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Journal of the Korea Concrete Institute

J Korea Inst. Struct. Maint. Insp.
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  • Korea Citation Index (KCI)

  1. 정회원,단국대학교 건축공학과 박사수료
  2. 정회원,한국건설생활환경시험연구원 책임연구원
  3. 정회원,AMS엔지니어링 대표이사
  4. 정회원,단국대학교 건축학부 교수
  5. 정회원,단국대학교 건축학부 교수, 교신저자



ECC 자켓, 조적담장, 내진보강, 진동대 실험
ECC jacket, Masonry fence, Seismic retrofit, Shaking table test

1. 서 론

벽돌과 벽돌 사이를 모르타르로 쌓아 올린 비보강 조적 벽체(Unreinforced masonry wall, URM wall)는 2층 이하의 소형 건축물에 대해 충분한 압축강도를 가져, 중력하중 저항 시스템으로 적용할 수 있지만, 인장에 저항하는 능력이 매우 작아 내진성능을 기대하기 어려워 FEMA 547(2006)에서는 지진에 가장 위험한 건물 유형으로 정하고 있다. 더욱이, 외부에 설치되는 조적 담장이나 외장용 조적벽의 경우, 면외방향으로 작용하는 횡하중에 대한 저항성능을 기대할 수 없어, 지진 시 붕괴의 위험성과 인명피해의 가능성이 대단히 높다. 실제로 경주(2016)와 포항(2017)에서 발생한 지진에서 담장, 치장벽돌 등 조적 부재의 전도 및 붕괴가 다수 보고되었다.(Fig. 1)

2008년에 제정된 지진․화산재해대책법을 근거로, 2011년부터 행안부에서는 25년간 기존 공공시설물 내진보강 기본계획을 수립해 공공시설물의 내진보강을 시작하였고(MOIS, 2021), 최근 서울특별시를 비롯한 지방자치단체의 민간 건축물 내진보강 지원사업 등에서 민간 건축물까지 확대 되었다. 이러한 정책과 지원에 힘입어 최근 파출소, 경로당, 감시초소 등 노후화된 소형 조적조 구조물의 내진보강 수요가 증가하고 있다.

FEMA에서는 조적벽체의 내진성능을 향상시키기 위해 콘크리트 벽체나 철골조, 철골 가새 신설이나 콘크리트 또는 합성섬유의 덧씌움(Overlay) 등을 제안하고 있다. 덧씌움 또는 자켓팅공법은 부재를 재신설하는 방법에 비해 시공성과 공기, 비용을 크게 낮출 수 있고 조적 벽체의 면내뿐만 아니라 면외 방향으로 저항 성능을 크게 개선할 수 있다는 장점이 있다. 자켓팅 공법에는 숏크리트+와이어매쉬나 FRP(Fiberglass Reinforced Plastic)가 일반적으로 적용되지만, 숏크리트의 경우 별도의 마감이 필요하고 FRP는 경제성이 떨어지는 단점이 있다.

비보강 조적벽체의 내진성능을 향상시키기 위하여, PVA 또는 PE 섬유로 보강하여 3%의 인장변형능력(Yu et al., 2018)을 확보한 고인성모르타르(Engineered Cemetitious Composi- te, ECC)를 20-50 mm로 얇게 미장하여 내력, 강성, 변형능력을 향상시킬 수 있는 공법이 제안되었다.

선행연구(An et al., 2023)에서는 정적 반복가력실험을 통해 ECC 자켓으로 편심 외부 보강된 조적벽체의 내진성능을 실험적으로 평가하였다. 실험을 통해 ECC 보강공법에 의한 파괴모드의 변화를 확인하였고 강도와 강성, 변형능력, 에너지 소산능력의 향상을 입증하였다(Fig. 2).

본 연구는 ECC 자켓을 높이 940 mm, 길이 2,000 mm의 조적담장에 적용하고, 임팩트 해머 실험을 통해 진동 모드 식별과 진동대를 사용한 역사 지진 재현 실험을 통해 조적담장에 대한 ECC 자켓의 내진성능 향상 효과를 확인하고자 한다.

