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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 보수 및 보강의 효과를 보다 직접적으로 반영할 수 있는 해석기법을 제시하여 정적 및 동적 시간이력해석을 수행하였다. 본 연구에서는 강판피복(steel jacketing)에 의한 보수 및 보강과 탄소섬유복합수지(Carbon Fiber Reinforced Polymer, 이하 CFRP)를 이용하여 보수된 교량 교각에 대한 비교해석을 수행하였다.
- 이는 Triantafillow(2003)의 외부부착 FRP 내진보강에 관한 연구에서도 같은 내용을 제시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 파괴응력까지 선형탄성적인 거동에 기초한 단순화된 응력-변형률 관계식을 제안하였다.
- 주기하중이 작용하는 경우, 파괴응력전 까지는 선형탄성곡선을 따르도록 정의하였고 파괴응력에 도달한 후에는 제하중과 재하중 경로는 초기 강성과 같은 일정한 강성을 따르도록 정의하였다. 물론, 주기하중에 따른 강성의 감소는 필연적으로 발생하지만, 이와 같은 가정은 CFRP 재료가 파괴하중에 도달한 후 급격한 강성의 감소로 인한 파괴에 이른다는 것을 상기하면 파괴점 이후와 관련된 가정이므로 전체응답해석 결과에는 큰 영향을 미치지 않을 것으로 사료되고, 해석의 단순화 및 수치해석적인 문제점을 피하기 위해서 이루어졌다. 개발된 CFRP 응력-변형률 관계식은 ZeusNL 에 ‘frp1’ 재료모델로서 연결되어 본 연구에서 수행된 검증비교해석에 사용되었다.
- 본 연구에서는 또한, 비선형 시간이력해석에 앞서 대상교량구조물의 고유치해석을 수행하였다. 교축직각방향, 교량상부구조(deck) 및 교축방향에서, 첫번째 모드에 대응되는 고유주기는 각각 0.
- 본 연구에서는 보수된 교량 교각의 보수 후의 내진응답 거동을 검토하기 위하여, 기 개발된 비탄성 보수요소와 함께 단순화된 CFRP 재료의 응력-변형률 모델을 개발하여 비선형 해석을 수행하였다. 본 연구에서 제안된 해석모델 및 기법의 검증을 위해서 CFRP와 강판피복을 이용하여 보수된 교각의 정적시간이력해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 강판피복(steel jacketing)에 의한 보수 및 보강과 탄소섬유복합수지(Carbon Fiber Reinforced Polymer, 이하 CFRP)를 이용하여 보수된 교량 교각에 대한 비교해석을 수행하였다. 본 연구의 목적을 위하여, 기 개발된 보수요소와 단순화된 CFRP 응력-변형률 관계식을 개발하여 비교해석을 수행하였다. 보수요소는 사용자가 정의한 시간간격 내에서 자유롭게 활성화 및 비활성화를 시킬 수 있는 요소로서, 정적 및 동적시간이력해석에서 보수 및 보강에 의한 특성값들이 직접적으로 반영되어 구조물의 물리적인 거동을 보다 정확히 모사할 수 있는 장점을 가진 요소이다.
- 따라서 교각 8의 전단응답은 표 10에서도 알 수 있는 바와 같이 교각 6에 비해 작음을 알 수 있고, 이는 상대적으로 더 큰 전단응답이 교각 6에 집중될 수 도 있다는 것을 의미한다. 이와 같은 현상을 더 자세하게 검토하기 위하여 각 교각의 하중-변위 이력곡선을 비교 검토하였고 다음 절에서 설명되었다.
가설 설정
- 첫번째 해석모델은 보수를 하지 않은 경우이고, 두번째 해석모델은 CFRP로 보수된 경우, 그리고 세번째 해석모델은 강판피복으로 보수된 해석모델을 나타낸다. CFRP와 강판피복으로 보수된 경우 보수재료의 구속체적비는 비교해석을 위해서 0.01로 일정하게 가정하였다. 본 시간이력해석에서 사용된 해석모델들은 표 4에 나타내었다.
- 개발된 CFRP 응력-변형률 관계는 우선적으로 인장영역에서만 거동하는 것으로 가정하였다. 단조증가하중 상태에서의 포락선은 3 선형 곡선으로 구성되었고, 3선형 곡선을 구성하는 3개의 변수들은 사용자에 의해서 정의된다.
- 표 4의 세가지 해석모델에 대해, 교량의 상부구조는 원래 단면의 비틀림상수와 두 주축에 대한 단면2차모멘트에 대응되는 등가의 강 I-형 단면을 이용하여 해석모델을 구성하였고, 상부구조의 힌지는 교량 축방향과 교각 축방향에 대해 회전을 허용하는 반면에, 그 외의 자유도에 대해서는 탄성으로 가정하여 모델링 하였다. 교각 하부, 즉, 교각의 경우는 표 4의 세가지 경우가 각각 다르게 모델링 되었다.
- 따라서 비탄성 보수요소로 모델링된 CFRP단면은 정적 시간이력해석에서 보수 전 교각의 하중이력재하시간 사이에는 해석에 포함되지 않고, 보수 후의 재 하중이력재하시간 사이에서만 활성화 되도록 모델링하여 보수의 효과를 직접적으로 반영하였다. 한편, 콘크리트 교각은 CFRP 와 완전부착된 것으로 가정하여 모델링을 수행하였다. 교각의 단면상세 및 해석모델은 그림 1에 나타나 있다.
