매입형 CFRP Rod와 CFRP시트를 활용한 RC 외부 보-기둥 접합부의 내진성능 평가 및 개선 Improvement and Evaluation of Seismic Performance of Reinforced Concrete Exterior Beam-Column Joints using Embedded CFRP Rods and CFRP Sheets원문보기
본 연구에서는 기존 철근콘크리트 건물의 보-기둥 접합부의 내진성능의 개선을 위해 보-기둥 접합부 영역을 FRP보강재(매입형 CFRP Rod, CFRP시트)를 사용하여 보강한 후 내진성능을 평가하였다. 총 6개의 실험체를 제작하고 실험을 수행하여 내진성능을 평가하였으며, 본 연구의 실험결과를 근거로 다음과 같은 결론을 얻었다. 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 접합부 영역을 보강한 결과, 초기 재하시 접합부 영역의 균열억제 효과와 재하 전 과정을 통하여 보강재의 구속효과로 인하여 균열억제 효과가 커서 안정적인 파괴형태 및 내력향상 효과를 나타내었다. 매입형 CFRP Rod와 CFRP시트를 활용한 RC 외부 보-기둥 접합부 실험체 RBCJ-SRC2는 표준실험체 RBCJ와 비교하여 변위연성4, 7에서 각각 최대 내력은 1.97배, 에너지소산능력은 2.08배 증가하였다. 또한, 실험체 RBCJ-SR시리즈와 비교하여 최대내력이 1.09~1.11배 증가하였다. 그리고 실험체 RBCJ-CS, RBCJ-SR시리즈, RBCJ-SRC2는 변위연성 5, 6에서 표준실험체 RBCJ 보다 에너지소산능력이 1.10~2.30배 증가하였다. 그리고 에너지소산능력은 변위연성 4에서 13.0~14.4% 증가하였다.
본 연구에서는 기존 철근콘크리트 건물의 보-기둥 접합부의 내진성능의 개선을 위해 보-기둥 접합부 영역을 FRP보강재(매입형 CFRP Rod, CFRP시트)를 사용하여 보강한 후 내진성능을 평가하였다. 총 6개의 실험체를 제작하고 실험을 수행하여 내진성능을 평가하였으며, 본 연구의 실험결과를 근거로 다음과 같은 결론을 얻었다. 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 접합부 영역을 보강한 결과, 초기 재하시 접합부 영역의 균열억제 효과와 재하 전 과정을 통하여 보강재의 구속효과로 인하여 균열억제 효과가 커서 안정적인 파괴형태 및 내력향상 효과를 나타내었다. 매입형 CFRP Rod와 CFRP시트를 활용한 RC 외부 보-기둥 접합부 실험체 RBCJ-SRC2는 표준실험체 RBCJ와 비교하여 변위연성4, 7에서 각각 최대 내력은 1.97배, 에너지소산능력은 2.08배 증가하였다. 또한, 실험체 RBCJ-SR시리즈와 비교하여 최대내력이 1.09~1.11배 증가하였다. 그리고 실험체 RBCJ-CS, RBCJ-SR시리즈, RBCJ-SRC2는 변위연성 5, 6에서 표준실험체 RBCJ 보다 에너지소산능력이 1.10~2.30배 증가하였다. 그리고 에너지소산능력은 변위연성 4에서 13.0~14.4% 증가하였다.
In this study, experimental research was carried out to evaluate and improve the seismic performance of reinforced concrete beam-column joint regions using strengthening materials (embedded CFRP rod and CFRP sheet) in existing reinforced concrete building. Therefore it was constructed and tested six...
