긴급시공이 가능한 FRP 복합재료 보강재로 보강된 기둥의 내진성능평가 An Performance Evaluation of Seismic Retrofitted Column Using FRP Composite Reinforcement for Rapid Retrofitting원문보기
최근 빈번하게 발생하는 대규모의 지진으로 구조물의 내진보강에 관심이 높아지고 있다. 내진설계가 반영되지 않은 기둥의 취성파괴는 구조물 전체 붕괴를 유발하기 때문에 내진보강이 필수적이다. 기존에는 단면증설법, 강판보강법, 섬유보강법이 내진보강법으로 주로 이용되었다. 하지만 이 보강법들은 구조물의 물리적 손상과 넓은 작업공간, 오랜 시간이 소요되는 단점이 있다. 이에 이 연구에서는 기존에 개발된 FRP 보강재의 보강 성능을 평가하였다. 대상 시험체는 학교건물을 실험실 여건에 맞춰 80% 축소하여 제작하였다. 보강재의 재료를 유리섬유와 알루미늄 다공판을 사용하여 보강재를 제작하였다. 평가 결과 두 종류의 보강재를 사용한 모두에서 시험체의 내진성능이 증가하였다.
최근 빈번하게 발생하는 대규모의 지진으로 구조물의 내진보강에 관심이 높아지고 있다. 내진설계가 반영되지 않은 기둥의 취성파괴는 구조물 전체 붕괴를 유발하기 때문에 내진보강이 필수적이다. 기존에는 단면증설법, 강판보강법, 섬유보강법이 내진보강법으로 주로 이용되었다. 하지만 이 보강법들은 구조물의 물리적 손상과 넓은 작업공간, 오랜 시간이 소요되는 단점이 있다. 이에 이 연구에서는 기존에 개발된 FRP 보강재의 보강 성능을 평가하였다. 대상 시험체는 학교건물을 실험실 여건에 맞춰 80% 축소하여 제작하였다. 보강재의 재료를 유리섬유와 알루미늄 다공판을 사용하여 보강재를 제작하였다. 평가 결과 두 종류의 보강재를 사용한 모두에서 시험체의 내진성능이 증가하였다.
As increasing number of large-size earthquake around Korean peninsula, many interests have been focused to the earthquake strengthening of existing structures. The brittle fracture of Non-seismic designed columns lead to full collapse of the building. In the past, cross-sectional extension method, a...
As increasing number of large-size earthquake around Korean peninsula, many interests have been focused to the earthquake strengthening of existing structures. The brittle fracture of Non-seismic designed columns lead to full collapse of the building. In the past, cross-sectional extension method, a steel plate reinforcing method and fiver-reinforced method are applied to Seismic Rehabilitation Technique mainly. However, the reinforcement methods have drawbacks that induce physical damage to structures, large space, long duration time. So, in this study, performance evaluation of previously developed FRP seismic reinforcement which do not induce physical damage and short duration time was enforced. The specimens were constructed with 80% downscale. FRP seismic reinforcement are manufactured of glass fiber or aluminum plate with holes and glass fiber. From the experiment results, seismic performance of specimens which reinforced with FRP seismic reinforcement were increased.
As increasing number of large-size earthquake around Korean peninsula, many interests have been focused to the earthquake strengthening of existing structures. The brittle fracture of Non-seismic designed columns lead to full collapse of the building. In the past, cross-sectional extension method, a steel plate reinforcing method and fiver-reinforced method are applied to Seismic Rehabilitation Technique mainly. However, the reinforcement methods have drawbacks that induce physical damage to structures, large space, long duration time. So, in this study, performance evaluation of previously developed FRP seismic reinforcement which do not induce physical damage and short duration time was enforced. The specimens were constructed with 80% downscale. FRP seismic reinforcement are manufactured of glass fiber or aluminum plate with holes and glass fiber. From the experiment results, seismic performance of specimens which reinforced with FRP seismic reinforcement were increased.
