홍성욱
(Seong-Uk Hong)
1†
박준혁
(Jun-Hyuk Park)
2
-
종신회원,우석대학교 건축학과 교수, 교신저자
-
학생회원,우석대학교 일반대학원 건설공학과 석사과정
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
고인성복합체, 횡가력 실험, 조적 구조물, 접합부 변수, 결합력
Key words
ECC(Engineered Cementitious Composite), Lateral force, Masonry structure, Joint variable, Fastening
1. 서 론
1.1 연구배경
정부는 2016년 경북 경주(규모 5.8)와 2017년 포항(규모 5.4) 지진을 계기로 민간 건축물 대상 내진 보강 정책을 시행하고 있다. 건축물,
교량, 터널 등 7개 시설물의 내진보강 매뉴얼을 개정하여 누리집을 통해 배포하였는데, ‘내진성능 향상요령’의 내용을 보완 개선하고 명칭도 변경하여
국내 시설물에 내진성능을 향상하려 하는 추세이다(KALIS, 2024).
기존 시설물(건축물) 내진보강 매뉴얼에 제시된 ‘내진성능 향상요령’에 의하면 기존 비보강 조적조 및 조적채움벽의 섬유보강재 보강에 따른 내용이 제시되어
있다. 그러나, 접착 효과를 확인하기 위해 에폭시 접착제, FRP 등을 활용하게 되면 화재와 접착재의 환경적인 영향 및 시간이 지남에 따라 부착효과가
감소되는 경향이 있으며, 조적 개체와 모르타르의 이질재료를 접착하여 쌓는 방식의 구조벽체로 지진과 같은 횡력 발생 시 접착력을 잃거나 미끄러지면서
파괴될 수 있으며(Kim et al., 2011), 접합부의 보수 및 보강에 대한 정보는 거의 없는 실정이다(Murat et al., 2005).
또한 조적채움벽의 경우 수평하중에 대한 강도는 증가하는 효과를 갖고 있으나 변형능력이 감소하는 특성을 갖고 있다. 지진하중에 불리하며 경제적인 이유로
중저층 철근콘크리트 시설물에서 칸막이 벽으로 사용되고 있으며 관련 기술 및 기준이 미비하여 지진 재해의 경감대책과 성능평가에 대한 연구가 필요한 현황이다.
1.2 연구목적
이 연구에서는 조적 구조물 접합부의 점착력이 약하고 마찰각이 작아 미끄러져 횡하중에 의한 전단력으로 전단 미끄러짐에 의해 지배될 수 있는 문제점 (Lee et al., 2019)을 개선하고 조적 구조물과 조적 채움벽의 취성파괴를 방지하기 위해 인성(Fracture Toughness) 및 멀티플 크랙의 특성을 가진 고인성복합체와
접합장치의 구조성능을 평가하고자 변수별 설계안 4가지를 도출하였다.
이에, 고인성복합체와 변수별 접합장치를 결합한 실험체 군으로 총 4개의 실험체를 제작하여 내진성능 평가하고자 실험을 수행하였다.
2. 문헌 고찰
고인성복합체와 접합장치의 성능을 확인하기 위해 국내외 학술지에 발표된 고인성복합체와 접합장치의 관련된 문헌 고찰을 통하여 아래와 같은 연구 동향을
정리하였다.
조적 벽체 및 벽체 교차부에 신축줄눈 유무에 따른 구조적 거동의 차이를 확인하고, 연결철물(스틸플레이트, 스테인리스 트위스트바) 삽입에 따른 보강효과를
검증하여 내력 및 연성향상을 확인하는 실험을 수행하였으며, 실험결과를 통해 보강플레이트 및 트위스트바 삽입에 의한 조적조 보강공사에 대해서는 면외
거동 뿐만아니라 면내 거동에 관한 연구도 추가적으로 필요하다는 결론을 입증하였다(Park and Kwon, 2015).
