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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.22 No.5 pp.91-100
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2018.22.5.091

An Experiment Study on Verification for the Performance of Seismic Retrofit System Using of Dual Frame With Different Eigenperiod

Sang-Hoon Oh1, Kwang-Yong Choi2*, Hong-Sik Ryu3, Young-Ju Kim4
·

본 논문에 대한 토의를 2018년 10월 1일까지 학회로 보내주시면 2018년 11월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:ckysmart@ksmi.or.kr Department of Architectural Engineering, Pusan National University, Busan, 46241, Korea
June 5, 2018 August 24, 2018 August 31, 2018

Abstract


The new seismic retrofit system in study propose is the Dual system, which aims to be applied to the seismically vulnerable low-story buildings. The Dual system is composed of existing structure, external retrofit frame and hysteretic steel dampers installed between former two components. The Dual system dissipates the energy by plastic deformation of steel damper caused by relative displacement due to the differences in stiffness, weight, and eigenperiod of each components. The dynamic test with shaking table was performed to verify the seismic performance of the proposed Dual system. As a result of the dynamic test, it is expected that the Dual system will improve the seismic performance due to the reduction of strain of 56% and the damage reduction of 93%, even though the energy is 1.84 times higher than that of the dual system. And the results of the study are presented as basic data of the study for setting the design range of the dual system.



진동주기가 다른 듀얼프레임을 이용한 내진보강시스템의 성능검증을 위한 실험적 연구

오 상훈1, 최 광용2*, 유 홍식3, 김 영주4
1정회원, 부산대학교 건축공학과 교수
2정회원, 부산대학교 건축공학과 박사과정, 교신저자
3정회원, 포스코 철강솔루션센터 선임연구원
4정회원, 한국건축구조연구원 대표이사

초록


본 연구에서 제안하는 내진보강기법은 듀얼시스템으로 비내진상세로 설계된 저층구조물을 대상으로 적용하기 위한 기법이다. 듀 얼시스템은 기존의 구조체, 외부보강체, 강재이력댐퍼로 구성되고 구조체와 외부보강체 사이에 강재이력댐퍼를 설치한다. 구조체와 외부보 강체는 강성과 적재하중에 의해 서로 다른 주기에 의해 상대변위가 발생되고 강재이력댐퍼를 통해 지진에너지를 흡수한다. 본 연구에서 제안 된 듀얼시스템의 내진성능을 검증하기 위해 동적실험을 수행한다. 동적 실험결과, 듀얼시스템 보강 시 에너지가 1.84배 더 많이 입력됨에도 불 구하고 56%의 변형 저감과, 93%의 손상 저감이 됨에 따라 듀얼시스템 적용 시 내진성능을 향상시킬 것으로 판단된다. 그리고 연구결과는 듀 얼시스템의 설계범위를 설정하기 위한 추후 연구의 기초자료로 제시하고자 한다.



    1. 서론

    국내에서는 1988년에 내진설계가 도입되었으나, 국내 건 축물의 내진설계 비율은 6.8%이고, 5층 이하의 중·저층 건축물은 4.5%로 내진성능이 부족한 경우가 많다(MOLIT, 2016; NEMA, 2011). 특히, 경주 및 포항 지진발생 이후 중·저층 기존 건축물의 내진보강의 필요성이 매우 강조되 고 있는 시점이다.

    내진성능이 부족한 건축물의 보강방법은 크게 강도보강, 연성보강으로 나눌 수 있다. 강도보강은 기존 구조물의 강 도(내력)을 증가시켜 지진력에 대응하는 기법으로 벽 증설 보강, 브레이스 보강 등이 있다. 강도보강 기법은 복잡한 기술을 요구하지 않고, 적은 개소로 높은 효과를 발휘할 수 있으나, 구조체의 손상을 동반하여 지진에너지를 소산하는 경우가 많다. 또한 요구되는 내력보다 더 많은 내력을 발휘 할 수 있어 구조부재의 축력이 상승으로 인한 기초 보강이 필요할 수 있다(NDMI, 2000).

