3.1. 실험체 계획

본 연구에서는 연결철물 삽입에 따른 조적벽체의 내력 및 연성, 에너지소산의 변화를 확인하기 위해 조적벽체 및 교차 부 실험체를 모사하여 제작하였다. 각 실험체의 크기는 Fig. 2(a), 2(b)와 같이 벽체실험체는 ASTM C1314의 조적조 프리 즘 실험체를 기준으로 소성벽돌을 5단 (490×325mm)으로 제작하였으며, 교차부 실험체는 줄눈에 삽입되는 연결철물의 보강량을 고려하여 8단 (590×526mm)을 쌓아 제작하였다. 모든 실험체의 두께는 조적조에서 가장 많이 사용하고 있는 1.0B로 동일하게 제작하였으며, 실험체의 변수 및 일람은 Table 1에 나타내었다. WBJ실험체는 막힌줄눈으로 시공된 일반적 인 벽체이며, WEJ실험체는 신축줄눈이 시공된 벽체의 부분 실험체이다. 벽체에 시공된 연결철물은 2단 또는 3단마다 설 치하였으며, 단면적이 넓은 판형 연결철물은 Fig. 2(c), 2(d)와 같이 각 단마다 1개씩 설치하고, 단면적이 작은 선형 연결철 물은 Fig. 2(e), (f)와 같이 각 단마다 2개씩 설치하였다. 교 차부실험체로 제작된 MBJ실험체는 2단마다 반토막씩 물려 쌓기로 시공되었으며, MEJ실험체는 신축줄눈이 시공되었다. MEJT-2와 MEJP-2는 각각 선형과 판형 연결철물을 2단마다 삽입하였으며, MEJTP-2실험체는 2단마다 선형및 판형 연결 철물을 교대로 시공하였다. 선형과 판형 연결철물의 재료는 각각 철과 스테인레스로 제작하였으며, 줄눈과의 부착성능 향상을 위해 판형 연결철물은 단부에 8개의 구멍을 가공하 였고, 선형 연결철물은 트위스트 형태로 제작하였다. 실험체 는 최대한 일정한 시공품질을 위해 조적숙련공이 제작하였다.

Fig. 2.

Masonry specimens

3.2. 사용재료

본 연구에서는 KS F 4004d에서 규정한 A형 벽돌 (190× 90×57mm)을 사용하였으며, 벽돌의 강도 및 조적벽체의 압 축강도 측정을 위해 ASTM C1314에 따른 프리즘 압축강도 를 측정하였다. 프리즘 압축강도를 위한 실험체는 총 4개 제 작하였으며, 28일 강도를 측정하였다. 측정결과 소성벽돌의 강도는 56.4MPa, 조적벽체의 프리즘 압축강도는 18.7MPa를 보였으며, Table 2에 그 결과를 나타내었다.

줄눈모르타르는 모래:시멘트=3:1비율의 레미탈을 사용, 물 -시멘트비는 62% 수준으로 플로어테스트시 20±1cm 내외가 되도록 배합하였다. 50×50×50mm의 공시체를 9개 제작하여 28일 압축강도를 측정하였다. 재료실험 결과는 Table 3에 정 리하였다.

시험에 사용된 연결철물은 스테인리스 트위스트 바와 SS400 강재로 제작된 스틸 플레이트이다. 트위스트바는 원형을 중 심으로 삼각단면을 갖는 스테인리스 스틸을 일정비율로 꼬 아 만든 형태로 녹에 대한 2차피해를 방지할 수 있으며, 스 틸 플레이트는 강판에 줄눈과 부착성능을 향상시키고자 구 멍으로 가공하였다. 연결철물은 줄눈에 삽입되어 외력에 의 한 조적개체의 균열방지하며 하중을 분산시키는 역할을 한 다. 보강재의 형상 및 인장실험결과는 Table 4와 Fig. 3과 같 으며, 판형연결철물의 경우 구멍없는 부분 (a)과 구멍있는 부 분 (b)의 강도로 나타내었다.

Fig. 3.

Reinforcement properties

3.3. 실험방법

본 연구에서는 조적벽체 실험체 (WBJ~WEJT-3실험체)는 Fig. 4(a)와 같이 연결철물 주변 벽돌에 하중이 집중되도록 단순 지지로 하였으며, 신축줄눈을 중심으로 가력하기 위해 지점간의 거리의 2/5에 2점 가력하였다. 벽체의 가력은 0.05mm/min 속도 로 단조가력 하였다. 조적벽체 교차부 실험체 (MBJ~MEJTP2) 는 벽체를 바닥부재에 볼트 및 에폭시를 이용하여 고정시켰 으며, 액츄에이터 (Actuator)를 이용하여 변위제어방식으로 반복가력하였다. 이때 가력되는 교차부 벽체는 면외방향으로 가력되며, Fig. 4(b)에서와 같이 총 26회의 각 사이클마다 점 증가력을 하였고 Fig. 4(c)와 같이 설치되었다. 실험체의 미 끄러짐 또는 파괴발생시 실험은 중단하였다.

