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문제 정의
- 본 논문에서는 SRF sheets와 Aramid 봉을 이용하여 횡하중으로 철근콘크리트 기둥의 단부에 손상을 입은 곳에 보강하여 충분한 내진성능을 발휘하는지에 대한 실험연구를 진행하였다. 그리고 비선형해석프로그램인 ZeusNL로 기존 기둥 실험체를 모델링하여 비선형정적해석을 통해 실험체의 성능을 분석하였다.
- 본 논문에서는 기존 기둥 실험체로 스터럽 간격을 변수로 두어 2개의 실험체가 제작되었으며, 이를 통해 스터럽 간격에 따른 파괴모드를 보기 위해 실험을 하였다. 첫 번째 실험체는 횡하중을 가하였을 경우 전단 파괴모드를 보기위해 제작되었으며, 실험체는 (Original-Shear Control)O-SC로 명하였다.
- 본 연구는 SRF sheets와 Aramid 봉을 이용한 보강 전후의 기둥의 내진 거동을 조사한 것이다.
제안 방법
- 4]. 그리고 243kN의 일정한 축 방향 하중으로 가력한 상태에서 횡하중을 적용하였다.
- 6MPa이다. 그리고 철근에 대한 인장강도 시험을 각 3번씩 수행하였다. 실험체에 사용된 콘크리트의 설계기준강도와 시험강도는 [Table 1]에 정리하였다.
- 셋째, 8개의 Aramid 봉을 기초콘크리트에 30mm 삽입시켜 종방향 철근과 묶어 기둥 주변에 설치하였다. 넷째, 시멘트 모르타르를 기둥 주변으로 마감작업을 하였으며 28일 동안 양생시켰다. 마지막으로, 폴리에스테르 접착제를 사용하여 휨 실험체(O-FC)에 SRF sheets를 복합 설계된 실험체명은 R-SA라 명하였다.
- 첫째, 길이방향으로 노출되어 있는 주방향 철근을 덮고 있는 콘크리트를 치핑 해머에 의해 제거하였다. 둘째, 횡방향 변형률을 측정하기 위해 스터럽에 스트레인게이지를 부착하였다. 셋째, 8개의 Aramid 봉을 기초콘크리트에 30mm 삽입시켜 종방향 철근과 묶어 기둥 주변에 설치하였다.
- 모든 실험체의 강도 변화를 확인하기 위해 하중변위 이력곡선으로부터 최대강도 지점을 이은 곡선을 표현하였다[Fig. 6]. 비록 실험체 R-S의 강도는 전단 실험체(O-SC)의 강도보다 낮은 것으로 보이지만, 실험체 R-S는 전단 실험체(O-SC)보다 나은 횡변위를 보여줌으로써 더 큰 연성 능력을 통해 내진 거동이 좋아졌음을 보여주었다[Fig.
- 본 연구에서는 비선형해석프로그램인 ZeusNL을 이용하여 전단 실험체(O-SC)와 휨 실험체(O-FC)을 모델링 분석하였다. 전단 변형을 고려하여, 기둥에 비탄성 기둥 요소와 병렬로 전단 스프링을 사용하여 모델링하였다.
- 둘째, 횡방향 변형률을 측정하기 위해 스터럽에 스트레인게이지를 부착하였다. 셋째, 8개의 Aramid 봉을 기초콘크리트에 30mm 삽입시켜 종방향 철근과 묶어 기둥 주변에 설치하였다. 넷째, 시멘트 모르타르를 기둥 주변으로 마감작업을 하였으며 28일 동안 양생시켰다.
- 축 방향 엑추에이터는 기둥 상부에 축 하중을 적용하기 위해 사용되었다. 실험 중 실험체의 미끌림 또는 과도한 회정을 방지하기 위해 실험실의 바닥에 고정된 사각형의 콘크리트 기초 블록에 고정하였다.
- 횡 방향과 축 방향 변형률을 측정하기 위해, LVDT를 사용하였다. 실험에서는 가력은 드리프트 비에 의한 변위에 의해 제어되며, 드리프트 비는 0.25%부터 10.00%까지 동일 변위에 반복 검증 가력하였다[Fig. 4]. 그리고 243kN의 일정한 축 방향 하중으로 가력한 상태에서 횡하중을 적용하였다.
