Ductility of Boundary Element of Walls with Simplified Confinement Details

Abstract

최근 두 차례의 큰 지진인 경주지진 및 포항지진이 연달아 일어나 많은 주거 건물에 손상이 발생하였다. 최근 들어, 국내 지진발생 빈도 및 지진발생 빈도 및 지진하중의 위험이 증가함에 따라 공동주택에서 대부분 사용하고 있는 철근콘크리트 벽식구조의 내진성능의 중요성이 강조되고 있다. 고층화가 되어가는 공동주택 벽체는 중력하중에 의하여 벽체 압축 성능의 15~30%에 해당하는 큰 축력이 작용한다. 전단벽에 과도한 축력이 작용하는 경우, 벽체 단부의 압축변형률 증가로 인해 지진하중 시 콘크리트 압괴가 쉽게 유발되며, 내력벽의 연성능력 감소로 붕괴 위험성이 증가된다. 또한 내력벽 수직철근에 고강도 철근의 사용이 증가하고 있지만, 고강도 철근은 연성능력이 저하되는 단점이 있다. 고강도 철근은 지진하중 하에서 저주파 피로파단 및 국부좌굴이 발생하여 벽체의 성능을 저하시킬 우려가 있기 때문에 연성능력이 뛰어난 내진용 철근의 사용이 요구되며, 최근 개정된 건축물내진설계기준(KDS 41 17 00)에서는 중연성도 및 고연성도 구조형식에 내진용 철근의 사용을 의무화하였다. 현행 건축물 내진설계기준에 따라서 높이 60m 이상이면서 내진설계범주 D에 속하는 철근콘크리트 내력벽 시스템의 벽체 경계요소에는 폐쇄형후프와 연결철근으로 이루어지는 특수내진상세를 사용하도록 규정한다. 그러나 국내 벽체는 얇은 벽체를 사용하며, 이와 같은 얇은 벽체를 특수전단벽으로 설계할 경우 배근과밀로 인하여 시공성과 경제성 저하로 이어질 수 있다. 그러므로 시공성과 경제성을 확보할 수 있는 벽체 내진 상세의 개발이 필요하며 이를 통해서 고층 내력벽의 연성능력을 향상시킬 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 내진 상세의 선조립을 통해 시공성과 경제성을 향상시키는 횡보강 상세를 개발하며, 선조립 횡보강 상세의 유효성을 선 검증하기 위해 경계요소 1축반복가력 실험을 수행하였다. 또한 선조립 상세를 배근한 철근콘크리트 벽체의 연성성능을 평가하기 위해 반복 횡가력 실험을 수행하였다. 주요 변수는 철근의 종류, 횡보강 상세의 종류, 횡보강 상세의 간격, 하중이력이었다. 경계요소 1축 반복하중 실험결과, 상대적으로 높은 축력을 받는 벽체의 이력거동을 모사한 하중이력에서는 횡보강 상세의 간격이 좁아질수록 변형성능이 증가하였다. 또한 낮은 축력과 철근비를 가지는 벽체의 이력거동을 모사한 하중이력에서는 선조립상세의 성능이 특수내진상세와 동일한 변성성능을 나타내어 유효성을 대안연성상세로서의 변형성능을 검증하였다. 그리고 벽체 반복하중 실험결과, 상세의 간격이 좁아질수록 벽체의 횡변위비가 증가하는 결과를 나타냈으며, 경계요소의 심부콘크리트를 잘 구속하는 결과를 나타냈다. 또한, 내진용 철근은 높은 항복비를 나타내기 때문에 공칭 휨강도에 대한 초과 강도비가 벽체에서 크게 나타났다. 따라서 본 연구에서 제안된 선조립 상세를 사용하면, 현행 특수전단벽의 내진상세 보다 뛰어난 시공성과 경제성 향상을 기대할 수 있다. 또한 보통전단벽 보다 뛰어난 연성능력을 발휘하여 단부에서 발생할 수 있는 콘크리트 취성파괴를 방지하여 지진하중으로부터 구조적 안전성을 높일 수 있을 것으로 기대한다.

The recent major earthquakes, Gyeongu and Pohang Earthquake, occurred in succession, causing large damage to many residential buildings. In recent years, as the frequency of earthquakes and the risk of earthquake load in korea increase, the importance of seismic performance of RC wall structure, which is mostly used in residential building, is emphasized. Accordingly, the walls of apartment buildings that are becoming taller have large compressive force corresponding 15 to 30% of the wall compression capacity due to the gravity load. When excessive axial force is applied to the shear wall, an increase of the compressive strain at the end-region of wall cause the concrete to collapse during earthquake load. And it increases the risk of collapse due to the decrease in the ductility of bearing walls. In addition, the use of high-strength rebar for longitudinal reinforcement of the bearing wall is increasing. But, high-strength rebar has lower ductility capacity and yield ratio, so low-frequency fatigue and buckling of rebar may occure under earthquake load, which may degrade the performance of the wall. Therefore, the use of seismic rebar with excellent ductility is required. The recently revised Building Seismic Design Code(KDS 41 17 00) prescribed the use of seismic rebar for medium and high ductility structural types. In accordance with the design code, it is stipulated that special confinement detail consisiting of closed hoop and cross-tie used for the boundary element of RC bearing wall system that is more than height of 60m and belongs to Seismic Design Category(SDC) D. However, domestic apartment walls are thin. And if such a thin wall is designed as special shear wall, it may lead to a decrease in constructability. Therefore, it is necessary to develop the seismic detail that verify constructability and cost reduction, it is essential to improve the ductility of the high-rise bearing wall. Therefore, in this study, transverse reinforcement detail that enhances constructability and economics is developed through simplified confinement detail, and cyclic axial loading test for boundary element was performed to pre-verify the effectiveness of the simplified confinement detail. In addition to evaluate the ductility capacity of RC wall with the detail, cyclic lateral loading test was performed. The main variables were the type of rebar, the type of transverse reinforcement details, the vertical spacing of the transverse reinforcement, and the load history. As a result of the boundary element test, in the load history that simulates the hysteretic behavior of walls subjected to relatively high axial force., the deformation capacity increased as the spacing of the transverse reinforcement detils narrowed. Also, in the load history that simulates the hysteretic behavior of walls with low axial force and reinforcement ratio, the performance of simplified confinement detail showed the same deformation capacity as special seismic detail, and the effectiveness of the deformation capacity as an alternative ductile detail was verified. In addition, as a result of cyclic lateral loading test, the narrower the spacing of the transverse detail, the higher the lateral drift ratio, and the core concrete of the boundary element was well constrained. Because the seismic rebar has high tensile to yield ratio, the excess strength ratio to the nominal flexural strength was large in the specimen. Therefore, if the simplified confinement detail is used, it can be expected that the costuctability and economics are better than the current seismic detail of the special RC shear wall. In addition, it is expected to increase structural safety from seismic load by showing superior ductility than ordinary shear wall, preventing brittle failure of concrete that may occur at the end-region of RC wall.