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문제 정의
- 구조물의 동적 특성과 지진동의 동적 특성을 고려하여 내진설계에 반영시킴으로서, 유사시 피해를 최소화 시킬 수 있으며 강성행렬을 조절하여 구조물의 내진성능을 증진시키는 방안에 관한 연구를 수행하였다.
- 5]의 일반 철근의 물성과 같이 연신율 30% 이상의 철근의 요구성능을 만족할 수 없다. 따라서 철근을 이형화 시킨 후, 다시 열처리 과정을 수행하여 철근의 강도와 연성을 부여하였으며 본 연구에서는 조건에 대한 예비 실험을 수행하였으며, 요구되는 연신율과 강도를 얻기 위한 열처리 조건을 얻을 때까지 예비 실험을 수행하여 필요한 물량에 대한 열처리를 가공업체에 의뢰하여 수행하였다. 열처리의 조건은 노 내에서 550°C로 12분간 열처리 후, 공기 중으로 철근을 내어놓은 후, 10분 동안 서냉 시켜 제작하였다.
- 본 연구에서는 내진설계가 이루어지지 않은 노후 공동주택에 대한 횡 하중에 의한 저항시스템과 지진 저항성능을 파악하기 위한 축소 실험체의 제작과 진동대 실험을 수행하여 성능보강의 수준을 제시하기 위한 기초자료를 제시하여 국내 공동주택의 리모델링을 활성화 하는데 연구의 목적이 있다.
제안 방법
- 축소된 철근과 콘크리트용 골재 등의 재료를 준비한 후 손비빔을 통하여 타설을 실시하였다. 1 배합 당 0.05 m3 을 배합하였으며, 타설이 중지되는 것을 방지하기 위하여 2곳에서 시간 차이를 두고 배합을 실시하였다. 혼합된 마이크로 콘크리트의 슬럼프 값은 160mm로 나타났으며 공기량은 2.
- 굵은 골재의 경우 표준 구조물에서 최대 골재 지름 25 mm의 골재를 사용하였으므로, 축소된 모델에서 골재 지름이 5 mm이하의 골재를 사용하기 위한 분류 작업을 거쳤으며 각 체를 통과한 재료를 [Table 6]과 같이 조립률을 맞주어 최대 골재 지름 5 mm 이하의 골재를 혼합하여 사용하였다. 5 mm의 체를 통과한 시험체의 표본을 채취하여 본 결과 4mm 정도의 골재만이 걸러지는 결과를 나타내어 5 mm이하의 골재가 채취되어 나오는 6 mm 체를 이용하여 제작하였다. 표준 모래는 각각 1 mm와 0.
- UBC-97에서는 [Table 11]과 같이 설계응답스펙트럼을 이용하여 설계거동한계를 설정하였으며 본 연구에서는 이를 근거로 성능설계 수준에 따른 거동한계를 분석하였다. 지진이 작용할 때 허용되는 단기 층간변위는 붕괴방지를 위한 성능단계에서는 각 층의 층고의 2.
- 가력지진동 역시 상사 법칙에 의해 축소하여 가력하였으며, 구조물의 거동을 가속도계와 변위계를 이용하여 측정하였다. 실험은 0.
- 8]과 같이 설치하여, 진동 대에 설치된 가속도계와 변위계를 포함하여 총 6개씩의 가속도계와 변위계를 설치하여, 실험체 각 층에 발생하는 가속도와 변위를 측정하였다. 가속도계는 3.0g 규격의 가속도계를 이용하여 측정하였으며, 변위계는 변위가 상대적으로 작을 것으로 예상되는 1, 2층에는 ±50mm 규격의 변위계를, 변위가 클 것으로 예상되는 3, 4, 5층엔 ±100mm용량의 변위계를 이용하여 측정하였다.
- 본 연구에서 사용된 진동 대의 제원은 [Table 9]와 같다. 계측기기는 각층에 작용하는 가속도와 발생하는 변위를 측정하기 위하여 5개의 가속도계와 5개의 변위계를 [Fig. 8]과 같이 설치하여, 진동 대에 설치된 가속도계와 변위계를 포함하여 총 6개씩의 가속도계와 변위계를 설치하여, 실험체 각 층에 발생하는 가속도와 변위를 측정하였다. 가속도계는 3.
