1. 서 론

국내 건축물에 대한 내진설계기준은 1988년 최초로 제정되었다. 이 기 준에서는 내진설계의 적용대상 범위를 6층 이상, 연면적 10,000 m² 이상으 로 제한하고 있었다. 이후 내진설계 적용대상의 범위는 2000년 아이티지 진, 2008년 쓰촨성 지진 이후로 점차적으로 강화되었으며 2016년 경주지 진, 2017년 포항지진 이후로 그 적용 범위가 2층 이상, 연면적 500 m² 이상 으로 확대되었다. 따라서 1988년 이전에 지어진 건축물과 2005년 이전에 지어진 6층 미만, 연면적 10,000 m² 미만인 건축물은 내진설계가 되어있지 않다. 이는 지진이 발생했을 때 인명과 재산을 보호하기 위해 필수적인 내진 성능을 기대하기가 어려우며 이에 따라 중장기적으로 내진보강이 지속적 으로 요구되고 있다. 2019년 건축물 현황에 따르면 국내 건축물은 Fig.1과 같이 5층 미만의 건축물이 전체 건축물 중 총 96.8%를 차지하고 있다[1]. 실제적으로 6층 이상 또는 15층 이상의 중고층 건축물이 우리나라에서 중 요한 건축물로 인식할 수 있으나 통계에서 보듯이 실제 국민이 거주 또는 업 무시설로서 사용하는 건축물의 대부분은 6층 이하 건축물로 전체 건축물의 97% 이상이다. 중저층의 건축물은 아이티와 터키의 지진피해 사례에서 보 듯이 구조적으로 고층 또는 초고층 건축물에 비해 내진설계가 미흡하여 지 진위험에 크게 노출되어 있다. 특히 국내의 오래된 중저층 건축물들의 보- 기둥 골조시스템에 채움벽으로 대부분 조적벽을 사용하고 있는 현실을 고 려할 때, 지진발생 시 조적벽의 면외 탈락과 취성적 파괴를 방지할 수 있는 공학적 해결방안 제시가 필요하다[2, 3].

지진발생시 조적조는 횡력에 대해 상당히 취약한 구조로 현재 시공 방법 은 콘크리트 외벽에 소량의 앵커나 철물을 통해 고정되어 있거나 내부 보- 기둥 골조에 채움벽 형태로 끼워져 있는 상태로 이는 지진 발생시 면외방향 으로 조적조의 조기 탈락이 우려되는 상황이다. 이러한 기술적 문제로 2017년 포항지진으로 ○○대학교의 건물 외관의 조적조 탈락이 발생하였 고. 이는 많은 국민들에게 심리적 불안감을 조성하였다. 당시 ○○대학교 의 조적조 붕괴 당시 다행히 학생들이나 일반인이 근처에 없던 관계로 큰 인 명피해는 발생하지 않았다. Fig. 2는 건립 후 26년이 지난 △△대 미술관에 서 조적을 고정하는 앵커철물의 노후화로 인해 2019년에 발생한 외벽 붕괴 사고를 보여주고 있다. 이러한 사례는 현재 국내에서 조적조 벽체의 피해, 손상 가능성을 보여주며 조적조 건축물들의 내진보강과 노후화된 조적벽 의 보강이 시급한 상황이다.

조적조 건축물의 보강공법으로는 벽체를 보강하여 벽체의 전단저항능 력의 향상을 통한 보강방법은 흔하게 사용되고 있다[4-7]. ElGawady et al.[8], Tomazevic[9] 조적조에 단순히 숏크리트를 타설하는 것으로도 내 진성능이 향상될 수 있다는 것을 보고하지만 이는 질량의 증가로 상대적으 로 높은 비용에 대한 문제점이 있다. Vega and Torres[10]의 연구에서 탄 소섬유보강재의 부착은 연성의 증가를 가져오나 구조체와 탄소섬유보강재 의 팽창계수의 차이로 계면 분리가 발생하게 되어 내진보강의 효과가 감소 될 수 있다고 보고하였다.

