들의 내진성능을 비교하기 위하여 등가점성감쇠비를 계산하여 비교하였다. 등가점성감쇠(equivalent viscous damping)는 진동을 해석할 목적으로 가정된 선형 점성 감쇠의 값으로 그림 15에 나타낸 바와 같이 벽체의 이력곡선을 둘러싼 직사각형의 면적에 대한 이력곡선의 면적비로 산정되는데 이를 통해 에너지소산능력을 가시화할 수 있다.
전단벽의 소성힌지는 벽체 하부에 집중되므로 벽체 하부의 성능에 의해 전체벽체의 성능이 결정된다. 이에 본 실험에서는 그림 2와 같이 실험여건을 고려하여 최하층 벽체만을 모델링하여 실험을 수행하였다. 실험 벽체는 최하층 벽체로 국한되므로 실제 벽체 하부에서의 하중조건과 일치하도록 가력방법을 계획하였다.
유압잭과 철골 보 사이에는 로드셀을 두어 하중 값을 실시간 확인할 수 있도록 하였다. 중력하중은 벽체 상부 콘크리트 보의 무게, 철골 보, 상부 철물 등의 무게를 제외하고 로드셀에 의해 측정되는 하중이 계획한 축력이 되도록 조절하였다.
표 2에 실험체 설계 시 계획한 콘크리트 압축강도와 실험당일 시험에 따른 압축 강도를 나타내었다. 콘크리트 강도는 실험체에 작용하는 축력비와 밀접한 연관이 있는 값이므로 실험결과 분석 시 이를 고려하여 성능을 검토하였다. 실험에 사용된 이형철근의 인장강도 시험결과는 표 3 및 표 4와 같다.
횡구속 철근의 변형률 측정의 결과는 그림 19에 나타내었다. 횡구속 철근의 콘크리트 구속 여부를 살펴보기 위하여 소성힌 지구간 안에 일정 간격(200mm)으로 U형 스터럽에 스트레인게이지를 부착하였다. 철근의 변형률 변화를 살펴보면 실험체의 균열 및 최종 파괴 양상과 비교해보았을 때 변형도가 집중된 부분이 압괴 발생 부위와 일치함을 알 수 있었다.
횡하중은 그림 5와 같이 실제 벽체 하부에서의 하중조건과 일치하도록 가력방법을 계획하였다. 지진하중의 역삼각형 형태의 횡하중을 가정하였으며, 실험체의 횡하중과 모멘트로서 구현하여 휨파괴 되도록 하였다.
그림 9는 각 실험체의 모멘트-횡변위비 이력곡선을 나타낸 것이다. 횡하중은 동일한 횡변위비에서 강성 및 강도저하를 위하여 3회씩 반복 가력하였다. 실험체들은 하중이 서서히 증가하다가 일정 변위비에 이르러 하중 증가 없이 변위만 계속 증가하는 양상을 보였다.
대상 데이터
실험체의 콘크리트 압축강도를 파악하기 위하여 KS F 2403의 규정에 따라 Ø100×200의 공시체를 제작하였으며, 압축강도 실험은 KS F 2405에 따라 실시하였다. 공시체는 동일한 기간 타설과 동일 조건에서 양생한 3개의 공시체를 사용하였으며, 실험당일 강도를 시험하여 평균값을 사용하였다. 표 2에 실험체 설계 시 계획한 콘크리트 압축강도와 실험당일 시험에 따른 압축 강도를 나타내었다.
연구대상 건물은 천영수 등(2013)에 의해서 실험에 사용된 건물을 동일하게 채용하였다. 실험체를 제작하기 위하여 선택된 기준벽체(prototype wall)는 길이 1.4m, 두께 20cm, 높이 61.6m인 전단벽(W7A)이며, 그림 1에 연구대상 아파트의 평면과 기준 벽체의 위치를 나타내었다.
연구대상 건물은 천영수 등(2013)에 의해서 실험에 사용된 건물을 동일하게 채용하였다. 실험체를 제작하기 위하여 선택된 기준벽체(prototype wall)는 길이 1.
