Analysis on the Flexural Behavior of Existing Reinforced Concrete Frame Structures Infilled with L-Type Precast Wall Panel
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(2) Analysis on the Flexural Behavior of Existing Reinforced Concrete Frame Structures Infilled with L-Type Precast Wall Panel. 60년대 초반부터 시작하여 기존 철근 콘크리트조 건물에서 조적조를 사용한 내부 채움 공법(Masonry - Infilled reinforced concrete frame)에 대한 연구 (Anil and Altin, 2006, Mehrabi et al., 1996)와 현장 타설 콘크리트로 채운 연구 (Kim and Lee, 1986, Kim and Jeong, 1986)는 국내외로 무수히 진행되어 왔다. 그러나 콘크리트 구조물에 가장 적합한 내진보 강 재료는 동일한 재료적 성능과 질감을 가지고 있는 PC(Precast Concrete)재라 할 수 있다. 그렇지만 지 금까지 국내에서 PC를 활용한 내진 보강 연구는 거 의 없었다. 그 동안 국내 학교 건물에는 일본의 제진댐퍼 공 법이 주로 활용되었으나, 서울은 작년부터 내진보강 위주로 모두 재편되었다. 그 근본적인 이유는 과연 종 국 하중에서 지진 하중을 감소시켜도 될 만큼 실재 건물이 반복적으로 흔들리며 거동할 것인가에 대한 타당한 증거가 없기 때문이다. 경험사례(Sakai, 2008) 에 의하면, 3∼5층 규모의 저층 기존 RC 건물 (Reinforced Concrete 건물)이 조적조로 채워져 있을 때, 지진하중 하에서 이 건물들은 진동을 발생하지 않 고 층 전단력에 의하여 취성 파괴되는 것이 일반적이 었다. 전단파괴에 효과적인 공법은 단면 확장이라 할 수 있다. 국외에서 도입된 공법과 국내에서 개발된 공법 내진보강과 제진보강 공법 등을 합하여 약 20여 개가 이미 개발되어있으나, 여전히 공사비는 비싸고, 공사 후 건물 외관은 매우 불량하다. 즉, 기존 철근 콘크 리트 학교건물에 대하여 가장 효율적이고 경제적인 공법 제안이 가능하다면, 민생현안을 저렴한 비용으로 안전하게 해결한다는 차원에서 국가적으로나 사회적 으로나 바람직한 시도라 할 수 있다.. 태에서 PC 패널은 건물 외곽 부재로 바로 설치하는 공법이다. 횡력에 가장 효과적으로 대응하는 방법은 내부 부재보다 건물 외곽 기둥과 테두리 보를 보강하 는 것이다. 이는 내부 부재 보강보다 효과적이고, 공 비와 공기를 크게 줄일 수 있기 때문이다. ∙ 기존 창문 보존 - 학교건물 외벽설계에서 Fig. 3과 같이 중앙에 위치한 창을 그대로 보존하는 것은 중요하다. 아래 Fig. 4와 같이 창문 상부 RC 보아래 막힘이 없이 창을 그대로 위치시켜야 탁 트인 시야 확보가 가능하고, 건강한 내부공간을 유지할 수 있다. 즉, Fig. 3과 같이 조적조 부위를 모두 타일을 붙인 보강 PC로 설치한다면, 최종 PC형태는 Fig. 4와 같이 L형으로 계획하였다. 이 경우 보강 후 창문은 원래 크기를 그대로 유지할 수 있고, 상부 보아래 탁 트인 창문 공간을 확보할 수 있다. 즉, L형 PC패널은 구조 적 성능뿐만 아니라 외장 기능도 함께한다.. 1.2 m expansion joint. 2.7 m. 2.65 m. 1.8 m 2.6 m 0.85 m. 4m. 3.8 m. Fig. 1 Inner Span. Fig. 2 Dimension of Panel. 2. 실험체 설계 및 제원 2.1 PC 벽패널 보강 공법 개발 ∙ 단면 확장에 의한 강도와 강성 증가 - 교육청에 서 지정한 최소 창문 폭과 높이는 2.8×1.8 m이다. Fig. 1에서 볼 수 있듯이 바닥에서 상부 보 하단까지 의 천장 고는 2.7 m, 기둥 사이 순경간은 4.0 m인 시 공 선을 생각할 수 있다. Fig. 2의 L형의 수직요소는 단면 확장을 함으로써 지진 횡력에 대해 기둥의 휨강 성과 전단강성을 증가시킬 수 있다. 특히 기둥의 전단 파괴 강도를 증가시킬 수 있다. 횡력으로 인하여 보에 전달되는 축력 일부분을 가로 부분이 분담하고. 보의 순 경간을 축소하여 보의 축강성을 증가시킬 수 있다.. Fig. 3 Infilled with Masonry. Fig. 4 Infilled with Precast Panel. ∙ 건물 외곽 기둥과 테두리 보와 보강 - 인양 상 Vol. 6, No. 2, 2015. 53.