비보강 조적부재와 ECC(Engineered Cementitious Composite)자켓으로 보강한 조적부재의 내진성능을 평가 하기위해 비보강 부재와
30 mm로 보강한 ECC 보강부재 두 가지 실험제작과 실험체 하부에 H형강을 제작해 볼트로 고정하여 실험을 수행하였다. ECC보강 조적부재는 균열이
생겨도 탄성상태를 유지 하며 파단현상 일어나지 않는 실험 결과를 도출하였다. 분석된 연구에서는 H형강에 볼트만 접합하였는데 변수 별 설계안을 통해
결합력에 대한 성능평가가 필요할 것으로 판단된다(Lee et al., 2023).
내진보강 성능을 평가하기 위해 비보강 조적벽체와 TCP(Tube composite panel)를 보강한 조적벽체에 탄소섬유시트를 부착해 벽체 상 하부에
ㄷ-형강, 강재 철판, 앵커볼트를 설치하여 실험체를 제작 후 실험을 수행하였다. 강체 회전 및 하부 슬라이딩 하괴에 대한 TCP의 보강 효과를 파악하였으며
거동 특성 및 내진 보강 효과가 분석될 필요가 있으며 이를 바탕으로 한 TCP 보강 성능에 대한 정량적 평가 방법에 대한 추가적인 연구가 필요하다고
입증하였다(Choi et al., 2020).
목조 접합부에 관련된 기술을 바탕으로 유리섬유시트를 이용한 복합보강재를 개발하여 목조 접합부에 적용하는 실험을 수행하였다. 무보강, 유리섬유보강,
탄소강으로 보강한 실험체를 제작하였으며 유리섬유와 탄소강을 이용한 복합시편의 경우 탄소강 시편군과 거의 동일한 항복강도와 인장강도를 나타내었으며 복합
보강재를 목조접합부의 보강재로 사용함에 있어 유효한 효과가 있다고 판단되지만 보강재의 시공성 및 높은 성능향상을 위해 차후 보강재료에 관한 추가적인
실험이 필요하다고 입증하였다(Ho et al., 2016).
기존 연구에서는 목조 접합부의 성능을 확인하기 위해 유리섬유 및 탄소강으로 연구하였으나 다양한 접합부의 방법이 고려되지 않아 보강공법의 성능을 제대로
평가하기 어렵다고 판단된다.
3. 실험
3.1 실험계획
이 연구는 지진피해 사각지대의 대부분을 차지하는 조적구조에 고인성복합체와 접합장치의 변수로 인한 내진성능을 평가하기 위해 다음과 같이 실험을 계획하였다.
실험체 제작은 Table 1과 같이 4개의 변수로 계획하였다. 전체 실험체의 조적벽체 크기는 400 mm×671 mm의 크기와 140 mm의 두께로 제작하였으며, 형상비를 2.0에
맞춰 실험체를 설계하였다. 접합부 보강은 ECC 도포 전 기존에 개발하였던 조적벽체 하부에 ㄱ자 모양의 형강 접합장치를 활용하였으며 이를 고정시키기
위해 200×200×8×12 규격의 H형강에 M16 케미칼 앵커를 ㄱ자 모양 형강에 접목시켜 M10 육각볼트로 체결한 실험체를 제작(ECC-50-SS)하였고,
개발한 앵커형 이형 철근(ECC-50-10DB), D13⏀규격의 용접 메쉬형(ECC-50-13WS), 선경 4⏀ 규격의 메쉬를 접목시킨 접합장치(ECC-50-MR)에
H형강에 M16너트를 체결하여 고정하였다. 조적벽체 앞면에 고인성복합체를 25 mm씩 총 2회 단면 도포 후 접합장치를 완전히 고정하여 실험체를 제작하였다.
자세한 사항은 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내었다.
Table 1 Specimen list
|
No.
|
Experiment
name
|
Used fastening
|
Fastening method
|
Joint of subjects
|
|
1
|
ECC-50-SS
|
ㄱ-Shaped beam
|
M16 Anchor
|
M10 Bolt
|
|
2
|
ECC-50-10DB
|
D10 Deformed Bar
|
M16 Anchor
|
M16 Nut
|
|
3
|
ECC-50-13WM
|
D13⏀ Welded Mesh
|
M16 Anchor
|
M16 Nut
|
|
4
|
ECC-50-MR
|
Mesh
|
M16 Anchor
|
M16 Nut
|
ECC – 50 : Engineered Cementitious Composite 50 mm Embrocation
ECC-50-SS : ECC 50 mm – ㄱ-Shaped beam Steel
ECC-50-10DB : ECC-50 mm - 10 Deformed Bar
ECC-50-13WM : ECC-50 mm – 13 Welded Mesh Reinforcement
ECC-50-MR : ECC-50 mm – Mesh Reinforcement
Fig. 1 Developed variable fasteners design
3.2 실험방법
실험방법에 대한 내용을 Fig. 3에 나타내었다. 시험체 좌측 상단에 변위계(LVDT)를 설치하여 수평 변위를 측정하였으며, H형강과 접합 장치 사이에 변위계를 수직으로 설치해 들뜸
현상 또는 박리현상을 확인하여 접합 장치와 H형강의 접합력을 측정하였다.
