[논문]FRP 패널로 보강한 강골조의 가이드 시스템에 따른 성능평가

임정희; 권민호; 서현수; 김진섭

doi:10.11004/kosacs.2015.6.2.046

FRP 패널로 보강한 강골조의 가이드 시스템에 따른 성능평가
Performance Evaluation of Steel Frame with FRP Composite Panel according to Guide System 원문보기

복합신소재구조학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, v.6 no.2, 2015년, pp.46 - 51

임정희 (경상대학교 토목공학과) , 권민호 (경상대학교 토목공학과 공학연구원) , 서현수 (경상대학교 토목공학과) , 김진섭 (텍사스알링턴주립대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Since it is impossible to predict earthquakes, they involve more casualties and property damage compared to meteorological disasters such as heavy snow and heat waves, which can be predicted through weather forecasts. This has highlighted the need for seismic design and reinforcement. Recently, the use of composite materials as reinforcement has surged because steel plate reinforcement and section enlargement are likely to result in increased weight and physical damage to structures. This study evaluates the seismic performance of panels created from composite materials, and their guide systems. The specimens were miniature versions of actual steel structures, and displacement loads were applied in the transverse direction. Seismic performance was found to improve when structures were reinforced with seismic panels.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

내진설계가 되어있지 않은 강골조 구조물에 내진보강용 FRP 패널에 따른 내진성능향상 및 FRP 패널 가이드 시스템에 따른 구조 성능의 변화를 파악하고자 한다. 용접접합으로 이루어진 8,100mm×6,000mm의 중·저층 강골조 구조물을 실험실 여건에 맞게 2,250mm×1,625mm 크기로 73% 축소하여 구조물을 제작하였고, Fig.
본 연구에서는 복합재료로 제작한 FRP 패널의 내진성능 향상 및 FRP 패널 가이드 시스템에 따른 성능을 실험적으로 검토하고자 하였다. 시험체는 실제 구조물을 바탕으로 축소하여 제작하였다.
본 연구에서 제작한 내진보강용 FRP 패널은 2차모멘트 증가의 용이성 등과 같은 이점을 가지는 상자형으로, 기존 벽체의 강도보강 또는 기존 벽체를 대신하는 형태로 긴급시공 및 긴급보수를 목적으로 한다. 이에 운반과 시공의 용이성을 위하여 분할형태로 제작하였고, 시공시에는 각각의 FRP 패널을 에폭시 본드를 이용해 일체화한다.
본 연구에서는 복합재료로 제작한 FRP 패널의 내진성능 향상 및 FRP 패널 가이드 시스템에 따른 성능을 실험적으로 검토하고자 하였다. 시험체는 실제 구조물을 바탕으로 축소하여 제작하였다.

제안 방법

본 연구에서는 복합재료로 제작한 FRP 패널의 내진성능 향상 및 FRP 패널 가이드 시스템에 따른 성능을 실험적으로 검토하고자 하였다. 시험체는 실제 구조물을 바탕으로 축소하여 제작하였다. 축소된 시험체에 제안한 두 종류의 FRP 패널 가이드 시스템을 적용하여 실험을 수행하였고, 그 결과를 분석하여 내진성능을 평가하였다.
시험체에 적용한 횡방향 변위하중은 Fig. 6과 같이 ±5mm씩, 각 변위별 2회 반복하여 증가시켜나가는 반복하중 형태로 재하하였고, 1,000kN용량의 엑츄에이터를 이용하였다.
용접접합으로 이루어진 8,100mm×6,000mm의 중·저층 강골조 구조물을 실험실 여건에 맞게 2,250mm×1,625mm 크기로 73% 축소하여 구조물을 제작하였고, Fig. 4에 축소된 시험체의 상세를 나타내었다.
본 연구에서 제작한 내진보강용 FRP 패널은 2차모멘트 증가의 용이성 등과 같은 이점을 가지는 상자형으로, 기존 벽체의 강도보강 또는 기존 벽체를 대신하는 형태로 긴급시공 및 긴급보수를 목적으로 한다. 이에 운반과 시공의 용이성을 위하여 분할형태로 제작하였고, 시공시에는 각각의 FRP 패널을 에폭시 본드를 이용해 일체화한다. FRP 패널은 3mm의 GFRP가 우레탄 폼을 감싸는 형태로, 형상은 Fig.