본 연구에서는 국내 조적조 내진성능을 향상하고 조적벽체의 취성파괴 를 방지하기 위한 목적으로 합성복합체 보강재로 보수한 조적조 실험연구를 수행하였다. 국내에서 비보강 조적조에 대한 연구[11-14]는 기존 비보강 조 적조의 성능과 함께 강판, 에폭시, FRP 등 보강재에 대한 조적조 실험연구 가 수행되었다. 따라서 Fig. 3에서와 같이 보강공법을 적용했을 때 조적조 재료실험체의 성능향상을 확인하기 위해서 ①비보강 실험체, ②한면에 하 이브리드 슈퍼코팅(이하 HSC)보강, ③한면에 HSC와 Cast보강, ④양면에 HSC보강을 적용한 실험체들을 제작하여 실험을 수행하였다. 조적의 재료 적 성능은 기존 시설물 내진성능 평가요령[15]에 따라 조적 프리즘 압축강 도, 휨인장강도, 사인장 전단강도, 수평줄눈 전단강도 실험을 진행하였다.

2. 실험계획

2.1 실험체 및 보강재 개요

본 연구에서는 KS F 4004(콘크리트 벽돌, 2013)[16]기준에 따라서 90×57×190 mm의 벽돌을 사용했다. 압축강도는 옥외 또는 내력 구조에 주 로 사용되는 1종 벽돌의 압축강도 13 MPa이상의 벽돌을 사용했다.

모르타르 공시체는 KS L 5105(시멘트 모르타르, 2007)[17]의 기준에 따라 50×50×50 mm크기의 압축실험체 9개를 제작하였으며 3일, 7일, 28 일 모르타르 압축강도 시험을 수행하였다. Fig. 4은 모르타르 압축강도 실 험 사진을 보여준다. 실험결과 28일 최대 압축강도는 17 MPa이었으며, 평 균 16.2 MPa의 강도를 보였다. 따라서 KS L 5220(건조 시멘트 모르타 르)[18]에서 요구하는 모르타르의 최소 압축강도 기준(재령 28일 기준 강 도 11 MPa 이상)을 만족하였다.

보강재료로는 HSC와 Cast(유리섬유보강)를 사용하였다. Cast는 수지 함유량 50%와 유리섬유(E-glass)를 혼합해서 개발하였다. 구조보수용 Cast를 우레탄프라이머 코팅액과 밀착하여 보수부위에 접착하는 방식으로 조적벽의 균열감소와 면외탈락을 방지하는 목적으로 본 연구에 고려되었 다. Fig. 5는 본 연구에서 사용한 Cast를 보여준다.

HSC는 충격과 지진에 취약한 조적조 벽체와 노후 벽체에 무촉매 초속 경화형으로 제작되어 분사된다. 경화속도가 빨라 분사 이후 3초 내에 탄성 도막을 형성하며 연질형에서 경질형의 다양한 물성을 갖는 탄성체 제조가 가능하며 인장강도, 신율, 내마모성, 접착력 등에서 우수한 물리적 성질을 갖는다. 이러한 특성은 외부충격과 지진에 취약한 조적벽체에 대한 신속하 고 경제적인 내진보강이 가능하게 한다. Fig. 6은 HSC를 이용한 보강법을 보여준다. 전체적인 재료의 특징은 Table 1에서 각 보강재의 두께와 인장 강도, 벽돌의 크기 및 압축강도 등을 보여준다.

2.2 실험체 제작과정

조적조의 재료적 특징을 확인하기 위해서 ①프리즘 압축강도, ②휨인 장강도, ③사인장 전단강도, ④수평줄눈 전단강도 실험을 실시하여 하중 을 가한 후 실험체의 파괴 시까지의 거동을 관찰했다. 각 실험체는 콘크리 트벽돌을 모르타르로 접착하였으며, 모르타르의 두께는 10 mm로 영식쌓 기 기법을 이용하여 시공되었다. 보강방법은 3가지 종류를 비교하였다. Fig. 7은 HSC와 Cast를 사용하여 조적조를 보강하는 모습을 보여준다. HSC뿜 칠은 양생이 완료된 조적실험체를 준비하고 표면을 매끄럽게 한 후 보강면 에 HSC를 분사하여 탄성도막을 형성하였다. HSC와 Cast 모두를 사용하 여 보강했을 때는 프라이머 코팅액을 보강부위에 바른후, 건조된 후에 Cast 를 밀착하여 조적벽에 부착하였다. 이후 HSC를 분사하여 보강하였다.