Fig. 1 Cases of the failed masonry elements by the earthquakes, Geongju(2016) and Pohang(2017)
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig1.png
Fig. 2 Efficacy of ECC jacket for masonry walls(An et al., 2023)
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig2.png

2. 실험계획

2.1 실험체 형상 및 질량

비보강(URM fence)과 ECC 보강 조적담장(ECC-strengthe- ned masonry fence) 실험체를 Fig. 3과 같이 제작하였다. 두 실험체에 공통인 조적담장은 표준벽돌(190×90×57)을 0.5B로 쌓았고, 길이와 높이는 각각 2,000 mm, 940 mm이다. 특히, 일반적으로 시공되는 줄눈 상태를 구현하기 위하여 수직줄눈(Head joint) 없이 수평줄눈(Bed joint)만 밀실하지 않게 시공하였다. 담장의 하부에는 실험체와 진동대 사이의 체결을 위해 H형강(H-244×252×11/11)을 이용하여 철골 프레임을 제작하였고, 담장의 바닥에 ㄱ형강(L-50×50×4t)을 양쪽에 대어 하부 프레임에 볼트로 고정하였다.

보강 조적담장은 Fig. 3(b)에 도시한 것과 같이, Π의 형태로 ECC 자켓(두께 30 mm)을 적용하였다. Fig. 4에는 ECC자켓의 제작 과정을 나타내었다. ECC 자켓은 (a)1차로 ECC를 1차로 15 mm 두께로 도포하고, (b)와이어 매쉬(φ2, 수직/수평 망목 50 mm)를 설치하고, 담장을 관통하는 앵커(φ4.5)를 고정 클립으로 양면의 와이어 매쉬에 고정한다. (c)마지막으로 15 mm 두께의 ECC를 2차로 도포하여 제작한다. ECC는 함유된 섬유질 때문에 컨시스턴시가 커 얇게 시공하는 것이 불가능하다. 따라서 실험체에서 ECC 자켓의 두께는 시공을 위한 최소 두께인 30 mm로 결정하였다.

하부 철골 프레임과 ㄱ형강을 제외한 실험체의 질량은 비보강 조적담장이 333.9 kg, 보강 실험체가 469.4 kg이다. 제작된 실험체의 줄눈 상태는 Fig. 5와 같다.

Fig. 3 Configurations of masonry fence specimens
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig3.png
Fig. 4 Fabrication of ECC jackets(An et al., 2003);(a)1st ECC application, (b)Wire mesh & masonry anchor, (c)2nd ECC application
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig4.png
Fig. 5 Condition of specimens before experiments, (a,b)URM fence, (c,d)ECC-strengthened fence
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig5.png

2.2 계측 센서 설치 계획

조적담장과 진동대의 상대 변위와 절대 가속도를 계측하기 위하여 Fig. 6과 같이 와이어 변위계를 상단좌측(Upper Light, UL), 상단중앙(Upper Center, UC), 중앙(Center, C), 진동대(Table, T)에 각 1기씩 총 4대를 설치하였고, 가속도계는 변위계가 설치된 위치와 추가로 상단우측(Upper right, UR)에 각 1기씩 총 5개를 설치하였다. 일반적인 가속도계는 0.5 Hz 이하의 저진동수를 계측하기 어렵고, 변위계는 고진동수의 진동을 계측하기 어렵기 때문에, 진동대 실험에는 센서의 계측 주파수대역과 최대 가속도(변위계는 스트로크)를 고려하였다.

Fig. 6 Instrumentation scheme illustrated for accelerometers and displacement gauges
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig6.png

2.3 실험 방법

실험체에 대하여 임팩트 해머 실험(Impact Hammer Test)과 역사 지진파 실험(Historical Earthquake Test)을 수행하였다. 임팩트 해머 실험의 목적은 대상 구조물의 각부를 타격하여 대상 구조물의 동적 연성(Dynamic Flexibility)을 확인함으로써 구조물의 모드형상(Mode shape)과 고유진동수(Natural Frequency), 모드감쇠비(Modal damping ratio)를 식별하는 데 있다. 동적 연성은 출력으로서의 가속도 응답과 임팩트 해머에 입력된 하중의 푸리에변환(Fourier Transform, FT)을 나누어, 주파수 응답 함수(Frequency Response Function, FRF)를 구함으로써 구할 수 있다. 타격 위치와 횟수는 UL과 UC, UR에 각 3회씩 타격하였다.