이론/모형
본 연구에서는 일반적으로 사용되는 철근과 비교하여 이러한 내진용 철근의 효용성 여부를 확인하기 위하여 내진용 철근 (high performance steel bars, HFSB)의 채용 유무를 변수로 실험을 실시하였다. 또한 실험체의 형상비는 성능설계가 채용될 건물을 고층건물로 한정하여 변수에서 제외하였으며, 특수경계 요소 설치구간의 횡보강근 간격은 콘크리트구조기준(KCI2012) 에서 제안된 D/3를 사용하였다.
실험체의 콘크리트 압축강도를 파악하기 위하여 KS F 2403의 규정에 따라 Ø100×200의 공시체를 제작하였으며, 압축강도 실험은 KS F 2405에 따라 실시하였다.
성능/효과
(2) 본 연구에서는 고연성의 내진철근 사용이 벽체의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 단부 경계요소에 내진철근을 배근한 벽체를 제작하여 축력비를 달리하여 구조실험을 수행하였다. 그 결과, 내진철근의 사용이 벽체의 초기강성과 최대강도에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났으나, 변형능력에는 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 내진철근을 사용한 모든 실험체에서 변형능력이 우수한 것으로 조사되었으며, 특히 축력이 높은 경우일수록 그 경향은 뚜렷이 나타났다.
그 결과, 내진철근의 사용이 벽체의 초기강성과 최대강도에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났으나, 변형능력에는 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 내진철근을 사용한 모든 실험체에서 변형능력이 우수한 것으로 조사되었으며, 특히 축력이 높은 경우일수록 그 경향은 뚜렷이 나타났다. 또한 보통철근이 배근된 벽체의 경우 모두 변위비 1.
실험체들은 하중이 서서히 증가하다가 일정 변위비에 이르러 하중 증가 없이 변위만 계속 증가하는 양상을 보였다. 단부 경계요소 설치 구간에 내진철근을 사용한 W4, W6 실험체는 내진철근이외에 동일한 조건에서 실험된 W3, W5 실험체와 비교하여 우수한 변형성능을 나타냈으며, 작용 축력은 초기강성 및 최대강도와는 정비례, 벽체의 변형능력과는 반비례하는 결과를 나타내었다.
모든 실험체는 공칭강도와 거의 유사한 값을 나타내어 횡보강근의 유무는 실험체의 강도와는 크게 연관이 없음을 알 수 있었다. 실험결과, 예상강도와 실험강도가 거의 유사한 것으로 보아 기준상의 강도계산식을 통해 벽체의 최대강도를 예측하는 것이 가능하였다.
실험체들은 파괴양상 측면에서는 실험계획 시 고려되었던 변수들의 영향을 크게 받지 않고 유사한 경향을 나타내었다. 모든 실험체는 횡변위비(실험체 밑면으로부터 가력점까지의 거리 기준) 0.15%구간부터 벽체단부에서 균열이 형성되기 시작하였으며, 변위가 증가함에 따라 정, 부방향 가력 시 발생한 휨균열이 서로 교차하면서 초기 휨균열이 휨-전단균열로 진행되었다. 또한, 변위비 1%에 이르러 양단부에 세로방향의 압축균열이 발생하였으며 변위비 1%에 도달하였을 때 압축측단부에 세로방향의 압축 균열이 발생하였다.
실험결과, 예상강도와 실험강도가 거의 유사한 것으로 보아 기준상의 강도계산식을 통해 벽체의 최대강도를 예측하는 것이 가능하였다. 변수선정 시 예상한 대로 작용 축력이 증가한 경우 초기강성과 최대 모멘트는 증가하였으나 변형성능이 다소 저하되는 것으로 나타났다.
최대강도 발현 후에는 추가적인 균열의 발생은 거의 없었으며, 작용 중력하중이 단면성능의 20%인 W5 실험체를 제외하고는 모두 2%이상의 횡변위 능력을 보여주었다. 변위비 2.5%에 이르러서는 기존에 발생하였던 세로방향 균열이 급속히 진전되어 최종 파괴에 이르렀으며, 파괴 시 변위비와 무관하게 소성힌지 영역(0.5lw 구간)에서의 압축측 주근의 좌굴과 동시에 발생하는 인장측 주근의 파단으로 파괴되는 최종파괴의 양상은 동일하였다.