각각 보강법에 따라서 실험체 이름은 다음과 같이 지정하였다. BR은 Brick으로 시멘트 벽돌을, OR은 Original의 약자로 비보강된 조적실험체 를 의미하는 것이며, HS는 HSC, CT는 Cast를 뜻한다. O는 한면(Oneside) 보강, B는 양면(Both-side)보강을 의미한다.

BR-OR 실험체는 시멘트 벽돌로 이루어진 원래(Original)의 실험체를 의미하며 보강공법의 효과를 비교하기 위한 기준 실험체이다. BR-HS-O 실험체는 조적벽의 한면에 HSC을 분사하여 보강하였다. 이를 통해 비보강 된 실험체와 비교하여 HSC 보강 유무에 따른 성능을 파악하였다. BR-HS-B 는 조적벽의 양면에 HSC를 분사한 실험체이다. 이를 통해 HSC 한면 보강 실험체와 비교하여 한면과 양면에 따른 물리적 보강량의 차이에 따른 성능 을 파악하기 위함이다. BR-HS-CT-O 실험체는 HSC 한면보강 조적벽에 Cast보강을 더한 실험체이다. 비보강된 조적벽과 HSC 한면 보강실험체와 비교하여 HSC와 Cast의 동시보강에 따른 성능 변화를 파악하였다.

3. 조적조 실험결과 및 분석

실험체에 LVDT(선형 가변 변위 변환기)를 설치하여 시편의 변형률을 측정하였다. 또한 UTM과 액츄에이터를 사용하여 가력 하중과 변위의 상 관관계를 이용하여 재료의 물리적 성질을 확인하였다. 실험체에 가해지는 하중에 따른 변형률을 정확히 측정하기 위해 각 실험에 알맞은 LVDT 설치 위치를 고려하였다. Table 2는 실험체의 LVDT 설치모습과 각 실험체의 크기, 각 실험체의 제작 개수를 보여준다.

3.1 프리즘 압축강도 실험

조적 프리즘 압축강도 실험체는 ASTM C1314[19]에 따라서 실험을 진 행했다. 압축 하중을 가해 조적프리즘 실험체의 압축하중에 대한 거동을 살 펴보았으며, 보강재인 HSC와 Cast를 부착한 조적프리즘 실험체의 압축하 중을 가해 보강재의 부착에 따른 압축강도 성능의 변화를 조사하였다. 압축 강도 실험의 경우 가력장치를 통해 최대 17 mm까지 가력하는 실험으로 보 강 실험체의 균열 및 파괴 양상을 파악하기 위하여 진행하였다.

Fig. 8과 Fig. 9는 프리즘 압축강도 실험에 대한 전체적인 결과를 보여주 며, Fig. 10은 실험 후 파괴된 모습을 보여준다. BR-OR 실험체는 취성적 파괴가 발생하여 순간적으로 파괴가 발생했다. 이 때 최대하중은 159 kN이 며, 이 때 변위는 1.02 mm이다. BR-HS-O실험체는 보강면에서 실험체의 급격한 파괴현상은 발생하지 않았으며, 압축하중이 점점 커짐에 따라 시멘 트벽돌의 압축파괴가 발생하며 이에 따라 HSC뿜칠도 시간의 흐름에 따라 주름이 잡히며 구겨지는 현상이 관찰되었다. 최대하중이 181 kN이며 실험 체 중 가장 큰 값을 갖는다. 최대하중일 때 변위는 1.71 mm이다. BR-HS-B 는 급격한 파괴는 발생하지 않고 양면 보강으로 인해 하중을 제거한 후에도 기존의 형상에 가깝게 형태가 유지되었다. 최대하중은 175 kN으로 측정되 었으며 이때 변위는 1.85 mm이다. BR-CT-HS-O는 다른 실험체들과 비교 했을 때 보강 면에서의 형상변형 및 벽돌 깨짐으로 인한 취성적 파괴 현상의 발생이 가장 작았다. 최대하중은 117 kN이며, 실험체 중 가장 낮은 최대강 도를 가진다. 이 때의 변위는 3.61 mm로 다른 실험체들과 다르게 변위가 발생하면서 강도가 점진적으로 증가하는 모습을 보여주었다.