Fig. 4.

Specimens set-up

4.1. 벽체 하중-변위 이력곡선 및 파괴형태

벽체 실험체의 실험결과는 Table 5에 정리하였으며, 실험 체의 항복강도 및 변위는 균열발생에 따른 강성저하가 크게 나타나는 하중감소시점을 기준으로 기록하였다. 실험체의 최 종파괴형태는 Fig. 5와 같이 균열발생 순서 (①, ②, ③)으로 표시하여 나타내었다.

Fig. 5.

Crack occurrence and failure mode

WBJ벽체실험체는 막힌줄눈으로 시공된 실험체로서 초기 하부지점에서 균열이 발생 후, 줄눈 및 벽돌에 전단균열로 이어지면서 하중감소가 나타났다. 신축줄눈이 시공된 WEJ 실험체는 초기 신축줄눈을 따라 균열이 발생되었고, 이후 단 부로 균열이 확장되면서 하중감소가 발생하였다. 신축줄눈 설치에 따른 항복내력은 설치 전 87.2kN, 설치 후 61.1kN을 보여 신축줄눈시공에 따른 약 30%의 하중감소가 나타났으며, 이는 상부하중이 벽돌과 줄눈으로 균열이 분포된 WBJ실험체 와 달리, WEJ실험체는 신축줄눈을 중심으로 하중이 집중되 었기 때문으로 판단된다. 판형 연결철물이 시공된 WEJP-2실 험체는 보강전 시험체와는 달리 단부지점에서 초기균열이 발 생하여, 좌⋅우측으로 균열이 확장되었으며, 좌측부 균열은 연결철물을 관통, 우측부 균열은 연결철물 삽입부분 외측에 서 균열이 발생하면서 일부 탈락이 나타났다. 초기 단부지점 에서 발생된 초기균열이 경사방향으로 상부가력지점으로 균 열이 확장된 WEJP-2실험체와 달리 WEJP-3실험체는 신축 줄눈방향으로 균열이 진행되면서 내력저하가 발생하였으며, 이때의 최대내력은 각각 168.7kN, 182.8kN을 보여 연결철물 시공전에 비해 약 2.5배 향상되었다. 이는 WEJ실험체는 신축 줄눈에서 균열발생후 파괴가 되었으나, WEJP-2과 WEJP-3실 험체는 전단균열발생후 내부 판형 연결철물의 변형률이 각각 최대 0.0008과 0.0056의 변형률을 보여 판형 연결철물이 벽 체의 급격한 파괴 방지와 하중을 증가시켰다. 이때 WEJP-2 보다 WEJP-3실험체의 연결철물이 지점에 더 가까이 있어 가력에 따른 하중집중이 연결철물에 더 크게 걸리면서 더 큰 변형과 하중감소가 발생하였다. 판형 연결철물과 달리 선형 연결철물인 트위스트바가 시공된 WEJT실험체는 WEJ실험 체와 같이 신축줄눈에서 초기균열이 발생후 지점균열로 확산되 었으며, 항복내력은 WEJT-2와 WEJT-3실험체 각각 147.4kN, 107.3kN을 보여 설치전에 비해 1.68배, 1.43배 증가한 것으 로 나타나다. WEJT실험체는 WEJP실험체와 달리 급격한 하 중의 감소는 나타나지 않고 균열발생후에도 안정적인 하중- 변위 이력곡선이 나타나 항복내력 증가에는 판형 연결철물 이 유리하고 파괴후 안정적 거동에는 선형연결철물이 유리 함을 확인하였다.

4.2. 벽체 유효강성 변화

유효강성은 하중-변위그래프의 직선 기울기로 일반적으로 가력되는 변위가 증가 될수록 감소하는 경향을 보이며, 여기 서는 항복내력시 하중-변위의 기울기를 유효강성으로 보았 다. 실험결과는 Fig. 6에 나타냈으며, 신축줄눈 설치에 따른 강성의 변화는 WBJ는 31.5kN/mm, WEJ는 20.4kN/mm를 보 여 신축줄눈설치로 35.3%의 강성감소가 나타났으나, 판형 및 선형 연결철물 설치시 WEJP-2, WEJP-3, WEJT-2, WEJT-3 는 각각 51.7kN/mm, 51.2kN/mm, 34.4kN/mm, 29.4kN/mm 를 보여 설치전에 비해 최소 1.44배, 최대 2.53배 강성이 증 가하여 판형연결철물이 강성증가에 유리함을 확인하였다.

Fig. 6.