역사 지진파 실험에는 1940년에 발생한 El Centro의 270°(PGA=0.35g)지진파를 적용하였다. 지진파의 가속도-시간이력과 주파수 분석결과는 Fig. 7과 같다. 지진파는 조적담장의 낮은 횡하중 저항 능력에 따라 초기에 파괴될 것을 우려하여, 원파 속도의 25, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300%를 가진하였고, 파괴 시 실험을 종료하였다.

Fig. 7에는 이 지진파의 설계응답가속도스펙트럼과 탄성응답가속도스펙트럼을 도시하였다. Fig. 8에서 0.19g의 유효지반가속도와 S3등급 지반에 대하여 재현주기 2400년의 설계응답스펙트럼은 지진파의 75%와 유사하거나 약간 작은 것을 확인 할 수 있다.

Fig. 7 Acceleration in time-history and Fourier Transform of El Centro(1940, 270°)
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig7.png
Fig. 8 Design and elastic response spectrum for S3 and 0.19g as a site class and the effective peak acceleration respectively
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig8.png

3. 실험결과

3.1 진동특성 식별

임팩트 해머 실험을 통해 식별된 진동특성은 Fig. 9Table 1에 정리하였다. 여기서 진동특성은 3회 타격 결과의 평균값으로 식별하였다. 비보강 담장은 1차 모드에서 6.3Hz의 고유진동수와 약 7%의 감쇠비를 나타내어 일반적인 구조물에 비해 높은 감쇠비를 가지는 것을 확인할 수 있다. UC를 타격했을 때는 식별되지 않는 약 36.6Hz의 진동 모드가 UL과 UR을 타격했을 때 식별되고, 반대 위상을 보여 담장 상단부 양끝이 서로 반대방향으로 비틀리는 모드임을 알 수 있다.

구조물의 진동수는 Eq. (1a)와 같이 질량에 대해 정규화된 강성으로 표현된다. 따라서 진동수와 질량의 변화량을 이용하여 강성의 향상 효과를 Eq. (1b)와 같이 추정할 수 있다.

(1a)
$\omega_{n}=2\pi f_{n}=\sqrt{\dfrac{k}{m}}$
(1b)
$\dfrac{k_{U}}{k_{E}}=\dfrac{m_{U}}{m_{E}}\left(\dfrac{f_{U}}{f_{E}}\right)^{2}$

여기서 ωn, fn, k, m, fU, kU, mU, fE, kE, mE 는 각각 고유각진동수와 고유진동수, 강성, 질량, 비보강 실험체와 ECC 보강 실험체의 고유진동수와 강성, 질량을 나타낸다.

ECC 보강담장의 경우, 1차 모드가 약 35.3Hz로, 1.4배의 질량 증가분을 고려하여 약 42.8배의 초기강성 증가 효과를 보였다. 1차 모드 감쇠비의 경우는 5.3%로 비보강 조적담장에 비해 작은 것을 알 수 있다. 64.0Hz 대역에서 식별된 2차 모드는 비보강 담장과 마찬가지로 비틀림 모드(감쇠비=1.6%)임을 확인하였다.

Table 1 The identified modal frequency and damping ratio

URM fence

ECC fence

Mode

order

Impact at

Dominant

frequency [Hz]

Modal damping

ratio [%]

Mode

order

Impact at

Dominant

frequency [Hz]

Modal damping

ratio [%]

1

UL

6.3

7.8

1

UL

35.2

5.4

UC

6.4

6.9

UC

35.4

5.2

UR

6.4

6.4

UR

35.3

5.4

avg.

6.4

7.0

avg.

35.3

5.3

2

UL

36.7

2.0

2

UL

64.0

1.6

UC

-

-

UC

-

-

UR

36.5

1.9

UR

64.0

1.5

avg.

36.6

2.0

avg.