(3) Yu, Sung-Yong · Ju, Ho-Seong · Son, Guk-Won. ∙ 1개의 PC 단면으로 생산 - 양중과 시공이 원활 하기 위해 단위 PC는 적정 크기여야 한다. 아울러 20 년 이상 된 기존 건물에 변형을 감안하여 1개의 PC 로 시공이 가능하게 하려면 수직 길이와 수평 길이에 대한 변동성에 대응할 수 있어야 한다. Fig. 1에서 L형 PC 상부와 우측에서 기존 RC 보, 기둥과 만나는 점에서 절점을 둔 PC를 생각할 수 있 다. 이 접합부에서 50 mm의 오차는 해결할 수 있기 때문에 높이와 길이에 대한 변동성 또한 대응할 수 있다. 따라서 1개의 PC 단면으로 거의 모든 학교 내 진보강을 시공할 수 있다.. . . (b) Panel Action (a) Frame Action Fig. 5 Modeling for Ductility. ∙ 연성확보 – 보강재에 가능한 변형을 구속하지 않는 방법으로 내진 구조물의 연성을 확보할 수 있다. 위 Fig. 5(a)와 같이 모재 보-기둥구조는 지진하중이 가해질 때 기둥 상부에서 최대 횡변형이 발생한다. 보 강재에서 구조형태는 이 변형을 허용할 수 있어야 한 다. 이를 위해, Fig. 5(b)와 같이 보강재의 구조형태 는 내민보 형식으로 하여 자유단 끝에서 최대 변형을 허용할 수 있는 L자 형태로 계획하였다. 이 L형 보강 PC의 부피는 250 mm 두께로 설치할 경우 1.4 m3으로 무게 3.4 ton에 불과하며 하이드로 크레인으로 시공이 가능하다. Fig. 1과 같이 보강하게 되면 1개의 PC로 보강재를 구성하게 되어 설치비용 과 재료비는 저렴하다고 할 수 있고, 공기도 절감 할 수 있다. 아울러 상부 전단 접합부 길이는 1,200 mm 로 충분한 전단내력을 보유 할 수 있다.. 보강대상으로 설정한 기존 철근 콘크리트 학교건물의 외곽 보-기둥 구조물을 모델로 하여 실물크기로 제작 된 RC 보-기둥 실험체이다. 실험체 경간과 단면은 80년대 문교부(현재 교육부)에서 발표한 학교건물 표 준설계도를 인용하였다. 즉, 표준 설계도에서 장변방 향 외곽 보-기둥에 주로 사용된 단면 중 하나이다. 이 무 보강 실험체에 대하여 이력하중 실험을 실시하 려 한다. Fig. 6의 보-기둥 구조물에 두께 250 mm L형 PC 벽패널을 Fig. 7 그리고 Fig. 10과 같이 보강하였다. 즉, Fig. 7은 L형 PC 보강재 상부와 철근콘크리트 보 -기둥 구조물 사이에 앵커 접합한 실험체이고, Fig. 10은 철판 용접 접합한 실험체이다 2개의 실물크기 실험체에 대한 이력하중 실험을 실시하려 한다. 2.3 보강 실험체 PR1-LA 실험체가 지진 횡하중에 대응하기 위해서 충분한 휨과 전단내력을 보유해야 한다. 이를 위하여 보강재 와 대상골조의 합성거동 필요하다. 합성 거동하기 위 해 Fig. 7과 같이 보강재를 상부 보 하부 면에 연결 시키는 앵커 전단 접합부를 설치하였다. 앵커 접합 PC 벽패널의 배근상세는 Fig. 8에 도시 되어있다. 이 앵커 접합부는 각 6개의 수직 후설치 앵 커와 선설치 앵커 그리고 측면 박스철물(steel box)에 3개의 수평앵커로 구성되어 있다. 현장에서 기존 RC 부 하부에 후설치 앵커를 설치한 후, 선설치 앵커가 설치되어있는 PC 패널을 보-기둥 구조물 사이에 삽 입하고 우측으로 밀착하여 수평앵커를 박스철물 안에 도입하고, 토크렌치를 사용하여 너트를 체결한 후, 상 부 전단 접합부에 고강도 콘크리트를 타설하여 마감 할 수 있다.. 2.2 무 보강 실험체 PR1. Fig. 7 Specimen PR1-LA (mm). Fig. 6 Specimen PR1 (mm). Fig. 6의 철근콘크리트 조 실험체는 이 연구에서 54. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. L형 보강재 하단 좌측측면 접합부(Fig. 7과 Fig. 10 참조)는 전단 하중은 크지 않고 주로 압축 또는 인장력만을 받게 된다. 그러므로 이 부분에서 접합부 의 인장 응력을 상쇄시킬 수 있는 접합부가 필요하고.
