단부 경계요소 보강에 따른 기존 철근콘크리트 보통전단벽의 휨 성능 평가 = Flexural performance evaluation of existing reinforced concrete structural walls with boundary element retrofit

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 단부 경계요소 보강에 따른 기존 철근콘크리트 보통 전단벽의 휨 성능 평가이다. 최근 공동주택의 수직증축 리모델링응 허용하는 법규가 시행됨에 따라 기존 건축물 상부에 최대 3개 층의 증축이 가능해졌다. 그러나 증가되는 수직하중에 따른 질량과 높이의 증가로 기존 벽체에 작용하는 소요 강도 또한 증가하게 된다. 소요 휨강도를 만족하고 벽체의 길이나 두께의 증가를 막기 위해 필요한 만큼 단부의 경계요소를 파쇄한 후 보강재를 부착하고 마감하는 방법이 실무상 제시되어왔다. 실무상 많은 보강안이 제시되어 왔지만 제시된 보강안은 상세가 구체화되어 있지 않으며 구조 안전성 확보에 대한 검증 또한 이루어지지 않았다. 뿐만 아니라 단부가 보강됨에 따라 보강단부와 기존 벽체와의 일체성 확보여부가 불분명함에도 불구하고 보강설계는 일반 철근콘크리트 구조벽체의 설계법을 그대로 적용하고 있다.
본 연구에서는 실제 적용 가능하게 보강상세를 구체화하고, 실험을 통하여 구조 안전성 및 휨 거동을 분석하였다. 주요 변수는 단부 보강 수직 철근비와 정착길이, 기존 벽체와 보강 단부 간 연결방법이다. 이를 통해 보강상세에 따른 철근콘크리트 전단벽의 휨 성능을 분석하였고, 추가적으로 휨 설계 시 영향을 미치는 변수에 대한 해석적 연구를 진행하였다. 경계요소가 보강된 전단벽에 대한 휨 설계 시 현행 설계기준에 부합하면서 효율적으로 안전성을 확보하기 위한 설계방법론을 제시하였다.
먼저 단부 수직 철근비 증가에 따라 단면해석으로 휨 보강효과를 도출하였고 그 결과를 기반으로 실험 설계를 진행하였다. 또한 정착길이에 대한 ACI 및 KBC에서 규정하고 있는 구조기준과 케미컬 앵커를 사용한 단축된 정착길이에 근거하여 시공성과 기초 두께를 고려한 정착길이를 산정하였다. 마지막으로 기존 벽체와 보강 단부를 연결하기 위한 용접 연결과 전단 스터드 연결 상세를 구체화하여 실험체를 제작하였다.
보강된 벽체의 반복 횡가력 실험을 통해 도출된 휨 성능은 단부 철근비의 증감, 보강철근의 정착길이, 기존벽체간 연결상세에 따라 분석되었다. 보강에 따라서 최대 하중은 증가하고 최대 변위 역시 기존 벽체와 동일하거나 더욱 증가하였다. 정착길이가 감소된 상태에서 반복하중을 받는 경우라도 수직 철근의 항복이 확인되었고 부착파괴 양상은 나타나지 않았다. 또한 단부 경계요소 파쇄에 따라서 상실되는 수평 철근의 정착은 용접을 이용해 확보할 시 휨 파괴되었으나, 전단 스터드를 이용해 연결한 경우 전단파괴 양상이 나타났다.
유한요소해석을 통해 경계요소 보강에 따른 영향인자를 분석하였고 실험결과를 통해 보강설계에 필요한 변형률 보정계수와, 강도감소계수의 변화를 도출하였다. 유한요소 해석결과는 실험결과를 비교적 정확한 수준에서 예측하였으며 이를 바탕으로 도출해낸 변형률 보정계수는 보강된 벽체의 안전성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구목적 4
• 1.3 연구내용 및 범위 5
• 제 2 장 기존문헌 고찰 8
• 2.1 일반사항 8
• 2.2 현행 설계 기준 11
• 2.3 기존연구 분석 25
• 2.4 소결 45
• 제 3 장 경계요소 휨 보강공법 46
• 3.1 보강개념 46
• 3.2 설계기준에 규정된 사항 51
• 3.3 경계요소 보강 시 고려사항 54
• 3.4 기존벽체 경계요소 보강방법 56
• 3.5 기존기초와 경계요소간 정착방법 60
• 3.6 기존벽체와 경계요소간 연결방법 68
• 3.7 경계요소 휨 보강 제안 71
• 3.8 소결 72
• 제 4 장 경계요소 휨 성능 실험 73
• 4.1 실험체 설치 및 가력계획 73
• 4.2 실험체 세부사항 77
• 4.3 실험체 단면해석 84
• 4.4 소결 92
• 제 5 장 실험결과 및 분석 94
• 5.1 재료시험 결과 94
• 5.2 하중-변위 관계 98
• 5.3 강성저하 및 에너지소산 110
• 5.4 균열분포 및 모멘트-곡률 관계 119
• 5.5 변형 기여분 127
• 5.6 단면 변형률 분포 143
• 5.7 유효단면2차모멘트 147
• 5.8 소결 149
• 제 6 장 비선형 유한요소 해석 151
• 6.1 개요 151
• 6.2 요한요소 모델링 151
• 6.3 재료모델 154
• 6.4 비선형 유한요소 해석결과 160
• 6.5 소결 173
• 제 7 장 휨 보강 설계법 174
• 7.1 이론적 배경 174
• 7.2 휨 보강 설계 시 가정사항 184
• 7.3 강도감소계수 184
• 7.4 휨 강도 계산 192
• 7.5 제안된 설계법의 검증 195
• 7.6 소결 202
• 제 8 장 결 론 203
• 참 고 문 헌 207