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문제 정의
- FRP Sheet의 보강은 콘크리트를 구속시킴으로써 강도와 연성에 상당한 기여를 하여 휨 파괴가 일어나기 전 전단 파괴의 발생을 상당 부분을 막을 수 있는 효과가 있기 때문에 교각 등 철근콘크리트 기둥에 FRP Sheet를 감아 보강하는 방법은 매우 효과적인 것으로 입증되어 이에 대해 많은 모델을 제안하는 연구가 이루어져왔다.(3-5) 본 연구에서는 강성 및 에너지소산능력의 증가에 기여하는 비좌굴 가새와 콘크리트 구속을 통한 전단파괴 감소에 기여하는 FRP Sheet를 혼용한 보강법의 횡력 저항 성능의 기여도를 평가하고자 하였다. 기둥부의 FRP Sheet 보강 및 보-기둥 접합부에 비좌굴 가새를 보강한 실험체에 대하여 반복 횡가력 실험을 수행하여 유효강성, 에너지소산능력, 연성지수 등의 측면에서 비교 및 분석함으로써 기둥 및 보-기둥 접합부 실험체의 거동 평가 및 횡력 저항 성능의 향상 정도를 평가하였다.
- 본 연구에서는 FRP Sheet 및 비좌굴 가새를 보강한 보기둥 접합부 실험체에 대하여 반복 횡가력 실험을 수행함으로써 기둥 및 보-기둥 접합부 실험체의 거동 및 횡력 저항 성능의 향상 정도를 평가하고자 하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 기둥부의 FRP Sheet 보강 및 보-기둥 접합부에 비좌굴 가새를 보강한 실험체에 대하여 반복 횡가력 실험을 수행하여 유효강성, 에너지소산능력, 연성지수 등의 측면에서 비교 및 분석함으로써 기둥 및 보-기둥 접합부 실험체의 거동 평가 및 횡력 저항 성능의 향상 정도를 평가하였다. 이를 통하여 FRP Sheet와 비좌굴 가새를 혼용한 보강법의 실용성을 확인하고자 하였으며 향후 FRP Sheet와 비좌굴 가새를 적용한 보강 설계에 있어 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- Ø150mm × 300mm의 공시체를 제작하여 콘크리트의 압축강도실험을 수행하였으며 28일 기준으로 24MPa의 압축강도를 확인하였다.
- (3-5) 본 연구에서는 강성 및 에너지소산능력의 증가에 기여하는 비좌굴 가새와 콘크리트 구속을 통한 전단파괴 감소에 기여하는 FRP Sheet를 혼용한 보강법의 횡력 저항 성능의 기여도를 평가하고자 하였다. 기둥부의 FRP Sheet 보강 및 보-기둥 접합부에 비좌굴 가새를 보강한 실험체에 대하여 반복 횡가력 실험을 수행하여 유효강성, 에너지소산능력, 연성지수 등의 측면에서 비교 및 분석함으로써 기둥 및 보-기둥 접합부 실험체의 거동 평가 및 횡력 저항 성능의 향상 정도를 평가하였다. 이를 통하여 FRP Sheet와 비좌굴 가새를 혼용한 보강법의 실용성을 확인하고자 하였으며 향후 FRP Sheet와 비좌굴 가새를 적용한 보강 설계에 있어 기초자료를 제공하고자 한다.
- 또한 실험체의 변수에 따라 CFRP Sheet와 AFRP Sheet를 기둥의 길이방향으로 좌우 60°씩 2장을 wrapping 공법으로 보강하였다.
- 비좌굴 가새의 성능을 극대화하기위해 코어와 ‘ㄷ’형 채널 사이에 윤활유를 도포한 고무 시트를 부착하였으며 하중 가력 시 코어 철물과 채널이 별도로 거동하도록 설계되었으며 본 연구에서 적용한 비좌굴 가새는 기존 연구를 통해 그 성능이 검증되었다.
