[국내논문]섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 보강한 R/C 외부 보-기둥 접합부의 내진성능 평가 및 개선 Improvement and Evaluation of Seismic Performance of Reinforced Concrete Exterior Beam-Column Joints Retrofitting with Fiber Reinforced Polymer Sheets and Embedded CFRP Rods원문보기
본 연구에서는 기존 철근콘크리트 구조물 보-기둥 접합부의 내진성능의 개선을 위해 보-기둥 접합부 영역을 FRP보강재 (탄소섬유시트, 아라미드섬유시트, 매입형 CFRP Rod)를 사용하여 보강한 후 내진성능을 평가하였다. 총 7개의 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 탄소섬유시트를 활용한 R/C 외부 보-기둥 접합부 실험체 LBCJ-CRUS는 표준실험체 LBCJ와 비교하여 변위연성 4, 7에서 각각 최대내력은 1.54배, 에너지소산능력은 2.36배 증가하였다. 그리고 실험체 LBCJ-CS, LBCJ-AF시리즈는 변위연성 7에서 표준실험체 LBCJ 보다 에너지소산능력이 각각 2.04~2.34, 1.63~3.02배 증가하였다.
본 연구에서는 기존 철근콘크리트 구조물 보-기둥 접합부의 내진성능의 개선을 위해 보-기둥 접합부 영역을 FRP보강재 (탄소섬유시트, 아라미드섬유시트, 매입형 CFRP Rod)를 사용하여 보강한 후 내진성능을 평가하였다. 총 7개의 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 탄소섬유시트를 활용한 R/C 외부 보-기둥 접합부 실험체 LBCJ-CRUS는 표준실험체 LBCJ와 비교하여 변위연성 4, 7에서 각각 최대내력은 1.54배, 에너지소산능력은 2.36배 증가하였다. 그리고 실험체 LBCJ-CS, LBCJ-AF시리즈는 변위연성 7에서 표준실험체 LBCJ 보다 에너지소산능력이 각각 2.04~2.34, 1.63~3.02배 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 (CFRP sheet, AFRP sheet, embedded CFRP rod) in existing reinforced concrete structure. Therefore it was constructed and ...
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 (CFRP sheet, AFRP sheet, embedded CFRP rod) in existing reinforced concrete structure. Therefore it was constructed and tested seven specimens retrofitting the beam-column joint regions using such retrofitting materials. Specimens, designed by retrofitting the beam-column joint regions of existing reinforced concrete structure, 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 LBCJ-CRUS, designed by the retrofitting of CFRP Rod and CFRP Sheet in reinforecd beam-column joint regions were increased its maximum load carrying capacity by 1.54 times and its energy dissipation capacity by 2.36 times in comparison with standard specimen LBCJ for a displacement ductility of 4 and 7. And Specimens LBCJ-CS, LBCJ-AF series were increased its energy dissipation capacity each by 2.04~2.34, 1.63~3.02 times in comparison with standard specimen LBCJ for a displacement ductility of 7.
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 (CFRP sheet, AFRP sheet, embedded CFRP rod) in existing reinforced concrete structure. Therefore it was constructed and tested seven specimens retrofitting the beam-column joint regions using such retrofitting materials. Specimens, designed by retrofitting the beam-column joint regions of existing reinforced concrete structure, 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 LBCJ-CRUS, designed by the retrofitting of CFRP Rod and CFRP Sheet in reinforecd beam-column joint regions were increased its maximum load carrying capacity by 1.54 times and its energy dissipation capacity by 2.36 times in comparison with standard specimen LBCJ for a displacement ductility of 4 and 7. And Specimens LBCJ-CS, LBCJ-AF series were increased its energy dissipation capacity each by 2.04~2.34, 1.63~3.02 times in comparison with standard specimen LBCJ for a displacement ductility of 7.
