필로티형 저층 RC 집합주택에서는 지진 발생 시 필로티층에 손상이 집중된다. 따라서, 이 연구에서는 필로티층의 비틀림과 X, Y방향의 강도와 강성을 증가시키기 위해 좌굴방지가새를 설치함과 동시에, 과도한 변형과 축력의 변동이 발생하는 외부기둥의 연성과 축성능, 전단 성능을 증가시키기 위해 외부기둥을 FRP로 보강하였다. 이와 같은 보강 효과를 실험적으로 검증하기 위해 순수 골조와 FRP와 좌굴방지가새로 보강된 골조에 대한 반복 횡하중 실험을 수행하였다. 실험 결과 항복강도(43.2 kN)는 설계항복강도(30 kN)와 압축부의 강도 증가 때문에 차이가 나타났고, 강성(11.6 kN/mm)은 설계강성(24.2 kN/mm)에 비하여 절반의 값을 가졌다. 이러한 강성의 차이는 골조와 가새의 접합부 사이의 미끄러짐과 기초의 회전 및 횡변위가 원인으로 나타났다. 보강된 골조의 에너지 흡수 능력은 순수 골조에 비해 7.5배 향상되었다. 기초당 설치된 로드셀의 개수를 2개에서 1개로 변화시키면, 횡강성이 11.6 kN/mm에서 6 kN/mm로 줄어 들었고, 이것은 단지 순수 골조의 강성에 3배에 지나지 않는다(2.1 kN/mm).
필로티형 저층 RC 집합주택에서는 지진 발생 시 필로티층에 손상이 집중된다. 따라서, 이 연구에서는 필로티층의 비틀림과 X, Y방향의 강도와 강성을 증가시키기 위해 좌굴방지가새를 설치함과 동시에, 과도한 변형과 축력의 변동이 발생하는 외부기둥의 연성과 축성능, 전단 성능을 증가시키기 위해 외부기둥을 FRP로 보강하였다. 이와 같은 보강 효과를 실험적으로 검증하기 위해 순수 골조와 FRP와 좌굴방지가새로 보강된 골조에 대한 반복 횡하중 실험을 수행하였다. 실험 결과 항복강도(43.2 kN)는 설계항복강도(30 kN)와 압축부의 강도 증가 때문에 차이가 나타났고, 강성(11.6 kN/mm)은 설계강성(24.2 kN/mm)에 비하여 절반의 값을 가졌다. 이러한 강성의 차이는 골조와 가새의 접합부 사이의 미끄러짐과 기초의 회전 및 횡변위가 원인으로 나타났다. 보강된 골조의 에너지 흡수 능력은 순수 골조에 비해 7.5배 향상되었다. 기초당 설치된 로드셀의 개수를 2개에서 1개로 변화시키면, 횡강성이 11.6 kN/mm에서 6 kN/mm로 줄어 들었고, 이것은 단지 순수 골조의 강성에 3배에 지나지 않는다(2.1 kN/mm).
In piloti-type low-rise RC residential buildings, severe damages have been usually concentrated at piloti stories under the earthquake. In this study, a piloti story was retrofitted by installation of buckling-restrained braces (BRB's) to increase strength and stiffness of piloti story and by applic...
In piloti-type low-rise RC residential buildings, severe damages have been usually concentrated at piloti stories under the earthquake. In this study, a piloti story was retrofitted by installation of buckling-restrained braces (BRB's) to increase strength and stiffness of piloti story and by application of fiber reinforced polymer (FRP) sheet on columns to avoid the brittle shear and axial failure of columns. To verify this retrofit performance, reversed cyclic lateral load tests were performed on 1:5 scale bare and retrofitted frames. The test results showed that yield strength (43.2 kN) appeared to be significantly larger than design value (30 kN) due to the increase of strength in the compression side, but the stiffness value (11.6 kN/mm) turned out to be approximately one-half of the design value (24.2 kN/mm). The reasons for this difference in stiffness were due to slippage at joint between the frame and the BRB's, displacement and rotation at footing. The energy absorption capacity of the retrofitted frame was 7.5 times larger than that of the bare frame. The change of the number of load cells under the footing from 2 to 1 reduced lateral stiffness from 11.6 kN/mm to 6 kN/mm, which was only three times larger than that of the bare frame (2.1 kN/mm).
