본 논문에서는 국내 비내진상세 조적채움벽 RC 골조의 동적거동 및 손상모드를 파악하기 위하여 실규모 크기의 비내진상세 RC 골조와 조적채움벽 RC 골조를 대상으로 진동대 실험을 실시하여 응답 및 거동 특성을 비교 평가하였다. 진동대 실험 결과, 순수 RC 골조는 기둥상하부 휨균열 및 접합부 전단균열이 심화되어 최종 파괴되었다. 조적채움벽 RC 골조의 경우 골조의 손상은 비교적 작았으며 조적벽체의 중앙부의 슬라이딩 균열 및 대각 전단 균열 손상이 크게 발생하였다. 조적채움벽 RC 골조는 순수 RC 골조에 비하여 초기상태의 공진주기가 짧아졌으며 최종 가진시에서 최대변위응답은 약 62% 감소하였다. 본 연구에서 적용한 조적채움벽은 비내진 상세를 가지는 RC 골조의 강성을 약 1.6배, 최대 강도를 약 2.2배 증가시키는 데 기여하는 것으로 분석되었다.
본 논문에서는 국내 비내진상세 조적채움벽 RC 골조의 동적거동 및 손상모드를 파악하기 위하여 실규모 크기의 비내진상세 RC 골조와 조적채움벽 RC 골조를 대상으로 진동대 실험을 실시하여 응답 및 거동 특성을 비교 평가하였다. 진동대 실험 결과, 순수 RC 골조는 기둥상하부 휨균열 및 접합부 전단균열이 심화되어 최종 파괴되었다. 조적채움벽 RC 골조의 경우 골조의 손상은 비교적 작았으며 조적벽체의 중앙부의 슬라이딩 균열 및 대각 전단 균열 손상이 크게 발생하였다. 조적채움벽 RC 골조는 순수 RC 골조에 비하여 초기상태의 공진주기가 짧아졌으며 최종 가진시에서 최대변위응답은 약 62% 감소하였다. 본 연구에서 적용한 조적채움벽은 비내진 상세를 가지는 RC 골조의 강성을 약 1.6배, 최대 강도를 약 2.2배 증가시키는 데 기여하는 것으로 분석되었다.
In this paper, the shake table test for the masonry infilled reinforced concrete frame with non-seismic details was carried out in order to evaluate its dynamic behaviour and damage under seismic condition. The tested specimens were the RC frame and the masonry infilled RC frame and the dynamic char...
In this paper, the shake table test for the masonry infilled reinforced concrete frame with non-seismic details was carried out in order to evaluate its dynamic behaviour and damage under seismic condition. The tested specimens were the RC frame and the masonry infilled RC frame and the dynamic characteristics, such as a resonant period, acceleration response, displacement response and base shear force response, were compared between them. As a result of the shake table test, RC frame specimen had flexural cracks at the top and bottom of the column and shear cracks at the joints. In the case of masonry infilled RC frame, the damage of the frame was relatively minor but the sliding cracks and diagonal shear cracks on the masonry wall were severe at the final excitation. The resonant period of infilled RC frame specimen was shorter than that of the RC frame specimen because the masonry infill contributed to increase the stiffness. The maximum displacement response of the infilled RC frame specimen was decreased by about 20% than the RC frame specimen. It was analyzed that the masonry infill wall applied in this study contributed to increase the lateral strength of the RC frame with non - seismic detail by about 2.2 times and the stiffness by about 1.6 times.