In this study, experimental research was carried out to evaluate and improve the seismic performance of reinforced concrete beam-column joint regions using strengthening materials (embedded CFRP rod and CFRP sheet) in existing reinforced concrete building. Therefore it was constructed and tested six specimens retrofitting the beam-column joint regions using such retrofitting materials. Specimens, designed by retrofitting the beam-column joint regions of existing reinforced concrete building, were showed the stable failure mode and increase of load-carrying capacity due to the effect of crack control at the times of initial loading and confinement of retrofitting materials during testing. Specimens RBCJ-SRC2, designed by the retrofitting of CFRP Rod and CFRP Sheet in reinforecd beam-column joint regions were increased its maximum load carrying capacity by 1.97 times and its energy dissipation capacity by 2.08 times in comparison with standard specimen RBCJ for a displacement ductility of 4 and 7. Also, specimens RBCJ-SRC2 were increased its maximum load carrying capacity by 1.09~1.11 times in comparison with specimen RBCJ-SR series. And Specimens RBCJ-CS, RBCJ-SR series, RBCJ-SRC2 were increased its energy dissipation capacity by 1.10~2.30 times in comparison with standard specimen RBCJ for a displacement ductility of 5, 6.
In this study, experimental research was carried out to evaluate and improve the seismic performance of reinforced concrete beam-column joint regions using strengthening materials (embedded CFRP rod and CFRP sheet) in existing reinforced concrete building. Therefore it was constructed and tested six specimens retrofitting the beam-column joint regions using such retrofitting materials. Specimens, designed by retrofitting the beam-column joint regions of existing reinforced concrete building, were showed the stable failure mode and increase of load-carrying capacity due to the effect of crack control at the times of initial loading and confinement of retrofitting materials during testing. Specimens RBCJ-SRC2, designed by the retrofitting of CFRP Rod and CFRP Sheet in reinforecd beam-column joint regions were increased its maximum load carrying capacity by 1.97 times and its energy dissipation capacity by 2.08 times in comparison with standard specimen RBCJ for a displacement ductility of 4 and 7. Also, specimens RBCJ-SRC2 were increased its maximum load carrying capacity by 1.09~1.11 times in comparison with specimen RBCJ-SR series. And Specimens RBCJ-CS, RBCJ-SR series, RBCJ-SRC2 were increased its energy dissipation capacity by 1.10~2.30 times in comparison with standard specimen RBCJ for a displacement ductility of 5, 6.
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문제 정의
그러므로, 본 연구에서는 기존 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부의 내진성능을 개선하기 위하여 외부 보-기둥 접합부 영역을 매입형 CFRP Rod와 CFRP시트를 이용하여 보강한 후 내진성능 평가 및 개선을 도모하고, 구조물의 안전성을 확보하고자 한다. 또한, 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 구조성능 개선을 위하여 보강재료 (매입형 CFRP Rod, CFRP시트), 시공성을 고려한 보강방법 등을 주요 실험변수로 한 고성능 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부 보강시스템의 내진성능을 평가하여 실험변수에 따른 효과를 비교․분석하여 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 내력증진 및 내진 성능 향상을 위한 새로운 보강 설계개념을 정립하고자 한다.
그러므로, 본 연구에서는 기존 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부의 내진성능을 개선하기 위하여 외부 보-기둥 접합부 영역을 매입형 CFRP Rod와 CFRP시트를 이용하여 보강한 후 내진성능 평가 및 개선을 도모하고, 구조물의 안전성을 확보하고자 한다. 또한, 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 구조성능 개선을 위하여 보강재료 (매입형 CFRP Rod, CFRP시트), 시공성을 고려한 보강방법 등을 주요 실험변수로 한 고성능 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부 보강시스템의 내진성능을 평가하여 실험변수에 따른 효과를 비교․분석하여 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 내력증진 및 내진 성능 향상을 위한 새로운 보강 설계개념을 정립하고자 한다.
본 연구에서는 기존 철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부의 내진성능을 개선하기 위하여 신소재 (매입형 CFRP Rod, CFRP시트)를 사용하여 보-기둥 접합부영역을 보강한 총 6개의 실험체를 제작하고 실험을 수행하여 내진성능 평가에 관한 연구를 수행하였으며, 본 연구의 실험결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
콘크리트의 배합표는 Table 3과 같다. 각 실험체는 콘크리트 타설과 함께 압축강도용 공시체를 제작하였다. 압축강도 실험용 원주형 공시체는 Φ100×200mm 몰드를 사용하여 KS F 2405에 따라 몰드를 3개 층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였고, 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다.
