[논문]연성도 및 에너지 소산능력 비교에 따른 콘크리트충전 탄소섬유튜브 기둥의 성능

이경훈; 홍원기; 이영학; 김희철

doi:10.5000/eesk.2007.11.1.029

문제 정의

반복 횡하중을 받는 RC 구조물의 강도와 연성 등의 저하는 구조물이 지니고 있는 연성도 및 에너지 소산 능력과 밀접한 관련이 있다. 따라서, 본 연구에서는 일정한 크기의 축하중과 반복 횡하중을 동시에 받는 콘크리트충전 탄소섬유튜브 기등의 실험을 통하여 탄소 섬유 튜브로 구속된 기등의 거동특성을 규명하고자 한다.
본 연구에서는 콘크리트를 충전한 원형 및 각형 탄소섬유 기둥의 성능에 대한 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구의 목적은 기등의 주근이 배근되어있지 않은 무근 CFCT 기등의 반복 횡하중에 대한 연성능력을 평가하는 것으로써 이를 위하여 각 시험체의 강성저하에 따른 감쇠비와 에너지 소산면적의 변화양상을 분석하였으며 또한 기둥의 휨강도와 변형능력 및 파괴양상 등을 분석하였다.

가설 설정

본 연구에서 사용된 탄소섬유 튜브는 소성 영역이 거의 존재하지 않는 완전 탄성재료에 가까운 재료이므로 항복점을 명확하게 찾기 힘들다. 따라서 기둥 부재의 항복 시의 변형량과 내력을 구하기 위해서는 그림 10과 같이 시험체의 하중-변형 포락선을 bilinear로 가정하여 A와 B의 면적이 동일하게 되는 지점을 항복점으로 가정하여 이때의 변형량과 내력을 구하였다.

제안 방법

(1) 하중과 변위와의 관계로 나타난 수치적인 에너지 소산 면적과 감쇠비(damping ratio)와 연성능력을 각형과 원형의 CFCT시험체로 비교, 평가하였으며 탄소섬유 기등의 변위 연성(displacement ductility)을 비교하였다, 동일한 변형과 강성에서 탄소섬유기등은 RC기등에 비히.여 큰 연성능력을 보유하고 있음을 알 수 있었다.
한다. 그러나 실제구조물에서의 운동방정식을 계산하는 과정은 매우 복잡하므로 구조물의 강성저하와 감쇠비를 간단하게 평가하기 위하여 시험체의 하중-변형곡선을 이용하였다. 실제 구조물은 반복 횡하중에 의하여 평균강성의 저하가 발생하며 외력에 의한 에너지를 소비하면서 감쇠비가 증가하게 되는 복합작용이 발생하게 된다.
시험체의 에너지소산능력은 외력인 횡하중에 의하여 부재가 변형을 허용하면서 발생하는 외력에 저항하는 능력이다. 따라서 시험체의 각 사이클별 최대내력과 최대변형을 나타내는 시험체의 하중-변형 이력곡선을 이용하여 각각의 에너지소산능력과 반복 횡하중에 의하여 시험체에 축적 되는 누적 에너 지소산능력을 계산하였다.
실제 구조물은 반복 횡하중에 의하여 평균강성의 저하가 발생하며 외력에 의한 에너지를 소비하면서 감쇠비가 증가하게 되는 복합작용이 발생하게 된다. 따라서 횡하중에 의하여 저하되는 시험체의 강성을 평가하기 위하여 식 (1) 과 같이 각 사이클 당 평균최대하중을 평균최대변위로 나눈 값으로 정부방향에 대한 강성을 계산하고 그 평균값을 이용하여 시험체의 평균강성을 계산하였다.
그러나 카본튜브(carbon tube)의 두께가 4mm인 시험체의 강성저하에 따른 감쇠비 (damping ratio)의 경우에는 각형기등의 감쇠비(damping ratio)가 원형기둥보다 월등히 높게 나타났다. 또한 탄소섬유 기둥의 내력성능을 평가하기 위하여 강성에 따른 감쇠비 (damping ratio)를 RC기등과 비교하였다. 원형RC기등은 높은 강성을 가지고 있으나 감쇠비(damping ratio)는 가장 낮게 나타났으며 각형RC기등은 탄소섬유기등에 비하여 높은 감쇠비(damping ratio)를 나타내었다.
홍원기 등(1)은 CFRP로 구속된 원형 및 각형 기등의 일축 압축강도 실험을 수행하였다. 이 밖에도 저자 등°)은 카본시트로 횡구속된 원형콘크리트 기둥의 성능실험을 수행한 후 향상된 압축강도를 예측할 수 있는 실험식을 제안하였다.
횡하중은 1,000kN 동적 가력기 (dynamic actuator)를 반력 벽에 고정시켜 가력하였고, 축하중의 가력은 500kN의 가력기(actuator) 2대가 사용되었으며 시험체의 설치는 그림 I 과 같다. 이때 축하중은 기둥단면의 최대허용하중의 약 30% 인 600kN을 일정하게 재하하였으며, 횡하중은 변위 제어방식으로 하중계획을 수립하여 재하하였다. 그림 2는 자료 수집을 위한 스트레인게이지(strain gauge)의 배치계획을 나타내는 그림이다.
특히 기둥부재는 기본적으로 일정 크기의 축하중을 받고 있으므로 횡하중을 받는 기등의 나력은 전단력과 모멘트 외에 축력도 포함된다. 이러한 이유로 본 실험에서는 시험체에 횡하중과 축하중을 동시에 재하하였다. 횡하중은 1,000kN 동적 가력기 (dynamic actuator)를 반력 벽에 고정시켜 가력하였고, 축하중의 가력은 500kN의 가력기(actuator) 2대가 사용되었으며 시험체의 설치는 그림 I 과 같다.
탄소섬유튜브는 90。방항(기둥 길이의 수직방향) 으로 1mm 두께의 섬유를 와인딩(winding)한 후, 90°±30°, 90。±45° 각도를 설계각도로 제작하였으나 탄소섬유가 몰드 (mold)에 감기면서 옆으로 미끄러져 튜브(tube)가 양생된후 측정된 각도는 설계각도와 차이를 나타내고 있었다. 이러한 이유로 시험체의 이름에 탄소섬유의 실측각도를 포함하여 제작된 각도대로 성능을 분석하였다. 원형시험체는 ① 300mmx2700mm 크기로 6개를 각형시험체는 가로와 세로 250x250(mm), 높이 2700(mm) 인 6개를 제작하였다.