In this paper, the shake table test for the masonry infilled reinforced concrete frame with non-seismic details was carried out in order to evaluate its dynamic behaviour and damage under seismic condition. The tested specimens were the RC frame and the masonry infilled RC frame and the dynamic characteristics, such as a resonant period, acceleration response, displacement response and base shear force response, were compared between them. As a result of the shake table test, RC frame specimen had flexural cracks at the top and bottom of the column and shear cracks at the joints. In the case of masonry infilled RC frame, the damage of the frame was relatively minor but the sliding cracks and diagonal shear cracks on the masonry wall were severe at the final excitation. The resonant period of infilled RC frame specimen was shorter than that of the RC frame specimen because the masonry infill contributed to increase the stiffness. The maximum displacement response of the infilled RC frame specimen was decreased by about 20% than the RC frame specimen. It was analyzed that the masonry infill wall applied in this study contributed to increase the lateral strength of the RC frame with non - seismic detail by about 2.2 times and the stiffness by about 1.6 times.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 동적 지진하중 작용시 조적채움벽 RC골조의 동적 거동을 파악하고 조적채움벽 효과를 평가하고자 한다. 이를 위해 비내진 RC 골조를 대상으로 조적채움벽 유무에 따른 실험체를 제작하고 기록 지진가속도를 이용한 진동대 실험을 수행하여, 손상특성과 고유치 및 동적응답 등을 비교 분석한다.
제안 방법
가진단계는 입력지진파의 가속도 배율을 10, 30, 70, 100 ,130, 160, 190, 220, 250, 300%의 10단계로 계획하고, 단계별 가진 종료후 응답 및 손상상태를 확인하고 종료 혹은 재가진을 수행한다. 또한 실험체의 공진주기(탁월주기)를 평가하기 위하여 가진단계 전후에 지진파 10% 배율의 가속도를 사용하여 공진시험을 실시한다.
기둥 위치의 기초보 하부에는 200 kN 용량의 3축 로드셀 4개를 설치하여 실험체에 작용하는 밑면전단력을 측정한다. 또한 주요 철근의 항복 여부를 검토하기 위하여 기둥 위험단면 위치의 주근 및 보강근과 보 위험단면의 주근에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정한다. 실험체 및 계측 센서의 설치형상은 Fig.
본 논문에서는 조적채움벽의 유무에 따른 비내진상세 RC골조의 진동대 실험을 수행하고 손상 모드 및 동적응답을 비교 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
실험체의 가속도 및 변위 응답을 측정하기 위하여 기초보중앙부, 기둥 중앙부, 보 중앙부에서 가속도계와 LVDT를 설치하여 지진파 가진에 따른 응답의 시간이력을 계측한다. 기둥 위치의 기초보 하부에는 200 kN 용량의 3축 로드셀 4개를 설치하여 실험체에 작용하는 밑면전단력을 측정한다.
이에 본 연구에서는 동적 지진하중 작용시 조적채움벽 RC골조의 동적 거동을 파악하고 조적채움벽 효과를 평가하고자 한다. 이를 위해 비내진 RC 골조를 대상으로 조적채움벽 유무에 따른 실험체를 제작하고 기록 지진가속도를 이용한 진동대 실험을 수행하여, 손상특성과 고유치 및 동적응답 등을 비교 분석한다.
콘크리트 설계기준강도는 21 MPa이며, ① 기초보 및 슬래브, ② 기둥과 상부보 및 슬래브의 두 번으로 나누어 수직 타설한다. 조적채움벽 RC 골조 실험체의 경우 일일 쌓기 높이에 맞추어 2일에 나누어 조적공사를 실시한다.
조적채움벽의 유무에 따른 RC 골조의 공진주기(탁월주기)를 평가하기 위하여 각 가진단계 전후에 실시한 공진시험의 결과를 이용하여 전달함수(Transfer Function)를 산정하고, Table 4에 정리하였다. 전달함수(Txy)는 지진파 실험동안 진동대에 입력된 가속도에 대한 보 중앙부에서 계측한 응답가속도의 비를 이용하여 식 (1)과 같이 결정하였다.
10에 나타낸다. 층간변형비는 보의 중앙부에서 계측한 변위응답을 층 높이(3025 mm)로 나누어 계산하였다. RCM 실험체의 경우 160.
대상 데이터
RC 골조 실험체의 제작에 사용된 철근의 재질은 SD400 (fy400MPa)으로 기둥 주근은 HD16, 보 주근은 HD22를 사용하며, 기둥과 보의 전단보강근으로 HD10을 사용한다. 보 및 기둥 전단보강근의 구부림 각도는 내진설계기준 제정 이전의 설계기준에 따라 90도로 하며 정착길이는 12db로 한다.
