Preservation and Rehabilitation of Historical Unreinforced Masonry Structures

Abstract

역사적 구조물은 인류의 문화적, 건축적, 역사적 가치를 지니며, 동시에 이러한 가치를 미래 세대에게 전달하는 데 있어 중요한 역할을 한다. 그러나, 많은 문화 유산들은 오랜 세월 지진이나 기타 자연재해로 심각한 피해를 입어왔다. 구조적인 측면에서 볼 때, 높은 질량, 낮은 인장강도, 낮은 전단강도 및 낮은 연성 등이 불리하게 작용하였으며, 조적조 구조물의 경우 재료의 특성, 형상, 구성, 요소 배치, 연결부, 기초의 강도 등 여러 변수가 해당 구조물의 내진거동에 영향을 끼쳤다. 이는 구조물의 부분 및 전체 붕괴로 이어질 수 있기에 역사적인 조적조 구조물의 보존과 보강은 계속적으로 연구가 필요한 주제이다. 본 논문에서는, 가장 중요한 구조적 요소인 비보강 조적조 벽체의 건축적, 구조적 특성을 분석하였고, 지진하중에 의해 야기되는 전형적인 손상에 대해 서술하였다. 그 후, 분석적 연구에 적합한 방법을 선택하기 위해 몇 가지 보강 방법에 대한 장단점을 조사하였다. 본 연구에서는 여러 유형의 비보강 조적조 벽체 중 건식 석조 벽체에 특히 집중하여 분석이 진행되었다. 유한요소해석을 통해 단조 및 반복 가력에서의 벽체 거동이 평가되었고, 수치해석 결과를 검증하기 위해 기존 연구자들의 실험결과가 사용되었다. 또한, 요소와 벽체의 배열 및 규모에 따라 매개변수적 연구가 수행되었다. 최종적으로 모델의 수치해석 결과와 파괴 양상을 고려하여 해당 구조물에 적합한 보강 방법이 선정되었다. 이 때, 기존의 역사적 구조물의 보강에 있어 가장 효율적이고 실용적인 방법 중 하나로 평가 받고 있는 철근 삽입 공법이 심층 분석되었다. 가장 효율적인 재료와 철근 배치를 탐구하기 위해 매개변수적 연구가 추가적으로 수행되었다. 본 논문의 연구를 통하여 궁극적으로 비보강 조적조 벽체의 내진거동과 적절한 보강 방법, 그리고 이를 어떻게 향상시킬 수 있는 지에 대한 해법을 도출할 수 있었다.

Historical structures constitute the most significant part of the cultural, architectural, and historical values of past peoples, which play an important role in transmitting these values to future generations. Many of these cultural heritage buildings have been severely damaged by past earthquakes or other natural disasters. In terms of structural property, the main defects are related to high specific mass, low tensile strength, low to moderate shear strength, and low ductility. The seismic behavior of masonry buildings highly depends on the material properties, geometry, configuration, arrangements of units, connections, foundation strength, etc. These features may cause them to be vulnerable to a sudden movement which can be terminated by the partial or entire collapse of the structure. Therefore, preservation and protection of this type of structure is an interesting topic and of great concern for the engineering community. This dissertation deals with a detailed architectural and structural characterization of different types of unreinforced masonry (URM) walls as the most important structural element and explains their typical damage caused by seismic loads. Then, several retrofitting methods including their advantages and shortcomings were investigated to choose an appropriate method for analytical studies. Among all types of URM walls, the dry-stack stone masonry wall was selected and its behavior under monotonic and cyclic loads was evaluated using finite element method (FEM). To validate the results of numerical analysis, all FEM models were calibrated with a set of experimental investigations that have been conducted by other researchers. Then, some parametric studies were conducted for different arrangements and scales of units and walls. Regarding the results of numerical analysis and failure modes observed in the models, an appropriate retrofitting method was determined. Given the existing limitations on retrofitting historical structures, inserting rebars into the wall was considered as one of the most efficient and practical retrofit techniques. Finally, a parametric study has been done for materials and arrangements of inserted rebars with a hope to achieve the most efficient case. The results obtained by this study led to a deeper understanding of the seismic behavior of URM walls and how it can be enhanced by a proper retrofit technique.