- 06g의 지진동으로부터 높은 값의 지진동에 노출시켰으며 입력 지진동 사이에 구조물의 피해 상황을 육안으로 관찰하였다. 구조물이 실제 지진에 노출되었을 때 구조물이 입는 피해와 구조물이 갖는 동적 특성을 구명하기 위하여 모델 구조물의 저층부인 5층까지 축소 실험체를 제작하여 1/5로 축소하고 El Centro 1942입력지진파([Fig. 9])의 최고 가속도 크기를 0.06 g, 0.12 g, 0.2 g, 0.3 g, 0.4g, 0.5 g로 조정하여 실험을 실시하였다.
- 구조물이 횡하중에 의한 저항시스템과 보유하고 있는 내진 성능을 알아보기 위하여 모델 구조물을 1/5로 축소하여 지진 모의실험을 수행하였다.
- 나누어서 재료를 준비하였다. 굵은 골재의 경우 표준 구조물에서 최대 골재 지름 25 mm의 골재를 사용하였으므로, 축소된 모델에서 골재 지름이 5 mm이하의 골재를 사용하기 위한 분류 작업을 거쳤으며 각 체를 통과한 재료를 [Table 6]과 같이 조립률을 맞주어 최대 골재 지름 5 mm 이하의 골재를 혼합하여 사용하였다. 5 mm의 체를 통과한 시험체의 표본을 채취하여 본 결과 4mm 정도의 골재만이 걸러지는 결과를 나타내어 5 mm이하의 골재가 채취되어 나오는 6 mm 체를 이용하여 제작하였다.
- 구조물에 적용된 구조 도서 또는 구조 계산서는 현존하지 않으며, 현재 유지관리를 위한 건축도면만 존재하고 있었다. 따라서 재료강도나 하중 산정은 동시대에 건설된 자료를 참고하여 콘크리트의 압축강도 21 MPa, 철근의 항복강도는 240 MPa로 추정 하여 연구를 수행하였다.
- 2%의 층간변위로 제한하고 있다. 또한 허용 영구 층간 변위도 제한되고 있으나 본 연구에서는 PGA별 층간 변위를 측정하고 그 결과를 분석하여 단기층간변위에 대한 자료만을 분석하였다.
- 본 실험에서는 실험체의 운반과 진동 대의 크기의 제한으로 인하여 실물 실험체의 1/5로 축소시켜 이상 모델로 삼았다. 기존의 연구를 보면 Gulkan과 Sozen의 연구»에서 1/4 축소 모델과 1/8 축소모델에 대하여 원형 구조물의 거동과 축소 모델의 거동이 유사함을 확인하였고, 국내에서도 정란, 박현수© 등의 연구자에 의해서 상사 법칙의 적용성이 확인된 바 있다.
- 실험은 0.06g의 지진동으로부터 높은 값의 지진동에 노출시켰으며 입력 지진동 사이에 구조물의 피해 상황을 육안으로 관찰하였다. 구조물이 실제 지진에 노출되었을 때 구조물이 입는 피해와 구조물이 갖는 동적 특성을 구명하기 위하여 모델 구조물의 저층부인 5층까지 축소 실험체를 제작하여 1/5로 축소하고 El Centro 1942입력지진파([Fig.
- 후의 강성 감소율을 측정하여 지진동이 입력된 후의 강성저하 정도를 구명해 보았다. 이를 위하여 예비 실험과 같은 백색잡음을 손상 구조물에 작용시킨 후, 측정된 응답가속도를 FFT분석을 통하여 1차 고유진동수를 측정하였다. 이를 이용하여 건전 실험체의 강성과 손상 실험체의 강성을 측정하여 보았다.
- 이를 위하여 예비 실험과 같은 백색잡음을 손상 구조물에 작용시킨 후, 측정된 응답가속도를 FFT분석을 통하여 1차 고유진동수를 측정하였다. 이를 이용하여 건전 실험체의 강성과 손상 실험체의 강성을 측정하여 보았다.
- 따라서 본 실험에서는 2 mm의 직경을 가지는 철근을 이용하였으며, D2로 축소하기 위하여 시중에서 판매되는 2 mm의 철선을 구입하여 이형철근을 제작하였다. 이형철근의 제작은 압출형 프레스(press)를 이용하여 이형화하였다. 2.