대상 데이터

3과 같고, GFRP의 재료물성은 Table 1과 같다. 실험에서는 Fig. 3의 FRP 패널을 두 개 제작하여 에폭시 본드를 이용해 부착하여 사용하였다.

데이터처리

시험체는 실제 구조물을 바탕으로 축소하여 제작하였다. 축소된 시험체에 제안한 두 종류의 FRP 패널 가이드 시스템을 적용하여 실험을 수행하였고, 그 결과를 분석하여 내진성능을 평가하였다.

성능/효과

(2) 각 시험체별 실험결과 최대강도는 OSF 시험체의 경우 76.1kN, SF_E 시험체의 경우 130.9kN, SF_B 시험체의 경우 191.0kN으로, OSF 시험체에 비하여 SF_E 시험체는 약 1.72배, SF_B 시험체는 약 2.51배 증가하였다. SF_E 시험체에 비하여 SF_B 시험체의 보강효과가 더 높은 것으로 나타났는데 이는 SF_E 시험체의 시험 중 가이드 앵글의 탈락으로 인하여 패널의 경계조건에 변화가 발생하였고, 이로 인하여 낮은 보강성능을 발휘한 것으로 사료된다.
(3) OSF 시험체에 비하여 강성이 SF_E 시험체의 경우 2.70배, SF_B 시험체의 경우 3.00배 증가하였다. 이로써 FRP 패널을 이용하여 구조물의 강성을 증가시킬 수 있는 것으로 사료된다.
(4) 누적에너지소산능력은 OSF 시험체에 비하여 SF_E 시험체의 경우 1.13배, SF_B 시험체의 경우 1.06배 증가하였다. FRP 패널을 통한 에너지소산능력의 증가는 미비한 것으로 사료된다.
두 종류의 FRP 패널 가이드 시스템을 제안하여 실험을 수행하였고, 그 결과 FRP 패널로 강골조를 보강할 경우 최대강도 및 강성이 증가하였다. FRP 패널로 강골조 보강시, 앵글을 강재용 에폭시를 이용하여 부착하는 가이드 시스템을 적용한 시험체에 비하여 앵글을 천공하여 고장력 볼트로 고정하는 가이드 시스템을 적용한 시험체의 최대강도 및 강성이 더욱 크게 나타났다. 이에 FRP 패널로 강골조 보강시 앵글을 천공하여 고장력 볼트로 고정하는 가이드 시스템을 이용할 경우 우수한 보강효과를 나타낼 것으로 판단된다.
여기서 특별한 규칙성은 보이지 않으며, 패널의 설치유격이나 좌굴 형상 등에 따라서 차이를 보이는 것으로 사료된다. OSF 시험체에 비하여 최대강도가 SF_E 시험체의 경우 약 1.72배, SF_B 시험체의 경우 약 2.51배 증가하였다. SF_E 시험체는 GY_1 보강방법을 이용한 시험체로, 실험 중 가이드 앵글의 탈락으로 인하여 패널의 경계조건에 변화가 발생하였고, 이로 인하여 낮은 보강성능을 발휘한 것으로 보인다.
변위 약 20mm까지 하중-변위가 일정한 기울기로 증가하였고, 이후 점차 완만하게 기울기가 감소하는 형태를 나타내었다. OSF의 최대강도는 정가력일 때 변위 100mm에서 74.6kN, 부가력일 때 변위 100mm에서 76.1kN으로 측정되었다.
51배 증가하였다. SF_E 시험체에 비하여 SF_B 시험체의 보강효과가 더 높은 것으로 나타났는데 이는 SF_E 시험체의 시험 중 가이드 앵글의 탈락으로 인하여 패널의 경계조건에 변화가 발생하였고, 이로 인하여 낮은 보강성능을 발휘한 것으로 사료된다.
이 시험체 역시 FRP 패널로 인하여 OSF 시험체에 비해 강성이 증가함을 볼 수 있다. SF_E 시험체의 최대강도는 정가력일 때 변위 45mm에서 191.0kN, 부가력일 때 변위 50mm에서 168.4kN으로 측정되었다.
복합재료로 제작한 FRP 패널의 내진성능 향상 및 FRP 패널 가이드 시스템에 따른 성능을 실험적으로 검토하고자 하였다. 두 종류의 FRP 패널 가이드 시스템을 제안하여 실험을 수행하였고, 그 결과 FRP 패널로 강골조를 보강할 경우 최대강도 및 강성이 증가하였다. FRP 패널로 강골조 보강시, 앵글을 강재용 에폭시를 이용하여 부착하는 가이드 시스템을 적용한 시험체에 비하여 앵글을 천공하여 고장력 볼트로 고정하는 가이드 시스템을 적용한 시험체의 최대강도 및 강성이 더욱 크게 나타났다.
8(c)에 나타내었다. 변위가 증가함에 따라 하중이 함께 증가하고, 최대강도 이후 하중이 감소하다 파괴된 패널과 패널가이드의 맞물림 효과에 의해 변위 65mm와 80mm에서 하중이 다시 증가하는 거동을 보였다. 이 시험체 역시 FRP 패널로 인하여 OSF 시험체에 비해 강성이 증가함을 볼 수 있다.
FRP 패널로 강골조 보강시, 앵글을 강재용 에폭시를 이용하여 부착하는 가이드 시스템을 적용한 시험체에 비하여 앵글을 천공하여 고장력 볼트로 고정하는 가이드 시스템을 적용한 시험체의 최대강도 및 강성이 더욱 크게 나타났다. 이에 FRP 패널로 강골조 보강시 앵글을 천공하여 고장력 볼트로 고정하는 가이드 시스템을 이용할 경우 우수한 보강효과를 나타낼 것으로 판단된다. 세부결론은 다음과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단면증설법과 강판보강법의 문제점은 무엇인가?	기존 콘크리트 구조물은 단면증설법과 강판보강법이 주로 사용되었으나, 이러한 보강방법은 건물 중량의 증대, 작업공간의 확보, 이용공간 제한 등의 문제점이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 최근 재료가 경량이면서도 강도가 크고 시공성이 좋으며 부식에 대한 저항성이 높은 등의 장점을 가진 섬유보강재(FRP, Fiber Reinforced Polymer)를 이용한 보강방법이 개발되었다(Lee et al.
	지진의 특징은 무엇인가?	0 이상 강진의 발생빈도가 증가하고 있고, 안전지대로 여겨졌던 우리나라도 20세기 중반 이후 중진이 여러차례 관측되었다. 기상이변 중 지진은 기상예측을 통한 예보가 거의 불가능하고, 지반을 통해 에너지가 전달되므로 지진 피해의 대부분이 건설 구조물에 집중된다. 또한 짧은 시간동안 일어나므로 지진 발생시 적극적인 대처를 할 시간적 여유가 거의 없어 재산 및 인명 피해의 규모가 폭설, 폭염 등의 기상이변들보다 비교할 수 없을 정도로 크다(Jang et al., 2007).
	섬유보강재의 개발 목적은 무엇인가?	, 2002). FRP는 선박/레저산업, 군수산업, 첨단 항공우주산업 등에 적용하기 위하여 특수한 목적으로 개발되었으나, 소재자체가 지니는 장점으로 인해 그 적용범위가 점차 확대되어 최근에는 건설분야에서 구조물 보강재로 많이 활용되고 있다(You et al., 2008).

