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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.22 No.1 pp.13-22
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2018.22.1.013

Seismic Performance Evaluation of Reinforced Concrete Frames Reinforced with Chevron Bracing System

Heonjun Ha1, Keunyeong Oh2, Kangmin Lee3*

• 본 논문에 대한 토의를 2018년 2월 1일까지 학회로 보내주시면 2018년 3월호 에 토론결과를 게재하겠습니다.

Corresponding author: leekm@cnu.ac.kr Dept. of Architectural Engineering, Chungnam National University, 99 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 34134, Korea
20170208 20170223 20171109

Abstract

In this study, seismic performance of existing RC frames reinforced with steel chevron bracing systems was experimentally evaluated. For this purpose, the unreinforced base specimen and seismically reinforced specimens with steel chevron bracing systems were fabricated and tested. Both strength and stiffness of the reinforced specimens were targeted about 2-3 times larger than the base specimen. Test results showed that the stiffness, strength, and ductility of the reinforced specimens considerably improved than those of unreinforced base specimen. Therefore, the results from this study could offer the basic information on the developing design guideline for the seismic reinforcement of RC frames.


역V형 가새로 보강된 RC 골조의 내진성능평가

하 헌준1, 오 근영2, 이 강민3*
1학생회원, 충남대학교 건축공학과, 석사과정
2학생회원, 충남대학교 건축공학과, 박사과정
3정회원, 충남대학교 건축공학과, 교수, 교신저자

초록

본 연구에서는 역V형 강재 가새로 보강된 기존 철근콘크리트 구조물의 내진보강 설계방법 개발을 위한 실험연구를 수행하였다. 보 강되지 않은 철근콘크리트 골조 기준 실험체와 강재 가새를 사용하여 강도 및 강성을 향상시킨 보강 실험체를 제작하고 내진성능을 평가하였 다. 가새 보강 실험체의 경우 강성이 약 2~3배 증가를 목표로 설계하였다. 내진성능평가 결과, 무보강 실험체는 기둥에서 많은 양의 콘크리트가 박리가 되었고, 가새 보강 실험체는 초기 설계 단계에서 목표로 한 성능수준을 보여주었다. 가새를 보강한 실험체의 경우, 무보강 실험체에 비 하여 강성, 강도, 연성능력 그리고 에너지 소산 능력이 크게 향상되었다. 따라서 본 연구로부터의 실험결과를 토대로 기존 철근콘크리트 건축 물의 가새 보강공법에 관한 설계법 및 설계절차 개발을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.


    1.서 론

    최근 2016년 9월 경상북도 경주에서 규모 5.1과 5.8의 지진 이 발생하였는데, 이는 1978년 기상청이 계기지진 관측을 시 작한 이후에 한반도에서 발생한 역대 최대 규모의 지진으로 기록되었다. 이 지진의 진앙지인 경상북도 경주시는 물론 전 국에서 동시에 진동이 감지되었으며, 특히 경주, 대구지역에 서는 최대진도 6까지 측정되었으며, 이는 지역 모든 사람들이 진동을 느낄 수 있었고, 가옥이 심하게 흔들리며 무거운 가구 가 움직일 정도의 중진이었다. 이로 인하여 경주와 인근지역 에 있는 건물들의 피해가 발생하였는데, 특히 Fig. 1과 같이 내 진설계가 적용되지 않은 기존 철근콘크리트 건축물의 구조 부재 및 비구조 부재에서 지진피해가 다수 발생하였다(Lee, 2016). 특히 경주 지진으로 인한 기존 철근콘크리트 건축물 구 조부재의 피해양상을 분석한 결과, 과도한 층간변위로 인하 여 기둥 부재에 사인장 균열이 발생한 것으로 나타났다.

    국내에서 1978년 충북 속리산에서의 규모 5.2의 지진, 충남 홍성에서 규모 5.0의 지진이 일어난 뒤 38년 만에 발생한 대형 지진이라는 점에서 국민들의 지진에 대한 불안감과 건축물의 내진설계에 대한 필요성을 증폭시켰다. 이러한 사회적 요구 에 따라 정부에서는 2008년 지진재해대책법을 제정·공포 하였지만, 지진재해대책법이 제정된 이후, 현재 전체 공공 시설물의 내진 보강률은 42.4%(4만 4732곳)으로 나타났고, 이 가운데 사람들의 이용률이 높은 공공건축물의 경우 내진 설계 대상 3만343곳 가운데 내진 보강을 마친 시설물은 1만 636곳(33.7%), 학교 건축물의 경우 내진설계 대상 2만 9559곳 가운데 내진 보강을 마친 시설물은 6727곳(22.8%)에 불과하 다(Oh et al., 2016).

