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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.17 No.5 pp.1-12
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2013.17.5.001

고연성재 보강 철근콘크리트 기둥의 내진성능 연구

이 원 철1), 임 성 순2)*
1) 정회원, 서울시립대학교 토목공학과 박사과정
2) 정회원, 서울시립대학교 토목공학과 교수, 교신저자

Study on Seismic Performance of RC Column with Super-Flexibility Membrane

Sung-Soon Yhim2)*, Weon-Cheol Lee1)

Received : 06/26/2013, Revised : 07/25/2013, Accepted : 08/21/2013

Abstract

This study presents the evaluations of seismic performance and displacement ductility for two types of RC columns: existing RCcolumn without SFM (Super Flexibility Membrane) and CSF (RC columns strengthened with SFM). After they are analyzed by theexperiment as well as FEM, crack patterns and load-displacement curve of CSF by the former are shown to similar to those ofCSF by the latter. The flexural cracks are dominant in CSF, whereas shear cracks in CNF (existing RC column without SFM).Displacement ductility of CSF is shown significantly to increase as well as ultimate displacement, compared to those of CNF.Therefore CSF can be replaced to CNF in order to increase the seismic performance and displacement ductility.

0065-01-0017-0005-1.pdf1.94MB

1. 서 론

 1989년에 규모 7.1의 미국 Loma Prieta지진, 1990년에는 규모 7.7의 이란 Rasht지진 등 강력한 지진발생이 계기가 되어 우리나라도 공공시설물의 지진안전성 확보를 위해 1992년부터 도로교시방서에 내진설계규정이 도입되었다. 이와 더불어 1990년대 하반기부터 기존 비내진설계 구조물에 대한 내진보강공사를 시행해오고 있으며 구조물의 특성, 중요도,교통량 등 종합적 분석에 따라 단계적 보강공사를 진행하고있다. 

 비내진 구조물의 내진보강수준은 신설구조물의 내진설계규정에 만족할 수 있는 방안이 필요하나 전면 재시공은 많은 경제적 어려움이 예상된다. 이러한 이유로 기존구조물의 내진취약부인 기둥의 소성힌지구간을 적절히 보강하여 내진성능을 확보하도록 하고 있으며 지난 15년 동안 많은 국내 구조물에 다양한 내진보강공법이 적용되어왔다. 초창기에는 일부 구조물에서 단면증설, 강판보강 등의 습식공법이 사용되어 왔다. 그러나 고강도, 고탄성을 가진 탄소섬유, 아라미드 섬유, 유리섬유 등의 연속섬유시트 연구가 활발해지고 실용화로 이어지면서 대부분의 보강공법은 연속섬유시트를 활용하여 보강이 이루어졌다. 연속섬유시트와 관련하여, Matsudaet al. (1990)은 탄소섬유시트로 내진보강한 원형교각의 휨파괴구간을 대상으로 실험적 연구를 수행하였으며, Chung et al. (2001)은 비내진교각을 유리 탄소섬유로 보강하였을때 충분한 내진성능이 확보된다는 실험적 연구를 수행하였다.Kwon et al. (2004)은 교각의 FRP보강에 대한 연구를 수행하였으며, Lee et al. (2007)은 기둥의 FRP에 대한 실험적 연구를 하였으며, Youm et al. (2009)은 콘크리트 충전FRP 합성교각의 성능평가를 실험적 방법으로 연구하였다.

 그러나 연속섬유시트는 높은 강도에 의해 보강효과는 우수하지만 재료자체의 파단변형률이 작으므로 연성이 작고 파괴단계에 이르러서는 급격하게 취성거동이 지배하는 보강재료이다. 최근 들어 국내외 내진보강방향은 강도향상 못지않게 구조물 항복이후의 연성을 증진시키는 추세이다. 특히대형지진의 발생빈도가 높은 일본의 경우에는 대형지진에효과적 대응을 위해 구조물의 변형을 억제하는 보강패턴보다는 변형이 발생한 이후에도 유연하게 균형을 유지하도록 하는 연성설계개념으로 내진보강이 이루어지고 있다. 이러한 연성설계의 일환으로 고연성재에 대한 연구가 선도적으로 진행되고 있고 철도교량 등에서 부분적으로 적용되고 있다.국내에서는 앞서 정리된 바와 같이 일반적인 연속섬유시트에 대한 다수의 연구가 진행되었고 연성증대 및 지진에너지 흡수에 효과가 있는 것으로 평가되었다. 그러나 구조물이 변위연성도가 큰 고연성 기능을 확보하기 위해서는 고연성을 기반으로 하는 보강재가 필요하며 이와 관련한 연구가 거의없는 실정이다.

