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문제 정의
- 기존 연구과의 비교분석“에서 다룰 것이며, 기존연구에서도 지진에 대한 위험성을 통하여 내진보강방법을 강구하는 데 목표를 두고 있다.
- 본 연구에서는 4가지 Type에서의 차이점을 비교분석하여 시공성, 경제성 및 미관성을 만족할 수 있도록 학교건축물의 학급과 학급 사이의 단변방향에 대한 내진보강방안을 검토하는데 목적이 있다.
제안 방법
- 부재의 단면이 작아 실험 시 허용층간변위에서 항복이 발생되지 않았다. 구조물의 항복점을 알아보기 위해 허용 층간변위 이 후 항복점까지 정방향으로 횡력을 가력하여 연성을 평가하였다.
- 최대 가력사이클 (±)15㎜에서 모든 실험체는 파괴되지 않았다. 그로 인해 최대 내력을 비교하기 위해 실험체의 파괴시까지 최대로 층간변위를 가력하였다.
- 학교 건물의 경우 내진등급 Ⅰ에 해당되므로 실험 체의 높이를 고려하여 허용층간변위를 15㎜로 제한하였다. 기둥에 가해지는 축력 없이 최상부 최대 횡변위를 제어하는 방식으로 [Fig. 1]과 같이 1㎜, 3㎜, 5㎜, 7㎜, 9㎜, 11㎜, 13㎜, 15㎜ 총 8단계로 실시하였으며 가력 사이클 당 1회 반복-횡력을 가하여 실시하였다. 또한, 실험체가 단면이 작아 ±15㎜에서 최대내력이 발생하지 않는 경우 실험체의 최대내력 및 연성능력을 비교하기 위해 실험체가 파괴될 때 까지 횡변위를 가력하였다.
- 6]은 스트레인 게이지의 위치 및 철근배근 상세를 나타내고 있다. 기둥주근의 상․하부에 스트레인 게이지를 부착하여 반복-횡력에 대한 기둥철근의 변형률을 계측하기 위해 게이지를 부착하였다. 콘크리트 타설 중에 발생하는 손상을 감안하여 한 부위에 2개씩 총 8개를 부착하였다.
- 기존연구에 대한 동향”에서 언급한 연구의 에너지소산능력을 나타낸다. 기존연구에서의 실험은 14단계까지 진행되었으나 시험체 별로 소성거동이 다른관계로 초기에너지 소산력과 실험종료시까지 에너지 소산능력을 나누어 비교하였다.
- 또한, 실험체가 단면이 작아 ±15㎜에서 최대내력이 발생하지 않는 경우 실험체의 최대내력 및 연성능력을 비교하기 위해 실험체가 파괴될 때 까지 횡변위를 가력하였다.
- 본 연구에서 기본형인 기본형 골조에 내부철골로 보강한 경우 보강효과를 알아보기 위해서 4개의 실험체를 제작하여 반복-횡력 실험을 수행하였고, 실험체의 하중-변위 관계, 파괴형상, 하중-변형률 관계 및 구조물의 연성, 에너지소산을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 실험체의 기둥 및 보의 단면은 150㎜×150㎜로 실험모델 설계 전 실제 학교건물의 보-기둥골조 모델을 조사하여 학교건축물과 비율(형상비 1/2)이 같도록 축소시켜 제작하였다.
- 실험체의 보강방법으로는 Type-2 역V형 가새골조, Type-3 V형 가새골조, 마지막으로 Type-4 모서리 보강 가새골조로 이루어져있다. 위의 4가지 실험체의 실험결과를 토대로 기본형 골조와 나머지 철골가새로 보강된 골조의 내력 및 파괴형상을 비교하고, 보강된 요소들이 얼마만큼의 내진성능에 영향을 미치는지 구조물의 연성 및 에너지 소산을 검토하였다.
- Type1과 같은 기본골조에 가새 보강형태에 따른 실험체의 연성지수를 정리하여 [Table 19]에 나타내었다. 이 연구에서는 연성지수를 정방형 가력을 기준으로 산정하여 강재 보강에 따른 연성능력을 비교하였다. 여기서 연성이란 부재가 최대 하중 이 후하중의 큰 저하 없이 변형할 수 있는 능력을 의미한다.