    기존 건축물에 내진 보강공법은 목표성능에 따라 크게 연 성보강공법과 강성보강공법으로 분류될 수 있다. 연성보강을 이용한 내진보강공법으로는 점성 댐퍼나 벽식 댐퍼 등의 제 진장치는 설치하여 지진하중을 감쇠 또는 저항하도록 하는 공법이다. 댐퍼 적용 시 구조물의 가시권 등을 최대로 확보할 수 있으나, 외부 입면 변경이 불가피하고 장비가 고가인 단점 을 가지고 있다. 강성보강공법은 일반적으로 철근콘크리트골 조 또는 철골골조 등을 이용하여 부재를 신설하거나 추가하 여 기존 건축물의 강성·강도를 증진시키는 공법이다. 대표적 인 강성보강공법으로는 철골골조 보강, PC 날개벽 보강 그리 고 가새 보강 등이 있다. 그 중 가새 보강공법은 증설되는 강재 부재로 인하여 건축물 외부의 미관성은 떨어지지만, 연성보 강공법들과 비교하였을 때 경제성이 우수하고, 철골골조 보 강공법에 비하여 상대적으로 시공성이 우수한 공법 중 하나 이다. 또한 다른 내진 보강공법들과 비교하였을 때에도 내진 성능 향상에 효과적이라 알려져 있다(Ozcelik, 2011).

    국내외에서 철근콘크리트 골조에 강재를 이용한 내진보강 에 관한 기존 연구들은 보강 방식에 따른 내진 성능에 대한 비교 연구가 주로 이루어져 왔고 하나의 보강방식을 비교한 연구는 거의 이루어지지 않은 실정이다(Choi et al., 2013; Tahamouli Roudsari et al., 2017). 또한 역V형 가새와 같은 강성보강공법은 보강된 골조의 횡강성이 내진성능에서 가장 중요한 성능이다. 하지만, 기존연구에서는 보강된 골조의 목표 강성을 변수로 한 연구는 거의 수행되지 않았다. 그러므로 적절한 목표 강성을 설 정하고 목표하는 강성을 만족시키도록 보강을 수행한다면 보강 된 골조에서 효과적인 내진 성능수준을 보여주리라 판단된다.

    현재 국내에서 기존 건축물 또는 시설물의 내진성능 향상에 관한 지침 또는 가이드라인은 한국시설안전공단의 기존 시설 물(건축물) 내진성능 향상요령과 한국교육개발원에서 발간 한 학교시설 내진성능 평가 및 내진보강 가이드라인만이 존 재하고 있다(KEDI, 2011; KSTC, 2011). 하지만 요령집과 가이 드라인에서는 특정 내진 보강공법에 관한 구체적인 설계 절차 및 설계 방법이 제시되어 있지 않아 기존 건축물의 목표 성능수 준을 만족시키기 위한 설계과정이 복잡하게 이루어져 있다.

    따라서 본 연구에서는 경주 지진 피해 사례를 토대로 기존 철근콘크리트 건축물에 강성 보강을 통해 층간변위를 제어하 여 균열을 억제할 수 있는 가새 보강공법에 관한 실험연구를 수행하였다. 실험변수로는 기존 건축물을 대표할 수 있는 보 강하지 않은 실험체와 기존 골조의 강성에 약 2~3배 목표로 하는 실험체를 제작하여 내진성능을 평가하였다. 수행된 실 험연구를 통해 가새 보강공법에 관한 구체적인 설계절차 및 설계법 개발을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