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문제 정의
이 연구에서는 긴급시공이 가능한 내진 보강재를 개발하고 내진성능 증가 효과를 실험을 통하여 평가하였다. 긴급 시공이 가능한 내진보강재를 이용한 기둥보강은, 기존 보강법의 시공시간, 공간확보, 자중증가, 양생기간, 시공성 등이 개선되어 긴급보강이 가능하고 협소한 장소에서 시공이 용이하며 벽체를 허물지 않고 작업을 할 수 있다.
따라서 빠른 시간 내 보수, 보강이 가능하고, 기존 기둥에 대한 손상이 적으며, 제작 및 시공경비면에서 기존의 보강방법과 구별되는 신속한 시공이 가능한 보강공법이 필요하다. 이에 이 연구에서는 앵커를 삽입하거나 용접작업을 필요치 않아 긴급한 보수가 가능한 보강재를 개발하였다.
해석을 통한 각 시험체의 연성비를 구하여 실험 결과와 비교하고자 하였다. Table 9에서는 해석을 통하여 획득한 각 시험체의 최대하중, 항복변위 및 최대변위를 이용하여 연성을 계산하고 있다.
ABAQUS를 이용한 유한요소해석에서, 콘크리트는 8개 절점을 갖는 고체요소로 3차원 유한요소 모델링을 하였다. 철근과 콘크리트는 완전부착으로 가정하였고, 복합재료는 쉘요소로 모델링 하였다. 복합재료는 콘크리트와 완전부착으로 가정하였다.
제안 방법
제작한 보강판은 Fig. 1(a)와 같이 ㄷ자 형태로 이루어져있고 두 개의 보강판을 체결하기 위하여 ㄷ자 끝부분에 체결부를 제작하였다. 체결부는 Fig.
ABAQUS를 이용한 유한요소해석에서, 콘크리트는 8개 절점을 갖는 고체요소로 3차원 유한요소 모델링을 하였다. 철근과 콘크리트는 완전부착으로 가정하였고, 복합재료는 쉘요소로 모델링 하였다.
대상건물의 실제 기둥단면과 시험체 기둥단면을 비교하여 Table 2에 나타내었다. 내진보강성능을 반복가력 구조시험을 통하여 평가하였다.
긴급 시공이 가능한 내진보강재를 이용한 기둥보강은, 기존 보강법의 시공시간, 공간확보, 자중증가, 양생기간, 시공성 등이 개선되어 긴급보강이 가능하고 협소한 장소에서 시공이 용이하며 벽체를 허물지 않고 작업을 할 수 있다. 시험체는 비내진 설계된 학교 건물의 기둥을 참고하여 제작하였고, 시험체를 보강재로 보강하여 반복 횡하중 시험을 실시하였다. 보강재는 알루미늄 다공판과 유리섬유를 혼합 적층한 보강재와 유리섬유만을 적층한 보강재의 두 종류를 선택하였다.
시험체의 경계조건은 철근콘크리트 프레임의 하부 단부를 고정시켰고, 모델링된 시험체를 실험조건과 동일하게 하부 스터브를 구속하고, 상부 스터브에 축력 (0.1×fck×Ag) 및 횡변위하중을 도입하여 해석을 수행하였다.
시험체의 보강은 Fig. 4에 나타난 바와 같이 기초에서 75 mm의 위치에 75 mm의 보강판을 125 mm간격으로 4개 부착하여 보강 시험체를 설계하였다.
보강재는 알루미늄 다공판과 유리섬유를 혼합 적층한 보강재와 유리섬유만을 적층한 보강재의 두 종류를 선택하였다. 시험체의 휨강도와 부재 연성을 통하여 내진성능을 평가하였다.
실험 시작 전 기둥과 액츄에이터 가력부를 볼트 및 너트를 이용하여 고정한 후 실험 시작 시 두 개의 인장잭을 이용하여 시험체에 0.1×Ag×fck만큼의 축력이 일정하게 가력되도록 하중제어하였다.