In piloti-type low-rise RC residential buildings, severe damages have been usually concentrated at piloti stories under the earthquake. In this study, a piloti story was retrofitted by installation of buckling-restrained braces (BRB's) to increase strength and stiffness of piloti story and by application of fiber reinforced polymer (FRP) sheet on columns to avoid the brittle shear and axial failure of columns. To verify this retrofit performance, reversed cyclic lateral load tests were performed on 1:5 scale bare and retrofitted frames. The test results showed that yield strength (43.2 kN) appeared to be significantly larger than design value (30 kN) due to the increase of strength in the compression side, but the stiffness value (11.6 kN/mm) turned out to be approximately one-half of the design value (24.2 kN/mm). The reasons for this difference in stiffness were due to slippage at joint between the frame and the BRB's, displacement and rotation at footing. The energy absorption capacity of the retrofitted frame was 7.5 times larger than that of the bare frame. The change of the number of load cells under the footing from 2 to 1 reduced lateral stiffness from 11.6 kN/mm to 6 kN/mm, which was only three times larger than that of the bare frame (2.1 kN/mm).
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문제 정의
BRB의 보강은 필로티층 외곽 골조의 횡강도와 횡강성을 확보하는 것이 목적이다. 보강 전 prototype의 탄성 해석 결과, Y방향 총 밑면전단력(3,000 kN)의 대부분이 코어 벽체에서 부담하였다.
이 실험에서 채택한 BRB는 Chen의 모델이다. 기존 연구에서는 BRB의 성능 실험과 BRB가 강골조에 적용된 형태였지만, 이 연구에서는 BRB를 강골조가 아닌 RC 골조에 적용한 연구이다.
필로티형 저층 RC 집합주택은 지진 발생 시 필로티층에서 손상이 집중된다. 이 연구의 목적은 피해가 집중되는 필로티층에 Fig. 1(b)와 같이 좌굴방지가새(BRB)를 설치하여 비틀림과 X, Y방향의 강도와 강성을 증가시키고, 작은 변형 구간에서도 에너지 소산을 통해 지진력을 감소시키는 것이며, 외곽 기둥에 FRP를 부착하여 연성, 축하중, 전단 능력을 증대 시키는 것이다. C1-C5(Fig.
가설 설정
Y방향 골조(C1-C5)에서 750 kN의 전단력을 지지하는 것으로 가정하고, 식 (1)~(3)을 사용하여1) 좌굴방지가새의 심재 단면적(Ac), 설치 길이비(Lc / L), 골조의 횡강성(KL) 등을 결정하였다.
제안 방법
C1-C5(Fig. 1(b))의 골조를 대상으로 1:5 축소 모델을 제작하였고, BRB와 FRP로 보강하여 반복 횡하중 실험을 통한 골조의 횡강도, 횡강성 및 비탄성 변형 에너지 흡수 능력을 순수 골조와 비교하였다.
RC 골조의 성능(강도, 강성, 에너지 흡수 능력)을 향상시키기 위해 좌굴방지가새(BRB)와 FRP 보강 설계를 하였고, 1:5 축소 실험을 통해서 성능을 확인한 결과는 다음과 같다.
횡력, 축력 유압 액추에이터 선단에 로드셀(LC1, LC2)을 각각 설치하였고, 실험체 하부 기초에는 직접 제작한 3축 로드셀7)(1A~4A, 1X~4X)을 설치하여 축력과 횡력을 계측하였다. 가력보와 보의 중심에 층변위(D1, D2)를 계측하였고, 기초에 들뜸(DU3~DU6)과 변위(D3, D4)를, 기둥에 들뜸(DU1, DU2)과 축변위(DA1, DA2)를 계측하였다. 좌굴방지가새(BRB)에는 대각 변위(DS1, DS2), 국부변위(B1~B4), 상부 T형강의 미끄러짐(BS)을 계측하였다(Fig.
3과 같은 골조에서 30 kN(750 kN/25)의 전단력을 지지하여야 한다. 골조의 수평항복강도(2VL)를 30 kN으로 정하고, 두 개의 좌굴방지가새를 K-brace의 형태로 설계하였다. 심재(SS400)의 설계강도는 실제 항복강도를 사용하기 위해, 공칭항복강도(235 MPa)가 아닌 재료시험(Fig.
보강 전후 필로티형 저층 집합주택의 지진응답 거동비교 평가8)(Fig. 25)의 실험에서 Fig. 24(b)와 같이 로드셀을 독립된 기둥 아래 1개를 설치하여 실험을 하였기 때문에, 지진실험에서 FRP+BRB의 보강 효과를 확인하기 위해서 기초하부 로드셀의 수를 2개에서 1개로 감소하여 추가 실험을 실시하고, 로드셀 2개의 경우와 비교하며, 이를 다시 로드셀 1개를 가진 진동대 실험 결과와 비교 분석 하고자 한다.