실험체는 비내진 상세를 가지는 순수 RC골조(RCM)와 동일한 RC 골조내 조적채움벽을 설치한 조적채움 RC골조(RCMW)의 2종류로 계획한다. RC 골조 부분은 비내진상세로 설계된 5층 규모의 중·저층 건축물의 1층 부분을 대상으로 강보-약기둥의 기둥항복형 내부골조로 계획한다.
진동대 실험은 부산대학교 지진방재연구센터의 3자유도 진동대를 이용하여 수행한다. 실험체의 동적거동을 평가하기위해 입력지진파는 Fig. 2와 같은 El-Centro NS 지진파(1940년, PGA=341cm/sec2)를 사용하며 실험체의 면내방향으로 1축 가진한다. 가진단계는 입력지진파의 가속도 배율을 10, 30, 70, 100 ,130, 160, 190, 220, 250, 300%의 10단계로 계획하고, 단계별 가진 종료후 응답 및 손상상태를 확인하고 종료 혹은 재가진을 수행한다.
진동대 실험은 부산대학교 지진방재연구센터의 3자유도 진동대를 이용하여 수행한다. 실험체의 동적거동을 평가하기위해 입력지진파는 Fig.
이론/모형
실험체 제작에 사용된 콘크리트와 철근의 재료 특성을 분석하기 위하여 KS F 2405(콘크리트 압축강도 시험방법)과 KS D 3504(철근 콘크리트용 봉강)의 시험방법에 따라 각각 재료시험을 수행한다. 재료시험 결과는 Table 2와 Table 3에 나타낸다.
성능/효과
1) 순수 RC 골조(RCM)는 기둥 상부 및 하부에 휨균열이 발생한 후 접합부의 전단균열이 발생하였며, 최종 190% 가진시 접합부의 균열폭이 증가하고 손상이 심화되었다.
1단계(지진파 10% scale) 가진 전 실시한 공진시험결과를 이용하여 산정한 RCM 및 RCMW 실험체의 공진주기는 각각 0.175초와 0.152초로 분석되어, 조적채움벽으로 인해 공진주기가 약 23% 감소된 것으로 나타났다.
2) 실험체의 보 중앙부에서 계측한 가속도 응답을 이용해 주파수 분석을 수행한 결과, 조적채움벽 RC 골조(RCMW)는 순수 RC 골조(RCM) 보다 실험전 초기상태에서 공진주기가 약 23% 정도 감소하였다.
3) 조적채움벽 RC 골조(RCMW)의 최대 가속도응답은 가진초기에 순수 RC 골조(RCM)에 비하여 약 13% 크게 증폭되었으나 가진단계가 증가하면서 두 실험체간 최대응답가속도비는 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 변위 응답의 경우, 최종 가진단계에서 조적채움벽 RC 골조(RCMW) 실험체의 최대 변위응답이 순수 RC 골조(RCM) 보다 약 62% 감소하였다.
190% 가진시 조적채움벽 하부에서 전단균열이 발생하였으며, 250%, 300% 가진시 조적벽체의 중앙부 및 하부 슬라이딩 균열이 발생하고 대각방향으로 전단균열이 발생하였다. 300% 재가진시 조적채움벽 중앙부의 슬라이딩 균열을 중심으로 상하부 벽체가 거의 분리되어 거동하였으며, 우측 기둥 중앙부 후면에서 일부 조적개체가 탈락하는 등 조적벽체가 붕괴될 우려가 있는 것으로 판단되었다. 반면 RC 골조의 경우 RCM 실험체에 비하여 비교적 균열폭이 작고 전반적으로 손상이 작게 발생하였다.
4) 최종 가진단계의 하중-변위 관계 곡선에서 순수 RC 골조(RCM)의 경우 이력거동에 의해 에너지소산면적이 발생한 반면, 조적채움벽 RC 골조(RCMW)의 경우 최대하중 도달 이후 강성이 저감된 형태를 나타내었으며, 상대적으로 이력거동에 의한 에너지소산형태는 거의 나타나지 않았다.