제안 방법
- 즉, 교각의 밑부분에서 715 mm 의 높이까지 보수된 CFRP를 비탄성 보수요소로 모델링하였다. CFRP는 기존교각의 원형단면 지름을 내부지름으로 하는 속이 빈 원형단면을 사용하여 보수 전 교각의 하중이력재하 후, 보수 후의 재 하중이력재하 실험을 수행할때부터 활성화 되도록 모델링을 하여 보수의 효과를 나타낼 수 있도록 하였다. 따라서 비탄성 보수요소로 모델링된 CFRP단면은 정적 시간이력해석에서 보수 전 교각의 하중이력재하시간 사이에는 해석에 포함되지 않고, 보수 후의 재 하중이력재하시간 사이에서만 활성화 되도록 모델링하여 보수의 효과를 직접적으로 반영하였다.
- 다만, 강판피복을 사용하여 보수 및 보강한 교각의 경우, 그림 5에서 볼 수 있는 바와 같이 기존의 비탄성 요소에 교각의 밑부분에서 1219 mm의 높이까지 보수 및 보강된 강판피복을 보수 요소로 모델링하였다. 강판피복은 기존교각의 원형단면 지름을 내부지름으로 하는 속이 빈 원형단면을 사용하여 기존교각의 하중이력재하 후, 재 하중이력재하 실험을 수행할때부터 활성화 되도록 모델링을 하여 보수 및 보강의 효과를 나타낼 수 있도록 하였다.
- 보수 전 해석모델의 경우, 지름이 300 mm인 철근콘크리트 원형단면을 이용하였고, 기존의 비탄성요소를 사용하여 모델링 하였다. 교각의 소성힌지 영향을 보다 정확히 고려하기 위하여, 교각의 밑부분에서는 짧은 길이의 비탄성요소를 사용하였고 윗부분으로 갈수록 길이가 긴 비탄성 요소를 사용하여 교각을 모델링 하였다. 한편 CFRP를 사용 하여 보수한 교각의 해석모델은 보수 전 해석모델에 보수요소를 첨가하여 구성하였다.
- 1에서 수행한 CFRP로 보수된 교각과 같은 접근방법으로 해석모델링을 구성하였다. 다만, 강판피복을 사용하여 보수 및 보강한 교각의 경우, 그림 5에서 볼 수 있는 바와 같이 기존의 비탄성 요소에 교각의 밑부분에서 1219 mm의 높이까지 보수 및 보강된 강판피복을 보수 요소로 모델링하였다. 강판피복은 기존교각의 원형단면 지름을 내부지름으로 하는 속이 빈 원형단면을 사용하여 기존교각의 하중이력재하 후, 재 하중이력재하 실험을 수행할때부터 활성화 되도록 모델링을 하여 보수 및 보강의 효과를 나타낼 수 있도록 하였다.
- 첫번째 보수되지 않은 경우, 교각은 기존의 비탄성 요소만을 이용하여 모델링을 수행하였다. 두번째 CFRP로 보수된 경우, 교각은 기존의 비탄성 요소에, CFRP로 보수된 가상의 소성힌지 구간을 보수요소로 모델링한 후, 보수요소들은 연속지진하중의 두번째 지진하중부터 활성화되록하여 보수의 효과를 직접적으로 고려하였다. 이 보수요소들은 교각단 면의 지름을 내부지름으로 하는 속이 빈 원형단면을 사용하였고, 이 원형단면은 3.
- CFRP는 기존교각의 원형단면 지름을 내부지름으로 하는 속이 빈 원형단면을 사용하여 보수 전 교각의 하중이력재하 후, 보수 후의 재 하중이력재하 실험을 수행할때부터 활성화 되도록 모델링을 하여 보수의 효과를 나타낼 수 있도록 하였다. 따라서 비탄성 보수요소로 모델링된 CFRP단면은 정적 시간이력해석에서 보수 전 교각의 하중이력재하시간 사이에는 해석에 포함되지 않고, 보수 후의 재 하중이력재하시간 사이에서만 활성화 되도록 모델링하여 보수의 효과를 직접적으로 반영하였다. 한편, 콘크리트 교각은 CFRP 와 완전부착된 것으로 가정하여 모델링을 수행하였다.
- 보수요소는 사용자가 정의한 시간간격 내에서 자유롭게 활성화 및 비활성화를 시킬 수 있는 요소로서, 정적 및 동적시간이력해석에서 보수 및 보강에 의한 특성값들이 직접적으로 반영되어 구조물의 물리적인 거동을 보다 정확히 모사할 수 있는 장점을 가진 요소이다. 또한 본 연구에서는 강판피복과 CFRP를 이용하여 가상으로 보수된 철근콘크리트교량에 대한 비선형 동적 시간이력해석을 수행하여, 교각의 보수가 전체교량의 동적 지진거동에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위하여 최대지반가속도 및 지진파의 고유주파수를 고려한 3 세트의 연속지진하중조합을 만들었고 보수 후 구조물의 내진응답 검토에 이용되었다.
- 보수 된 교각이 전체 교량시스템이 미치는 영향을 검토하기 위하여, 다양한 연속지진하중 조합을 구성하여 교량구조물에 대한 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 비선형 시간 이력해석에서는 교각의 이론적인 소성힌지구간에 CFRP와 강판피복을 이용하여 보수를 수행한 후, 보수를 하지 않은 경우와 비교 검토하였다.