강도 측면에서 전체적으로 HSC 보강체의 강도는 증가하나 Cast를 같이 보강한 실험체의 경우 강도가 낮게 측정되었다. 이러한 결과는 크게 조적과 몰탈 품질에 대한 변수와 HSC와 Cast는 인장과 전단 능력 증대에 특화된 물질로 단면 및 양면 보강의 압축실험에서는 강도 증진에 대한 큰 효과를 보 이지 못하였다.

3.2 휨인장강도 실험

휨인장강도 실험체는 ASTM E518[20]을 참고하여 제작하고 실험되었 다. 벽돌을 쌓아 올린 조적조로, 조적조의 면외방향에 대한 휨하중에 대한 실질적인 거동을 알아보고자 실험체의 가로면(면외방향)에 하중을 가하였 다. 본 실험을 통해 HSC와 Cast를 보강한 조적조의 휨인장에 대한 성능을 알아보았다. 최대변위 68 mm까지 가력 되었으며, 보강 실험체의 최대변형 능력 수준을 파악하기 위하여 진행하였다.

Figs. 11, 12는 휨인장 강도실험에 대한 전체적인 결과를 보여주며, Fig. 13은 실험 후 파괴된 모습을 보여준다. BR-OR 실험체는 최대하중이 3.49 kN에 도달할 때 몰탈 이음 부분에서 탈락이 발생하였고 최종 파괴가 발생 하여 실험이 종료되었다. BR-HS-O는 최대하중이 8.27 kN이였으며, 벽돌 과 모르타르의 균열이 발생한 이후에도 HSC뿜칠의 변형이 증가하면서 추 가하중을 계속 지지하였다. BR-HS-B는 최대하중이 10.25 kN일 때 파괴 가 발생하였다. 벽돌과 모르타르에서 최종 파괴가 발생한 직후에도 HSC양 면 보강으로 인해 실험체 하단이 HSC뿜칠에 의해 파단이 일어나지 않고 계 속 하중을 지지하였다. BR-CT-HS-O는 최대하중이 17.99 kN로 보강실험 체 중 가장 큰 휨인장 증진 효과를 보여주었다. 벽돌과 모르타르의 접합부에 서 먼저 파단이 일어났지만, HSC와 Cast의 보강에 따라 급격한 전체적인 파괴로 이루어지지 않았다. HSC과 Cast보강이 조적조와 모르타르의 인장 균열의 발생을 억제하고 파괴를 지연시키는 역할을 수행한 것으로 판단된 다. 일반적으로 Cast의 주재료인 GFRP의 인장강도가 최대 28.8 MPa인 점 을 감안할 때 Cast보강은 휨인장강도 성능 증대에 큰 기여를 한 것으로 판단 된다.

강도와 휨에 대한 인장변형에서 전체적으로 BR-HS-O, BR-HS-B와 BR-CT-HS-O의 성능이 비보강 실험체에 비해 매우 크게 향상되었다. Cast 와 HSC를 함께 보강한 실험체가 가장 큰 강도를 보이며 이는 인장성능 증대 에 가장 큰 효과를 보이는 것으로 사료된다. 하중의 형태와 최대 인장 또는 전단 변형률의 발생 위치에 따라 보강의 효과가 뚜렷하게 관찰되었다.

3.3 사인장 전단강도 실험

사인장 전단강도 실험은 ASTM E519[21]를 참고하여 1.0B 영식쌓기 를 통해 형상비 1:1.005의 조적 실험체를 제작하였다. 사인장 전단강도 실 험은 45도 각도로 회전시켜 상부에서 하중을 가하여 전단 대각선 균열을 유 도하여 전단강도와 대각선 인장강도를 확인하였다. 실험에서 비보강 조적 실험체와 HSC과 Cast 보강을 통한 조적벽의 사인장 거동을 살펴봄으로서 지진 발생시 실질적인 보강 조적벽의 성능을 알아보고자 하였다.

