선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구는 CFRP(carbon fiber reinforced polymer)를 이용하여 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 내진성능을 보강하기 위한 목적으로 설계기술을 개발하기 위해 연구되었다. 현재 골조 구조물의 리모델링에서 나타나는 내진보강에 대한 문제점에 초점을 맞추어 지진발생시 철근콘크리트 건물에서 가장 큰 피해가 발생할 수 있는 보-기둥 접합부에 대한 내진보강공법을 개발하고, 그 성능을 실험을 통하여 검증하고자 하였다.
- 현재 골조 구조물의 리모델링에서 나타나는 내진보강에 대한 문제점에 초점을 맞추어 지진발생시 철근콘크리트 건물에서 가장 큰 피해가 발생할 수 있는 보-기둥 접합부에 대한 내진보강공법을 개발하고, 그 성능을 실험을 통하여 검증하고자 하였다.
가설 설정
- 실험 모델의 세팅은 Fig. 6에서 보듯이 지진하중에 대해 보 경간의 중앙과 기둥높이의 중간위치에 변곡점이 생기는 것으로 가정하여 힌지를 설치하였으며, 상부 힌지부분에서 가력기로 횡변위 제어를 통해 횡력을 가하였다.
제안 방법
- 또한, 보의 단부를 힌지로 처리한 후, 봉으로 하부 프레임과 연결하여 수직방향변형을 구속시켜 횡력이 작용함에 따라 보의 단부에서 수직반력이 발생하고, 이를 통해 접합면에 작용하는 전단력과 모멘트를 측정할 수 있도록하였다. 그리고 실험 시 실험 모델이 가로방향으로 넘어질 경우에 대비하여 실험 모델의 보에 걸쳐 횡지지대를 설치하였다.
- 본 실험에서는 실험 모델의 전체적인 거동과 힘의 흐름을 파악하기 위해 Fig. 8과 같이 기둥 상부에서 변위측정기 (displacement transducer)로 변위이 력을 측정하였고 보의 단부에서 와이어 스트레인 게이지(wire strain gage)를이용하여 강봉의 변형률을 측정함으로써 보 단부에 작용하는 힘(Vb)을 구한 후 보의 팔 길이를 곱하여 보와 기둥의 접합면에 작용하는 모멘트를 계산하였다.
- 본 연구를 수행하기 위해 설계된 실험 모델은 Fig. 1에 나타난 10층 RC 구조물을 콘크리트구조설계기준 해설”) 과 건축물하중기준 및 해설技)에 따라 설계한 후, 가장 큰 횡력이 작용하는 Fig. 1의 빗금 친 외부 접합부를 선택하여 구조 실험실 규모와 가력기 능력을 고려하여 1/3로 축소하여 원형 실험 모델을 제작하였다. 원형 실험 모델의 제작에 사용된 배근 변수는 Fig.
- 10의 횡하종- 횡변위 그래프를 통하여 비교하였다. 실험 결과를 정량적으로 비교할 수 있도록 CFRP 보강면적, 초기 변위제어인 +3 mm 때의 초기강성, 최대강도, 연성률(최대강도 80% 강도의 변위 /항복변위 비), 하중의 방향이 바뀔 때의 에너지 소산능력을 보여주는 핀칭 효과를 에너지 면적으로 계산하여 Table 4에 정리하였다. 또한 본 연구에서는 실험 중 최대강도의 감소 폭을.
- 또한 본 연구에서는 실험 중 최대강도의 감소 폭을. 연구하기 위해 횡변위의 약 6%에 해당하는 40 mm에서의 최대강도를 측정하였다. 이에 대한 값들은 최대강도와 함께 증감비율이 비내진 상세를 기준으로 하여 괄호 안에 나타내었다.