- 6m로 조사되었다. 이 조사결과를 토대로 실험모델은 [Fig. 3]~[Fig. 6]과 같이 일반적인 기본형 골조(Type-1) 과 역V형 가새골조(Type-2), V형 가새골조(Type-3), 마지막으로 모서리 보강 가새골조(Type-4) 총 4가지 모델의 내력 및 연성능력, 에너지소산을 비교하여 분석하고자 한다. [Table 3]은 내부 강재보강형태에 따른 실험체 분류이다.
- 실험은 총 14단계까지 진행되었다. 이를 통해 최대내력 및 강성과 에너지소산능력을 비교분석하여 내진성능을 평가하였다.
- 접합부 실험체에 대한 횡하중 가력은 최상부의 최대변위를 일정한 이력으로 제어하는 반복-횡력 실험을 실시하였다. KBC20096)에서 제시하는 내진등급에 따른 허용층간변위의 경우 [Table 2]과 같다.
- 본 연구에서는 이를 반영하여 4가지 Type의 실험체를 제작하였다. 첫째는, 보와 기둥만이 있는 일반 기본형 골조이며 나머지 실험체는 일반 기본형 골조 내부에 강재로 보강한 형태로 제작하였다. 실험체의 보강방법으로는 Type-2 역V형 가새골조, Type-3 V형 가새골조, 마지막으로 Type-4 모서리 보강 가새골조로 이루어져있다.
- 기둥주근의 상․하부에 스트레인 게이지를 부착하여 반복-횡력에 대한 기둥철근의 변형률을 계측하기 위해 게이지를 부착하였다. 콘크리트 타설 중에 발생하는 손상을 감안하여 한 부위에 2개씩 총 8개를 부착하였다.
- 실험체에 사용된 콘크리트는 1종 보통콘크리트로, 굵은 골재의 최대치수를 25㎜로 하고 시공연도를 높이기 위해 콘크리트용 고로슬래그미분말을 25%(KSF 2563)를 사용하였으며, 슬럼프 값은 80㎜로 하였고, 보-기둥 및 기초의 콘크리트 배합표는[Table 5]로 동일한 배합비율을 갖는다. 콘크리트의 설계기준강도는 24㎫인 레디믹스콘크리트를 사용하였고, KS F 2403에 따라 제작한 공시체는 대기양생과 수중양생 2가지로 실험하여 비교하였다. [Table 4]은 표준공시체 압축강도 실험에 대한 결과표이다.
대상 데이터
- 실험체에 사용된 철근 및 배근간격에 대한 상세내용5) 은 [Table 8]과 같다. 보강 철골은 [Table 7]에서 제시된 SS400강재를 사용하였으며 [Table 6]는 철근 및 철골의 재료적 특성이다. 철골보강 상세도는 위의 [Fig.
- 우리나라 대부분의 학교건축물은 지진력에 저항하는 횡력저항시스템으로 철근콘크리트 모멘트 연성골조로 되어 있다. 본 연구에서는 이를 반영하여 4가지 Type의 실험체를 제작하였다. 첫째는, 보와 기둥만이 있는 일반 기본형 골조이며 나머지 실험체는 일반 기본형 골조 내부에 강재로 보강한 형태로 제작하였다.
- 22㎜씩 증가하며 가력한다. 실험은 총 14단계까지 진행되었다. 이를 통해 최대내력 및 강성과 에너지소산능력을 비교분석하여 내진성능을 평가하였다.
- 실험체에 사용된 콘크리트는 1종 보통콘크리트로, 굵은 골재의 최대치수를 25㎜로 하고 시공연도를 높이기 위해 콘크리트용 고로슬래그미분말을 25%(KSF 2563)를 사용하였으며, 슬럼프 값은 80㎜로 하였고, 보-기둥 및 기초의 콘크리트 배합표는[Table 5]로 동일한 배합비율을 갖는다. 콘크리트의 설계기준강도는 24㎫인 레디믹스콘크리트를 사용하였고, KS F 2403에 따라 제작한 공시체는 대기양생과 수중양생 2가지로 실험하여 비교하였다.
