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문제 정의
- 본 연구에서 제안한 CFCC X-브레이싱 내진보강 공법의 내진보강 효과를 검증한 목적으로 중⋅저층 RC 건물의 골조 모형실험체를 대상으로 반복가력 구조실험을 실시하여 그 내진보강 성능을 평가하였다.
- 본 연구에서는 상기 CFCC의 우수한 재료 강도특성과경량성 등을 고려하여 CFCC X-브레이싱을 이용한 기존 중⋅저층 RC 건물의 내진보강 공법을 개발하였다.
- 본 연구에서는 평판형 및 돌출형 CFCC를 이용한 X-브레이싱 내진보강법을 제안하였다. 또한, CFCC X-브레이싱 내진보강 공법의 내진보강 효과를 검증할 목적으로 비내진상세를 가지는 국내 기존 RC 학교건물의 골조를 대상으로 실험체를 제작하여 반복가력 구조실험을 실시하여 그 내진보강 성능을 평가하였다.
제안 방법
- CFCC X-브레이싱 내진보강공법의 내진성능 효과를 검증할 목적으로 비내진상세를 가지는 국내 기존 RC 학교건물의 골조를 대상으로 실험체를 제작하여, CFCC X-브레이싱 공법의 내진보강성능을 반복가력 구조실험을 통하여 평가하였다.
- 3에는 본 연구에서 제안한 CFCC X-브레이싱을 이용한 기존 RC 건물의 내진보강공법을 나타낸다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 평판형 (Flat Plate Type) 및 돌출형 (Nonembeddable Type) 2가지 공법을 제안하였으며, CFCC를 수평하중에 저항 할 수 있는 X-브레이스 형태로 시공하고, 그 단부를 접합용 철물로 기계적으로 고정시킴과 동시에 최종적으로 볼트식 방법으로 긴장시켜 기존의 구조물을 내진보강하는 방법이다.
- 5에는 실험체에 적용된 하중가력 방법을 나타낸다. Fig. 5와 같이 축력은 실제 기존 골조 (기둥 2개)에 가해지는 축하중인 438 kN을 배분하여 각각의 기둥에 219 kN을 실험체 양쪽에 설치된 300 kN 액츄에이터를 이용하여 일정하게 가력 하였으며, 반력벽에 설치된 500 kN 액츄에이터를 이용하여 변위제어 방식으로 수평하중을 가력 하였다. 횡 변위는 Table 3에 나타낸 것처럼 수평부재각 (R, %)에 따라서 R=2%까지 각 3 cycle씩 단계별로 점증 가력하였다.
- 강재 브레이싱에 대한 연구로서 기본 실험체, 경사 브레이싱, X-브레이싱을 적용한 4, 8, 12, 16층 3D RC 구조모델을 이용하여 비선형 동적해석을 수행하여, X-브레이싱의 내진보강 효과를 검증하였다 (Viswanath et al., 2010). 또한, 브레이싱 시스템의 내진성능개선을 위한 연구로서 모멘트 저항 골조 및 철골 브레이싱이 적용된 골조에 대한 실험적 연구를 통하여 브레이싱 보강의 경우가 외부 지진력에 대해서 강도 및 연성측면에서 우수한 지진저항성능을 나타내는 것으로 평가되었다 (Youssef et al.
- 따라서, 본 연구에서는 상기 X-브레이싱 내진보강 공법의 장점을 충분히 확보하면서 기존 강재브레이스 내진보강법이 가지는 압축 좌굴거동에 자유로우며, 경량의 고강도 재료로 보강 후 추가적인 중량증가가 거의 없는 탄소섬유 복합재 케이블 (Carbon Fiber Composite Cable: 이하, CFCC)을 이용한 X-브레이싱 내진보강법을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 CFCC X-브레이싱 내진보강 공법의 내진보강 효과를 검증한 목적으로 중⋅저층 RC 건물의 골조 모형실험체를 대상으로 반복가력 구조실험을 실시하여 그 내진보강 성능을 평가하였다.
- 본 연구에서는 평판형 및 돌출형 CFCC를 이용한 X-브레이싱 내진보강법을 제안하였다. 또한, CFCC X-브레이싱 내진보강 공법의 내진보강 효과를 검증할 목적으로 비내진상세를 가지는 국내 기존 RC 학교건물의 골조를 대상으로 실험체를 제작하여 반복가력 구조실험을 실시하여 그 내진보강 성능을 평가하였다. 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
- 기둥 상부에는 스터브를 설치하여 기둥의 구속 효과가 고려될 수 있도록 하였다. 스터브의 형상은 높은 강성에 의해 기둥 거동에 영향을 주지 않는 형태를 선택하였으며, 시험 시 집중하중에 의한 균열 및 국부 변형이 생기지 않도록 철근보강을 실시하였다.