 본 연구는 기존 연속섬유시트보다 강도는 작으나 파단변형률이 큰 재료로서 고연성거동이 예측되는 폴리에스테르 섬유계통의 고연성재 (SFM)를 이용하여 비내진 RC기둥의 내진성능 향상 및 연성증대에 대한 기초연구를 수행하였다. 연구는 모형실험체를 대상으로 한 실험적 방법과 수치해석적인 방법으로 수행하였다. 실험과 수치해석결과에 의해 고연성재로 보강한 RC기둥의 균열 및 파괴양상을 분석하고 보강재와 철근콘크리트의 상호거동 평가 및 하중-변위곡선에 의한 연성향상효과를 분석하여 고연성 보강재의 적합성을 평가하는것이 연구목적이다. 

2. 고연성재 보강 기본원리

 흙, 나무, 벽돌, 콘크리트, 암석 등으로 만들어진 구조물은 외력작용에 의해 내부에 적은 파괴 및 균열을 발생하여 팽창하려는 성질이 있다. 이러한 팽창거동에 대해 탄성적으로 저항할 수 있도록 보강재를 설치하게 되면 구조물의 변형에 대하여 원활하게 저항력을 발휘할 수가 있다. 보강재로서 연성이 풍부한 재료를 사용하면 부재를 과도하게 구속하여 파괴되는 현상이 나타나지 않고 부재가 크게 변형한 후에도 보강효과를 발휘할 수 있도록 한 것이 고연성재 보강의 기본개념이다. 일반적인 보강개념은 기존기둥의 외측에 또 다른 보강막을 형성하여 강하게구속고정하고 콘크리트의 다양한 변형에 단단하게 저항한다. 그러나 고연성재 보강은 보강막을 파괴하고자 하는 움직임에 대하여 어느 정도 수용하면서 역방향의 탄성력으로 저항하여 파괴거동을 최대한 지연시키는 방법이다. 보강재의 내부응력은 장력뿐이며 휨, 전단강성은 무시할 수 있을 정도로 작은 재료이다. 파단변형률이 10%이상으로서 기존 연속섬유시트에 비해 5배 이상 크므로 인장력이 작용하게 되면 절단되지 않고 늘어나는 성질이 우수하다. 예상을 초과하는 변형이 발생하여도 큰 변형률에 의해 저항이 용이하다. Fig. 1과 같이 큰 변형률이 작용하여도 이에 비례하여 전달력이 향상하고 힘이 제거된 후에는 원래 형태로 되돌아가려는 성질, 즉 탄성력이 크다.

Fig. 1. Relative behavior between Super Flexibility Membrane and RC column

3. 고연성재 보강기둥 실험

3.1 실험체 계획

 고연성재로 보강한 구조물의 보강효과를 검토하기 위한 실험은 고연성재의 보강여부에 따른 RC기둥의 연성거동 변화를 평가하기 위한 축소모형실험이다. 실험체는 무보강 실험체 1개 및 보강 실험체 2개, 총 3개의 실험체를 제작하였다. 고연성 보강재는 기둥 전체높이에 걸쳐 단면을 감싸는 형태로 설치되며 콘크리트면과의 접착은 우레탄수지를 부착하게 된다. 보강 실험체는 두께변화에 따른 성능향상을 비교하기 위하여 Table 1과 같이 보강재 두께를 변화시켰다. 