    2.실험연구 계획 및 방법

    2.1.실험개요

    본 연구에서 수행한 1층 1경간 철근콘크리트 골조에서 콘 크리트의 압축강도(fck)는 24 MPa, 철근은 SD300을 사용하여 모든 철근콘크리트 실험체에 적용하여 설계를 수행하였다. 가새로 보강된 실험체의 경우, 보강된 강재 가새와 거셋플레 이트는 일반적으로 국내에서 쉽게 구할 수 있는 인장강도 400 MPa급 강재(가새 SPSR400, 거셋플레이트 SS400)를 사 용하였고, 보강 시 설계기준은 현행 기준에 따라 설계하였다 (ACI, 2014; AISC, 2011; AISC, 2012; KBC, 2016). Fig. 2와 같이 보강되는 강재 가새는 철근콘크리트 골조의 면내에 설 치하였으며, 구조물의 강도 및 강성, 에너지 소산능력 향상을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

    2.2.실험체 설계 및 제작과정

    본 연구에서는 가새 보강공법을 적용한 기존 건축물의 내진 성능 강재를 이용한 가새 보강공법의 내진성능 향상정도를 평 가하기 위하여 보강하지 않은 철근콘크리트 골조(Bare Frames, BF) 실험체 1개와 가새 보강공법을 적용하고 세장비가 약 120 인 실험체 1개, 그리고 세장비가 약 60을 갖는 실험체 1개, 총 3 개 실험체를 제작하고 내진성능을 평가하였다. 각 실험체의 철근콘크리트 골조의 크기는 Fig. 3(a)와 같이 기둥 단면 300× 300 mm, 보 단면 350×300 mm, 실험체의 전체 높이는 2,325 mm 이고 길이는 총 3,400 mm로 제작하였다. 기둥과 보의 주철근 으로는 D16, 전단보강근으로는 D10철근이 150 mm 간격으로 배근되었다. 세장비가 약 120인 실험체(RB-120-50)의 보강 강재는 단면 □-50×50×2.3으로 SPSR400 각형강관 강종을 사용 하였고, 세장비가 약 60인 실험체(RB-60-100)의 보강강재는 □-100×100×2.3으로 갖는 동일 강종을 사용하였다. MIDAS-Gen 을 사용한 구조해석 결과, 보강하지 않은 기준 실험체의 강성 은 약 17.2 kN/mm로 측정되었다. 보강된 가새의 구조해석 결 과, 세장비가 약 120인 경우의 강성은 약 16.3 kN/mm, 세장비 가 약 60인 경우의 강성은 약 34.7 kN/mm로 산출되었다. 중첩 의 원리를 통해 보강하지 않은 기준 실험체의 강성에 보강된 가새의 강성을 더하여 계산한 결과, RB-120-50실험체의 강성 은 약 33.5 kN/mm로 보강하지 않은 실험체 BF의 강성에 비하 여 약 2배 증가함을 알 수 있었고, RB-60-100실험체의 강성이 약 51.9 kN/mm로 BF실험체 비하여 강성이 약 3배 증가됨을 알 수 있었다. 실험체의 일람과 각 실험체의 상세 도면을 Table 1과 Fig. 4에 각각 나타내었다.

    Fig. 3에서 보는 바와 같이 가새 보강공법을 적용한 실험체 의 보강 과정은 Fig. 3(a)의 기준 실험체에 앵커 삽입을 위한 천공작업을 실시한 후, 보강판을 설치하고 케미컬 앵커를 통 해 보강판을 철근콘크리트 골조에 부착한다. 그 이후 실링제 를 통해 앵커 부분을 마감한 후, 보강판에 거셋플레이트를 용 접하고 가새를 설치하여 가새 단부와 용접을 한다. 마지막으 로 에폭시를 주입하여 철근콘크리트 골조와 보강된 가새를 일체화를 하여 기존 철근콘크리트 골조를 보강한다.

    2.3.가력 및 계측계획

    가새 보강공법을 적용한 실험체의 내진성능 평가를 위하여 실험체는 Fig. 5과 같이 용량 2,000 kN, 스트로크 ±250 mm를 갖는 액츄에이터(Actuator)와 연결하여 변위제어 방식으로 0.5 mm/sec의 속도로 가력하였다. 가력 패턴은 Fig. 6과 같이 층간변위 0.25~10%까지 각 스텝별로 2 사이클씩 반복 가력하 였다(Kim et al., 2016).