Relationship between effective stiffness of specimens

4.3. 교차부 하중-변위이력 곡선 및 파괴양상

교차부 실험체의 실험결과는 Table 6에 정리하였으며, 실 험체의 하중-변위곡선 및 최종파괴형태는 Fig. 7, 포락곡선 은 Fig. 8에 나타내었으며, 이때의 그림은 실험체가 파괴 또 는 미끄러짐이 발생하기 전을 기준으로 기록되었다.

Fig. 7.

Relationship between lateral force and drift ratio

Fig. 8.

Envelope Curves

MBJ 및 MEJ실험체는 교차부 줄눈에서 균열발생과 함께 파괴가 되었으며, 신축줄눈 시공전에 비해 시공후 하중이 약 0.64배를 보여, 면외방향 외력에 대한 저항능력 감소를 확인 했다. MBJ실험체에 판형 연결철물과 트위스트바를 삽입시 최소 1.17배, 최대 1.79배의 내력증가가 나타났으며, 특히 판 형 연결철물을 6단, 3단, 2단마다 삽입시 각각 56kN, 75.7kN, 85.8kN을 보여 삽입양을 증가시킬수록 가력에 따른 높은 내 력향상이 관찰되었다. 교차부의 내력이 향상된 MBJP-2, 3, 6실험체는 판형 연결철물 삽입부위에서 균열이 발생되었으 나, MBJT-2실험체는 양단부의 줄눈부위 균열이 발생하면서 파괴가 나타나, 판형 연결철물이 선형 연결철물보다 더 많은 균열을 발생시켰다.

신축줄눈부위에 판형 및 선형 연결철물을 시공한 MEJT-2, MEJP-2, MEJTP-2실험체는 각각 45.2kN, 50.6kN, 36.9kN 을 보여 시공전에 비해 최소 1.21배, 최대 1.65배의 내력향 상이 관찰되어 교차부에서도 판형 연결철물이 내력향상이 유리 하였다. 신축줄눈부위에만 균열이 발생한 MEJ실험체와 달리 연결철물 삽입시 변형이 증가하면서 수평방향으로도 균열이 확산되었다.

4.3. 교차부 연성도 비교

구조물의 구조성능평가의 중요한 평가지표가 되는 연성은 크게 변위연성 (Displacement Ductility)과 에너지연성 (Energy Ductility)으로 구분하며, 일반적으로 연성도는 변위연성도를 의미한다. 변위연성도는 구조물의 항복변위 (Δy)와 극한변위 (Δmax)의 비로 계산한다. 항복변위는 최대내력 (V_max)의 75% 에 해당하는 하중과 곡선이 만나는 교점을 항복변위로 결정 하였으며, 극한변위는 최대내력시 변위를 극한변위로 정의하 였다 (^{Ko, 2013}).

Fig. 9에 나타난 바와 같이 연결철물이 삽입되지 않는 MBJ실험체와 MEJ실험체의 정 (+)방향 가력 연성도는 두 실험체 모두 1.0으로 나타나, 조적조 교차부의 균열발생 이 후 낮은 연성능력을 보임을 확인하였다. MBJ실험체에 선형 및 판형 연결철물을 2단마다 삽입한 MBJT-2, MBJP-2실험 체는 삽입전에 비해 각각 1.2배, 1.9배의 연성증가를 보여, 교차부의 강성이 큰 막힌줄눈으로 시공된 벽체에는 판형 연 결철물이 연성향상에는 효과적이었다. 신축줄눈이 설치된 실 험체에 선형 및 판형 연결철물을 각각 2단씩 삽입한 실험체 는 각각 2.6배, 1.7배의 연성도 향상을 보여 신축줄눈에서는 선형 연결철물이 연성향상에 유리한 것으로 나타났다.

Fig. 9.

Comparison of ductility

4.4 소산에너지 비교

Fig. 10은 변위에 따른 실험체의 소산에너지를 비교하여 나타내었다. 가력이 진행되는 초기에는 MBJ실험체와 MEJ 실험체의 보강유⋅무에 관계없이 소산에너지는 비슷한 수준 이었으나, 최종 변위시의 소산에너지는 신축줄눈 설치전이 3.5배 높게 나타났다. MBJ실험체에 선형 및 판현 연결철물 삽입시 최소 4.5배, 최대 6.6배로 소산에너지가 증가하였으 며, MEJ에 연결철물 설치시 최소 5.4배, 최대 21.9배로 설치 전에 비해 소산에너지가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 MBJT-2보다 MBJP-2실험체가 1.2배, MEJT-2보다 MEJP-2 실험체가 1.3배의 소산에너지가 높게 나타나 선형보다는 판 형 연결철물이 에너지를 흡수하는데 효과적인 것으로 확인 되었다.

Fig. 10.

Energy dissipation