압축강도 실험용 원주형 공시체는 Φ100×200mm 몰드를 사용하여 KS F 2405에 따라 몰드를 3개 층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였고, 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다. 그리고 100ton용량의 U.T.M으로 압축강도 시험을 하였다. Table 4에 나타난 콘크리트 압축강도는 5개의 공시체의 실험결과에 대한 평균값이다.
철근콘크리트 보-기둥 접합부의 거동을 파악하기 위하여 6개의 실험체에 기둥의 허용 축하중 (balanced axial load)의 30%를 기둥에 일정하게 가력하였다. 그리고 보의 변곡점에 로드셀을 부착한 유압 서보 액튜에이터를 사용하여 변위제어에 의해 반복주기하중을 작용시켰다. 반복주기하중의 형태는 Fig.
4와 같다. 반복주기하중의 주기는 전 실험체를 T=70sec로 하였으며 반복회수는 2Cycle로 최대수평하중에 도달한 이후 최대하중이 80%이하로 떨어질 때까지 변위를 증가시키며 반복가력을 실시하였다. 변위연성은 각 싸이클의 종료시 변위에 대한 실험체의 항복변위의 비로 정의하고 항복변위는 단조하중 작용시 기둥면의 보 주근이 항복하였을때의 하중 작용점의 변위로 정의하였다 (Ha et al.
본 연구는 보-기둥 접합부용 프레임을 제작하여 설치하였으며, 실험체의 설치상황과 각종 시험기기 및 장치는 Fig. 3과 같다. 실험체에 작용하는 하중제어를 위하여 서보시스템을 사용하였으며 실험체는 Fig.
압축강도 실험용 원주형 공시체는 Φ100×200mm 몰드를 사용하여 KS F 2405에 따라 몰드를 3개 층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였고, 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다.
3과 같이 실험을 위한 프레임에 기둥 부분을 수평으로 눕혀서 설치하였다. 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 거동을 파악하기 위하여 6개의 실험체에 기둥의 허용 축하중 (balanced axial load)의 30%를 기둥에 일정하게 가력하였다. 그리고 보의 변곡점에 로드셀을 부착한 유압 서보 액튜에이터를 사용하여 변위제어에 의해 반복주기하중을 작용시켰다.
대상 데이터
반복주기하중을 받는 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부 및 신소재 (매입형 CFRP Rod, CFRP시트)를 이용한 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부의 내진성능을 평가하기 위하여 실제 구조물의 1/2정도의 크기로 축소한 외부 보-기둥 접합부 형태의 6개 실험체를 제작하였다. 접합부의 설계는 ACI Building code (318-11) 및 ACI-ASCE 352위원회의 권장안에 따라 설계되었고, 표준적인 보-기둥 접합부 및 신소재로 보강한 보-기둥 접합부의 설계상세는 Fig.
본 연구에 사용된 콘크리트는 보통포틀랜트 시멘트와 최대 골재크기가 25mm인 쇄석골재를 사용하였으며, 철근은 국내에서 생산된 SD400 철근이 사용되었으며, 철근의 재료 특성은 Table 2와 같다.
성능/효과
(1) 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 접합부영역을 보강한 결과 초기 재하시 접합부영역의 균열억제 효과와 재하 전 과정을 통하여 보강재의 구속효과로 통하여 균열 억제 효과가 커서 안정적인 파괴형태, 내력 및 연성능력 향상 효과를 나타내었다.
(2) 철근콘크리트 건물의 보-기둥 접합부를 신소재 (매입형 CFRP Rod, CFRP시트)를 이용하여 보강한 결과, 실험체 RBCJ-SR 시리즈는 최대내력이 실험체 RBCJ-CS보다 1.42~1.44배 증가하였다. 이는 매입형 CFRP Rod가 보-기둥 접합부영역에 충분히 정착하여 보강한 것이 내력 증가에 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.