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문제 정의
본 연구에서는 기존 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부의 내진성능을 개선하기 위하여 외부 보-기둥 접합부 영역을 섬유시트, 매입형 CFRP Rod를 이용하여 보강한 후 내진성능평가 및 개선을 도모하고, 구조물의 안전성을 확보하고자 한다. 또한, 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 구조성능 개선을 위하여 보강재료 (탄소섬유시트, 아라미드섬유시트, 매입형 CFRP Rod), 하중재하형태 (단조하중, 반복주기하중)을 주요 실험변수로 한 고성능 철근콘크리트 외부 보-기둥접합부 보강시스템의 내진성능을 평가하여 실험변수에 따른 효과를 비교․분석하여 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의내력증진 및 내진성능 향상을 위한 새로운 보강 설계개념을 정립하고자 한다.
본 연구에서는 기존 철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부의 내진성능을 개선하기 위하여 탄소섬유시트, 아라미드섬유시트, 매입형 CFRP Rod를 사용하여 보-기둥 접합부영역을 보강한 총 7개의 실험체를 제작하고 실험을 수행하여 내진성능 평가에 관한 연구를 수행하였으며, 본 연구의 실험결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 기존 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부의 내진성능을 개선하기 위하여 외부 보-기둥 접합부 영역을 섬유시트, 매입형 CFRP Rod를 이용하여 보강한 후 내진성능평가 및 개선을 도모하고, 구조물의 안전성을 확보하고자 한다. 또한, 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 구조성능 개선을 위하여 보강재료 (탄소섬유시트, 아라미드섬유시트, 매입형 CFRP Rod), 하중재하형태 (단조하중, 반복주기하중)을 주요 실험변수로 한 고성능 철근콘크리트 외부 보-기둥접합부 보강시스템의 내진성능을 평가하여 실험변수에 따른 효과를 비교․분석하여 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의내력증진 및 내진성능 향상을 위한 새로운 보강 설계개념을 정립하고자 한다.
제안 방법
콘크리트의 배합표는 Table 3과 같다. 각 실험체는 콘크리트 타설과 함께 압축강도용 공시체를 제작하였다. 압축강도실험용 원주형 공시체는Φ100×200mm 몰드를 사용하여 KSF 2405에 따라 몰드를 3개 층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였고, 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다.
압축강도실험용 원주형 공시체는Φ100×200mm 몰드를 사용하여 KSF 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 7개의 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.
반복주기하중을 받는 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부 및 신소재 (매입형 CFRP Rod, 탄소섬유시트, 아라미드섬유시트)를 이용한 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부의 내진성능을 평가하기 위하여 실제 구조물의 1/2정도의 크기로 축소한 외부 보-기둥 접합부 형태의 7개 실험체를 제작하였다. 접합부의 설계는 ACI Building code (318-11) 및 ACI-ASCE352위원회의 권장안에 따라 설계되었고, 표준적인 보-기둥접합부 및 신소재로 보강한 보-기둥 접합부의 설계상세는 Fig.
3과 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 항복하였을 때의 하중작용점의 변위로 정의하였다.
본 연구는 보-기둥 접합부 실험용 프레임을 제작하여 설치하였으며, 실험체의 설치상황과 각종 시험기기 및 장치는 Fig. 2와 같다. 실험체에 작용하는 하중제어를 위하여 서보시스템을 사용하였으며 실험체는 Fig.
압축강도실험용 원주형 공시체는Φ100×200mm 몰드를 사용하여 KSF 2405에 따라 몰드를 3개 층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였고, 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다.
2와 같이 실험을 위한프레임에 기둥 부분을 수평으로 눕혀서 설치하였다. 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 거동을 파악하기 위하여 7개의 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
본 연구에 사용된 콘크리트는 보통 포틀랜트 시멘트와 최대 골재크기가 25mm인 쇄석골재를 사용하였으며, 철근은 국내에서 생산된 SD400 철근이 사용되었으며, 철근의 재료특성은 Table 2와 같다.
