2.1. 실험체 개요

실험체는 내진설계가 실시되지 않은 5층 이하의 기존 저층 철근콘크리트 건축물을 대상으로 Fig. 1과 같이 강보-약기둥 의 기둥항복형 1층 1경간 골조에 콘크리트 벽돌 1B 쌓기로 조 적채움벽을 구성한 것이다. 부재 단면상세는 Table 1과 같으 며 실험 여건을 고려하여 최대한 실제 크기와 동일하게 제작 하였다. 또한, 조적채음벽체는 일일 쌓기 높이에 맞춰 2일에 나누어 조적공사를 실시하였다(Fig. 2).

Fig. 1

Specimen (uint : mm)

Fig. 2

Masonry wall infill

실험체 제작에는 설계기준강도 21 MPa의 콘크리트와 SD400 철근을 사용하였으며, 각각의 재료시험 결과는 Table 2 및 Table 3과 같다.

Table 4는 실험체의 전단내력 계산값을 나타낸다. 여기서, RC 프레임의 전단내력은 참고문헌(^{Kurosawa et al, 2006})에 따라 다음 식 (1) 및 (2)에 의하여 계산하였으며, 조적채움벽 체의 전단내력은 참고문헌(^{FEMA 306, 1999})의 조적채움벽 파괴모드에 의거하여 계산하였다.

여기서, Q_m : 최대 휨모멘트에 의한 부재 단면 전단력, M_u : 부재 단면 최대 휨모멘트, h : 부재 순높이, a_g : 주근 단면적, σ_y : 주근 항복강도, g₁ : 응력 중심간 거리(0.8), D : 부재 단면 높 이, N : 축력, b : 부재 단면 폭, F_c : 콘크리트 압축강도

한편, 조적채움벽체의 전단내력 계산값은 등가 대각스트럿 압축파괴에 의한 것이 가장 작은 것으로 나타나 조적채움벽 체는 등가 대각스트럿의 압축파괴에 의한 파괴가 예상된다.

2.2. 가력 및 측정방법

실험체 가력은 Fig. 3과 같이 1,000 kN의 액츄에이터를 이 용하여 실험체 상부 가력보 위치에서의 변위제어로 Fig. 4와 같 은 가력이력에 따라 정· 부방향 3회씩 반복하여 실시하였다.

Fig. 3

Loading and measurement (uint : mm)

Fig. 4

Loading history

실험체 작용 하중은 액츄에이터에 내장된 로드셀로 측정하 였으며, 수평변위는 Fig. 3과 같이 액츄에이터 중심위치, 보단 면 중심위치, 기둥 중앙부 및 기둥 하부에 4개의 LVDT를 설 치하여 측정하였다. 또한, 기둥과 보의 주근 및 횡보강근의 변 형률은 Fig. 3과 같이 부재 위험단면위치를 중심으로 16개소 에 스트레인게이지를 부착하여 측정하였다.

3.1. 균열 및 파괴 형상

목표 층간변형각 0.2%에 의한 가력 중에 기둥 상· 하부 및 보 좌측단부 위험단면 위치에 휨균열이 발생하였으며, 보와 조적채움벽체 및 좌측 기둥과 조적채움벽체 사이 접촉면에 균열이 발생하였다. 또한, 조적채움벽체 하부 줄눈에 슬라이 딩 균열이 발생하였다.

목표 층간변형각 0.5%에 의한 가력으로 기둥 전면에 휨균 열이 분산되어 발생하였으며, 보 우측단부 위험단면 위치에 휨균열이 발생하였다.

목표 층간변형각 1.0%에 의한 가력 중에 보-기둥 접합부 패 널에 전단균열이 발생하였으며, 보 좌측 및 우측 단부에 전단 균열이 발생하였다.

목표 층간변형각 1.5%에 의한 두 번째 가력으로 좌측 기둥 상부에서 접합부까지 이어진 전단균열 폭이 크게 벌어지면서 콘크리트가 탈락하고 철근이 좌굴되었으며, 이에 따라 실험 체의 내력이 최대 내력의 약 40% 정도로 저하되면서 실험체 가 취성 파괴되었다. Fig. 5는 실험체의 최종 파괴 형상을 나타 낸다.

