2.1 실험체 설계 및 제작

실험체는 철근상세 및 수직분할 여부를 변수로 총 4개를 계획하였다. 실험체는 높이 2600 mm, 길이 1500 mm, 두께 200 mm의 실물스케일 철근콘크리트 전단벽 실험체이며 실험체 높이는 노후 아파트의 층고를 고려하여 2600 mm로 설정하였다. 실험체에 사용되는 콘크리트는 리모델링 대상 공동주택의 코어 압축강도 시험 결과를 반영하여 설계기준 압축강도를 18 MPa로 설정하였다. 콘크리트 절단기를 이용한 벽체의 수직분할 과정은 Fig. 2에 나타내었다. 절단기 날 크기의 한계로 인해 양 쪽에서 분할을 수행하였으며 수직 분할된 벽체의 틈은 약 5 mm정도이다.

Fig. 2 Vertical division method

실험체의 배근은 SY 실험체 군의 경우 수직 철근이 D10@200으로 동일하게 배근되어 있으며 Add 실험체의 경우 단부에 수직 보강근이 6-D16으로 배근되었다. 벽에 사용된 철근의 항복강도는 400 MPa이다. Solid-SY 실험체는 휨 지배를 받는 기존 벽체를 모사하였으며, Solid-Add 실험체는 휨과 전단에 복합적으로 지배를 받는 기존 벽체를 모사하였다. 분할 전 벽체의 형상비는 0.87이고 분할 후 각 벽체의 형상비는 1.73으로 형상비 변화에 따른 전단벽 거동을 확인하고자 하였다. 실험체 상세는 Table 1에 나타내었으며 실험체 도면은 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3 Specimens plan

2.2 재료특성

^{KS F 2405}에 제시된 콘크리트 압축강도 시험을 위해 ^{KS F 2403}에 따라 Φ100×200공시체를 제작하였으며 배합비는 Table 2에 나타내었다. 각 실험체별 타설 일자가 다르기 때문에 각 실험체별 압축강도 시험은 구조실험 당일에 수행하였다. Solid-SY 및 DIV-SY 실험체의 압축강도는 23.28 MPa이며 Solid-Add 및 DIV-Add 실험체는 22.9 MPa로 나타나 모두 목표했던 설계기준 압축강도 18 MPa를 상회하는 결과가 나타났다.

실험체 제작에 사용된 철근은 ^{KS B 0802}에 의거하여 시험하였으며 모두 ^{KS D 3504}에서 제시하는 항복강도 및 인장강도 범위를 충족하였다. 보강에 사용된 D16 및 D19 철근과 기초 및 가력보에 사용된 D22 철근은 공칭 항복강도 500 MPa, 수평철근으로 사용된 D10 철근, 기존 벽체 수직 철근인 D13 철근 및 기초 및 가력보에 사용된 D16 철근은 공칭항복강도 400 MPa이다. 철근 항복강도 및 인장강도는 Table 3에 나타내었다.

2.3 실험방법 및 가력계획

본 실험은 전단벽에 일정한 축력을 가한 후 변위제어 방식으로 반복 횡가력 실험을 수행하였다. 전단벽 실험체는 캔틸레버 거동을 유도하였다. 벽체 하부 경계조건은 고정 상태를 유지하기 위해 기초부를 계획하였다. 실제 벽식 구조물에서는 각 층 사이가 슬래브로 되어 있으나 구조해석 시에는 슬래브를 강체로 가정하며 슬래브의 변형을 고려한다. 띠라서 본 실험체 역시 상부에 가력보를 설계하여 벽체 상부 슬래브를 완전한 강체로 가정하였으며 횡력 및 축력 적용을 용이하도록 하였다.

전단벽 구조를 갖는 일반적인 공동주택의 축 방향 하중비는 약 5~6% 정도이며 상부 3개 층을 수직증축 하여도 전단벽에 가해지는 축력이 최대 3% 정도 증가함에 따라 이를 반영하여 10%를 적용하였다. 실험체의 횡가력 실험 세팅도는 Fig. 4에 나타내었다. 1000 kN오일잭을 사용하여 축력을 가한 후 5000 kN용량의 Actuator로 횡가력 실험을 진행하였다.

Fig. 4 Test configuration

가력계획은 ^{ACI 374.2R-13} 에서 제시하는 바에 따라 Fig. 5와 같이 목표 변위마다 3번의 정-부가력을 가하도록 하였다. 초기 가력은 0.05%부터 점진적으로 증가시켜 초기 변형 및 강성 변화를 확인하고자 하였다.

Fig. 5 Loading protocol

3.1 파괴 및 균열양상

파괴 및 균열양상은 Fig. 6에 나타내었다. 분할되지 않은 모든 실험체는 최종 파괴 양상에서 휨 및 사인장균열이 함께 발생하면서 최종적으로 단부 압괴에 의해 급격하게 하중이 저하되며 파괴되는 휨 파괴 양상이 나타났다.

Fig. 6 Crack patterns

분할된 실험체의 경우 모든 벽체가 분할된 벽체 각각 하부에서 휨 균열이 발생하였으며 철근 상세에 따라 분할된 부분 하부에 휨 균열 발생 시점에 차이가 있었다. 최종 균열양상을 확인하였을 때 벽체가 분할된 경우 두 벽체가 개별적으로 거동하였다. 상부 벽체에서는 분할되지 않은 벽체와는 다르게 휨 균열이 나타난 것을 확인할 수 있었다. 이는 가력보에 의해 두 벽체의 상부가 고정되어 있을 뿐만 아니라 축력에 의해 강하게 지지되고 있기 때문에 벽체가 이중 곡률을 갖게 되었다. 각각의 벽체에 사인장균열이 발생하였으며 이와 같은 사인장균열은 벽체 횡가력 시 압축을 받는 벽체에서만 발생하였다.