Table 1에서 FRP의 특성을 나타내었고, prototype의 실험체는 2겹의 FRP 시트를 사용하였다. 식 (4)를 이용하여4) X방향 269 kN, Y방향 359 kN의 FRP 전단강도를 구하였고, 보강 후 기둥의 전단강도는 FRP의 전단강도와 식 (5)를 이용하여 구한 기둥의 전단강도 합으로, Table 2에서 보강전 기둥과 FRP로 보강된 기둥의 전단강도를 비교하였다. 실제로 기둥과 보 또는 기초와의 접합면에서는 보강되지 않은 기둥의 횡강도가 지배하므로 FRP에 의한 보강은 기둥의 전단강도와 축강도를 강화시킴으로써 전단과 하중에 의한 취성 파괴를 방지한다는데 의의가 있다.
재료 시험 결과(Table 5, Fig. 10) 모델철근 D4의 항복강도는 실물철근(D16)의 축소된 값과 유사하였고, 보조근으로 사용되는 Ø2는 이 실험의 결과에 큰 영향을 주지 않는다고 판단하여 열처리를 통한 항복강도를 맞추지 않고 사용하였다.
좌굴방지가새(BRB)는 +형 심재(Ac = 64 mm2)를 4개의 각관(19 × 19 × 1.6 mm)으로 둘러싸서 좌굴이 발생하지 않게 설계하였다.
좌굴방지가새와 FRP 보강을 통한 RC골조의 보강 효과를 비탄성 변형 에너지 흡수 능력으로 비교해 보았다. RC 골조의 하중-변위 이력에서 면적을 계산하여 Fig.
횡력, 축력 유압 액추에이터 선단에 로드셀(LC1, LC2)을 각각 설치하였고, 실험체 하부 기초에는 직접 제작한 3축 로드셀7)(1A~4A, 1X~4X)을 설치하여 축력과 횡력을 계측하였다. 가력보와 보의 중심에 층변위(D1, D2)를 계측하였고, 기초에 들뜸(DU3~DU6)과 변위(D3, D4)를, 기둥에 들뜸(DU1, DU2)과 축변위(DA1, DA2)를 계측하였다.
대상 데이터
Prototype 골조의 주근(D16)과 보조근(D10)을 축소율에 맞게 모델철근(D4,Ø2)을 사용하였다.
Prototype에서 추출한 골조는 두 개의 기둥(400 × 300 mm)과 한 개의 보(400 × 350 mm)로 구성되었고, 순경간이 4.6 m이다(Fig. 1).
과거 지진에 의한 비내진 상세 기둥의 파괴는 주로 전단파괴에 의해 발생하였기 때문에, 이를 방지하기 위해 FRP 보강법을 채택하였다. Table 1에서 FRP의 특성을 나타내었고, prototype의 실험체는 2겹의 FRP 시트를 사용하였다. 식 (4)를 이용하여4) X방향 269 kN, Y방향 359 kN의 FRP 전단강도를 구하였고, 보강 후 기둥의 전단강도는 FRP의 전단강도와 식 (5)를 이용하여 구한 기둥의 전단강도 합으로, Table 2에서 보강전 기둥과 FRP로 보강된 기둥의 전단강도를 비교하였다.
모델 콘크리트는 압축강도(fck)를 21 MPa로 배합설계6)하였으며, 1:5 축소율에 맞게 굵은 골재의 최대 치수를 5 mm로 맞추었고, 잔골재는 일반 모래를 사용하였다. 28일 평균압축강도 시험 결과 22.
1). 실험체는 골조를 1:5로 축소 설계하였고, 보의 상부에 횡가력을 위한 가력보를 추가 하여(Fig. 6) 총 3개의 실험체를 제작하였다(Table 3).
Black)2)를 사용한 실험이 있었다. 이 실험에서 채택한 BRB는 Chen의 모델이다. 기존 연구에서는 BRB의 성능 실험과 BRB가 강골조에 적용된 형태였지만, 이 연구에서는 BRB를 강골조가 아닌 RC 골조에 적용한 연구이다.
이론/모형
과거 지진에 의한 비내진 상세 기둥의 파괴는 주로 전단파괴에 의해 발생하였기 때문에, 이를 방지하기 위해 FRP 보강법을 채택하였다. Table 1에서 FRP의 특성을 나타내었고, prototype의 실험체는 2겹의 FRP 시트를 사용하였다.