Fig. 14와 Fig. 15는 사인장전단강도 실험에 대한 전체적인 결과를 보여 주며, Fig. 16은 실험후 모습을 보여준다. BR-OR는 245 kN의 최대하중을 가지며 사인장 균열이 발생하는 즉시 모르타르의 접합면을 따라 균열과 이 에 따른 분리가 발생하는 취성적 파괴가 발생하였다. BR-HS-O는 최대하 중이 186 kN으로 상부 가력 지점에서 슬라이딩 파괴와 벽돌의 압축파괴가 발생하였으며 하측 반력 지점까지 사인장파괴가 발생했다. BR-HS-B는 실 험체는 최대하중이 236 kN이며, HSC 양면 보강으로 인해 면외전도와 탈 락이 발생하지 않았으며 하중의 증가에도 지속적으로 사인장 전단에 저항 하는 거동을 보여주었다. BR-OR과 비교하여 큰 사인장 전단에서도 취성 적 파괴대신 40 mm 이상의 압축변형이 발생하였음에도 최대강도 대비 50%정도의 강도를 최종 실험 종료 시까지 보여주었다. BR-CT-HS-O는 최대하중이 192 kN으로 기록되었으며, 사인장균열의 발생으로 13 mm의 변형에서 강도 손실이 발생하였다. 이후에 보강 실험체의 연성능력에 의해 40 mm까지 잔류 강도를 유지하면서 취성적 파괴의 발생을 지연하였다. 사 인장 전단 실험체에서 조적벽과 HSC + Cast 보강이 한쪽 면에서만 이루어 져 보강이 없는 반대쪽에서 조적벽이 면외로 파괴되며 꺾이는 현상 발생하 였다. 이는 하중 증가에 따라 보강재 유무의 불균형으로 보강이 되지 않은 면에서 최종 파괴된 것으로 보인다. 한면 보강의 경우 반대편에서 취성적 면 외 탈락이나 파손이 발생할 수 있으므로 중요한 구조시스템의 경우 내진보 강 효과를 최대한 높이기 위해서는 양면 보강이 적절한 것으로 사료된다.

3.4 수평줄눈 전단강도 실험

조적 프리즘 압축강도 실험체와 같이 수평줄눈 전단강도 실험은 콘크리 트 벽돌 3개를 모르타르를 통해 일체화를 하여 조적 프리즘을 구성했다. 실 험방법은 BS EN 1052-3[22]에 따라서 조적프리즘을 세로로 세워 중앙 벽 돌에 가력을 하여 양옆 벽돌과 중앙 벽돌 사이 모르타르의 전단강도에 대해 알아보고자 하였으며, 이에 대해 HSC과 Cast 보강효과를 살펴보았다.

Fig. 17과 Fig. 18은 수평줄눈 전단강도 실험에 대한 전체적인 결과를 보여주며, Fig. 19는 실험 후 모습을 보여준다. 실험결과를 정리하면 다음 과 같다. BR-OR는 최대하중 12.14 kN으로 줄눈부에서 파괴가 발생하였 다. BR-HS-O는 최대하중 21.87 kN으로 몰탈파괴가 발생하였으나 HSC 보강으로 실험체의 완전한 분리가 발생하지 않았다. BR-HS-O는 BR-OR 강도와 변형에서 각각 80%, 43.5%의 증가를 보여주었다. 이는 HSC뿜칠 보강은 조적벽과 몰탈전체를 일체화하고 구속하여 추가적인 전단성능을 제공함으로 조적벽의 수평줄눈의 전단강도에 큰 증가를 가져오게 되었다. BR-HS-B는 최대 강도가 24.22 kN으로, 양면 보강으로 강도 증진에 큰 효 과를 보였다. 실험체 상하의 벽돌 파괴 형상 파악을 통해 최대하중 이후 몰 탈과 벽돌에서 취성파괴가 발생했음을 알 수 있다. 한면 보강실험체와 비교 하여 내부에서 몰탈 파괴가 있었으나 양면 보강으로 인하여 조적벽돌과 모 르타르의 일체화를 가져오고 모르타르의 전단강도에 추가적인 강도를 가 져왔다. BR-HS-B 실험체의 경우 강도와 전단 변형에서 각각 80% 및 43.5%의 증가를 보여주었다. 파괴발생 후 최대 강도의 약 50%정도의 강도 를 유지하며 변형이 발생하였다. BR-CT-HS-O 실험체의 경우 최대 하중 이 18.27 kN으로 하중이 점점 크게 작용함에 따라 모르타르 이음부분에서 파괴가 발생하였다. 몰탈의 파괴가 있으나 HSC과 Cast 보강으로 실험체 분리가 일어나지 않았으며 BR-HS-O와 비교하여 형태유지가 뛰어남을 알 수 있다. 파괴 발생 후 실험체는 최대 강도의 50% 이상의 강도를 유지하며 변형 능력을 보였다.