본 연구에서는 경계요소의 주근 및 횡구속철근에 고강도 보통철근과 내진철근을 사용한 특수전단벽의 경우로 대별하여 축력이 벽체의 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 분석결과, 2가지 유형의 벽체가 정도의 차이는 있었으나 모두 초기강성과 최대강도는 축력과 정비례의 관계에, 변형능력은 축력과 반비례의 관계에 있음을 확인하였다. 건물이 고층화 되면 개개의 벽체가 부담하게 되는 축방향 압축력이 커지게 되는 바 구조설계 시 벽체 하나당 부담하게 되는 축력의 수준을 일정 수준 이하로 조절하는 등 고 축력으로 인한 변형능력 감소에 대한 고려가 필요할 것으로 보인다.
그림 13과 그림 14는 각각 보통 고강도철근과 고강도 내진철근을 사용한 실험체별로 축력비 변화에 대한 벽체성능의 차이를 비교하여 나타낸 것이다. 실험결과, 벽체의 최대강도는 작용 축력에 비례하고, 변형능력은 반비례하는 것으로 나타났다. 여기서 주목할만 것은 고축력 상태일 때 내진철근을 사용한 경우와 그렇지 않은 경우에 대한 벽체의 변형능력의 차이이다.
모든 실험체는 공칭강도와 거의 유사한 값을 나타내어 횡보강근의 유무는 실험체의 강도와는 크게 연관이 없음을 알 수 있었다. 실험결과, 예상강도와 실험강도가 거의 유사한 것으로 보아 기준상의 강도계산식을 통해 벽체의 최대강도를 예측하는 것이 가능하였다. 변수선정 시 예상한 대로 작용 축력이 증가한 경우 초기강성과 최대 모멘트는 증가하였으나 변형성능이 다소 저하되는 것으로 나타났다.
횡하중은 동일한 횡변위비에서 강성 및 강도저하를 위하여 3회씩 반복 가력하였다. 실험체들은 하중이 서서히 증가하다가 일정 변위비에 이르러 하중 증가 없이 변위만 계속 증가하는 양상을 보였다. 단부 경계요소 설치 구간에 내진철근을 사용한 W4, W6 실험체는 내진철근이외에 동일한 조건에서 실험된 W3, W5 실험체와 비교하여 우수한 변형성능을 나타냈으며, 작용 축력은 초기강성 및 최대강도와는 정비례, 벽체의 변형능력과는 반비례하는 결과를 나타내었다.
또한, 변위비 1%에 이르러 양단부에 세로방향의 압축균열이 발생하였으며 변위비 1%에 도달하였을 때 압축측단부에 세로방향의 압축 균열이 발생하였다. 이 후 균열이 다소 느리게 진전되었으며, 단부 경계요소 설치구간에 내진철근이 사용된 W4와 W6 실험체를 제외한 모든 실험체는 변위비 1.5% 구간에서 최대강도를 발현하였다. W4와 W6 실험체는 각각 변위비 2%, 2.
최근 시공성 개선을 목적으로 한 특수전단벽의 대체상세가 천영수와 김상연(2011)에 의하여 제안되었으며, 기존의 특수전단벽 상세와 비교하여 유사한 내진성능을 보유하고 있음을 검증하기 위한 일련의 실험적 연구가 수행되었다(천영수와 김상연(2011); 천영수(2013); 천영수 등(2015)). 제안된 상세는 벽체 단부를 폐쇄형 후프로 보강하는 기존 상세를 대신하여 U형 철근과 연결철근(tie)을 사용하여 보강하는 방법으로, 실험결과 강도 및 강성저하, 변형능력, 그리고 에너지소산능력 측면에서 기존의 배근상세와 유사한 내진성능을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 제안된 배근상세는 향후 기존의 복잡한 특수전단벽 상세를 대신하여 국내 특수전단벽 구조에 적용될 것으로 기대되며, 성능기반설계를 적용하는 경우에 있어서도 벽체가 큰 하중을 받거나 변형요구량이 큰 경우에는 유용한 대안이 될 것으로 기대된다.