중심 축하중이 시험체에 정확하게 전달되고 기둥상부의 지압파괴를 방지하기 위해 상단에 하중 가력장치를 설계하였다. 압축력을 받고 있는 상황에서 횡방향 가력을 위해 가력판과 기둥상단부를 볼트와 너트로 고정시켰다. 시험체 가력장치 상세는 Fig.
기존 구조물에서 기둥의 순 높이는 3 미터이다. 이 연구에서는 단곡률 실험을 계획하였고, 시험체의 높이는 기존 기둥부재 높이의 절반을 고려하여 결정하였다. 시험체의 단면은 기존 기둥의 80% 크기로 제작하였다.
보강재의 보강판은 유리섬유만을 적층한 것과 알루미늄 다공판과 유리섬유를 혼합 적층한 것으로 두개를 제작하였다. 제작된 알루미늄 복합재료와 유리섬유 복합재료는 인장시험을 실시하였였다. Fig.
중심 축하중이 시험체에 정확하게 전달되고 기둥상부의 지압파괴를 방지하기 위해 상단에 하중 가력장치를 설계하였다. 압축력을 받고 있는 상황에서 횡방향 가력을 위해 가력판과 기둥상단부를 볼트와 너트로 고정시켰다.
ORC의 경우 강도나 하중-변위 곡선의 전체적인 양상이 유사하게 나타난다. 하지만 보강 시험체의 경우 보강재를 정확하게 모델링 할 경우 해석이 진행되지 않아 보강재를 단순하게 모델링하여 해석을 실시하였다. 해석 결과에서 실험 결과와 다소 차이가 있으나 전체적인 거동 특성이나 최대하중, 초기강성이 유사하게 나타남을 확인할 수 있다.
대상 데이터
긴급시공 내진 보강재의 내진성능을 평가하기 위하여 비내진 상세를 가지는 국내 기존 철근콘크리트 학교 건물의 골조를 보강 대상으로 선정하였다. 기존 구조물에서 기둥의 순 높이는 3 미터이다.
시험체는 비내진 설계된 학교 건물의 기둥을 참고하여 제작하였고, 시험체를 보강재로 보강하여 반복 횡하중 시험을 실시하였다. 보강재는 알루미늄 다공판과 유리섬유를 혼합 적층한 보강재와 유리섬유만을 적층한 보강재의 두 종류를 선택하였다. 시험체의 휨강도와 부재 연성을 통하여 내진성능을 평가하였다.
보강재의 보강판은 유리섬유만을 적층한 것과 알루미늄 다공판과 유리섬유를 혼합 적층한 것으로 두개를 제작하였다. 제작된 알루미늄 복합재료와 유리섬유 복합재료는 인장시험을 실시하였였다.
시험체 단면은 Fig. 3과 같이 300×380 mm2의 장방형 기둥으로 전체 높이 2040 mm, 하부 기초 높이 640 mm, 기둥높이 1000 mm로 하였다.
이 연구에서는 단곡률 실험을 계획하였고, 시험체의 높이는 기존 기둥부재 높이의 절반을 고려하여 결정하였다. 시험체의 단면은 기존 기둥의 80% 크기로 제작하였다. 대상건물의 실제 기둥단면과 시험체 기둥단면을 비교하여 Table 2에 나타내었다.
0105 m/mm2 이다. 콘크리트는 24 MPa, 주철근은 4-D16와 4-D22, 횡보강근은 D10으로 계획하였다. 철근은 이음이 없는 연속철근으로 제작되었다.
데이터처리
이러한 정적가력해석은 변위 증가에 따른 구조물의 거동을 효과적으로 반영한다. 해석을 위하여 상용프로그램인 ABAQUS를 사용하였다.3,11-13)
이론/모형
철근의 트러스 요소에 적용된 구성모델 Fig. 12(a)와 같이 철근의 비선형을 고려하여 완전 소성 모델(Perfectly Plastic Model)을 사용하였다. 고성능 유리섬유복합재료 보강판은 Fig.