- 실험변수는 선행연구(6)를 더 확장시켜 비좌굴 가새의 유무 및 FRP Sheet의 종류에 따른 횡력저항 성능의 향상정도를 평가하고자 하였으며 그에 따른 변수는 표 1과 같다. 크기와 형상이 동일한 6개의 보-기둥 접합부 실험체를 제작하였으며 표본조사를 통하여 필로티 건축물 보-기둥 실험체의 크기를 선정하였다.
- 가력패턴은 그림 4와 같이 각 변위별로 3 cycle로 이루어져있으며 각 변위에서 하중변화 및 강도 감소가 최대하중의 60% 이하로 저하될 때 실험을 종료하였다. 실험체의 변위측정을 위하여 300mm 길이의 변위계(Linear Variable Differential Transducer)를 설치하였으며 로드셀(Load cell)을 이용하여 하중을 계측하였다. 실험체의 세팅 형상은 그림 5와 같다.
- 에너지 소산량은 하중-변위 이력곡선의 내부면적으로 정의되며 누적 에너지 소산량은 이력곡선 각 사이클 내부면적의 합으로 계산된다. 에너지 소산능력은 각 첫 번째 사이클의 에너지 소산량을 기준으로 최대하중의 60%까지 저하된 내력 사이클의 누적 에너지 소산량으로 평가하였다. 그림 11은 변위에 따른 실험체의 누적 에너지 소산능력을 나타낸 것으로 해당 변위에서 이력곡선 각 사이클 내부면적의 합을 그래프로 표현하였다.
- 축하중은 500kN 용량의 정적 가력기를 이용하여 400kN 크기의 지속하중으로 재하하였다. 횡 하중은 1,000kN 용량의 동적 Actuator를 이용하여 변위제어의 방법으로 초당 2mm의 속도로 반복 횡 하중을 가하였으며 48mm, 72mm, 108mm, 125mm의 비교구간을 적용하여 각 변수에 따른 실험체의 강도와 강성의 변화를 비교하였다. 가력패턴은 그림 4와 같이 각 변위별로 3 cycle로 이루어져있으며 각 변위에서 하중변화 및 강도 감소가 최대하중의 60% 이하로 저하될 때 실험을 종료하였다.
대상 데이터
- 비좌굴 가새의 성능을 극대화하기위해 코어와 ‘ㄷ’형 채널 사이에 윤활유를 도포한 고무 시트를 부착하였으며 하중 가력 시 코어 철물과 채널이 별도로 거동하도록 설계되었으며 본 연구에서 적용한 비좌굴 가새는 기존 연구를 통해 그 성능이 검증되었다.(7) 비좌굴 가새는 총 6개를 제작하여 변수에 따라 실험체의 기둥 양쪽에 설치하였고 최소 10cm 이상의 삽입 길이를 가지는 24개의 앵커를 이용하여 실험체에 부착하였다. 실험체의 형상은 그림 3과 같으며 사용한 재료 물성치는표 2, 표 3, 표 4와 같다.
- 실험에 사용된 비좌굴 가새는 그림 2와 같으며 SS400의 재료를 사용하여 12mm × 35mm 크기의 중심코어 양면에 ‘ㄷ'형 채널 2개를 부착하는 형태로 제작하였다.
- 실험체는 400mm × 350mm × 2,700mm의 보와 300mm × 400mm × 1,500mm의 기둥으로 연결된 보-기둥 접합부의 형상이며 그림 1과 같다.
- 실험체는 설계기준강도 25MPa의 콘크리트를 사용하였다. Ø150mm × 300mm의 공시체를 제작하여 콘크리트의 압축강도실험을 수행하였으며 28일 기준으로 24MPa의 압축강도를 확인하였다.
- Ø150mm × 300mm의 공시체를 제작하여 콘크리트의 압축강도실험을 수행하였으며 28일 기준으로 24MPa의 압축강도를 확인하였다. 주철근은 SD400의 D19 이형철근을 사용하였으며 D10 이형철근을 띠철근으로 사용하였다. 또한 실험체의 변수에 따라 CFRP Sheet와 AFRP Sheet를 기둥의 길이방향으로 좌우 60°씩 2장을 wrapping 공법으로 보강하였다.