성능/효과
(1) 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 접합부 영역을 보강한 결과 초기 재하시 접합부 영역의 균열억제 효과와 재하 전 과정을 통하여 보강재의 구속효과로 통하여 균열억제 효과가 커서 안정적인 파괴형태, 내력 및 연성능력 향상 효과를 나타내었다.
(2) 철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부를 탄소섬유시트, 아라미드섬유시트, 매입형 CFRP Rod를 이용하여 보강한 결과, 표준실험체 LBCJC와 비교하여 최대내력이 1.26~1.54배 증가하였고, 특히 탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 보강한 LBCJ-CRUS실험체가 가장 큰 내력향상 효과가 나타났다. 이는 탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod의 복합보강 효과로 탄소섬유시트 혹은 아라미드섬유시트만을 보강한 실험체보다 우수한 내력증진 효과를 나타내었다.
(3) 초기강성은 표준실험체 LBCJ가 가장 작게 나타났으며, 실험체 LBCJ-CRUS, LBCJ-CS2, LBCJ-CS1, LBCJ-AF1,LBCJ-AF2 순으로 나타났다. 실험이 진행됨에 따라 초기강성의 20% 이하까지 떨어졌으며 이러한 감소는 모든 실험체가 비슷한 양상을 보였다.
(4) 탄소섬유시트, 아라미드섬유시트, 매입형 CFRP Rod를 보강한 실험체는 표준실험체 LBCJC와 비교하여 변위연성 2~3에서부터 에너지소산능력이 증가하였다. 특히, 변위연성 7에서는 표준실험체 LBCJC보다 LBCJ-CS시리즈는 2.
여기서 강성 k는 각 하중의 싸이클에서 정방향과 부방향에서의 최대하중과 최대변위가 만나는 점의 기울기로 산정하였다. 각 실험체의 강성은 반복주기하중이 작용하는 동안 반복횟수가 증가할수록 점차 감소하는 현상을 보이고 있다. 이러한 강성 감소의 주요 원인은 접합부 영역의 콘크리트의 균열, 철근의 미끄러짐 등에 의한 것으로 사료된다.
기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 접합부 영역보강 실험체 (LBCJ 시리즈)의 이력거동 특성을 고찰하여 보면 강도 및 에너지소산능력이 표준 철근콘크리트 보-기둥접합부 실험체 (LBCJC)에 비하여 훨씬 증대하여 구조성능 및 내진성능이 현저히 개선됨을 알 수 있다.
표준 반복주기하중 적용 실험체 LBCJC의 경우 반복 주기하중을 가했을 때 초기 재하시 보와 기둥의 접합면에서 보의 내측으로 매우 넓은 영역까지 균열이 분포하였고, 재하 후반부에는 보-기둥 접합면과 보 춤만큼 떨어진 부분 이내에서균열과 파괴가 집중되었다. 반복 주기하중 실험 시 변위연성1에서 접합면에 초기균열이 발생하였고, 변위연성 2에서는 보 상부에 휨균열이 발생되었고 접합부 부근에는 균열폭이 증가하였으며, 변위연성 3에서는 하중 55.9kN으로 최대하중이 나타났으며, 기둥 보-기둥 접합부 영역의 대각균열이 나타났다. 변위연성 4, 5에서는 접합부 균열이 집중되면서 균열폭이 더욱 증가하고 보-기둥 접합부 영역의 대각균열은 미소하게 증가되었고, 접합면에는 콘크리트피복이 박리가 되기 시작했고, 변위연성 6 이후에서는 피복콘크리트 탈락 현상이 이어졌다.
보-기둥 접합부영역에 탄소섬유시트 1장을 보강한 실험체 LBCJ-CS1의 경우, 변위연성 1에서 접합면에서 상부에 초기 휨균열이 발생하였고, 변위연성 2에서는 탄소섬유시트가 콘크리트에서 탈락하기 시작했으며, 변위연성 3에서는 탄소섬유시트가 파단현상이 시작되었다. 변위연성 6에서는 탄소섬유시트의 완전한 파단이 일어나면서 내력이 현저히 저하되어 파괴점에 이르렀으며, 탄소섬유시트와 콘크리트면의 부착강도가 확보되어 최대내력 이후의 하중저하가 완만하여 표준실험체에 비해 뛰어난 연성능력을 가지고 있음을 알 수 있었다.
