[논문]프리캐스트 ECC 벽판으로 보강된 비내진 상세를 갖는 철근콘크리트 골조의 내진성능

김지현; 조성필; 서수연; 윤현도

doi:10.11112/jksmi.2019.23.6.105

[국내논문] 프리캐스트 ECC 벽판으로 보강된 비내진 상세를 갖는 철근콘크리트 골조의 내진성능
Seismic Performance of Non-ductile Reinforced Concrete Frames with Precast ECC Wall Panels 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.6, 2019년, pp.105 - 112

김지현 (충남대학교 건축공학과) , 조성필 ((주)동양구조엔지니어링) , 서수연 (한국교통대학교, 건축공학과) , 윤현도 (충남대학교 건축공학과)

초록
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본 논문은 비내진 상세를 갖는 철근콘크리트 골조 및 필로티 건물의 보강방법으로 높은 연성을 갖는 ECC를 적용한 PC 벽판을 내진 보강요소로 사용하고자 하였다. PC 벽판의 형상비 및 설치 위치를 변수로 RC 골조에 대한 반복가력실험을 실시하여 내진성능을 평가하였다. 실험결과 PC 벽판을 보강함에 따라 기존 RC 골조의 내력 증진, 강도저하 방지, 강성증진 및 에너지 소산능력 향상에 효과적인 것으로 나타났다. 실험결과를 근거로 비내진 상세를 갖는 골조의 강도 증진을 위하여 ECC PC 벽판을 골조의 중앙에 설치하고 연성증진을 위하여 세장한 벽판을 골조의 양측면에서 설치할 것을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to examine experimentally the seismic performance of non-ductile reinforced concrete (RC) frames retrofitted with precast(PC) engineered cementitious composite (ECC) wall panels. The seismic performance was investigated through cyclic load tests on RC frame with different aspect ratio (hw/lw = 2 and 3) and installation position (center and both side of RC frame) of the PC ECC wall panels. Test results indicated that the seismic strengthening method using PC ECC wall panels is effective to improve significantly the strength, stiffness and energy dissipation capacity of non-ductile RC frame. Based on test results, it can be recommended to install PC ECC wall panel at the center of RC frame for improving the strength and to install slender wall panels at both side of RC frame for increasing ductility.

Keyword

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Damage from Pohang earthquake⁴⁾
그림 Fig. 2 Dimensions and reinforcement details of SFR specimens (unit :mm)
그림 Fig. 3 Manufacturing procedures of ECC PC wall
그림 Fig. 4 Tensile stress-strain curve of ECC
표 Table 1 Construction procedure of high-ductile RC wall
표 Table 2 Mechanical properties of PVA fiber
그림 Fig. 5 Flexural stress-displacement curve of ECC
그림 Fig. 6 Test set-up of specimens
그림 Fig. 7 Cyclic response of specimens
그림 Fig. 8 Comparison of strength degradation ratio
그림 Fig. 9 Stiffness degradation of specimens
그림 Fig. 10 Energy dissipation of specimens
그림 Fig. 11 Strain variation in the main bars of columns

