[논문]BFRP 보강이 직사각형 단면 철근콘크리트 기둥의 지진거동에 미치는 영향

이혜린; 조정현; 이승건; 이수형; 홍기증

doi:10.11112/jksmi.2020.24.6.153

BFRP 보강이 직사각형 단면 철근콘크리트 기둥의 지진거동에 미치는 영향
Effect of BFRP Wrapping on Seismic Behavior of Rectangular RC Columns 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.6, 2020년, pp.153 - 160

이혜린 (국민대학교 건설시스템공학부) , 조정현 (국민대학교 건설시스템공학부) , 이승건 (국민대학교 건설시스템공학부) , 이수형 (국민대학교 건설시스템공학부) , 홍기증 (국민대학교 건설시스템공학부)

초록
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지진동 하의 구조 시스템에서 기둥은 가장 중요한 구조 요소 중 하나이다. 이러한 관계로, 철근콘크리트(RC) 기둥의 내진 성능에 FRP 보강이 미치는 영행을 평가하기 위하여 광범위한 실험 연구가 이루어졌다. 이 중 상당수는 CFRP 또는 GFRP로 보강된 원형 단면 또는 정사각형 단면의 RC 기둥의 지진 거동에 집중하였다. 단면의 형태가 FRP 보강으로 인한 구속 효과에 영향을 미치기 때문에, 보강 효과와 최종 파괴 패턴이 형상에 따라 상이할 수 있다. 본 연구에서는 현무암 섬유를 함유한 BFRP 시트와 복합섬유 패널로 보강한 직사각형 단면을 가진 RC 기둥의 지진 거동을 살펴보기 위하여 반복하중 실험을 수행하였다. 실험 결과는 보강 효과가 크지 않았음을 보여주는데, BFRP 시트와 복합섬유 패널에 의한 구속 효과의 증가가 미미했음을 의미하며, 이는 기둥 단면 형상에 일부 기인하는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Columns are one of the most critical parts of a structural system subjected to earthquake excitations. In this regard, extensive experimental studies have been conducted to evaluate the effect of fiber reinforced polymer (FRP) wrapping on the seismic performance of reinforced concrete (RC) columns. Among them, many studies focused on the behavior of circular or square RC columns strengthened with CFRP or GFRP sheets. Since the cross-sectional shape affects confinement by FRP wrapping, its strengthening effect and final damage pattern may differ with shapes. In this study, a series of cyclic tests was conducted to investigate the seismic behavior of rectangular reinforced concrete columns strengthened with basalt-based fiber reinforced polymer (BFRP) sheets and composite fiber panels. The result shows that the effect of strengthening is not significant, and it implies a little increase of confinement by BFRP sheets and composite fiber panels, which is considered partly due to the cross-sectional shape of the columns.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Dimensions of typical subway structure in Seoul
그림 Fig. 2 Dimensions and reinforcement of specimen
표 Table 1 Properties of BFRP sheet and composite fiber panels
그림 Fig. 3 Test setup
그림 Fig. 4 Lateral displacement history
표 Table 2 Retrofitting details
그림 Fig. 5 Lateral force-displacement relationship
그림 Fig. 6 Lateral force-displacement envelope
표 Table 3 Major Indicators for lateral force-displacement relationship
표 Table 4 Initial stiffness at the ±0.3% peaks
표 Table 5 Displacement ductility
그림 Fig. 7 Cumulative energy dissipation
그림 Fig. 8 Final damage during the last applied displacement level
표 Table 6 Energy dissipation

AI 본문요약
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문제 정의

또한 수평변위비 10% 이하의 횡변위를 유발하는 횡하중을 반복 가력하여 실험을 진행하였다. 기등의 상부를 횡방향으로 가력하여 실제 철근콘크리트 기등의 지진 거동을 살펴보고자 하였다.
4개의 보강 실험체에 동일한 BFRP 시트를 사용하였으며, 1겹을 부착하여 보강하였다. 또한, 각각 2개의 실험체에 고강도 난연 패널과 준 불연 패널을 1겹, 모서리는 2겹을 부착하여 패널로 인한 거동차이 발생 여부를 살펴보고자 하였다.
본 실험에서는 현실적인 축하중 조건을 반영하여 실제 철근콘크리트 기등의 지진 거동을 살펴보고자 하였다. 축 방향으로는 하중제어 방식을 적용하여 1130±50 kN 수준의 축하중을 재하하였다.
, 2020), CFRP 또는 GFRP 보강 실험만큼 데이터가 축적되어있지 않다. 본 연구에서는 BFRP 보강이 기존 철근콘크리트 구조물 중 기등의 지진거동에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 휨거동에 지배되는 직사각형 단면의 철근콘크리트 기둥에 BFRP 보강을 수행하고 반복하중 실험을 통하여 보강 전후의 지진거동 변화를 검토하였다.

