3.1 실험체 제작

실험체의 크기는 길이 9 m, 폭 3 m 이며, 보강설계에 적용된 것과 같은 단면으로 제작하였다. 기존 구조물 외벽 중 가장 긴 지간을 갖는 기둥과 기둥 사이를 기준 모델로 설정하였다. 실제 구조물과 같이 벽 두께는 400 ㎜으로 설정하였으며, 벽체와 기둥에 배근되는 철근량도 같게 제작하였다. 실험체의 형상과 치수를 Fig. 3과 Table 1에 나타내었다.

자재는 보강대상 구조물과 보강재 시공에 사용된 자재와 동일한 자재를 사용하는 것을 기본으로 하였다. 그러나 현장사정으로 인하여 압축강도 28MPa에서 27MPa으로 변경하였고, 강재도 ASTM 표준의 자재를 소량 구입하는 것이 불가하여 동일 성능의 KS 표준 자재로 실험체를 제작하였다. 자재 변경으로 인한 기계적 특성 차이는 미소하여 실험 결과에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단하였다. 그 외의 자재는 대상 구조물과 같은 자재를 사용하여 실험체를 제작하였으며, Table 2에 기재하였다.

실험체의 제작 방법도 실제 보강공사에 적용될 시공시방서 요건을 준수하여 진행하는 것을 원칙으로 하였다. 실제 구조물의 실험대상이 벽체인 점을 고려하여 거푸집 시공과 콘크리트 타설은 세워서 진행하였다. 보강 실험체 제작을 위해 코어드릴 시방서에 따라 벽체가 관통되도록 천공하고, 관통볼트가 설계한 위치에 설치될 수 있도록 사전에 제작한 거푸집을 양면에 설치하여 관통볼트를 고정시켰다. 무수축 그라우트 시방서에 따라 무수축 그라우트를 시공하였으며, 충분히 양생된 후에 보강재를 설치하였다. 모든 과정은 실제 공정과 같이 벽체를 세운 상태에서 진행하였다. 야외에서 제작 완료된 실험체를 실험센터로 반입하기 위하여 본 구조물에는 없는 후크를 설계하여 시공하였으나, 후크로 인해 실제 구조물의 보강단면 성능 평가에 주는 영향은 크지 않을 것으로 판단하였다. 실험체 제작 후, 성능평가를 위한 재하시험을 수행하였고, 이때 벽 형태의 실험체를 눕혀서 가력하였다.

Fig. 3 Drawing of specimen geometry

3.2 가력 방법

이 실험은 합성단면을 적용했을 때의 효과를 확인하는 목적의 실험이다. 실험을 통해 지진시 벽체에 가해지는 수평 면외방향 휨모멘트에 대한 강성 보강효과를 정량적으로 확인할 수 있어야 한다. 따라서 보강실험체에 대한 가력은 지진시 벽체에서 발생하는 수평방향 하중을 모사할 수 있어야 한다. 실제 지진력은 구조물의 질량 중 대부분을 차지하는 콘크리트 벽체의 질량에 대한 등분포 하중 형태로 가력될 것이다. 하지만 실물규모 실험에서 이러한 등분포하중을 구현하는 것은 쉽지 않다. 따라서 Fig. 4와 같이 벽체 형태의 실험체를 눕히고, 3점을 동시 가력하여 수평방향 지진 하중을 모사하고, 이때 보강단면의 내력을 확인하고자 한다.

3개의 가력점에 대한 가력은 폭방향으로 동일하게 주어져야 하지만, 보강 실험체의 보강재로 인하여 폭방향으로 가력하는 방법은 불가능한 것으로 판단하였다. 보강재를 감싸는 방법과, 보강재와 벽체 사이를 통과하는 가력 지그도 검토하였으나, 지그의 높이로 인하여 실험 중 전도사고가 우려되어 적용하지 않았다. 최종 선택된 가력 방법은 Fig. 5와 같이 실험체의 기둥과 보강재 사이에 가력하는 방법이다.

Fig. 4 Experimental setup (Front view of loading plan)

Fig. 5 Experimental setup (Plan view of loading plan)

3.3 계측 방법

실험의 결과 측정을 위해 가력을 수행할 actuator에 load cell을 부착하였다. 또한 실험체의 콘크리트 벽체 중앙부 하단과 보강재의 양쪽 중앙부 하단 그리고 실험체 측면에 LVDT(변위계)를 설치하여 실험체의 처짐량과 항복시점을 측정할 수 있도록 하였다. 콘크리트 벽체 각 가력부위의 상하부 철근과 콘크리트 면 및 보강재의 상하부에 1축 변형률 게이지를 부착하여 콘크리트 벽체와 보강재에 분배되는 하중 및 2방향 거동에 대한 변형률을 측정하고, 콘크리트 벽체 철근의 항복시점을 관찰할 수 있도록 하였다. 비보강 실험체의 계측기는 보강재에 설치되는 계측기를 제외하고 보강 실험체와 동일하게 설치하였다. 보강 실험체에 대한 각 계측기의 설치위치는 Fig. 6 그리고 Fig. 7과 같다.