- 보수된 교량의 비선형 시간이력 비교해석을 위하여 3개 세트의 연속지진하중을 선택하였다. 첫번째 세트는 1971년 San Fernando 지진시 Pacoiam Dam에서 기록된 지진파와 1994년 Northridge 지진시 역시 Pacoiam Dam에서 기록된 지진파를 선택하였다.
- 보수요소를 포함한 ZeusNL의 해석결과를 교각부재의 모형실험결과와 비교하였다. 부재의 모형실험 시편은 CFRP로 보수된 시편을 선택하였다.
- 보수효과가 단면내의 변형률 응답에 미치는 영향을 분석하기 위하여 교각의 밑단면에서의 변형률 시간이력응답을 검토하였다. 그림 15의 (a)와 (b)는 각각 Set 1의 NP+SP 그리고 Set 2의 WT+NT에서의 교각 6의 밑단면에서의 변형률 시간이력응답을 보여주고 있다.
- 본 연구에서는 보수된 교량 교각의 보수 후의 내진응답 거동을 검토하기 위하여, 기 개발된 비탄성 보수요소와 함께 단순화된 CFRP 재료의 응력-변형률 모델을 개발하여 비선형 해석을 수행하였다. 본 연구에서 제안된 해석모델 및 기법의 검증을 위해서 CFRP와 강판피복을 이용하여 보수된 교각의 정적시간이력해석을 수행하였다. 해석결과와 실험결과 사이의 비교결과, 강도와 재하중 강성에 있어서는 만족할 만한 일치성을 나타내었다.
- 따라서 본 연구에서는 보수 및 보강의 효과를 보다 직접적으로 반영할 수 있는 해석기법을 제시하여 정적 및 동적 시간이력해석을 수행하였다. 본 연구에서는 강판피복(steel jacketing)에 의한 보수 및 보강과 탄소섬유복합수지(Carbon Fiber Reinforced Polymer, 이하 CFRP)를 이용하여 보수된 교량 교각에 대한 비교해석을 수행하였다. 본 연구의 목적을 위하여, 기 개발된 보수요소와 단순화된 CFRP 응력-변형률 관계식을 개발하여 비교해석을 수행하였다.
- 이를 위하여 최대지반가속도 및 주파수 특성을 고려한 3개 세트의 연속지진하중조합을 구성하였다. 본 연구의 비선형 동적 시간이력해석에 사용된 교량은 1994년 미국 노스리지 지진에 의해서 손상을 입은 교량으로써, 교각의 이론적인 소성힌지구간에 강판피복과 CFRP를 이용하여 가상으로 보수한 후의 내진응답과 보수하지 않은 경우의 내진응답을 비교 검토하였다.
- 부재에 대한 보수 효과가 전체 구조물에 미치는 영향을 검토하기 위하여 비선형 동적 시간이력해석을 해석적으로 수행하였다. 이를 위하여 최대지반가속도 및 주파수 특성을 고려한 3개 세트의 연속지진하중조합을 구성하였다.
- 보수 된 교각이 전체 교량시스템이 미치는 영향을 검토하기 위하여, 다양한 연속지진하중 조합을 구성하여 교량구조물에 대한 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 비선형 시간 이력해석에서는 교각의 이론적인 소성힌지구간에 CFRP와 강판피복을 이용하여 보수를 수행한 후, 보수를 하지 않은 경우와 비교 검토하였다. CFRP와 강판피복으로 보수된 경우의 보수 후의 응답은 보수되지 않은 경우와 비교해 볼때, 강도와 강성에 있어서는 효과적이고 적절한 구속력을 제공하는 것을 알 수 있었지만, 변위연성도에는 크게 효과적이지 않음을 알 수 있었다.
- 단조증가하중 상태에서의 포락선은 3 선형 곡선으로 구성되었고, 3선형 곡선을 구성하는 3개의 변수들은 사용자에 의해서 정의된다. 사용자 정의 입력변수는, 초기강성, 파괴응력 그리고 감소강성(즉, 잔류응력)으로 나누어 진다. fib(2001) 등에서 제시한 것처럼, CFRP는 파괴응력까지 선형탄성적으로 거동하기 때문에 입력변수 중 파괴응력과 감소강성은 필요하지 않을 수 도 있지만, 본 연구에서는 파괴응력에 도달한 후 수치해석적인 편의성을 위해서 입력변수로 정의하였다.
- (1991)에 의해서 실험된 원형단면을 갖는 교량 교각의 내진보강실험시편을 사용하였다. 이 실험에서는 두께 4.76 mm, 구속체적비 0.031인 열간압연강재(hot-rolled steel)로 이루어진 강판피복(steel jacketing)을 사용하여 보수 및 보강을 하여 철근콘크리트교량 교각의 내진거동 성능향상을 검토하였고, 원형단면 610 mm 지름과 3657 mm의 높이를 갖는 6개의 교각시편에 대해서 실험을 수행하였다. 강판피복을 이용한 보수 및 보강시편의 경우, 강판피복으로 감싼 부분 바로 윗부분에서의 휨모멘트가 원래상태 휨모멘트 강도의 75%를 초과하지 않도록 하기 위하여 교각의 밑부분에서 1219 mm의 높이까지 강판피복이 사용되었다.