(4) Analysis on the Flexural Behavior of Existing Reinforced Concrete Frame Structures Infilled with L-Type Precast Wall Pane. 수평 시공오차에 대한 유연성도 필요하다. 따라서 이 를 위하여 측면 기둥에 정착된 앵커 철물에 PC에서 돌출된 철근을 Fig. 7과 같이 용접하고 무 수축 모르 타르를 타설하여 마감한다. 2.4 보강 실험체 PR1-LP 이 연구에서 두 번째 고려한 실험체 PR1-LP는 철 판 용접접합부를 사용하였다. 이 접합부는 용접 시공 을 하므로 앵커 접합부보다 시공성은 떨어지지만 철 판 용접으로 인하여 전단강도를 증가시킬 수 있다. Fig. 10 Specimen PR1-LP (mm). Fig. 8 Detail of Precast Panel with Anchor (mm). 2.5 기타 접합부 ∙ RC 기둥과 PC 보강재 사이의 박스 앵커 접합 부 측면 상하부에 삽입된 박스철물 안에 Fig. 11과 같이 수평으로 상부에 3개 하부에 2개의 인장 앵커가 도입되어 결속될 수 있다. 보강재 상부 철판 전단 접 합부에서 하중방향과 박스 앵커의 하중방향이 동일하 다. 즉, 상부의 박스 앵커 접합부는 수직 앵커에 의 한 전단 내력을 보완하고, 기존 RC 기둥과 PC 패널 사이에 이격이 발생하지 않도록 고정할 목적으로 설 치되었다. 하부 박스 앵커 접합부는 보강재의 탈락을 방지하기 위한 접합부이다. Fig. 12와 같이 앵커 볼트가 박스철물을 이용하여 기존 RC기둥 중앙부로 접합되므로 RC기둥에서 앵커 볼트의 정착력은 증가한다.. Fig. 9 Detail of Precast Panel with Steel Plate(mm). Fig. 9는 철판 용접 접합부를 가진 보강 PC 벽패 널의 배근 상세이다. 이 실험체는 기존 RC 보 하부에 서 철판을 케미컬 앵커로 정착시킨다. Fig. 9와 같이 PC 보강재 상단의 철판은 PC 공장에서 H형강을 PC 에 매입된 상태로 제작한 것이다. 그 후 2개의 철판을 현장에서 용접하였다. 즉, 이 접합부는 후설치 앵커 에 의하여 접합된 철판과 선설치로 설치된 철판을 용 접한 것이다. 아울러, Fig. 10과 같이 RC보 하단 전 구간에 걸쳐 후설치 앵커를 배치하여서, 후설치 앵커의 전단내력을 최대한 증가시켰다. 두 보강 실험체에서 다른 배근과 상세는 동일하다.. Fig. 11. L-type Panel with Steel Box Steel Box 15mm thk. Old RC Column. Anchor Bolt. Center of Anchor Bolt. Head Stud PC Stiffener. Fig. 12 Steel Box Anchor Method Vol. 6, No. 2, 2015. 55.
(5) Yu, Sung-Yong · Ju, Ho-Seong · Son, Guk-Won. Level →. 6.0. 3. 실험장치 및 재하실험. 5.0 13. 4.0. 3.1 사용 재료 이 연구에서 철근콘크리트구조물에 사용한 콘크리 트는 목표 강도가 21 MPa인 콘크리트이고, PC보강 재로 사용한 콘크리트는 강도가 35 MPa인 콘크리트 이다. 접합부에는 목표 강도 50 MPa 무 수축 고강도 콘크리트를 타설한다. 아래 Table 1은 실험 당일 측 정한 공시체 강도이다. 모든 주근과 PC 보강재의 철 근은 SD400의 이형철근을 사용하였고, RC 기둥의 전 단 보강근은 SD300의 이형철근을 사용하였다. Table 1. Cylinder Strength Specimens. RC1 [MPa]. PC2 [MPa]. Connection3 [MPa]. PR1 PR1-LA. 20.5 18.3. 39.5. 45.3. PR1-LP. 23.3 37.1 60.0 1: reinforced concrete member 2: precast concrete member 3: connection concrete. 3.0 2.0 1.0 0.0. 1. 2. 3. 4. 6. 5. 8. 7. 9. 10. 12. 11. Cycles. 0.10 0.150.200.250.35 0.75 0.50 1.00 1.40 -2.0 1.75 2.20 -3.0 2.75 -4.0 3.50 -1.0. -5.0. 4.50. -6.0. Drift Ratio. Fig. 14. → 6.00. Test Sequence. 서 층고는 2,900 mm으로 설정하였다. 기초상부에서 상부 보의 중심까지의 길이이다. 탄성구간 내에서 이 력거동을 관찰하기 위해 이 실험에 0.10%와 0.15%의 층간변위 비에 해당하는 가력단계를 포함시키고, ACI 374.1.051(ACI committee 374, 2014)에 기초하여 Fig. 14와 Table 2와 같이 변위제어로 가력 하였다. Table 2. Loading Sequence Step. 3.2 실험 장비와 실험 방법 상부 보를 횡 방향으로 가력 할 때 발생할 수 있는 미끄러짐을 방지하기 위하여 Fig. 13과 같이 철근 콘 크리트 보-기둥 구조물 기초에 12개의 32 mm 고 장력 강봉을 사용하여, 구조물을 각기 20 ton이상의 긴장력으로 반력상에 고정하였고, 200 ton의 추가 반 력을 받을 수 있는 스크류잭을 양 측면에 설치하였다. 