- 하지만 횡 방향 하중에 대한 지지 요소가 충분하지 않아 내진 성능이 매우 취약할 것으로 예상된다. 축소된 철근과 콘크리트용 골재 등의 재료를 준비한 후 손비빔을 통하여 타설을 실시하였다. 1 배합 당 0.
- 후의 강성 감소율을 측정하여 지진동이 입력된 후의 강성저하 정도를 구명해 보았다. 이를 위하여 예비 실험과 같은 백색잡음을 손상 구조물에 작용시킨 후, 측정된 응답가속도를 FFT분석을 통하여 1차 고유진동수를 측정하였다.
대상 데이터
- 구조물은 고층에서는 축력의 감소로 상층부에서 얇은 두께의 벽체를 사용하였다. 또한 CSM(capacity spectrum method)법"에 의한 모델구조물의 내진 성능 평가를 수행해 본 결과 [Fig.
- 0g이며 입력가능한 주파수 대역은 30Hz까지이다. 데이터의 취득은 32개의 채널로 이루어진 데이터 취득시스템을 이용하여 데이터를 취득하였다. 이는 릴레이 박스에 입력된 신호를 앰프와 멀티플렉스(Multiplexer)를 거쳐서 디지털변환기(A/C converter)를통해서 컴퓨터로 입력된다.
- 9mm의 직경을 가지는 철근을 구하면 얻어지는 단면이다. 따라서 본 실험에서는 2 mm의 직경을 가지는 철근을 이용하였으며, D2로 축소하기 위하여 시중에서 판매되는 2 mm의 철선을 구입하여 이형철근을 제작하였다. 이형철근의 제작은 압출형 프레스(press)를 이용하여 이형화하였다.
- 본 실험에서 사용한 진동 대는 H기술연구소에 설치된 것으로 지진파, 진동 등과 같은 진동하중에 의한 구조물의 성능 및 구조적 안정성을 측정할 수 있는 실험 장비이다. 진동대와 실험체의 중량은 4개의 정압 베어링에 의해서 지지되며, 실험 중 진동이 주변에 전파되는 것을 차단하기 위하여 진동 대의 기초는 에어 스프링에 의해 지반과 격리시켰다.
- 실험체는 단국대학교 실험실에서 제작되었으며 모델구조물을 상사 법칙에 의거하여 1/5로 줄여 [Fig. 6]과 같이 배근하였다. 축소 실험체에도 모델 구조물과 동일하게 세대 간 벽에는 단배 근이 적용되었고 세대 내벽에는 복배 근이 적용되었으나 세대 외벽의 접합부에는 접합부 보강 철근이 배근 되어 있다.
- 실험체는 모델 구조물의 1개 프레임을 대상으로 제작하였으며 상사법칙에 의거하여 축소된 재료를 사용하였다. 진동대 실험은 구조물을 직접 지진파에 노출시켜 지진작용 시 구조물에 가해지는 힘과 변위, 가속도 등을 재현하여 확인시켜 볼 수 있는 장점이 있으나 실험 장비가 고가이고, 실제 구조물을 실험하는데 공간적 .
- 연구에 이용된 구조물은 현존하는 구조물로서 서울특별시에 위치하고, 1982년에 준공되어 약 23년이 경과된 16-25평형의 9세대가 각 층에 조합된 구조물이다([Table 1]). 단변방향의 양쪽에 캔틸레버 보로 복도가 매달려져 있으며, [Fig.
- 원형 구조물의 경우 D10 철근이 사용되었다. D10 철근의 단면적은 71mn? 이며, 상사 성을 적용하여 1/5로 축소하면 2.
- 콘크리트에 사용되는 시멘트는 보통포틀랜트시 멘트를 사용하였으며 골재는 상사 법칙에 따라 굵은골재와 잔골재를 나누어서 재료를 준비하였다. 굵은 골재의 경우 표준 구조물에서 최대 골재 지름 25 mm의 골재를 사용하였으므로, 축소된 모델에서 골재 지름이 5 mm이하의 골재를 사용하기 위한 분류 작업을 거쳤으며 각 체를 통과한 재료를 [Table 6]과 같이 조립률을 맞주어 최대 골재 지름 5 mm 이하의 골재를 혼합하여 사용하였다.
