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문제 정의
- 본 연구에서 제안한 SRCF 외부접합형 공법의 유용성을 검증 할 목적으로 기존 비내진상세를 가지는 중ㆍ저층 RC 학교건물의 골조를 대상으로 유사동적실험을 실시하여 내진보강 효과를 검증 및 검토하였다.
- 본 연구에서는 기존 강도증진형 내진보강법의 단점을 보완ㆍ개선할 수 있는 새로운 개념의 내진보강법인 SRCF (Steel Reinforced Concrete Frame) 외부접합형 내진보강공법을 제안하였다. SRCF 보강법은 거주자가 거주가 가능하면서 내진보강 공사를 실시할 수가 있으며, 접합부 내력확보 및 시공성이 탁월하며, 특히 필요 내진보강량 산정이 간편한 전형적인 강도저항형 내진보강공법으로 전단파괴가 지배적인 비내진상세를 가지는 국내 중ㆍ저층 RC 건물에는 내력확보가 용이한 내진보강 공법이다.
- 본 연구에서는 기존 강도증진형 내진보강법의 단점을 보완ㆍ개선할 수 있는 새로운 개념의 내진보강법인 SRCF(Steel Reinforced Concrete Frame) 외부접합형 내진보강공법을 제안하였으며, SRCF 외부접합형 공법의 유용성을 검증 할 목적으로 기존 비내진상세를 가지는 중ㆍ저층 RC 학교건물의 골조를 대상으로 유사동적실험을 실시하였다. 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
- 7이다. 골조의 보는 내진보강 목적으로 제작을 하였으며, 상부의 스터브와 일체거동을 하도록 계획하였다. 이것은 본 연구의 대상인 기존 비내진상세를 가지는 국내 학교건물은 기존연구3-6)에 의하면 기둥이 먼저 붕괴메커니즘에 도달하는 기둥붕괴형이라고 사료되기 때문이다.
- 기둥 단면은 가로(b)와 세로(D) 300×300 mm인 장방형으로 계획하였으며, 기둥의 주근은 8-D16, 띠근은 D10@250이며, 기둥의 순길이는 1400 mm로 계획하였고, 전단 경간비는 4.7이다.
- 반복가력 실험용 비보강 골조실험체(C-RC)를 포함한 비보강 유사동적 실험체(PD-RC) 및 SRCF 외부접합공법에 의해서 내진보강된 유사동적 실험체(PD-SRCF) 총 3개 실험체의 균열 및 파괴 상황을 각 실험체 별로 나타내었고, 하중-변위 곡선(복원력), 변위의 시간이력곡선, 최대지진응답 등을 분석하여 기준 실험체 PD-RC 대비 SRCF 로 내진보강된 실험체(PD-SRCF)의 내진보강 효과를 검토하였다.
- 본 연구에서 제안한 SRCF 외부접합공법은 상기와 같은 기존 철근 케미컬 이음방식이 가지는 단점, 즉 접합부 일체성 확보 문제를 보완 및 개선한 것으로서, Fig. 2에 나타낸 것처럼 SRCF 외부접합법은 기존 구조체(A), 기존 구조체 보강용 강판(B), 보강강판 고정용 앵커(C), SRCF 내진보강용 철골프레임(D), SRCF 접합장치(E), 슬릿플레이트 고정볼트(F), 에폭시 수지(G), 외부 콘크리트 마감(H)으로 구성되어 있으며, 구조체 보강용 강판(B)은 SRCF 내진보강용 철골프레임(D)에 설치된 SRCF 접합장치(E) 및 슬릿플레이트 고정볼트(F)에 볼트접합 및 용접에 의해서 기존 구조체와 보강재를 일체화 시키는 것이 주요 특징으로서, 시공순서는 Table 1과 같다. Fig.