프레임과 볼 지그를 부착하여 실험체의 좌, 우측 전도 를 방지하였다. 200 ton 용량 가력기를 상부 보 중앙 단부에 설치하여 실험을 변위제어 방식으로 진행하였 다. 또한, Fig. 13과 같이 실험체의 상, 중, 하 양단 변위를 측정하였고, 대각선 방향 라인 LVDT(Ch.8과 Ch.9)도 설치하여 보-기둥 골조의 전단 변형을 계측 하였다.. 15. 14. 1. Drift(%) 0.10 Displacement(mm) 2.90 Loading Rate(mm/s) 0.20 Period(sec) 60 Loading Frequency(Hz) 0.0167 Duration(sec) 180 Step. 8. Drift(%) 1.00 Displacement(mm) 29.0 Loading Rate(mm/s) 0.30 Period(sec) 400 Loading Frequency(Hz) 0.0025 Duration(sec) 1200. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 0.15 4.35 0.20 90 0.0111 270. 0.20 5.80 0.20 120 0.0083 360. 0.25 7.25 0.20 150 0.0067 450. 0.35 10.15 0.30 140 0.0071 420. 0.50 14.50 0.30 200 0.0050 600. 0.75 21.75 0.30 300 0.0033 900. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 1.40 40.60 0.50 336 0.0030 1008. 1.75 50.75 0.50 420 0.0024 1260. 2.20 63.80 0.50 528 0.0019 1584. 2.75 79.75 0.50 660 0.0015 1980. 3.50 101.5 1.00 420 0.0024 1260. 4.50 130.5 1.00 540 0.0019 1620. 각 단계의 진폭에 대해서 각 3회씩 반복한다. 같은 진폭에서는 연속가력을 수행한다. 서로 다른 진폭과 진폭 사이에는 가력을 일시 중지하고 거동 및 균열의 발생을 기록하는 시간을 가졌다. 또한 전체 가력시간 을 조절하기 위해 점차 가력속도를 크게 하여 진행하 였다. 저 진폭 (1-4단계)에서는 0.2 mm/s, 중 진폭 (5-8단계)에서는 0.3 mm/s, 그리고 고 진폭 (9-12단 계)에서는 0.5 mm/s으로 진행하였다. 최대하중에서 20% 이상 내력이 감소하면 실험체가 파괴된 것으로 간주하고 실험을 종료하였다.. 4. 실험결과 및 분석 Fig. 13 Test Set-up. 실험 조건에서 기초는 반력상과 견고하게 연결되어 기초에서 변형이 발생하지 않는다고 가정하였다. 따라 56. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. 4.1 하중 – 변위 비 곡선 4.1.1 PR1 아래 Fig. 15에서 PR1실험체의 하중-변위 비 곡선.
(6) Analysis on the Flexural Behavior of Existing Reinforced Concrete Frame Structures Infilled with L-Type Precast Wall Pane. 을 볼 수 있다. 여기에서 변위 비는 층간 횡 변형(변 위)에 대한 기둥의 유효높이 - 층고(2,900 mm)의 비율이다. 최대 변형은 실험체의 최대 강도로부터 85%까지 감소된 강도에서 변위 비로 설정하였다. 14단계까지 이력실험을 진행하는 과정에서 하중 변 위 곡선은 Fig. 16과 같이 큰 변형은 보이지 않았고 전 구간이 매끄럽게 휨 파괴하였다. 이 실험체의 연성 은 좋았으나 횡 지진하중에 대한 휨과 전단내력이 부 족하므로 내진보강을 실시하여 이 부족분을 보완하려 한다.. Fig. 15 Load-Drift Ratio Curve of Specimen PR1. Fig. 16 Cracking of Specimen PR1. 앵커접합 실험체 (PR1-LA 실험체)는 Fig. 7과 같 이 비대칭 실험체이다. 따라서 하중-변위비도 Fig. 17 과 같이 비대칭이다. 최대 가 하중(미는 하중)은 Table 3과 같이 973 kN이고 이 하중에서 최대 변위 비는 1.0%이다. 최대 부 하중(당기는 하중)은 549 kN과 이 지점에 서 최대 변위 비 1.0%이다. Fig. 17에서 보는 바와 같이 무 보강 PR1 실험체에 비해 보강 후 최대하중 은 평균 약 3.6배 증가하였고 강성도 가 하중에서는 약 6.7배 부 하중에서는 5.6배 증가하였다. (207/40.3= 5.1kN/mm; 973/28.7= 33.9 kN/mm; 33.9/5.1=6.7) 최대 하중에서 85%까지 감소된 하중에서 최대 변위 비는 1.4와 1.0이다. 