대상 데이터

본 연구에서 고려된 변수는 탄소섬유의 두께와 와인딩각도(winding angle)이며, 각각 6개의 원형 및 각형 시험체를 제작하였다. 탄소섬유튜브는 90。방항(기둥 길이의 수직방향) 으로 1mm 두께의 섬유를 와인딩(winding)한 후, 90°±30°, 90。±45° 각도를 설계각도로 제작하였으나 탄소섬유가 몰드 (mold)에 감기면서 옆으로 미끄러져 튜브(tube)가 양생된후 측정된 각도는 설계각도와 차이를 나타내고 있었다.
이러한 이유로 시험체의 이름에 탄소섬유의 실측각도를 포함하여 제작된 각도대로 성능을 분석하였다. 원형시험체는 ① 300mmx2700mm 크기로 6개를 각형시험체는 가로와 세로 250x250(mm), 높이 2700(mm) 인 6개를 제작하였다. 또한 기준이 되는 RC기등은 최대철근비인 8%의 철근을 배근하여 제작하였다.
시험체를 고정시키고 횡하중을 재하하기위하여 시험체의 상. 하부에 콘크리트 스터브(stub)를 제작하였으며, 시험체 제작에 사용된 콘크리트의 강도는 26.5MPa 이고 접합부에 배근된 철근의 인장강도는 400MPa 이다. 탄소섬유의 재료적 특성은 표 1, 원형 및 각형시험체의 개요는 각각 표 2와 표 3과 같다.

데이터처리

단면의 형태가 다른 시험체의 내력성능을 평가하기 위하여 에너지소산면적에 따른 감쇠비(damping ratio)를 각 형과 원형 기둥에 대하여 비교하였으며 그 결과는 그림 9와 같다. 동일한 에너지소산능력을 갖는 각형과 원형기둥 모두 두께가 두꺼운 시험체의 감쇠력이 높은 것으로 나타났다.