    연성보강은 구조부재의 변형능력을 향상시켜 지진에 의 한 구조물의 붕괴를 방지하는 기법이며, 강판 보강, 탄소섬 유 시트 보강 등이 있다. 하지만 수평내력의 보강이 부족하 여 단독공법으로는 내진보강에 대하여 비효율적이라고 지 적하고 있다(Lee, 2015). 또한 국내 내진설계 기준이 반응 수정계수를 고려하더라도 강도설계가 기반되어 요구되는 내력을 만족하기가 어렵다. 따라서 기존구조체의 손상을 저감시키고 필요한 내력에 만족하기 위하여 제진보강 기법 의 연구 및 사용빈도가 증가하고 있다.

    내진보강은 보강체의 설치위치에 따라 내부보강방식, 외 부보강방식으로 분류할 수 있다. 내부보강 방식은 구조물 내부에 공사공간이 필요하고, 공사 기간 사용 및 거주를 병 행하기 어려우며 일체성을 위해 내부 접합부의 높은 시공 정밀도가 요구되어 공사기간이 장기화 될 수도 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해 기존구조체의 외측에 보강체를 설치하는 외부보강 방식을 적용하는 사례가 증가하고 있 다. 구조체와 외부보강체의 일체성을 위한 접합부 상세는 내부보강 방식과 유사하지만 구조체의 외측에 설치한다는 점이 다르다.

    하지만 외부보강 경우, 구조체와 외부 보강체의 중심선 이 동일하지 않아 평면상 힘의 방향이 평행으로 발생되며 이로 인해 우력이 발생한다. 우력으로 인하여 스터드볼트 및 앵커볼트의 수가 증가하고 접합상세가 복잡해진다. 또 한, 접합에 많은 양으로 설계를 하더라도 접합부에서 균열 은 필연적으로 발생하고 균열로 인하여 지진력의 전달이 원활하지 않아 보강효과가 작아진다(JBDPA, 2002). 따라서 외부보강 방식에 대하여 일체성을 증가시키는 접합상세 개 발과 간략한 접합상세를 가지는 시스템 개발이 필요하다.

    본 연구에서는 중ㆍ저층 규모의 비내진상세로 설계된 구조물의 내진성능을 확보하고, 기존의 내진보강시스템의 문제점인 내진성능 부족, 거주병행 공사불가, 복잡한 접합 상세 등을 개선하기 위하여 듀얼시스템을 제안한다. 제안 된 듀얼시스템은 기존구조체와 외부보강체의 진동주기 차 이를 이용하여 댐퍼가 에너지를 흡수하는 시스템이다. 듀 얼시스템은 댐퍼를 통하여 내진성능을 확보하고, 구조체의 외측에 보강체를 설치하여 거주 병행 공사가 가능하며, 댐 퍼만 기존구조체의 부착함으로써 접합부의 설계를 간략화 시킬 수 있는 시스템이다.

    본 연구에서 제안한 듀얼시스템의 효과를 검증하기 위 하여 진동대실험을 수행한다. 실험결과를 통하여 비내진 상세로 설계된 구조물의 응답특성 및 거동을 파악하고, 듀 얼시스템의 보강에 따른 내진성능을 검증하고자 한다.

    2. 진동주기 차이를 이용한 내진보강시스템

    2.1 듀얼시스템의 개념 및 형상

    듀얼프레임형 내진보강시스템은 내진보강이 필요한 구 조물과 외부보강체의 서로 다른 진동주기를 이용하는 시스 템이며, 기존구조체, 외부보강체, 댐퍼로 구성된다. 듀얼 시스템은 Fig. 1과 같이 비내진 상세를 가지는 기존의 구조 물 옆에 일정간격을 두어 보강체를 설치하고, 기존 구조물 과 외부보강체 사이에 댐퍼를 연결한 형상을 가진다(Oh et al., 2013).

    기존구조체는 고정하중과 활하중에 의해 수직방향으로 작용하는 하중이 크기가 큰 반면, 외부보강체는 고정하중 만 작용하여 기존구조체에 비하여 부담하는 수직 하중이 작다. 구조체의 주기는 구조물에 작용하는 질량과 강성에 좌우되므로 외부보강체는 기존구조체에 비하여 짧은 주기 를 가진다. 대개의 지진에서 주기가 짧을수록 응답하는 변 형은 작아지고, 주기가 길수록 응답변형은 증가한다. 따라 서 짧은 주기를 가지는 외부보강체와 상대적으로 주기가 긴 기존구조체 사이에 상대변형이 발생된다. 이와 같이 상 대변형이 발생되는 구조물과 외부보강체 사이에 댐퍼를 설 치하면, 댐퍼가 상대변형에 대응하여 지진발생 시 입력되 는 에너지를 소산시킬 수 있다. 뿐만 아니라 일체성 활보를 위한 기존구조체의 접합상세도 댐퍼 내력만 부담하면 되므 로 매우 간략히 설계를 할 수 있다.