(3) 초기강성은 표준실험체 RBCJ가 가장 작게 나타났으며, 실험체 RBCJ-CRU, RBCJ-CS, RBCJ-SR 시리즈, RBCJ-SCR2 순이며, 실험체 RBCJ-SRC2가 가장 우수한 것으로 나타났다. 그리고, 실험이 진행됨에 따라 초기강성의 약 10%까지 떨어졌으며 이러한 감소는 모든 실험체가 비슷한 양상을 보였다.
(4) 철근콘크리트 건물의 보-기둥 접합부를 신소재 (CFRP 시트, 매입형 CFRP Rod)를 이용하여 보강한 결과, 실험체 RBCJ-SR 시리즈의 경우, 실험체 RBCJ-CS와 비교하여 변위연성 7부터 최대 에너지소산능력이 증가하였다. 특히, 변위연성 7에서는 실험체 RBCJ-SR2는 실험체 RBCJ-CS보다 1.
, 2011). 각 실험체의 강성은 반복주기 하중이 작용하는 동안 반복횟수가 증가할수록 점차 감소하는 현상을 보이고 있다. 이러한 강성 감소의 주요 원인은 접합부 영역의 콘크리트의 균열, 철근의 미끄러짐 등에 의한 것으로 사료된다.
17배 증가하였다. 그리고 실험체 RBCJ-CS, RBCJ-SR 시리즈, RBCJ -SRC2는 표준 실험체 RBCJ와 비교하여 에너지소산능력은 변위연성 5, 6에서 1.10~2.30배 증가하였다.
매입형 FRP봉 보강공법은 Fig. 1과 같이 기존 철근콘크리트 구조물에 홈을 파서 보강재를 매입함으로서 보강재의 탈락현상을 방지하고 충분한 부착성능 확보와 구조물과 보강재의 완전 일체화되는 효과가 뛰어나므로 기존 보강공법에 비하여 구조성능의 개선은 물론이고 시공과 품질관리가 용이하고, 보강후 구조물의 고내구성을 확보할 수 있으며, 또한 보강재의 국산화로 수입산 보강재를 이용한 기존 탄소섬유 보강공법보다 경제성이 우수하므로 고성능 매입형 FRP 봉 보강공법은 기존 보강공법의 문제점을 개선할 수 있을 것으로 사료된다.
6(f)와 같이초기균열과 사인장 균열이 변위연성2에서 발생하였다. 변위연성 6에서부터 보단부에 응력이 집중되어 CFRP시트가 탈락되고, 변위연성 9에서는 CFRP시트가 파단되는 현상이 나타났다. 최대내력 이후에 하중증가에 따라 CFRP시트가 탈락, 파단되고 내력이 감소되면서 최종파괴 되었다.
실험체 RBCJ-CS, RBCJ-SR 시리즈, RBCJ -SRC2는 표준실험체 RBCJ와 비교하여 에너지소산능력은 변위연성 5, 6에서 1.10~2.30배 증가하였다.
실험체 RBCJ-SR 시리즈는 최대내력이 실험체 RBCJ-CS 보다 1.42~1.44배 증가하였다. 이는 매입형 CFRP Rod가 보-기둥 접합부영역에 정착하여 보강한 것이 내력 증가에 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.
실험체 RBCJ-SRC2는 표준실험체 RBCJ와 비교하여 최대 내력은 1.97배 증가하였고, 실험체 RBCJ-CRU보다 1.51배 증가함을 나타냈다. 그리고 실험체 RBCJ-SR 시리즈보다 1.
실험체 RBCJ-SRC2는 표준실험체 RBCJ와 비교하여 최대 내력은 1.97배 증가하였고, 실험체 RBCJ-CRU보다 1.51배 증가함을 나타냈다. 그리고 실험체 RBCJ-SR 시리즈보다 1.
철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부 영역을 CFRP시트, 매입형 CFRP Rod를 이용하여 보강한 실험체들의 실험 결과, 이력거동 곡선을 고찰하여 보면 재하 후반부 연성능력과 내력이 크게 증대하였고, 지진하중 작용시 에너지소산능력이 매우 향상됨을 알 수 있었다.