- 교축방향 고유주기의 경우, 표 7에 나타나 있는 지진파들의 최대증폭주기와 비교해 볼 때 많은 차이를 나타낸 반면에, 교축직각방향 고유주기의 경우는 지진파들의 최대증폭 주기와 비교적 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 이는 곧, 교축직각방향의 응답이 지배적일 것으로 기대되어짐에 따라, 교축직각방향 해석결과에 대한 분석을 집중적으로 수행하였다.
- 부재에 대한 보수 효과가 전체 구조물에 미치는 영향을 검토하기 위하여 비선형 동적 시간이력해석을 해석적으로 수행하였다. 이를 위하여 최대지반가속도 및 주파수 특성을 고려한 3개 세트의 연속지진하중조합을 구성하였다. 본 연구의 비선형 동적 시간이력해석에 사용된 교량은 1994년 미국 노스리지 지진에 의해서 손상을 입은 교량으로써, 교각의 이론적인 소성힌지구간에 강판피복과 CFRP를 이용하여 가상으로 보수한 후의 내진응답과 보수하지 않은 경우의 내진응답을 비교 검토하였다.
- 또한 본 연구에서는 강판피복과 CFRP를 이용하여 가상으로 보수된 철근콘크리트교량에 대한 비선형 동적 시간이력해석을 수행하여, 교각의 보수가 전체교량의 동적 지진거동에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위하여 최대지반가속도 및 지진파의 고유주파수를 고려한 3 세트의 연속지진하중조합을 만들었고 보수 후 구조물의 내진응답 검토에 이용되었다.
- 한편 CFRP를 사용 하여 보수한 교각의 해석모델은 보수 전 해석모델에 보수요소를 첨가하여 구성하였다. 즉, 교각의 밑부분에서 715 mm 의 높이까지 보수된 CFRP를 비탄성 보수요소로 모델링하였다. CFRP는 기존교각의 원형단면 지름을 내부지름으로 하는 속이 빈 원형단면을 사용하여 보수 전 교각의 하중이력재하 후, 보수 후의 재 하중이력재하 실험을 수행할때부터 활성화 되도록 모델링을 하여 보수의 효과를 나타낼 수 있도록 하였다.
- 교각 하부, 즉, 교각의 경우는 표 4의 세가지 경우가 각각 다르게 모델링 되었다. 첫번째 보수되지 않은 경우, 교각은 기존의 비탄성 요소만을 이용하여 모델링을 수행하였다. 두번째 CFRP로 보수된 경우, 교각은 기존의 비탄성 요소에, CFRP로 보수된 가상의 소성힌지 구간을 보수요소로 모델링한 후, 보수요소들은 연속지진하중의 두번째 지진하중부터 활성화되록하여 보수의 효과를 직접적으로 고려하였다.
- 염광수 등(2005)은 횡 방향보강 철근이 보수된 철근콘크리트교량 교각에 미치는 영향을 검토하기 위한 강판피복과 CFRP로 보수된 철근콘크리트 교량 교각에 대한 이력재하실험을 수행하였다. 총 9개의 실험된 시편중 3개의 시편이 CFRP로 보수된 교각시편이었고, 따라서 3개의 시편(P, SE 및 E)에 대해 비교해석을 수행하였다. 시편은 지름이 300 mm인 철근콘크리트 원형단면으로 높이가 2200 mm인 교각이다.
- 표 6에서 확인할 수 있는 바와 같이 비교적 큰 최대지반가속도를 선택하여 교량구조물이 비선형 영역으로 거동할 수 있도록 하였다. 또한, 표 6에 나타나 있는 각 방향별 지진파에 대해 응답스펙트럼해석을 수행하여 최대스펙트럴가속도에 대응되는 최대증폭주기를 구하여 표 7에 정리하였다.
- 교각의 소성힌지 영향을 보다 정확히 고려하기 위하여, 교각의 밑부분에서는 짧은 길이의 비탄성요소를 사용하였고 윗부분으로 갈수록 길이가 긴 비탄성 요소를 사용하여 교각을 모델링 하였다. 한편 CFRP를 사용 하여 보수한 교각의 해석모델은 보수 전 해석모델에 보수요소를 첨가하여 구성하였다. 즉, 교각의 밑부분에서 715 mm 의 높이까지 보수된 CFRP를 비탄성 보수요소로 모델링하였다.
대상 데이터
- 강판피복으로 보수 및 보강된 교각의 거동을 알아보기 위하여 Chai et al.(1991)에 의해서 실험된 원형단면을 갖는 교량 교각의 내진보강실험시편을 사용하였다. 이 실험에서는 두께 4.
- 교각의 비교해석을 위해서 보수요소를 포함한 ZeusNL을 이용하였다. 보수 전 해석모델의 경우, 지름이 300 mm인 철근콘크리트 원형단면을 이용하였고, 기존의 비탄성요소를 사용하여 모델링 하였다.
- 첫번째 세트는 1971년 San Fernando 지진시 Pacoiam Dam에서 기록된 지진파와 1994년 Northridge 지진시 역시 Pacoiam Dam에서 기록된 지진파를 선택하였다. 두번째 세트는 1987년 Whittier Narrow 지진시 Tarzana Cedar Hill에서 기록된 지진파와 1994년 Northridge 지진시 역시 Tarzana Cedar Hill에서 기록된 지진파를 선택하였다. 마지막 세번째 세트는 1979년 Imperial Valley 지진시 Bonds Corner에서 기록된 지진파와 1984년 Morgan Hill 지진시 Coyote Lake Dam에서 기록된 지진파를 선택하였다.