    2.2 듀얼시스템의 특징

    내진보강시스템 설계 시 고려 사항은 다음과 같다.

    • ① 강성 및 강도 확보

    • ② 구조물의 손상저감

    • ③ 거주병행공사의 가능성

    • ④ 통풍 및 채광 확보, 개구부 설계의 용이성

    • ⑤ 일체성 확보

    듀얼프레임형 내진보강시스템은 댐퍼를 통해 요구되는 내력에 맞춰 설계가 용이하다. 그리고 댐퍼는 설계 시 다른 구조부재에 비해 길이가 매우 짧기 때문에 강성확보도 용 이하다. 따라서 듀얼프레임형 내진보강시스템의 댐퍼가 거 동할 수 있도록 외부보강체의 강성과 내력 또한 충분히 확 보되도록 설계할 필요가 있다. 또한, 듀얼프레임형 내진보 강시스템은 Fig. 2와 같은 이력특성을 나타낸다(Baek et al., 2014). 층간변형이 발생되면 댐퍼에서 동일한 변형으로 대응하고, 댐퍼의 짧은 항복변형을 통해 에너지 소산능력 을 발휘하여 기존구조체의 손상을 저감시킬 수 있다.

    거주병행공사의 가능여부는 외부보강을 통해 문제점을 해소할 수 있다. 듀얼프레임형 내진보강시스템의 경우 기 존구조체의 외부에 댐퍼와 보강체를 설치하므로 거주병행 공사가 가능하다. 또한 외측에 댐퍼만 부착하고 일정간격 을 띄운 곳에 외부보강체를 위치시키므로 통풍 및 채광성 확보가 용이하며, 기존구조체의 개구부 공사를 필요로 하 지 않는다.

    외부보강시스템의 경우, 가장 큰 문제점은 기존구조체와 보강체의 일체성 확보이다. 듀얼시스템은 기존구조체의 외 부에 부착되는 요소는 댐퍼이다. 댐퍼는 구조체의 외부에 직접 부착시키면 되므로, 스터드 볼트 및 주입모르타르가 필요 없으며 댐퍼의 내력에 맞춰 앵커볼트 수를 산정하여 설치하면 된다. 댐퍼의 내력 역시 기존구조체의 내력에 비 해 작게 설계하여 앵커볼트의 수도 크지 않다. 다만, 댐퍼 가 접합되는 부위는 댐퍼의 거동에 영향을 끼치지 않도록 주요 구조부재에 접합한다.

    3. 내진성능검증을 위한 진동대실험

    3.1 실험계획 및 방법

    3.1.1 비보강 실험체

    진동대실험에 사용될 실험체는 중·저층 규모의 건축물 을 대상으로 하였으며, 실험환경을 고려하여 1개 층의 프 레임 형태로 제작한다. 기존구조체의 높이, 경간, 단면크기 는 비내진 상세로 설계된 구조물과 동일하게 설계하고, 연 직방향으로 작용하는 중력하중은 1개 층에 작용하는 하중 의 크기(22ton)로 설정한다.

    실험체는 비보강 실험체와 듀얼시스템으로 보강된 실험 체 2개를 제작한다. 비보강 실험체는 기둥 항복형 RC프레 임으로 계획하며, 기둥단면의 크기는 300x400(mm)로 설계 한다. 또한 전단보강근은 300mm 간격으로 배근하고 90도 후크를 가지는 비내진 상세로 Fig. 3(a)와 같이 설계한다 (ACI 318; Kim et al., 2013; Lee et al., 2009).

    비내진 상세로 설계된 RC 프레임은 휨 항복형으로 설계 되었으며 식(1)과 식(2)를 이용하여 초기강성 및 항복내력 을 산정할 수 있다. 그리고 재하내력은 기둥 축력의 0.4배 이하로 작용됨에 따라 식(3)과 식(4)를 이용하여 같이 기둥 의 휨모멘트를 산정할 수 있다(JBDPA, 2001). Table 1은 비 내진 RC프레임의 구조적 특성이다. 이때, 균열 이후의 강 성은 초기강성의 0.16배를 사용하였으며(Kim, 2013), 이를 통해 항복변위를 산정한다. 콘크리트의 설계압축강도는 21Mpa, 철근의 항복강도는 400Mpa로 설계 한다.

