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문제 정의
- 본 연구에서 적용된 강재댐퍼의 형상 및 복원력 특성은 오상훈(1997)의 연구에서 Tri-linear형으로 이상화하여 제안한 것을 이용하였다. 기존 연구에서는 댐퍼의 설치를 위한 지지부재의 강성을 반영한 댐퍼 설계가 고려되지 않았으므로 본 연구에서 댐퍼와 지지부재의 강성비를 고려하여 댐퍼를 설계하는 것을 제안하였다.
- 본 연구에서는 비내진 설계된 저층형 RC구조물을 대상으로 강재댐퍼를 이용한 내진보강을 위해 K형 브레이스로 지지되는 강재댐퍼를 채택하고 철근콘크리트 골조의 응력 집중부를 강판으로 보강하는 댐퍼의 설치방식을 제안하였다. 기존의 설계식에 대해 댐퍼지지부재의 강성을 고려하는 방법을 제안하였으며 강재댐퍼로 보강된 RC골조의 내진성능 및 보강효과를 실험을 통해 검증하였다.
제안 방법
- 강재댐퍼을 적용하여 비내진 RC골조를 내진보강하기 위해 K형 브레이스에 의해 지지되는 방식을 제안하고 댐퍼에 지지부재의 강성을 반영하여 설계하는 것을 제안하였다. 내진보강효과 및 거동특성을 실험을 통해 파악하고 산정치와 비교한 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 비내진 설계된 저층형 RC구조물을 대상으로 강재댐퍼를 이용한 내진보강을 위해 K형 브레이스로 지지되는 강재댐퍼를 채택하고 철근콘크리트 골조의 응력 집중부를 강판으로 보강하는 댐퍼의 설치방식을 제안하였다. 기존의 설계식에 대해 댐퍼지지부재의 강성을 고려하는 방법을 제안하였으며 강재댐퍼로 보강된 RC골조의 내진성능 및 보강효과를 실험을 통해 검증하였다.
- 댐퍼의 설계를 위해서 RC골조가 항복하기 전까지 댐퍼의 소성변형에 의해 흡수된 에너지가 지진입력에너지보다 크게 되도록 댐퍼의 스트럿 형상 및 개수를 선정하였다. RC골조와 강재댐퍼의 항복비가 약 0.
- 그림 4는 실험체의 형상 및 치수를 각각 나타낸다. 모든 실험체의 RC골조는 1983년 설계당시 철근배근을 그대로 적용하여 제작하였으며, 동일한 조건을 유지하기 위하여 강재 거푸집을 사용 PC로 제작하였고 기초, 기둥, 보 순으로 수직 타설하였다.
- 실험체 가력은 항복하중까지는 하중제어로 가력하고, 항복하중 이후에는 변위제어로 각 변위별로 3회 반복가력 하였다. 변위 가력 종료 시점은 최대하중에 대해 80%로 저하된 시점을 기준으로 하였다.
- 변위 가력 종료 시점은 최대하중에 대해 80%로 저하된 시점을 기준으로 하였다. 실험체의 변위를 측정하기 위하여 층변위 1개소 및 전단변위 2개소의 LVDT를 설치하였으며, 가력시 기초의 슬립 변위를 측정하기 위해 다이얼변위계를 설치 측정하였다. 철근의 변형률은 기둥과 보의 중앙부와 단부에 각각 6개씩, 총 18개의 게이지를 설치하였다.
- 실험체의 설치상황은 그림 5에서 나타낸 바와 같이 실험체의 기초부가 완전 고정상태가 되도록 강봉을 사용하여 반력바닥에 긴결하였으며, 보 양단부에 구멍을 뚫고 엑츄에이터와 연결하는 보조철물을 설치하여 수평방향 하중이 전달되도록 하였으며, 횡방향으로 좌굴을 방지하기 위하여 가이드프레임 및 볼지그를 추가적으로 설치하였다.
대상 데이터
- 내진설계기준이 제정되기 이전인 1983년에 설계된 공동주택을 대상으로 연구를 수행하였다. 표 1에서 보이는 바와 같이 내진보강이 비교적 용이하며, 보강시 우수한 효과를 발휘할 수 있는 단변 방향의 세대 간벽 부위를 대상 골조로 선정하였다.
- 본 연구에서 사용된 콘크리트의 배합비, 콘크리트, 철근, 및 강판의 재료 물성은 표 6～표 9에 나타낸 바와 같다.