5) 가진단계별 최대하중- 최대층간변형비를 이용하여 골격곡선을 유추한 결과, 순수 RC 골조(RCM)의 경우 하중 130.25 kN, 층간변형비 0.52%에 도달한 이후 하중은 크게 증가하지 않은 반면 변위가 크게 증가하였으며, 조적채움벽 RC 골조(RCMW)의 경우 최대하중 354.6 kN, 층간변형비 0.73% 도달시 까지 하중과 변위가 비교적 선형으로 증가하였으나 최종 가진단계에서 약 5% 정도 하중이 저하되었다.
6) 이상의 실험결과를 바탕으로 조적재움벽이 비내진상세를 가지는 RC 골조의 밑면전단력을 약 2.2배, 초기 강성을 약 1.6배 증가시키는데 기여한 것으로 판단되며, 최대 내력시 조적채움벽의 전단응력은 0.33 MPa로 분석되었다.
8의 시간이력과 같이 변위응답이 크게 증폭되었기 때문이다. RCM 실험체는 190% 재가진시 58.45 mm의 최대변위가 발생하였고, RCMW 실험체는 300% 최초 가진시 RCM실험체 보다 약 62.2% 감소된 22.09 mm의 최대변위가 발생하였다.
9에 가진단계별 최대 밑면전단력응답을 나타낸다. RCM 실험체는 최종 가진 단계까지 밑면전단력이 증가하였으며 160.4 kN의 최대 밑면전단력을 나타내었다. 이는 골조의 항복강도(휨항복시 전단력 Fy:144 kN)보다 약 1.
가진단계가 증가하면서 손상발생 정도에 따라 두 실험체의 공진주기도 증가하는 경향을 나타내었다. RCM 실험체의 경우 최종 190% 가진시 접합부의 잔류 균열폭이 커지고 손상이 증가함에 따라 강성이 저하되어 공진주기가 약 2.3배 길어졌으며, RCMW 실험체의 경우 최종 300% 가진시까지 1.3배 증가한 것으로 분석되었다. 실험체별 가진 전· 후(10% 및 190, 300% scale)에 분석한 전달함수를 Fig.
동일한 가진단계에서 RCM이 RCMW 실험체보다 많은 에너지가 입력됨에 따라 가진단계가 증가할수록 누적입력에너지 차가 증가하는 경향을 나타내었다. 가진 8단계(RCM : 190% 재가진, RCMW : 220%) 까지 입력된 누적에너지는 RCM이 RCMW 보다 약 3.2배 많은 것으로 분석되었으나, 각 실험체의 최종 가진단계를 비교하면 RCMW 실험체가 RCM 실험체 보다 2.34배 더 많은 누적에너지가 입력되었다.
가진단계가 증가하면서 손상발생 정도에 따라 두 실험체의 공진주기도 증가하는 경향을 나타내었다. RCM 실험체의 경우 최종 190% 가진시 접합부의 잔류 균열폭이 커지고 손상이 증가함에 따라 강성이 저하되어 공진주기가 약 2.
동일한 가진단계에서 RCM이 RCMW 실험체보다 많은 에너지가 입력됨에 따라 가진단계가 증가할수록 누적입력에너지 차가 증가하는 경향을 나타내었다. 가진 8단계(RCM : 190% 재가진, RCMW : 220%) 까지 입력된 누적에너지는 RCM이 RCMW 보다 약 3.
52%에 도달한 이후에서는 하중의 증가는 거의 발생하지 않고 변형이 크게 증가하였다. 반면, 최대하중 354.6 kN, 층간변형비 0.73% 도달시 까지 하중과 변위가 비교적 선형으로 증가하는 경향을 나타내었으며, 최종 가진단계에서 약 5% 정도 하중이 저하되었다.
여기서 RCMW 실험체는 조적채움벽의 영향으로 RCM 실험체보다 최대 강도는 약 2.2배, 초기 강성은 약 1.6배(2단계 기준, RCM : 11.37 kN/mm, RCMW : 18.03 kN/mm) 정도 증가함을 확인할 수 있었다. 또한, 두 실험체의 최대하중 도달시 밑면전단력의 차는 193.
