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문제 정의
- 따라서 본 연구는 와 같이 지진시 노후화된 학교건물 기둥의 전단파괴가 예상되는 기둥을 참조하고 보강개념도 및 의 기둥 단면 상세와 같이 실제 학교 외부 기둥 단주 효과를 고려한 전단보강효과를 검증하고자 기둥의 구속형 보강재를 적용하여 전단능력 향상과 에너지 소산능력을 평가하는데 목적이 있다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에 사용된 보강재의 섬유 배열은 주된 힘에 저항하는 방향과 이에 수직된 방향으로 배열하였으며, 에 보강재 섬유 배열 패턴을 나타내었다.
- 실험 시작과 동시에 2개의 수직 하중 가력장치를 이용하여 실험체에 수직하중을 가력하였으며, 이어서 수평하중 가력장치로 5mm/min의 변위제어로 Push over<그림 13>은 실험체 가력 장치 및 실험체 설치 모습을 나타낸다. 실험 시작과 동시에 2개의 수직 하중 가력장치를 이용하여 실험체에 수직하중을 가력하였으며, 이어서 수평하중 가력장치로 5mm/min의 변위제어로 Push over 하중을 가력하였다. 실험체의 거동을 분석하기 위하여 수평하중과 나란히 LVDT를 설치하였으며, 로드셀과 LVDT에 의해 측정된 수평하중과 변위는 데이터로거를 통하여 기록되었다.
- 실험 시작과 동시에 2개의 수직 하중 가력장치를 이용하여 실험체에 수직하중을 가력하였으며, 이어서 수평하중 가력장치로 5mm/min의 변위제어로 Push over 하중을 가력하였다. 실험체의 거동을 분석하기 위하여 수평하중과 나란히 LVDT를 설치하였으며, 로드셀과 LVDT에 의해 측정된 수평하중과 변위는 데이터로거를 통하여 기록되었다.
- 따라서 본 연구는 <그림 2>와 같이 지진시 노후화된 학교건물 기둥의 전단파괴가 예상되는 기둥을 참조하고<그림 3> 보강개념도 및 <그림 4>의 기둥 단면 상세와 같이 실제 학교 외부 기둥 단주 효과를 고려한 전단보강효과를 검증하고자 기둥의 구속형 보강재를 적용하여 전단능력 향상과 에너지 소산능력을 평가하는데 목적이 있다. 이를 위해 축하중과 횡하중을 동시에 저항하면서 전단파괴가 예상되는 실험체를 제작하였으며, 구속형 보강재를 적용한 실험체의 전단보강 성능을 확인하기 위하여 축하중과 동시에 횡하중을 가력실험을 수행하였다. 실험이 진행되면서 기록된 결과를 토대로 하중-변위 곡선을 작성하여 전단보강을 통한 기둥의 보강효과를 비교·분석하였다.
- 지진 발생시 전단파괴가 예상되는 기둥의 전단보강 효과를 확인하기 위하여 실험체를 제작하였으며, 부착형 보강재로 보강 후 축력 하에 횡하중 가력 실험을 수행하였다. 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 보강재는 사다리꼴 형상의 알루미늄 중공단면과 유리섬유복합체로 이루어진 부착형 보강재(B2)이다. <그림 5>에 보강재의 형상이 나타나있다.
- 복합재료빔(NCCB-B2)으로 보강된 기둥의 전단보강효과를 확인하기 위하여 기준 실험체를 포함하여 총 3개의 실험체를 제작하였으며, 실험체 크기 및 철근 배근 상세를과 에 나타내었다.
- 본 실험에서 변수는 보강량(NCCB-B2, 1ea, 2ea)이며,에 실험 변수를 나타내었다.
- 위의 보강재는 Glass Prepreg UD로 제작되었다. Prepreg란 fiber에 수지를 미리 함침시켜 반경화시킨 소재로 제품 형상 금형에 적층하고 온도만 가하여 원하는 제품을 손쉽게 성형할 수 있는 소재이다.
- 콘크리트 기둥부 단면은 실제 기둥 크기의 3/4 크기로 축소된 300×380mm의 단면크기로 제작되었으며, 콘크리트 강도는 21MPa로 설계되었다.
데이터처리
- 실험이 진행되면서 기록된 결과를 토대로 하중-변위 곡선을 작성하여 전단보강을 통한 기둥의 보강효과를 비교·분석하였다.
성능/효과
- 1. 기준 실험체는 급작스러운 전단파괴가 나타났으며, 보강된 실험체는 연성거동 이후에 최종파괴가 나타났다.
- 2. 전단 보강된 실험체는 보강되지 않은 기준실험체와 비교하여 최대하중과 최대 변위 모두 증가하였다. 최대 강도 증가율은 15～19%이며, 최대 강도시 변위 증가율은 25～62%로 나타났다.
- 3. 부착형 보강재로 보강된 실험체의 에너지 소산능력이 증가하였으며, 증가율은 80～153%로 나타났다.