Table 1. Thickness of specimen

 실험체 기둥에는 소성힌지를 고려한 별도의 보강철근은 없으며 도로교에서 내진설계가 도입되기 이전인 1987년 도로교표준시방서에 준해 띠철근 간격을 산정하였다. 띠철근간격은 “부재단면의 짧은 변 혹은 지름의 1/2 이하, 축방향 철근 지름의 12배 이하 또는 30cm 이하 중 작은 값”을 적용하여 175mm 간격으로 기둥 전체높이에 걸쳐 배근하였다. 실험체 형상과 치수는 Fig. 2와 같이 기둥은 400mm×400mm의 사각단면, 높이는 1,400mm, 그리고 형상비는 3.5이다. 

Fig. 2. Dimension and detail of specimen (unit:mm)

3.2 재료 특성

 기둥보강에 사용된 재료는 폴리에스테르 섬유를 벨트모양으로 직조한 것으로서 산업용 섬유중에서 내구성, 인성이 가장 우수하여 요트, 차량 안전벨트, 콘크리트공사의 차수시트보호재 등에 널리 사용되는 범용 산업자재이다. 이러한 재료 특성에 착안하여 연성이 요구되는 기둥의 내진보강에 활용도가 높아지고 있는 추세이다. 본 연구에서 적용한 제반 물성치는 폴리에스테르 섬유에 대해 다수의 연구 및 실용화 실적이 있고 제품규격을 표준화하고 있는 일본의 자료를 활용하였으며 Table 2와 같다. 

Table 2. Material properties of Super Flexibility Membrane

 Table 2의 제품규격은 (재)일본건설방재협회, (재)토목연구센타에서 구조보강 재료로서의 역학적 성능, 내구성, 품질 관리방법 등에 대해 평가를 받았다. 이러한 재료특성을 가진 폴리에스테르 섬유 (Super Flexibility Membrane)와 기존의 아라미드섬유, 탄소섬유에 대해 응력-변형률 관계를 Fig. 3에서 비교하였다. 

Fig. 3. Comparison of stress-strain curves for fibers

 그림에서 보면 탄소섬유 및 아라미드섬유는 1~2%의 변형률에서 항복하지만 폴리에스테르 섬유 (Super Flexibility Membrane)는 10% 이상의 변형률이 발생하더라도 파단하지 않으며 큰 변형률이 발생하면 인장력도 지속적으로 증가하여 파단하지 않는 특징이 있다. 이와 같은 특성으로 인해 폴리에스테르 섬유는 통상 고연성재로 분류되고 있다. 전용 접착제는 우레탄수지이며 용제를 첨가하지 않는 일액형 접착제로서 박리한계변위가 크며평균접착강도는 1.5MPa를 표준으로 하고 있다. 

 철근콘크리트 실험체에 배근된 기둥과 기초부재에 사용된 철근강재는 SD400이며, 주철근은 D22, 띠철근은 D10을 사용하였으며 콘크리트의 설계기준 압축강도는 21MPa이다.철근의 항복강도, 인장강도, 신장률, 탄성계수와 콘크리트 탄성계수 등의 재료특성은 콘크리트 구조설계기준에 제시된 값을 활용하였다. 

3.3 실험방법

 실험은 일정한 축력하에서 변위제어에 의한 반복 횡하중을 가력하는 준정적실험법으로 수행하였으며 각종실험기기 및 데이터 수집장치를 비롯한 실험체의 최종 설치현황은 Fig.4와 같다. 실험체에 일정한 축하중을 재하시키기 위하여 실험체 상부에는 2m×2m×1m크기의 콘크리트블록을 2개 제작하였으며 자중은 200kN이다. 횡방향 지진하중의 하중재하형태는 2,000kN 용량의 액츄에이터를 가력벽에 부착하고 2,000kN 로드셀을 장착하였다. 

Fig. 4. Setting of specimen

 Fig. 5와 같이 초기교각의 연성도를 상세하게 관측하기 위해 처음 Drift ratio 1%까지는 0.25%씩 변위를 증가시켰고 1~3%까지는 0.5%씩 증가시키며 3% 이후에는 1%를 증가시키면서 교각의 거동특성 차이를 비교 분석하였다. 

