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[국내논문] 탄소섬유시트와 비좌굴 가새를 이용한 저층 필로티 구조물의 보-기둥 연결부의 횡방향 보강효과에 관한 실험적 연구
Experimental Investigation of Lateral Retrofitting Effect with CFRP and BRB (Buckling-Restrained Brace) for Beam-column Joints of Low-Rise Piloti Buildings 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.13 no.1 = no.65, 2009년, pp.45 - 52  

서상훈 (경희대학교 건축공학과 대학원) ,  유연종 (경희대학교 건축공학과 대학원) ,  이영학 (경희대학교 건축공학과) ,  김희철 (경희대학교 건축공학과) ,  이기학 (세종대학교 건축공학과) ,  이한선 (고려대학교 건축공학과)

초록
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본 연구의 목적은 일정 축하중과 반복횡하중 하에서 탄소섬유시트와 비좌굴 가새로 보강된 보-기둥 시험체의 횡방향 거동 평가를 통하여 사용된 보강 방법의 구조적 성능을 검증하는 것이다. 세 개의 시험체를 비보강, 탄소섬유보강, 탄소섬유와 비좌굴 가새 보강 방법을 각각 적용하여 제작하였다. 변위에 따른 최대, 최소하중은 하중-변위 관계를 분석함으로써 평가되어지며, 하중과 강성의 관계는 비교구간의 유효강성 분석에 의해 평가된다. 실험의 수행 결과, 보강을 하지 않은 시험체에 비하여 보강을 적용한 시험체는 최대허용하중과 유효강성, 철근 항복 시 재하 횡하중, 변위연성비 등에서 상대적으로 우수한 성능을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The purpose of this study is to evaluate the structural capacities of beam-column specimens retrofitted with CFRP sheet and BRB (Buckling-Restrained Brace) under sustained axial and cyclic lateral loads. Three specimens were made using different retrofitting methods : non-retrofitted, retrofitted wi...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • Φ150mm × 300mm의 공시체를 총 8개 제작하여 7일, 14일, 21일, 28일 기준으로 각각 2개씩 측정하였다.
  • 기둥 보강은 기둥의 길이방향을 기준으로 좌우 60°씩 두께 약 1mm의 탄소섬유시트 2장을 Wrapping 공법으로 보강하였다.
  • 횡하중은 변위제어방법에 의해 초당 2mm 속도의 반복하중으로 가력하였다. 변위패턴은 총 31번의 사이클로 이루어져 있으며 48mm, 72mm, 108mm, 125mm의 비교구간을 적용하여 사이클 별, 변위 별 하중변화 및 강도 감소 등을 비교하게 된다. 각각의 비교구간은 같은 변위의 3cycle로 이루어져 있다.
  • 본 연구에서는 선행된 표본 조사(7)를 통해 선정된 대상건물의 1층 보-기둥 부재를 반영한 콘크리트 시험체를 제작하고 탄소 섬유 시트와 비좌굴 가새로 보강을 하여, 각각의 보강 방법에 대한 횡력 저항 성능의 향상 정도를 실험을 통하여 정량적으로 조사하였다.
  • 비좌굴 가새는 이진 등(5)이 수행한 연구를 바탕으로 설계하였고 SS400의 재료를 사용하여 12mm × 35mm 크기의 중심코어 양면에 ㄷ형 채널 2개를 부착하여 중심코어의 좌굴을 방지하는 형태로 제작하였다.
  • ㄷ형 채널은 50mm × 30mm의 크기를 갖는 플레이트 8개를 사용하여 용접하였다. 비좌굴 가새는 코어 부분과 ㄷ형 채널 사이에 고무 시트를 부착하고 고무시트의 표면에 윤활유를 도포하여 코어 철물과 채널이 하중 가력 시 별도로 거동하도록 설계하였다. 이는 코어부분이 순수하게 축력만을 받게 하여 코어의 성능을 극대화하기 위함이다.
  • 철근 변형률 게이지는 횡하중에 가장 취약할 것으로 판단되는 보-기둥 접합부의 기둥의 주철근에 부착하여 기둥에 횡하중 가력 시 변형률을 측정하였다. 기둥과 보 접합부에서 기둥 철근의 항복 변형률 도달 시 재하된 횡하중은 비보강 시험체의 경우, 전술한 바와 같이 철근이 항복하기 전에 콘크리트의 균열과 탈락이 심해 실험이 종료되어 측정되지 않았고, CB2T60 시험체의 경우는 62.

대상 데이터

  • ㄷ형 채널은 50mm × 30mm의 크기를 갖는 플레이트 8개를 사용하여 용접하였다.
  • 비좌굴 가새는 총 2개를 제작하여 탄소섬유시트로 우선 보강한 콘크리트 시험체의 좌우측에 각각 설치하였다. 가새는 총 24개의 앵커를 이용하여 부착되었으며 이때 앵커는 각각 최소 10cm 이상의 삽입길이를 적용하였다.
  • 기둥 부분의 길이 1.5m, 단면치수 300mm × 400mm, 보 부분의 길이 2.7m, 단면치수 400mm × 350mm의 보-기둥 콘크리트 시험체를 총 3개 제작하여 각각의 시험체에 비보강, 탄소섬유시트 보강, 탄소섬유시트와 비좌굴 가새보강을 적용하였다.
  • 본 실험에서는 서울 지역의 필로티 건물의 표본 조사를 통하여 보강되지 않은 기둥 시험체의 크기를 선정하였다. 기둥 부분의 길이 1.
  • 비좌굴 가새는 총 2개를 제작하여 탄소섬유시트로 우선 보강한 콘크리트 시험체의 좌우측에 각각 설치하였다. 가새는 총 24개의 앵커를 이용하여 부착되었으며 이때 앵커는 각각 최소 10cm 이상의 삽입길이를 적용하였다.
  • 콘크리트 시험체는 설계 강도 25MPa의 콘크리트와 주철근 인장강도 400MPa인 6-D19, 띠철근 D10을 사용하여 제작하였으며, 탄소섬유시트의 인장강도와 탄성계수는 각각 3480MPa, 2.3×105MPa이다.
  • 콘크리트 시험체는 철근배근, 콘크리트 타설, 양생의 과정을 거쳐 제작되었으며 28일간의 양생기간이 완료된 콘크리트 시험체에 CFRP 시트와 비좌굴 가새를 설치하였다.