64.0

1.6

Fig. 9 Frequency response function(FRF) and phase lag in impact hammer test[(a)-(c):URM fence, (d)-(f):ECC-fence]
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig9.png

3.2 지진파 실험 – 비보강 담장

비보강 조적담장에 대한 지진파 실험에서는 25%와 50% 지진파 가진이 이루어졌다. 25%에서는 최대 가속도 3.11m/s2가 발생하였고(Fig. 10(a)) , 동시에 최대 상대 변위가 UC에서 3.12mm, C에서 1.37mm를 보였으며, 줄눈의 파괴가 관찰되지 않았다. 반면, 50%의 지반운동에서 줄눈의 파괴가 관찰되었고(Fig. 10(b) 약 3초), 이후 약 6초와 14초 부근에서(면외방향으로) 담장 들림이 2차례 관찰되어 실험을 강제 종료하였다. Fig. 11에는 50% 가진 실험 직후 수평줄눈의 상태를 나타내었다. 모르타르와 벽돌의 박리뿐만 아니라 모르타르의 전단파괴도 관찰되어, 조적담장의 면외방향 동적 거동 시 줄눈이 저항하였음을 확인하였다. 50% 가진으로 줄눈이 파괴된 조적담장을 센서를 모두 제거하고 다시 25%와 30%의 지반운동을 가하였다. 그 결과, 25%에서는 담장 하부와 분리된 상부가 마찰로 충분히 버텼으나, 30%에서 완전히 전도되었다. 전도 후 실험체의 모습과 파괴 모드는 Fig. 12에 도시하였다.

Fig. 13은 UC에서의 전체 가속도 응답을 웨이블릿 변환(Wavelet Transform, WT)(Eqs. (2)(3), (4))하여 얻은 도표이다. 웨이블릿 변환은, 분석하고자 하는 시간이력 데이터(x)와 Mother wavelet 함수(ψ)의 합성곱(Convolution)을 실시간으로 구함으로써, 기존의 주파수 분석방법(i.g. Fourier Transform, Short-time Fourier Transform, etc.)의 단점을 보완하고자 제안된 주파수 분석방법으로, 시간대별 탁월진동수의 변화를 관찰할 수 있다.

(2)
$x_{a}(t)=\int_{ℝ}WT_{\psi}\{x\}(a,\: b)․\psi_{a,\: b}(t)db$
(3)
$WT_{\psi}\{x\}(a,\: b)=\int_{ℝ}x(t)\psi_{a,\: b}(t)dt$
(4)
$\psi_{a,\: b}(t)=\dfrac{1}{\sqrt{a}}\psi\left(\dfrac{t-b}{a}\right)$

Fig. 13(a)에서 25% 가진 시 강진 지속 대역(약 0-30초)에서 6.68에서 3.84Hz까지 탁월진동수가 떨어졌다가 다시 약 6Hz 대역으로 회복하는 현상을 관찰할 수 있는데, 이는 응답이 커짐에 따른 부재의 Softening에 의한 유효 강성의 변화 때문이다.

50% 가진에서는 6.23Hz로 시작하였으나, 줄눈 파괴 시 2.91Hz(최대 2.2Hz)까지 떨어지는 것을 관찰할 수 있었고, 실험 종료 후 부재의 연속성을 상실한 비보강 조적담장은 5.43Hz로 실험 전 대비 낮은 탁월주파수를 나타낸다.

Fig. 10 Acceleration and relative displacement response of URM fence
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig10.png
Fig. 11 Joint condition after failed by 50% motion
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig11.png
Fig. 12 Failure mode of URM fence by seismic load
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig12.png
Fig. 13 Wavelet Transform Chart of acceleration response at UC of fences subjected to seismic load
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig13.png

3.3 지진파 실험 – ECC 보강 담장

ECC로 보강된 조적담장은 25~300%로 스케일링된 지진파가 입력되었다. Fig. 14에는 50, 100, 200, 300%의 지진파에 따른 가속도와 상대 변위 시간이력을 정리하였고, UC에서의 최댓값을 기준으로 최대 응답을 표시하였다. 지반운동이 격렬해짐에 따라 최상부 응답이 증가하고, 비슷한 시간대에 최대 응답이 나타나 지진파 실험이 잘 이루어졌음을 확인하였다. 재현주기 1,000년에 해당하는 75%의 지진파에서는 최대가속도가 7.44 m/s2, 300%에서는 최대 24.94 m/s2 발생하였다.