Fig. 5

Collapsed specimen

한편, 가력 초기부터 발생한 조적채움벽체와 RC 골조 사이 의 균열이 목표 층간변형각 1.0%에 의한 가력 시에 벌어지면 서 조적채움벽체와 RC 골조는 완전히 분리되었다. 가력 스텝 이 증가함에 따라 RC 골조와의 상호작용으로 조적채움벽체 하부 슬라이딩 균열을 중심으로 강체 회전하였으며, 이로 인 하여 실험 종료 시점에는 조적채움벽체 상부 코너 벽돌이 일 부 탈락하였다. 하지만, 조적채움벽체는 실험 종료 시까지 하 부 슬라이딩 균열, 상보 벽돌 일부 압괴 및 탈락 등을 제외하고 전단균열 등의 균열이 발생하지 않았으며 , 이는 조적채움벽 체 제작 당시 벽돌 사이에 모르타르를 밀실하게 채웠기 때문 으로 판단된다.

3.2. 수평하중과 층간변위 관계

Fig. 6은 실험체의 수평하중과 층간변형각과의 관계를 나 타낸다. 여기서, 층간변형각은 Fig. 3의 상부 보 중심에 설치 한 LVDT에서 계측된 변위에서 하부 보 상단에 설치한 LVDT 에서 계측된 변위를 뺀 값을 높이로 나눈 것이다. 조적채움벽 체 하부에 슬라이딩 균열이 발생하면서 강성이 저하되기 시 작하여, 기둥 전체로 휨균열이 분산되어 발생하면서 강성이 크게 저하되었다. 목표 층간변형각 1.0%에 의한 첫 번째 가력 중, 기둥 주근이 항복하고 최대 내력에 도달하였으며, 목표 층 간변형각 1.5%에 의한 첫 번째 가력 시 좌측 접합부 균열 확대 및 철근 노출, 조적채움벽체 상부 일부 벽돌 탈락 등으로 내력 이 저하되었으며, 이 후 두 번째 가력으로 내력이 최내 내력의 40% 정도로 저하되면서 실험체가 최종적으로 파괴되었다.

Fig. 6

Lateral load - displacement relationship

실험체의 최대 내력은 554 kN으로 Table 4의 최대 내력 계 산값 440 kN의 약 1.26배인 것으로 나타났다.

수평하중-층간변형각 관계 곡선은 에너지 흡수가 상대적 으로 적은 역 S자 형태를 나타내었으며, 이는 가력에 따라 RC 골조에 의하여 조적채움벽체가 밀리면서 강성이 급격하게 증 가했기 때문으로 판단된다.

한편, 수평하중-층간변형각 관계 곡선에서 정방향 가력 시 변형이 부방향 가력 시 변형보다 큰 것으로 나타났는데, 이는 액츄에이터의 실험체 가력 방향에 따른 영향(Fig. 7), 실험체 슬래브와 상부 보 사이에 발생한 균열(Fig. 8) 등에 의한 것으 로 판단된다.

Fig. 7

Displacement difference between measurement location

Fig. 8

Crack between beam and slab

3.3. 수평하중과 변형률 관계

Fig. 9는 실험체의 수평하중과 스트레인게이지에 의한 변 형률과의 관계를 나타낸다. 기둥의 상· 하부 위험단면 위치 주근은 항복하였으나, 보강근은 실험 종료 시까지 항복하지 않은 것으로 나타났다. 한편, 보 단부 위험단면 위치의 주근은 실험 종료 시까지 항복하지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 9