Fig. 5. Cycle load pattern

4. 실험결과

4.1 균열분포

4.1.1 SFM-0의 균열분포

 무보강 실험체인 SFM-0에서 하중재하는 변위를 조정하면서 이루어졌으며 Drift ratio가 0.25%인 3 Cycle에서 전단변형이 일어나기 시작하여 Fig. 6(a)와 같이 Drift ratio가 1% 되었을 때 전단균열이 나타나기 시작했다. Drift ratio가 3% 일때 “X”형 전단균열이 발전이 되어 Drift ratio가 4%에서는 콘크리트 박리현상이 많이 나타냈다. Drift ratio 2.5%에서 210.7kN의 최대하중이 발생하였으며 21 Cycle에서 하중이 50kN 이하로 내려가면서 실험을 중지하였다. 

Fig. 6. Crack shape of SFM-0

4.1.2 SFM-1의 균열분포

 SFM-1의 파괴모드는 SFM-0에 비해 하중은 초기에 10~20% 이상 증가하며 SFM-0와 달리 후반부에도 큰 하중감소가 없음을 확인할 수 있다. 하중재하시 기둥둘레부위가 보강재로 감싸여져 있기 때문에 하중재하 초기단계에서 균열의 진행 여부는 정확히 확인되지 않았으나 Drift ratio 3%인 35mm변위제어시에 기초부분에서 균열이 발생하면서 큰 소리가 발생하였다. Drift ratio 7%가 되는 변위제어단계에서 Fig.7(a)와 같이 기초저면의 후면부에 많은 휨균열이 발생하였다. 후반부에 Cycle이 증가함에 따라 큰 변위가 발생되어 실험을 중단하였지만 철근콘크리트와 보강재사이에 갭이 발 생한다거나 부풀림 현상 등은 전혀 발생하지 않았다. Drift ratio가 6%에서 최대하중 238.1kN이 나왔다. 하중은 감소하지않고 Drift ratio 7%까지 증가하였으나 실험 안전상의 문제로 인하여 변위재하는 26 Cycle에서 중지하였다. 실험을 종료한 후 보강재부분을 제거한 실험체 상태는 Fig. 7(b)와 같다. 그림에서 알 수 있듯이 전형적인 휨파괴 양상을 나타내고 있으며 부분적으로는 전단균열의 패턴은 보이고 있으나 무보강 실험체에 비하면 월등하게 안정적인 거동을 보여주고 있고 균열도 현저히 적게 나타나고 있다. 따라서 보강재는 뛰어난 인성으로 인해 효과적인 내진보강 역할을 할 수 있는 것으로 판단된다.

Fig. 7. Crack shape of SFM-1 after loading

4.1.3 SFM-2의 균열분포

 SFM-2는 SFM-1과 비교하였을 때 초기하중은 비슷하며 전체적으로 5~10% 증가하는 것을 알 수 있다. 하중재하에 따른 실험체의 균열 양상은 SFM-1과 유사하게 나타나며 Fig. 8에서는 실험 종료 후 보강재를 제거한 후에 내부 콘크리트면의 균열을 나타내었다. 안전상의 문제로 인해 Drift ratio 8%까지만 변위를 재하하였다. 

Fig. 8. Crack shape of SFM-2 after loading

4.2 하중-변위 이력곡선

 무보강 실험체 및 보강 실험체 2개에 대하여 반복 횡하중 실험을 실시하여 하중-변위 이력곡선을 구하였다. 이력곡선은 액츄에이터의 로드셀에 의해 측정되는 횡방향 하중 및 가력지점에서의 LVDT에 의해 측정되었다. 

 SFM-0의 이력곡선은 Fig. 9와 같이 전형적인 전단파괴 이력곡선을 보여주고 있으며 pinch 효과로 인한 강성 및 강도감소가 확연하게 나타나고 있고 최종파괴형상은 급격한 취성파괴형상을 보여주고 있다. Table 3에서도 보면 15 Cycle에서 최대하중이 나타나고 Cycle이 증가함에 따라 급격한 하중감소가 나타나며 20 Cycle에서는 최대하중의 50%로 감소한다. 