    각 실험체의 철근콘크리트 골조가 면외방향으로의 변형을 방지하기 위하여 가이드 프레임을 설치하여 액츄에이터와 고 정하였고, 철근콘크리트 골조 내의 주근의 변형을 측정하기 위 하여 보-기둥 단부의 내외부 주근에 총 8개의 소성게이지를 부 착하였으며, 가새가 보강된 실험체의 경우에는 가새의 변형을 측정하기 위하여 가새 단부와 중앙부에 총 8개의 소성게이지 를 추가적으로 부착하였다. 또한, 철근콘크리트 골조의 횡변위 를 측정하기 위하여 8개의 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 설치하였고, 철근콘크리트 골조의 균열양상 을 파악하기 위하여 흰색 페이트를 도포하였고, 가새의 좌굴 및 변형을 관찰하기 위하여 화이트워시(white- washed)를 실 시하였다.

    2.4.재료시험 계획 및 결과

    각 실험체의 내진성능평가 이후, 재료시험을 평가하였다. 콘크리트의 압축강도 시험은 KS F 2403 콘크리트 강도 시험 용 공시체 제작방법에 따라 원주형 100×200 mm 공시체를 제작하고, KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험방법에 준 하여 평가하였다(KS, 2010; KS, 2014). 콘크리트 압축강도 시 험 결과, Table 2에서와 같이 총 5개의 공시체의 평균 압축강 도는 26.5 MPa로 측정되었다. 철근과 강재 가새 그리고 거셋 플레이트는 KS B 0801 금속 재료 인장 시험편에 준하여 평 가하였고(KS, 2007), Fig. 7에서와 같이 주근과 보강근의 항복 강도는 각각 332 MPa과 361 MPa로 측정되었다. 또한, 보강 가새 및 거셋플레이트의 항복강도는 각각 237 MPa과 308 MPa 로 측정되었다.

    3.실험결과 및 분석

    3.1.균열 및 파괴양상

    본 연구에서는 기존 건축물에 가새 보강공법을 적용한 내 진보강 설계절차 및 설계방법을 개발하기 위하여 보강하지 않은 기준 실험체(BF)와 기준 실험체에 가새 보강을 한 실험 체들(RB-120-50, RB-60–100)에 대하여 내진성능을 평가하였 다. 각 실험체에 대하여 균열 및 파괴양상, 하중-변위곡선을 통한 파괴 메커니즘 분석, 항복점 산출을 통한 연성도 평가 그 리고 에너지 소산능력 등에 대하여 비교·분석을 하였다.

    먼저, 기준 실험체(BF)는 층간변위 0.75%에서 항복을 하였 으며, 항복 이후 기둥의 양 끝단에서 균열이 점차 확장되어 보- 기둥 접합부까지 균열이 확장되었다. 이후 점차 균열의 폭이 증 가되면서 층간변위 5%에서 콘크리트가 박리되었고, 층간변위 7%에서 기둥 단부에서 콘크리트 박리가 심화되면서 하중이 급 격히 감소하였다. Fig. 8(a)에서의 균열도면은 층간변위 5% 이 후로 균열 측정이 어려울 정도로 많은 양의 콘크리트가 박리되 어 층간변위 3.5%까지의 균열을 도식화하였다. Fig. 8(b)는 무 보강 실험체(BF)가 최종 실험이 종료된 후의 모습이다.

    무보강 실험체의 강성에 2배 증진을 목표로 가새 보강을 한 실험체(RB-120-50)의 경우, 층간변위 1%까지 철근콘크리트 골조 기둥 부분에서 초기 균열이 발생하였다. 이후 층간변위 1.5%에서 가새 중앙부에서 좌굴이 발생하였고, 층간변위 2.5%에서 가새 중앙부가 파단이 되었다. 이후, 철근콘크리트 골조가 하중을 분담하면서 균열이 점차 증가가 되었고, 균열 이 폭 또한 증가하였다. 층간변위 5% 이후로는 무보강 실험체 (BF)와 마찬가지로 많은 양의 콘크리트가 박리되어 층간변위 7% 첫 번째 사이클까지 가력 후 실험을 종료하였다. Fig. 9(b) 와 같이 RB-120-50 실험체는 무보강 실험체와는 달리 기둥 상단부에서 균열이 심화가 되었는데, 이는 기둥 하단부에 보 강판을 설치함으로써 균열이 상단부로 집중된 것으로 판단된 다. 따라서 가새를 보강함에 있어 최대강도 이후 기둥 상단부 의 균열 등을 고려한 설계방법 등이 필요하리라 판단된다.

