[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 Buildings원문보기
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.
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.
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...
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 with CFRP sheets only, and retrofitted with both CFRP sheet and BRB systems. Lateral load resistant capacities were evaluated based on the load-displacement relations. From the results, the maximum lateral forces of the FRP sheet retrofitted and both the FRP and BRB retrofitted specimens showed approximately 34% and 138% improvement, respectively, compared with the non-retrofitted specimen.
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 with CFRP sheets only, and retrofitted with both CFRP sheet and BRB systems. Lateral load resistant capacities were evaluated based on the load-displacement relations. From the results, the maximum lateral forces of the FRP sheet retrofitted and both the FRP and BRB retrofitted specimens showed approximately 34% and 138% improvement, respectively, compared with the non-retrofitted specimen.
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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.
성능/효과
1. 시험체의 최대 하중은 보강 방법에 따라 증가양상이 다르게 나타났으며 보강을 전혀 하지 않은 비보강 시험체는 양의 방향 최대 하중 55.33kN를 보였고 탄소섬유시트만을 보강한 CB2T60 시험체는 비보강보다 약 34% 증가한 74.2kN의 하중을, 탄소섬유시트와 비좌굴 가새를 모두 보강한 CB2T60-BR 시험체는 비보강 시험체보다 약 138% 향상된 131.65kN의 하중을 보여주었다. 따라서 보강 성능이 향상됨에 따라 시험체가 허용하는 하중이 증가하는 것을 확인하였다.
2. 각 시험체의 유효강성은 보강을 하지 않은 시험체 보다 보강을 한 시험체의 경우 전반적인 강성이 크게 측정되었다. 반면에 강성 감소 추이는 비보강과 CB2T60 시험체는 유사한 변화폭을 가지며 감소하였지만 상대적으로 높은 초기 강성을 보유한 CB2T60-BR 시험체의 경우, 비보강과 CB2T60 시험체에 비하여 다소 큰 변화폭을 보이며 감소하였다.
3. CB2T60 시험체보다 가새를 추가로 보강한 CB2T60-BR 시험체에서 강성과 하중 증가가 크게 나타났는데 이는 가새의 높은 횡저항 성능과 가새-기둥 접합부의 응력 집중에 의해 탄소섬유시트의 구속효과가 극대화되었기 때문으로 사료된다.
4. 변위연성도는 비보강(Control), CB2T60, CB2T60-BR 시험체의 순서로 증가하였다. 탄소섬유시트만을 보강한 CB2T60시험체의 경우 비보강 시험체에 비하여 약 38% 증가하였으며 비좌굴 가새를 추가로 보강한 CB2T60-BR 시험체는 약 83.
5. 이상의 결과로부터 탄소섬유시트와 비좌굴 가새를 이용한 보강방법이 내진설계규준이 적용되지 않은 보-기둥 접합부 및 기둥 보강에 매우 효과적일 것으로 사료된다. 특히, 비좌굴 가새를 이용한 보강법은 기존에 활발히 연구되지 않은 분야이므로 탄소섬유와의 혼용에 있어서 비좌굴 가새의 다양한 변수에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
33kN, -방향 최대하중 -73kN을 나타내었다. CB2T60 시험체는 총 31회의 사이클을 모두 적용하였으며 +방향 최대하중 74.2kN, -방향 최대하중 -82.4kN의 비교적 높은 하중을 보여주었다. CB2T60-BR 시험체의 경우 비좌굴 가새의 영향으로 세 시험체 중 가장 우수한 하중 저항 성능을 보였으며 +방향 최대하중 131.
65kN의 하중을 보여주었다. 따라서 보강 성능이 향상됨에 따라 시험체가 허용하는 하중이 증가하는 것을 확인하였다.
따라서 적용된 보강방법에 의하여 각각의 시험체가 갖는 변위차(Δu-Δy)와 변위연성도가 향상되는 것을 확인하였다.
5 % 증가하였다. 변위연성도 분석 결과 또한 보강 성능이 향상됨에 따라 시험체의 연성 능력이 증가하는 것을 보여주었다.
(8) 일반적으로 유효강성은 사이클이 진행됨에 따라 감소하는 경향을 보이게 된다. 비보강 시험체의 경우, 48mm 구간 세 사이클에 거쳐 각각 0.147, 0.129, 0.12의 강성을 차례로 보였고, 72mm 구간에서는 0.094, 0.079, 0.072, 108mm 구간 이후에 0.053, 0.044, 0.04의 강성을 보여, 각각의 사이클을 거치며 그 강성이 점차적으로 감소하는 것을 확인하였다.
그림 8은 비보강 시험체의 하중-변위 이력 곡선을 나타낸다. 비보강 시험체의 실험은 총 25회 이상의 사이클을 적용하였으며 최대 변위 125mm 적용 전, 약 108mm 변위 적용 시 파괴 징후가 크게 나타나 가력을 중지하였다. 비보강 시험체는 +방향 최대하중 55.
각 보강 시험체의 하중 차이는 그림 11 보강방법에 따른 시험체의 하중 비교에 의해 명확하게 구분되어진다. 탄소섬유만을 보강한 CB2T60 시험체의 최대 하중은 비보강 시험체 보다 양의 방향에서는 소폭 상승하였고 음의 방향에서는 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 탄소섬유와 가새를 모두 보강한 CB2T60-BR 시험체의 최대 하중은 음의 방향에서는 소폭 상승하였지만, 양의 방향에서 약 2배로 대폭 상승하여 전체적으로 큰 하중 증가를 보여주었다.
변위연성도는 비보강(Control), CB2T60, CB2T60-BR 시험체의 순서로 증가하였다. 탄소섬유시트만을 보강한 CB2T60시험체의 경우 비보강 시험체에 비하여 약 38% 증가하였으며 비좌굴 가새를 추가로 보강한 CB2T60-BR 시험체는 약 83.5 % 증가하였다. 변위연성도 분석 결과 또한 보강 성능이 향상됨에 따라 시험체의 연성 능력이 증가하는 것을 보여주었다.
표 4에 따르면, 비보강 시험체에 비해 보강된 시험체의 강성은 다소 크게 측정되어 적용된 보강 방법에 따라 시험체의 강성이 향상된다는 것을 확인하였다.
후속연구
이상의 결과로부터 탄소섬유시트와 비좌굴 가새를 이용한 보강방법이 내진설계규준이 적용되지 않은 보-기둥 접합부 및 기둥 보강에 매우 효과적일 것으로 사료된다. 특히, 비좌굴 가새를 이용한 보강법은 기존에 활발히 연구되지 않은 분야이므로 탄소섬유와의 혼용에 있어서 비좌굴 가새의 다양한 변수에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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.
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.
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.
이정재, 이한선, 김희철, 이영학, 이기학, “비선형 정적해석을 이용한 필로티형 저층 RC 집합주택의 내진성능평가,” 한국콘크리트학회 2008년 가을 학술대회 논문집, 제20권, 2호, 2008, pp. 237-240.
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