로드셀(Load-cell)의 하중(kN)과 시험체의 수평 방향 변위(mm)를 측정하여 고인성복합체와 접합장치의 파괴 형상을 취득하였으며, 접합 장치와
H형강의 접합력을 측정하여 위 실험체가 내진성능 효과가 있는지를 실험하였다. 또한 하중-변위 이력 곡선을 취득하여 각 비교군의 변형능력을 비교하였으며
가력 속도는 시험체의 상부에서 0.01 mm/s의 속도로 1방향으로 횡가력을 재하하였으며, 실험체의 하중이 최대하중의 50% 이하로 저하될 때 실험을
종료하였다(Yoon et al., 2022).
Fig. 3 Lateral force test setup
3.3 실험 결과
3.3.1 ECC-50-SS
고인성복합체와 개발된 ㄱ자형강 접합 장치를 결합한 실험체 ECC-50-SS의 횡가력 실험 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 하중-변위 곡선 횡가력 실험 결과, 최대하중은 12.00 kN, 최대변위는 15.91 mm로 나타났다.
실험체의 최종 파괴 양상을 Fig. 5에 나타내었다. 최종 파괴 양상 확인 결과, 접합부 모서리에서 수직 균열이 발생해 접합부와 고인성복합체가 탈락할 수 있을 것으로 예상하였으나, 고인성복합체의
특성으로 실험체와 접합 장치 간의 들뜸 혹은 탈락 현상은 발생하지 않았으며 실험체 전체 균열을 확인하였을 때 수직 균열이 아닌 실험체 좌측 하단부의
가로 인장 균열이 발생한 것을 확인하였다.
Fig. 4 Strength-displacement test result (ECC-50-SS)
Fig. 5 Fracture configuration (ECC-50-SS)
3.3.2 ECC-50-10DB
고인성복합체와 개발된 이형철근(D10) 접합 장치를 결합한 실험체 ECC-50-10DB의 횡가력 실험 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 하중-변위 곡선 횡가력 실험 결과, 최대하중은 25.03 kN, 최대변위는 37.50 mm로 나타났다.
ECC-50-SS와 비교한 결과, 최대하중 및 최대변위는 13.03 kN, 21.59 mm의 차이가 발생하였으며 최대하중은 2.09배로 약 52.06%
증가하였으며 최대변위는 약 2.36배로 약 57.57% 증가하였다.
실험체의 최종 파괴 양상을 Fig. 7에 나타내었다. 최종 파괴 양상 확인 결과, 실험체 좌측 하단부의 가로 인장 균열이 발생하였으며 접합부의 들뜸 혹은 탈락 현상은 발생하지 않은 것으로
확인되었다.
Fig. 6 Strength-displacement test result (ECC-50-10DB)
Fig. 7 Fracture configuration(ECC-50-10DB)
Fig. 8 Strength-displacement test result (ECC-50-13WM)
3.3.3 ECC-50-13WM
고인성복합체와 개발된 D13⏀ 메쉬를 접합 장치를 결합한 실험체 ECC-50-13WM의 횡가력 실험 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 하중-변위 곡선 횡가력 실험 결과, 최대하중은 22.15 kN, 최대변위는 36.50 mm로 나타났다.
ECC-50-SS와 비교한 결과, 최대하중 및 최대변위는 10.15 kN, 20.59 mm의 차이가 발생하였으며 최대하중은 약 1.85배로 약 45.83%
증가하였으며 최대변위는 약 2.29배로 약 56.40% 증가하였다. 실험체의 최종 파괴 양상을 Fig. 10에 나타내었다. 최종 파괴 양상 확인 결과, 실험체 좌측 하단부의 가로 인장 균열이 발생하였으며 접합부의 들뜸 혹은 탈락 현상은 발생하지 않은 것으로
확인되었다.