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 PC 벽판을 내진보강요소로 적용하여 비내진 상세를 갖는 골조를 보강하고자 하였으며, PC 벽판의 형상비 및 프레임 내부 보강 위치에 따른 철근콘크리트 골조의 내진성능을 평가하고자 하였다. 또한 PVA 섬유를 시멘트 복합체에 혼입하여 높은 연성 및 균열 제어 성능을 갖는 고인성 시멘트 복합체(Engineered cementiti- ous composite, ECC)를 PC 벽판에 적용하여 비내진 상세를 갖는 골조의 최대내력 이후 변형능력을 증대시키고 급격한 전단파괴를 방지하여 파괴이전까지 안정적인 내력을 유지하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 PC 벽판을 내진보강요소로 적용하여 비내진 상세를 갖는 골조를 보강하고자 하였으며, PC 벽판의 형상비 및 프레임 내부 보강 위치에 따른 철근콘크리트 골조의 내진성능을 평가하고자 하였다. 또한 PVA 섬유를 시멘트 복합체에 혼입하여 높은 연성 및 균열 제어 성능을 갖는 고인성 시멘트 복합체(Engineered cementiti- ous composite, ECC)를 PC 벽판에 적용하여 비내진 상세를 갖는 골조의 최대내력 이후 변형능력을 증대시키고 급격한 전단파괴를 방지하여 파괴이전까지 안정적인 내력을 유지하고자 하였다.
본 연구에서는 높은 연성을 갖는 ECC를 적용한 PC 벽판을 기존 철근콘크리트 골조 프레임 내에 적용하고자 하였으며, 이에 대한 내진보강 효과를 실험적으로 평가하기 위하여 Fig. 2와 같이 실험체를 계획하였다. 실험체에 설치되는 PC 벽판의 형상비 및 개수를 변수로 기존 철근콘크리트 골조를 보강하였으며, Fig.
본 논문에서는 기존 비내진 철근콘크리트 골조를 보강하기 위하여 높은 연성을 갖는 ECC를 적용한 PC 벽판을 접합하였다. PC 벽판의 형상비 및 접합 위치를 변수로 실험체를 제작하였으며, 내진성능을 평가하고자 반복가력실험을 실시하였고 실험결과는 다음과 같다.