이 실험체는 상부앵커 전단접합 부에서 전단파괴가 일어나서 최종 파괴되었다. 4.1.3 철판접합부 실험체 철판접합부 실험체 (PR1-LP 실험체)는 철판용접에 의하여 PR1-LA 실험체보다 접합부 전단강도를 크게 증가시킨 실험체라 할 수 있다. 그러나 실험 결과에서 최대 횡 지지력은 Fig. 18과 같이 961 kN으로 PR1-LA 실험체–973 kN와 유사하다. 아울러, 연성 은 85%까지 저하된 하중에서 최대 변위 비 1.0와 1.4 로 앵커 전단 실험체에 비하여 다소 취약하였다. 여기 에서 접합부 강도가 상이한 PR1-LP 실험체와 PR1-LA 실험체가 유사한 가력하중 거동을 보여주는 것은 두 실험체의 배근단면이 동일하기 때문에 가력 하중 거동은 힘 강도에 의하여 지배받는 것을 의미하 고, 상부 전단 접합부 강도는 가력하중 실험체 거동에 영향이 없다는 것을 의미한다.. 4.1.2 앵커접합부 실험체. Fig. 18 Load-Drift Ratio Curve of Specimen PR1-LP Fig. 17 Load-Drift Ratio Curve of Specimen PR1-LA. 반면에, 부 하중에서 접합부 강도가 높은 PR1-LP. Table 3. Summary of Test Results Maximum Maximum 85% of Maximum Maximum Maximum 85% of Maximum Speci Positive Loading Positive Loading Positive Loading Negative Loading Negative Loading Negative Loading -mens Loading [Load Drift Drift Drift Drift Loading [Load Drift Drift Drift Drift [kN] Level] Ratio [mm] Ratio [mm] [kN] Level] Ratio [mm] Ratio [mm] PR1 207 9 1.4 40.3 4.5 130.5 -216 11 -2.2 -63.5 -4.4 -127.6 PR1-LA 973 7 1.0 28.7 1.4 40.6 -549 10 -1.0 -29.1 -1.0 -29.0 PR1-LP 961 9 0.7 21.6 1.0 28.3 -636 6 -1.0 -29.1 -1.4 -40 Vol. 6, No. 2, 2015. 57.
(7) Yu, Sung-Yong · Ju, Ho-Seong · Son, Guk-Won. 실험체가 PR1-LA 실험체 보다 87 kN 높은 강도에 서 파괴되는 것은 부 하중에 의한 실험체 거동은 상 부 접합부 전단 강도의 영향을 직접 받는다는 것을 보여주고 있다. 4.1.4 실험체 거동 Fig. 22 Positive Loading (mm) contact and composite. Fig. 19 Specimens with Positive Loading. . cracking and non-composite. Fig. 20 Specimens with Negative Loading. 이 L형 보강 실험체가 부 하중보다 가 하중에서 특 히 우월한 강도와 강성을 보여주는 주된 이유는 가 하중에서는 Fig. 19와 같이 RC기둥에서 분산된 수평 하중이 보강 PC 벽패널을 밀게 되고 상부 전단 접합 부는 휨 변형에 의하여 패널과 함께 수평 이동하게 되므로, 앵커 전단 접합부에 큰 전단력이 걸리지 않 고, RC기둥과 PC 패널은 합성 휨 내력으로 가 하중 에 저항하는 거동에 기인하는 것으로 판단된다. 부 하중에서는 상부에 작용하는 실험하중은 Fig. 20 과 같이 실험 초기부터 RC기둥과 PC 패널 사이에 인 장 균열을 발생하게 되고, 그 후 보에 작용하는 수평 력은 PC 패널 상부 전단접합부에 직접 작용하기 때문 에 전단 접합부의 강도가 전체적인 부 하중 거동을 지배하게 된다.. 무 보강 PR1 실험체에서 휨 위험단면은 Fig. 21과 같이 상부 보 중앙에서 3.2 m 떨어진 위치에서 기둥 하단과 기초의 접합면이 된다. 한편, PR1-LA와 PR1-LP 보강 실험체의 휨 위험단 면은 L형 PC 보강 패널에서 수직요소와 수평요소를 만나는 수평 단면이라 할 수 있다. 따라서 PR1-LA와 PR1-LP 보강 실험체의 휨 위험단면은 Fig. 22와 같이 상부 가력하중 중심에서 아래로 2.05m에 위치한다. 보강대상 RC실험체 단면은 Fig. 23과 같고 강도설계 에 의하여 이 기둥의 공칭 휨강도를 계산하면 214.9 kN-m이다. 보강 PC 벽패널 단면은 Fig. 24와 같고 합 성 단면은 Fig. 25와 같다.. Fig. 23 RC Column. Fig. 24 Non-composite Precast Panel. 4.2 실험 결과 해석. Fig. 25 Composite Section. Fig. 21 Moment Diagram of Specimen PR1. 58. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. 전단 위험단면은 상부 앵커 전단 접합부라 할 수 있다. 이 연구에서 PC 벽패널은 상부에서 앵커 접합.