콘크리트의 솔리드 요소에 적용시킨 구성 모델은 압축과 압축상태의 콘크리트의 파괴거동을 알 수 있는 콘크리트 손상소성모델(concrete damaged plastic model)을 사용하였다. 이 모델은 손상-소성 구성모델로 Lubliner et al14)에 의해서 처음으로 제안되었고 Lee와 Fenvas15)에 의해서 개선된 모델이다.
성능/효과
1) 비보강 시험체의 최대강도에 비하여 AL-75는 약 1.24배, GL-75는 약 1.06배 증가하였다. 최대변위는 AL-75는 약 1.
2) 누적에너지소산능력은 비보강 시험체에 비하여 AL-75는 약 4.39배, GL-75는 약 2.31배 증가하였다. 제작한 보강재로 보강함으로써 누적에너지소산능력이 향상됨을 통해 내진보강재로써 충분한 성능을 발휘함을 알 수 있다.
3) 알루미늄 다공판의 사용으로 보강재의 횡방향 인장력과 전단력이 증가되어 콘크리트 구속이 증가되고 기둥의 파괴가 지연되었다.
4) 비선형 유한요소 해석 결과 비보강 시험체의 경우 실험과 유사한 하중-변위 곡선이 나타난다. 하지만 보강 시험체의 경우 보강재의 모델링의 차이로 인하여 다소 차이를 보이지만, 초기강성이나 최대강도, 전체적 거동양상은 유사하게 나타남을 알 수 있다.
14(b), (c)와 같다. 기둥 상단 변위가 증가할수록 기둥부 인장 주철근에 응력이 다른 철근에 비하여 크게 작용하였으며, 특히 기둥의 위험단면지역의 철근에 응력이 집중되는 것을 알 수 있다. 해석은 주철근 항복이후 전단철근의 항복이후에 종료되었다.
14(b), (c)와 같다. 기둥 상단 변위가 증가할수록 기둥부 인장 주철근에 응력이 다른 철근에 비하여 크게 작용하였으며, 특히 기둥의 위험단면지역의 철근에 응력이 집중되는 것을 알 수 있다. 해석은 주철근 항복이후 전단철근의 항복이후에 종료되었다.
복합재료 보강재에 의하여, 시험체의 전단력이 증가하여 시험체가 가진 휨강도를 최대한 발휘하여 최대강도가 증가한 것으로 판단된다. 또한, 최대 변위도 증가하여 연성능력도 증가하였다. 최종적으로, 시험체의 파괴 형태가 전단파괴에서 휨파괴로 변화되었다.
15(a)와 같다. 변위가 증가하기 시작하자 기초와 기둥 접합부에서는 보강재가 없는 곳에서 휨균열이 발생하였고 변위가 증가될수록 휨균열과 전단균열이 같이 진행되었다. 이후 보강재가 부착된 콘크리트 내부로 균열이 진행되었고 ORC와 마찬가지로 기둥의 위험단면에 집중적으로 균열이 발생하였다.
14(a)와 같다. 변위가 증가하기 시작하자 기초와 기둥 접합부에서는 휨균열이 주도적으로 발생하였고 변위가 증가될수록 휨균열과 전단균열이 같이 진행되어 점차 기둥 중앙부로 전이되는 것을 확인할 수 있다. 기둥의 위험단면에 집중적으로 균열이 발생하였다.
Table 6은 최종 누적에너지소산능력과 보강후 증가된 누적에너지소산능력의 비를 나타내고 있다. 보강 시험체는 비보강 시험체에 비하여 누적에너지 소산 능력이, AL-75는 약 4.39배, GL-75는 약 2.31배 증가하는 것으로 나타났다.
