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문제 정의
- 본 연구는 지진발생 시 철도 고가교 구조물에 작용하는 수평하중에 대한 기둥의 보강성능을 평가하는 실험으로, 축력 및 횡하중을 가력하기 위한 충분한 강성을 갖는 반력프레임을 이용하여 실험체 및 실험기구를 설치하였다. 기둥에 작용하는 상부구조물의 하중은 설계축하중의 약 10%이며, 이에 따라 실험체에 작용하는 축력은 기둥의 설계축하중의 10%정도인 약 400kN이 중심축하중으로 작용할 수 있도록 실험체 양 옆에 각각 1000kN 용량의 오일잭을 배치하였다.
제안 방법
- 각 시험체의 초기강성값(Ki)을 최대하중(Vu)와 항복 변위(∆y)의 비로 정의하고 각 시험체의 초기강성값을 산정하였다. Table 3와 Fig.
- 철도 고가교 기둥의 보강전과 보강후의 내진성능을 평가하기 위하여 철도 고가교 구조물의 1층 중앙부 기둥을 대상으로 총 5개의 축소모형을 제작하여 이 중 4개의 실험체를 HT-A 복합플레이트로 보강하였다. 각각의 실험체에 대하여 중심축하중과 반복수평력을 작용하는 실험을 실시하여 얻은 결과를 통하여 보강 전후의 내진성능을 평가하였다. 실험결과를 분석한 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 부재의 강성과 연성을 동시에 향상시킬 수 있는 내진보강재로 고성능유리섬유와 알루미늄 다공판를 적층하여 제작한 HT-A(HyperTex & perforate Aluminum) 복합플레이트를 사용하여, 고가교 기둥의 보강 전 · 후 거동을 고찰하고 실험결과로 얻어진 내진성능을 비교 및 분석하였다. 또한 내진보강을 위한 연성 및 강성보강재의 설계에 활용 할 수 있는 설계요소를 도출하였다.
- 하중의 크기는 기둥 높이에 대한 기둥 상단부 변위의 비율로 나타내었으며, 각각의 하중 단계는 2회 반복하여 이력 곡선의 안정화를 유도하였다. 변위율 0~1%구간은 변위율 0.25%, 변위율 1~2%구간은 변위율 0.5%, 변위율 2%이상 구간은 변위율 1% 단위로 하중증가를 계획하였다.
- 본 연구에서는 부재의 강성과 연성을 동시에 향상시킬 수 있는 내진보강재로 고성능유리섬유와 알루미늄 다공판를 적층하여 제작한 HT-A(HyperTex & perforate Aluminum) 복합플레이트를 사용하여, 고가교 기둥의 보강 전 · 후 거동을 고찰하고 실험결과로 얻어진 내진성능을 비교 및 분석하였다.
- 실험체 배근은 실구조물의 철근비와 동일하도록 설계하였으며 실험체 상·하단 스터브는 실험체보다 강한 강성을 갖도록 900mm×900mm, 높이 450mm로 설계하였다.
- 실험체 보강은 실험체의 소성힌지구간을 HT-A로 보강하여 연성 및 강성을 증가를 통한 내진성능이 향상이 되도록 하였다. 보강량 및 보강높이에 따른 실험체의 거동을 확인하기 위하여 Table 1의 변수계획에 따라 총 5개의 실험체를 제작하였다.
- 철도 고가교 기둥의 보강전과 보강후의 내진성능을 평가하기 위하여 철도 고가교 구조물의 1층 중앙부 기둥을 대상으로 총 5개의 축소모형을 제작하여 이 중 4개의 실험체를 HT-A 복합플레이트로 보강하였다. 각각의 실험체에 대하여 중심축하중과 반복수평력을 작용하는 실험을 실시하여 얻은 결과를 통하여 보강 전후의 내진성능을 평가하였다.
대상 데이터
- 실험체 보강은 실험체의 소성힌지구간을 HT-A로 보강하여 연성 및 강성을 증가를 통한 내진성능이 향상이 되도록 하였다. 보강량 및 보강높이에 따른 실험체의 거동을 확인하기 위하여 Table 1의 변수계획에 따라 총 5개의 실험체를 제작하였다. 각 실험체에 사용된 콘크리트의 압축강도, 철근 및 HT-A의 인장강도는 Table 2와 같다.
- 본 연구에 사용된 실험체는 철도 고가교 구조물로써, Fig. 3과 같이 3경간으로 이루어진 가구의 1층 중앙부 기둥을 실험대상으로 선정하였다. 실험체는 대상 고가교의 설계도서를 참조하여 3분 1로 축소하여 단면은 400mm×400mm의 정사각형, 높이는 3.
- 실험체는 대상 고가교의 설계도서를 참조하여 3분 1로 축소하여 단면은 400mm×400mm의 정사각형, 높이는 3.3m, 횡하중 재하높이까지의 높이는 3550mm이다.