Fig. 9. Load - displacement of SFM-0 by experiment

Table 3. Experimental load - displacement of SFM-0

 SFM-1, SFM-2에 대한 하중-변위 이력곡선은 Fig. 10, Fig.11에서와 같이 SFM-0의 전단파괴곡선과는 확연히 다른 전형적인 휨파괴 형태를 보여주고 있다. 하중방향에 따라 인장과 압축을 번갈아 받는 반복하중에서도 최대하중은 계속 유지되거나 완만히 상승하는 휨파괴형상을 보여주고 있다. 다만 Cycle이 증가함에 따라 일부 강성이 감소하는 pinch효과가 있지만 전반적으로 지진에너지를 많이 흡수할 수 있는 안정적인 형태를 나타내고 있다.

Fig. 10. Load - displacement of SFM-1 by experiment

Fig. 11. Load - displacement of SFM-2 by experiment

 Table 4, Table 5에서 최대 횡하중은 SFM-1이 238.1kN,SFM-2가 279.9kN으로서 SFM-0의 210.7kN과 비교하여 각각 12.99%, 32.80% 증가한 값을 나타내고 있다. 따라서 고연성재로 인한 기둥의 연성변화를 알 수 있으며, 아울러 보강재 두께에 따른 연성의 차이도 확인할 수가 있다. 

Table 4. Experimental load – displacement of SFM-1

Table 5. Experimental load – displacement of SFM-2

 하중-변위 이력곡선으로부터 변위연성도를 산정할 수 있다. 여기서 변위연성도는 하중-변위곡선에서 항복변위에 대한 극한변위를 의미하는 것으로서, 보강구조물의 연성확보에 대한 중요한 지표가 된다. 항복변위의 산정은 단면 및 부재를 구성하고 있는 다양한 변수들이 영향을 미치게 되며 몇가지의 방법이 제안되어 있으나 통일된 기준이 정립되지 않은 실정이다. 본 연구에서는 해석시 철근의 응력을 확인할 수 있으며 주철근의 응력이 항복응력을 초과할 때의 변위를 항복변위로 설정하였으며 수평방향 최대하중의 80%에 해당하는 변위를 항복변위로 하였다. 극한변위는 수평방향 최대하중을 지난 후 최대하중의 20%가 저하되었을 때 변위를 의미한다.

 Table 6에서와 같이 SFM-0는 변위연성도가 2.47, SFM-1은 4.25로서 보강에 따른 변위연성도가 72% 증가한 것으로 평가되었다. SFM-1과 SFM-2의 비교에서 최대하중은 SFM-2이 약 18% 증가하나 변위연성도는 차별화된 실험결과를 확보하지 못하였다. SFM-2 실험에서 액츄에이터의 스트로크 한계와 축하중인 콘크리트 블록의 안전문제로 인해 변위하중 재하에 한계가 있었기 때문이다. 

Table 6. Displacement ductility by experiment

5. 비선형 유한요소 해석

5.1 개요

 실험을 통하여 고연성재를 사용할 경우의 보강효과를 검토하였다. 고연성 보강재를 사용하여 기존 비내진 기둥은 내진성능이 증가된다는 실험적 결론을 도출하였다. 본 연구에서는 이러한 고연성재 보강효과에 대한 정확한 분석과 예측을 위하여 해석적 연구를 수행하였다. 또한 해석결과를 실험결과와 비교하여 실험의 정확성을 평가하였다. 또한, 실험환경의 제약으로 예측하기 어려운 구조물 특성들은 해석을 통하여 간접적으로 예측할 수 있다. 