    K = 24 E I h 3
    (1)

    Q y = M y / h
    (2)

    0.4 b D F c N > 0 일 때 M c = 0.63 f c Z + N D / 6
    (3)

    M y = 0.8 a t σ y D + 0.5 N D ( 1 N b D F c )
    (4)

    이때 My는 휨에 의한 항복모멘트, h는 기둥의 유효높 이, N은 기둥의 축 방향력, at 는 인장철근 단면적,b는 기 둥의 단면 폭, D 는 기둥의 단면 춤, σy는 철근 항복강도, Fc는 콘크리트 항복강도 이다.

    3.1.2 듀얼시스템 보강 실험체

    듀얼시스템 실험체는 Fig. 3(b)와 같으며, 기존구조체, 댐퍼, 외부보강체로 구성된다. 이때, 기존구조체는 비보강 실험체와 동일하게 설계한다. 실험 시 면외변형 및 비틀림 으로 인한 구조적인 영향을 배제하기 위하여 외부보강체는 기존구조체의 양옆에 설치한다. 또한 댐퍼는 기존구조체의 보와 외부보강체의 보 사이에 위치시키며 4개소를 설치한 다.

    댐퍼는 설계내력에 맞춰 제작이 용이하고, 이력을 통해 에너지를 안정적으로 흡수할 수 있는 강재댐퍼로 설계한 다. 듀얼시스템을 적용한 실험체의 외부보강체는 기존구조 체와 동일한 높이와 경간으로 이루어진 프레임형태로 제작 한다. 통풍 및 채광성을 확보하기 위해 브레이스를 제외한 형상으로 설계한다. 또한 기존구조체와 주기차이를 확보하 기 위하여 기둥을 CFT로 설계하고 댐퍼와의 설치 용이성 을 위해 H형강 보를 설치한다.

    듀얼시스템의 설계 시 변수는 다음과 같다.

    • ① 내력비(댐퍼 내력/기존구조체 내력)

    • ② 항복변형비(기존구조체 항복변형/댐퍼 항복변형)

    • ③ 진동주기비((기존구조체 주기/외부보강체 주기)

    ①의 내력비와 ②의 항복변형비는 댐퍼에 관한 설계 변 수이다. 설계범위는 내력비의 경우 0.6, 항복변형비의 경우 4이상으로 설계한다. 이와 같이 설정한 이유는 듀얼시스템 이 유강혼합구조에 속하며, 기존 연구에서 강요소인 댐퍼 가 내력을 유요소인 기존구조체의 내력에 대해 0.6배, 항복 변형비는 4이상으로 설계하였을 경우, 성능을 향상시킨다 고 나타낸다고 밝힌바 있다(Oh, 2002).

    ③의 경우는 외부보강체 관한 설계 변수이며, 설계 범위 는 4.47로 설계한다. 실제 구조물에 적용하기 위한 설계 진 동주기비는 4.47과 유사할 것으로 판단되며, 실험환경, 설 치 여건 등을 같이 고려하여 이와 같이 설계한다.

    강재댐퍼는 휨 항복형으로 설계하며, 식(5)와 식(6)을 통 하여 항복내력 및 항복변형을 산정한다(Oh et al. 2012). 또 한 외부보강체의 강성은 식(7)과 앞선 식(1)을 통하여 산정 한다. Table 2는 강재댐퍼의 구조적 특성, Table3은 외부보 강체의 구조적 특성을 나타낸다.

    Q D y = n t B 2 σ y 2 H
    (5)

    δ D y = b δ + s δ = 1.5 Q y H T n E t B [ ( H B ) 2 + 2.6 ]
    (6)

    E I [ C F T ] = E I [ s t e e l ] + E I [ R C ]
    (7)

    여기서 n은 스트럿 수, t는 댐퍼의 두께, B는 댐퍼 폭, H는 댐퍼 높이 E 는 탄성계수, HT는 댐퍼 총 높이 (H+2r), H′는 댐퍼의 유효높이 ( H + 2 r 2 / H T ) , E I [ C F T ] 는 외부보강체의 탄성계수(E)와 단면이차모멘트(I)를 의미 한다.