(8) Analysis on the Flexural Behavior of Existing Reinforced Concrete Frame Structures Infilled with L-Type Precast Wall Pane. 부 또는 철판 접합부에 의하여 강 접합되어있고 하단 에서는 RC 기둥 사이에 PC 패널이 모두 채워져 있으 므로 하단도 강 접합되었다고 가정하였다.. 그러나 Table 4 3)항에 의하면 가 하중에서 합성부 재는 81%와 82%*로 휨파괴는 발생하지 않았지만 부 하중에서 PR1-LP 실험체의 PC 벽패널에 휨파괴** 가 발생하는 것으로 확인되었다.. Fig. 26 Negative Loading (mm). 실험과정에서 가 하중이 적용할 때 하중을 받는 쪽의 RC 기둥과 PC 패널은 Fig. 22와 같이 합성 거 동하여 Fig. 27과 같이 해석하였고, 부 하중이 적용할 때 2개의 수직 부재는 1단계 첫 사이클에서 부터 이 격 균열이 발생하고 Fig. 26과 같이 각개 거동하는 것으로 해석하였다. Fig. 25 합성단면의 공칭 휨 강도 를 계산하면 PR-LA 실험체에서는 2,282.2 kN-m†† 이고, PR1-LP 실험체에서는 2,276.4 kN-m††이다. Fig. 26의 RC 기둥과 PC 벽패널의 휨 강도는 Table 4의 1항에서 PR-LA 실험체에서는 212.8 kN-m†와 809.5 kN-m†이고, PR1-LP 실험체에서는 215.8 kN-m†와 800.9 kN-m†이다. 위 Table 4의 2)항은 Table 3 실험 결과 중 최대 하중을 Fig. 25와 Fig. 26 모델에 입력하고 마이다스 젠으로 해석하여 Fig. 27, Fig. 28, Fig. 29, Fig. 30과 같은 외력 모멘트를 얻을 수 있었다. 가력하중에 의한 외력의 결과로 Fig. 27, Fig. 28, Fig. 29, Fig. 30과 같이 강성이 큰 합성 부재로 모멘 트가 집중되었다. 강성이 작은 비 합성 기둥과 내부 벽패널은 훨씬 작은 모멘트 하중을 분배받으므로 휨 파괴가 발생한다면 Table 4와 같이 먼저 강성이 큰 부재에서 발생할 것으로 예상된다.. Fig. 27 Moment of Specimen PR1-LA. Fig. 28 Moment of Specimen PR1-LA. Fig. 29 Moment of Specimen PR1-LP. Table 4. flexural Behavior Specimens. PR1LA. PR1LP. PR1 Composite Positive Loading Column Right Column Negative PC Wall Loading Left Column Composite Positive Loading Column Right Column Negative PC Wall Loading Left Column. 1) Calculated Flexural 2) Experimental Failure 3) Ratios [2)/1)] Nominal Strength [kN-m] Moment [kN-m] 214.2 203.8 0.95 1,865.2 0.82* 2,282.2†† 212.8 60.6 0.28 76.1 0.36 212.8† 809.5† 772.2 0.95** 212.8 59.8 0.28 1,842.2 0.81* 2,276.4†† 215.8 98.1 0.45 88.2 0.41 215.8† 800.9† 894.5 1.12** 215.8 69.5 0.32. 4) Failure Mode Not Fail Not Fail Not Fail Not Fail Not Fail Not Fail Not Fail Not Fail Not Fail Fail Not Fail. Vol. 6, No. 2, 2015. 59.
(9) Yu, Sung-Yong · Ju, Ho-Seong · Son, Guk-Won. Fig. 30 Moment of Specimen PR1-LP. 5. 파괴 거동에 관한 검토 무 보강 보-기둥 실험체와 L형 PC 패널로 보강한 보-기둥 실험체에 대한 준정적 내진 실험(Quasi Static Experimental Tests)이 진행되었다. 보강 실 험채의 PC 벽패널 상부는 보-기둥 실험체와 선설치 와 후설치 앵커접합부 또는 선설치와 후설치 철판 용 접 접합부로 연결되어 있다. 내진 구조 시스템은 보강을 할수록 강도와 강성이 증가하게 되어있다. 즉, 강성의 증가는 연성이 감소되 는 것을 의미한다. 현행 국내 내진 규정은 층간변위에 기초하여 규정하고 있다. 다시 말하면 최소한의 연성 은 바람직한 사항이지 연성이 떨어졌다고 해서 내진 구조로 사용할 수 없는 것은 아니다. 앵커접합 PR1-LA 실험체와 철판접합 PR1-LP 실 험체는 무 보강 실험체보다 가 하중에서 평균 4.7배 (평균 967 kN) 부 하중에서 평균 2.7배(평균 592.5 kN)의 강도 증가를 보여 주었다. 최대 변위비는 1.0%에서 1.4%사이 값이었다.. Fig. 31 Envelope of Load - Drift Ratio. 