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문제 정의
- 따라서 이 연구는 지진시 노후화된 학교건물 기둥의 전단파괴가 예상되는 기둥 실험체을 가정하여 부착 및 래핑형 복합재료 보강재를 적용하여 전단능력 향상과 에너지 소산능력을 평가하여 실제학교건물에 적용하여 검증하는 것에 목적이 있다. 이를 위해 부착 및 래핑형 보강재를 적용한 실험체의 전단보강 성능을 확인하기 위하여 축하중과 동시에 횡하중을 가력실험 수행하였다.
제안 방법
- 실험 시작과 동시에 2개의 수직 하중 가력장치를 이용하여 실험체에 수직하중을 가력하였으며, 이어서 수평하중 가력장치로 5 mm/min의 변위제어로 push over 하중을 가력 하였다. 반복가력실험이 보다 더 정확히 검증할 수 있으나 일반적인 기둥 요소 같은 경우에 반복거동의 각 반복에서의 정점을 연결한 곡선과 push over곡선이 거의 일치함으로 이 실험에서는 실험체의 거동을 분석하기 위하여 수평하중과 나란히 LVDT를 설치하였으며, 로드셀과 LVDT에 의해 측정된 수평하중과 변위는 데이터로거를 통하여 기록되었다.10-15)
- 복합 재료(B2, CB)로 보강된 기둥의 전단보강효과를 확인하기 위하여 기준 실험체를 포함하여 총 3개의 실험체를 제작하였으며, 실험체 크기 및 철근 배근 상세를 Fig. 3에 나타내었다. 콘크리트 기둥부 단면은 실제기둥 크기의 3/4 크기로 축소된 300×380 mm의 단면크기로 제작되었으며, 콘크리트 강도는 21 MPa, 철근항복강도는 400 MPa로 설계되었다.
- 6은 실험체 가력 장치 및 실험체 설치 모습을 나타낸다. 실험 시작과 동시에 2개의 수직 하중 가력장치를 이용하여 실험체에 수직하중을 가력하였으며, 이어서 수평하중 가력장치로 5 mm/min의 변위제어로 push over 하중을 가력 하였다. 반복가력실험이 보다 더 정확히 검증할 수 있으나 일반적인 기둥 요소 같은 경우에 반복거동의 각 반복에서의 정점을 연결한 곡선과 push over곡선이 거의 일치함으로 이 실험에서는 실험체의 거동을 분석하기 위하여 수평하중과 나란히 LVDT를 설치하였으며, 로드셀과 LVDT에 의해 측정된 수평하중과 변위는 데이터로거를 통하여 기록되었다.
- 이 연구에서 구조보강설계는 Table 3, Fig. 11∼13의 기둥내진보강 실험 결과를 바탕으로 내진성능 1차 평가 결과에 따라 단면성능이 부족한 각각의 기둥에 대하여 보강재를 부착형은 main-bar(HD19-6EA) 및 래핑형은 hoop-bar(@100 mm)로 치환, 보강을 통해 상용프로그램인 Midas를 이용하여 보강설계를 수행하였다.
- 이 장에서는 기존 학교구조물의 내진보강설계예제를 통하여 이 연구에서 제시한 부착 및 래핑형의 복합소재 보강재를 적용하여 내진보강성능 평가를 상용프로그램 (MIDAS)으로 수행하여 그 결과를 비교, 고찰하고자 한다.
- 따라서 이 연구는 지진시 노후화된 학교건물 기둥의 전단파괴가 예상되는 기둥 실험체을 가정하여 부착 및 래핑형 복합재료 보강재를 적용하여 전단능력 향상과 에너지 소산능력을 평가하여 실제학교건물에 적용하여 검증하는 것에 목적이 있다. 이를 위해 부착 및 래핑형 보강재를 적용한 실험체의 전단보강 성능을 확인하기 위하여 축하중과 동시에 횡하중을 가력실험 수행하였다. 실험 결과를 토대로 하중-변위 곡선을 작성하여 전단보강을 통한 기둥의 보강효과를 비교·분석하였다.
- 지진 발생시 전단파괴가 예상되는 기둥의 전단보강 효과를 확인하기 위하여 실험체를 제작하였으며, 부착 및 래핑형 보강재로 보강 후 축력 하에 횡하중 가력 실험을 수행하였다. 또한 설계 예를 들어 고찰하였고 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 보강재는 사다리꼴 형상의 알루미늄 중공단면과 유리섬유복합체로 이루어진 부착형 보강재(B2)와 ‘ㄷ’ 형상의 유리섬유복합체의 래핑형 보강재(CB)이다.
- 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 실제기둥 크기의 3/4 크기로 축소된 300×380 mm의 단면크기로 제작되었으며, 콘크리트 강도는 21 MPa, 철근항복강도는 400 MPa로 설계되었다.
데이터처리
- 실험 결과를 토대로 하중-변위 곡선을 작성하여 전단보강을 통한 기둥의 보강효과를 비교·분석하였다.
이론/모형
- 와 비교하여 80∼504% 증가하였으며, 전단보강이 되지 않은 기준 실험체의 경우 보강된 실험체보다 크게는 5배 이상의 차이를 나타내고 있다. 따라서 이 논문에서 복합재료빔의 전단기여도 및 설계절차는 ACI-manual of concrete practice(2012) 440.2R에 준하여 전단내력을 11.1 ton으로 산정 하였다.