이론/모형

  • )의 비로 산출된다. 그러나 하중-변위 관계에서 정확한 항복점을 구하기 어려우므로 항복변위를 결정하기 위해 그림 20에서와 같이 Sheikh(9)가 제안한 방법을 사용하였다. Sheikh는 초기 강성이 유지되어 최대 하중에 도달하였을 때의 변위를 항복변위(Δy)로 정의하였고, 시험체가 항복하여 하중 감소가 시작된 이후 최대하중의 0.
  • 콘크리트는 KS F 2405 ‘콘크리트의 압축 강도 시험 방법’에 따라 압축강도 실험을 실시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄소 섬유를 이용한 보강 공법 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 그과 관련한 탄소 섬유의 특성은 무엇인가? 대표적인 섬유 재료로는 탄소보강섬유(Carbon Fiber Reinforced Polymer), 유리보강섬유(Glass Fiber Reinforced Polymer), 그리고 아라미드보강섬유(Aramid Fiber Reinforced Polymer) 등을 들 수 있다. 그 중에서도 탄소 섬유는 높은 인장강도와 내구성, 내화성으로 국내외에서 이를 이용한 보강 공법 연구가 활발히 이뤄지고 있다.(1-3)
저층 필로티 구조물의 기둥 부재에 대한 보강 방법으로 무엇이 있는가? 저층 필로티 구조물의 기둥 부재에 대한 보강 방법은 크게 기둥 자체의 보강과 보-기둥 연결부의 보강으로 구분할 수 있다. 최근 기둥 등의 수직부재의 보강에는 섬유 보강시트를 이용한 보강방법이 주로 활용된다.
섬유를 이용한 보강 공법에 활용할 수 있는 대표적인 섬유 재료로는 무엇이 있는가? 섬유를 이용한 보강 공법은 시공 시의 편의와 재건축에 비하여 소요 비용과 인력 등이 상당 부분 절감되어 많은 경제적 이점이 있으며, 건축 폐자재의 발생 또한 억제할 수 있어 환경오염 예방에도 효과적이다. 대표적인 섬유 재료로는 탄소보강섬유(Carbon Fiber Reinforced Polymer), 유리보강섬유(Glass Fiber Reinforced Polymer), 그리고 아라미드보강섬유(Aramid Fiber Reinforced Polymer) 등을 들 수 있다. 그 중에서도 탄소 섬유는 높은 인장강도와 내구성, 내화성으로 국내외에서 이를 이용한 보강 공법 연구가 활발히 이뤄지고 있다.
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참고문헌 (9)

  1. 이현주, 박진영, 이경훈, 홍원기, 김희철, “콘크리트를 충진한각형 탄소섬유 튜브 기둥의 횡방향 거동평가를 위한 실험적연구,” 한국구조물진단학회 2002년도 가을학술발표회 논문집, 2002, pp. 245-252. 

  2. 이경훈, 유연종, 김희철, 홍원기, 이영학, “카본시트튜브로 구속된 원형기둥의 휨내력 및 비선형 특성에 대한 연구,” 구조물진단학회지, 제11권, 제3호, 2007, pp. 143-150. 

  3. Ozkan, O., Binici, B., and Ozceve, G., “Improving Seismic Performance of Deficient Reinforced Concrete Columns using Carbon Fiber-Reinforced Polymers,” Engineering Structures, Vol. 30, Issue 6, 2008, pp. 1632-1646. 

  4. Kim, J. and Seo, Y., “Seismic design of steel structures with buckling-restrained knee braces,” Journal of Constructional Steel Research, Vol. 59, Issue 12, December 2003, pp. 1477-1497. 

  5. 이진, 이기학, 정미루, “내진성능에 대한 채널형강으로 보강된 비좌굴 knee bracing system의 실험적 평가,” 대한건축학회 학술발표대회 논문집, 제28권, 1호, 2008, pp. 285-288. 

  6. Guo, Y. L., Liu, J. B., Hu, D. B., and Deng, K., “The Restraining requirements for the buckling-restrained brace,” Fourth International Conference on Advances in Steel Structures, 2005, pp. 161-166. 

  7. 이정재, 이한선, 김희철, 이영학, 이기학, “비선형 정적해석을 이용한 필로티형 저층 RC 집합주택의 내진성능평가,” 한국콘크리트학회 2008년 가을 학술대회 논문집, 제20권, 2호, 2008, pp. 237-240. 

  8. Tsonos, A. G., “Lateral Load Response of Strengthened Reinforced Concrete Beam-to-Column Joints,” ACI Structural Journal, Vol. 96, No. 1, 1999, pp. 46-56. 

  9. Sheikh, S. A., and Khoury, S. S., “A Performance-Based Approach for the Design of Confining in Tie Columns,” ACI Structural Journal, 94, 1997, pp. 421-431. 

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