Fig. 9 Fracture configuration (ECC-50-WM)
Fig. 10 Strength-displacement test result (ECC-50-MR)
3.3.4 ECC-50-MR
고인성복합체와 개발된 선경 4⏀의 용접 메쉬를 접합 장치를 결합한 실험체 ECC-50-MR의 횡가력 실험 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 하중-변위 곡선 횡가력 실험 결과, 최대하중은 20.75 kN, 최대변위는 8.58 mm로 나타났다.
ECC-50-SS와 비교한 결과, 최대하중 및 최대변위는 8.75 kN, 7.33 mm의 차이가 발생하였으며 최대하중은 약 1.73배로 약 42.17%
증가하였으며 최대변위는 약 –1.85배로 약 46.07% 감소하였다.
ECC-50-10DB 실험체와 비교한 결과, 최대하중 및 변위는 4.28 kN, 28.92 mm의 차이가 발생하였으며 최대하중은 약 1.21배로 약
17.10% 감소하였으며 최대변위는 약 –4.37배로 약 77.12% 감소하였다.
ECC-50-13WM 실험체와 비교한 결과, 최대하중 및 변위는 4.28 kN, 28.92 mm의 차이가 발생하였으며 최대하중은 약 1.21배로 약
17.10% 감소하였으며 최대변위는 약 –4.37배로 약 77.12% 감소하였다.
실험체의 최종 파괴 양상을 Fig. 10에 나타내었다. 최종 파괴 양상 확인 결과, 우측 하단에서 균열이 발생하였고 최대변위 8.58 mm에서 실험이 종료되며 변위계가 실험체에서 이탈하였다.
체결된 메쉬와 조적벽체에 결속이 부족하여 조적벽체가 탈락되며 H형강의 들뜸 현상으로 실험이 종료되었다.
Fig. 11 Fracture configuration (ECC-50-MR)
3.3.5 비교분석
고인성복합체를 보강한 횡가력 실험의 실험 결과를 Table 2에 나타내었다. 실험 결과, 고인성복합체와 이형철근을 접합시킨 ECC-50-10DB 실험체가 최대하중 및 최대변위가 가장 높은 것을 확인하였으며,
ECC-50-10DB 실험체와 다른 변수의 실험체 비교분석 결과, ECC-50-10DB 실험체에 비하여 최대하중 대비 약 42.94%, 88.49%,
82.90%로 집계되었으며 최대변위 대비 약 42.43%, 97.34%, 22.88%로 집계된 것을 확인하였다.
평균편차 분석 결과, ECC-50-10DB 실험체가 최대하중 25.03 kN으로 평균 최대하중보다 약 5.05 kN 증가하여 평균편차가 가장 큰 것을
확인하였으며, ECC-50-MR 실험체가 최대변위 8.58 mm로 평균 최대변위보다 –16.04 mm 감소하여 평균편차가 가장 큰 것을 확인하였다.
고인성복합체로 보강한 변수별 횡가력 실험 결과를 Fig. 12에 정리하였다.
Table 2 Lateral strength test results
|
No.
|
Maximum
strength (kN)
|
Difference from
average
|
Maximum displacement (mm)
|
Difference from
average
|
|
ECC-50-SS
|
12.00
|
- 7.98
|
15.91
|
- 8.71
|
|
ECC-50-10DB
|
25.03
|
+5.05
|
37.50
|
+12.88
|
|
ECC-50-13WM
|
22.15
|
+2.17
|
36.50
|
+11.88
|
|
ECC-50-MR
|
20.75
|
+0.77
|
8.58
|
-16.04
|
|
Average
|
19.98
|
24.62
|
Fig. 12 Lateral force strength-displacement test result average
4. 결 론
고인성복합체의 내진보강공사의 품질향상 및 내진성능의 수준을 확보하고 고인성복합체를 보강한 변수별 접합장치를 개발하여 보강재에 따른 지진 재해의 경감
대책에 활용할 수 있는 가능성과 내진 보강성능을 평가하는 실험을 통해 다음과 같은 결론을 내렸다.