- 한편, 가력실험은 그 응답변형을 액츄에이터 등의 가력 장치에 의하여 실험체에 강제하며 그 때의 변위이력을 측정한다. 이상의 조작을 반복하는 것으로 실험체에 유사적인 지진시의 응답변형을 강제하면서, 컴퓨터에 의하여 지진응답을 계산하여 대상 구조물의 지진응답을 산정한다.
- 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.)을 이용하여 가력속도 5 mm/min로 인장시험을 진행하였다.
- 입력지진파은 건축구조물의 내진성능을 검증하기 위하여 널리 사용되고 있는 El Centro (NS) 지진파(Amax≒340 gal)을 사용하였으며, 상기에서 설정한 지진동, 즉 250, 300, 400 및 500 gal의 지반가속도 크기에 맞게 El Centro (NS)지진파를 표준화하여 유사동적실험을 실시하였다.
- 9에는 본 연구에서 구축한 유사동적실험 시스템의 개요를 나타낸 것으로서, 제어용 컴퓨터에 의한 입력지 진동에 따른 수치계산 부분과 실험체의 가력실험 부분으로 구성된다. 제어용 컴퓨터에 의한 수치계산 부분은 MTS사 제공 Pseudo-dynamic Testing Program12)을 이용하였으며, 가력실험 부분에서 LVDT에 의하여 계측 된 변형에 대한 실험체의 복원력, 입력 지진가속도 및 현 스텝의 응답량에 근거하여 수치적분을 이용하여 운동방정식을 계산한다. 운동방정식의 수치적분에는 α-method12)를 이용하였으며, 후술하는 반복가력 실험결과에 근거하여 설정된 초기강성, 감쇠계수 및 질량 등에 근거하여 다음 스텝의 응답변형을 산정한다.
- 한편, 수평용 지진응답변형은 2000 kN 유압식 MTS 액추에이터에 의하여 실험체에 강제하며, 축력은 실제 기존 골조(기둥 2개)에 가해지는 축하중, 즉 438 kN을 배분하여 각각의 기둥에 219 kN을 실험체 양쪽에 설치된 1000kN 유압식 Actuator을 이용하여 일정하게 가력 하였다. 지진동의 크기는 KBC 구조기준에 의해서 국내에서 발생 가능한 수준인 250 gal 및 300 gal을 기본으로 설정하였으며, 대지진 시의 SRCF 내진보강법의 효과를 비교하기 위하여 400 gal 및 500 gal의 지반가속도도 또한 설정하였다.
- 9에 나타낸 것처럼, 유사동적실험은 컴퓨터에 의한 수치계산 부분과 실험체의 가력실험 부분으로부터 구성되며, 수치계산 부분은 가력 실험 부분에서 계측된 특정 변형에 대한 실험체의 응답량, 입력 지진가속도 및 현 스텝의 응답량에 근거하여 수치적분을 이용하여 운동 방정식을 계산하며, 다음 스텝의 응답변형을 산정한다. 한편, 가력실험은 그 응답변형을 액츄에이터 등의 가력 장치에 의하여 실험체에 강제하며 그 때의 변위이력을 측정한다. 이상의 조작을 반복하는 것으로 실험체에 유사적인 지진시의 응답변형을 강제하면서, 컴퓨터에 의하여 지진응답을 계산하여 대상 구조물의 지진응답을 산정한다.
- 한편, 수평용 지진응답변형은 2000 kN 유압식 MTS 액추에이터에 의하여 실험체에 강제하며, 축력은 실제 기존 골조(기둥 2개)에 가해지는 축하중, 즉 438 kN을 배분하여 각각의 기둥에 219 kN을 실험체 양쪽에 설치된 1000kN 유압식 Actuator을 이용하여 일정하게 가력 하였다. 지진동의 크기는 KBC 구조기준에 의해서 국내에서 발생 가능한 수준인 250 gal 및 300 gal을 기본으로 설정하였으며, 대지진 시의 SRCF 내진보강법의 효과를 비교하기 위하여 400 gal 및 500 gal의 지반가속도도 또한 설정하였다.