비보강 실험체와 비교하여 보강을 통해 모르타르 전단강도 이외에 어느 정도의 강도 증진과 파괴 지연의 효과가 있는지 조사하였다. 비보강 실험체 는 벽돌과 모르타르의 접촉면의 탈락으로 즉각적인 파괴가 발생한 반면 보 강실험체의 경우 최대 80%까지 강도가 증진되며 취성적파괴를 지연시키 는 효과를 보여주었다. HSC 양면 보강이 전단 강도와 연성 능력에 가장 우 수한 효과를 보였다.

3.5 RC골조 조적벽 보강 시 예상 거동

Table 3은 각각의 실험에 대한 전체적인 실험결과를 정리하여 보여준 다. 제한된 실험체의 개수와 규모로 인해 보강후 내진성능 예측에 대한 한계 는 있으나 실험 결과를 바탕으로 RC골조내 채움벽을 보강시 다음과 같이 내진성능 향상을 기대할 수 있을 것으로 생각된다. 국내 선행연구들[12], [23-25]에서 RC 골조와 조적채움 벽체는 중앙의 휨균열 없이 보-기둥 접합 부 및 기둥단부에 균열집중으로 인해 소성 힌지가 발생하는 것으로 보고하 고 있다. 조적채움벽은 최대내력 도달 후 모서리 벽돌의 파괴, 벽체의 사인 장 전단 균열이 발생하여 연성능력이 저하되는 양상을 보인다. 이번 재료실 험에서 조사한 결과를 바탕으로 보강효과를 검토할 때, 골조의 보강과 더불 어 HSC와 Cast로 보강된 조적벽은 골조에 발생하는 응력을 전체적으로 분 산시킬 것으로 생각된다. 또한 HSC보강을 통해 벽돌사이 및 벽돌과 골조 사이의 일체성을 높여주므로 최대내력의 증가와 면외방향 전도 및 탈락을 방지할 수 있을 것으로 예상된다.

4. 결 론

본 연구는 HSC보강을 통한 조적체의 재료적 특징을 확인하기 위하여 프리즘 압축강도, 휨인장강도, 사인장전단강도, 수평줄눈전단강도 실험을 진행하였다. 그 결과는 다음과 같다.

조적벽은 구조체로서의 압축에서는 힘을 받지만 인장이나 전단에서는 매우 취약한 구조이다. 특히 조적벽돌을 연결하는 모르타르에서 휨이나 전 단력 등에 대부분 저항할 수밖에 없는 구조로 모르타르의 휨이나 전단균열 의 발생은 부착성능의 저하와 손실을 가져오게 된다. 이는 미세한 균열에서 즉각적인 구조적 균열로 바뀌어 벽체의 손상과 탈락 등으로 취성적 파괴로 나타나게 된다. HSC보강과 Cast보강은 벽돌과 모르타르의 추가적인 구조 적 일체화를 부여하였으며, 휨인장실험과 모르타르 전단강도 실험에서의 강도증진의 효과를 보여주었다. 사인장 전단강도 실험에서 구조적 균열의 발전을 억제하고 에너지 소산 능력을 증대하여 연성적 측면으로 파괴를 유 도하게 된다. 이는 조적조의 손상을 지연하고 면외탈락을 억제하며, 취성적 파괴에서 연성적 파괴로 유도할 수 있을 것으로 판단된다.