- 를 더 확장시켜 비좌굴 가새의 유무 및 FRP Sheet의 종류에 따른 횡력저항 성능의 향상정도를 평가하고자 하였으며 그에 따른 변수는 표 1과 같다. 크기와 형상이 동일한 6개의 보-기둥 접합부 실험체를 제작하였으며 표본조사를 통하여 필로티 건축물 보-기둥 실험체의 크기를 선정하였다. 실험체는 400mm × 350mm × 2,700mm의 보와 300mm × 400mm × 1,500mm의 기둥으로 연결된 보-기둥 접합부의 형상이며 그림 1과 같다.
이론/모형
- 8는 최대 하중 이후 하중이 최대하중의 80%까지 저하된 시점의 변위이며 δy는 실험체가 항복 했을 때의 변위이다. 그러나 하중-변위 관계에서 정확한 항복변위를 산정하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 그림 12와 같이 Sheikh 등이 제안한 방법을 사용하였다.(10) Sheikh 등은 초기강성을 유지하며 최대하중에 도달하였을 때의 변위를 항복변위로 정의하였고 최대하중을 지나 하중이 최대하중의 80%에 도달하였을 때의 변위를 극한변위로 정의하였다.
성능/효과
- 1. FRP Sheet만을 보강하였을 경우, 최대하중 및 유효강성의 측면에서 AFRP Sheet 보다 CFRP Sheet의 보강 효과가 더 우수한 것으로 나타났다. 이는 CFRP Sheet의 높은 탄성계수와 인장강도로 인하여 기둥의 구속효과가 더 뛰어나기 때문인 것으로 판단된다.
- 2. FRP Sheet만을 보강한 경우보다 비좌굴 가새를 보강한 경우 최대하중의 증가가 더 크게 나타났으며 FRP Sheet와 비좌굴 가새를 혼용하였을 때 더 큰 하중 증가의 효과를 발휘하였다. 이는 FRP Sheet의 기둥 구속 효과와 비좌굴 가새에 의한 에너지 소산 능력의 향상에 의한 것으로 판단된다.
- 3. 비좌굴 가새만을 보강한 실험체 보다 FRP Sheet를 함께 보강한 실험체에서 더 큰 연성지수 및 에너지소산량을 나타내는 것으로 보아 비좌굴 가새만을 보강하는 방법보다 FRP Sheet를 혼용하는 것이 더 효과적인 보강방법이라 판단된다.
- 4. AFRP Sheet와 비좌굴 가새 혼용한 AFS-BRB 실험체가 최대하중과 초기강성 측면에서 다소 우수한 성능을 나타냈으며 유효강성, 에너지 소산능력 및 연성의 측면을 고려하였을 경우 CFRP Sheet와 비좌굴 가새를 혼용한 CFS-BRB 실험체가 더 우수한 성능을 보였다. 그러나 보-기둥 접합부의 횡력저항 성능 향상이라는 측면에서 CFRP Sheet와 비좌굴 가새를 혼용하는 보강방법이 더 효과적이라고 판단된다.
- 14로 가장 작게 나타났다. CFS-BRB 실험체와 AFS-BRB 실험체는 초기강성과 극한강성에서 모두 높은 값을 나타냈으며 이를 통하여 FPR Sheet와 비좌굴 가새를 모두 보강하는 방법이 콘크리트를 구속시키는 동시에 전단 및 휨 파괴를 지연시킬 수 있는 가장 효과적인 방법임을 확인하였다.
- 20kN의 최대하중을 나타내며 모든 실험체 중에서 가장 작은 값을 나타냈다. CFS-N 실험 체와 AFS-N 실험체는 Proto 실험체와 유사한 그래프의 형태를 보였으며 최대 하중 이후 완만한 하중의 감소를 나타냈다.