- 실험체는 표 5에서 보이는 바와 같이 기준실험체인 비보강 철근콘크리트 골조(N-RCF) 및 K형 브레이스 프레임 댐퍼보강 골조(D-RCF-KBSF), K형 브레이스 강판 댐퍼보강 골조(D-RCF-KBSP) 등 보강 및 연결방법을 변수로 총 3개를 실물크기로 제작하였다. 실험체의 개요 및 변수는 표 2에서 보이는 바와 같다.
- 실험체의 변위를 측정하기 위하여 층변위 1개소 및 전단변위 2개소의 LVDT를 설치하였으며, 가력시 기초의 슬립 변위를 측정하기 위해 다이얼변위계를 설치 측정하였다. 철근의 변형률은 기둥과 보의 중앙부와 단부에 각각 6개씩, 총 18개의 게이지를 설치하였다.
- 내진설계기준이 제정되기 이전인 1983년에 설계된 공동주택을 대상으로 연구를 수행하였다. 표 1에서 보이는 바와 같이 내진보강이 비교적 용이하며, 보강시 우수한 효과를 발휘할 수 있는 단변 방향의 세대 간벽 부위를 대상 골조로 선정하였다.
이론/모형
- 기존 RC골조의 수평하중에 대한 변형관계를 파악하기 위해 (재)일본건축방재협회(2001)의 「기존 철근콘크리트조 건축물의 내진진단기준･동해설」에서 제시하는 기둥부재의 강도 및 변형 산정 기준에 의거 산정하였다. 동 기준에서 RC골조의 내력은 보에 슬래브효과를 기대할 수 없거나 기둥에 비해 보의 단면이 극단적으로 작은 등의 특별한 경우를 제외하고는 기둥 내력의 합으로 산정하도록 하고 있다.
- 댐퍼를 지지하는 지지부재의 강성이 반영된 댐퍼의 내력을 산정하기 위해 그림 2에서와 같이 Moreschi(2000)이 제안한 강성조합을 사용한다.
- 슬릿의 형상에 따라 복원력의 특성이 달라지므로 각 댐퍼의 특성은 여러 차례의 실험에 기초하여 복원력 모델을 제안하게 된다. 본 연구에서 적용된 강재댐퍼의 형상 및 복원력 특성은 오상훈(1997)의 연구에서 Tri-linear형으로 이상화하여 제안한 것을 이용하였다. 기존 연구에서는 댐퍼의 설치를 위한 지지부재의 강성을 반영한 댐퍼 설계가 고려되지 않았으므로 본 연구에서 댐퍼와 지지부재의 강성비를 고려하여 댐퍼를 설계하는 것을 제안하였다.
성능/효과
- 19 kN으로 나타났으며 최대하중이후 완만한 내력감소를 보이고 있다. 그림 8(b)에서 나타내는 바와 같이 D-RCF-KBSF 실험체의 최대하중은 641.32 kN으로 비보강 실험체 N-RCF에 비해 3.64배의 내력 증가를 보였으며 최대하중 이후 급격하게 하중이 감소하였으나, 댐퍼의 항복 후 골조의 소성변형에 의해 일정하중을 유지하며 완만한 내력감소를 보이고 있다. 그림 8(c)에서 나타내는 바와 같이 D-RCF-KBSP 실험체의 최대하중은 541.
- 1. 제안된 강재댐퍼 보강 RC골조는 비보강 RC골조에 비해 3배 이상의 최대 내력의 증가를 보였으며 보강재의 영향으로 전반적으로 강성 증대 효과가 나타났다.
- 2. 최종 누적소산에너지는 비보강 RC골조에 비해 강재댐퍼 보강 RC골조가 2.0-2.8배의 크며, 지진하중에 대한 허용층간변위를 기준으로 약 10배 정도의 에너지소산능력을 가지고 있음이 나타났다.
- 4. RC골조 내부에 강재 프레임을 설치하고 에폭시수지로 접합하여 댐퍼 보강한 실험체는 강도, 강성 및 에너지소산능력이 비보강 RC골조에 비해 우수한 성능을 나타내었으나 조기에 접합이 분리되어 댐퍼의 성능을 충분히 발휘하지 못하였다.
- 5. RC골조에 브레이스를 직접 접합하여 강재댐퍼를 설치한 실험체는 강도, 강성 및 에너지소산능력이 비보강 RC골조에 비해 우수하였으며, 댐퍼가 조기 항복한 후 RC골조가 항복에 이르기까지 댐퍼의 소성변형에 의해 에너지가 충분히 흡수되어 우수한 댐퍼의 성능을 나타내었다.
