이 연구의 목적은 비부착 강봉 트러스 시스템으로 보강된 순수 조적(unreinforced masonry, URM) 벽체에 대한 면내·외 내진성능의 평가와 성능기반 설계를 위한 모델을 제시하는 것이다. 이를 위한 세부 목표는 1) URM 벽체의 실험결과에 대한 데이터베이스 구축; 2) URM 벽체에 대한 설계 기준 및 기존 연구 모델의 비교·분석; 3) 비부착 강봉 트러스 시스템으로 보강된 URM 벽체에 대한 면내·외 내진성능 실험; 4) 비부착 강봉 트러스 시스템으로 보강된 URM 벽체의 유한요소 해석 절차 제시; 5) 비부착 강봉 트러스 시스템으로 보강된 URM 벽체의 내력 및 연성 모델 제시; 6) 비부착 강봉 트러스 시스템으로 보강된 조적벽체의 내진성능평가 기반 구축이다. 구축된 데이터베이스는 총 209개로, 창문 및 개구부를 갖는 URM 벽체 각각 4개 및 3개를 포함한다. 설계기준 및 기존 연구 모델의 비교·분석으로부터 설계기준은 주요 변수에 대해서 데이터베이스와 유사한 경향을 보였으며, 기존 연구 모델은 프리즘 압축강도를 제외한 주요 변수에 대해서 데이터베이스와 유사한 경향을 보였다.
강봉 트러스 시스템은 4개의 정착구, 2개의 수직, 경사 및 수평 보강재를 이용하여 트러스 유닛을 형성시키는 기술이다. 비부착 강봉 트러스 시스템의 보강 성능은 면내·외 구조실험을 통해 평가하였으며, 이를 위해 면내 9개 및 면외 7개의 URM 벽체를 제작하였다. 면내 구조 실험의 주요변수는 개구부 유·무, 강봉 트러스 시스템 보강 유·무 및 수직 보강재의 프리스트레스 도입량이며, 면외 구조 실험의 주요변수는 개구부 유·무, 강봉 트러스 시스템 보강 유·무 및 강봉 트러스 시스템의 보강 위치이다. 면내 구조 실험으로부터 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 비부착 강봉 트러스 시스템으로 보강된 URM 벽체의 강체회전 및 최대 내력은 무보강 URM 벽체에 비해 최대 약 2.95배 및 1.84배 향상되었다; 2) 비부착 강봉 트러스 시스템으로 보강된 URM 벽체의 변위 연성비, 에너지소산능력 및 등가감쇠비는 무보강 URM 벽체에 비해 최대 약 1.62배, 8.04배 및 1.30배 향상되었다; 3) 기존 시설물(건축물) 내진성능 평가 및 향상요령에 따라 산정된 인명안전 및 붕괴방지 수준에 대한 m-계수는 비부착 강봉 트러스 보강에 의해 최대 약 1.62배 향상되었다. 그리고 면외 구조 실험으로부터 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 비부착 강봉 트러스 시스템 보강된 URM 벽체의 면외 강체회전 및 최대 내력은 무보강 URM 벽체에 최대 4.27배 및 2.67배 높았다; 2) 비부착 강봉 트러스 시스템으로 보강된 URM 벽체의 면외 변위 연성비, 에너지소산능력 및 등가감쇠비는 무보강 URM 벽체에 비해 최대 약 1.50배, 6.15배 및 1.38배 향상되었다.
다양한 변수에 대한 비부착 강봉 트러스 시스템의 보강 성능의 검증은 비선형 유한요소 해석 절차의 제시를 통해 수행되었다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 면내·외 거동에 대한 비선형 유한요소 해석에서 조적벽체의 균열진전 및 파괴모드는 초기 강체회전 거동 후 단부압괴 또는 사인장 전단 파괴로 이어졌으며, 실험결과와 대체적으로 유사하였다; 2) URM 조적벽체의 면내·외 횡하중-횡변위 관계는 강체회전 및 최대 내력을 비교적 정확하게 평가하였다; 3) 결과적으로, 제시된 비선형 유한요소해석 절차는 강봉 트러스 보강된 URM 벽체의 내진거동을 평가하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
비부착 강봉 트러스 시스템의 내진설계를 위한 면내·외 강체회전 및 최대내력, 변위 연성비 및 등가 감쇠비 등의 모델의 제시를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 면내 실험결과와 제안 모델에 의해 산정된 면내 무보강 URM 벽체의 예측값의 비의 평균 및 표준편차는 강체회전의 경우 각각 약 1.07 및 0.23이었으며, 최대 내력의 경우 0.93 및 0.19이었다; 2) 제안 모델에 의해 산정된 면외 강체회전 및 최대 내력에 대한 실험결과와 예측값의 비는 평균 약 1.15 및 1.02이었다; 3) 면내 실험결과와 제안 모델에 의해 산정된 면내 강봉 트러스 보강 URM 벽체의 예측값의 비의 평균 및 표준편차는 강체회전의 경우 각각 약 1.03 및 0.11이었으며, 최대 내력의 경우 0.89 및 0.10이었다; 4) 면외 실험결과와 제안 모델에 의해 산정된 면내 강봉 트러스 보강 URM 벽체의 예측값의 비의 평균 및 표준편차는 강체회전의 경우 각각 약 0.88 및 0.12이었으며, 최대 내력의 경우 0.92 및 0.10이었다; 5) 이 연구에서 제안된 강봉 트러스 시스템으로 비부착 보강된 조적벽체의 면내·외 강체회전 및 내력 예측 모델은 실험결과를 잘 예측하였다; 6) 이 연구에서 제시된 면내·외 변위 연성비 및 등가감쇠비 모델은 강봉 트러스로 비부착 보강된 URM 조적벽체의 내진설계를 위한 기초 자료로 활용될 수 있는 중요한 자료로서 고려될 수 있었다.