실험체의 상부에서 지면 방향으로 가력하기 때문에 대부분의 균열은 실험체의 하부에서 발생할 것으로 예상된다. 육안으로 직접 관찰하는 것은 안전 문제가 있기 때문에 100 ㎜ × 100 ㎜ 격자 패턴을 그리고 실험 전·후의 균열을 확인하는 것으로 계획하였다.

Fig. 6 Installation of measuring instruments (Section view, short side, column is hided)

Fig. 7 Installation of measuring instruments (Section view, long side)

3.4 목표하중 설정

보강으로 목표 강성을 확보하였는지 알아보기 위해 전체 구조물의 내진성능 평가에서 확인한 지진하중을 참고하였다. 설계기준 지진에 대하여 벽체에 작용하는 최대 가속도는 보강 전 벽체에서 1.85 g, 보강단면은 1.86 g이다. 설계기준 초과지진에 대한 최대 가속도는 보강 전 벽체에서 2.78 g, 보강단면은 2.79 g이다. 또한 보강대상 구조물의 특성을 반영하여 설계기준에서 요구하는 별도의 하중조합계수를 적용한 설계기준지진에 대하여 검토하였다. 검토결과 보강단면에서 발생하는 최대 가속도는 2.17 g로 최초 검토한 설계기준 지진에서 발생하는 최대 가속도보다 큰 것을 확인하였다.

검토 결과를 바탕으로 각 실험체의 지점부인 기둥 안쪽 벽체와 보강재 자중에 대하여 최대 가속도를 적용하여 목표하중을 계산하였다. 실험체는 벽체이나, 실험시 눕혀놓고 가력하므로 벽체의 자중 1g를 제외하고 목표 하중을 계산하였다. 각 실험체에서 측정한 총 가력하중이 Table 3의 목표하중을 초과하는 경우 벽체가 설계기준 지진 및 설계기준 초과지진에 대한 안전성을 확보한다고 판단할 수 있다.

실제 구조물에서 발생할 것으로 예상되는 면내인장력의 영향을 목표 하중에 추가 반영하였다. 구조물 해석 결과에서 얻은 면내 인장력이 실험체 전체 폭 3m에 작용하고, 가력점에 집중되는 것으로 가정하여 보수성을 확보하였다. 면내인장력의 영향을 고려하여 수정한 목표하중은 Table 4와 같다.

4.1 하중-변위 곡선

비보강 실험체를 Fig. 8과 같이 가력하였다. Fig. 9의 비보강 실험체 하중-변위 곡선을 바탕으로 추정한 항복하중은 약 165 kN(하중 지점별 180/3=60 kN)으로 설계기준지진에 대한 목표하중 198 kN(Table 4의 ①+③)을 만족하지 못하여 보강이 필요한 상태임을 확인할 수 있었다.

보강 실험체를 Fig. 10과 같이 가력하였다. Fig. 11의 보강 실험체의 하중-변위 곡선으로부터 항복하중은 약 2,100 kN 이상(하중 지점별 700 kN 이상)으로 설계기준초과지진에 대한 목표하중 519 kN(Table 4의 ②+③)을 만족하는 것을 확인하였다. 보강 실험체의 경우는 예상하중을 초과하여 가력하였음에도 철근의 항복이 발생되지 않았으며 actuator의 가력 용량과 실험 안전 때문에 더 이상의 하중을 가력하지 않고 실험을 종료하였다. 파괴하중까지 가력하지는 못하였으나, 지진 시에 탄성 영역에 있도록 계획한 보강 설계의 요구사항을 만족한 것을 확인하였다.

Fig. 8 Static load test for non-strengthened specimen

Fig. 9 Load vs displacement curves of non-strengthened specimen

Fig. 10 Static load test for strengthened specimen

Fig. 11 Load-displacement curves for strengthened specimen

4.2 철근 변형률

각 실험체 철근에는 실험체의 북측, 중앙, 남측 가력점 위치에 폭 방향으로 상부 3개와 하부 7개의 변형률 게이지가 설치되었다. 실험체 하부에 설치된 7개의 변형률 게이지는 3개가 중앙부에 설치된 3본의 철근에 각각 설치되었고, 동측과 서측 보강재 아래에 위치한 각 2본의 철근에 변형률 게이지가 설치되었다. 하부 철근의 각 변형률은 중앙부(C) 3본, 동측(E) 2본, 서측(W) 2본에 대하여 평균값을 적용하였다.

비보강 실험체는 실험체 북측과 남측에 위치한 철근에서 미소한 변형률이 측정되었으며, 실험체 중앙가력점의 상, 하부 철근의 항복을 확인하였다. Fig. 12와 같이 총 가력하중 104.83 kN에서 콘크리트 균열에 의한 것으로 추정되는 변곡점이 발생했고, 이후 165.5 kN에서 모든 철근이 항복했음을 확인하였다.