제안 방법

0B) 상세를 나타낸 것이다. 또한 비교군으로 기존 철근콘크리트 골조(BF)를 제작하였다.
내진보강요소로 사용되는 PC 벽판의 제작방법을 Fig. 3에 나타내었으며 케미컬 앵커, H형강, 접합용 앵커볼트, PC 벽판을 사용하여 기존 철근콘크리트 골조에 접합하고자 하였다. 접합과정은 Table 1에 나타냈으며, 시공순서는 다음과 같다.
기둥 단면은 175×250 mm2, 기둥의 경간은 1,800 mm로 설정하였으며, 기둥의 주근은 D13 철근을 8개 배근하고, 전단보강근은 D6 철근을 150 mm 간격으로 배근하였다.
사용된 H형강 및 철골 구조물의 경우 SS275의 강재를 사용하였으며, 강재 케미컬 앵커 및 접합용 앵커볼트는 각 M8 및 M10 볼트를 사용하였다. 또한 PC 벽판과 상하부 철골 구조물의 일체화 및 보강을 위하여 H형강과 철골 구조물 사이에 스티프너를 용접하였으며, 대각, 수직, 수평방향으로 보강근을 설치하였다.
기존 골조에 사용된 콘크리트의 압축강도를 평가하고자 ∅ 100×200 mm의 원주형 압축공시체를 제작하여 KS F 2405에 따라 실험을 진행하였다. 재령 48일 및 109일 압축강도를 측정하였으며 각 32.2 및 35.1 MPa로 나타났으며, BF, PCW2.0C, PCW-2.0B, PCW-3.0B 실험체에 대한 실험은 각 재령 88일, 92일, 95일, 97일에 실시되었다. 사용된 철근은 SS275이며, 기존 철근콘크리트 골조의 기둥 및 PC 벽판 제작에 D6, D10, D13 철근이 사용되었다.
1% 혼합하여 제조하였으며, PVA 섬유의 특성을 Table 2에 나타내었다. ECC의 역학적 특성을 평가하기 위하여 압축, 인장, 휨실험을 실시하였다. 압축강도 평가는 ∅100×200 mm의 원주형 공시체를 사용하여 KS F 2405에 따라 실시하였으며, 평균 48.
6은 실험체 설치현황을 나타낸 것으로, PC 벽판의 보강방법에 따른 철근콘크리트 골조의 내진성능을 평가하기 위해 반복가력실험을 실시하였다. 실험체 하부보를 고장력 볼트를 사용하여 반력 슬라브에 고정하였으며, 반력벽에 1,000 kN 용량의 액츄에이터를 설치하여 실험체 상부에 횡하중을 가력하였다. 실험체 상부보에 가력 프레임을 설치하여 가력부의 손상을 방지하고자 하였으며, 변위제어방식으로 하중을 가력하였다.
실험체 하부보를 고장력 볼트를 사용하여 반력 슬라브에 고정하였으며, 반력벽에 1,000 kN 용량의 액츄에이터를 설치하여 실험체 상부에 횡하중을 가력하였다. 실험체 상부보에 가력 프레임을 설치하여 가력부의 손상을 방지하고자 하였으며, 변위제어방식으로 하중을 가력하였다. 층간변위로 제어되었으며, 반복가력 시 강도저하를 평가하고자 변위에 따라 3회 반복가력하였고, 층간변위비 0.
실험체 상부보에 가력 프레임을 설치하여 가력부의 손상을 방지하고자 하였으며, 변위제어방식으로 하중을 가력하였다. 층간변위로 제어되었으며, 반복가력 시 강도저하를 평가하고자 변위에 따라 3회 반복가력하였고, 층간변위비 0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%, 4.0%, 5.0%, 6.0%까지 반복가력을 실시하고자 하였다. 하중의 증가에 따라 내력이 급격하게 저하되거나 최대내력 70% 이하로 떨어졌을 경우 실험을 종료하였다.
하중의 증가에 따라 내력이 급격하게 저하되거나 최대내력 70% 이하로 떨어졌을 경우 실험을 종료하였다. 또한 반복하중 가력에 따른 철근의 변형률 및 실험체의 항복상태를 관찰하고자 철근콘크리트 골조의 기둥 주근에 철근게이지를 부착하였다.
10에 나타내었다. 에너지 소산능력은 각 실험체의 사이클별 하중-변위 곡선으로 둘러쌓인 면적의 합으로 평가하며, 본 논문에서는 각변위별 사이클의 누적 에너지 소산능력을 평가하였다. 각변위 1/200까지는 유사한 에너지 소산능력을 보였으나, 각변위 1/100에서 BF, PCW-2.
본 논문에서는 기존 비내진 철근콘크리트 골조를 보강하기 위하여 높은 연성을 갖는 ECC를 적용한 PC 벽판을 접합하였다. PC 벽판의 형상비 및 접합 위치를 변수로 실험체를 제작하였으며, 내진성능을 평가하고자 반복가력실험을 실시하였고 실험결과는 다음과 같다.
이때 기존 철근콘크리트 골조는 1980년도에 사용된 교육부 표준 교사동 도면을 근거로 보유 장비의 한계를 고려하여 실규모의 1/2 크기로 설계하였다. 철근콘크리트 골조의 상부보 단면은 400×400 mm², 하부보 단면은 400× 800 mm²로 제작되었다.

대상 데이터

철근콘크리트 골조의 상부보 단면은 400×400 mm2, 하부보 단면은 400× 800 mm2로 제작되었다.
기둥 단면은 175×250 mm², 기둥의 경간은 1,800 mm로 설정하였으며, 기둥의 주근은 D13 철근을 8개 배근하고, 전단보강근은 D6 철근을 150 mm 간격으로 배근하였다. 사용된 H형강 및 철골 구조물의 경우 SS275의 강재를 사용하였으며, 강재 케미컬 앵커 및 접합용 앵커볼트는 각 M8 및 M10 볼트를 사용하였다. 또한 PC 벽판과 상하부 철골 구조물의 일체화 및 보강을 위하여 H형강과 철골 구조물 사이에 스티프너를 용접하였으며, 대각, 수직, 수평방향으로 보강근을 설치하였다.
0B 실험체에 대한 실험은 각 재령 88일, 92일, 95일, 97일에 실시되었다. 사용된 철근은 SS275이며, 기존 철근콘크리트 골조의 기둥 및 PC 벽판 제작에 D6, D10, D13 철근이 사용되었다. 세 철근의 항복강도 및 인장강도를 KS B 0801에 준하여 평가하였으며, 실험결과 철근의 항복강도 및 인장강도는 D6 철근의 경우 418.
휨평가는 ASTM C1609에 따라 100×100×400 mm의 각주형 공시체를 사용하여 4점 재하방식으로 실험을 실시하였다.