    3.1.2 가진 및 측정방법

    동적실험은 부산대학교 지진실험센터 내 진동대에서 수 행하며, Fig. 4와 같이 나타낸 El-Centro NS 성분(PGA: 341gal)을 입력지진파로 사용한다. 본 연구에서는 입력지진 파의 가속도를 기준으로 스케일을 조정하여 가진 단계는 1~12 step으로 계획하였으며, 각 step에 따른 입력지진파의 스케일은 Table 4에 나타내었다. 각 실험체는 가진 단계에 따라 수행하였으며, 가진 후 실험체의 손상을 파악하여 [다 음 가진단계, 동일 가진단계, 가진 중단]을 결정한다.

    Fig. 5와 같이 기존구조체의 상부보에 가속도센서와 LVDT를 설치하여 응답특성을 측정한다. 또한 밑면 전단력 을 측정하기 위하여 실험체 기둥 하부에 로드셀을 설치한 다.

    3.2 실험결과 및 분석

    3.2.1 응답특성

    (1) 응답주기

    응답주기는 각 스텝의 시작 전에 측정하였으며, 가진 스 텝에 따른 응답주기 변화를 Table 5와 Fig. 6에 나타내었 다. 모든 실험체에서 가진 스텝이 증가할수록 응답주기가 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 비보강 RC 실험체의 경 우 가진 스케일이 70%일 때 응답주기가 급격히 증가하였 다. 그에 비해 듀얼시스템이 적용된 실험체는 가진 스텝이 증가할수록 응답주기의 증가량은 비보강 RC 실험체에 비 해 매우 작게 나타났다. 초기 응답주기에 비해 종국 상황 시 주기비율은 비보강 실험체가 2.3배 증가한 반면, 보강 실험체는 1.14배 증가하였다.

    실험체에 적재된 무게가 일정하므로 응답주기가 증가한 주 요인은 강성의 감소이다. 비보강 실험체의 경우, 응답주 기가 큰 폭으로 증가하였으며, 이는 기존구조체의 손상으 로 인한 강성 저감일 것으로 판단된다.

    (2) 응답가속도

    가진 단계에 따른 최대 응답가속도의 변화를 Fig. 7에 나 타내었다. 100% 스케일로 두 번째 가진한 경우를 제외하고 는 모든 실험체가 가진 스케일이 증가할수록 최대 응답가 속도가 크게 나타났다. 동일한 스케일(100%)로 가진할 경 우, 듀얼시스템이 보강된 실험체는 비보강 RC 실험체에 비 해 크게 나타났다. 이는 듀얼시스템의 적용을 통해 시스템 의 주기가 작아짐에 따라 이와 같이 나타난 것으로 판단된 다. 탄성영역에서도 지진의 특성상 주기에 따라 최대 응답 가속도가 달라지며, 소성화가 진행될 경우에도 가진 시간 별로 시스템의 주기가 달라지므로 응답가속도의 변화를 예 측하기가 어렵다. 따라서 제진장치를 보강하더라도 시스템 의 감쇠를 고려하지 못한다면 건축물의 응답 가속도를 제 어하기는 쉽지 않을 것으로 판단된다. Fig. 8

    (3) 응답 변위

    모든 실험체에서 가진 스케일이 증가할수록 최대 응답 변위가 증가하는 것으로 나타났다. 동일 가진 스케일을 비 교할 경우, 100% 가진 스케일에서 비보강 RC 실험체는 73mm로 나타난 반면, 듀얼시스템 보강실험체는 16mm로, 듀얼시스템 적용 시 78% 감소하는 것으로 나타났다. 종국 상황 일 때에도 보강실험체는 31mm로 비보강 RC 실험체 에 비해 작게 나타났고, 56% 저감되는 것으로 나타났다. 듀얼시스템을 보강할 경우, 강재댐퍼로 인하여 구조시스템 의 내력뿐만 아니라 강성 또한 증가시키기 때문에 최대 응 답변위가 감소되는 것으로 나타났다. 가진단계에 따른 최 대 응답변위를 Fig. 10에 나타내었다. 그리고 동일한 가진 단계인 100% 스케일에서의 응답변위를 Fig. 9(a)에 나타내 었고, 종국상황에서의 응답변위를 Fig. 9 (b)에 나타내었다.