- CFS-N 실험체는 7.29의 연성지수를 나타내었으며 CFS-BRB 실험체는 7.88의 연성지수를 나타내며 기준 실험체보다 약 27% 향상된 연성능력을 확인하였다. 또한 AFRP Sheet의 경우 비좌굴 가새를 보강하지 않은 AFS-N 실험체와 AFRP Sheet와 비좌굴 가새를 모두 보강한 AFS-BRB 실험체가 각각 1.
- FRP Sheet와 비좌굴 가새를 모두 보강한 CFS-BRB 실험체와 AFS-BRB 실험체에서는 Proto 실험체와 FRP Sheet 만 보강한 실험체에 비하여 그래프의 기울기 즉, 강성의 증가가 확연하게 나타났다. 또한 Proto 실험체에 비하여 CFS-BRB 실험체와 AFS-BRB 실험체가 각각 92%, 98% 증가한 최대하중을 보였다.
- N-BRB 실험체는 초기에 CFS-BRB 실험체, AFS-BRB 실험체와 유사한 에너지 소산능력을 나타냈으나 72mm 두 번째 사이클에서 기둥과 비좌굴 가새 연결부의 파단에 의하여 실험을 중지한 결과, 최종 에너지 소산능력은 Proto 실험체와 동일하였다. FRP Sheet와 비좌굴 가새를 함께 보강한 CFS-BRB 실험체와 AFS-BRB 실험체는 비좌굴 가새로 인한 에너지 소산능력의 향상과 FRP Sheet의 기둥 구속효과로 인하여 Proto 실험체보다 두 배 이상 우수한 에너지 소산능력을 나타냈으며 CFS-BRB 실험체는 Proto 실험체보다 112% 증가한 값을 나타내며 에너지 소산능력이 가장 우수한 것을 확인하였다. 각 변위에 따른 각 실험체의 누적 에너지 소산량은 표 8과 같다.
- N-BRB 실험체는 126.96kN의 최대하중을 나타내며 Proto 실험체보다 약 85% 증가한 값을 나타냈다. 하지만 기둥과 비좌굴 가새의 연결부에서 콘크리트의 파괴가 발생하였으며, 이후 급격한 하중의 감소를 보였다.
- Proto 실험체는 실험체 중 가장 작은 에너지 소산능력을 나타냈으며 AFS-N 실험체와 CFS-N 실험체는 이보다 11%와 15% 증가한 값을 나타냈다. N-BRB 실험체는 초기에 CFS-BRB 실험체, AFS-BRB 실험체와 유사한 에너지 소산능력을 나타냈으나 72mm 두 번째 사이클에서 기둥과 비좌굴 가새 연결부의 파단에 의하여 실험을 중지한 결과, 최종 에너지 소산능력은 Proto 실험체와 동일하였다. FRP Sheet와 비좌굴 가새를 함께 보강한 CFS-BRB 실험체와 AFS-BRB 실험체는 비좌굴 가새로 인한 에너지 소산능력의 향상과 FRP Sheet의 기둥 구속효과로 인하여 Proto 실험체보다 두 배 이상 우수한 에너지 소산능력을 나타냈으며 CFS-BRB 실험체는 Proto 실험체보다 112% 증가한 값을 나타내며 에너지 소산능력이 가장 우수한 것을 확인하였다.
- 비좌굴 가새의 유무에 따라 실험체의 누적 에너지 소산능력은 다른 양상을 나타냈다. Proto 실험체는 실험체 중 가장 작은 에너지 소산능력을 나타냈으며 AFS-N 실험체와 CFS-N 실험체는 이보다 11%와 15% 증가한 값을 나타냈다. N-BRB 실험체는 초기에 CFS-BRB 실험체, AFS-BRB 실험체와 유사한 에너지 소산능력을 나타냈으나 72mm 두 번째 사이클에서 기둥과 비좌굴 가새 연결부의 파단에 의하여 실험을 중지한 결과, 최종 에너지 소산능력은 Proto 실험체와 동일하였다.