이론/모형

압축강도 평가는 ∅100×200 mm의 원주형 공시체를 사용하여 KS F 2405에 따라 실시하였으며, 평균 48.4 MPa로 평가되었다.
기존 골조에 사용된 콘크리트의 압축강도를 평가하고자 ∅ 100×200 mm의 원주형 압축공시체를 제작하여 KS F 2405에 따라 실험을 진행하였다.
4 MPa로 평가되었다. 직접인장실험의 경우 JSCE-E- 531에 준하여 덤벨형 공시체로 실험을 실시하였으며, 실험결과를 Fig. 4에 나타내었다. 평균 초기균열강도는 3.

성능/효과

사용된 철근은 SS275이며, 기존 철근콘크리트 골조의 기둥 및 PC 벽판 제작에 D6, D10, D13 철근이 사용되었다. 세 철근의 항복강도 및 인장강도를 KS B 0801에 준하여 평가하였으며, 실험결과 철근의 항복강도 및 인장강도는 D6 철근의 경우 418.1 및 443.6 MPa, D10 철근의 경우 537.2 및 690.0 MPa, D13 철근의 경우 493.0 및 702.1 MPa로 평가되었다.
4에 나타내었다. 평균 초기균열강도는 3.90 MPa로 나타났으며, 약 2.02%의 변형능력을 보여 일반적인 콘크리트의 인장 변형률0.01%에 비해 높은 변형능력을 나타냈다. 휨평가는 ASTM C1609에 따라 100×100×400 mm의 각주형 공시체를 사용하여 4점 재하방식으로 실험을 실시하였다.
최대내력 이후 각변위 1/50에서 전단균열이 관찰되었으며, 내력이 점진적으로 감소하였다. 각변위 1/20에서 기둥 콘크리트의 박리현상이 나타났으며, 최종파괴양상에서 BF 실험체와 비교하였을 때 전단균열에 비해 휨균열이 다수 관찰되었다. 프레임 중앙부에 PC 벽판을 보강함에 따라 강도증진 및 전단보강이 가능할 것으로 판단된다.
5배 최대내력이 증가하였다. 최대내력 이후 점진적인 하중 감소를 보였으며, 최종파괴양상을 BF 실험체와 비교하였을 때 기둥에서 다수의 휨및 전단균열이 관찰되어 PC 벽판 보강에 따라 상대적으로 연성적인 파괴가 발생한 것으로 판단된다.
각변위 1/200까지는 유사한 에너지 소산능력을 보였으나, 각변위 1/100에서 BF, PCW-2.0C, PCW-2.0B, PCW-3.0B 실험체의 누적 에너지 소산면적이 각 635.5, 3811.3, 5120.2, 3326.0 kN·mm로 나타나 BF 실험체에 비해 PCW-2.0C 실험체는 약 5배, PCW-2.0B 실험체는 약 7.1배, PCW-3.0B 실험체는 약 4.2배 증가하였다.
0B 실험체의 최대 강도저하는 약 24%로 나타났다. PC 벽판을 보강한 실험체가 BF 실험체에 비해 비교적 완만한 강도저하를 보여 PC 벽판의 보강이 급격한 강도저하를 방지할 수 있을 것으로 판단되며, H형강의 과다사용은 급격한 강도저하가 발생할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 PCW-3.
9는 각변위 증가에 따른 각 실험체의 강성저하 특성을 비교한 것으로, 각 실험체의 강성은 하중-변위 곡선에서 각 각변위 별정가력 시 최대하중인 점 및 부가력 시 최대하중인 점을 이은 선의 기울기로 산정하였다. 각 실험체의 초기강성은 BF, PCW-2.0C, PCW-2.0B, PCW-3.0B 순서대로 각 12.8, 43.1, 56.1, 38.5 kN/mm로 나타났다. PC 벽판을 보강한 세 실험체의 초기강성이 BF 실험체의 초기강성보다 약 2~3.
5 kN/mm로 나타났다. PC 벽판을 보강한 세 실험체의 초기강성이 BF 실험체의 초기강성보다 약 2~3.4배 증가하는 결과를 보였으며, 세 실험체 모두BF 실험체에 비하여 전체적으로 높은 강성이 관찰되었다. 또한 PCW-2.