- 두번째 세트는 1987년 Whittier Narrow 지진시 Tarzana Cedar Hill에서 기록된 지진파와 1994년 Northridge 지진시 역시 Tarzana Cedar Hill에서 기록된 지진파를 선택하였다. 마지막 세번째 세트는 1979년 Imperial Valley 지진시 Bonds Corner에서 기록된 지진파와 1984년 Morgan Hill 지진시 Coyote Lake Dam에서 기록된 지진파를 선택하였다. 선택된 지진은 모두 미국에서 발생했던 비교적 큰 지진들로서, 보수효과에 의한 비교해석을 위해서 처음 두 세트는 시간차이를 두고 같은 station에서 기록된 지진파를 의도적으로 선택하였다.
- 교각의 비교해석을 위해서 보수요소를 포함한 ZeusNL을 이용하였다. 보수 전 해석모델의 경우, 지름이 300 mm인 철근콘크리트 원형단면을 이용하였고, 기존의 비탄성요소를 사용하여 모델링 하였다. 교각의 소성힌지 영향을 보다 정확히 고려하기 위하여, 교각의 밑부분에서는 짧은 길이의 비탄성요소를 사용하였고 윗부분으로 갈수록 길이가 긴 비탄성 요소를 사용하여 교각을 모델링 하였다.
- 본 연구대상 교량구조물의 상부구조는 세 개의 셀로 이루어진 박스거더로 구성되어 있고, 하부구조는 여러 개의 교각으로 이루어진 Bent 5, 그리고 단일교각으로 이루어진 Bents 6, 7 그리고 8, 및 벽 구조로 이루어진 Bent 9로 구성되어 있다. 모든 교각은 지름이 1219 mm인 원형의 철근콘크리트 단면으로, Bents 5, 6, 7 그리고 8 및 Bents 9의 벽체 단면은 그림 8에 나타나 있다.
- 보수요소를 포함한 ZeusNL의 해석결과를 교각부재의 모형실험결과와 비교하였다. 부재의 모형실험 시편은 CFRP로 보수된 시편을 선택하였다. 염광수 등(2005)은 횡 방향보강 철근이 보수된 철근콘크리트교량 교각에 미치는 영향을 검토하기 위한 강판피복과 CFRP로 보수된 철근콘크리트 교량 교각에 대한 이력재하실험을 수행하였다.
- 마지막 세번째 세트는 1979년 Imperial Valley 지진시 Bonds Corner에서 기록된 지진파와 1984년 Morgan Hill 지진시 Coyote Lake Dam에서 기록된 지진파를 선택하였다. 선택된 지진은 모두 미국에서 발생했던 비교적 큰 지진들로서, 보수효과에 의한 비교해석을 위해서 처음 두 세트는 시간차이를 두고 같은 station에서 기록된 지진파를 의도적으로 선택하였다. 각 지진파의 세방향 요소 모두를 작용시켜 비선형 시간이력해석을 수행하였고, 선택된 지진파의 각 방향별 최대지반가속도는 표 6에 나타내었다.
- 총 9개의 실험된 시편중 3개의 시편이 CFRP로 보수된 교각시편이었고, 따라서 3개의 시편(P, SE 및 E)에 대해 비교해석을 수행하였다. 시편은 지름이 300 mm인 철근콘크리트 원형단면으로 높이가 2200 mm인 교각이다. 선택된 시편의 재료 물성치 및 작용하중은 표 1에 나타나 있다.
- 보수된 교량의 비선형 시간이력 비교해석을 위하여 3개 세트의 연속지진하중을 선택하였다. 첫번째 세트는 1971년 San Fernando 지진시 Pacoiam Dam에서 기록된 지진파와 1994년 Northridge 지진시 역시 Pacoiam Dam에서 기록된 지진파를 선택하였다. 두번째 세트는 1987년 Whittier Narrow 지진시 Tarzana Cedar Hill에서 기록된 지진파와 1994년 Northridge 지진시 역시 Tarzana Cedar Hill에서 기록된 지진파를 선택하였다.
이론/모형
- 개발된 CFRP 응력-변형률 관계식은 ZeusNL 에 ‘frp1’ 재료모델로서 연결되어 본 연구에서 수행된 검증비교해석에 사용되었다.
- 교각의 해석모델에서 사용된 콘크리트 재료모델의 경우, ZeusNL에서 이용가능한 Matinez-Rueda and Elnashai(1997)에 의해서 개발된 주기하중하에서의 심부구속 및 구속되지 않은 콘크리트의 응력-변형률 관계식을 선택하였고, 단면내의 철근은 이선형 모델을 선택하여 모델링하였다. 또한, 속이 빈 CFRP 단면의 경우에 대응되는 CFRP 응력-변형률 관계식이 필요로 되는데, CFRP와 관련된 연구의 대부분이 실험적인 연구에 집중되어 왔고, 이론적인 연구는 아주 미비한 실정이다.