- 본 연구에서는 비선형해석프로그램인 ZeusNL을 이용하여 전단 실험체(O-SC)와 휨 실험체(O-FC)을 모델링 분석하였다. 전단 변형을 고려하여, 기둥에 비탄성 기둥 요소와 병렬로 전단 스프링을 사용하여 모델링하였다. 전단 스프링의 기본 곡선은 균열, 항복, 극한상태에 대해 설명하기 위해 4선형 대칭 관계로 정의하였다.
- 55%로 하였다. 전단 실험체(O-SC)에 300mm 간격으로 스터럽(D10)을 실험체에 배근하였고, 첫 번째 띠 보강재는 ACI318-11 기준에 따라 슬래브 또는 기초표면에서 150mm 간격을 두어 시공하였다6).
- 항복변위와 최대변위(Δmax)는 각각 최대전단하중(Vmax)의 75% 지점과 80%에서 떨어지는 지점으로 하였다.
대상 데이터
- 그리고 두 번째 실험체는 휨 파괴모드를 보기위해 제작되었으며, 실험체는 (Original Flexural Control)O-FC로 명하였다. 모든 기둥들은 300mm x 300mm에 높이 900mm로 제작하였으며, 길이방향으로 8가닥의 주철근(D19)을 배근하였다. 기둥의 길이방향 철근비(ρ)는 2.
- 본 실험에서 사용된 SRF sheet는 콘크리트 기둥에 대한 대표적인 내진보강재료이다. 이와 같은 재료를 사용하여 보강함으로써 전단강도 및 변형능력, 기둥부재의 축성능의 향상을 기대할 수 있다.
- 본 실험체에 사용된 콘크리트에 대한 압축강도를 측정하기 위해 제작된 3개의 원형공시체를 제작하여 시험하였다. 공시체의 7일과 28일 평균압축강도는 각각 24.
- 본 연구의 실험을 위해 골조 및 엑추에이터를 설치하였다[Fig. 3]. 축 방향 엑추에이터는 기둥 상부에 축 하중을 적용하기 위해 사용되었다.
- 콘크리트 재료는 Kent and Park 모델에 적용된 콘크리트를 사용하여 구속 및 비구속 콘크리트를 모델링하였다8).
데이터처리
- 본 논문에서는 SRF sheets와 Aramid 봉을 이용하여 횡하중으로 철근콘크리트 기둥의 단부에 손상을 입은 곳에 보강하여 충분한 내진성능을 발휘하는지에 대한 실험연구를 진행하였다. 그리고 비선형해석프로그램인 ZeusNL로 기존 기둥 실험체를 모델링하여 비선형정적해석을 통해 실험체의 성능을 분석하였다.
이론/모형
- 두 실험체에 대해 전단강도를 예측하기 위하여 ACI318-11의 설계 기준식을 적용하여 계산하였으며, 휨 실험체(O-FC)와 전단 실험체(O-SC)의 공칭강도는 각각 221.20kN과 126.42kN으로 나왔다.
- 횡 방향과 축 방향 변형률을 측정하기 위해, LVDT를 사용하였다. 실험에서는 가력은 드리프트 비에 의한 변위에 의해 제어되며, 드리프트 비는 0.
성능/효과
- 1. O-FC실험체는 O-SC실험체에 비해 좁은 스터럽 간격 때문에 콘크리트의 구속과 주철근의 좌굴방지효과로 우수한 횡 변위 성능을 가진 것으로 확인되었다. 그리고 R-SA는 Aramid 봉과 SRF 보강방법을 통해 기둥의 급격한 강도 발생이 생긴 취성적 전단파괴 모드에서 충분한 변형 능력을 가진 연성적 전단파괴를 보여주었다.
- 2. 기존 기둥 실험체를 복합 설계한 후, 에너지소산능력은 O-SC실험체 대비 R-S실험체에서 크게 향상되었다. 그러나 O-FC실험체의 경우에는 복합설계를 한 R-SA실험체와 비교해서 약 17.
- 3. 해석을 통해 실험을 진행한 기존 기둥 실험체와 비교를 하였으며, 전단 실험체(O-SC)와 휨 실험체(O-FC)에 대해서 최대강도 및 최대변위의 큰 차이를 보이지 않았으며, 강성에서 또한 10% 이내의 해석결과를 보여주었다.