- 그리고 실험 시 실험 모델이 가로방향으로 넘어질 경우에 대비하여 실험 모델의 보에 걸쳐 횡지지대를 설치하였다. 접합부 실험 모델에 대한 횡하중 가력은 Fig. 7에서 보는 바와 같이 최상부의 최대변위를 일정하게 조절함으로써 이력을 제어하는 반전 횡하중 실험(reversed lateral load test)으로 수행하였다.
대상 데이터
- CFRP오+ 탑코트, 프리머의 재료 성질은 Table 3에 기술하였고 각각 한국원사직물시험연구원과 한국화학시험연구원의 자료이다. 일반적인 보-기둥 접합부에 사용된 철근의 인장강도보다 CFRP의 인장강도가 더 크게 나타남을 알 수가 있다.
- 복합재료로는 CFRP를 사용하였다. 콘크리트 바탕면을 고르게 하기 위해 프리머 (Primer)와 CFRP를 콘크리트 표면에 접착하기 위해 에폭시 수지인 탑코트(top coat)를 사용하였다.
- 3에서 보는바와 같이 ACI 318-02'®의 내진상세(접합부내 전단철근이 기준에 따라 일정간격으로 배근 되어 있고 보 하부 주근이 접합부에서 위로 정착)에 의해 배근된 경우이다. 실제 실험 모델은 비내진상세를 가진 실험 모델 1개, 내진상세를 가진 실험 모델 1개, 그리고 비내진상세를 가진 실험 모델에 Table 1과 Fig. 4에 나타난 바와 같이 CFRP의 보강 방법에 따라 6개의 실험 모델을 제작함으로써 총 8개의 실험 모델을 제작하였다. 실험실여건상 축력의 존재는 고려되지 않았다.
- 실험 모델의 콘크리트에서 굵은 골재는 최대치수를 10 mm로 하여 특수 주문한 쇄석을 사용하였고, 2 mm 체를 이용하여 석분을 제거하였다. 잔골재는 가는 강모래를 사용하고, 시 멘트로는 보통포틀랜드시 멘트를 사용하여 유동화제를 이용하여 시공연도를 높였다.
- 이용하여 석분을 제거하였다. 잔골재는 가는 강모래를 사용하고, 시 멘트로는 보통포틀랜드시 멘트를 사용하여 유동화제를 이용하여 시공연도를 높였다. 콘크리트의 설계압축 강도는 27Mpa이며, 1/3로 축소된 실험 모델에서 사용된 모델철근은 상사성의법칙卩)에 따라 기둥과 보의 주근으로 D10, 띠철근은 04를 사용하였다.
- 복합재료로는 CFRP를 사용하였다. 콘크리트 바탕면을 고르게 하기 위해 프리머 (Primer)와 CFRP를 콘크리트 표면에 접착하기 위해 에폭시 수지인 탑코트(top coat)를 사용하였다.
- 잔골재는 가는 강모래를 사용하고, 시 멘트로는 보통포틀랜드시 멘트를 사용하여 유동화제를 이용하여 시공연도를 높였다. 콘크리트의 설계압축 강도는 27Mpa이며, 1/3로 축소된 실험 모델에서 사용된 모델철근은 상사성의법칙卩)에 따라 기둥과 보의 주근으로 D10, 띠철근은 04를 사용하였다. 실험에 사용된 콘크리트와 철근의 재료 특성은 Table 2에 나타나 있다.
데이터처리
- 모든 실험 모델의 전체 이력거동은 Fig. 10의 횡하종- 횡변위 그래프를 통하여 비교하였다. 실험 결과를 정량적으로 비교할 수 있도록 CFRP 보강면적, 초기 변위제어인 +3 mm 때의 초기강성, 최대강도, 연성률(최대강도 80% 강도의 변위 /항복변위 비), 하중의 방향이 바뀔 때의 에너지 소산능력을 보여주는 핀칭 효과를 에너지 면적으로 계산하여 Table 4에 정리하였다.