초기강성은 표준실험체 RBCJ가 가장 작게 나타났으며, 실험체 RBCJ-CRU, RBCJ-CS, RBCJ-SR 시리즈, RBCJ-SCR2 순이며, 실험체 RBCJ-SRC2가 가장 우수한 것으로 나타났다. 그리고, 실험이 진행됨에 따라 초기강성의 약 10%까지 떨어졌으며 이러한 감소는 모든 실험체가 비슷한 양상을 보였다.
초기균열은 변위연성 1에서 발생하였고, 변위연성 2에서는 보 상부와 접합부 부근에 균열폭이 증가하였다. 최대하중이후에 보-기둥 접합부영역의 대각균열이 나타났고, 변위연성 4, 5에서 접합부 균열이 집중되어 균열 폭이 더욱 증가하고 보-기둥 접합부영역의 대각균열은 미소하게 증가되었다. 그리고, 접합면에는 콘크리트피복이 박리가 되기 시작하였고, 변위연성 6이후에 피복콘크리트 탈락 현상이 일어나면서 최종파괴에 이르렀다.
변위연성 3~6에서 CFRP시트가 파단되기 시작하여 완전하게 파단이 일어나면서 내력이 저하되어 최종파괴 되었다. 최종 파괴전까지 콘크리트면과의 부착강도가 확보되어 최대내력 이후 연성적으로 거동함을 알 수 있었다.
표준실험체 RBCJ, RBCJ-CS는 Table 9 및 Fig. 7에서와 같이 변위연성 3, 실험체 RBCJ-CRU, RBCJ-SR2, RBCJ-SR3, RBCJ-SRC2는 변위연성 5 또는 7 정도에서 최대내력에 도달하였다. 보-기둥 접합부영역의 보강방법, 보강재료 등에 따라 변위연성별 내력변화가 발생함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존 철근콘크리트 구조물 보-기둥 접합부의 구조성능 개선을 위해 어떤 보강재료를 사용하였는가?
본 연구에서는 기존 철근콘크리트 건물의 보-기둥 접합부의 내진성능의 개선을 위해 보-기둥 접합부 영역을 FRP보강재(매입형 CFRP Rod, CFRP시트)를 사용하여 보강한 후 내진성능을 평가하였다. 총 6개의 실험체를 제작하고 실험을 수행하여 내진성능을 평가하였으며, 본 연구의 실험결과를 근거로 다음과 같은 결론을 얻었다.
매입형 FRP봉 보강공법은 어떤 특징이 있는가?
매입형 FRP봉 보강공법은 Fig. 1과 같이 기존 철근콘크리트 구조물에 홈을 파서 보강재를 매입함으로서 보강재의 탈락현상을 방지하고 충분한 부착성능 확보와 구조물과 보강재의 완전 일체화되는 효과가 뛰어나므로 기존 보강공법에 비하여 구조성능의 개선은 물론이고 시공과 품질관리가 용이하고, 보강후 구조물의 고내구성을 확보할 수 있으며, 또한 보강재의 국산화로 수입산 보강재를 이용한 기존 탄소섬유 보강공법보다 경제성이 우수하므로 고성능 매입형 FRP 봉 보강공법은 기존 보강공법의 문제점을 개선할 수 있을 것으로 사료된다.
철근콘크리트 구조물은 무엇에 따라 구조성능 개선이 요구되는가?
최근 철근콘크리트 구조물은 시간이 지남에 따라 구조물의 노후화와 환경적, 재료적, 구조적 요인으로 인하여 내력, 내구성 등이 저하되고, 설계 규준의 변경, 시공적인 원인 등에 따른 구조성능의 개선이 요구되고 있다. 특히, 철근콘크리트 구조물이 지진하중을 받을 때 단위 부재요소보다는 보기둥 접합부가 더 취약하고 응력부담이 높은 것으로 보고되고 있다.
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