[논문]콘크리트블록으로 건식조립된 벽체의 수평반복하중에 대한 구조거동 연구

이중원

doi:10.5762/kais.2020.21.6.440

초록
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조적구조는 소규모 건축물에서는 내력벽으로 사용되나 일반적으로 비내력벽으로 간주되어 건축물 골조구조의 내부공간을 구분하는 칸막이벽으로 활용되어진다. 또한 조적공사에서 블록이나 벽돌간의 접착제로 모르타르를 사용하는 습식공법은 양생시간이 필요하여 기후조건에 영향을 받으며, 특히 지진과 같은 횡력에 대해 모르타르의 균열로 벽체의 전도붕괴 등이 발생할 수 있어 매우 취약한 구조이다. 본 연구에서는 이러한 조적구조의 약축방향 전단강성을 보완하고 습식공법의 단점을 개선하는 건식 콘크리트블록 공법을 제안하고 그 구조거동을 규명하고자 한다. 이에 본 연구에서는 콘크리트블록의 재료물성을 살펴보고 수평반복하중에 대한 구조거동실험을 통해 제안된 건식조립 콘크리트블록 벽체의 내진성능을 검증하고자 한다. 본 연구결과에 의하면 첫째로, 콘크리트블록은 KS규준에 C종 블록의 재료성능 이상을 확보하고 있어 습식공법을 대신하는 건식공법에 적용할 수 있을 것이다. 둘째로, 수평반복하중에 대한 벽체의 구조성능은 벽체의 수평길이가 길어짐에 따라 사용된 표준형블록의 증가로 다수의 대각선방향 균열대를 형성하면서 조립블록벽체의 내력이 커짐을 알 수 있다. 끝으로 제안된 건식조립 콘크리트블록 벽체구조는 높이와 길이에 의한 벽체의 형상비가 수평 하중을 받는 구조거동에 주요 영향변수로 판단되어 이를 고려한 내진성능평가가 필요하다.

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Masonry structures are used as bearing walls in small buildings, but they are generally considered non-bearing walls. They are used as partition walls that divide the interior spaces of the frame structures of buildings. In addition, wetting techniques that use mortar as an adhesive between blocks o...

Masonry structures are used as bearing walls in small buildings, but they are generally considered non-bearing walls. They are used as partition walls that divide the interior spaces of the frame structures of buildings. In addition, wetting techniques that use mortar as an adhesive between blocks or bricks in construction are vulnerable to climatic conditions, especially cracks in mortar, which can cause conduction collapse of the walls in seismic loading. The purpose of this research was to propose a dry concrete block construction method that complements the weak axial shear stiffness and improves the weakness of the wet construction method as well as to investigate its structural behavior. In this study, the material properties of concrete blocks were examined, and the seismic performance of the proposed dry assembly structure was verified by structural behavior tests on horizontal cyclic loads. First, in these study results, concrete blocks can be applied to the dry block construction method instead of wet construction methods because they secure more than C-type blocks in KS regulations. Second, the structural performance of the wall against a horizontal cyclic load indicates that the resisting force of the assembly block wall is increased by increasing the horizontal length of the wall, forming several diagonal cracks. Finally, the proposed dry block wall structure requires a seismic performance assessment considering that the ratio of the shape of the wall by height and length is considered a major influence variable on the structural behavior under a horizontal load.

주제어

표/그림 (16)

표 Table 1. Outline of dry stack block wall
그림 Fig. 1. Specimen wall assembly for L=1,200mm
표 Table 2. Mix design of dry concrete block
표 Table 3. Comparison of production permit dimension
표 Table 4. Comparison of Absorption ratio
표 Table 5. Comparison of compressive strength
그림 Fig. 2. Experimental setting of dry stack block wall
그림 Fig. 3. LVDT Installation position
그림 Fig. 4. Applied cyclic lateral load pattern
그림 Fig. 5. Wall crack pattern (L=1,200 mm)
그림 Fig. 6. Wall crack pattern (L=1,600 mm)
그림 Fig. 7. Wall crack pattern (L=2,000 mm)
그림 Fig. 8. Load-Displacement curve for LVDT 1
그림 Fig. 9. Load-Displacement curve for LVDT 7
그림 Fig. 10. Load-Displacement curve for LVDT 8
표 Table 6. Experimental results from LVDT 7, 8

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 콘크리트블록으로 조립한 건식조적벽체가 지진과 같은 횡력을 받을 때의 구조성능을 규명하기 위해, 먼저 콘크리트블록의 재료물성을 살펴보고 수평반복하중에 대한 조립된 벽체의 구조거동실험을 통해 제안된 건식블록벽체의 내진성능을 검증하고자 한다.
이에 조적구조의 취약한 약축방향 전단강성을 보완하고 모르타르의 불확실성을 배제함으로써 조적벽체를 갖는 구조물의 내진성능을 정확하게 평가할 수 있도록 습식공법을 개선하는 건식공법을 제안하고자 한다.