데이터처리
- 이는 릴레이 박스에 입력된 신호를 앰프와 멀티플렉스(Multiplexer)를 거쳐서 디지털변환기(A/C converter)를통해서 컴퓨터로 입력된다. 연결된 컴퓨터에서 데이터를 취득하며 분석 프로그램을 이용하여 분석을 실시하였다. 본 연구에서 사용된 진동 대의 제원은 [Table 9]와 같다.
이론/모형
- 9%로 나타나 공기량이 다소 부족한 것으로 나타났다. 또한 실험체 제작 시 강도테스트를 위하여 KS F 2403 기준에 따라 공시 체를 따로 제작하였다. 실험체는 [Fig.
성능/효과
- 벽체를 사용하였다. 또한 CSM(capacity spectrum method)법"에 의한 모델구조물의 내진 성능 평가를 수행해 본 결과 [Fig. 3]과 같이 강도 증진형 내진성능 보강이 필요한 것으로 나타났다. 이는 구조물이 설계 .
- 1) 고유진동수를 측정하여 각 실험체의 강성 보강 효과를 비교해보면 기준 실험체의 경우 4.30Hz(자유진동), 4.26 H백색 색 잡음)로 나타났다.
- 2) 지반에 입력되는 가속도와 응답가속도 비를 이용한 전달함수를 측정하여 보면 각 PGA 가속도 등급별로 강성저하가 이루어지고 있으며 PGA 0.2 g가 속도등급에서 급격한 강성저하를 나타내고 있어 유사시 취성파괴가 있을 것으로 판단된다.
- 3) 실험체는 PGA 0.06g에서 완전기능수준의 변위 한계를 넘는 것으로 나타났으며 0.2 g에서는 기능수행 수준의 변위한계, 0.5g에는 인명안전수준의 변위 한계를 넘는 것으로 나타나 구조물은 내진 성능보강이 필요한 것으로 사료된다.
- PGA 0.2g 진동 레벨의 진동이 구조물에 작용할 경우 구조물의 층간변위는 KBC-2005 규준에서 제시하고 있는 1%이내의 층간변위를 기록하고 있으며 PGA 0.3g 이상의 진동 레벨의 진동이 구조물에 작용할 경우 구조물은 허용 층간 변위를 초과하고 있는 것으로 나타났다. 또한 UBC- 97에 제시되어 있는 구조물의 성능 상태는 PGA 0.
- 기준 실험체의 고유진동수를 측정한 결과, [Table 10]과같이 자유진동 실험을 통하여 얻은 1차 고유진동수는 4.37 Hz였고, 백색잡음 실험에 의해 얻은 1차 고유진동수는 4.27 Hz로서 거의 유사한 값을 나타내었다.
- 5]의 열처리한 축소 철근과 같이연신율이 확보 된 철근을 얻을 수 있었다. 이 철근은 연신율이 30%에는 미치지 못하지만, 축소 실험을 수행하기에는 충분한 20% 이상의 연성을 확보하고 있으며 강도 또한 SD 30급의 철근과 유사한 350 MPa의 강도를 유지하고 있는 것으로 나타났다.
- 1 mm의 철선을 프레스에 압출시키면 이형화 된 철선이 생산된다. 이 철선의 직경을 버어니어 캘리퍼스로 측정하여 본 결과 골 부위가 1.952 mm로 측정되 었으며 산 부위는 2.133 mm로 측정되었다. 이 렇게 축소된 철근의 인장실험을 실시한 결과 철근의 응력-변형도 곡선은 [Fig.
- 이를 기초로 열처리 과정을 거친 후 철근의 인장실험을 수행해 본 결과 [Fig. 5]의 열처리한 축소 철근과 같이연신율이 확보 된 철근을 얻을 수 있었다. 이 철근은 연신율이 30%에는 미치지 못하지만, 축소 실험을 수행하기에는 충분한 20% 이상의 연성을 확보하고 있으며 강도 또한 SD 30급의 철근과 유사한 350 MPa의 강도를 유지하고 있는 것으로 나타났다.
- 05 m3 을 배합하였으며, 타설이 중지되는 것을 방지하기 위하여 2곳에서 시간 차이를 두고 배합을 실시하였다. 혼합된 마이크로 콘크리트의 슬럼프 값은 160mm로 나타났으며 공기량은 2.9%로 나타나 공기량이 다소 부족한 것으로 나타났다. 또한 실험체 제작 시 강도테스트를 위하여 KS F 2403 기준에 따라 공시 체를 따로 제작하였다.
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