5.2 해석모델링

 실험체의 실치수와 동일하게 콘크리트 기둥의 비선형 거동을 고려한 3차원 유한요소 모델링을 하였다. 콘크리트는 Fig. 12와 같이 20절점 입체요소를 사용하여 모델링하였고 전단 잠금을 방지하기 위하여 축차적분법을 적용하였다. 철근은 재료 비선형을 고려한 트러스 요소를 사용하였으며 입체의 embedded 요소 형태로 하여 수직 주철근 및 띠철근을 각각 모델링하고 입체요소인 콘크리트와 완전 부착된 것으로 가정하였다. 콘크리트 표면을 감싸는 고연성재는 쉘요소를 적용하였으며 보강재의 두께는 실험체와 동일하게 SFM-1에는 1mm, SFM-2에는 2mm로 하였다. 실험체의 구성요소인 콘크리트 기둥, 철근, 고연성 보강재의 모델링은 Fig. 13과 같다. 

Fig. 12. Element of modeling

Fig. 13. Finite element modeling

 고연성재와 철근콘크리트 교각은 우레탄수지로 접착되어있으며 이 부분의 경계조건은 완전 부착으로 고려하였다. 콘크리트 솔리드요소에 적용시킨 구성 모델은 압축 상태의 콘크리트 파괴거동을 알 수 있는 콘크리트 손상모델을 사용하였다. 이 모델은 손상-소성 구성모델로 Lubliner et al. (1989)에 의해서 처음 제안되었고, Lee and Fenves (1998)에 의해서 개선된 모델이다. 

 이 모델은 콘크리트의 손상거동 예측에 적합한 모델로 구속압력상태의 인장강화, 압축연화, 강성손상과 소성팽창의 특성을 포함하고 있다. 보강재료인 고연성재에 적용된 3차원 쉘요소의 구성모델은 재료의 탄성거동 이후 취성거동이 나타나도록 Fig. 14와 같이 모델링하였다. 해석에서 고려한 하중조건은 실험과 같이 기둥 상단에 변위 제어하중을 재하하였다 

Fig. 14. Stress-strain relationship of SFM

5.3 해석결과

5.3.1 SFM-0의 해석결과

 무보강 실험체인 SFM-0의 철근에 작용하는 응력분포결과는 Fig. 15와 같다. 기둥상단 변위가 증가할수록 기둥부 인장 주철근의 응력이 압축부 철근에 비하여 크게 발생하였다. 특히 기둥의 위험단면구간 철근에 응력이 집중되는 것을 알수 있다. 인장부 주철근이 항복한 후 전단철근이 하중을 부담하였으며 전단철근이 항복하면서 해석을 종료하였다. 최종단계 변위하중에서 전단파괴발생 부위의 주철근에서 일부좌굴이 발생한 것을 확인하였다. 

Fig. 15. Rebar stress of SFM-0

 콘크리트 인장균열분포는 Fig. 16(a), 압축균열분포는 Fig.16(b)과 같다. 실험에서 관찰된 균열 형태와 유사하게 예측되었다. 변위가 증가하면서 기둥하부에서 인장부 인장균열과 압축균열이 주도적으로 발생하였고 변위가 증가될수록 하부의 균열이 기둥의 중앙부와 상단부로 확장 전이되는 전단파괴 양상을 확인할 수 있다. 

Fig. 16. Crack distribution of SFM-0

 SFM-0의 하중-변위 이력곡선은 Fig. 17에 나타내었으며 항복변위 20.0mm, 항복하중은 211.0kN이었다. 최대하중은 변위 43.6mm에서 221.5kN으로 나타났다. 

Fig. 17. Load - displacement of SFM-0 by analysis

5.3.2 SFM-1의 해석결과

 SFM-1의 철근에 작용하는 응력분포 결과는 Fig. 18과 같다. 기둥 상단 변위가 증가할수록 기둥의 인장 주철근에 응력이 압축부의 철근에 비하여 크게 발생하였다. 특히 기둥의위험단면지역의 인장철근에 응력이 넓게 발생되는 것을 알수 있다. 인장부 주철근과 압축부 주철근이 항복하여도 전단 철근이 항복하지 않았다. 최종 하중단계에서도 주철근은 좌굴이 발생하지 않았다. 

