[논문]FRP 보강 철근콘크리트기둥의 변위계수법에 의한 내진성능설계기법 개발

조창근; 하기주; 배수호

doi:10.4334/jkci.2007.19.4.491

FRP 보강 철근콘크리트기둥의 변위계수법에 의한 내진성능설계기법 개발
Development of Performance-Based Seismic Design of RC Column Using FRP Jacket by Displacement Coefficient Method 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.19 no.4, 2007년, pp.491 - 497

조창근 (경북대학교 건설공학부, BK21 미래지향 글로벌 방재 전문인력 양성 사업단) , 하기주 (경일대학교 건축학부) , 배수호 (안동대학교 토목공학과)

초록
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본 연구에서는, FRP 피복 보강에 의한 철근콘크리트 구조물의 변위-기반 내진성능설계 기법을 제시하였다. FRP 피복 콘크리트 부재에 대한 비선형 휨 해석을 위한 정밀 예측을 위하여 콘크리트 및 FRP 복합재료의 다축 구성관계를 고려한 해석 모델을 제시하였다. FRP 피복 보강에 의한 내진성능설계를 위하여 기존 철근콘크리트 구조물에 적용하던 변위계수법에 의한 방법을 개선하여 성능 개선 부재의 FRP 보강 두께 결정을 위한 알고리즘을 제시하였다. 대상부재의 성능 개선 설계 적용을 통하여, 본 연구에서 제시된 방법은 성능 개선 설계에 적용하는데 쉽고 용이할 뿐만 아니라 성능 개선된 부재에 대한 비선형 지진 성능 거동을 추정하는데도 실용적인 것으로 평가된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the current research, the scheme of displacement-based seismic design for seismic retrofit of concrete structures using FRP composite materials has been proposed. An algorithm of the nonlinear flexural analysis of FRP composite concrete members has been presented under multiaxial constitutive laws of concrete and composite materials. An algorithm for performance-based seismic retrofit design of reinforced concrete columns with FRP jacket has been newly introduced to modify the displacement coefficient method used in reinforced concrete structures. From applications of retrofit design, the method are easy to apply in the practice of retrofit design and give practical prediction of nonlinear seismic performance evaluation of retrofitted structures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 FRP 피복 보강 철근콘크리트 부재의 비선형 휨 거동 예측을 위하여, 본 연구 과정에서 개발한 FRP 층의 2차원 구성 관계 및 콘크리트의 3 차원 구성 관계를 고려한 FRP 콘크리트의 압축 거동 예측 모델을 기초로'」3), Fig. 2와 같이 이를 확장한 비선형휨 부재 해석 기법을 제시하였다. 제시된 비선형 휨 해석 알고리즘은 Fig.
본 연구에서는, 최근 중진 및 강진이 발생하는 지역에서의 기존 콘크리트 구조물 내진 성능 개선을 위한 방법으로서, FRP 복합재료의 보강에 의한 성능 개선 콘크리트 구조물의 내진 성능 설계 기법에 관한 변위계 수법에 의한 설계 기법을 제시하였다. 성능 설계를 위한 해석모델의 개선을 위하여 다축 구성 관계를 고려한 FRP 콘크리트 부재의 비선형해석법을 적용하였다.
본 연구의 목적은, 복합재료를 활용한 성능 개선된 FRP 콘크리트 구조 부재를 사용한 합성 구조물에 대한 내진 성능설계기법을 제안하고, 이를 통하여 콘크리트 구조물에 대한 초고층화 및 장경간화를 지향하는 보다 향상된 성능 개선 구조물의 해석 및 설계 기법을 소개 및 적용하는데 있다. 이를 위해 본 연구는 FRP 피복 보강에 의한 내진성능개선 콘크리트 부재에 대한 비선형 정밀 해석 기법을 적용, 변위-기반 내진성능설계 기법에 대한 설계 및 평가에 관한 상세 알고리즘을 제시토록 하였다.
이를 위해 본 연구는 FRP 피복 보강에 의한 내진성능개선 콘크리트 부재에 대한 비선형 정밀 해석 기법을 적용, 변위-기반 내진성능설계 기법에 대한 설계 및 평가에 관한 상세 알고리즘을 제시토록 하였다. 이를 위해 기존의 철골 및 철근콘크리트 구조물에 적용된 변위계수법 DCM을 개선 보완하여, FRP 복합재료로 성능 개선된 콘크리트 부재에 대한 성능기반설계기법의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
있다. 이를 위해 본 연구는 FRP 피복 보강에 의한 내진성능개선 콘크리트 부재에 대한 비선형 정밀 해석 기법을 적용, 변위-기반 내진성능설계 기법에 대한 설계 및 평가에 관한 상세 알고리즘을 제시토록 하였다. 이를 위해 기존의 철골 및 철근콘크리트 구조물에 적용된 변위계수법 DCM을 개선 보완하여, FRP 복합재료로 성능 개선된 콘크리트 부재에 대한 성능기반설계기법의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.