    3.2.2 손상상태

    비보강 RC 실험체의 균열 및 파괴양상은 Fig. 11에 나타 내었으며, 듀얼시스템을 보강한 실험체는 Fig. 12에 나타내 었다. 모든 실험체에서 초기 균열의 발생위치는 기둥 양단 부이며, 균열형태는 휨 균열로 발생되었다. 그리고 두 실험 체 모두 종국 상황 시 까지 보에서는 균열이 발생되지 않 았다.

    비보강 RC 실험체는 El-Centro 30% 스케일에서 좌측기 둥 상부에서 휨 균열이 발생되었다. 이후 가진 스케일을 50%까지 증가하면서 좌측 기둥과 우측 기둥 상부에 균열 의 수가 증가하였으나, 균열의 수와 균열의 폭은 크지 않았 다. 70% 가진 이후 균열의 수가 증가하였으며, 좌우측 기 둥 상부와 하부에서 균열이 집중하였으며, 균열의 폭 역시 최대 0.2mm로 증가하였다. 100% 가진 시 양측 기둥의 상 하부에서 균열의 진전 및 수가 증가하였고 균열의 폭도 최 대 0.6mm로 발생하였다. 측정된 균열의 폭은 가진 이후 측 정한 잔류균열의 폭이며, 가진 중에 더 큰 폭의 균열로 인 해 파괴에 이른 것으로 판단하여 실험을 중단하였다.

    보강실험체는 70% 가진 시 우측 상부기둥에서 휨 균열 이 발생하였다. 이후 160% 가진 시 까지 균열의 수는 증가 하였으나, 균열의 진전이 비보강 RC 실험체에 비해 크게 이뤄지지 않았고, 균열의 폭 또한, 0.01mm 이하의 크기로 나타났다. 250% 가진 시 까지 Fig. 12(a)와 같이 균열의 수 가 증가하였으나, 균열의 폭은 최대 0.06mm로 나타났다. 하지만 Fig. 12(b)와 같이 댐퍼에서 균열이 발생되어 실험 이 중단되었다.

    비보강 RC 실험체와 듀얼시스템이 보강된 실험체의 균 열의 양상을 비교하였을 때, 비보강 RC 실험체는 기둥의 상하부에서 균열이 진전되었고 균열의 폭 또한 크게 증가 하였다. 그리고 종국상황 시 기둥 상부와 접합부 부분에서 파괴에 이르는 균열이 발생되었다. 반면, 듀얼시스템이 보 강된 실험체는 기둥의 상하부에서 균열이 먼저 발생하였으 나, 가진 단계가 증가할수록 균열이 기둥의 중앙부로 퍼졌 으며, 비보강 RC 실험체에 비해 균열이 진전되지 않았다.

    3.2.3 밑면전단력-변형관계

    밑면전단력은 실험체의 하부에 설치한 로드셀로 측정하 였으며, 가진 단계별 밑면전단력은 Fig.13과 같다. 두 실험 체 모두, 가진 단계가 진행될수록 밑면전단력은 증가하는 것으로 나타났다. 비보강 실험체의 경우, 70% 가진 시 밑 면전단력이 급격히 증가하였으면, 70% 가진 시 114kN, 100% 가진 시 130kN으로 기존구조체의 항복내력에 비해 크게 나타났다.

    보강실험체의 경우, 비보강 실험체와 동일한 가진스케일 인 100%일 때, 55kN으로 비보강 실험체 비해 58% 작게 나 타났으며, 종국상황 인 250%일 때, 144kN으로 비보강 실험 체에 비해 11% 더 크게 나타났다. 이와 같이 나타난 이유 는 가진 초기에 댐퍼가 기존구조체의 변형을 저감시켜 밑 면전단력이 크게 발생되지 않았다. 하지만 가진단계가 진 행될수록 입력되는 지진력이 증가하여 기존구조체의 변형 이 증가하였고, 또한 댐퍼의 내력이 추가되어 밑면전단력 이 상승한 것으로 판단된다.

    Fig. 14(a)는 동일한 가진단계(100%)에서의 밑면전단력과 변형의 관계를 나타낸 것이고 Fig. 14(b)는 종국 상황 시 밑 면전단력과 변위의 관계를 나타낸 것이다. 변위는 기존구 조체의 상부 LVDT 값을 이용하여 나타낸 것이다.