제안 방법

건식 콘크리트블록벽체의 조립을 위해 표 1과 같이, 200 mm(W) x 400 mm(L) x 200 mm(H) 크기의 표준형블록(standard block)과 129 mm(W) x 129 mm(L) x 200 mm(H) 크기의 핀블록(pin block)을 설계하였으며 최상단과 하단부, 양단부를 마감하기 위해 별도의 1/2 크기의 콘크리트블록을 고안하였다.
수평반복하중에 대해 건식 콘크리트블록 벽체구조의 구조거동을 규명하기 위해 건식블록벽체 실험체 설치는 그림 2와 같다. 건식블록벽체 실험체는 상, 하부 철골구조프레임과 고력앵커볼트로 조여서 일체화시켰으며, 측면에 2,000 kN 용량의 Actuator로 수평반복하중을 가력하도록 설치하고 정·배면에 500 kN 용량의 Actuator로 상부프레임의 부가자중을 축력에 포함하여 일정축력이 유지되도록 수직가력을 하였다. 수평반복하중의 가력방향은 그림 2에서 수평 Actuator가 왼쪽 방향으로 밀어내는 것을 정가력, ·반대방향으로 당기는 것을 부가력방향으로 하여 실험결과를 분석하였다.
건식블록벽체 실험체의 제작을 위해 그림 1과 같이 높이 1.6 m(블록 8단)을 고정하고 길이(L)를 1.2 m, 1.6 m, 2.0 m로 변화시켜 벽체 형상비(H/L)가 0.75, 1.0, 1.25를 갖는 3종류의 블록벽체를 조립하였고 그림 1과 같이 수평반복하중 실험용 구조물과의 접합을 위해 접합볼트구멍을 갖는 연결철물을 제작하여 콘크리트블록의 최상부면과 최하부면에 에폭시본드로 접착하여 설치하였다. 실험체 세팅시 움직임을 방지하기 위해 임시용 수직볼트 6개를 수직으로 설치하여 고정하고 실험체 세팅이 완료된 후 제거하였다.
건식블록벽체의 수평하중에 대한 구조성능을 확인하기 위해 그림 4와 같이 2점 점증가력 변위제어방식으로 수평하중을 반복가력 하였고, 가력변위는 실험체 높이에 변위증분(0,125%)을 곱하여 12 cycle까지 고려하여 가력을 하였다.
실험체에 발생하는 변위를 측정하기 위해서 그림 3과 같은 위치에 총 9개의 변위계(LVDT)를 설치하여 벽체 수평변위(L1), 미끄러짐 변위(L9), 회전거동에 의한 변위(L2~L4), 전단변형(L7, L8)을 측정하였다.

데이터처리

건식블록벽체의 형상, 성능기준 및 시험법에 대해서 현재 국내기준은 없는 상태로 이와 유사한 ‘KS F 4002 속빈 콘크리트블록’에 대한 성능기준을 살펴보고 이를 제안된 건식 콘크리트블록의 표준형블록을 기준으로 측정한 재료물성 값과 허용기준을 비교해 분석하였다.

이론/모형

콘크리트블록의 배합설계를 위해 공시체 실험체 기준 설계강도를 KS F 2405에 따라 21 MPa 목표로 하고 그에 따른 배합비는 표 2와 같다.

성능/효과

끝으로 건식조립 콘크리트블록 벽체구조는 벽체의 높이와 길이비에 의한 형상비가 수평하중을 받는 벽체의 구조성능에 주요 영향변수로 판단되어 이를 고려한 내진성능평가가 필요함을 알 수 있었다.
둘째로, 수평반복하중에 대한 건식 콘크리트블록 벽체의 구조성능은 벽체의 수평길이가 길어짐에 따라 다수의 대각선방향 균열대가 증가되면서 벽체의 내력이 최대 1.79배 커짐을 알 수 있었다.
첫째로, 제안된 건식 콘크리트블록은 흡수율 3.8 % 와 강도 12.1 MPa을 나타내고 있어 KS규준에 C종 속빈콘크리트블록의 기준치 이상을 확보하고 있었다.

후속연구

습식조적벽체는 건축물의 내진성능 평가시에 철근콘크리트구조와 달리 모르타르 접합부의 불균질성으로 강성평가가 어렵고 그 조적벽체 배치가 평면에서 불규칙하면 구조물의 지진거동을 왜곡하기도 한다. 이에 조적벽체의 내진강성평가를 위한 많은 연구들이 수행되었으나 아직도 구조물의 강성이나 내진성능평가를 위해서 추가 연구들이 필요하다.

참고문헌 (8)

ATC, Evaluation of earthquake damaged concrete and masonry wall buildings, FEMA 306, 1998. https://www.fema.gov/media-library-data/20130726-1506-20490-1995/fema-306.pdf
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K. H. Moon, Y. R. Jeon, C. S. Lee, S. W. Han, "Evaluation of Performance of Korean Existing School Buildings with Masonry Infilled Walls Against Earthquakes", Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.16 issue 6, pp. 37-46, 2012. DOI:https://doi.org/10.5000/EESK.2012.16.6.037
H. Liu, P. Liu, K. L., S. Zhao, "Cyclic Behavior of Mortarless Brick Joints with Different Interlocking Shapes", Materials, v.9(3) 166, pp. 1-12, 2016. DOI:https://doi.org/10.3390/ma9030166
K. Lin, Y. Z. Totoev, H. Liu, T. Guo, "In-Plane Behaviour of a Reinforcement Concrete Frame with a Dry Stack Masonry Panel", Materials, v.9(2) 108, pp. 1-17, 2016. DOI:https://doi.org/10.3390/ma9020108
M. Ali, R. J. Gultom, N. Chouw, "Capacity of innovative interlocking blocks under monotonic loading", Construction and Building Materials, v.37, pp. 812-821, 2012. DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.08.002

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M. Ali, R. Briet, N. Chouw, "Dynamic response of mortar-free interlocking structures", Construction and Building Materials, v.42, pp. 168-189, 2013. DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.01.010

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