Fig. 18. Rebar stress of SFM-1

 콘크리트 인장균열분포는 Fig. 19(a), 압축균열분포는 Fig.19(b)와 같다. 변위가 증가하자 기둥하부로부터 인장부 인장균열과 압축균열이 발생하였고 점차적으로 하부의 전단균열이 기둥의 중앙부로 전이되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 SFM-0와 달리 균열이 기둥상부로는 크게 전달되지 않고 위험단면 구간에 집중적으로 인장균열과 압축균열이 발생하였다

Fig. 19. Crack distribution of SFM-1

 고연성재의 응력분포는 Fig. 20에 나타내었으며 하단 인장부와 압축부에 응력이 집중적으로 발생하나 항복응력에 도달하지는 않았다. 이는 고연성재가 철근콘크리트의 응력을 부분적으로 분담하게 되므로 무보강 실험체와는 달리 전단철근에 항복이 발생하지 않았다는 것을 알 수 있다. Fig. 21은 SFM-1의 하중-변위 이력곡선이며 항복변위는 20.6mm,항복하중은 228.5kN이었다. 최대하중은 변위 64.7mm에서 255.9kN으로 계산되었다. 

Fig. 20. Stress of membrane for SFM-1

Fig. 21. Load - displacement of SFM-1 by analysis

5.3.3 SFM-2의 해석결과

 SFM-2의 철근에 작용하는 응력분포는 Fig. 22와 같다. 기둥 상단 변위가 증가할수록 기둥부 인장 주철근의 응력이 압축부의 철근에 비하여 크게 발생하였으며 전체적인 해석결과는 SFM-1과 유사한 결과를 보여주고 있다. 특히 기둥의위험단면지역의 인장철근에 큰 응력이 넓게 분포되어 발생되는 것을 알 수 있다. 인장부와 압축부의 주철근이 항복하여도 전단철근이 항복하지 않았다. 최종 하중단계에서 주철근 좌굴은 발생하지 않았다.

Fig. 22. Rebar stress of SFM-2

 콘크리트 인장균열분포는 Fig. 23(a), 압축균열분포는 Fig.23(b)와 같다. 변위가 증가하기 시작하자 기둥하부에서부터 인장균열과 압축균열이 발생하였고 변위가 증가될수록 하부의 전단균열이 기둥의 중앙부로 확장 전이되는 것을 확인할수 있다. SFM-1과 마찬가지로 기둥상부로 손상확대는 크게 발생하지 않으며 위험단면 구간에서 집중적으로 손상이 나타났다. 

Fig. 23. Crack distribution of SFM-2

 Fig. 24와 같이 고연성재는 하단 인장부와 압축부에 응력이 집중적으로 발생하나 항복응력에 도달하지는 않았다. Fig.25는 SFM-2의 하중-변위 이력곡선이며 변위 21.5mm에서 항복이 발생하였다. 항복하중은 233.4kN이며 최대하중은 변위 101.5mm에서 267.6kN으로 산정되었다. 항복이후 완만한 하중증가가 발생하면서 지속적인 변위증가를 유지하는 이력곡선형상을 나타내고 있으며 해석종료까지 급격한 하중감소는 발생하지 않았다. 따라서 고연성재 보강에 따라 콘크리트,철근의 응력감소가 나타내고 큰 변위에 대한 대응이 증가함을 알 수 있다.

Fig. 24. Stress of membrane for SFM-2

Fig. 25. Load - displacement of SFM-2 by analysis

6. 실험 및 해석결과의 비교분석

6.1 SFM-0의 실험 및 해석결과 비교

 무보강 실험체인 SFM-0에 대한 해석결과를 실험결과와 비교하여 분석하였다. 실험과 해석의 하중-변위 이력곡선을비교하여 Fig. 26에 나타내었으며 해석결과와 실험결과는 서로 잘 일치하고 있음을 보여주고 있다.

Fig. 26. Load-displacement relationship of SFM-0

 Table 7은 SFM-0에 대한 변위연성도를 계산한 결과이다. 하중-변위 이력곡선에서 실험결과는 최대하중 이후에 비교적강도 감소폭이 크게 발생하나 해석결과에서는 일정하중상태에서 변위의 증가현상이 나타난다. 그러나 초기의 항복변위는 실험결과가 해석결과보다 크게 나타나고 있기 때문에 변위연성도는 실험결과가 다소 큰 값을 나타내고 있다. 전반적으로 무보강 실험체에 대한 하중-변위 이력곡선의 형상이 약간의 차이는 있으나 구조물의 거동특성을 나타내주는 요소들은 실험과 해석이 잘 일치한다고 볼 수 있다.