- 한편, 유사동적실험의 실험변수 산정 및 복원력특성 파악을 위하여 반복가력실험을 실시한 비보강 골조실험체, 즉 C-RC에는 역대칭 모멘트가 발생하도록 횡력을 가하는 액추에이터의 가력점을 실험체의 상부 가력용 철골빔의 중심에 일치시켰으며, 횡 변위는 수평 부재각(R)에 따라 1/2500, 1/1000, 1/500, 1/400, 1/300, 1/250, 1/200, 1/150, 1/100, 1/67, 1/50, 1/33, 1/20, 1/15, 1/10의 순서로각 3 cycle씩 단계별로 점증 가력 하였다.
대상 데이터
- 8에 나타낸 SRCF 내진보강법으로 보강한 골조실험체 1개를 각각 계획 및 제작하였다. 또한, 유사동적실험의 실험변수 산정 및 복원력특성 파악을 위하여 반복 가력 실험용 비보강 골조실험체 1개를 동시에 제작하였다. 실험체 변수는 3개이며, Table 2에는 각 실험체의 일람을 나타낸다.
- 유사동적실험에 사용된 실험체의 콘크리트 압축강도는 21 MPa로, 3개의 공시체 평균값으로 표준공시체 보정 값은 측정된 압축강도의 97%로 28일 평균압축강도 24 MPa를 확인하였다. 사용한 철근은 1종 SD300이며, 부재의 주근은 D16, 전단 보강근은 D10을 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.
- 4에 나타낸 비내진상세를 가지는 국내 기존 RC 학교건물의 골조(1980년대 다형 표준도면)2,8)를 선정하였으며, 대상 건물의 층고는 330 cm, 설계용 콘크리트 강도는 21 MPa이며, 층수는 3층이다. 실험대상 골조는 Fig. 4 및 Fig. 6의 기둥-보-징두리벽(조적조)으로 구성된 대상학교의 외부 내측골조의 1층 부분이며, 실험체는 실험실의 규모를 고려하여 약 60% 크기로 축소된 1스팬 1층으로써 Fig. 5 및 Fig. 6 (조적조 징두리벽체 시공)에 나타내는 것처럼 SRCF 내진보강법의 내진보강 효과를 유사동적실험을 이용하여 검증하기 위하여 유사동적 실험용 비보강 골조실험체 1개 및 후술하는 Fig. 8에 나타낸 SRCF 내진보강법으로 보강한 골조실험체 1개를 각각 계획 및 제작하였다. 또한, 유사동적실험의 실험변수 산정 및 복원력특성 파악을 위하여 반복 가력 실험용 비보강 골조실험체 1개를 동시에 제작하였다.
- 유사동적 실험에 의해서 SRCF 내진보강공법의 내진성능 효과를 검증 할 목적으로 Fig. 4에 나타낸 비내진상세를 가지는 국내 기존 RC 학교건물의 골조(1980년대 다형 표준도면)2,8)를 선정하였으며, 대상 건물의 층고는 330 cm, 설계용 콘크리트 강도는 21 MPa이며, 층수는 3층이다. 실험대상 골조는 Fig.
- 조적조 징두리벽체의 유무에 의한 내진성능 실험에 관한 기존 연구9)에서 징두리 벽체를 가지는 골조는 순수 골조 대비 단주효과에 의해서 취성적인 거동을 나타낸다고 보고하고 있다. 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.
이론/모형
- 본 연구에서는 SRCF 외부접합형 접합부 앵커의 종류, 매입깊이, 간격 등을 JBDPA4)에서 제안한 앵커 설계식을 이용하여 결정하였다. Table 3에는 그 결과를 나타내며, Fig.
- 운동방정식의 수치적분에는 α-method12)를 이용하였으며, 후술하는 반복가력 실험결과에 근거하여 설정된 초기강성, 감쇠계수 및 질량 등에 근거하여 다음 스텝의 응답변형을 산정한다.