보강 실험체의 경우, 실험체 북측가력점에 위치한 철근에서는 미소한 변형률이 측정되었지만, 실험체 중앙가력점의 하부철근과 남측가력점의 하부철근에서 Fig. 13과 같이 콘크리트 균열에 의한 것으로 추정되는 변곡점이 관측되었다. 이 때의 가력하중은 각각 1353 kN, 1335 kN이며, 변곡점 이후 다시 일정한 강성을 갖는 선형거동을 보였다. 최종 가력하중인 1980 kN에서도 비보강 실험체와 같은 철근의 항복거동은 확인 할 수 없었다.

Fig. 12 Load vs strain relations at central lower side rebar of non- strengthened specimen

Fig. 13 Load vs strain relations at central lower side rebar of strengthened specimen

4.3 콘크리트 벽체 변형률

각 실험체 상, 하부 콘크리트 면에는 실험체의 북측, 중앙, 남측 가력점 위치에 폭방향으로 각 4개의 변형률 게이지를 설치하였다. 4개의 변형률 게이지는 동측과 서측 각 1개, 중앙에 실험체

길이방향과 폭방향으로 각 1개씩 설치하였다. 단, 콘크리트 면 상부에 설치된 변형률 게이지는 가력용 지그를 피하기 위해 지그 옆에 설치되었다.

비보강 실험체의 중앙 가력점 하부 콘크리트면의 하중-변형률을 나타낸 Fig. 14 그래프에서는 철근의 하중-변형률 그래프에서 확인한 바와 같이, 총 가력하중 104.83 kN에서 콘크리트 균열이 시작되었고, 이후 165.5 kN에서 모든 철근이 항복하여 더 이상 하중을 부담하지 못하는 상태임을 추정할 수 있다. 중앙가력점의 상, 하부를 제외한 북측과 남측 가력점에서는 철근과 같이 미소한 변형률을 보이며 탄성에 가까운 거동을 보였다.

보강 실험체의 경우, Fig. 15와 같이 중앙가력점 하부 1353.13 kN, 남측가력점 하부 1335.29 kN에서 콘크리트 균열로 추정되는 변형률 증가가 관측되었다. 중앙가력점 하부의 균열은 실험 후 새로 발생된 균열이며, 남측가력점 하부의 균열은 실험 전 파악하고 있던 미세한 균열이 실험 후에 확장된 것임을 확인하였다. 실험의 가력이 3개 가력점에 대하여 수동으로 수행되어 일부 편심이 작용할 수 있고, 균질하지 못한 콘크리트 재료의 특성 상 시공 시의 재료분리 또는 골재의 영향으로, 균열의 발생은 무작위성을 갖는다. 중앙가력점과 남측가력점의 콘크리트 균열 후에 콘크리트 및 철근은 하중-변형률 기울기가 낮아지지만, 실제 벽체의 휨내력을 결정하는 철근이 아직 탄성상태이므로 벽체는 여전히 일정한 하중-변형률 기울기를 보이며 하중을 부담하고 있다.

각 실험체의 실험 종료 후 관측된 균열위치는 Fig. 16과 Fig. 17에 나타내었다. 균열은 모두 실험체 하부에서 관측되었으며, 비보강 실험체의 경우 측면까지 균열이 진행되어 실험체가 완전히 항복했음을 확인하였다.

Fig. 14 Load vs strain relations at central lower side concrete of non- strengthened specimen

Fig. 15 Load strain relations at central lower side concrete of strengthened specimen

Fig. 16 Cracks observed on non-strengthened specimen

Fig. 17 Cracks observed on strengthened specimen

4.4 보강재 변형률

보강 실험체 상, 하부 보강재에는 실험체의 북측, 중앙, 남측 가력점 위치에 변형률 게이지를 설치하였다. 보강 실험체 단면의 상, 하부 보강재의 H-Beam 상, 하부 플랜지에 각 2개, 복부에 1개의 변형률 게이지가 설치되었고, H-beam에 붙어있는 T-Beam의 복부에 1개, 플랜지에 2개의 변형률 게이지가 설치되었다. 총 가력하중과 보강재의 변형률의 관계는 Fig. 18과 Fig. 19에 나타낸 바와 같으며, 각 플랜지에 설치된 2개의 변형률 게이지에서 측정된 평균값을 사용하였다.

각 그래프의 변형률이 양수를 보이는 곳은 인장, 음수를 보이는 곳은 압축 변형이며, 각 그래프에서 보이는 바와 같이 보강재 상, 하부는 거의 동일한 인장-압축 변형률을 보이고 있다. 이는 실험체의 상, 하부 보강재에 작용하는 인장력과 압축력이 동일함을 의미한다. 이것을 통해 모멘트에 대한 보강 실험체의 중립축이 실험체 중앙에 위치함을 알 수 있다. 또한 보강단면 상, 하부 끝단의 H-beam 플랜지가 가장 많은 인장, 압축력을 부담하고 실험체 중앙에 가까울수록 낮은 변형률을 보이고 있다. 이것을 통해 보강단면은 합성 거동을 하고 있으며, 벽체는 면외방향 휨모멘트에 대하여 콘크리트 벽체와 보강재가 함께 저항하고 있음을 확인하였다.

Fig. 18 Strain obtained from outer flange of top and bottom H-beam at central loading point

Fig. 19 Strain obtained from outer web of top and bottom H-beam at central loading point