실험체 별로 파괴 및 균열양상을 구분하여 확인한 결과, Solid-SY는 변위각 6% 여덟 번째 Drift까지는 휨균열이 발생하는 것을 확인하였다. 그 후 최대강도 시점인 아홉 번째 Drift에서 휨균열 및 벽체 복부에 사인장균열이 발생하였으며 최종적으로 정가력 시 벽체 단부에 압괴가 발생하면서 급격한 하중 저하 발생 후 최종 파괴 되었다.

DIV-SY 실험체는 첫 번째 Drift에서 휨균열이 각 벽체에 동시에 발생하였다. 또한 상부 분할 부분에서도 휨 균열이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이후 상부 및 하부에서 휨 균열이 진전되었다. 여덟 번째 Drift에서 정가력 및 부가력 시 압축을 받는 우측(East) 벽체에서 사인장균열이 발생하였다. 아홉 번째 Drift에서 중앙 및 단부 압괴가 발생하였으며 열 번째 Drift에서 단부 압괴로 인한 급격한 하중이 저하되어 실험을 종료하였다.

Solid-Add 실험체는 초기 휨균열 이후 세 번째 변위각인 0.1%에서 복부 사인장균열이 발생하면서 하중가력에 따라 사인장균열의 폭이 증가하였다. 이후 여섯 번째 변위각인 0.35%에서 압괴가 발생하기 시작하였다. 일곱 번째 Drift에서 정가력 방향으로 단부 보강근으로 인해 가력보 상부에서 비틀림이 발생하였으며, 여덟 번째 Drift 이후 부가력 방향만 가력을 수행하였다.

DIV-Add 실험체 역시 DIV-SY 실험체와 동일한 균열 양상이 나타났다. DIV-Add 실험체도 마찬가지로 상부에 휨균열이 발생하는 것을 확인하였으나 DIV-SY 실험체와는 다르게 최종 파괴 양상에서 상하부가 대칭형상으로 나타나지는 않았다. 하부 휨균열이 집중적으로 발생하였으며 마찬가지로 압축을 받는 벽체에서 사인장균열이 나타났다. 최종적으로 분할된 벽체에 대한 사인장균열 뿐만 아니라 전체 벽체에 대한 사인장균열 및 단부 콘크리트 압괴가 복합적으로 발생되면서 파괴되었다.

3.2 하중-변위 관계

하중-변위 관계 및 실험 결과 정리는 Fig. 7과 Table 4에 나타내었다. Solid-SY 실험체의 경우 최대하중은 정가력이 1030.60 kN, 부가력이 1043.75 kN으로 나타났다. 최대강도 발현 이후 다음 변위각에서 압괴에 의해 강도가 급격하게 저하되어 안전상의 이유로 실험을 종료하였다. 유효강성의 계산은 0.75$P_{\max}$에서 할선을 그려 $P_{\max}$값에 해당하는 변위를 항복점으로 설정하여 기울기를 산정하였다. 정가력을 기준으로한 유효강성은 105.63 kN/mm로 나타났다.

Fig. 7 Load-displacement relationship

DIV-SY 실험체는 정가력 885.95 kN, 부가력 943.60 kN으로 나타났다. 분할하지 않은 실험체와 비교하였을 때 최대강도는 86~90%로 약 10% 작게 나타났다. 유효강성은 정가력 기준 76.35 kN/mm로 유효강성은 분할 전 벽체인 Solid-SY 실험체 대비 약 72%로 28% 작게 나타났다. 강도 저하율보다 강성 저하율이 작음에 따라 수직분할에 의한 전단벽의 강성저감이 가능하며 안전성 역시 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

Solid-Add 실험체는 최대강도 발현 전 정가력 방향으로 비틀림이 발생하였기 때문에 최대강도 및 유효강성은 부가력을 기준으로 평가하였다. 실험체의 최대강도는 단부 보강근의 영향으로 1366.15 kN으로 Solid-SY 실험체보다 크게 나타났다. 부가력 기준 유효강성은 129.44 kN/mm으로 나타났다. 이는 전단벽의 유효강성 산정 시 단면의 형상뿐만 아니라 단부 철근량 또한 주요한 변수라는 것을 의미한다.

DIV-Add 실험체는 부가력 방향으로 최대강도 1256.13 kN으로 나타났으며 이는 분할 전 벽체보다 약 8% 작은 값이다. 유효강성은 정가력 기준 885.95 kN/mm로 분할 전 벽체인 Solid-Add 실험체 대비 약 23% 낮게 나타났다.

실험 결과 분할된 실험체는 벽체의 상, 하부가 가력보 및 기초로 인해 고정되어 있음에도 불구하고 벽체가 분할 거동을 보이며 두 벽체가 개별 거동을 하고 휨 균열이 대칭적으로 발생하여 휨강도 및 부재강성이 저하되었다.

Fig. 8에서 보는 바와 같이 SY 실험체군 및 Add 실험체군 모두 분할 후 휨 강도 및 강성 저하가 나타났으며 강도 대비 강성의 저하율이 큰 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 상부가 고정단이며 축력의 영향으로 인해 분할된 벽체는 분할 전 벽체와 달리 이중곡률을 보였으며 가력이 진전됨에 따라 압축을 받는 벽체에서만 사인장균열이 발생하였다. 이에 따라 분할 후 벽체의 최대강도를 고려함에 있어 분할 거동에 따른 벽체의 휨강도 감소율뿐만 아니라 콘크리트 전단기여분의 변화를 검토해야 할 것으로 판단된다. 또한 강성은 저감시키면서 강도는 분할 전 벽체와 동일하게 유지시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 8 Backbone curve