제안 방법

FRP 보강 부재에 대한 변위-기반 내진성능설계 적용예를 수행하였다. 대상 구조물은 Fig.
최초로 제시되었다8). Pushover 해석에 의해 산정된 구조물의 역량인 공급 곡선이 선형 응답 스펙트럼으로부터 산정된 요구 곡선과의 비교에 의해 목표로 하는 성능에 대한 설계 및 평가가 가능토록 하였다. 기존 역량 스펙트럼 방법을 개선하여 비탄성 요구 스펙트럼을 사용한 역량 스펙트럼 방법에 의한 내진성능설계 기법이 제시되어 9), 다자유도의 철근콘크리트 빌딩 구조물에 적용되었다.
기존의 연구와 비교하여 본 해석 모델의 개선점 및 특징은, 콘크리트의 경우는 3차원의 다축 응력 구성 관계에 기초한 탄성 재료로 고려하여 다축응력상태 하에서 콘크리트의 구속 현상을 정식화하였으며, FRP 층의 경우는 2축 응력 상태에 기초한 FRP 복합재료의 2차원 구성 관계를 고려하도록 한 것이다. 단면에서의 FRP 재료와 콘크리트 사이의 이론적 적합 및 평형 조건을 고려하였다.
관계를 고려하도록 한 것이다. 단면에서의 FRP 재료와 콘크리트 사이의 이론적 적합 및 평형 조건을 고려하였다. 따라서 제안된 FRP 콘크리트의 구속 모델은 하중 및 변형에 의존적인 비선형적 구속 효과를 보다 합리적으로 고려하였다.
설계 최대 지진 가속도 PGA 값 0.8 g에 대해서 목표로 하는 설계 변위 성능치를 155 mm로 설정하여, FRP 층의 두께 산정에 의한 내진성능설계를 수행하였다. 설계에 고려된 FEMA-3562")의 설계 스펙트럼을 적용하여, 감쇠비 5%, 지반 조건 B인 경우에 대한 설계 가속도 스펙트럼은 Fig.
원형 단면 기등을 FRP 층으로 보강한 경우의 전단강도은 FRP 층을 s=l의 간격으로 단면적=首의 띠철근으로 고려하고, 큰 체적 팽창 변형, 전단 저항 메커니즘에서 주된 역할인 골재의 맞물림 효과 및 강진을 받는 경우 부재의 파손 방지를 위하여 FRP에 의한 피복시 勻= 0.004에 해당하는 응력 수준까지를 설계에 이용하였다. 따라서, 원형 단면 기둥 부재를 FRP 층으로 보강한 경우, FRP로 저항할 수 있는 전단 내력은 다음과 같이 유도된다.
채택하였다”). 이 방법에서는 변위 요구값이 통계분석을 통해 얻어진 여러 가지 수정 계수들과 비탄성 변위 스펙트럼에 의해 산정되도록 하였다.
제시된 설계 알고리즘에 기초하여, 목표 성능에 대한 CFRP 층의 보강 두께를 결정하였다. 보강되지 않은 기존 철근콘크리트 기둥 및 최종 보강 두께 결정 후 CFRP 층으로 보강된 기등에 대한 비선형 휨 pushover 해석 결과를 각각 Figs.
성능 설계를 위한 해석모델의 개선을 위하여 다축 구성 관계를 고려한 FRP 콘크리트 부재의 비선형해석법을 적용하였다. 철근콘크리트 기등에 대한 성능 설계의 적용 예를 통하여 대체적으로 실험에 대해 합리적인 설계 결과를 제시해 주었으며, 설계지진하중 및 목표 성능 변위에 대해서 간편하고 실용적인 설계 결과를 제공해 준다.