2개의 보강 실험체에 대하여 이력 실험을 실시한 결과 가 하중 하에서 접합부 내력과 상관없이 유사한 횡 지지력을 보여 주었다. Fig. 29에서 가력하중 하에 서 최대 가 하중인 961 kN까지 2개의 L형 PC 보강 실험체는 완벽하게 일치하는 하중-변위 곡선을 보여 주었다. 이것은 2개의 실험체가 휨 위험 단면에서 동 일한 크기의 RC와 PC기둥 단면을 가지고 있으므로 60. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. 나타나는 현상이다. 가력하중에 의한 부재 모멘트 분포도인 Fig. 27에 서 Fig. 30의 결과에 의하면 강성이 큰 합성 부재로 모멘트가 집중되는 것을 볼 수 있다. 강성이 작은 비 합성 기둥과 내부 벽패널은 훨씬 작은 모멘트 하중을 분배받으므로 휨파괴가 발생한다면 먼저 합성 부재에 서 발생할 것으로 예상된다. 2개의 보강 실험체는 상부 전단 접합부의 전단강도 와 휨 위험단면(L형 PC의 모서리를 포함하는 수평선) 에서 휨강도 중 약한 부위가 먼저 파괴되어 실험체에 최종 파괴를 결정하는 양상을 보여주었다. 예를 들면, 앵커 접합부 실험체인 PR1-LA는 9단계에서 상부 전 단 앵커 접합부에 폭 10 mm이상의 수평균열이 발생 하였고, 바로 PC의 우측 수직면과 RC의 수직면이 완 전히 분리되는 현상을 동반하였고, 결과적으로 두 수 직재의 합성이 파괴되며 최대강도에서 하락하는 과정 을 볼 수 있었다. 반면에 철판 용접 접합부를 가지고 있는 PR1-LP 실험체는 휨 위험 단면에서 휨파괴가 먼저 주도적으로 일어났으므로, 상부 전단 철판 접합 부에서 일부균열은 발생하였으나 철판과 용접은 여전 히 연결되어 있었고 이로 인하여 RC기둥과 PC수직면 에서 폭 1∼2 mm 정도의 미소 균열만 발생하였다. 균열 폭은 종국하중까지 더 이상 증가하지는 않았다. 최대 하중 후 철판접합 실험체 PR1-LP는 강성이 현저하게 떨어졌으나 앵커접합 실험체 PR1-LA는 Fig. 31에서 보는 바와 같이 비교적 연성 파괴모드를 보여주고 있다. PR1-LA 앵커접합 실험체의 종국 파 괴거동은 선설치와 후설치 앵커사이에 50 MPa 고강 도 콘크리트를 타설한 앵커접합부가 전단하중을 받으 며 서서히 파괴되는 과정을 실험과정에서 볼 수 있었 다. 따라서 가 하중 하에서 앵커접합부 파괴는 PR1-LP 실험체 휨파괴보다 훨씬 연성적으로 파괴되 었다. 이것은 박스 철물의 앵커 인장력이 측면에서 추 가적으로 수직 접합면의 이격을 방지하여 두 부재의 분리로 인한 최종 파괴 시간을 연장시키는 역할 때문 인 것으로 사료된다. 그러나 박스철물 앵커접합부는 Fig. 31에서 볼 수 있듯이 가 하중에서 연성거동을 도와주는 역할을 하고 있지만 접합부에 하중이 직접 적용되는 부 하중에서는 큰 역할을 못 하는 것으로 보인다. Fig. 32와 Fig. 33은 Table 2의 10단계 하중 실험 을 거친 후 실험이 종료된 상태에서의 실험체 균열도 이다. Table 4에서 예측한 대로 철판 접합 실험체 PR1-LP 실험체의 PC 패널 휨파괴는 가장 심각하였 으나 RC기둥은 PC 패널보다 휨 균열이 심각하지 않 았다. 예측한대로 부 하중에서 철판접합 실험체는 휨 위험단면에서 휨파괴로 파괴되었으나 앵커접합 실험 체PR1-LA는 상부 전단 접합부 전단파괴가 발생한.
(10) Analysis on the Flexural Behavior of Existing Reinforced Concrete Frame Structures Infilled with L-Type Precast Wall Pane. 논문이다. 이 실험체에서 사용한 보강재는 두께 250 mm인 L형 PC 벽패널이다. 첫 번째 보강 실험체는 선설치와 후설치 앵커 접합부로 PC 벽 상부에서 RC 보-기둥 구조물과 강 접합되었고, 두 번째 실험체는 후 시공 앵커 철판과 선 시공 철판을 용접 접합하였 다. 1 개의 실물크기 무 보강 보-기둥 RC실험체와 두개의 실물크기 보강 실험체에 대하여 이력 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.. Fig. 32 Cracking of Specimen PR1-LA - Front Side. 1) 가 하중(미는 하중)에서 PC보강재 상부 접합부 의 결속으로 인하여 RC기둥과 PC보강재는 완전 합 성 상태의 81%이상의 합성 횡 지지력을 보여주었다. 2) 앵커접합 PR1-LA 실험체와 철판접합 PR1-LP 실험체는 무 보강 실험체보다 가 하중 평균 4.7배(평 균 가 하중 967 kN) 부 하중 평균 2.7배(평균 부 하 중 592.5 kN)의 강도 증가를 보여 주었다. 최대 변위 비는 1.0%에서 1.4%사이 값이었다. 따라서 이 연구 에서의 앵커접합 L형 실험체와 철판접합 L형 실험체 를 내진공법구조 재료로 활용하는데 문제가 없는 것 으로 확인되었다.. Fig. 33 Cracking of Specimen PR1-LP - Front Side. 것을 볼 수 있다. 그리고 예측한대로 PR1-LP 실험체 보다 휨 균열은 적게 발생 하였다. 앵커 접합 실험체 이는 철판 접합부 전단 강도가 가 앵커접합부 강도 보다 커서 발생하는 현상이다. 