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 15～32%이며, 최대강도 시 변위 증가율은 34～235%로 나타났다.
- 3) 부착 및 래핑형 보강재로 보강된 실험체의 에너지 소산능력이 증가하였으며, 증가율은 80～504%로 나타났다.
- 4) 실험체의 강도, 변위 및 에너지소산능력 보강 효과를 고려하였을때, CB 보강재의 보강효과가 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 5) 내진 보강 후 구조물의 안전성검토 결과 지진하중에 대해서 모든 부재가 목표성능(LS)을 만족하며, 층간변위역시 허용기준치(2%)를 만족하는 것으로 검토되어 부착 및 래핑형 복합소재 보강재 의한 내진보강은 학교시설내진보강의 한 방법이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이후 실험체가 항복내력에 도달하면서 전단균열이 보강재를 제외한 부분에서 나타났지만, 전단균열의 크기가 작았으며, 변위가 크게 발생되면서 기존의 휨균열이 크게 확산되었다. CB 보강실험체는 기준실험체와 비교하여 전단균열이 크게 감소한 것으로 나타났으며, 휨균열 및 주철근의 항복으로 인한 휨파괴로 최종 확인되었다.
- Fig. 21, 22와 같이 X, Y방향에 대해서 보강을 실시한 후 push over 해석을 실시한 결과 성능점이 각각 STEP 21∼22, STEP 12∼13단계에서 형성되는 것으로 나타났다.
- X, Y 방향에 대해서 복합소재 내진보강공법을 적용한 후 PUSH-OVER 해석을 수행한 결과 Fig. 20과 같이 각각의 방향에 대해서 성능점이 형성되었으며, 각각의 성능 곡선에서의 최대 밑면전단력은 X방향은 6722 kN으로, Y 방향은 5818 kN으로 나타났으며, 그때의 변위는 각각 52.4 mm 및 36 mm로 검토되었다.
- 하중-변위 관계에서 Ref. 기준 실험체는 변위가 발생되면서 하중이 증가하다가 최대하중에 도달하는 순간 하중이 급격하게 감소하는 취성파괴가 나타났으며, B2-1, B2-2 및 CB 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 있었고, 부착형 보강재 B2보다는 래핑형 보강재 CB가 전단보강에 더욱 효과적인 것을 알 수 있다.
- 지진 이후 일본 건축학회의 조사에 의하면 일본 효고현 남부지진으로 피해를 입은 대부분의 구조물들은 일본내진규준이 제정되기 이전에 설계된 구조물로서 철근 콘크리트 구조물만을 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 전통가옥 들은 거의가 피해를 입었던 것으로 보아, 우리나라 저층 건물에 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 구조물과 내진설계가 의무화되지 않은 구조시스템에 대해서는 이와 같은 지진이 발생할 경우 가공할 만한 피해가 우려된다.
- 보강된 실험체는 기준 실험와 비교하여 15∼31% 하중증가율을 나타냈으며, CB 실험체가 31% 하중증가율로 가장 큰 강도증가 효과를 나타내었다.
- 기준 실험체는 변위가 발생되면서 하중이 증가하다가 최대하중에 도달하는 순간 하중이 급격하게 감소하는 취성파괴가 나타났으며, B2-1, B2-2 및 CB 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 있었고, 부착형 보강재 B2보다는 래핑형 보강재 CB가 전단보강에 더욱 효과적인 것을 알 수 있다.
- 21, 22와 같이 X, Y방향에 대해서 보강을 실시한 후 push over 해석을 실시한 결과 성능점이 각각 STEP 21∼22, STEP 12∼13단계에서 형성되는 것으로 나타났다. 이 성능점에서의 HINGE 분포상태는 2400년 재현주기 2/3의 성능목표인 LS(LIFE SAFETY)기준을 만족시키는 것으로 검토되었다.
- 실험 초기에 하중이 재하되면서 기둥 인장부에 휨 균열이 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.
- 다른 실험체와 마찬가지로 초기에 하중이 증가하면서 휨균열이 미세하게 발생하였으며, 하중이 증가하면서 눈에 띄는 균열은 나타나지 않았다. 이후 실험체가 항복내력에 도달하면서 전단균열이 보강재를 제외한 부분에서 나타났지만, 전단균열의 크기가 작았으며, 변위가 크게 발생되면서 기존의 휨균열이 크게 확산되었다. CB 보강실험체는 기준실험체와 비교하여 전단균열이 크게 감소한 것으로 나타났으며, 휨균열 및 주철근의 항복으로 인한 휨파괴로 최종 확인되었다.
- 2) 전단 보강된 실험체는 보강되지 않은 기준실험체와 비교하여 최대하중과 최대 변위 모두 증가하였다. 최대 강도 증가율은 15～32%이며, 최대강도 시 변위 증가율은 34～235%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 탈락현상이 발생된 것으로 보아 실험체 최종파괴의 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 탈락현상이 발생된 것으로 보아 실험체 최종파괴의 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 진행되지않고 전단균열이 발생하였다. 항복하중 내력 이후 전단균열이 급격히 확산되었으며, 전단균열의 폭이 크게 증가하면서 최종파괴가 나타났다.
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