보-기둥 접합부 영역에 아라미드섬유시트 1장을 보강한 실험체 LBCJ-AF1의 경우 변위연성 2에서 초기 휨균열이 발견되었으며, 변위연성 4에서는 아라미드섬유시트의 초기 파단현상이 보였고, 변위연성 5에서 최대내력 75.4kN에 이르렀다가 변위연성 6에서 내력이 저하되면서 아라미드섬유도 완전히 파단되었다.
보-기둥 접합부 영역을 보강한 실험체는 보강하지 않은 표준실험체 LBCJC와 비교하여 최대내력이 1.26~1.54배 증가하였다. 특히 탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 보강한LBCJ-CRUS실험체가 가장 큰 내력향상 효과가 나타났다.
보-기둥 접합부영역에 아라미드섬유시트 2장을 보강한 실험체 LBCJ-AF2의 경우, LBCJ-CS2의 경우와 같이 변위연성 2에서 초기 휨균열이 발견되었으며, 변위 증가에 따라 내력의 증가현상이 지속되고, 변위연성 6에서는 보와 기둥 접합면의 모서리 부분에서 아라미드섬유시트와 콘크리트와의박리현상이 진전되면서 아라미드섬유시트가 찢어지면서 내력이 저하되기 시작하였고, 이후로 내력의 감소를 보이다가 보와 기둥 접합면의 모서리 부분에서 아라미드섬유시트가 현저히 찢어지면서 최종적으로 파괴되었다.
11배 증가하였다. 이는 탄소섬유시트와 더불어 함께 보강된 매입형 CFRP Rod의 복합보강 효과로 탄소섬유시트 혹은 아라미드섬유시트만을 보강한 실험체보다 우수한 내력증진 효과를 나타내었다.
철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부 영역을 탄소섬유시트, 아라미드섬유시트, 매입형 CFRP Rod를 이용하여 보강한 실험체들의 실험 결과, 이력거동 곡선을 고찰하여 보면재하 후반부 연성능력과 내력이 크게 증대하였고, 지진하중 작용시 에너지소산능력이 매우 향상됨을 알 수 있었다.
초기강성은 표준실험체 LBCJ가 가장 작게 나타났으며, 실험체 LBCJ-CRUS, LBCJ-CS2, LBCJ-CS1, LBCJ-AF1, LBCJ-AF2순으로 나타났다. 실험이 진행됨에 따라 초기강성의 20% 이하까지 떨어졌으며 이러한 감소는 모든 실험체가 비슷한 양상을 보였다.
탄소섬유시트를 보강한 LBCJ-CS1과 LBCJ-CS2실험체는 표준실험체와 비교하여 최대내력이 1.26~1.35배 증가하였으며, 아라미드섬유시트를 보강한 LBCJ-AF1, LBCJ-AF2실험체는 표준실험체 LBCJ와 비교하여 최대내력이 1.39~1.44배 증가하였으며, 동일 보강량의 탄소섬유시트보강 실험체와 비교하였을 때 1.07~1.10배 최대내력이 증가하였다. 탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 보강한 LBCJ-CRUS 실험체는 탄소섬유시트 보강 실험체와 비교하였을 때 최대내력이 1.
10배 최대내력이 증가하였다. 탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 보강한 LBCJ-CRUS 실험체는 탄소섬유시트 보강 실험체와 비교하였을 때 최대내력이 1.15~1.23배 증가하였고, 아라미드섬유시트를 보강한 LBCJ-AF시리즈와 비교하였을 때 1.07~1.11배 증가하였다. 이는 탄소섬유시트와 더불어 함께 보강된 매입형 CFRP Rod의 복합보강 효과로 탄소섬유시트 혹은 아라미드섬유시트만을 보강한 실험체보다 우수한 내력증진 효과를 나타내었다.
탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 복합보강한 LBCJ-CRUS실험체의 경우 변위연성 3에서 에폭시 균열이 발생되었고, 변위연성 4에서 86.3kN의 최대내력을 보여 다른 실험체들과 비교에서 가장 높은 내력을 나타내었다.
탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 복합보강한 LBCJ-CRUS실험체의 경우 표준 실험체 LBCJC와 비교하여 변위연성 7에서 에너지소산능력이 2.36배 증가함을 알 수 있었다.
탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 복합보강한 LBCJ-CRUS실험체의 경우 표준 실험체 LBCJC와 비교하여 변위연성 7에서 에너지소산능력이 2.36배 증가함을 알 수 있었다.
54배 증가하였다. 특히 탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 보강한LBCJ-CRUS실험체가 가장 큰 내력향상 효과가 나타났다.
9에서와 같이 표준실험체 LBCJC와 비교하여 변위연성 2~3에서부터 에너지소산능력이 증가하였다. 특히, 변위연성 7에서는 표준실험체 LBCJC보다 LBCJ-CS시리즈는 2.04~2.34배, LBCJ-AF시리즈는 1.63~3.02배 에너지소산능력이 크게 나타났다.
표준실험체 LBCJ, LBCJ-CS1는 Table 9 및 Fig. 6서와 같이 변위연성 3, 실험체 LBCJ-CS2, LBCJ-AF1, LBCJ-AF2, LBCJ-CRUS는 변위연성 5 또는 7 정도에서 최대내력에 도달하였다. 보-기둥 접합부영역의 보강방법, 보강재료 등에 따라 변위연성별 내력변화가 발생함을 알 수 있었다.
표준실험체 LBCJM은 일방향 단조하중을 적용하여 실험하였으며, 실험에서 변위 17mm, 하중 55kN일때 보주근이 항복하였다. 하중 증가함에 따라 접합부 영역에 균열집중과 초기에 발생한 균열들의 균열폭이 점점 0확장되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트 구조물의 사용기간 동안 충분히 그 기능을 발휘하기 위해서는 어떠한 노력이 필요한가?
철근콘크리트 구조물은 내구성이 우수하고 반영구적으로 사용가능하나 화학적, 물리적 환경변화 등으로 인하여 노후화 현상이 발생하게 된다. 철근콘크리트 구조물의 사용기간 동안 충분히 그 기능을 발휘하기 위해서는 정기적으로 구조물의 안전성을 파악하여야 하며, 필요한 경우 적절한 보수⋅보강을 실시하여 구조물의 안전성을 확보하여야한다.
철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부에서의 취약점을 보완하기 위해 어떤 노력이 이루어지는가?
특히, 철근콘크리트 구조물은 지진하중을 받을 때 단위 부재요소보다는 보-기둥 접합부가 더 취약하고 응력부담이 높다. 이를 보완하기 위해 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 내진성능 개선을 위한 보강기술 및 설계상세에 대한 국내․외의연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서 기존 철근콘크리트 구조물의 구조안전성 확보 및 구조성능 개선을 도모하고 구조물의 사용수명과 활용가치를 높이기 위하여 적정 보강기술 및 재료를 사용하여 기존 구조물을 보강하여야 할 것으로 판단된다(Ha et al.
철근콘크리트 구조물의 장단점은?
최근 들어 국내는 물론 국외의 지진발생빈도와 더불어 철근콘크리트 구조물의 내구성 및 안전성에 대한 관심이 높아지고 있다. 철근콘크리트 구조물은 내구성이 우수하고 반영구적으로 사용가능하나 화학적, 물리적 환경변화 등으로 인하여 노후화 현상이 발생하게 된다. 철근콘크리트 구조물의 사용기간 동안 충분히 그 기능을 발휘하기 위해서는 정기적으로 구조물의 안전성을 파악하여야 하며, 필요한 경우 적절한 보수⋅보강을 실시하여 구조물의 안전성을 확보하여야한다.
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