이 실험체는 현재 전단벽 구조물과 프레임 구조물 사이에 연성도를 보이는 구조물이라 할 수 있다. L형 PC 벽패널 보강 방법은 벽패널의 수직요소 부분의 단 면적이 증가할수록 강도는 증가할 것이고 연성은 감 소할 것이다. 일정 부분의 연성의 증가를 원한다면 기 둥부분의 단면적을 줄이면 가능하다. L형 PC 벽패널 실험에서 상부 접합부에서 전단파 괴가 심하게 발생하면 그 아래쪽은 휨파괴가 약하게 발생하게 되고 반대로 상부 접합부에서 전단 파괴가 약하게 발생하면 그 아래 휨 위험단면에서는 휨파괴 가 강하게 발생하는 현상이 두 보강 실험체에서 확인 할 수 있었다. 이는 변위제어 하중 하에서 상부 전단 파괴 또는 그 아래 휨파괴 중에서 어느 한쪽이건 약 한 부분이 파괴되어 변형을 흡수해야 하므로 발생하 는 현상인 것으로 사료된다.. 6. 결 론 이 연구는 기존 철근콘크리트 보-기둥 구조물을 PC 벽패널로 보강한 내진 구조물에 대한 실험연구. 3) 2개의 보강 실험체는 상부 전단 접합부의 전단 강도와 휨 위험단면(L형 PC의 모서리를 포함하는 수 평선)에서 휨강도 중 약한 부위가 먼저 파괴되어 실 험체에 종국파괴를 결정하는 양상을 보여주었다. 앵커 접합부 실험체인 PR1-LA는 9단계에서 상부 전단 앵 커 접합부 전단 파괴로 파괴되었다. 반면에 철판 용접 접합부를 가지고 있는 PR1-LP 실험체는 휨 위험 단 면에서 휨파괴로 파괴되었다. 4) 최대 하중 후 철판접합 실험체 PR1-LP는 강성 이 현저하게 떨어졌으나 앵커접합 실험체 PR1-LA는 비교적 연성 파괴모드를 보여주고 있다. 이것은 박스 철물 앵커 인장력이 측면에서 추가적으로 수직 접합 면의 이격을 방지하여 두 부재의 분리로 인한 최종 파괴 시간을 연장시키는 역할 때문인 것으로 사료된 다. 5) L형 PC 벽패널 실험체 오른쪽 위에서 좌측방향 으로 가력 할 때 우측에 있는 RC 기둥과 보강 PC 패널의 수직 요소는 완전 합성상태로 가정하였다. 반 대로 우측방향으로 부 하중이 작용하면 RC 기둥과 PC 패널은 완전 비 합성 거동하는 것으로 가정하여 해석한 결과 전체적인 거동은 실험 결과와 일치하는 것으로 판단되었다. 6) 철판 접합부가 앵커 접합부보다 우월한 강도를. Vol. 6, No. 2, 2015. 61.
(11) Yu, Sung-Yong · Ju, Ho-Seong · Son, Guk-Won. 보여주지만 연성은 앵커 접합부가 더 우월하였다. 앵 커접합 실험체의 연성은 박스철물의 인장앵커 역할에 기인하는 것으로 사료되었다. 따라서 박스철물이 있는 철판 접합부에 대한 추가 실험 연구가 필요하다.. 감사의 글 이 연구는 국토해양부가 출연하고 한국건설기술평 가원에서 위탁 시행한 2014년 국토 교통 기술 촉진 연구사업(과제번호 14CTAP- C077924-01)의 연구비 지원을 받아 수행되었으며 이에 감사드립니다. 아울 러, 앵커 전단설계와 관련한 ㈜힐티의 연구 협조에 대 하여 감사드립니다.. References ACI Committee 374 (2014), Acceptance Criteria for Moment Frames basedon Structural Testing and Commentary, ACI 374.1.05. Kim, K. D., and Jeong, B. J. (1986), “A Study on the Effect of Openings on the Lateral Stiffness of Journal of the Architectural Infilled Frames,” Association Fall Conference (structural system). Kim, R. C., and Lee, L. H. (1986), “The Behaviour of Infilled Frames,” Journal of the Architectural Association Fall Conference (structural system). Mehrabi, A. B. et al. (1996), “Experimental Evaluation of Masonry-Infilled RC Frames,” Journal of Structural Engineering. Sakai, Y. (2008), For earthquake that occurred in Sichuan Province, China, http://www.kz.tsukuba.a c.jp/~sakai/ 080516 .htm. Yoon, S. J. et al. (2014), “Strength Evaluation of Bolt Arrangement in PFRP Bolted Connection with 2 Bolts,” Korean Society for Advanced Composite Structures, V. 5, No. 3... 62. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc.
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수치
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