이후의 누적 에너지 소산면적 또한 BF 실험체에 비해 크게 나타나 PC 벽판을 보강함에 따라 기존 철근콘크리트 골조의 에너지 소산능력을크게 개선할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 PCW-2.0B 실험체가 파괴 전인 각변위 1/33 이전까지 누적 에너지 소산면적이 가장 크게 나타났으며, 각변위 1/33 이후 PCW-3.0B 실험체의 누적 에너지 소산면적이 가장 크게 나타났다.
1) 파괴양상 실험결과 BF 실험체의 경우 기둥 접합부에 균열이 집중되어 취성적인 최종파괴양상을 보였다. PCW2.
1) 파괴양상 실험결과 BF 실험체의 경우 기둥 접합부에 균열이 집중되어 취성적인 최종파괴양상을 보였다. PCW2.0C 실험체는 BF 실험체와 유사한 각변위에 휨균열 및 전단균열이 발생하였으며, 최종파괴양상에서 휨균열이 다수 관찰되어 PC 벽판 중앙부 보강에 따라 골조의 전단 보강이 가능할 것으로 판단된다. PCW-2.
2) 하중-변위 관계 실험결과 PC 벽판을 보강한 실험체의 최대 내력이 BF 실험체에 비해 약 1.5~2.5배 증가하는 것으로 평가되어 비내진 상세를 갖는 철근콘크리트 골조의 내력 증진에 효과적인 것으로 판단된다. 다만 PCW- 2.
3) 강도저하 평가결과 PC 벽판을 보강한 실험체의 강도저하가 BF 실험체에 비해 비교적 완만하게 나타나 비내진상세를 갖는 철근콘크리트 골조의 취성적인 파괴를 보완할 수 있을 것으로 판단된다. 강성저하 평가결과 PC 벽판을 보강한 실험체의 초기강성이 BF 실험체에 비해 약 2~3.4배 증가한 것으로 나타나 강성증진에 효과적인 것으로 판단된다. 사이클별 누적 에너지 소산능력 평가 결과 큰 차이를 보이기 시작한 각변위 1/100에서 PC 벽판을 보강한 실험체의 누적 에너지 소산면적이 약 4.
4배 증가한 것으로 나타나 강성증진에 효과적인 것으로 판단된다. 사이클별 누적 에너지 소산능력 평가 결과 큰 차이를 보이기 시작한 각변위 1/100에서 PC 벽판을 보강한 실험체의 누적 에너지 소산면적이 약 4.2~7.1배 증가하여 철근콘크리트 골조의 에너지 소산능력을 크게 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
4) 각 실험체 기둥의 철근변형률평가결과 PC 벽판을 양측에 배치한 실험체의 항복변형률이 비내진 상세를 갖는 실험체 및 중앙에 PC 벽판을 배치한 실험체에 비해 더 크게 나타나거나 항복이 발생하지 않은 것으로 나타났다. PC 벽판을 기둥 양측에 배치함에 따라 횡하중을 효율적으로 분산시키는 것으로 판단된다.
한편 최대내력은 PCW-2.0B 실험체에서 266.0 kN으로 가장 크게 나타났으나 이후 강도 저하 및 균열 폭의 증가가 급격히 발생하여 다른 보강된 실험체와 비교하였을 때 상대적으로 취성적인 파괴거동이 관찰되었다. 이는 다른 실험체에 비해 큰 H형강을 사용함에 따라 H형강과 철근콘크리트 골조 및 PC 벽판의 연결부에 응력이 집중되면서 하중의 분배가 원활하게 이루어지지 않았기 때문으로 판단된다.
3) 강도저하 평가결과 PC 벽판을 보강한 실험체의 강도저하가 BF 실험체에 비해 비교적 완만하게 나타나 비내진상세를 갖는 철근콘크리트 골조의 취성적인 파괴를 보완할 수 있을 것으로 판단된다. 강성저하 평가결과 PC 벽판을 보강한 실험체의 초기강성이 BF 실험체에 비해 약 2~3.