Lateral load - strain relationship

3.4. 에너지 흡수능력

Fig. 10은 가력 스텝별 실험체가 흡수한 에너지를 나타낸 다. 목표 층간변형각 0.5%에 의한 첫 번째 가력 시, 기둥 전체 로 균열이 분산 발생하면서 실험체 흡수에너지가 증가하였으 며, 목표 층간변형각 1.0%에 의한 첫 번째 가력 시, 기둥 접합 부 패널에 전단균열 발생, 보 단부 균열 발생, 기둥 주근 항복 등 손상이 커지면서 실험체 흡수에너지가 급격히 증가하였 다. 또한, 목표 층간변형각 1.5%에 의한 첫 번째 가력 시, 접합 부 전단균열 폭 확대 및 균열 발생 증가, 조적채움벽체 상부 코 너 벽돌 탈락 등의 손상이 발생하면서 실험체 흡수에너지가 급증하였다.

Fig. 10

Energy absorption

4.1. 파괴 형상

기존 실험결과(^{Kim et al, 2013}), RC 골조 실험체의 경우, 가 력으로 기둥 상·하부 및 접합부에 균열 등 손상이 집중하여 발생하였으나 보에는 실험종료 시까지 균열 등 손상이 발생 하지 않았다. 또한, 기둥 상부에 발생한 전단균열의 확대로 내 력이 급격히 저하되면서 전단파괴되었다.

반면에 Fig. 5와 같이 조적채움벽 RC 골조 실험체의 경우, 조적채움벽체에 의하여 RC 골조에 작용한 압축력으로 인하 여 기둥 전체에 휨균열이 분산되어 발생하였으며, 보 양단부 에도 휨균열, 전단균열이 발생하였으며, 최종적으로는 보-기 둥 접합부에 발생한 전단균열이 확대되고 철근이 노출되면서 전단파괴되었다.

조적채움벽체로 인하여 RC 골조에는 균열 등의 손상이 보 다 광범위하게 분산되어 발생하였으며, 최종적으로 접합부에 서 전단파괴되었다.

4.2. 구조적 특성

Table 5는 조적채움벽 유무에 따른 역학적 특성을 비교한 것이다. 조적채움벽으로 인하여 RC 골조의 초기강성은 12.42 배, 주근 항복 시 내력 및 최대 내력은 각각 3.6배, 3.63배 증가 하였다. 반면에, 조적채움벽체로 인하여 실험체 전체의 초기 강성이 크게 증가하면서 주근 항복 시 및 최대 내력 시의 층간 변형각이 RC 골조의 0.48배 및 0.18배로 감소하였으며, Fig. 11 과 같이 실험체가 최대 층간변형각 1.4%에 파괴되어 RC 골조 (층간변형각 2.97% 파괴)에 비하여 변형능력이 50% 정도 감 소하였다.

Fig. 11

Comparison of Lateral load - strain relationship

조적채움벽체로 인하여 RC 골조의 강성, 내력은 증가한 반 면에, 변형능력은 절반 이하로 감소하였다.

4.3. 에너지 흡수능력

Fig. 12는 조적채움벽 유무에 따른 누적 흡수에네지를 비교 한 것이다. 조적채움벽체로 인하여 가력 초기단계부터 기둥, 보, 조적채움벽체와 골조 사이 및 슬래브와 보 사이에 발생한 균열로 동일 가력 스텝에서의 누적흡수에너지는 조적채움벽 RC 골조 실험체가 RC 골조 실험체보다 더 큰 것으로 나타났 다. 반면, 실험종료 시까지 흡수한 에너지는 조적채움벽 RC 골조 실험체 보다 가력 횟수가 더 많은 RC 골조 실험체가 더 큰 것으로 나타났다. RC 골조 실험체의 경우, 15 스텝까지의 누적흡수에너지는 조적채움벽 RC 골조 실험체가 실험종료 시까지 흡수한 누적 에너지와 비슷한 수준인 것으로 나타났 으나, 최종 스텝 가력 시, 기둥 상부의 균열이 급격하게 벌어 지고 내력이 절반이하로 떨어지면서 취성파괴되었으며, 이로 인하여 실험체가 흡수한 에너지가 급격히 증가한 것으로 판 단된다.

Fig. 12

Comparison of accumulated energy absorption