- 이음성능 평가 실험체에 사용된 철근의 재료적 특성을 파악하기 위하여 KS B 0801 (금속재료 인장시험편)의‘라’호의 규정에 따라 철근 인장시험편을 각각 3개씩 제작하여 만능시험기 (U.T.M.)를 이용하여 가력속도 5 mm/min로 인장시험을 진행하였다.
- 한편, 기존 비내진상세를 가지는 RC 학교건물의 외부골조에는 일반적으로 조적조 징두리벽체가 시공되어 있다는 사실을 고려하여 본 실험체에서도 조적조 징두리벽체를 시공 하였다. 조적조 (시멘트벽돌)는 B형, 즉 길이는 190 mm, 나비 90 mm, 두께 57 mm, 압축강도는 8 MPa이며, 실험체에는 60% 축소라는 사실을 고려하여 480 mm 높이로 시공하였다.
대상 데이터
- CFCC X-브레이스 내진보강공법의 내진성능 효과를 검증할 목적으로 비내진상세를 가지는 국내 기존 RC 학교건물의 골조 (1980년대 다형 표준도면)를 선정하였으며, 실험골조로서 기둥-보-징두리벽 (조적조)으로 구성된 대상학교의 외부내측골조의 1층 부분이다. 층고는 330 cm, 설계용 콘크리트 강도는 21 MPa이며, 층수는 3층이다.
- 구조실험에 사용된 기둥실험체의 콘크리트 압축강도는 21 MPa로, 3개의 공시체 평균값으로 표준공시체 보정값은 측정된 압축강도의 97%로 28일 평균압축강도 23 MPa를 확인하였다. 사용한 철근은 1종 SD300이며, 기둥의 주근은 D13, 전단 보강근은 D6을 사용하였다. 이음성능 평가 실험체에 사용된 철근의 재료적 특성을 파악하기 위하여 KS B 0801 (금속재료 인장시험편)의‘라’호의 규정에 따라 철근 인장시험편을 각각 3개씩 제작하여 만능시험기 (U.
- 실험체는 실험실의 규모를 고려하여 약 60% 크기로 축소된 1스팬 1층으로서, Fig. 4에 나타내는 것처럼 비보강 골조 실험체 1개, Fig. 3에 나타낸 CFCC 내진보강 실험체 2개 (평판형 및 돌출형) 총 3개의 골조 실험체를 각각 제작하였다. 실험체 변수는 3개이며, Table 2에는 각 실험체의 일람을 나타낸다.
- 한편, 기존 비내진상세를 가지는 RC 학교건물의 외부골조에는 일반적으로 조적조 징두리벽체가 시공되어 있다는 사실을 고려하여 본 실험체에서도 조적조 징두리벽체를 시공 하였다. 조적조 (시멘트벽돌)는 B형, 즉 길이는 190 mm, 나비 90 mm, 두께 57 mm, 압축강도는 8 MPa이며, 실험체에는 60% 축소라는 사실을 고려하여 480 mm 높이로 시공하였다.
- CFCC X-브레이스 내진보강공법의 내진성능 효과를 검증할 목적으로 비내진상세를 가지는 국내 기존 RC 학교건물의 골조 (1980년대 다형 표준도면)를 선정하였으며, 실험골조로서 기둥-보-징두리벽 (조적조)으로 구성된 대상학교의 외부내측골조의 1층 부분이다. 층고는 330 cm, 설계용 콘크리트 강도는 21 MPa이며, 층수는 3층이다.
성능/효과
- (1) RCFR 실험체는 약 160 kN (변위 약 33 mm)에서 정 가력 및 부가력 모두 최대하중에 도달하였으며, 실험체는 전형적인 전단파괴를 나타내었으며, 이것은 대상 학교건물인 비내진상세를 가지는 1980년대 건설된 학교건물의 파괴모드 (전단파괴)를 나타내어 주는 매우 중요한 자료라고 판단된다.
- (2) 평판형 CFCC-1 X-브레이싱 실험체의 최대하중은 정가력에서 263 kN, 최대하중 시의 변위는 33 mm이며, -257 kN 및 -26.2 mm를 보여준 부가력인 경우와 큰 차이는 없었으며, CFCC-1 실험체도 무보강 RCFR 실험체와 동일하게 최종적으로 골조가 전단파괴하였다. 한편, 돌출형 CFCC-2 X-브레이싱 실험체의 최대내력은 CFCC-1 실험체보다 약간 높지만 (부가력에서 -293 kN) 큰 차이는 없었으며, CFCC-2 실험체도 CFCC-1실험체인 평판형과 동일하게 골조가 최종적으로 전단 파괴에 의해서 파괴모드가 결정되었다.
- (3) 본 연구에서 개발한 평판형 및 돌출형 CFCC X-브레이싱 내진보강법 모두 기준실험체 대비 약 1.7의 전단 강도가 증가하여 강도 보강효과가 우수한 공법이라고 사료되며, 변위비가 동일하다는 사실을 고려한다면 전형적인 강도저항형 내진보강공법이라고 사료된다.