이론/모형
- 이 과정은 구조물의 실험을 통해 힘-변위 관계의 극한 강도 Qy에 대한 75%의 값이 얻어질 때 이 점을 지나는 접선을 통해 항복변위를 정의하고 있다. 콘크리트에서 (&의 산정은 실제 측정된 재료의 항복 강도를 이용하여 미국 AmericanConcrete Institute(ACI) 318-02 기준이 정의하고 있는 극한 강도식을 통해 계산되었다. 원점과 점 A를 지나는 선은실험 구조물의 효과적인 강성 Ke로 정의된다.
- 탄성 반응 이후의 비선형성을 고려하기 위해 항복점을 구하는 방법은 Cheung淄과 ATC-24”)에서 사용된 방식이 이용되었고 그 과정은 Fig. 9에 나타나 있다. 이 과정은 구조물의 실험을 통해 힘-변위 관계의 극한 강도 Qy에 대한 75%의 값이 얻어질 때 이 점을 지나는 접선을 통해 항복변위를 정의하고 있다.
성능/효과
- 1) 비내진상세로 배근된 실험 모델 NS-1 은 접합부의 콘크리트를 구속할 수 있는 횡철근이 배근되지 않아 비탄성 변형이 증가함에 따라 콘크리트의 균열과 철근의 부착파괴가 발생하였고 횡변위가 증가함에 따라 급격하게 강도가 감소하는 취성적 거동을 보여 주었다.
- 2) 이에 대해 내진상세로 설계된 실험 모델 SD-1 은 초기 강성과 강도 면에서 큰 증가를 보여 주었고 항복후 횡변위가 증가함에도 최대강도가 초기와 근접하게 유지되는 연성적 거동을 보여 주었다.
- 3) 비내진 상세를 가진 실험 모델을 각각의 방법에 따라 CFRP로 보강된 실험 모델들은 비내진상세를 가진 실험 모델에 비해 최대강도가 횡변위 증가시에도 계속 유지할 수 있는 연성적 거동을 보여 주었다. 또한 지진으로부터 발생되는 에너지 소산능력을 보여주는 성능에서도 내진상세를 가진 실험 모델보다 월등히 큰 능력을 보여 주었다.
- 4) CFRP로 접착된 버강 실험 모델들 중 접합부면내를 X자형으로 보강(RNS-3)하고 이후 보-기둥의 접합부상하면에 L형으로 보강(RNS-4)한 실험 모델에서 성능이 가장 좋은 것으로 관찰되었다. 이는 CRFP의 인장력에 대해 저항할 수 있는 성능의 방향이 효과적으로 접합부내의 사인장 균열을 억제하고 접합부의 파손을 지연시키는 것으로 관찰되었다.
- 8kN으로 감소하여 SD-1 에 비해 보강 성능이 적은 것을 Table 4에서 볼수 있다. 6.2의 연성률과 33.2 kNm의 에너지 면적은 SD- 1보다 좋은 효과가 나타났으나 CFRP 보강면적을 비교해 RNS-3보다 효과가 작은 것으로 관찰되었다. 이로 미루어보아 보의 하단부에 U자형 보강은 보-기둥 접합부의 보강성능에 두드러진 효과는 없는 것으로 조사되었다.
- RNS-6에서 2겹의 CFRP는 초기강성 측면에서는 효과가 적으나 횡변위가 증가함에도 불구하고 초기강도를 계속 유지하는 좋은 연성과 강도를 보여주었다. 그러나 13, 364cm2의 CFRP 보강면적이 RNS-3 실험 모델에 비해 거의 3배임을 고려할 때 좋은 보강방법은 아닌 것으로 판단된다.