- 4. 실험체의 강도, 변위 및 에너지소산능력 보강 효과를 고려 하였을때, B2-2 보강재의 보강효과가 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 하중-변위 관계에서 Ref. 기준 실험체는 변위가 발생되면서 하중이 증가하다가 최대하중에 도달하는 순간 하중이 급격하게 감소하는 취성파괴가 나타났으며, B2-1 및 B2-2 실험체 순으로 연성구간이 크게 발생하는 것을 볼 수 있다. 여기서 전단보강에 따른 휨파괴 유도 현상을 확인할 수 있으며, B2-1보다 B2-2 부착형 보강재가 전단보강에 더욱 효과적인 것을 알 수 있다.
- 지진이후 일본 건축학회의 조사에 의하면 일본 효고현 남부지진으로 피해를 입은 대부분의 구조물들은 일본내진규준이 제정되기 이전에 설계된 구조물로서 철근 콘크리트구조물만을 대상으로 통계를 낸 자료를 살펴보면, 1970년 이전에 건축된 건물의 경우 70%정도가 피해를 입은 것으로 드러났으며, 1971년～1981년 사이에 설계된 건물은 35%정도, 1982년 이후에 설계된 건물은 약 15%만이 피해를 입은 것으로 나타나, 그 피해의 정도는 다르지만 새로운 내진규정을 적용한 81년 이후의 피해가 가장 적은 것으로 나타났다. 또한 저층의 일본 전통가옥들은 거의가 피해를 입었던 것으로 보아, 우리나라 저층건물에 주로 쓰이는 구법인 단순골조구조 및 조적조 건물 또한 지진에 대한 위험성을 갖고 있을 것으로 판단된다. 따라서 우리나라에서도 내진에 대한 규정이 도입되기 전에 설계 및 시공된 교육시설 등 구조물과 내진설계가 의무화되지 않은 구조시스템에 대해서는 이와 같은 지진이 발생할 경우 가공할 만한 피해가 우려된다.
- 기준 실험체는 변위가 발생되면서 하중이 증가하다가 최대하중에 도달하는 순간 하중이 급격하게 감소하는 취성파괴가 나타났으며, B2-1 및 B2-2 실험체 순으로 연성구간이 크게 발생하는 것을 볼 수 있다. 여기서 전단보강에 따른 휨파괴 유도 현상을 확인할 수 있으며, B2-1보다 B2-2 부착형 보강재가 전단보강에 더욱 효과적인 것을 알 수 있다.
- 실험 초기에 하중이 재하되면서 기둥 인장부에 휨균열이 나타났으며, 하중이 증가해도 균열의 큰 변화는 나타나지 않았다. 이후 실험체가 항복내력에 도달하면서 기둥 양측 콘크리트 피복을 따라 균열이 나타났으며, 하중이 증가되면서 점차 균열폭이 크게 증가하였다. 콘크리트 피복을 따라 발생된 균열로 인하여 보강재와 기둥 사이의 구조적 매개체가 사라지면서 더 이상 하중의 증가 없이 최종파괴가 나타났다.
- 전단 보강된 실험체는 보강되지 않은 기준실험체와 비교하여 최대하중과 최대 변위 모두 증가하였다. 최대 강도 증가율은 15～19%이며, 최대 강도시 변위 증가율은 25～62%로 나타났다.
- 이후 실험체가 항복내력에 도달하면서 기둥 양측 콘크리트 피복을 따라 균열이 나타났으며, 하중이 증가되면서 점차 균열폭이 크게 증가하였다. 콘크리트 피복을 따라 발생된 균열로 인하여 보강재와 기둥 사이의 구조적 매개체가 사라지면서 더 이상 하중의 증가 없이 최종파괴가 나타났다. 콘크리트 피복이 주철근의 방향에 따라 탈락 현상이 발생된 것으로 보아 실험체 최종파괴에 주원인은 주철근과 콘크리트 사이의 슬립으로 인한 균열이라 판단되며, 보강재와 콘크리트 사이의 부착력은 충분한 것으로 판단된다.
- 콘크리트 피복을 따라 발생된 균열로 인하여 보강재와 기둥 사이의 구조적 매개체가 사라지면서 더 이상 하중의 증가 없이 최종파괴가 나타났다. 콘크리트 피복이 주철근의 방향에 따라 탈락 현상이 발생된 것으로 보아 실험체 최종파괴에 주원인은 주철근과 콘크리트 사이의 슬립으로 인한 균열이라 판단되며, 보강재와 콘크리트 사이의 부착력은 충분한 것으로 판단된다.
- 하중 가력 초기에는 기둥 인장부 아래에서 휨에 의한 균열이 발생하기 시작하였으며, 휨 균열은 더 이상 확산되지 않은채, 전단균열이 발생하였다. 항복하중 내력 이후 전단균열이 급격히 확산되었으며, 전단균열의 폭이 크게 증가하면서 최종파괴가 나타났다.
후속연구
- 5. 향후 실제 학교내진보강 적용시에는 전체구조물의 내진 성능 분석 후 기둥의 거동을 파악하는 연구가 진행되어야할 것이다.
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