성능/효과
1) 좌굴방지가새의 일축 반전 가력 실험 결과 변형률 0.45%에서 심재가 항복(30 kN)하였고 1.35%까지 일정한 하중으로 유지되었다. 이후 1.
2) 순수 골조는 보-기둥 접합부에 파괴가 집중되어 피복이 탈락되었고, FRP+BRB가 보강된 골조에서는 골조와 상부 T형강 접합부에서 미끄러짐과 하부 T형강의 좌굴로 파괴 형태가 나타났고, 기둥을 감싼 FRP 시트는 파괴되지 않았다.
3) FRP+BRB(접합II)로 보강된 골조의 최대 강도(53.8 kN)는 순수 골조의 최대 강도(10.7 kN)에 5배 크게 나타났고, 강성(11.6 kN/mm)은 순수 골조의 강성(2.1 kN/mm)에 비해 5.5배 큰 값이 나타났다. 비탄성 변형에너지 흡수 능력(7,894 kN·mm)은 층고 2.
4) 보강된 골조(FRP+BRB2)의 실험 결과 항복강도(43.2 kN)는 설계항복강도(30 kN)와 압축부의 강도 증가 때문에 차이가 나타났고, 강성(24.2 kN/mm)은 실험에서 얻은 강성(11.6 kN/mm)과 큰 차이가 있었다. 강성이 설계 값의 약 절반으로 줄어든 이유는 상부 T형강 접합부의 미끄러짐, 기초의 횡변위와 회전변위가 추가적인 횡변위를 야기시켰기 때문이다.
5) 기초하부 로드셀의 수를 2개에서 1개로 줄였을때 항복강도(43.1 → 30.4 kN)와 강성(11.6 → 6.0 kN/mm)은 줄어들었다.
6) 좌굴방지가새를 RC골조에 보강하여 실험한 결과 접합부의 미끄러짐 및 좌굴이 가새의 성능 발휘에 중요한 영향을 미쳤으며, 좌굴방지가새를 건물에 적용할 때에 일어날 수 있는 제반 문제를 주의 깊게 고려하여야 한다.
FRP+BRB1 실험체의 비탄성 변형에너지 흡수 능력(7,894 kN·mm)은 층고 2.5% 변위를 기준으로 순수 골조의 흡수 능력(1,057 kN·mm)에 비해 7.5배 큰 값이 나타났다.
FRP+BRB1(접합I) 실험체는 상부 T형강의 미끄러짐을 계측하지 못하였지만 눈으로 약 10 mm 발생한 것을 확인(Fig. 18(b))하였고, FRP+BRB2(접합II) 실험체에서는 상부 T형강의 접합 형식을 바꾸어 미끄러짐을 1 mm까지 감소했다(Fig.
순수 골조는 초기에 기둥과 보의 휨 균열이 다수 발생하였고, 최종적으로 보와 기둥 접합부 피복이 탈락하였다. FRP+BRB1은 초기에 상부 T형강의 미끄러짐이 발생하였고, 실험이 진행되는 동안 보-기둥 접합부에 전단 균열이 확대되었으며, 최종적으로 상부 T형강을 고정하던 앵커 볼트가 전단 파괴되었다. FRP+BRB2는 하부 T형강의 좌굴 및 용접부에서 최종 파괴되었다(Table 7, Fig.
로드셀 1개를 설치한 실험(FRP+BRB3)의 결과 로드셀 2개를 설치한 실험(FRP+BRB2)에 비해 강도(53.8 → 36.6 kN), 강성(11.6 → 6.0 kN/mm), 및 연성비(3.2 → 2.5)에서 모두 작은 값을 가졌다(Fig.
비탄성 변형에너지 흡수 능력(7,894 kN·mm)은 층고 2.5% 변위를 기준으로 순수 골조의 흡수 능력(1,057 kN·mm)에 비해 7.5배 큰 값이 나타났다.
일축 반전 가력 시험을 통해 얻은 좌굴방지가새의 항복강도(30 kN, Fig. 15)를 골조에 설치된 것(θ = 49, Fig. 3)으로 계산하면(30 kN × cos49 × 2개 = 39.4 kN) 골조의 보강실험에서 확인된 항복강도와 유사하게 나타났다.
접합I의 실험은 상부 T형강의 미끄러짐이 발생하여 흡수능력이 접합II에 비해 28%(2,234 kN·mm) 줄어들어 미끄러짐이 에너지 흡수 능력에 큰 영향을 나타냈다.