    Fig. 10과 같이 강성 3배 증진을 목표로 설계한 RB-60-100 실험체도 RB- 120-50 실험체와 유사한 균열과 파괴 양상을 보여주었다. 층간변위 0.75%까지 철근콘크리트 골조의 기둥 에서 초기균열이 발생하였고, 이후 강재 가새 단부에서 좌굴 이 발생하였다. 이후 층간변위 2.5%에서 강재 가새가 파단이 되면서 하중이 급격히 감소하였다. 가새 파단 이후, RB-120-50 실험체와 마찬가지로 하중을 철근콘크리트 골조가 부담을 하 면서 균열의 폭이 커지고 많은 양의 콘크리트가 박리가 되었 다. 실험체 종료 시점 또한 층간변위 7%로 동일하였다. RB-120- 50 실험체와 차이점이 있다면, 가새 파단 위치가 중 앙부가 아니라 가새 단부에서 발생된 점과 강재 보강양이 증 가하면서 항복 시점이 앞당겨졌다.

    3.2.하중-변위(층간변위) 곡선

    Fig. 11는 각 실험체에 반복가력을 수행하였을 때의 이력거 동을 나타내었고, Fig. 12은 모든 실험체의 포락선을 나타내 었다. Table 3에는 각 실험체의 이력거동을 바탕으로 항복하 중(Py), 항복변위(δy), 최대하중(Pmax), 최대변위(δmax), 초기 강성(ky) 그리고 파괴양상 등 실험결과를 나타내었다. 여기서 각 실험체의 항복점은 FEMA310, Thomas Paulay and M.J.N. Priestley 등의 연구에 의한 등가에너지방법을 이용하여 항복 하중과 항복변위를 도출하였다. 일반적으로 내진성능평가 시 최대강도 도달 후, 최대강도의 80% 이하로 떨어지게 되면 파 괴에 도달한 것으로 간주를 하지만, 가새를 보강한 실험체의 경우 가새가 파단 이후에 철근콘크리트 골조의 영향력을 고 려하여 층간변위 7%까지 가력을 하였다.

    BF 실험체의 반복가력 실험 결과, 최대강도는 정가력 시에 서 185 kN으로 층간변위 5.0%에서 나타났고, 초기강성은 16.9 kN/mm으로 측정되었다. 최대하중까지 완만하게 증가하 다가 최대강도 이후에 철근콘크리트 골조 기둥 하단부에서 많 은 양의 콘크리트가 박리되면서 하중이 급격하게 감소하였다.

    무보강 실험체의 강성을 2배로 목표로 가새 보강을 한 실험 체(RB-120-50)의 경우, 최대하중이 281 kN으로 무보강 실험 체에 비하여 증가하였다. 또한 초기강성은 35.7 kN/mm로 무 보강 실험체 강성에 비하여 약 2배가량 증가하였다. 이는 초 기 실험체 설계 시 목표로 하였던 수치와 유사하게 나타났다. 최대강도는 층간변위 1.5%에서 나타났으며, 이때 강재 가새 중앙부에서 면외 방향으로 좌굴이 발생하였다. 좌굴이 반복 하면서 층간변위 2.5%에서 가새 중앙부에서 파단이 되면서 이후의 거동은 무보강 실험체와 유사한 거동을 보여주었다.

    RB-60-100 실험체의 경우, 층간변위 1.0%에서 최대강도 376 kN으로 가장 높은 하중을 보여주었다. 층간변위 1.0%에 서 강재 가새의 단부에서 좌굴이 발생하였고, RB-120-50 실험 체와 마찬가지로 층간변위 2.5%에서 강재 가새가 파단되었다. 강재 가새 파단 이후에는 철근콘크리트 골조가 하중을 부담하 기에 무보강 실험체와 유사한 거동을 보여주었다. 실험체의 초 기강성은 52.2 kN/mm로 무보강 실험체 강성 16.9 kN/mm보다 약 3.1배 증가함을 보여주었다. 이 또한 실험체 설계 시 목표 로 하였던 강성 3배 증진을 만족한 수준이었다. 가새를 보강 한 실험체의 파괴 메카니즘을 분석을 하면, 1) 철근콘크리트 골조에 미세한 균열이 발생을 하였고, 2) 보강된 가새에 좌굴 이 발생하면서 3) 강재 가새가 파단이 되었다. 4) 파단 이후로 는 철근콘크리트 골조가 하중에 저항하다가 5) 철근콘크리트 골조에서 콘크리트 박리가 발생하였다.