참고문헌 (10)

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상세보기
Jang, H. N., and Lee, J. Y. (2007), "Case Study of Earthquake Damage in Korea and Other Countries," Korean Society of Civil Engineers Magazine, Vol. 55, No. 4, pp. 133-139.
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상세보기
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원문보기 상세보기
Park, S. Z., and Hong, K. J. (2014), "Development of Lining-Board System Using Light-Weight GFRP Panels for Sewer-Pipe Construction," J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc., Vol. 5, No. 3, pp. 23-31.

원문보기 상세보기
Tong, X. D., Hajjar, J. F., Schultz, A. E., and Shield C. K. (2005), "Cyclic behavior of steel frame structures with composite reinforced concrete infill walls and partially-restrained connections," Journal of Constructional Steel Research, Vol. 61, pp.531-552.

상세보기
You, Y. C., Choi, K. S., Kang, I. S., and Kim, K. H. (2008), "Appraisal Study on Tensile Test Method of Mechanical Properties of FRP Composite Used in Strengthening RC Members," Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol. 12, No. 1, pp.73-80.
Zhang, R. H., and Soong, T. T. (1989), "Seismic Response of Steel Frame Structures with added Viscoelastic Dampers," Earthquake engineering and structural dynamics, Vol. 18, pp.389-396.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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