7 kN)를 보였고, 압축 방향 가력에서 심재와 외곽재의 접촉으로 인해 상대적으로 급격한 증가 기울기를 보였다. 최종 강도는 2.0%에서 59.1 kN으로 나타났으며, 파괴 모드는 단부좌굴로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
필로티형 저층 RC 집합주택은 지진 시에 어떤 부분에 손상이 집중되는가?
필로티형 저층 RC 집합주택은 지진 발생 시 필로티층에서 손상이 집중된다. 이 연구의 목적은 피해가 집중되는 필로티층에 Fig.
BRB의 보강의 목적은?
BRB의 보강은 필로티층 외곽 골조의 횡강도와 횡강성을 확보하는 것이 목적이다. 보강 전 prototype의 탄성 해석 결과, Y방향 총 밑면전단력(3,000 kN)의 대부분이 코어 벽체에서 부담하였다.
RC 골조의 성능(강도, 강성, 에너지 흡수 능력)을 향상시키기 위해 좌굴방지가새(BRB)와 FRP 보강 설계를 하였고, 1:5 축소 실험을 통해서 성능을 확인한 결과는?
1) 좌굴방지가새의 일축 반전 가력 실험 결과 변형률 0.45%에서 심재가 항복(30 kN)하였고 1.35%까지 일정한 하중으로 유지되었다. 이후 1.8%부터 하중의 추가 증가(압축: 30.2 kN, 인장: 17.7 kN)를 보였고, 압축 방향 가력에서 심재와 외곽재의 접촉으로 인해 상대적으로 급격한 증가 기울기를 보였다. 최종 강도는 2.0%에서 59.1 kN으로 나타났으며, 파괴 모드는 단부좌굴로 나타났다.
2) 순수 골조는 보-기둥 접합부에 파괴가 집중되어 피복이 탈락되었고, FRP+BRB가 보강된 골조에서는 골조와 상부 T형강 접합부에서 미끄러짐과 하부 T형강의 좌굴로 파괴 형태가 나타났고, 기둥을 감싼 FRP 시트는 파괴되지 않았다.
3) FRP+BRB(접합II)로 보강된 골조의 최대 강도(53.8 kN)는 순수 골조의 최대 강도(10.7 kN)에 5배 크게 나타났고, 강성(11.6 kN/mm)은 순수 골조의 강성(2.1 kN/mm)에 비해 5.5배 큰 값이 나타났다. 비탄성 변형에너지 흡수 능력(7,894 kN·mm)은 층고 2.5% 변위를 기준으로 순수 골조의 흡수 능력(1,057 kN·mm)에 비해 7.5배 큰 값이 나타났다. 접합I의 실험은 상부 T형강의 미끄러짐이 발생하여 흡수능력이 접합II에 비해 28%(2,234 kN·mm) 줄어들어 미끄러짐이 에너지 흡수 능력에 큰 영향을 나타냈다.
4) 보강된 골조(FRP+BRB2)의 실험 결과 항복강도(43.2 kN)는 설계항복강도(30 kN)와 압축부의 강도 증가 때문에 차이가 나타났고, 강성(24.2 kN/mm)은 실험에서 얻은 강성(11.6 kN/mm)과 큰 차이가 있었다. 강성이 설계 값의 약 절반으로 줄어든 이유는 상부 T형강 접합부의 미끄러짐, 기초의 횡변위와 회전변위가 추가적인 횡변위를 야기시켰기 때문이다.
5) 기초하부 로드셀의 수를 2개에서 1개로 줄였을때 항복강도(43.1 → 30.4 kN)와 강성(11.6 → 6.0 kN/mm)은 줄어들었다. 기초 하부에 로드셀을 1개 설치한 지진 실험(TAFT 0.187 g XY-dir.)에서 얻은 보강된 골조의 강성(5.74 kN/mm)이 감소된 강성(6 kN/mm)과 유사하게 나타났다.
6) 좌굴방지가새를 RC골조에 보강하여 실험한 결과 접합부의 미끄러짐 및 좌굴이 가새의 성능 발휘에 중요한 영향을 미쳤으며, 좌굴방지가새를 건물에 적용할 때에 일어날 수 있는 제반 문제를 주의 깊게 고려하여야 한다.
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조창석, "보강 전후 필로티형 저층 집합주택의 지진응답 거동 비교 평가," 고려대학교 대학원 석사학위논문, 2011, pp. 33-62.
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