성능/효과

(2) 에너지소산면적에 따른 감쇠비의 비교에 있어, 각형 기둥이 원형기둥보다 약 1.2배 정도 큰 것으로 나타났다. 각형탄소섬유기둥은 원형에 비하여 작은 횡 구속효과를갖지만 각형기등의 튜브두께가 일정 두께 이상이 되면 원형 기둥보다 감쇠비와 연성능력이 높으므로 지진 지역에서의 기둥으로는 더욱 유효할 것으로 판단된다.
(3) 탄소섬유기등과 RC기등의 성능을 비교한 결과 탄소섬유 기둥은 원형RC기등에 비하여 강성 저하율이 작은 반면, 각형RC기등의 강성은 탄소섬유기등과 유사하게 나타났다. 변위연성(displacement ductility)에 대한 실험 결과에서는 RC기등에 비하여 탄소섬유튜브기등의 변위 연성이 월등히 높게 나타났으며, 기등의 강성이 저하할수록 탄소섬유기등의 변위연성이 RC기둥보다 높은 것으로 나타났다.
원형 탄소섬유 기둥은 각형에 비하여 두께에 따른 연성능력이 정확하게 나타났지만 각형기등은 정확한 변화를 나타내지 않았다. 그러나 동일한 에너지소산능력과 비슷한 두께를 가진 시험체에서는 각형기등이 원형기둥보다 연성능력이 높게 나타났다.
3mm로 시험체 중 가장 큰 변형량을 나타내었다. 그러나 전체적인 거동양상을 분석한 결과, 구속에 의한 강성의 향상 및 변위 등 연성도 능력의 개선도는 각형기등에 비하여 원형기등의 경우에 훨씬 우수한 것으로 나타났다.
동일한 에너지 소산 능력을 가질 때 원형기등은 두께가 얇을수록 연성능력이 우수하게 나타남을 알 수 있었다. 각형기둥 또한 두께가 얇은 기등의 연성능력이 높게 나타났으나 원형 기둥과 같이 두께별 변화가 정확히 나타나지는 않았다.
같다. 동일한 에너지소산능력을 갖는 각형과 원형기둥 모두 두께가 두꺼운 시험체의 감쇠력이 높은 것으로 나타났다. 그러나 일반적인 감쇠력 비교에서는 원형기등이 각형 기둥보다 높게 나타났다.
각형RC기등은 각형탄소섬유기등과 원형 탄소섬유 기둥 사이의 값으로 나타났다. 따라서 동일한 에너지 소산 면적을 가질 때 각형탄소섬유기등의 감쇠비(damping ratio) 가 가장 높게 나타나는 것을 알 수 있었다
4로 나타났다. 발생된 균열은 하중을 가할수록 점점 커지며 기둥 강성저하의 주된 요인으로 작용하였으며 시험체의 연성도가 약 6.7에 도달 할 즈음에 현저한 강성저하 현상이 발생하여 실험을 종료하였다. 표 4는 원형시험체의 거동에 대한 최대내력과 최대변형을 나타내는 표로써 각 탄소섬유 시험체의 변형량은 LC₅₅-6T 시험체의 경우를 제외하고 모두 RC 기등에 비하여 증가하며 최대 31%까지 증가하는 것으로 나다났다 최대내력의 경*는 LC50-6T 가 48.
변위연성(displacement ductility)에 대한 실험 결과에서는 RC기등에 비하여 탄소섬유튜브기등의 변위 연성이 월등히 높게 나타났으며, 기등의 강성이 저하할수록 탄소섬유기등의 변위연성이 RC기둥보다 높은 것으로 나타났다.
실험결과에서 나타난 바와 같이 콘크리트를 충전한 무근 탄소섬유 튜브기 등은 횡하중에 대한 변형능력 이나 에너 지 소산 능력이 우수하면서 상대적으로 큰 강성을 유지하는 것으로 나타났다. 이와 같은 거동특성은 본 연구에서 사용된 기둥이 내진구조를 요구하는 지역에서의 기등으로 매우 효율적으로 사용될 수 있을 것으로 판단되며, 내진성능이 부족한 기등의 보강에도 매우 간편하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
반면에 튜브(tube)의 두께가 일정한 두께에도 달했을 때의 감쇠력 비교에서는 원형기둥보다 각형기둥이가 높게 나타났다. 즉, 원형기등과 긱형기등의 2mm 두께와 6mm두께의 시험체에 대한 감쇠비(damping ratio)를 비교한 결과 각형기등의 감쇠력이 원형기등의 감쇠电보다 2% 정도 높게 나타났다. 또한 그림 9에는 탄소섬유기둥과의 비교를 위한 RC기등의 감쇠비(damping ratio)를 비교하였다 이를 살펴보면, 각형RC기등은 가장 높은 감쇠비를 나타내었고 원형RC기등은 가장 낮은 감쇠버[(damping ratio)를 나타내었다.
7에 도달 할 즈음에 현저한 강성저하 현상이 발생하여 실험을 종료하였다. 표 4는 원형시험체의 거동에 대한 최대내력과 최대변형을 나타내는 표로써 각 탄소섬유 시험체의 변형량은 LC₅₅-6T 시험체의 경우를 제외하고 모두 RC 기등에 비하여 증가하며 최대 31%까지 증가하는 것으로 나다났다 최대내력의 경*는 LC50-6T 가 48.9kN으로 가장 크게 나타났으며, 변위는 LC₅₀-4T 시험체가 210.2mm로 가장 크게 나타났다.

후속연구

나타났다. 이와 같은 거동특성은 본 연구에서 사용된 기둥이 내진구조를 요구하는 지역에서의 기등으로 매우 효율적으로 사용될 수 있을 것으로 판단되며, 내진성능이 부족한 기등의 보강에도 매우 간편하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

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