- 실험 결과를 정량적으로 비교할 수 있도록 CFRP 보강면적, 초기 변위제어인 +3 mm 때의 초기강성, 최대강도, 연성률(최대강도 80% 강도의 변위 /항복변위 비), 하중의 방향이 바뀔 때의 에너지 소산능력을 보여주는 핀칭 효과를 에너지 면적으로 계산하여 Table 4에 정리하였다. 또한 본 연구에서는 실험 중 최대강도의 감소 폭을. 연구하기 위해 횡변위의 약 6%에 해당하는 40 mm에서의 최대강도를 측정하였다.
- 이는 CRFP의 인장력에 대해 저항할 수 있는 성능의 방향이 효과적으로 접합부내의 사인장 균열을 억제하고 접합부의 파손을 지연시키는 것으로 관찰되었다. 또한 접합부내의 X자형 보강이 보와 기둥 사이를 보강하는 접합부 상하면의 L자형의 보강 보다 내진성능을 증가시키는데 효과적인 것으로 관찰되었다.
- 또한 지진으로부터 발생되는 에너지 소산능력을 보여주는 성능에서도 내진상세를 가진 실험 모델보다 월등히 큰 능력을 보여 주었다. 이는 비내진 보-기둥 접합부를 CFRP로 보강하였을 때 내진상세를 가진 실험 모델과 동등하거나 보다 큰 내진성능을 보여줄 수 있는 것으로 관찰되었다.
- 5%의 강도 증가를 보여 주었다. 또한, 40 mm의 횡변위에서 SD-1 은 NS-1 에 비해 76.3%의강도 증가를 보여주며, 연성률에서도 4.4로 나은 능력을 나타내었다. 하중의 방향이 바뀔 때 보-기둥 접합부의 에너지 소산능력을 보여주는 이력곡선의 거동을 에너지 면적으로 비교할 수 있는데 22.
- 11은 모든 실험 모델들의 이력곡선에서 각 스텝마다의 최고 값들을 비교하기 위한 그래프이다. 비내진상세로 설계된 NS-1 에서 가장 좋지 않은 성능이 현저히 나타났다. 이에 비해 ACI 318-02")의 내진상세로 설계된 SD- 1과 NS-1 에 각기 다른 방법으로 CFRP가 보강된 실험 모델들은 항복 전까지 비슷한 보강 성능을 보이고 있다.
- 가장 좋은 것으로 관찰되었다. 이는 CRFP의 인장력에 대해 저항할 수 있는 성능의 방향이 효과적으로 접합부내의 사인장 균열을 억제하고 접합부의 파손을 지연시키는 것으로 관찰되었다. 또한 접합부내의 X자형 보강이 보와 기둥 사이를 보강하는 접합부 상하면의 L자형의 보강 보다 내진성능을 증가시키는데 효과적인 것으로 관찰되었다.
- m의 에너지 면적을 보이며, 연성과 에너지 소산능력에서 더 좋은 성능이 관찰되었다. 이로 미루어 보아 기둥에서 CFRP의 박리를 막기 위해 기둥 양단을 감았던 RNS-2 실험 모델이 RNS-1 실험 모델에 비해 강도를 유지하고 연성의 증가를 가져온 것으로 관찰되었다.
- 2 kNm의 에너지 면적은 SD- 1보다 좋은 효과가 나타났으나 CFRP 보강면적을 비교해 RNS-3보다 효과가 작은 것으로 관찰되었다. 이로 미루어보아 보의 하단부에 U자형 보강은 보-기둥 접합부의 보강성능에 두드러진 효과는 없는 것으로 조사되었다.
- 8 kN. 이를 보이 며 모든 실험모델 중에서 가장 좋은 성능을 발휘하였다.
- 이로 미루어 보아 X자형 보강은 접합부의 내진보강에 효과적 시공 방법으로 관찰되었다. 이에 대해 횡하중이 작용하여 보-기둥 접합부에 변형을 부가할 때 사인장 균열이 접합부의 파손을 발생시켜 강도와 연성률의 감소를 가져오게 되는데, 이를 고려할 때 접합부에 대해 경사 50°내외를 가진 CFRP의 보강은 접합부내 콘크리트의 사인장 균열을 효과적으로 억제하고 접합부의 파손을 지연시키는 것으로 관찰되었다.