- 첫째는, 보와 기둥만이 있는 일반 기본형 골조이며 나머지 실험체는 일반 기본형 골조 내부에 강재로 보강한 형태로 제작하였다. 실험체의 보강방법으로는 Type-2 역V형 가새골조, Type-3 V형 가새골조, 마지막으로 Type-4 모서리 보강 가새골조로 이루어져있다. 위의 4가지 실험체의 실험결과를 토대로 기본형 골조와 나머지 철골가새로 보강된 골조의 내력 및 파괴형상을 비교하고, 보강된 요소들이 얼마만큼의 내진성능에 영향을 미치는지 구조물의 연성 및 에너지 소산을 검토하였다.
- 기본형 골조에 외부 프레임 접합 시 앵커볼트를 사용하는 경우 기존 건축물에 손상을 주기 때문에 손상을 미연에 방지하기 위해 보강철골과 콘크리트 접합면 사이에 앵커볼트 대신 에폭시를 사용하여 접합하였다. 에폭시는 석재용 에폭시 G-5050의 주제와 경화제를 1대1 비율로 혼합하여 사용하였다. 에폭시에 대한 재료적 특성은 [Table 9]과 같다.
- 전체 실험모델의 기초 주근은 HD22를 사용하였고, 보와 기둥은 주근은 HD10을 사용하였으며, 스터럽 및 후프철근은 HD10을 사용하였다. 실험체에 사용된 철근 및 배근간격에 대한 상세내용5) 은 [Table 8]과 같다.
성능/효과
- 1) 기본형 실험체의 최종 파괴는 최대층간변위 152.70㎜에서 20.34kN의 내력시점에서 발생하였다. 구조물의 파괴시까지 최대 층간변위를 가력한 결과 구조물의 기둥 하부에서 중심부까지 기둥방향의 연직방향으로 균열이 발생한 것으로 나타났고, 접합부에서 파괴되는 양상을 보였다.
- 1) 허용층간변위에서 기본형 골조와 역V형가새 골조, V형 가새골조, 모서리 보강 가새골조의 내력을 비교한 결과 각각 119%, 234%, 243%의 내력증진 효과를 나타났다.
- 2) 역V형 가새골조 실험체의 최종 파괴는 최대층간변위 197.2㎜에서 34.68kN의 내력시점에서 발생하였다. 구조물의 파괴시까지 최대로 층간변위를가력한 결과 구조물의 상부 보 방향의 연직방향으로 균열이 고르게 발생한 것으로 나타났다.
- 2) 최대변위에서 기본형 골조와 역V형가새골조, V형 가새골조, 모서리 보강 가새골조의 내력을 비교한 결과 각각 171%, 236%, 243%의 내력증진 효과를 나타났다. 역V형 가새골조와 V형 가새골조의경우 대등한 보강효과가 나올 것으로 예상하였으나, 역V형 가새골조의 하부 보강프레임을 설치하지 않아 보강가새가 일체로 거동하지 못하여 내력이 적게 나타난 것으로 판단된다.
- 3) V형 가새골조 실험체의 최종 파괴는 최대층간변위 59.70㎜에서 48.02kN의 내력시점에서 발생하였다. 구조물의 파괴시까지 최대층간변위를 가력한 결과 구조물의 기둥 하부에서 중심부까지 기둥방향의 연직방향으로 균열이 고르게 발생하였고, 접합부의 균열이 증가하였으며, 보 상부에 휨균열이 발생하였다.
- 3) 실험체의 연성능력을 비교한 결과 기본형골조에 비해 역V형 가새골조, V형 가새골조의 경우 각각 75%와 98%로 연성이 감소하거나 대등하였고, 모서리 보강 가새골조의 경우 연성이 163% 증가된 것을 알 수 있었다.
- 4) 모서리 보강 실험체의 최종 파괴는 최대층간 변위 112.80㎜에서 49.36kN의 내력시점에서 발생하였다. 구조물의 파괴시까지 최대층간변위를 가력한 결과 구조물의 기둥과 보 전체에 기둥방향의 연직방향으로 균열이 고르게 발생하였고, 접합부의 균열이 증가하였다.