    동일한 가진 단계(100%)를 비교할 경우, 비보강 실험체 는 소성화가 진행된 반면 듀얼시스템 보강실험체는 탄성범 위에 머물러 있는 것을 알 수 있다. 종국 상황일 때, 비보 강 실험체의 밑면전단력-변위 곡선은 핀칭현상이 발생된 형태로 나타났다. 반면 보강 실험체의 밑면전단력-변위의 곡선은 방추형의 형태로, 비보강 실험체에 비해 안정적인 이력거동을 나타내고 있다.

    3.2.4 입력에너지

    에너지평형법에 의한 설계기법은 지진 등에 의해 외부 에서 입력된 에너지 보다 구조물에서 흡수하는 에너지를 더 많도록 설계하여 내진성을 확보하는 설계법이다. 여기 서, 입력된 에너지를 산정하기 위해 에너지 평형식을 이용 한다.

    식 (8)은 특정시점에서의 계의 힘의 평형상태를 나타내 며 그 시점에서의 구조물의 응답을 얻을 수 있지만, 이들 정보로 구조물의 손상정도 및 파괴양상을 예측하기에는 어 려움이 있다. 따라서 식 (8)의 양변에 식 (9)와 같이 변위증 분( d u = u ˙ d t )을 곱하고, 총 지동시간(to )으로 적분하면, 식 (10)과 같은 에너지 평형식을 통하여 구조물의 거동 및 입 력되는 에너지를 산정할 수 있다.

    그리고 식 (11)을 통하여 에너지를 속도의 차원인 VE로 나타낼 수 있다(AIK, 2010). 이때 VE는 구조물의 질량과 주기에 의해 결정되는 안정된 값으로 입력되는 에너지를 정략적으로 표현할 수 있다.

    M u ¨ + C u ˙ + F ( u ) = M z ¨ 0
    (8)

    0 t o M u ¨ u ˙ d t + 0 t o C u ˙ 2 d t + u ( 0 ) u ( t o ) F ( u ) u ˙ d t = 0 t o M z ¨ 0 u ˙ d t
    (9)

    W e ( t ) + W p ( t ) + W h ( t ) = E ( t )
    (10)

    E = M V E 2 2 ( V E = 2 E M )
    (11)

    VE는 진동대의 출력파를 이용하여 각 실험체의 질량과 주기를 입력해 산정한다. Fig. 15는 가진 단계(누적시간)에 따른 실험체에 입력된 누적 VE를 나타낸 것이다.

    동일한 가진단계(100%)에서 비보강 실험체는 361.6 cm/sec, 보강실험체는 97.7cm/sec의 누적에너지가 입력되 었다. 종국상황 시 보강실험체는 676.3cm/sec 입력되어 비 보강 실험체에 비해 1.87배 더 많이 입력되었다.

    3.2.5 손상정도, 응답주기, VE의 관계

    입력된 에너지에 따른 손상정도를 표현하기 위하여 Fig.16에 누적 VE에 따른 기존구조체의 손상량을 응답주 기를 나타내었다. 비보강 실험체의 경우, 누적 VE가 137cm/s에 도달하였을 경우 균열의 폭이 0.2mm로 크게 증 가하였으며, 종국상황에서는 0.6mm로 나타났다. 듀얼시스 템 보강 실험체의 경우, 누적 VE에 따른 균열의 폭 및 응 답주기의 변화는 비보강 실험체에 비하여 매우 작게 나타 났다. 유사한 크기의 누적에너지가 입력된 상황에서 비보 강 실험체는 균열의 폭이 0.6mm로 나타난 반면, 보강 실험 체는 0.04mm로 나타났다.

    손상에 따른 응답주기의 변화를 표현하기 위하여 Fig. 17 에 균열의 폭에 따른 각 실험체의 응답주기를 나타내었다. 이때 응답주기는 균열이 폭이 나타난 이후에 측정된 값으 로 나타내었다. 비보강 실험체의 경우, 가진 초반에는 균열 의 폭의 증가 없이 주기가 증가하는 것으로 나타났으며 주 기의 증가 폭은 크지 않았다. 하지만 균열의 폭이 0.2mm로 증가하였을 때, 주기는 0.726초로 급격하게 증가하였다. 이 를 통하여 균열의 수가 증가하면 주기가 완만하게 길어지 고, 균열의 폭이 증가하면 주기가 급격히 증가하는 것을 알 수 있다.