- 실험체 철근 상세는 원 구조물의 설계도면과 동일하게 하였다. 실험체에 사용된 콘크리트 압축강도는 24MPa이며, 철근은 SD40(fy=400MPa)이다.
데이터처리
- 에너지소산능력은 시험체별로 동일변위에 대한 선행주기의 소산에너지값을 평가하였으며, 1번째 주기로부터 각 시험체의 파괴변위를 초과하는 주기까지 소산에너지값을 평가하였으며 그 결과는 Table 5와 같다. 각 주기별 에너지소산 능력을 살펴보면 시험체 모두 첫 번째 주기로부터 최종변위에 해당하는 주기에 이르기까지 에너지소산능력이 증가하는 경향을 나타내었다.
성능/효과
- (1) 하중-축변위 관계에서 보강전 RC기둥의 경우 최대내력점 이후 급격한 내력저하현상을 보였으며 이후 급격한 파괴를 보였다. 그러나 HT-A 복합플레이트로 보강된 기둥의 경우 최대내력 이후 완만한 내력저하가 나타났다.
- (2) 보강전 RC기둥의 경우 소성힌지구간을 중심으로 파괴되는 양상을 보인 반면 복합플레이트로 보강된 기둥은 보강판의 완전 파괴없이 기둥의 지압부가 횡하중가력 시 인발되는 파괴형태를 나타내었다.
- (3) 시험체의 초기강성은 보강전과 보강후 모두 비슷한 변위율에서 항복하였으며 시험체별로 편차를 보였지만 변수변화에 상관없이 보강된 시험체의 초기강성 값은 거의 비슷한 것으로 나타났다.
- (4) 연성능력을 평가한 결과 보강전 시험체의 변위연성도는 2.66으로 나타났으며, 보강판의 두께가 3mm, 5mm일 때 변위연성도는 3.66, 4.13으로 나타나 보강량이 증가할수록 연성능력이 상승하는 것으로 분석되었다.
- (5) 에너지소산능력을 살펴보면 보강된 시험체는 보강전 시험체 대비 보강량에 따라 7~20%의 누적 에너지소산능력이 향상되었으며, 실험체의 내력이 감소하는 변위율 4% 이후 에너지 소산능력의 향상이 높게 나타났다.
- (6) 보강높이가 단면폭인 실험체 VC-R1-H1와 단면폭의 2배인 VC-R1-H2의 변위연성도와 에너지소산능력을 비교한 결과, 보강전 시험체 대비 변위연성도 증가비의 차이는 약 5%이며 에너지소산능력 상승비의 차이는 약 1%로 나타났다. 따라서, 보강높이가 단면폭 이상일 경우 보강높이에 따른 성능 향상을 기대하기 어려운 것으로 판단된다.
- 9). VC-R1-H1 실험체 대비 2배의 높이로 보강된 VC-R1-H2 실험체는 변위율 1.5%(49.5mm)에서 항복하였으며, 변위율 3%(99mm)에서 최대하중을 나타내었다. 최대하중 이후 완만한 성능저하를 나타내다가 변 위율 5%(165mm) 이후 급격한 성능저하를 나타내었으며, 변 위율 6%(198mm)에서 최종 파괴되었다(Fig.
- 에너지소산능력은 시험체별로 동일변위에 대한 선행주기의 소산에너지값을 평가하였으며, 1번째 주기로부터 각 시험체의 파괴변위를 초과하는 주기까지 소산에너지값을 평가하였으며 그 결과는 Table 5와 같다. 각 주기별 에너지소산 능력을 살펴보면 시험체 모두 첫 번째 주기로부터 최종변위에 해당하는 주기에 이르기까지 에너지소산능력이 증가하는 경향을 나타내었다. 보강량이 높은 시험체와 시험체가 타 시험체에 비하여 높은 에너지 소산능력을 나타내었다.
- 내력저하시 나타난 내력감소율의 구배는 VC-R3-H1 실험체가 가장 좋았으며, VC-R1-H2 실험체, VC-R1-H1 실험체, VC-R1-H2 실험체 순으로 감소율구배가 작게 나타났다.
- 무보강 실험체는 최대내력이후 변위율 2% 증가시까지 12%의 내력이 저하된 후 3% 증가시까지 29%의 내력이 저하되었다. 또한 VC-R3-H1 실험체는 최대내력이후 변위율 2%증가시까지 7%의 내력이 저하되어 가장 좋은 내력저하율을 보여주었다. VC-R2-H1 실험체는 최대내력이후 변위율 1%증가시까지 10%의 내력이 저하되어 가장 낮은 내력저하율을 보여주었다.
- 20배로 나타나 보강량에 따라 에너지소산능력이 증가한 것으로 나타났다. 보강높이에 따른 누적 에너지 소산능력은 VC-R1-H2 실험체가 1.13배로 나타나 보강높이에 따른 에너지 소산능력은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 14와 같다. 보강두께 3.0mm인 VC-R1-H1은 38%의 연성이 증가하였고, 보강두께 5.0mm인 VC-R3-H1은 55%의 연성능력이 증가하였다.