- 4) 실험체별 에너지 소산능력을 비교한 결과 기본형 골조와 역V형 가새골조, V형 가새골조, 모서리 보강가새골조의 경우 각각 127%, 125%, 355%상승하였다.
- 5) 실험체 4개를 분석한 결과 내력검토, 연성능력 및 에너지 소산능력을 비교 시 모서리 보강 가새골조가 내진성능 보강공법으로 적절한 것으로 판단된다.
- 내력을 비교한 결과 기본형 골조와 역V형 가새골조의 내력을 비교한 결과 역V형 가새골조가 약 119% 높은 것으로 나타났다. V형 가새골조와 기본형 골조와 비교 시 약 234% 높은 것으로 나타났다. 모서리 보강 가새골 조의 내력은 기본형 골조와 비교 시 약 243% 높은 것으로 나타났다.
- 34kN의 내력시점에서 발생하였다. 구조물의 파괴시까지 최대 층간변위를 가력한 결과 구조물의 기둥 하부에서 중심부까지 기둥방향의 연직방향으로 균열이 발생한 것으로 나타났고, 접합부에서 파괴되는 양상을 보였다.
- 02kN의 내력시점에서 발생하였다. 구조물의 파괴시까지 최대층간변위를 가력한 결과 구조물의 기둥 하부에서 중심부까지 기둥방향의 연직방향으로 균열이 고르게 발생하였고, 접합부의 균열이 증가하였으며, 보 상부에 휨균열이 발생하였다. 가새의 저항으로 기둥의 단부에 발생하는 응력이 기둥전체로 분산되면서 기둥 전체에 균열이 고르게 발생한 것으로 사료되고, 상대적으로 보에 부모멘트가 발생하여 보에 휨균열이 발생한 것으로 사료된다.
- 36kN의 내력시점에서 발생하였다. 구조물의 파괴시까지 최대층간변위를 가력한 결과 구조물의 기둥과 보 전체에 기둥방향의 연직방향으로 균열이 고르게 발생하였고, 접합부의 균열이 증가하였다. 이는 최대층간변위가 과대하게 발생하는 경우 내부 강재의 변형(좌굴)으로 인해 상대적으로 보에 부모멘트가 발생하여 보 상부에 휨균열이 발생한 것으로 사료된다.
- 68kN의 내력시점에서 발생하였다. 구조물의 파괴시까지 최대로 층간변위를가력한 결과 구조물의 상부 보 방향의 연직방향으로 균열이 고르게 발생한 것으로 나타났다. 이는 횡력 작용 시 횡방향 강재의 좌굴이 발생하여 보의 중심부에서 좌측부분으로 균열이 고르게 발생한 것으로 사료된다.
- [Table 17]는 허용층간변위에서 전체 실험모델에 대한 강도 비교표이다. 내력을 비교한 결과 기본형 골조와 역V형 가새골조의 내력을 비교한 결과 역V형 가새골조가 약 119% 높은 것으로 나타났다. V형 가새골조와 기본형 골조와 비교 시 약 234% 높은 것으로 나타났다.
- 에서도 강축(X방향)에 대한 Steel Damper 및 Oil Damper 보강에 따른 내진성능향상에 대한 내용이 언급이 되었지만, 약축(Y방향)에 대한 보강은 연구에서 크게 언급이 되어 있지 않은 실정이었다. 또한, 내진설계되지않은 기존 철근콘크리트 골조구조물의 내진성능 보강효과2)에서 제시한 와이어 보강, 표준형 시멘트벽돌보강, 강재보강 중 조적벽체와 강재보강이 가장 높은 에너지 소산능력을 보유하고 있음을 보여주었다.