후속연구

2배 증가하였다. 이후의 누적 에너지 소산면적 또한 BF 실험체에 비해 크게 나타나 PC 벽판을 보강함에 따라 기존 철근콘크리트 골조의 에너지 소산능력을크게 개선할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 PCW-2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실험으로 확인한 ECC를 적용한 PC 벽판을 내진 보강요소로 사용하였을 때의 장점은?	PC 벽판의 형상비 및 설치 위치를 변수로 RC 골조에 대한 반복가력실험을 실시하여 내진성능을 평가하였다. 실험결과 PC 벽판을 보강함에 따라 기존 RC 골조의 내력 증진, 강도저하 방지, 강성증진 및 에너지 소산능력 향상에 효과적인 것으로 나타났다. 실험결과를 근거로 비내진 상세를 갖는 골조의 강도 증진을 위하여 ECC PC 벽판을 골조의 중앙에 설치하고 연성증진을 위하여 세장한 벽판을 골조의 양측면에서 설치할 것을 제안한다.
	필로티 건물이란?	공공시설물 중 학교의 경우 2005년 이전 대부분 건설되었으나 층수가 5층 이하로서 대다수 내진설계가 수행되지 않았으며, 주택 건설물 중 필로티 건물의 경우 2002년 다세대 및 다가구 주택에 1층 주차장 설치가 의무화됨에 따라 대량 건축되어 이에 대한 내진보강이 시급한 실정이다(Kim, 2017). 특히 필로티 건물의 저층부는 보와 기둥을 사용한 골조형식이며 상층부는 주거용도로 활용하기 위해 내력벽 형식을 사용하고 있는데, 해당 구조형식은 상층부 벽이 하층부에서 중단되면서 저층부에 연층 및 약층을 가지게 되며 상당한 강성불연속이 발생할 수밖에 없는 수직 비정형 구조물이다. 이에 하층부의 벽 배치가 비대칭인 경우 큰 비틀림을 받게 되어 상당한 피해가 발생할 수 있다(Ko and Lee, 2009).
	고인성 시멘트 복합체의 특성은?	이에 본 연구에서는 PC 벽판을 내진보강요소로 적용하여 비내진 상세를 갖는 골조를 보강하고자 하였으며, PC 벽판의 형상비 및 프레임 내부 보강 위치에 따른 철근콘크리트 골조의 내진성능을 평가하고자 하였다. 또한 PVA 섬유를 시멘트 복합체에 혼입하여 높은 연성 및 균열 제어 성능을 갖는 고인성 시멘트 복합체(Engineered cementiti- ous composite, ECC)를 PC 벽판에 적용하여 비내진 상세를 갖는 골조의 최대내력 이후 변형능력을 증대시키고 급격한 전단파괴를 방지하여 파괴이전까지 안정적인 내력을 유지하고자 하였다.

참고문헌 (15)

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상세보기
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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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