Table 5는 시험체별 최대강도와 최대변위, 항복변위를 나타낸 것이다. 보강 시험체는 비보강 시험체에 비하여 최대강도가 AL-75는 약 1.24배, GL-75는 약 1.06배 증가하였다. 최대변위는 AL-75의 경우 약 1.
보강 시험체의 연성은 비보강 시험체에 비하여 AL-75는 약 1.29배, GL-75는 약 1.51배 증가하였다. AL-75 시험체의 연성이 GL-75 시험체보다 작게 계산된 이유는 AL-75의 항복변위가 크게 측정되었기 때문이다.
보강 시험체들은 균열의 발생이 ORC에 비하여 줄어들고, 최대 변위가 증가하였다. 시험체의 최종 파괴는, AL-75의 경우 알루미늄 체결부와 복합재료의 결합부분 파괴가, GL-75의 경우 복합재료 보강판의 모서리부분의 파괴가 발생하였다. GL-75의 복합재료 모서리부 파괴를 미루어 볼 때, AL-75의 알루미늄 체결부 톱니부분의 강도는, 알루미늄판과 FRP로 제작된 복합재료 판의 강도보다 약한 것으로 판단된다.
31배 증가하였다. 제작한 보강재로 보강함으로써 누적에너지소산능력이 향상됨을 통해 내진보강재로써 충분한 성능을 발휘함을 알 수 있다.
06배 증가하였다. 최대변위는 AL-75는 약 1.68배, GL-75는 약 1.37배 증가하였다. 연성비의 경우 AL-75는 약 1.
또한, 최대 변위도 증가하여 연성능력도 증가하였다. 최종적으로, 시험체의 파괴 형태가 전단파괴에서 휨파괴로 변화되었다.
하지만 보강 시험체의 경우 보강재를 정확하게 모델링 할 경우 해석이 진행되지 않아 보강재를 단순하게 모델링하여 해석을 실시하였다. 해석 결과에서 실험 결과와 다소 차이가 있으나 전체적인 거동 특성이나 최대하중, 초기강성이 유사하게 나타남을 확인할 수 있다. 각 시험체별 실험과 해석에 의한 최대 강도를 Table 8에 정리하였다.
Table 9에서는 해석을 통하여 획득한 각 시험체의 최대하중, 항복변위 및 최대변위를 이용하여 연성을 계산하고 있다. 해석에서는 보강 시험체의 연성은 비보강 시험체에 비하여 AL-75는 약 1.29배, GL-75는 약 1.47배 증가하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존에 주로 사용된 내진보강법에는 어떤 것이 있는가?
내진설계가 반영되지 않은 기둥의 취성파괴는 구조물 전체 붕괴를 유발하기 때문에 내진보강이 필수적이다. 기존에는 단면증설법, 강판보강법, 섬유보강법이 내진보강법으로 주로 이용되었다. 하지만 이 보강법들은 구조물의 물리적 손상과 넓은 작업공간, 오랜 시간이 소요되는 단점이 있다.
섬유보강공법이란 무엇인가?
내진성능보강공법 중의 하나인 섬유보강공법은 재료가 경량이며 시공이 용이하고 내부식성 등으로 인하여 강판부착공법에 비해 선호되고 있는 공법이다. 특히 탄소섬유와 유리섬유를 사용한 FRP(fiber reinforced polymer)를 적용한 콘크리트 구조물의 보수 · 보강공법은 1990년 대부터 많은 연구가 진행되어 왔다.
기존에 사용된 내진보강법의 단점은 무엇인가?
기존에는 단면증설법, 강판보강법, 섬유보강법이 내진보강법으로 주로 이용되었다. 하지만 이 보강법들은 구조물의 물리적 손상과 넓은 작업공간, 오랜 시간이 소요되는 단점이 있다. 이에 이 연구에서는 기존에 개발된 FRP 보강재의 보강 성능을 평가하였다.
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