- 표 10에서는 각 실험체의 하중 및 변위 실험치와 산정치의 비교를 나타내고 있다. 각 실험체의 최대하중을 살펴보면 N-RCF 실험체는 산정치의 1.01배 D-RCF-KBSF 및 D-RCF-KBSP 실험체는 각각 산정치의 1.35배로 나타났다. 댐퍼보강 실험체의 경우 산정치에 비해 실험치가 35% 높은 것은 댐퍼를 제외한 보강재의 기여도를 내력에 반영하지 않았기 때문이기도 하다.
- 각 실험체의 항복하중을 살펴보면 N-RCF 실험체는 산정치의 0.62배 D-RCF-KBSF 및 D-RCF-KBSP 실험체는 각각 산정치의 1.21배 및 1.14배로 나타났다. 비보강 실험체 N-RCF의 항복하중이 산정치의 0.
- 그림 11에서 나타내고 있는 누적에너지소산지표는 누적소산에너지를 항복하중과 최대하중시 변위의 곱으로 나눈 것으로 비보강 실험체 N-RCF가 완만하게 증가함에 비해 강재댐퍼 보강 실험체 D-RCF-KBSF 및 D-RCF-KBSP는 변형각 1.5%까지 급속하게 증가하고 있는 것을 확인 할 수 있다. 지진하중에 대한 허용층간변위인 변형각 1.
- 본 연구에서 제안한 RC골조에 브레이스를 직접 접합하여 강재댐퍼를 설치하는 방식은 강재 프레임으로 보강 설치하는 방식에 비해 최대 강도 및 강성은 떨어지나 댐퍼의 능력을 충분히 발휘하는 에너지소산능력이 뛰어난 구조임을 알 수 있으며, 기존 RC골조의 내진보강을 위해 시공성, 경제성 측면에서도 적절한 것으로 사료된다.
- 각 실험체에 대한 전반적인 강성은 골조 내부에 강재 프레임으로 보강된 D-RCF-KBSF 실험체가 가장 높고, 강판으로 일부 보강된 D-RCF-KBSP 실험체, 비보강 실험체 N-RCF 실험체 순으로 보강재에 비례한다. 비보강 실험체 N-RCF가 하중단계가 증가함에 따라 강성이 매우 완만하게 저하됨에 비해 D-RCF-KBSF 및 D-RCF-KBSP 실험체는 하중 단계 4까지 급격하게 감소하다가 그 이후 비교적 완만하게 감소함을 알 수 있다.
- 5%까지 급속하게 증가하고 있는 것을 확인 할 수 있다. 지진하중에 대한 허용층간변위인 변형각 1.5%를 기준으로 비보강 골조 실험체 N-RCF가 약 1이고, 댐퍼 보강 실험체 D-RCF-KBSF 및 D-RCF-KBSP는 약 10에 달하는 것으로 나타나 충분한 에너지소산 능력을 가지고 있음이 확인되었다.
- 누적소산에너지는 각 가력 사이클 별 소산에너지를 누적한 값을 나타내는 것으로 외부에서 작용하는 에너지를 흡수할 수 있는 능력을 나타내는 것이다. 최종 누적 소산에너지는 비보강 실험체 N-RCF와 비교하여 D-RCF-KBSP 실험체가 2.8배 D-RCF-KBSF 실험체가 2.0배 큰 것으로 나타났다. 특히 D-RCF-KBSP 실험체는 댐퍼 보강시 별도의 프레임 설치 없이도 댐퍼가 충분히 능력을 발휘하는 것으로 확인되었다.
- 0배 큰 것으로 나타났다. 특히 D-RCF-KBSP 실험체는 댐퍼 보강시 별도의 프레임 설치 없이도 댐퍼가 충분히 능력을 발휘하는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 3. 강재댐퍼로 보강된 RC골조의 거동 산정치는 실험치를 유사하게 예측하는 것으로 판단되며 댐퍼 외에 강재 프레임 및 강판 보강재의 영향이 반영된다면 보다 정확한 평가를 할 수 있을 것으로 사료된다.
- 전반적인 하중-변위 곡선의 경향은 실험치가 산정치를 상회하고 있으며, 산정곡선이 실험곡선의 경향을 비교적 잘 반영하고 있는 것으로 판단된다. 추후 댐퍼를 제외한 보강재의 영향이 반영된다면 보다 정확한 평가가 가능할 것으로 생각된다.
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