- FRP Sheet와 비좌굴 가새를 모두 보강한 CFS-BRB 실험체와 AFS-BRB 실험체에서는 Proto 실험체와 FRP Sheet 만 보강한 실험체에 비하여 그래프의 기울기 즉, 강성의 증가가 확연하게 나타났다. 또한 Proto 실험체에 비하여 CFS-BRB 실험체와 AFS-BRB 실험체가 각각 92%, 98% 증가한 최대하중을 보였다. 각 실험체에 따른 최대하중의 비교는 표 5와 같다.
- 비좌굴 가새 만으로 보강된 N-BRB 실험체는 모든 실험체 중 가장 취성적인 파괴를 보였다. 비좌굴 가새의 영향으로 기준 실험체에 비해 높은 강도와 강성을 나타냈지만 최대하중 이후, 72mm 두 번째 사이클 진행 중에 비좌굴 가새와 기둥의 연결부분의 균열에 의한 콘크리트의 박리가 발생하였으며 이후 급격한 하중의 저하가 나타났다.
- 각 실험체의 연성지수를 비교하면 그림 13과 같다. 비좌굴 가새만으로 보강된 N-BRB 실험체를 제외한 5개의 실험체가 모두 기준실험체보다 우수한 연성지수를 나타냈다. N-BRB 실험체의 경우, 최대하중 이후 단주효과에 의한 기둥의 전단파괴가 발생하여 급격하게 하중이 감소하였으며 이에 따라 기준실험체보다 약 34% 감소된 4.
- 비좌굴 가새만을 보강할 경우 단주효과에 의하여 기둥의 연성이 저하되는 것을 확인하였으며 FRP Sheet와 비좌굴가새를 함께 보강할 경우 더 우수한 연성능력을 발휘할 수 있음을 알 수 있었다. 각 실험체의 연성지수는 표 9와 같다.
- 비좌굴 가새 만으로 보강된 N-BRB 실험체는 모든 실험체 중 가장 취성적인 파괴를 보였다. 비좌굴 가새의 영향으로 기준 실험체에 비해 높은 강도와 강성을 나타냈지만 최대하중 이후, 72mm 두 번째 사이클 진행 중에 비좌굴 가새와 기둥의 연결부분의 균열에 의한 콘크리트의 박리가 발생하였으며 이후 급격한 하중의 저하가 나타났다.
- 실험체의 하중-변위 이력곡선과 포락선은 그림 7, 그림 8과 같으며 FRP Sheet와 비좌굴 가새가 모두 적용되었을 때 실험체의 강도와 강성이 현저하게 증대한다는 것을 확인할 수 있다. Proto 실험체는 67.
- 73으로 가장 큰 값을 보였으며 CFS-BRB, N-BRB 의 순으로 나타났다. 이를 통하여 FRP Sheet를 보강하는 방법과 비교하여 비좌굴 가새를 적용하는 것이 강성 증가에 더 크게 기여함을 확인하였다.
- 초기강성, 극한강성, 유효강성을 비교한 결과, 보강 방법에 따라 기준실험체에 비하여 강성의 증가율에 차이가 있었으나 FRP Sheet와 비좌굴 가새를 모두 보강하였을 때 뛰어난 강성 증가의 효과를 나타냈으며, AFRP Sheet와 비좌굴가새를 보강하는 방법에서 가장 우수한 효과를 확인하였다.
- 초기강성은 하중-변위 이력곡선의 초기 기울기로 정의하며 극한강성은 최대하중에서의 하중과 변위의 기울기로 정의한다. 표 6과 같이 기준실험체에 대한 초기강성과 극한강성의 비는 N-BRB 실험체가 1.77과 2.78로 가장 크게 나타났으며 AFS-N 실험체는 1.10과 1.14로 가장 작게 나타났다. CFS-BRB 실험체와 AFS-BRB 실험체는 초기강성과 극한강성에서 모두 높은 값을 나타냈으며 이를 통하여 FPR Sheet와 비좌굴 가새를 모두 보강하는 방법이 콘크리트를 구속시키는 동시에 전단 및 휨 파괴를 지연시킬 수 있는 가장 효과적인 방법임을 확인하였다.
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