비보강 조적담장이 50%에서 수평줄눈이 파괴된 것과 다르게, ECC로 보강된 조적담장은 300%의 지진하중에서도 탄성 상태를 유지하였다. 전체 지진파 실험에 대한 웨이블릿 변환 차트(Fig. 13(b))에서 보는 것과 같이, 하중이 격해짐에 따라 탁월주파수가 35.8Hz에서 33.4Hz로 다소 떨어졌고, 300% 실험이 종료될 때까지 진동수가 유지된 것으로 보아 손상이 발생하지 않았고 그에 따른 강성의 저하가 발생하지 않았다.

Fig. 14 Acceleration and relative displacement response of ECC fence subjected to seismic load (scaled to 50, 100, 200, 300%)
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig14.png

4. 하중평가

일반적인 건물과 달리, 질량과 강성이 고르게 분산되고 무한대의 자유도를 가지는 시스템(Fig. 15)은 형상함수(Shape function)을 가정하여 단자유도 시스템으로 일반화시킬 수 있다. 이 단자유도 일반화 방법은 모든 진동모드가 중첩되어 나타나는 실제 응답을 1차 모드로 대표하여 표현하기 때문에, 실제 구조물의 강성을 고평가하고, 0.1 초 이상의 고유주기를 가지는 일반적인 구조물에서 밑면전단력과 전도모멘트를 보수적으로 평가할 수 있다(Chopra, 2016).

(5a)
$u(x,\: t)=\psi(x)u_{o}(t)$
(5b)
$\psi(x)=\dfrac{2x^{2}}{L^{2}}-\dfrac{4x^{3}}{3L^{3}}+\dfrac{x^{4}}{3L^{4}}$

여기서 L과 EI, m, u, uo, ψ, fo는 각각 캔틸레버의 전체 길이와 휨강성, 단위 길이당 질량, 임의의 위치 x에서의 변형, 상부 최대 변형, 형상 함수, 등가정적하중을 나타낸다. Eqs. (5a)와 같이 임의의 위치 x와 시간 t에서의 가상의 변형을 최대 변형과 형상 함수의 곱으로 나타내면 아래 Eq. (6)과 같은 운동방정식을 얻을 수 있다. 이때 형상 함수는 등분포하중을 받는 캔틸레버의 변형 형상으로 가정하였다(Eq. (5b)).

(6)
$\widetilde{m}\ddot{u}_{o}(t)+\widetilde{k}u_{o}(t)=-\widetilde{L}\ddot{u}_{g}(t)$
(7)
$\widetilde{m}=\int_{0}^{L}m(x)[\psi(x)]^{2}dx =0.257m L$
(8)
$\widetilde{k}=\int_{0}^{L}EI(x)[\psi''(x)]^{2}dx =\dfrac{16EI}{5L^{3}}$
(9)
$\widetilde{L}=\int_{0}^{L}m(x)\psi(x)dx =0.4m L$
(10)
$\widetilde{\gamma}=\dfrac{\widetilde{L}}{\widetilde{m}}=1.56$

여기서 미분 연산자(¨)와 (″)는 각각 시간과 거리에 대한 2계 도함수를 나타내고, $\widetilde{m},\: \widetilde{k},\: -\widetilde{L}\ddot{u}_{g}$는 각각 일반화 질량과 강성, 지진하중을 나타낸다.

Eq. (7)(8)의 관계를 이용하여, 고유진동수는 식 Eq. (11)과 같이 추정할 수 있다. 조적담장의 휨강성은 불확실성이 매우 커, 3.1에서 확인한 담장별 1차 고유진동수를 이용하여, 비보강 조적담장의 유효휨강성은 EIu = 36.0 kNㆍm2, ECC 보강 조적담장은 EIe = 1,514.1 kNㆍm2로 추정하였다.