    따라서 기존 건축물 내진보강 시, 특히 강성보강공법을 적 용하는 경우에는 보강되는 부재는 기존 골조에 비해 나중에 파단 되지 않도록 설계하도록 해야 한다. 만일 기존 골조가 보 강된 부재보다 먼저 파괴가 발생을 하게 되면, 기존 골조와 보 강부재의 역할이 바뀌기 때문이다. 이는 건축물의 내진설계 시 역량설계법 개념을 도입하는 것과 유사한 개념으로 강성 보강공법을 적용할 경우에는 역량설계법 개념을 도입하여 설 계를 하는 것이 바람직하다(Lee, 2008).

    3.3.유효강성 및 연성도 평가

    각 실험체의 유효강성을 층간변위별로 정리하여 Fig. 13에 나타내었다. 유효강성은 각 사이클에서의 최대하중을 최대변 위로 나누어 그 기울기로 정의하였다. 각 실험체의 초기강성 을 비교하면, 무보강 실험체의 초기강성은 약 16.9 kN/mm, RB-120-50 실험체의 초기강성은 약 35.7 kN/mm, 그리고 RB- 60-100 실험체의 초기강성은 약 52.2 kN/mm로 나타났다. 이 는 Table 4와 같이 실험체 설계를 하였을 때와 거의 유사한 것 으로 나타났다. 또한, 가새 보강된 실험체의 초기강성은 설계 단계에서 설정한 목표성능에 상회하는 결과 값을 보여주었 다. Fig. 13에서 보면, 층간변위 2.5%에서 강재 가새가 파단이 이후로는 모든 실험체의 강성이 거의 동일하게 나타났다. 이 는 강재 가새가 파단 이전에는 강재 가새가 전체 골조의 강성 에 큰 영향을 끼쳤지만, 가새가 파단이 된 이후로는 철근콘크 리트 골조가 전체 강성에 영향을 미친 것을 알 수 있다.

    구조물의 연성능력을 나타내는 연성도(Ductility index, μ) 는 항복변위와 극한변위의 비로 나타낼 수 있으며, 식 (1)로 나 타낼 수 있다.

    μ = δ 0.8 max δ y
    (1)

    여기서, μ는 연성도, δ0.8max는 최대강도의 80%일 때의 변위 그리고 δy는 항복변위이다. Table 5는 각 실험체의 연성도를 비교한 결과를 나타내었고, RB-120-60 실험체의 경우 무보강 실험체에 비하여 약 49% 감소하였다. 그리고 RB-60-100 실 험체의 경우에는 무보강 실험체에 비하여 약 67% 감소하였 다. 이는 보강된 가새가 파단 되어 급격히 하중이 감소하기 때 문이다. 이를 통해 강재 가새 보강을 통해 기존 철근콘크리트 골조의 강도 및 강성은 증가하지만 연성능력은 감소하는 것 을 확인할 수 있었다.

    3.4.에너지 소산능력 비교

    횡하중을 받는 구조물이 비탄성 범위에서 구조물의 강도 및 강성을 유지하면서 안정적인 거동을 하는 것은 내진성능 에 중요한 요소이며, 이를 평가하는 지표로 에너지 소산능력 이 있다. 에너지 소산능력은 각 사이클별 하중-변위 곡선이 둘 러 쌓인 면적의 합으로 나타낼 수 있다. 모든 실험체는 층간변 위 7% 첫 번째 사이클까지 가력되어, 총 21 사이클의 에너지 소산량을 누적하여 Fig. 14에 나타내었다. 각 실험체의 총 누 적된 에너지 소산량은 BF 실험체의 경우 약 112.78 kN·m, RB-120-50 실험체는 약 134.64 kN·m 그리고 RB-60-100 실험 체는 약 146.21 kN·m이다. 보강 강재량이 증가함에 따라 누적 에너지 소산능력도 향상됨을 확인할 수 있다. 강재 가새가 파 단이 되는 층간변위 2.5% 이후 증가하는 누적 에너지 소산량 은 거의 유사하게 증가함을 보여주고 있다. 이는 층간변위 2.5%까지는 가새가 에너지 소산에 상당히 많은 기여를 하고 이후에는 철근콘크리트 골조가 에너지 소산능력에 기여한 것 으로 판단된다.