가진 단계가 증가할수록 기둥 하부 및 상부의 휨균열이 증가하였고, 160% 가진시 접합부에 전단균열이 발생하였다. 이후 190% 가진시 까지 새로운 균열이 발생하지는 않고 접합부의 휨-전단 균열의 잔류균열 폭이 증가하였으며, 190% 재가진시접합부 전단균열이 심화되어 가진을 중단하였다.
RCMW 실험체의 경우 가진 초기 단계에서 기둥 중앙부 및 상부에 미세 휨균열이 발생하였으며, 100% 가진시 기둥 접합부에 전단균열이 발생하였다. 이후 190% 까지 가진단계가 증가할수록 기둥 전체에 미세 균열이 증가하였으나 잔류 균열은 거의 닫힌 상태를 유지하였다. 190% 가진시 조적채움벽 하부에서 전단균열이 발생하였으며, 250%, 300% 가진시 조적벽체의 중앙부 및 하부 슬라이딩 균열이 발생하고 대각방향으로 전단균열이 발생하였다.
Table 5에 각 실험체의 가진단계별 최대 가속도응답을 정리하였다. 지진파 30% 가진시 RCMW 실험체의 응답가속도가 약 13% 크게 발생하였으나 가진단계가 증가하면서 두 실험체간 최대응답가속도비는 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 특히 160% 가진시 부터는 RCM 실험체의 손상 정도가 심화됨에 따라 RCMW 실험체보다 더 큰 응답가속도가 발생하였다.
Table 6에 각 실험체의 가진단계별 최대 변위응답을 정리하였다. 최초 가진단계인 10% 가진시 최대 변위응답은 10%이내의 차이로 유사한 수준으로 발생하였으며, 30~160%가진단계에서 RCMW 실험체의 응답이 RCM 실험체보다 19~33% 정도 감소하였다. 두 실험체의 최대 변위응답비(Table 6에서 B/A)는 가진단계가 증가할수록 대체로 감소하는 경향을 나타내었으며, 190% 가진 단계에서 응답비가 크게 감소한 것은 RCM 실험체의 손상이 심화되면서 Fig.
29% 층간변형이 발생하여, RCM 실험체에 비해 비교적 강성이 큰 형태를 나타내었다. 한편, 이력거동에 의한 에너지소산면적은 거의 발생하지 않았으며, 최대하중 도달이후 다소 강성이 저감된 형태를 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
골조 형식의 기존 공공 건축물에서 공간 구획을 위해 사용한 것은?
국내 학교, 관공서 등 철근콘크리트(이하 RC)조 골조 형식의 기존 공공 건축물에서는 공간을 구획하기 위하여 조적채움벽을 주로 사용하였으나, 이들 부재는 하중을 지지하지 않는 비구조요소로 간주되어 설계시 고정하중으로만 고려하고 골조와 채움벽간 상호작용은 고려되지 않은 경우가 대부분이었다. RC 골조내 조적채움벽이 설치될 경우 이들의 상호작용에 의해 내력 및 수평강성이 증대되는 것으로 인식되고 있어(Shin et al.
기존 조적채움벽의 문제점은?
국내 학교, 관공서 등 철근콘크리트(이하 RC)조 골조 형식의 기존 공공 건축물에서는 공간을 구획하기 위하여 조적채움벽을 주로 사용하였으나, 이들 부재는 하중을 지지하지 않는 비구조요소로 간주되어 설계시 고정하중으로만 고려하고 골조와 채움벽간 상호작용은 고려되지 않은 경우가 대부분이었다. RC 골조내 조적채움벽이 설치될 경우 이들의 상호작용에 의해 내력 및 수평강성이 증대되는 것으로 인식되고 있어(Shin et al.
국내 조적채움벽이 전체 건물의 내진성능에 미치는 영향을 평가하기 위한 실험적, 해석적 연구의 한계는?
39 N/mm2로 계산하였다. 이와 같은 국내 기존 실험적 연구에서는 대부분 정적반복가력실험에 의해 조적채움벽효과를 파악한 것으로, 실제 지진가속도가 작용하는 경우의 동적효과 등이 고려되지는 못하였다.
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