- 이에 비해 보강섬유의 박리를 막기 위해 기둥 양단을 CFRP로 감은 실험 모델 RNS-2는 강도 면에서 내진상세로 설계된 SD-1 과 유사한 성능이 나타났고 5.2의 연성률과 38.9kN.m의 에너지 면적을 보이며, 연성과 에너지 소산능력에서 더 좋은 성능이 관찰되었다. 이로 미루어 보아 기둥에서 CFRP의 박리를 막기 위해 기둥 양단을 감았던 RNS-2 실험 모델이 RNS-1 실험 모델에 비해 강도를 유지하고 연성의 증가를 가져온 것으로 관찰되었다.
- 9 kN . 이의가장 좋은 에너지 면적을 가지고, 7.7의 연성률을 보인 RNS-3이 가장 좋은 보강 성능을 발휘하는 실험 모델인 것으로 관찰되었다. 이로 미루어 보아 X자형 보강은 접합부의 내진보강에 효과적 시공 방법으로 관찰되었다.
- 10의 ©에서부터 (h)까지는 CFRP의 보강을 통해 측정된 보강 실험 모델들의 그래프이다. 접합부 면내에 양 측면을 T형으로 보강하고 추가로 기둥과 보 사이에 상하면을 L형으로 보강한 RNS-l(Fig. 4 참조)은 Fig. 10 의 ©에서 보듯이 28 mm 횡변위에서 10 kN으로 SD-1 과비슷한 최대강도를 발휘하고, 33.7kNm의 에너지 면적을 보여 SD-1 보다 나은 에너지 소산능력을 보였으나 40mm 횡변위에서는 6kN을 보였고 연성률이 4.0으로 내진 상세로 설계된 SD-1 에 비해 그다지 좋은 보강 효과를 보여주지 못하였다. 이는 RNS-1 의 보강방법이 횡하중을 전이하는데 적절하지 못한 것으로 관찰되었다.
- 접합부면내를 X형으로 보강(RNS-3)하고 이후 보-기둥의 접합부 상하면에 L형으로 보강(RNS-4)한 두 실험 모델이 비내진상세로 설계된 실험 모델의 보강 성능을 가장 높여준 것으로 관찰되었다. Table 4에서 볼 수 있듯이 횡변위의 증가에도 불구하고 초기의 최대강도는 SD- 1과 비슷한 10kN이 40mm 횡변위까지 계속 유지되었으며, 연성률 4.
- 4로 나은 능력을 나타내었다. 하중의 방향이 바뀔 때 보-기둥 접합부의 에너지 소산능력을 보여주는 이력곡선의 거동을 에너지 면적으로 비교할 수 있는데 22.8kM・m의 에너지 면적을 가진 NS-1 보다 27.9kN.m를 보인 SD-1 에서 더 나은 에너지 소산능력이 나타났다. 이는 적절한 내진상세로 배근된보-기둥 접합부는 접합부의 취성적 전단파괴를 억제하고 설계상에서 의도한대로 보에서 소성힌지 발생을 통해 휨파괴를 가질 수 있음을 보여주고 있다.
후속연구
- 본 연구에서는 외부 접합부의 보-기둥 접합부에서 2차원 평면에서의 영향만 고려하였으므로 보다 정확한 보강효과를 연구하기위해서는 추가적으로 횡방향 보의 존재유무와 슬래브의 존재가 차후 연구에 고려되어야 할 것이다. CFRP로 보강한 RC 보-기둥 접합부의 실험 연구에서 얻어진 결과는 아래와 같이 요약되었다.
- 이는 우리나라에서 비내진상세로 건설되어진 기존의 철근콘크리트 구조물을 실무에서 효과적으로 내진 보강하기 위한 기초 자료로 쓰일 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.