그동안 벽체의 웨브에 배근되어있는 주근에도 상당한 양의 변형이 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 제한적인 소수의 실험체를 대상으로 한 결과이나 이를 통해 내진철근을 사용하였을 시 벽체의 웨브부분까지 소성에너지 재분배가 활발하게 일어나고 있음을 알 수 있었으며, 고 축력이 작용 하는 벽체의 경우에서 내진철근의 사용이 변형능력의 확보라는 관점에서 매우 효과적인 방안이 될 것으로 보인다. 따라서 고 축력이 작용하는 벽체의 경우 가능하다면 소성힌지 영역은 내진철근을 사용한 경계요소로 보강하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
횡구속 철근의 콘크리트 구속 여부를 살펴보기 위하여 소성힌 지구간 안에 일정 간격(200mm)으로 U형 스터럽에 스트레인게이지를 부착하였다. 철근의 변형률 변화를 살펴보면 실험체의 균열 및 최종 파괴 양상과 비교해보았을 때 변형도가 집중된 부분이 압괴 발생 부위와 일치함을 알 수 있었다. 또한 내진철근을 사용한 실험체(W2, W4, W6)의 변형률이 다소 크게 나타났다.
48% 구간에서 최대강도에 도달하였다. 최대강도 발현 후에는 추가적인 균열의 발생은 거의 없었으며, 작용 중력하중이 단면성능의 20%인 W5 실험체를 제외하고는 모두 2%이상의 횡변위 능력을 보여주었다. 변위비 2.
그림 10~그림 12는 각각 축력비가 단면내력의 10%, 15%, 20%인 경우 경계요소 내 내진철근 사용 여부를 변수로 하여 비교한 그래프이다. 축력비의 변화와 무관하게 내진철근을 사용하지 않은 실험체(W1, W3, W5)와 내진철근을 사용한 실험체 (W2, W4, W6)의 벽체의 초기강성과 최대강도 발현시점은 유사하게 나타났으나 변형능력과 에너지소산 능력은 축력비 변화에 따라 큰 차이를 나타내었다. 특히 W2 실험체를 제외한 W4, W6실험체의 경우 다른 실험체가 변위비 1.
5% 부근에서 가장 낮았고 이후로 상당한 증가량을 보이는 것으로 나타났으며, 에너지 소산능력의 증감 형태가 유사함을 알 수 있었다. 특히 경계요소에 내진철근을 사용하지 않은 경우에 있어서 축력비와 횡보 강근의 간격은 점성감쇠비에 별다른 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 이를 확인하고자 특수전단벽 상세가 적용되는 60m이상 높이에 해당되는 공동주택을 모델링하여 해석을 수행하였다. 해석결과, 20층 공동주택의 경우 축력비가 최하층 벽체내력의 약 11% 정도였으며, 30층 하였다. 따라서 본 실험에서는 실제 건물의 축력비와 실험실 조의 경우 벽체하부에 약 16% 정도의 축력이 작용하는 것을 확인 건을 고려하여 각각 0.
후속연구
반면 성능기반설계는 건물을 구성하고 있는 개개 부재들의 비선형 특성을 모두 사용하여 비선형동적해석을 수행함으로서 설계자가 목표로 하는 건물의 성능이 충족되는지의 여부를 설계단계에서 직접적으로 검토하여 설계하는 방법이다. 따라서 부재의 비선형이력특성과 해석의 정확도가 보장된다면 이 설계법은 건물의 목표 성능을 정확하게 확보할 수 있다. 즉, 성능기반설계는 건물을 구성하고 있는 각 부재의 비선형특성에 기반하여 설계하는 기술이므로 부재의 비선형이력특성을 정확하게 규명하는 것은 동 설계법의 신뢰도를 좌우하는 핵심기술이라 할 수 있으며, 특수전단벽에 대해서도 이를 목적으로 한 많은 실험적 연구들이 수행되었다(Thomsen and Wallace(2004); Su and Wong(2007); 한상환 등 (1999); 천영수와 김상연(2011); 천영수(2013); 천영수 등(2015)).