(11)
$f_{n}=\dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{\widetilde{k}}{\widetilde{m}}}=\dfrac{3.53}{2\pi}\sqrt{\dfrac{EI}{m L^{4}}}$

등가 정적하중은 Eq. (12)와 같이 구할 수 있고, 최상부와 임의의 높이 x에 대해서 정적분을 수행하여 Eqs. (13)(14)와 같이 높이에 따른 전단력과 모멘트를 추정할 수 있다.

(12)
$f_{o}(x)=\widetilde{\gamma}m(x)\psi(x)\ddot{u}_{o}$
(13)
$ \begin{align*} V_{o}(x) & =\int_{x}^{L}\widetilde{\gamma}m(\xi)\psi(\xi)\ddot{u}_{o}d\xi \\ & =1.56m\ddot{u}_{o}\left(\dfrac{2L}{5}-\dfrac{2x^{3}}{3L^{2}}-\dfrac{x^{4}}{3L^{3}}+\dfrac{x^{5}}{15L^{4}}\right) \end{align*} $
(14)
$ \begin{align*} M_{o}(x) & =\int_{x}^{L}\widetilde{\gamma}(\xi -x)m(\xi)\psi(\xi)\ddot{u}_{o}d\xi \\ & =1.56m\ddot{u}_{o}\left(\dfrac{13L^{2}}{45}-\dfrac{2x L}{5}+\dfrac{x^{4}}{6L^{2}}-\dfrac{x^{5}}{15L^{3}}+\dfrac{x^{6}}{90L^{4}}\right) \end{align*} $

Eqs. (13)(14)에 x=0을 대입하여 밑면전단력(Vbo)과 전도모멘트(Mbo)를 Eqs. (15)(16)과 같이 구할 수 있다. 이 밑면전단력과 실험에서 구한 최대 가속도(URM:3.13 m/s2, ECC:24.94 m/s2)를 고려하면, 비보강 실험체의 밑면전단력, Vu,bo=0.65 kN(=0.20mug), 전도모멘트, Mu,bo=0.44 kNㆍm, 보강 실험체는 (최대 300% 지진하중에 대해) 밑면전단력, Ve,bo=7.31 kN(=1.59meg), 전도모멘트, Me,bo=5.12 kNㆍm에 저항한 것으로 평가되었다.

(15)
$V_{bo}=0.624m\ddot{u}_{o}L$
(16)
$M_{bo}=0.451m\ddot{u}_{o}L^{2}$

Table 2는 응답 스펙트럼 가속도(75, 300%)와 설계 스펙트럼 가속도(재현주기 1,000, 2,400년)(Fig. 7)를 이용하여 각 담장의 밑면전단력을 정리한 표이다. ECC 보강담장의 경우 고유주기가 매우 짧아 보수적인 평가를 위해 단주기 스펙트럼가속도(SDS)를 적용하였다.

비보강 실험체는 재현주기 1,000년에 해당하는 지진에 붕괴위험이 있고, ECC 보강 실험체는 재현주기 4,800년의 지진에도 안전한 것으로 평가할 수 있다.

실제로 시공되는 조적담장의 높이(약 2 m)를 고려하여 담장의 높이를 실험체의 2배로 가정하여 밑면전단력을 평가하였다. 높이가 2배가 됨에 따라 유효휨강성이 2-4배 됨을 고려하여, 고유주기는 비보강의 경우 0.625초, 보강은 0.113초로 추정할 수 있다. 선술한 이유와 같이, 보수적인 평가를 위하여 보강 조적담장의 응답가속도를 최대로 가정하였다. 보강 여부와 지진 재현주기에 따른 예상 밑면전단력은 아래 Table 3과 같다.

비보강 조적담장의 경우, 장주기화에 따라 응답스펙트럼가속도가 Table 2에 비해 약 2/3수준으로 감소하였음에도 불구하고, 2배의 높이로 인해 밑면전단력은 1.33배 증가하는 양상을 확인할 수 있다. 이러한 평가결과와 기존 실험체가 밑면전단력 0.62 kN에 파괴된 것을 고려하여, 높이 약 1,880 mm의 비보강 조적 담장은 재현주기 500년 지진에도 붕괴위험이 클 것으로 판단된다.