- 기존 기둥 실험체를 복합 설계한 후, 에너지소산능력은 O-SC실험체 대비 R-S실험체에서 크게 향상되었다. 그러나 O-FC실험체의 경우에는 복합설계를 한 R-SA실험체와 비교해서 약 17.68%의 에너지 소산능력이 떨어짐을 보여주었다. 따라서 본 논문에서 제시하는 보강방법은 휨 실험체에 전단파괴가 발생한 전단 실험체에 더 효율적인 것을 것으로 사료된다.
- 기둥을 복합 설계한 후, 에너지소산능력은 O-SC실험체 대비 R-S실험체에서 현저하게 향상되었다. 그러나 O-FC실험체의 경우에는 복합설계를 한 R-SA실험체와 비교해서 에너지소산능력이 약 17.68% 떨어지는 것으로 나왔다.
- O-FC실험체는 O-SC실험체에 비해 좁은 스터럽 간격 때문에 콘크리트의 구속과 주철근의 좌굴방지효과로 우수한 횡 변위 성능을 가진 것으로 확인되었다. 그리고 R-SA는 Aramid 봉과 SRF 보강방법을 통해 기둥의 급격한 강도 발생이 생긴 취성적 전단파괴 모드에서 충분한 변형 능력을 가진 연성적 전단파괴를 보여주었다.
- 따라서 전단파괴가 일어난 기둥에 SRF sheets를 감싸는 보강방법을 시행함으로써 소산에너지능력이 현저하게 향상되었음을 알 수 있었다. 그리고 휨 실험체(O-FC)와 실험체 R-SA의 소산에너지능력은 상대적으로 약 17.68% 떨어지는 것으로 나왔다. 따라서 SRF 보강방법은 휨 실험체에 비해 조기에 전단파괴가 일어난 SC실험체에서 더 큰 효율적 보강 성능을 발휘한다는 것을 알 수 있다.
- 그러나 실험체 R-SA의 Aramid 봉과 SRF 보강방법의 효과는 실험체 R-S의 SRF 보강방법과 비교해 다른 결과를 보여주었다. 기둥을 복합 설계한 후, 에너지소산능력은 O-SC실험체 대비 R-S실험체에서 현저하게 향상되었다. 그러나 O-FC실험체의 경우에는 복합설계를 한 R-SA실험체와 비교해서 에너지소산능력이 약 17.
- 5] (c)와 (d)에 따르면, 실험체 R-S는 실험체 R-SA보다 현저히 낮은 강도 능력을 보여주었지만, 최대강도 이후 실험체 R-SA는 강성이 실험체 R-S에 비해 크게 나왔으며, 이를 통해 실험체 R-S의 연성능력이 더 우수함을 확인하였다. 두 실험체에 SRF sheets를 감싸기 전에 실험체 R-SA에는 Aramid 봉을 시공하였기 때문에 강도가 향상된 것으로 간주되지만, 변형 능력에 대해서는 Aramid 봉과 상관없이 실험체 R-S에서 더 향상된 것으로 보였다. 따라서, 복합 설계한 후에 전단 실험체(O-SC)는 휨 실험체(O-FC)보다 우수한 변형 능력을 가지고 있음을 알 수 있었다.
- 68% 떨어지는 것으로 나왔다. 따라서 SRF 보강방법은 휨 실험체에 비해 조기에 전단파괴가 일어난 SC실험체에서 더 큰 효율적 보강 성능을 발휘한다는 것을 알 수 있다.
- 68%의 에너지 소산능력이 떨어짐을 보여주었다. 따라서 본 논문에서 제시하는 보강방법은 휨 실험체에 전단파괴가 발생한 전단 실험체에 더 효율적인 것을 것으로 사료된다.
- 실험체 R-S의 소산에너지 능력은 전단 실험체(O-SC)의 소산에너지능력보다 4배 좋은 것으로 나타났다. 따라서 전단파괴가 일어난 기둥에 SRF sheets를 감싸는 보강방법을 시행함으로써 소산에너지능력이 현저하게 향상되었음을 알 수 있었다. 그리고 휨 실험체(O-FC)와 실험체 R-SA의 소산에너지능력은 상대적으로 약 17.