제안된 상세는 벽체 단부를 폐쇄형 후프로 보강하는 기존 상세를 대신하여 U형 철근과 연결철근(tie)을 사용하여 보강하는 방법으로, 실험결과 강도 및 강성저하, 변형능력, 그리고 에너지소산능력 측면에서 기존의 배근상세와 유사한 내진성능을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 제안된 배근상세는 향후 기존의 복잡한 특수전단벽 상세를 대신하여 국내 특수전단벽 구조에 적용될 것으로 기대되며, 성능기반설계를 적용하는 경우에 있어서도 벽체가 큰 하중을 받거나 변형요구량이 큰 경우에는 유용한 대안이 될 것으로 기대된다. 하지만 부재의 이력특성은 배근상세에 따라 달라지게 됨으로 성능기반설계에 이를 적용하기 위해서는 새롭게 제안된 대체상세를 지닌 벽체의 비선형이력특성에 대한 정확한 규명이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
특수전단벽은 무엇인가?
최근 국내에서는 하중기준 강화에 따른 안전성 확보, 공사비상승 요인 배제 등을 목적으로 성능기반설계에 대한 관심이 증가하고 있으며, 주로 특수전단벽 구조를 적용하는 건물을 대상으로 실무에 적용되고 있다(AIK, 2015). 특수전단벽은 지진 발생 시 벽체가 큰 하중을 받거나 변형요구량이 큰 경우 압축단부를 엄격하게 횡보강한 전단벽을 의미하며, 시공성과 경제성 면에서 많은 어려움이 있어 대안적인 설계방법에 대한 모색이 이슈화되고 있어 국내의 성능기반설계에 대한 관심은 이러한 최근 동향을 반영한 결과라 하겠다.
현재 시행되고 있는 내진설계방법인 강도설계법은 어떠한 방법인가?
현재 시행되고 있는 내진설계방법인 강도설계법은 건물의 비선형적인 특성을 경험에 의한 수치로서 대표되는 값에 의하여 정의하고 탄성해석에 기반하여 설계를 수행하는 방법이다. 이 경우 건물의 비선형적인 거동은 설계기준에 규정된 배근상세에 의하여 결정되게 됨으로 많은 불확실성을 지니게 된다.
현재 시행되고 있는 내진설계방법인 강도설계법은 어떠한 단점이 있는가?
현재 시행되고 있는 내진설계방법인 강도설계법은 건물의 비선형적인 특성을 경험에 의한 수치로서 대표되는 값에 의하여 정의하고 탄성해석에 기반하여 설계를 수행하는 방법이다. 이 경우 건물의 비선형적인 거동은 설계기준에 규정된 배근상세에 의하여 결정되게 됨으로 많은 불확실성을 지니게 된다. 반면 성능기반설계는 건물을 구성하고 있는 개개 부재들의 비선형 특성을 모두 사용하여 비선형동적해석을 수행함으로서 설계자가 목표로 하는 건물의 성능이 충족되는지의 여부를 설계단계에서 직접적으로 검토하여 설계하는 방법이다.
참고문헌 (11)
대한건축학회(2015), 공동주택 성능기반 내진설계 지침(초안).
대한건축학회(2009), 건축구조 설계기준 및 해설(KBC2009).
천영수, 박지영, 이선웅(2015), 성능기반설계법의 도입을 위한 부재별 비선형이력모델 개발(1), 토지주택연구원.
천영수(2013), 특수철근콘크리트 구조벽체의 배근상세 규정 개정을 위한 실험용역, 토지주택연구원.
천영수, 김상연(2011), 구조시스템 높이제한 규정 완화를 위한 준특수전단벽 상세개발, 토지주택연구원.
American Concrete Institute (2001), Commentary on Acceptance Criteria for Moment Frames Based on Structural Testing, ACI T1.1R-01, American Concrete Institute.
Los Angeles Tall Buildings Structural Design Council (2015), An Alternative Procedure for Seismic Analysis and Design of Tall Buildings Located in the Los Angeles Region, A Consensus Document.
Su, R. K. L. and S. M. Wong (2007), "Seismic behavior of slender reinforced concrete shear walls under high axial ratio", Engineering Structures, 1(29): 1957-1965.
Thomsen IV, J. H. and J. W. Wallace (2004), "Displacement- Based Design of Slender Reinforced Concrete Structural Walls-Experimental Verification", Journal of Structural Engineering, 130(4): 618-630.
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