This study aims to provide a model for evaluating in-plane and out-of-plane seismic performance and the performance-based design of un-reinforced masonry (URM) walls that have been strengthened with un-bonded steel-bar truss system. The specific objectives of this study are as follows: 1) set of a database of results from the experiments on the URM walls; 2) comparison of the design criteria and existing research models for the URM walls; 3) implementation of the in-plane and out-of-plane seismic performance experiments on the wall structure that has been strengthened with un-bonded steel-bar truss system; 4) providing finite element analysis (FEA) procedures for the URM walls; 5) proposing a strength and ductility model for the URM walls; 6) building a foundation for the seismic performance evaluation of masonry walls strengthened with un-bonded steel-bar truss system. A total of 209 databases are set, including a URM with four windows and three door openings. In the comparison between the design criteria and existing research models, the design criteria showed similar tendency to the database of the main parameters, whereas the existing research model displayed similar tendency to the database of the main parameters except for the prism compressive strength.
The steel-bar truss system uses a technique of forming a truss unit with four anchorages and two vertical, two diagonal, and two horizontal members. The strengthening performance of an un-bonded steel-bar truss system was evaluated through in-plane and out-of-plane seismic tests. To that end, nine in-plane and seven out-of-plane URM walls were designed. The main parameters for the in-plane seismic test were the existence of openings, un-bonded steel-bar truss system strengthening, and the amount of induced prestress of vertical members. Whereas the main parameters for the out-of-plane structural experiment were the existence of openings, un-bonded steel-bar truss system strengthening, and the location of the strengthening of the steel-bar truss system. from the in-plane seismic performance tests, the following conclusions were obtained: 1) the rocking rotation and the maximum strength of the URM wall strengthened with the un-bonded steel-bar truss system were improved by up to 2.95 times and 1.84 times compared to the URM wall; 2) the displacement ductility ratio, energy dissipation capacity and equivalent damping ratio of the URM wall strengthened with the un-bonded steel-bar truss system were improved by up to 1.62 times, 8.04 times and 1.30 times compared to the URM wall; 3) the m-factor for life safety and the collapse prevention levels estimated according to the seismic performance evaluation and strengthening guidelines for existing facilities (buildings) was improved by up to 1.62 times due to the strengthening using the un-bonded steel-bar truss system. from the our-of-plane seismic performance tests, the following conclusions were obtained: 1) the rocking rotation and the maximum strength of the URM wall strengthened with the un-bonded steel-bar truss system were improved by up to 4.27 times and 2.67 times compared to the URM wall; 2) the displacement ductility ratio, energy dissipation capacity and equivalent damping ratio of the URM wall strengthened with the un-bonded steel-bar truss system were improved by up to 1.50 times, 6.15 times and 1.38 times compared to URM wall.
A non-linear FEA procedure was proposed for the verification of the strengthening performance of the un-bonded steel-bar truss system for the various parameters. As a result, the following conclusions were obtained: 1) in the non-linear FEA of the in-plane and out-of-plane behaviors, the crack pattern and failure mode of the masonry walls led to toe crushing and diagonal shear failure after the initial rocking rotation behavior which was generally similar to the experimental results; 2) the lateral load?lateral displacement relationship of in-plane and out-of-plane for the URM walls evaluated rocking rotation and maximum strength relatively accurately; 3) as a result, the proposed non-linear FEA procedure was beneficial in the evaluation of the seismic behavior of URM walls strengthened with steel-bar truss system.
For the seismic strengthening design of un-bonded steel-bar truss system, in-plane and out-of-plane design models of rocking, peak load, displacement ductility ratio, and equivalent damping ratio was simply proposed. as a result, the following conclusions were obtained: 1) the mean and standard deviation of the ratios of the experimental results and the predictions of in-plane URM walls were 1.07 and 0.23, respectively, for rocking load, and 0.93 and 0.19, respectively, for peak load; 2) the rocking and peak load ratios between the experimental results and the predictions of out-of-plane URM walls were 1.15 and 1.02; 3) the mean and standard deviation of the ratios of the experimental results and the predictions of in-plane URM walls strengthened with steel-bar truss system were 1.03 and 0.11, respectively, for rocking load, and 0.89 and 0.10, respectively, for peak load; 4) the mean and standard deviation of the ratios of the experimental results and the predictions of out-of-plane URM walls strengthened with steel-bar truss system were 0.88 and 0.12, respectively, for rocking load, and 0.92 and 0.10, respectively, for peak load; 5) the proposed models for rocking and peak load of in-plane and out-of-plane URM walls strengthened with un-bonded steel-bar truss system present comparatively better agreement with the test results; 6) the proposed model for displacement ductility ratio and equivalent damping ratio of URM walls strengthened with un-bonded steel-bar truss system could be considered as significant data that can be used for building a seismic strengthening design.