Fig. 7. Crack shape of SFM-1 after loading

6.2 SFM-1의 실험 및 해석결과 비교

 SFM-1에 대한 해석결과와 실험결과의 비교는 Fig. 27에 나타내었으며 해석결과와 실험결과가 서로 잘 일치하고 있고, Table 8은 SFM-1에 대한 변위연성도를 계산한 결과이다. 실험값의 경우 구조물이 항복한 이후 일정강도에서 변위의 증가가 뚜렷하게 나타났다. 따라서 기둥이 지진하중을 받을 경우 에너지 흡수 능력이 증가하게 된다. 변위연성도 계산결과 실험값과 해석값이 거의 일치하였다. 고연성재로 보강된 실험체는 무보강 실험체보다 강도의 증가와 변위의 증가가 우수한 것으로 나타났으며 콘크리트의 인장균열과 압축균열의 진행상태가 억제되었음을 보여주었다.

Fig. 27. Load-displacement relationship of SFM-1

Table 8. Test and analysis results of SFM-1

6.3 SFM-2의 실험 및 해석결과 비교

 SFM-2에 대한 해석결과와 실험결과의 비교는 Fig. 28에 나타내었으며 변위연성도는 Table 9에 나타내었다. SFM-2의 경우 SFM-1과 동일하게 항복이후의 최대 변위가 증가하였다. SFM-2에서 2mm 두께의 고연성 보강재로 보강할 경우 콘크리트의 인장균열과 압축균열이 보강재에 의하여 균열 진행을 제어하였다. 최대 강도와 최대변위는 SFM-1의 경우보다 증가하였다. 

Fig. 28. Load-displacement relationship of SFM-2

Table 9. Section Analysis with εpd=0.35%

7. 결 론

 본 연구는 비내진 철근콘크리트 기둥에 대해 폴리에스테르 섬유계통의 고연성재 (SFM)로 보강시에 내진성능 및 연성증대 효과를 검증하기 위해 실험적 연구 및 비선형 유한요소 해석연구를 수행하였다. 본 연구를 통해 제시된 결론들은 다음과 같다. 

 (1) 철근콘크리트 기둥의 반복 횡하중 실험 및 해석 결과,변위하중이 증가함에 따라 무보강 실험체는 전단균열이 지배하면서 파괴가 진행됨을 알 수 있으며, 고연성보강재가 부착된 실험체는 휨균열이 주도적으로 진행됨을 알 수 있다.

 (2) 실험과 해석에서의 하중-변위 이력곡선은 거의 유사하게 나타났다. 무보강 실험체는 최종단계에서 급격한 취성파괴형상을 보이고 있으며 보강실험체는 지진에너지를 많이 흡수할 수 있는 안정적 형태로서 고연성보강재의 효과를 확인할 수 있다. 

 (3) 실험과 해석에서의 하중-변위 이력곡선으로부터 산정된 변위연성도는 SFM-0에서 실험값이 2.47, 해석값이2.18, SFM-1에서는 실험값이 4.25, 해석값이 4.19로서 약 70~90% 증가되었다. SFM-2의 변위연성도는 해석값이 6.22로서 SFM-0에 비해 285% 증가하여 큰 연성 증대효과가 나타났다.

 (4) 비선형 유한요소 해석에서 고연성 보강재의 두께가 증가할수록 항복변위는 3%, 7% 수준의 적은 증가를 보여주고 있으나 최대변위의 증가량은 SFM-1에서 2배,SFM-2에서 3배로서 보강재 두께에 따라 연성이 증대하는 것으로 사료된다. 

 본 연구결과는 고연성재 (SFM)가 비내진 철근콘크리트 기둥에 미치는 기초자료를 제공함으로써, 향후 교각 등의 실구조물 내진향상 연구에 활용될 수 있다. 

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