1) 고인성복합체를 활용한 보강공법의 실험 결과, 취성파괴가 되지 않고 연성파괴를 유도하는 것으로 확인되었다. 이는 고인성복합체의 특성인 균열제어성능으로
조적벽체의 파괴를 일체화하여 연성파괴를 유도한 것으로 확인된다.
2) 고인성복합체와 이형철근을 결합한 실험체가 모든 실험체와 비교하였을 시 하중 및 변위가 높은 것으로 확인되었으며, 이형철근을 결합한 접합장치와
D13⏀ 용접메쉬를 결합한 접합장치가 조적 구조물 내진보강에 효율적일 것으로 판단된다.
3) 모든 실험체는 ECC-50-SS 실험체와 비교하였을 때 최대 내력 및 최대 변위가 약 1.5배 이상의 효과가 나타났다. 파괴 형상을 검토한 결과,
메쉬를 제외한 실험체들은 들뜸 또는 이탈 현상 없이 일체화하는 모습을 보이며 고인성복합체와 변수별 체결장치의 결합력 향상으로 안전성에 효과가 있는
것으로 판단된다.
4) 내진 보강공사의 보강공법을 확보하기 위해 고인성복합체와 도출된 설계안 4가지를 대상으로 실험체를 제작하여 실험한 결과, 보강공법의 내구성과 접합부의
문제점을 개선할 수 있지만, 고인성복합체의 정확한 성능을 평가하기 위해서는 균열 분석, 집중하중 등과 같은 다양한 내진보강공법의 성능평가와 접합장치의
대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 교육부와 한국연구재단의 재원으로 지원을 받아 수행된 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)의 연구 결과입니다. 이에 감사드립니다.
References
KALIS (2024), Seismic performance evaluation of existing facilities (buildings). Available
at: www.kalis.or.kr (in Korean).
Kim, T. W., Min, C. G., and Lee, H. M. (2011), Seismic Performance Evaluation of Unreinforced
Masonry Buildings By Using a Three-Step Procedure, Journal of Earthquake Engineering
Society of Korea, 15(8), 57-64 (in Korean).
Murat, E., Kahn, L. F., Abdul, H. Z., and Hong, G. H. (2005), Repair and Strengthening
of Reinforced Concrete Beam-Column Joints: State of the Art, Journal of the Korea
Concrete Institute, 17(4), 57-67 (in Korean).
Lee, Y. J., Yang, K. H., and Hwang, Y. H. (2019), Evaluation of Shear Friction Stress-Slip
Relationship at Concrete Brick and Mortar Interfaces, Journal of the Korea Concrete
Institute, 31(1), 21-27 (in Korean).
Park, B. T., and Kwon, K. H. (2015), An Experimental Study on Strength and Ductility
of Masonry Buildings Retrofitted by Metal Connectors, Journal of The Korea Institute
For Structural Maintenance and Inspection, 19(3), 113-121 (in Korean).
Lee, Y. H., Kim, J. W., Kim, J. H., Eom, T. S., and Lee, S. H. (2023), Seismic Performance
Evaluation of Unreinforced and ECC-jacketed Masonry Fences using Shaking Table Test,
Korean Society of Structural Diagnostics and Management Engineering, 27(6), 182-192
(in Korean).
Choi, H. W., Lee, S. H., Choi, H. S., Kim, T. H., and Baek, E. R. (2020), Static Cyclic
Loading Test of the Seismic and Energy Simultaneous Retrofit Panel for Existing Unreinforced
Masonry Buildings, Journal of The Korea Institute For Structural Maintenance and Inspection,
24(4), 81-90 (in Korean).
Ho, S. W., Yoon, S. J., and Kim, K. S. (2016), Experimental Study on Structural Behavior
of Wood Fram Joints Strengthened with Glass Fiber Sheet and Carbon Steel, Journal
of the Regional association of Architectural Institute of Korea, 18(2), 139-146 (in
Korean).
Yoon, B. Y., Park, J. H., and Hong, S. U. (2022), ECC Result Thickness to masonry
wall direct leaflet test, Korea Journal of Concrete Structures and Materials, Jeju
(in Korean).