대상 데이터

4MPa이며, 작용하는 축하중은 5, 350 kN 이다. 설계 시 고려하고자 하는 CFRP 보강 피복 재료의 재료 특성은 파괴 강도 1, 034 MPa, 탄성계수 82, 800MPa이다. 피복층은 지점부에서 기둥 단면의 지름 2D 만큼 동일 두께로 보강하였다.
철근콘크리트 기등의 높이는 5, 486.4 mm, 지름은 1, 829 mm, 사용된 주철근은 54#14(D43)로서 항복응력 345 MPa, 후프 철근은 #4(D12.7)로서 간격 304.8 mm에 항복응력 303MPa이다. 콘크리트 압축강도는 41.

이론/모형

기존 역량 스펙트럼 방법을 개선하여 비탄성 요구 스펙트럼을 사용한 역량 스펙트럼 방법에 의한 내진성능설계 기법이 제시되어 9), 다자유도의 철근콘크리트 빌딩 구조물에 적용되었다. 내진성능설계를 위한 역량 스펙트럼 방법에 의한 비선형 정적 pushover 해석 절차는 북미의 ATC-40 (1996) 에서 채택되었다.
의한 설계 기법을 제시하였다. 성능 설계를 위한 해석모델의 개선을 위하여 다축 구성 관계를 고려한 FRP 콘크리트 부재의 비선형해석법을 적용하였다. 철근콘크리트 기등에 대한 성능 설계의 적용 예를 통하여 대체적으로 실험에 대해 합리적인 설계 결과를 제시해 주었으며, 설계지진하중 및 목표 성능 변위에 대해서 간편하고 실용적인 설계 결과를 제공해 준다.
콘크리트의 공칭전단강도는, Fig. 4와 같이, 변위 소성도 μ에 따른 감소계수 左값에 의해 정의되며, 본 연구에서는 Priestley 등翊이 제안한 식을 고려하였다. 한편, Kowalsky 등°에 의하면, 콘크리트의 전단강도는 변위 소성도 이외에도 추가적으로 주철근비 및 휨모멘트-전단력비에도 연관됨이 밝혀졌다.

성능/효과

PGA 0.8 g 및 목표 성능치 155 mm로 성능 설계된 변위계 수법의 설계 결과와 Priestley 등询에 의한 반복 하중 -변위 시험의 성능평가 결과와 직접적인 비교는 불가능하나, 보강된 CFRP 층 두께의 차이를 고려할 때 대체적으로 본 연구에서 제시한 성능설계 값은 합리적인 설계 결과로 평가된다.
5 mm의 성능설계 두께가 결정되었다. 기존 보강되지 않은 기등에 비해서 성능 개선된 기둥 부재는 동일한 설계 지진 가속도 하에서 변위 성능 및 지진에 대한 내력 능력이 개선된 결과를 나타내고 있음을 판단할 수 있었다. 한편 Priestley18* 등에 의해 실험된 동일 규모의 철근콘크리트 기등에 대하여, CFRP 층으로 보강을 한 경우의 실험에서 13.
단면에서의 FRP 재료와 콘크리트 사이의 이론적 적합 및 평형 조건을 고려하였다. 따라서 제안된 FRP 콘크리트의 구속 모델은 하중 및 변형에 의존적인 비선형적 구속 효과를 보다 합리적으로 고려하였다.
성능 개선되지 않은 기존 철근콘크리트 기등의 총 변위 성능치는 88mm로 추정되었으며, 항복시 변위 및 전단력은 18 mm 및 4, 100 kN으로 추정되었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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