ECC 보강 조적담장은 보수적인 평가를 위하여 최대 응답스펙트럼 가속도를 적용하였고, 두배의 높이를 고려하여 Table 2의 값들에 비해 2배의 밑면전단력이 작용할 것으로 평가하였다. 실험에서 ECC 보강 조적담장이 5.19 kN의 밑면전단력에도 탄성상태를 유지하였으므로, 높이 약 1,910 mm의 ECC로 보강된 조적담장은 재현주기 4,800년의 지진에 붕괴의 위험 없이 안전할 것으로 판단된다.

Fig. 15 Virtual displacement and equivalent static force of an uniform cantilever
../../Resources/ksm/jksmi.2023.27.6.182/fig15.png
Table 2 Base shear of specimens for spectral accelerations

Spectrum

Acc.,SA(g)

Base shear, Vbo[kN]

URM-fence

ECC-fence

50% EQ.

0.30

0.62(failed)

0.87

75% EQ.

0.45

0.92

1.30

300% EQ.

1.81

-

5.19

RP-1000yrs

0.34

0.69

0.97

RP-2400yrs

0.48

0.98

1.38

RP-4800yrs

0.63

-

1.80

Table 3 Base shear of masonry fences with doubled heights.

Spectrum

SA(g)

Base shear, Vbo[kN]

URM

ECC-

URM

ECC-

RP-500yrs

0.16

0.24

0.67

1.38

RP-1000yrs

0.23

0.34

0.93

1.94

RP-2400yrs

0.33

0.48

1.33

2.77

RP-4800yrs

0.42

0.63

1.73

3.60

5. 결 론

본 연구에서는 조적담장에 대한 ECC 자켓공법의 내진보강성능을 평가하기 위하여 높이 940 mm의 비보강 조적담장과 970 mm의 ECC 보강 조적담장에 대하여 임팩트 해머 실험과 진동대를 이용한 역사 지진파 실험을 수행하였다. 임팩트 해머 실험을 통해 비보강 담장과 ECC 보강 담장의 1차 모드진동수(모드감쇠비)는 각각 6.4Hz (7.0%)와 35.3Hz(5.3%)로 식별하였다. El Centro(1940) 지진파를 25%부터 300%까지 스케일링하여 가진한 실험에서는 비보강 조적 담장이 50%(최대가속도응답:3.13 m/s2)에서 수평 줄눈이 파괴되었고, 보강 조적 담장은 300%(최대가속도응답:24.94 m/s2)에서도 탄성거동을 보였다.

지진하중을 받는 조적담장의 횡방향 변형을 등분포하중을 받는 캔틸레버의 변형형상을 가정하여 단자유도로 일반화하였고, 비보강과 ECC 보강 조적담장의 유효 휨강성(EI)과 밑면전단력(Vbo)을 평가하였다. 유효 휨강성은 비보강 조적 담장이 36.0 kNㆍm2, ECC 보강 조적담장은 1,514.1 kNㆍm2로 추정하였다. 밑면전단력은 비보강 담장이 0.65 kN으로 자중의 20% 수준이고, ECC 보강 담장이 7.31 kN으로 자중의 159% 수준임을 알 수 있다.

설계응답스펙트럼가속도를 이용하여 추정한 밑면전단력은 비보강이 재현주기 1,000년에 대해 붕괴위험이 있고, 보강실험체의 경우 재현주기 4,800년의 지진에도 안전할 것으로 판단된다. 실험체 높이의 2배를 고려하여 밑면전단력을 평가하였다. 그 결과, 실험체의 고유주기가 비보강 조적담장의 경우 밑면전단력은 약 1.33배 커졌고, 재현주기 500년의 지진에 붕괴위험이 있다. 반면에 보수적인 평가를 위하여 최대응답스펙트럼가속도가 고려된 ECC 보강 조적담장은 밑면전단력이 높이의 배수로 커지고, 재현주기 4,800년의 지진에도 안전한 것으로 판단된다.

감사의 글

이 연구는 국토교통부의 연구비지원(RS-2022-00143563)에 의해 수행되었음.

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