    4.결 론

    본 논문에서는 기존 철근콘크리트건축물에 가새 보강공법 을 적용하였을 경우에 대한 설계법 및 설계절차 등에 대한 기 초자료를 확보하고자 내진성능평가를 수행하였다. 무보강 실 험체와 가새 보강공법을 적용한 실험체 등 총 3개 실험체에 대하여 실험연구를 수행하였고, 다음과 같은 결론을 도출하 였다.

    • 1) 각 실험체의 내진성능평가 결과, 가새를 보강한 실험체들 의 경우 설계단계에서 목표성능인 무보강 실험체의 강성 2 배와 3배 증진을 이루었다. 또한, 가새 보강을 통해 각 실험 체의 최대하중 시점을 앞당겨 층간변위 제어를 통해 기존 철근콘크리트 골조의 균열을 억제할 수 있을 것이라 생각 된다.

    • 2) 가새를 보강한 실험체의 파괴 메카니즘을 분석한 결과, 먼 저 가새에서 좌굴이 되었고, 다음으로는 가새가 파단이 되 어 이후에는 철근콘크리트 골조가 하중을 부담하였다. 이 를 통해 강성보강공법을 적용 시에는 역량설계법 개념을 도입하여 설계해야 될 것으로 판단된다.

    • 3) 각 실험체의 최대하중, 유효강성, 연성도 등으로 평가하였 을 때, 강재 보강량이 증가할수록 내진성능이 향상되었지 만, 과도한 보강은 주변 골조에 2차적인 피해가 발생할 수 있을 것이라 사료된다.

    • 4) 에너지 소산능력 측면에서 평가하였을 때, 강성 2배 증가 된 실험체의 경우 무보강 실험체에 비하여 에너지 소산능 력은 약 20% 증가하였지만, 강성 2배 증가된 실험체와 3배 증가된 실험체의 에너지 소산능력을 비교하였을 때 약 10% 증가하였다. 따라서 강재 보강량 증가만이 효율적인 보강공법이 아닌 것으로 판단된다.

    • 5) 본 논문의 실험연구를 통해 기존 건축물에 가새 보강공법 에 대한 설계법 및 설계절차 수립을 위한 기초자료를 구축 하였고, 추가적인 실험 및 유한요소해석연구가 필요하리 라 사료된다.

    감사의 글

    본 연구는 2015년도 충남대학교 학술연구비 지원사업의 연구비지원(2015-1833-01)에 의하여 수행되었습니다.

    Figure

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    Damaged RC column during Gyeongju earthquake(Lee, 2016)

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    An example of seismic reinforcement with steel bracing system

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    Application of chevron bracing system

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    Details of test specimens

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    Test set-up

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    Loading protocol

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    Coupon test results

    JKSMI-22-13_F8.gif

    Crack and fracture pattern of BF specimens

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    Crack and fracture pattern of RB-120-50 specimens

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    Crack and fracture pattern of RB-120-50 specimens

    JKSMI-22-13_F11.gif

    Load versus displacement relationship of specimens

    JKSMI-22-13_F12.gif

    Envelop curves of specimens

    JKSMI-22-13_F13.gif

    Effective stiffness of specimens

    JKSMI-22-13_F14.gif

    Energy dissipation capacities of specimens

    Table

    Detailed information of test specimens

    Note : BF = Bare frame, RB = Reinforced with chevron bracing system
    60, 120 = Slenderness ratio of reinforced member
    50, 100 = Cross section dimension f reinforced member

    Test results of concrete compressive strength

    Test results of specimens

    Design and experimental intial stiffness comparisons

    Initial stiffness and ductility capacity comparisons

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