- 두 실험체에 SRF sheets를 감싸기 전에 실험체 R-SA에는 Aramid 봉을 시공하였기 때문에 강도가 향상된 것으로 간주되지만, 변형 능력에 대해서는 Aramid 봉과 상관없이 실험체 R-S에서 더 향상된 것으로 보였다. 따라서, 복합 설계한 후에 전단 실험체(O-SC)는 휨 실험체(O-FC)보다 우수한 변형 능력을 가지고 있음을 알 수 있었다.
- 모든 실험체는 변위 2%지점까지는 비슷한 소산 에너지를 보였지만 이후 모든 실험체의 소산에너지 양상이 다르게 보였다. 휨 실험체(O-FC)는 가장 큰 소산에너지능력을 보여주었으며, 전단 실험체(O-SC)는 변위 3%지점에서 실험체의 전단파괴로 인해 실험이 종료되었다.
- 7 (a)]. 비록 정가력 기준 해석에서 최대강도가 146.27kN으로 실험 최대강도 149.82kN보다 낮은 최대강도를 보여주고 해석 최대 변위 17mm, 실험 최대변위 20mm로 약 3mm 정도의 변위차를 보여주지만 강도 및 강성저하에 관해서는 10% 이내의 해석결과를 보여주었다.
- 7 (b)]. 비록 정가력 기준 해석에서 최대강도가 153.97kN으로 실험 최대강도 155.92kN보다 낮은 최대강도를 보여주지만 전단 실험체(O-SC)와 마찬가지로 강도 및 강성 저하와 실험체 변형에 관해서는 10% 이내로 비교적 비슷한 하중-변위 이력곡선을 보여주었다.
- 휨 실험체(O-FC)는 가장 큰 소산에너지능력을 보여주었으며, 전단 실험체(O-SC)는 변위 3%지점에서 실험체의 전단파괴로 인해 실험이 종료되었다. 실험체 R-S의 소산에너지 능력은 전단 실험체(O-SC)의 소산에너지능력보다 4배 좋은 것으로 나타났다. 따라서 전단파괴가 일어난 기둥에 SRF sheets를 감싸는 보강방법을 시행함으로써 소산에너지능력이 현저하게 향상되었음을 알 수 있었다.
- 휨 실험체(O-FC)와 실험체 R-SA의 경우에 강도가 유사한 결과를 보여주었지만, 기존에 횡하중으로 인해 손상을 입은 휨 실험체(O-FC)에 Aramid 봉과 SRF sheets의 보강으로 실험체 R-SA의 변형 능력이 휨 실험체(O-FC)의 변형 능력과 유사해졌음을 확인하였다. 이는 Aramid 봉과 SRF sheets를 감싸서 보강하는 방법을 통해서 강도와 변형 능력을 향상됨을 알 수 있었으며 함께 사용하는 것이 효과적인 내진설계임을 알 수 있었다.
- 모든 실험체는 변위 2%지점까지는 비슷한 소산 에너지를 보였지만 이후 모든 실험체의 소산에너지 양상이 다르게 보였다. 휨 실험체(O-FC)는 가장 큰 소산에너지능력을 보여주었으며, 전단 실험체(O-SC)는 변위 3%지점에서 실험체의 전단파괴로 인해 실험이 종료되었다. 실험체 R-S의 소산에너지 능력은 전단 실험체(O-SC)의 소산에너지능력보다 4배 좋은 것으로 나타났다.
- 휨 실험체(O-FC)는 전단 실험체(O-SC)에 비해 우수한 횡 변위 성능을 가진 것으로 확인되었다. SRF 보강방법으로 보강한 후, 실험체 R-S의 횡 변위 성능은 전단 실험체(O-SC)보다 더 컸다.
- 6 (b)]. 휨 실험체(O-FC)와 실험체 R-SA의 경우에 강도가 유사한 결과를 보여주었지만, 기존에 횡하중으로 인해 손상을 입은 휨 실험체(O-FC)에 Aramid 봉과 SRF sheets의 보강으로 실험체 R-SA의 변형 능력이 휨 실험체(O-FC)의 변형 능력과 유사해졌음을 확인하였다. 이는 Aramid 봉과 SRF sheets를 감싸서 보강하는 방법을 통해서 강도와 변형 능력을 향상됨을 알 수 있었으며 함께 사용하는 것이 효과적인 내진설계임을 알 수 있었다.
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