성능/효과
- 1) 반복가력실험을 실시한 C-RC 무보강 실험체의 최대하중은 311 kN (변위: 19.5 mm)으로서 전형적인 전단파괴를 보여주었다. 이것은 대상 학교건물인 비내진상세를 가지는 1980년대 건설된 학교건물의 파괴모드를 나타내어 주는 매우 중요한 자료라고 판단된다.
- 2) PD-RC, 즉 무보강 비교실험체의 유사동적실험 결과에 의하면 입력지진동 250 gal에서는 305 kN (변위: 11.9 mm)의 지진응답 최대내력을 나타내었으며, 지진피해 규모는 중규모 지진피해가 예측되었다. 한편, 동일 실험체에 대한 300 gal 입력지진동에서는 최대 지진응답 전단력 308.
- 3) PD-SRCF 내진보강 실험체의 300 gal인 경우는 381.4 kN (변위: 8.9 mm)의 최대 지진응답 전단력을 나타내었으며, 결과적으로 SRCF 내진보강공법으로 내진보강 한 실험체는 300 gal의 지진에 대해서는 미세한 전단균열정도가 관찰되었으며, 435.4 kN (변위:23.4 mm)의 최대 지진응답을 나타낸 400 gal의 지진에 대해서도 균열정도는 미세하여 내진보강법의 유효성이 검증되었다고 사료된다. 한편, 500 gal의 입력지진동에서는 493.
- 4) 그러나 내부접합공법을 사용하면 건물 내부에서 부가적인 공사범위가 확대되어 보강공사 기간 중에 건물을 사용할 수 없는 공간이 커지며, 또한 보강작업 시 공간확보에 어려움이 발생하는 경우가 있어 이용공간이 제한되어 효율성이 떨어지며, 기존 골조와의 내부접합부 시공 정확성이 요구되는 등 내진보강 공사기간이 장기화 될 가능성이 높다.4,7)
- 4) 기준실험체 대비 SRCF 외부접합형 내진보강법은 300 gal의 입력지진동에서 약 1.24배, 400 gal의 입력지진동에서는 1.41배, 500 gal의 입력지진동에서는 1.6배 정도 지진응답 내력이 증가하여 전형적인 강도 증진형 내진보강법이라고 사료된다. 300 gal에 대한 변위응답은 약 0.
- 5) SRCF 외부접합형 내진보강법은 거주자가 거주가 가능하면서 내진보강 공사를 실시할 수가 있으며, 접합부 시공성이 탁월하며, 특히 필요 내진보강량 산정이 간편한 전형적인 강도증진형 내진보강공법으로 전단파괴가 지배적인 비내진상세를 가지는 국내 중ㆍ저층 RC 건물에는 내력확보가 용이한 내진보강공법이라고 판단되며, 그 유효성이 유사동적실험에 의해서 검증되었다고 사료된다.
- PD-SRCF 내진보강 실험체의 300 gal인 경우는 381.4 kN (변위: 8.9 mm)의 최대 지진응답 전단력을 나타내었으며, 결과적으로 SRCF 외부접합 내진보강공법으로 내진보강 한 실험체는 300 gal의 지진에 대해서는 전술한바 미세한 전단균열정도가 관찰되어 본 연구에서 제안한 SRCF 공법의 내진보강 유효성이 검증되었다고 사료된다. 또한, 435.
- 상기 표 및 그림에 의하면 접합부 앵커는 직경(D)이 12 mm, 간격은 150 mm (2단배열)이다. 기둥 1개의 총 앵커 수는 주두 및 주각 단부(0.2Lc: Lc는 기둥길이) 각 12개, 일반부(0.6Lc) 18개, 총 30개 이며, 보의 앵커수는 38개로 산정되었으며, 기존 골조 포함 SRCF 보강프레임 수평저항능력 대비 접합부 강도는 단부에서 약 3.5배, 일반부에서 1.2배 높아 본 연구에서 개발한 SRCF 보강프레임은 기존 골조와 일체적으로 지진하중에 거동하리라고 사료된다. Fig.