제안 방법

5개 실험체의 횡방향 반복가력하여 Fig. 5와 같은 하중-변위 곡선 및 Fig. 6과 같은 포락곡선을 도출하였다.
0%에 해당한다. 각 목표변위 당 2회의 반복 가력을 수행했으며, 가력속도는 ±40mm 수준까지 8mm/sec, ±80mm~±120mm 수준에서는 16mm/sec, ±160mm 수준부터는 24mm/sec로 설정하였다.
및 패널 보강으로 인한 성능 변화를 검토하였다. 각 실험체의 초기강성은 횡하중-변위 곡선 상에서 원점과 거의 직선을 이루고 있는 ±0.3% 수평변위비의 양방향 첫 번째 정점에서의 하중과 변위를 기준으로 산정하였다.
기존 지하철 구조물에서 일반적으로 사용되는 박스형 구조물 중간에 배치되는 직사각형 단면의 철근콘크리트 기둥을 본따서 실험체를 제작하고, BFRP시트와 복합소재 패널(준 불연패널, 고강도 난연패널)을 사용한 보강공법을 적용하여 내진 성능에 미치는 영향을 실험으로 검증하였다. 이때 축 하중 능력의 15% 가량에 해당하는 축하중을 가력하면서 실험을 수행하였으며, 그 결론은 다음과 같다.
6% 수준이었다. 또한 수평변위비 10% 이하의 횡변위를 유발하는 횡하중을 반복 가력하여 실험을 진행하였다. 기등의 상부를 횡방향으로 가력하여 실제 철근콘크리트 기등의 지진 거동을 살펴보고자 하였다.
변위제어를 통하여 실험체를 횡방향으로 밀고 당기는 반복 가력을 수행하였다. 횡방향 변위이력은 Fig.
본 연구에서는 변위연성도(_)에 근거하여 연성 능력을 평가하였다. 변위연성도는 항복변위(_)와 극한변위(_)의 비율로, 항복변위는 식 (1)-(2)와 같이 최대 횡하중의 0.
반영하였다. 실험체 제작에 사용한 철근과 동일한 철근을 시편으로 사용하여 인장시험을 수행하였다. 측정값에 따르면 D13의 평균 항복강도는 378.
실험체의 횡하중-변위 곡선의 초기강성을 평가하여 BFRP 시트 및 패널 보강으로 인한 성능 변화를 검토하였다. 각 실험체의 초기강성은 횡하중-변위 곡선 상에서 원점과 거의 직선을 이루고 있는 ±0.
미치는 영향을 실험으로 검증하였다. 이때 축 하중 능력의 15% 가량에 해당하는 축하중을 가력하면서 실험을 수행하였으며, 그 결론은 다음과 같다.
일반적으로 사용 중인 기등에 FRP 시트 및 복합패널을 부착하는 방식으로 내진보강을 수행하므로, 이를 반영하도록 5 개의 철근콘크리트 기등을 제작하고 이 중 4개의 실험체에 BFRP 시트와 복합섬유 패널을 부착하였다. 4개의 보강 실험체에 동일한 BFRP 시트를 사용하였으며, 1겹을 부착하여 보강하였다.
총 5개의 철근콘크리트 기둥 제작을 위한 철근 조립, 콘크리트 타설 및 양생을 수행하였다. Table 2에서 요약한 바와 같이, 4개의 기등에 BFRP 시트와 두 종류의 복합섬유패널을 조합하여 설치하였다.
축 방향으로는 하중제어 방식을 적용하여 1130±50 kN 수준의 축하중을 재하하였다. 축하중비는 14.
탄성계수의 경우, 각 방향에 대하여 3번의 시험을 통해 측정하여 최소및 최대 측정값의 범위로 나타내었다. 화재로부터 BFRP 시트를 보호하고 일정 정도 보강효과가 있을 것으로 기대하여 두 가지 종류의 복합섬유 패널로 BFRP시트를 감싸도록 설치하였다. 준불연패널은 523MPa 강도에 5mm두께를 가지며, 고강도 난연 패널은 727MPa 강도에 3mm 두께를 가진다.