- V형 가새골조와 기본형 골조와 비교 시 약 234% 높은 것으로 나타났다. 모서리 보강 가새골 조의 내력은 기본형 골조와 비교 시 약 243% 높은 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 조적보강실험체는 비교하지 않았으나 Type4가 최대변위에서 243%의 내력효과를 보였는데 이는 기존연구에서의 모서리 헌치 보강시험체(E-H)와 비슷한 형태를 띄고 있으나 기존연구에서의 모서리 헌치 보강시험체(E-H)보다 Type4가 골조프레임보강이 전체적으로 되어 일체거동을 통해 내력이 보다 크게 나타난 것으로 판단된다.
- 에너지소산능력을 기준시험체를 100%로 비교하였을 때 초기 에너지소산능력은 E-B시험체가 조적 벽의 파괴로 가장 많은 에너지를 소산시켰고, 강재계열 보강시험체들은 단계별로 급격한 변화없이 지속적으로 에너지 소산량을 상승시켰다. 실험종료시까지 에너지소산능력을 비교해보면 E-W, E-H, E-X, E-K시험체의 순으로 에너지 소산능력이 우수한 것으로 나타났다. 이는 본 연구의 실험체와 비교하였을 때 Type4와 비슷한 형태의 E-H실험체가 꽤 우수한 에너지 소산능력을 나타내고 있음을 알 수 있으며, Type4가 355%의 에너지 소산능력이 향상함을 보았을 때 Type4가 적절한 보강방법으로 판단된다.
- 에너지소산능력을 기준시험체를 100%로 비교하였을 때 초기 에너지소산능력은 E-B시험체가 조적 벽의 파괴로 가장 많은 에너지를 소산시켰고, 강재계열 보강시험체들은 단계별로 급격한 변화없이 지속적으로 에너지 소산량을 상승시켰다. 실험종료시까지 에너지소산능력을 비교해보면 E-W, E-H, E-X, E-K시험체의 순으로 에너지 소산능력이 우수한 것으로 나타났다.
- 역V형 가새골조와 V형 가새골조의 내력 비교시 대등할 것으로 판단하였으나, V형 가새골조가 역V 형 가새골조에 비해 97%정도 내력이 크게 나타났다. 이는 외부 프레임 중 하부 프레임이 없어 내부 보강프레임이 일체로 거동하지 못한 것으로 사료된다.
- 실험종료시까지 에너지소산능력을 비교해보면 E-W, E-H, E-X, E-K시험체의 순으로 에너지 소산능력이 우수한 것으로 나타났다. 이는 본 연구의 실험체와 비교하였을 때 Type4와 비슷한 형태의 E-H실험체가 꽤 우수한 에너지 소산능력을 나타내고 있음을 알 수 있으며, Type4가 355%의 에너지 소산능력이 향상함을 보았을 때 Type4가 적절한 보강방법으로 판단된다.
- 기존연구에 대한 동향”에서 언급한 연구의 최대내력 및 최대내력비를 나타낸다. 이를 통해 보강시험체의 기준시험체에 따른 내력보강능력을 볼 수 있으며 내력비에 따르면 조적보강시험체(E-B)가 (+)방향에서 기준시험체보다 247% 로 가장 우수한 내력능력을 보였으며, X형 가새보강 시험체(E-X)가 222%로 그에 못지 않은 내력을 보였다.
- 이는 외부 프레임 중 하부 프레임이 없어 내부 보강프레임이 일체로 거동하지 못한 것으로 사료된다. 최대 변위에서는 모서리 보강 가새골조와 V형가새골조가 가장 높은 내력을 발휘하는 것으로 나타났다. [Fig.
- 아래의 [Table 18]은 최대층간변위에 대한 최대 내력을 비교분석한 표이다. 표에서 볼 수 있듯이 역V형 가새골조의 경우 약 171%의 내력증진효과가 나타났고, V형 가재골조의 경우 약 236%의 내력증진효과를 볼 수 있었으며, 모서리 보강 가새골조의 경우 약 243%의 내력증진효과를 볼 수 있었다.
- 골조상단의 경우 하중-변형률 포락선에서 연성적인 거동을 비교할 수 없었고, 골조하단의 경우에 연성적인 거동을 비교할 수 있었다. 하중-변형률 곡선에서 나타난 것과 같이 모서리 보강 가새 골조가 가장 연성적인 거동을 보이는 것으로 나타났다.
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