- (4) CFCC를 이용한 X-브레이스 내진보강공법은 기존 강재 브레이스 보강법 대비 접합부시공, 표면처리 등의 사전준비가 간단하며 중량증가가 거의 없는 것이 특징이며, 경량이므로 시공성이 우수하며, 기초공사가 필요 없으며, 중량 및 체적대비 우수한 강도가 발휘될 뿐만 아니라 특히, CFCC의 직경을 변경함으로서 내진보강 목적 (강도 보강량)에 대응하여 내진성능을 쉽게 변화 시킬 수 있는 장점이 있다.
- 2 mm를 보여준 부가력인 경우와 큰 차이는 없었다. CFCC를 이용하여 평판형으로 내진보강한 CFCC-1 실험체도 최종적으로 골조가 전단파괴하였으며, 평판형 CFCC X-브레이싱 내진보강법은 전형적인 강도보강법이라고 판단된다.
- Fig. 12 및 Table 5에 의하면, 기준실험체 대비 평판형 CFCC X-브레이싱 내진보강 실험체 (CFCC-1)는 약 1.6배정도, 돌출형 CFCC X-브레이싱 내진보강 실험체 (CFCC-2) 은 약 1.8배 정도 전단강도가 증가하였으며, 전단강도에 대한 보강효과는 CFCC-1과 CFCC-2는 거의 유사하였다. 한편, 변위비는 기준실험체, CFCC-1 및 CFCC-2 X-브레이싱 내진보강 실험체 모두 유사한 결과를 보여주었다.
- Table 1에 나타낸 바와 같이 CFCC의 탄성계수는 130-160 kN/mm2의 범위이며, 후술하는 본 연구에서 이용한 CFCC (1×7-15.2 φ) 의 파단하중은 270 kN정도로서 단위 길이 당 중량대비 상당한 파단하중을 가지고 있다는 사실을 알 수 가 있다.
- 구조실험에 사용된 기둥실험체의 콘크리트 압축강도는 21 MPa로, 3개의 공시체 평균값으로 표준공시체 보정값은 측정된 압축강도의 97%로 28일 평균압축강도 23 MPa를 확인하였다. 사용한 철근은 1종 SD300이며, 기둥의 주근은 D13, 전단 보강근은 D6을 사용하였다.
- 또한, 경량이므로 인력으로 운반 및 시공이 가능하며, 기초공사가 필요 없으며 간단하게 조립해서 시공하기 때문에 건물 사용 중에도 내진보강이 가능한 점 등 현장시공성이 우수하고 중량 및 체적 대비 큰 강도 (인장)가 발휘된다. 또한, CFCC의 직경을 변경함으로서 다양한 인장내력을 발휘시킬 수가 있어서 내진보강 목적에 대응한 내진보강이 가능하다. 특히, 전술한 바 CFCC는 유연성을 가지기 때문에 기존 강재브레이스 내진보강법이 가지는 압축 좌굴거동이 생기지 않는 특징을 가지고 있다.
- 상기와 같은 사실은 본 연구에서 개발한 평판형 및 돌출형 내진보강법 모두 기준실험체 대비 약 1.7의 강도가 증가하여 강도 보강효과가 우수한 공법이라고 사료되며, 변위비가 동일하다는 사실을 고려한다면 전형적인 강도저항형 내진보강 공법이라고 사료된다.
- )를 이용하여 가력속도 5 mm/min로 인장시험을 진행하였다. 시험결과 철근의 항복강도와 인장 강도는 D13의 경우 평균 518 MPa, 752 MPa로, D6의 경우 평균 472 MPa, 700 MPa로 나타났다.
- 그 이후 2 cycle, 3 cycle에서도 미세한 휨균열이 발생하였으며, 4 cycle에서 전단균열이 발생하기 시작하였다. 이후 전단균열은 10 cycle 까지 점차 증가하였으며, 전단균열은 변위가 증가함에 따라 양 기둥 중앙부로 확대되었고, 13 cycle (R=1.24%)에서 하중이 감소하기 시작하여 Fig. 10에 나타낸 것처럼 최종상태에 도달하였다.
- 2 mm를 보여준 부가력인 경우와 큰 차이는 없었으며, CFCC-1 실험체도 무보강 RCFR 실험체와 동일하게 최종적으로 골조가 전단파괴하였다. 한편, 돌출형 CFCC-2 X-브레이싱 실험체의 최대내력은 CFCC-1 실험체보다 약간 높지만 (부가력에서 -293 kN) 큰 차이는 없었으며, CFCC-2 실험체도 CFCC-1실험체인 평판형과 동일하게 골조가 최종적으로 전단 파괴에 의해서 파괴모드가 결정되었다.
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