- 81배를 나타내고 있다. 동일 하중(300 gal)에 대한 지진응답변 위는 약 50%정도로 억제되었으며, 지진하중이 증가함(400 gal, 500 gal)에 따라 내진보강 공법의 효과가 증대, 즉 내력증가에 따라서 변위가 상승하여 지진에너지를 흡수 할 수 있는 능력이 증대되어 본 연구에서 제안한 SRCF 내진보강공법의 유효성을 확인 할 수 있다.
- 81배를 나타내고 있다. 동일 하중(300 gal)에 대한 지진응답변위는 약 50%정도로 억제되었으며, 지진하중이 증가(400 gal, 500 gal)에 따라 내력 및 변위가 증가하여 지진에너지를 흡수할 수 있는 능력이 증대된다는 사실을 확인하였다.
- 동일 사이클 부가력 경우도 동일하게 상하부 및 중앙부에 전단균열이 다수 발생하였다. 부재각이 증가 되면서 전단균열 폭이 점점 커지고, 전단 균열 수가 증가되었으며, 폭 3 mm을 넘는 전단균열이 다수 발생하였다. 횡변위가 약 21 mm에 해당하는 10 cycle (R=1/67)에서 기둥 양단부에 전단균열의 폭이 매우 커지면서 콘크리트 피복이 박리되었으며, 전단파괴가 최종적으로 발생하였다.
- 상기 그림 및 표에 의하면, 기준실험체 대비 SRCF 외부접합형 내진보강법은 300 gal의 입력지진동에서 약 1.24배, 400 gal의 입력지진동에서는 1.41배, 500 gal의 입력지 진동에서는 1.6배 정도 지진응답 내력이 증가하여 내진보강 효과는 탁월하다고 사료된다. 이러한 결과는 최종 파괴상황을 비교한 Fig.
- )을 이용하여 가력속도 5 mm/min로 인장시험을 진행하였다. 시험결과 철근의 항복강도와 인장강도는 D16의 경우 평균 518 MPa, 752 MPa로, D10의 경우 평균 472 MPa, 700 MPa로 나타났다.
- 5 mm)에 도달하였으며, 부가력 경우와 큰 차이는 없었다. 실험체는 전형적인 전단파괴를 보여주었다. 이는 대상 학교건물이 비내진상세를 가지는 1980년대 건설된 학교건물의 파괴모드를 나타내어 주는 매우 중요한 자료라고 판단된다.
- 유사동적실험에 사용된 실험체의 콘크리트 압축강도는 21 MPa로, 3개의 공시체 평균값으로 표준공시체 보정 값은 측정된 압축강도의 97%로 28일 평균압축강도 24 MPa를 확인하였다. 사용한 철근은 1종 SD300이며, 부재의 주근은 D16, 전단 보강근은 D10을 사용하였다.
- 5초부터 전단균열이 기둥 상하부에서 발생하기 시작하였다. 이후 전단균열은 점차 증가하였으며, 전단균열은 지진입력 시간이 증가함에 따라 양 기둥 중앙부로 확대되었다. 최대 지진응답은 4.
- 한편, 300 gal의 입력지진동에 대해서는 약 1.52초부터 육안으로 확실하게 관찰이 가능한 전단균열이 발생하였으며, 1.8초 이후에는 전단균열의 폭이 매우 증대하였다. Fig.
후속연구
- 6) 향후 본 연구에서 제안한 SRCF 외부접합형 내진보강법의 실용화를 위해서 내진보강 대상 건물 시스템 전체 수준에서 목표성능을 설정하여 최적의 내진보강위치, 보강골조 하부 및 기초를 포함한 전체 부재의 보강 시의 내진구조 거동을 포함한 개별부재의 연성능력, 내진보강효과 등을 유사동적 실험 결과를 바탕으로 한 해석적 연구에 의해서 검토해야 할 필요가 있다고 사료된다.
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