대상 데이터

시트와 복합섬유 패널을 부착하였다. 4개의 보강 실험체에 동일한 BFRP 시트를 사용하였으며, 1겹을 부착하여 보강하였다. 또한, 각각 2개의 실험체에 고강도 난연 패널과 준 불연 패널을 1겹, 모서리는 2겹을 부착하여 패널로 인한 거동차이 발생 여부를 살펴보고자 하였다.
BFRP 시트와 복합섬유 패널은 청원화학(주)에서 제공한재료를 사용하여 시공하였다. BFRP 시트는 현무암(basalt) 섬유 600g을 0˚, ±45˚, 90˚ 방향으로 함유하고 있으며 섬유함량, 각 방향별 인장강도 및 탄성계수는 Table 1과 같다.
각 실험체에 대하여 일정한 축하중을 지속적으로 가하고 횡방향으로 반복 가력하는 실험을 수행하기 위해서 50톤 용량 액츄에이터 2기, 200톤 용량(압축) 복동램 및 강봉, 전동펌프, 철제 지그, 데이터 로거, 컨트롤러 등을 사용하였다. 실험체에 가력 장비를 연결한 모습은 Fig.
기둥 실험체 가력 시기에 3개의 공시체 압축강도를 측정하였고, 평균 압축강도는 23.4MPa였다.
참고하여 실험체를 설계하였다. 대상 구조물은 Fig. 1와 같은 단면의 박스 구조물이다. 중간의 수직부재는 단면 크기가 900mm×350mm(b×d)의 직사각형으로 벽체보다는 기둥에 가깝다.
사용 중인 서울 지하철 일부 구간의 철근콘크리트 구조물을 참고하여 실험체를 설계하였다. 대상 구조물은 Fig.