    보강 실험체는 실험 종료 시 까지 기존구조체의 균열의 폭과 응답주기의 폭이 크게 발생되지 않았다. 따라서 듀얼 시스템의 보강으로 인하여 기존구조체의 손상이 저감되는 것을 알 수 있다. 또한 응답주기의 변화가 크지 않은 것은 강재댐퍼가 전체 구조물의 거동에 큰 영향을 끼쳤다는 것 을 의미한다. 이는 강재댐퍼의 이력특성상 손상이 발생하 더라도 강성의 저하가 작기 때문이다.

    4. 결 론

    비내진 상세로 설계된 구조물의 내진성능을 향상시키기 위한 듀얼시스템의 성능을 검증하기 위하여 진동대실험을 수행하였고, 실험결과를 통하여 다음과 같은 결과를 얻었 다.

    • 1) 비보강 실험체는 100% 가진 후 기존구조체의 손상으로 인하여 실험이 종료되었고, 듀얼시스템 보강 실험체는 250% 가진 후 댐퍼의 손상으로 인하여 실험이 종료되었 다. 실험종료 시 최대변형은 비보강 실험체에서 73mm 인 반면 듀얼 보강실험체는 31mm로, 더 큰 스케일의 지 진파가 작용했음에도 불구하고 53%의 변형저감을 나타 내었다.

    • 2) 종국상황까지 듀얼 보강실험체에 입력된 에너지는 비보 강 실험체에 비해 1.87배 크게 입력되었으나 손상은 비 보강실험체가 0.6mm, 보강실험체가 0.04mm로 나타났 다. 이를 통하여 듀얼시스템은 기존구조체의 손상을 저 감시키는 것을 확인할 수 있었다.

    • 3) 비보강 실험체의 실험결과를 통하여 균열 수는 구조체 의 주기를 완만하게 증가시키고, 균열의 폭은 주기의 변 화를 급격하게 증가시키는 것을 확인할 수 있었다. 하지 만 듀얼시스템 보강 실험체의 경우, 기존구조체의 손상 이 일부 발생하더라도 응답주기의 변화가 크게 발생되 지 않았다. 이는 손상이 발생하더라도 강성의 저하가 크 게 발생되지 않은 댐퍼가 시스템의 거동에 큰 영향을 끼치는 것을 의미한다.

    • 4) 실험결과를 종합하면, 듀얼시스템 보강 시 기존구조체 의 손상 및 변형을 저감시키는 것을 확인할 수 있었고, 더 많은 에너지를 소산하는 것을 알 수 있었다. 따라서 듀얼시스템의 보강을 통하여 비내진 상세로 설계된 구 조물의 내진성능을 향상시킬 것으로 판단된다.

    진동대실험을 통하여 진동주기를 이용한 듀얼시스템의 내진성능을 검증할 수 있었다. 하지만 듀얼시스템 설계 시 고려해야할 내력비, 항복변형비, 진동주기비에 대한 설계 범위는 추후 연구를 통해 제시되어야 할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 (주)포스코 철강솔루션센터의 지원으로 수행 하였으며, 이에 감사드립니다.

    Figure

    JKSMI-22-91_F1.gif

    Shape and concept of dual system

    JKSMI-22-91_F2.gif

    Hysteretic characteristics of Dual System

    JKSMI-22-91_F3.gif

    Shape and detail of test Specimens

    JKSMI-22-91_F4.gif

    El-Centro NS wave

    JKSMI-22-91_F5.gif

    Location of measurement sensors

    JKSMI-22-91_F6.gif

    Response period

    JKSMI-22-91_F7.gif

    The Maximum response acceleration

    JKSMI-22-91_F8.gif

    Response acceleration

    JKSMI-22-91_F9.gif

    The Maximum Response displacement

    JKSMI-22-91_F10.gif

    Response displacement

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    Damage status of the non-retrofit specimen

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    Damage status of the retrofit specimen

    JKSMI-22-91_F13.gif

    Shear force

    JKSMI-22-91_F14.gif

    P-δ Curve of specimens

    JKSMI-22-91_F15.gif

    The inputted energy-equivalent velocity(VE)

    JKSMI-22-91_F16.gif

    Crack width and VE relation

    JKSMI-22-91_F17.gif

    The relation between period and crack width

    Table

    Structural characteristics of RC frame

    Structural characteristics of the steel damper

    Structural characteristics of the outer retrofit frame

    Excitation step

    Response acceleration

    Reference

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