- 20배의 누적소산에너지량을 보이고 있다. 보강량에 따른 누적 에너지 소산능력은 VC-R1-H1 실험체가 기준실험체 대비 1.14배, VC-R3-H 실험체는 1.20배로 나타나 보강량에 따라 에너지소산능력이 증가한 것으로 나타났다. 보강높이에 따른 누적 에너지 소산능력은 VC-R1-H2 실험체가 1.
- 각 주기별 에너지소산 능력을 살펴보면 시험체 모두 첫 번째 주기로부터 최종변위에 해당하는 주기에 이르기까지 에너지소산능력이 증가하는 경향을 나타내었다. 보강량이 높은 시험체와 시험체가 타 시험체에 비하여 높은 에너지 소산능력을 나타내었다.
- VC-R2-H1 실험체는 최대내력이후 변위율 1%증가시까지 10%의 내력이 저하되어 가장 낮은 내력저하율을 보여주었다. 실험결과 HT-A 보강량이 증가할수록 내력 저하율이 우수한 것으로 나타났다.
- 실험체의 거동 및 파괴양상은 실험체에 따라 다소 차이가 있지만, 전반적으로 변위율 1~2% 단계에서 항복이 발생하였으며 변위율 3~5%단계에서 최대내력을 보인 후 변위율 5%이후 급격한 내력저하를 나타내었다. 실험체의 균열양상은 반복하중 가력에 대하여 전반적으로 대칭으로 나타났으며, 파괴양상은 기준시험체인 무보강 시험체의 경우 실험체 상하단부에서 전형적인 철큰콘크리트 기둥의 전단파괴양상을 보였으나, 보강시험체의 경우 보강판과 보강판 내부콘크리트의 파괴없이 지압부가 손상되는 양상을 보였다.
- 실험체의 거동 및 파괴양상은 실험체에 따라 다소 차이가 있지만, 전반적으로 변위율 1~2% 단계에서 항복이 발생하였으며 변위율 3~5%단계에서 최대내력을 보인 후 변위율 5%이후 급격한 내력저하를 나타내었다. 실험체의 균열양상은 반복하중 가력에 대하여 전반적으로 대칭으로 나타났으며, 파괴양상은 기준시험체인 무보강 시험체의 경우 실험체 상하단부에서 전형적인 철큰콘크리트 기둥의 전단파괴양상을 보였으나, 보강시험체의 경우 보강판과 보강판 내부콘크리트의 파괴없이 지압부가 손상되는 양상을 보였다.
- 25mm에서 나타났다. 초기강성값의 경우 무보강 시험체를 기준으로 최대 46%의 편차율을 보이고 있으며, 보강량이 초기강성에 미치는 영향은 최대 10%로 나타났다.
- 5mm)에서 항복하였으며, 변위율 3%(99mm)에서 최대하중을 나타내었다. 최대하중 이후 완만한 성능저하를 나타내다가 변 위율 5%(165mm) 이후 급격한 성능저하를 나타내었으며, 변 위율 6%(198mm)에서 최종 파괴되었다(Fig. 10).
- 무보강 실험체인 VC-N 실험체는 변위율 2%(66mm)에서 항복하였으며, 변위율 3%(99mm)에서 최대하중을 나타내었다. 최대하중 이후 완만한 성능저하를 나타내다가 변위율 4%(132mm) 이후 급격한 성능저하를 나타내었으며, 변위율 6%(198mm)에서 최종 파괴되었다(Fig. 6).
- 5mm)에서 항복하였으며, 변위율 4%(132mm)에서 최대하중을 나타내었다. 최대하중 이후 완만한 성능저하를 나타내다가 변위율 5%(165mm) 이후 급격한 성능저하를 나타내었으며, 변위율 6%(198mm)에서 최종 파괴되었다(Fig. 7). HT-A 두께 4mm로 보강된 VC-R2-H1 실험체는 변위율 2%(66mm)에서 항복하였으며, 변위율 5%(165mm)에서 최대하중을 나타내었다.
- 5mm)에서 항복하였으며, 변위율 4%(132mm)에서 최대하중을 나타내었다. 최대하중 이후 완만한 성능저하를 나타내다가 변위율 5%(165mm) 이후 급격한 성능저하를 나타내었으며, 변위율 6%(198mm)에서 최종 파괴되었다(Fig. 9). VC-R1-H1 실험체 대비 2배의 높이로 보강된 VC-R1-H2 실험체는 변위율 1.
- 하중-변위 포락곡선을 비교한 결과 보강량이 큰 VC-R3- H1 실험체가 VC-R1-H1 실험체에 비하여 우수한 성능을 보이는 것으로 나타났으며, 보강높이 800mm인 VC-R1-H2 실험체가 보강높이 400mm인 VC-R1-H1 실험체보다 높은 성능을 나타내는 것으로 나타났다(Fig. 11).
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