성능/효과

1) 무보강 실험체와 보강 실험체에서 횡방향 하중, 초기 강성, 연성도, 에너지 소산능력의 변화를 살펴보았으나, 큰 변화를 관찰할 수 없었다. 무보강 실험체의 최대 횡하중과 비교하여, 보강 실험체에서는 부가력에서 1.
3) 무보강 실험체에서는 주철근의 좌굴에 의한 휨 파괴가 일어났다. 보강실험체는 복합섬유 패널 모서리가 파괴되어 보강재로서의 사용성을 손실할 때까지 실험하였다.
4) 실험체의 거동 및 파괴 양상을 검토한 결과, 준불연 복합섬유 패널과 고강도 난연 복합섬유 패널이 휨에 지배되는 직사각형 단면의 철근콘크리트 실험체의 내진 성능향상에 기여하는 바는 크지 않다고 판단된다. 이는 단면형상으로 인하여 보강재의 콘크리트 구속효과가 발현되기 어려움에 일부 기인하는 것으로 보인다.
5개의 실험체에서 대부분의 최대 횡변위(_max)는 목표 수평변위비 중 하나에 해당하는 값으로 무보강 실험체는 ±8.0%, 고강도난연 패널 보강 실험체는 ±6.0%, 준불연 패널보강 실험체는 ±8.0%로 나타났다. 무보강 실험체는 주철근의좌굴이 발생하여 성능이 급격히 저하되는 시점까지 실험을 진행하였으나, 보강 실험체는 패널의 사용성이 한계에 이를 때까지 실험을 진행하였기 때문에 무보강 실험체의 최대 횡변위보다 작거나 같은 값을 보인 것으로 판단된다.
61배에 해당하는 값이다. BFRP 시트와 준불연 패널에 의한 보강이 에너지 소산량 증가에 다소 기여하였음을 확인할 수 있다.
Fig. 6에서 5개 실험체의 포락곡선을 비교해보면, 초기 변위에서 무보강 실험체와 보강 실험체 사이에 성능 차이가 크지 않으며, LR-RLC, LR-RHS 그룹 사이에 거동 차이가 있음을 확인할 수 있다. 포락곡선을 활용하여 최대 횡하중의 0.
심부 콘크리트의 상태나 주철근의 좌굴 발생 여부 등은 실험체 외부를 감싼 보강재로 인하여 육안으로 관찰하기 어려웠으나 보강 재료의 사용 성이 한계에 이른 것으로 판단하였다. LR-RLC 그룹과 LR-RHS 그룹의 하중-변위 곡선은 +6.0%의 첫 번째 정가력(미는 방향) 구간까지는 매우 유사하였으나, 부가력(당기는 방향) 구간으로 진입하면서 상당한 차이를 관찰할 수 있었다. 결국, LR-RHS 그룹의 경우 목표 수평변위비 ±6.
0% 수준까지는 횡하중이 점차 증가하지만, 그 이상의 변위에서는 감소하는 추세를 보인다. 결국 준불연 패널 보강한 LR-RLC 그룹은 목표 수평변위비 ±8.0% 사이클에서, 고강도 난연 패널 보강한 LR-RHS 그룹은 목표 수평변위비 ±6.0% 사이클에서 보강 패널의 면이 만나는 모서리가 벌어지며 실험이 종료되었다. 심부 콘크리트의 상태나 주철근의 좌굴 발생 여부 등은 실험체 외부를 감싼 보강재로 인하여 육안으로 관찰하기 어려웠으나 보강 재료의 사용 성이 한계에 이른 것으로 판단하였다.
0%의 첫 번째 정가력(미는 방향) 구간까지는 매우 유사하였으나, 부가력(당기는 방향) 구간으로 진입하면서 상당한 차이를 관찰할 수 있었다. 결국, LR-RHS 그룹의 경우 목표 수평변위비 ±6.0% 수준의 첫 번째 사이클 부가력 구간에서 성능이 급격히 떨어지며 실험이 종료되었으나, LR-RLC 그룹의 경우 횡하중에 대한 보다 안정적인 저항을 보였으며 목표 수평변위비 ±8.0% 수준의 첫 번째 사이클까지 가력을 지속할 수 있었다.
고강도난연 패널 보강한 LR-RHS 그룹의 부가력 시 변위연성도는 무보강 실험체의 값과 거의 유사하게 관찰되었으며, 이를 제외하여도 보강 실험체의 변위연성도 증가는 크지 않아서 정가력 시 1.18~1.54배, 부가력 시 1.02~1.24배의 값을 가진 것으로 나타났다. 이는 직사각형 단면의 단변과 장변의 비가 2 를 초과하는 경우 보강 효과가 현저히 떨어질 수 있음을 언급한 ACI 440.
24배의 값을 가진 것으로 나타났다. 또한, 보강 실험체 중 무보강 실험체와 동일한 사이클 수를 가진 준불연 패널 보강 실험체는 무보강 실험체 에너지 소산량의 1.16배, 1.13배에 해당하는 에너지 소산량을 보였다.
관찰할 수 없었다. 무보강 실험체의 최대 횡하중과 비교하여, 보강 실험체에서는 부가력에서 1.12~1.16 배, 정가력에서 1.04~1.06배에 해당하는 값을 보였으며, 준불연 패널 보강 실험체와 고강도 난연 패널 보강 실험체의 차이는 미미하였다. 초기강성은 부가력에서 1.
무보강 실험체의 최대 횡하중은 부가력과 정가력으로 각각 -218.1kN, 253.1kN으로 나타났으며, 보강 실험체 4개의 최대횡하중은 부가력에서는 1.12~1.16배, 정가력에서는 1.04~1.06 배에 해당하는 값이다. 준불연 패널 보강 실험체와 고강도 난연패널 보강 실험체의 차이는 미미하였다.
43 kN/mm(정가력)와 유사하다. 방향별 비율은 1.17~ 1.21배(부가력), 0.82~1.0배(정가력)로 보강재가 대체로 초기강성 변화에 큰 영향을 미치지는 않았으나, 부가력 시에는 다소 기여하였음을 확인할 수 있다.
0mm로 나타났다. 보강 실험체에서 최대횡하중이 발생한 변위는 부가력 하에서는 0.98~2.00배, 정가력하에서는 1.12~2.03배에 해당하였으며, LR-RLC-2, LR-RHS-1 에서 크게 나타났다.
8 kN-m에 도달한 후 파괴되었다. 보강 실험체의 경우, 준불연 패널 보강 실험체인 LR-RLC 그룹과 고강도 난연 실험체인 LR-RHS 그룹의 양상이 매우 다르게 나타났다. LR-RLC-1, 2 실험체는 13회의 사이클에 걸쳐서 누적 에너지 소산량이 각각 241.
보강 실험체의 변위연성도 증가는 크지 않아서 정가력 시 1.18~1.54배, 부가력 시 1.02~1.24배의 값을 가진 것으로 나타났다. 이는 직사각형 단면의 단변과 장변의 비가 2 를 초과하는 경우 보강 효과가 현저히 떨어질 수 있음을 언급한 ACI 440.
실험체 제작에 사용한 철근과 동일한 철근을 시편으로 사용하여 인장시험을 수행하였다. 측정값에 따르면 D13의 평균 항복강도는 378.2MPa, 평균 인장강도는 531.9MPa였으며, D22의 평균 항복강도는 335.8MPa, 평균 인장강도는 521.0MPa로 나타났다.

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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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