- 본 연구에서 수행될 철근콘크리트구조물의 보수 후의 비선형 응답을 검토하기 위하여 파이버요소에 기초한 유한요소 구조해석 프로그램인 ZeusNL(Elnashai et al., 2001)을 사용하였다. ZeusNL(2001)은 강구조, 철근콘크리트구조 및 합성구조의 정적 및 동적 비선형해석을 수행할 수 있고, 재료의 비탄성 효과뿐 만 아니라 지진하중 등에 의한 대변형으로 인한 기하학적 비선형 효과 또한 고려되어 있다.
- 1에서 개발된 CFRP 응력-변형률 관계식을 적용하였다. 세번째 강판피복으로 보수된 경우, 두번째와 마찬가지로 해석모델을 구성하였고, 다만 교각단면의 지름을 내부지름으로 하는 속이 빈 원형단면은 steel 이선형 응력-변형률 관계식을 적용하였다. 해석모델에서 잠정적인 소성힌지 구간은 Priestley et al.
- 두번째 CFRP로 보수된 경우, 교각은 기존의 비탄성 요소에, CFRP로 보수된 가상의 소성힌지 구간을 보수요소로 모델링한 후, 보수요소들은 연속지진하중의 두번째 지진하중부터 활성화되록하여 보수의 효과를 직접적으로 고려하였다. 이 보수요소들은 교각단 면의 지름을 내부지름으로 하는 속이 빈 원형단면을 사용하였고, 이 원형단면은 3.1에서 개발된 CFRP 응력-변형률 관계식을 적용하였다. 세번째 강판피복으로 보수된 경우, 두번째와 마찬가지로 해석모델을 구성하였고, 다만 교각단면의 지름을 내부지름으로 하는 속이 빈 원형단면은 steel 이선형 응력-변형률 관계식을 적용하였다.
성능/효과
- 비선형 시간 이력해석에서는 교각의 이론적인 소성힌지구간에 CFRP와 강판피복을 이용하여 보수를 수행한 후, 보수를 하지 않은 경우와 비교 검토하였다. CFRP와 강판피복으로 보수된 경우의 보수 후의 응답은 보수되지 않은 경우와 비교해 볼때, 강도와 강성에 있어서는 효과적이고 적절한 구속력을 제공하는 것을 알 수 있었지만, 변위연성도에는 크게 효과적이지 않음을 알 수 있었다. 뿐만 아니라, 교각 전체에 걸쳐 동일한 보수를 수행했다 할지라도, 전체구조물의 강성 불균형이 유발되어 특정 보수 부재로 힘이 집중될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 그림 7은 강판피복으로 보강된 교각시편 3R의 실험결과와 해석결과를 나타내고 있다. 그림 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 강판피복으로 보강된 경우의 하중-변위 이력곡선이 상당히 안정적인 것을 확인할 수 있고, 해석결과는 실험결과와 비교해 볼 때, 강도, 강성 그리고 에너지소산 능력 등의 전반적인 비탄성 거동에 있어서 실험결과와 우수한 상관관계를 나타내었다. 종합해 볼때, 본 연구에서 사용된 해석기법은 향후 여러 가지 보수 및 보강재료의 응력-변형률 모델을 개발하여 보수요소와 함께 사용하면 다양한 재료에 따른 보수 및 보강시 교각의 내진성능 평가에 있어서 유용할 것으로 사료된다.
- 그림 11과 12는 각각 Set 1의 NP+SP와 Set 2의 WT+NT에서 교각 6의 교축직각방향 하중-변위 이력응답을 보여주고 있다. 그림에서 확인할 수 있는 바와 같이 CFRP(WI_C)와 강판피복(WI_S)으로 보수된 경우 보수되지 않은 경우와 비교하여, 강도 및 강성의 증가를 확인할 수 있고 CFRP로 보수된 경우의 응답이 강판피복으로 보수된 경우의 응답보다 약간 더 증가된(약 10%) 응답을 나타내었다. 즉, 교각 6의 하중-변위 이력응답에서 보수의 효과는 뚜렷하였다.
- 뿐만 아니라, 보수를 하지 않은 경우와 보수를 수행한 경우의 최대 변위 연성도 차이 또한 오차범위내에 있을 만큼 크지 않음을 알 수 있었다. 또한, CFRP 및 강판피복의 보수재료에 따른 최대 변위연성도의 차이 역시 크지 않음을 알 수 있었다. 이는 곧, CFRP 및 강판피복에 의한 보수의 효과가 최대 변위연성도에 미치는 영향이 크지 않음을 알 수 있었고, 지진하중에 의해서 요구되는 변위연성도를 감소시키는 효과가 크지 않음을 알 수 있었다.
- 그림 6은 시편 1R의 보수후 실험결과와 해석결과 사이의 하중-변위 이력응답이다. 보수요소를 이용한 해석결과에서 볼 수 있듯이 하중이력에 대한 실험후의 기존 교각의 강도저하 효과가 반영되는 경향을 확인할 수 있다. 하지만 실험결과와 비교해 볼 때, 해석결과의 에너지 소산능력이 과대평가되고 핀칭효과가 작은것을 볼 수 있는데, 이와 같은 핀칭효과의 차이는 본 연구에서 휨거동만을 고려하고 있고, 또한 해석에서는 고려되지 않은 종방향 주철근과 주변 콘크리트 사이의 미끄러짐 그리고 실험시 교각과 풋팅접합부의 전단손상에 의한 것으로 사료된다.
- 마찬가지로 교각 8의 경우에도 보수된 경우의 응답이 보수되지 않은 경우와 비교하여 증가하였지만, 증가율은 교각 6의 경우만큼 크지 않다는 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 교각 6의 응답에서CFRP 보수에 의한 효과가 강판피복 보수에 의한 효과보다 더 뚜렷한 반면에, 교각 8의 경우 두 재료사이의 보수에 의한 효과 차이는 그리 크지 않음을 알 수 있었다. 한편, 교각 7의 보수된 경우와 보수되지 않은 경우 NP+SP 응답을 제외하고는 모두, 정적해석에서 구한 전단응답 1645 kN보다 작음을 알 수 있었다.
- CFRP와 강판피복으로 보수된 경우의 보수 후의 응답은 보수되지 않은 경우와 비교해 볼때, 강도와 강성에 있어서는 효과적이고 적절한 구속력을 제공하는 것을 알 수 있었지만, 변위연성도에는 크게 효과적이지 않음을 알 수 있었다. 뿐만 아니라, 교각 전체에 걸쳐 동일한 보수를 수행했다 할지라도, 전체구조물의 강성 불균형이 유발되어 특정 보수 부재로 힘이 집중될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 곧, 보수 후의 응답을 위해, 보수효과를 직접적으로 반영한 해석의 필요성을 입증해 주는 것으로, 본 연구에서 제안된 해석기법 및 모델은 손상된 부재에 대한 보수 후의 부재 및 전체구조물의 응답검토에 매우 유용하게 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 하지만, 단일지진파해석결과와 비교해 볼때, 연속지진파에 의한 변위연성도 증가는 아주 미약하였다. 뿐만 아니라, 보수를 하지 않은 경우와 보수를 수행한 경우의 최대 변위 연성도 차이 또한 오차범위내에 있을 만큼 크지 않음을 알 수 있었다. 또한, CFRP 및 강판피복의 보수재료에 따른 최대 변위연성도의 차이 역시 크지 않음을 알 수 있었다.
- 또한, CFRP 및 강판피복의 보수재료에 따른 최대 변위연성도의 차이 역시 크지 않음을 알 수 있었다. 이는 곧, CFRP 및 강판피복에 의한 보수의 효과가 최대 변위연성도에 미치는 영향이 크지 않음을 알 수 있었고, 지진하중에 의해서 요구되는 변위연성도를 감소시키는 효과가 크지 않음을 알 수 있었다.
- 하지만 보수 후의 응답의 경우, 보수하지 않은 경우(WO_R)의 응답은 비교적 큰 비탄성 변형률을 경험하는 반면에, 강판피복으로 보수된 경우(WI_S)는 보수하지 않은 경우의 응답보다는 작은 비탄성 변형률을 경험하는 것으로 나타났고, CFRP로 보수된 경우(WI_C)는 변형률 응답이 탄성영역에 머무르는 것을 알 수 있다. 즉, CFRP나 강판피복을 이용한 보수는 교각에 효과적인 구속작용을 제공하는 것을 알 수 있었고, 강판피복과 비교해 볼 때 CFRP가 좀 더 나은 구속작용을 하는 것을 알 수 있었다.
- 최대 전단응답으로부터 알 수 있듯이, 보수효과는 보수 후의 교각의 강성증가에 영향을 끼치고, 그에 따라 전단응답에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 하지만 이와 같은 교각 강성의 증가가 반드시 전체 교량구조물의 안정성을 의미할 것 같지는 않다.
- 2의 정적해석에 구한 항복변위를 사용하여, 각 세트의 연속지진파에 의한 보수 후 교각의 교축직각방향 최대 변위연성도를 구하여 표 9에 나타내었다. 표 9에서 확인할 수 있는 바와 같이, 교각의 최대 변위연성도 응답은 탄성거동에서 최대 변위연성도 5 이상의 비탄성상태까지 다양하게 나타났다. 하지만, 단일지진파해석결과와 비교해 볼때, 연속지진파에 의한 변위연성도 증가는 아주 미약하였다.
- 그림에서 알 수 있는 바와 같이 보수 전의 응답(Set 1과 Set 2의 경우 각각 20초와 25초까지)은 항복변형률을 초과하지 않고 탄성영역에 머물러 있는 것을 알 수 있다. 하지만 보수 후의 응답의 경우, 보수하지 않은 경우(WO_R)의 응답은 비교적 큰 비탄성 변형률을 경험하는 반면에, 강판피복으로 보수된 경우(WI_S)는 보수하지 않은 경우의 응답보다는 작은 비탄성 변형률을 경험하는 것으로 나타났고, CFRP로 보수된 경우(WI_C)는 변형률 응답이 탄성영역에 머무르는 것을 알 수 있다. 즉, CFRP나 강판피복을 이용한 보수는 교각에 효과적인 구속작용을 제공하는 것을 알 수 있었고, 강판피복과 비교해 볼 때 CFRP가 좀 더 나은 구속작용을 하는 것을 알 수 있었다.
- 해석결과와 실험결과 사이의 비교결과, 강도와 재하중 강성에 있어서는 만족할 만한 일치성을 나타내었다. 하지만, 에너지 소산능력에 있어서, 해석결과는 실험결과에 비해 과대평가 하는 것을 알 수 있었다. 이는 보수재료와 교각사이의 미끄러짐 때문인 것으로 사료되며, 미끄러짐에 관한 해석모델링이 첨가되면 훨씬 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- 뿐만 아니라, 교각 6의 응답에서CFRP 보수에 의한 효과가 강판피복 보수에 의한 효과보다 더 뚜렷한 반면에, 교각 8의 경우 두 재료사이의 보수에 의한 효과 차이는 그리 크지 않음을 알 수 있었다. 한편, 교각 7의 보수된 경우와 보수되지 않은 경우 NP+SP 응답을 제외하고는 모두, 정적해석에서 구한 전단응답 1645 kN보다 작음을 알 수 있었다. 이는 곧, 비교적 작은 전단응답이 교각 7에 작용하여 전단파괴의 확률이 매우 낮음을 알 수 있다.
- 본 연구에서 제안된 해석모델 및 기법의 검증을 위해서 CFRP와 강판피복을 이용하여 보수된 교각의 정적시간이력해석을 수행하였다. 해석결과와 실험결과 사이의 비교결과, 강도와 재하중 강성에 있어서는 만족할 만한 일치성을 나타내었다. 하지만, 에너지 소산능력에 있어서, 해석결과는 실험결과에 비해 과대평가 하는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 또한, 실험에서 나타나는 교각단면 내의 종 방향 주철근과 주변 콘크리트 사이의 미끄러짐도 핀칭현상에 영향을 끼친 것으로 사료된다. 따라서 향후, 해석모델을 구성하는데 있어서, CFRP와 교각 표면사이의 미끄러짐 그리고 단면내 종 방향 주철근과 주변 콘크리트 사이의 미끄러짐을 고려할 경우, 해석결과는 실험결과와 보다 더 우수한 일치성을 나타낼 수 있을 것으로 사료된다.
- 36 범위를 나타나었다. 따라서, 이 정도 범위의 최대증폭주기는 본 연구에서 수행하고자 하는 교량의 비선형 해석에 있어서 사용되는 입력지진파의 주기특성을 어느정도 다양하게 반영할 수 있을 것으로 사료된다.
- 뿐만 아니라, 교각 전체에 걸쳐 동일한 보수를 수행했다 할지라도, 전체구조물의 강성 불균형이 유발되어 특정 보수 부재로 힘이 집중될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 곧, 보수 후의 응답을 위해, 보수효과를 직접적으로 반영한 해석의 필요성을 입증해 주는 것으로, 본 연구에서 제안된 해석기법 및 모델은 손상된 부재에 대한 보수 후의 부재 및 전체구조물의 응답검토에 매우 유용하게 이용될 수 있을 것으로 사료된다. 향후, 보다 개선된 보수재료의 응력-변형률 모델과 함께 광범위한 변수해석을 수행하면 보수의 목적(강도증진; 강성증진; 연성도증진)에 부합되는 보수기법 및 재료의 선택에 합리적인 정보를 제공해 줄 수 있을 것으로 사료된다.
- 하지만, 에너지 소산능력에 있어서, 해석결과는 실험결과에 비해 과대평가 하는 것을 알 수 있었다. 이는 보수재료와 교각사이의 미끄러짐 때문인 것으로 사료되며, 미끄러짐에 관한 해석모델링이 첨가되면 훨씬 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- 이는 앞서 설명한 바와 같이, 모든 교각에 동일한 보수를 수행했다 할지라도, 전체 교량구조물에 강성의 불균형을 유발할 수도 있고, 그에 따라 특정교각에 많은 힘이 집중될 수 있다는 것을 의미한다(본 해석연구에서는 교각 6). 이상으로 종합해 볼 때, 본 연구에서 얻은 해석결과들은 보수된 구조물의 보수 후의 응답 검토에 있어서 비선형 시간 이력해석의 가상의 필요성을 입증하였고, 또한 본 연구에서 제시된 해석기법 및 모델링이 보수 후의 응답예측 및 그에 따른 적절한 목적에 부합되는 보수방법의 선택에 유용한 정보를 제공해 줄 수 있을 것으로 사료된다.
- 그림 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 강판피복으로 보강된 경우의 하중-변위 이력곡선이 상당히 안정적인 것을 확인할 수 있고, 해석결과는 실험결과와 비교해 볼 때, 강도, 강성 그리고 에너지소산 능력 등의 전반적인 비탄성 거동에 있어서 실험결과와 우수한 상관관계를 나타내었다. 종합해 볼때, 본 연구에서 사용된 해석기법은 향후 여러 가지 보수 및 보강재료의 응력-변형률 모델을 개발하여 보수요소와 함께 사용하면 다양한 재료에 따른 보수 및 보강시 교각의 내진성능 평가에 있어서 유용할 것으로 사료된다.
- 이는 곧, 보수 후의 응답을 위해, 보수효과를 직접적으로 반영한 해석의 필요성을 입증해 주는 것으로, 본 연구에서 제안된 해석기법 및 모델은 손상된 부재에 대한 보수 후의 부재 및 전체구조물의 응답검토에 매우 유용하게 이용될 수 있을 것으로 사료된다. 향후, 보다 개선된 보수재료의 응력-변형률 모델과 함께 광범위한 변수해석을 수행하면 보수의 목적(강도증진; 강성증진; 연성도증진)에 부합되는 보수기법 및 재료의 선택에 합리적인 정보를 제공해 줄 수 있을 것으로 사료된다.
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