에서시공이용이하며벽체를허물지않고작업을할수있다. 시험체는비내진설계된학교건물의기둥을참고하여제작하였고, 시험체를보강재로보강하여반복횡하중시험을실시하였다. 보강재는알루미늄다공판과유리섬유를혼합적층한보강재와유리섬유만을적층한보강재의두종류를선택하였다. 시험체의휨강도와부재연성을통하여내진

Size: px

Start display at page:

Download "에서시공이용이하며벽체를허물지않고작업을할수있다. 시험체는비내진설계된학교건물의기둥을참고하여제작하였고, 시험체를보강재로보강하여반복횡하중시험을실시하였다. 보강재는알루미늄다공판과유리섬유를혼합적층한보강재와유리섬유만을적층한보강재의두종류를선택하였다. 시험체의휨강도와부재연성을통하여내진"

윤성 뇌
6 years ago
Views:

1 Journal of the Korea Concrete Institute Vol. 26, No. 1, pp. 47~55, February, 긴급시공이가능한 FRP 복합재료보강재로보강된기둥의내진성능평가 김진섭 1) 서현수 1) 임정희 1) 권민호 1)* 1) 경상대학교토목공학과공학연구원 An Performance Evaluation of Seismic Retrofitted Column Using FRP Composite Reinforcement for Rapid Retrofitting Jin-Sup Kim, 1) Hyun-Su Seo, 1) Jeong-Hee Lim, 1) and Min-Ho Kwon 1)* 1) Dept. of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University, Jinju , Korea ABSTRACT As increasing number of large-size earthquake around Korean peninsula, many interests have been focused to the earthquake strengthening of existing structures. The brittle fracture of Non-seismic designed columns lead to full collapse of the building. In the past, cross-sectional extension method, a steel plate reinforcing method and fiver-reinforced method are applied to Seismic Rehabilitation Technique mainly. However, the reinforcement methods have drawbacks that induce physical damage to structures, large space, long duration time. So, in this study, performance evaluation of previously developed FRP seismic reinforcement which do not induce physical damage and short duration time was enforced. The specimens were constructed with 80% downscale. FRP seismic reinforcement are manufactured of glass fiber or aluminum plate with holes and glass fiber. From the experiment results, seismic performance of specimens which reinforced with FRP seismic reinforcement were increased. Keywords : seismic retrofit, FRP, seismic reinforcement, emergency construction, nonlinear FEM 1. 서론 1) 2011년 3월일본동북부지역에규모 9.0의강력한지진이발생했다. 일본의대지진이후 4월 18일까지규모 5.0이상의여진이 437회발생한것으로조사된연구보고도있다. 국내에서는 2005년경남거제동남쪽약 54 km 해역에서규모 4.0의지진이발생하였으며, 2007년강원평창군도암면과경계지역에서규모 4.8의지진이발생하였다. 이밖에도규모 4.0이상의지진발생이짧은기간내에계속되어증가하는추세를보이고있다. 이러한지진의발생빈도와규모의증가에따라시설물전반의내진보강에관하여사회적관심도가증대하고있다. 최근에건설되는구조물에는내진설계법이적용되고있다. 하지만내진설계법을도입하기이전의과거구조물은내진설계가적용되지않아내진에대한저항능력을평가하여야한다. 이에비내진구조물의내진성능에관한많은연구가진행되고있고그에따라새로운보강법과보강재료에대한연구가많이진행되고있다. 1,2) *Corresponding author kwonm@gnu.ac.kr Received July 17, 2013, Revised November 29, 2013, Accepted December 20, 2013 c2014 by Korea Concrete Institute 내진성능보강공법중의하나인섬유보강공법은재료가경량이며시공이용이하고내부식성등으로인하여강판부착공법에비해선호되고있는공법이다. 특히탄소섬유와유리섬유를사용한 FRP(fiber reinforced polymer) 를적용한콘크리트구조물의보수 보강공법은 1990년대부터많은연구가진행되어왔다. 3,4) 현재복합재료를이용한실용화기술은이러한연구성과들에비해많이부족한실정이다. 보강재사용에따른보강효과의예측에관한연구또한폭넓게이뤄지지않고있다. 비내진기둥에대한복합재료를활용한보강법이연구개발되어현장에적용되고있다. 그러나기존에사용되고있는보강공법들은많은시공시간을필요로하고, 시공시충분한공간을필요로한다. 5-9) 하지만지진피해시보수 보강은빠른시간내협소한공간에서작업을실행해야하므로기존보강공법들의활용이어려운실정이다. 이에신속한보수 보강이가능하고기둥에손상이적은응급보강법의필요성이부각된다. 이연구에서는긴급시공이가능한내진보강재를개발하고내진성능증가효과를실험을통하여평가하였다. 긴급시공이가능한내진보강재를이용한기둥보강은, 기존보강법의시공시간, 공간확보, 자중증가, 양생기간, 시공성등이개선되어긴급보강이가능하고협소한장소 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 47

에서시공이용이하며벽체를허물지않고작업을할수있다. 시험체는비내진설계된학교건물의기둥을참고하여제작하였고, 시험체를보강재로보강하여반복횡하중시험을실시하였다. 보강재는알루미늄다공판과유리섬유를혼합적층한보강재와유리섬유만을적층한보강재의두종류를선택하였다. 시험체의휨강도와부재연성을통하여내진성능을평가하였다. 2. 실험개요 2.1 보강재설계 2.

대상건물의실제기둥단면과시험체기둥단면을비교하여 Table 2에나타내 강진에뒤이어발생하는여진으로수많은가옥이붕괴되고, 사회기반시설인도로와교량등에손상이발생하여막대한피해가발생된다. 여진에대비하여강진으로손상된구조물의신속한보강이필요하다.

2 에서시공이용이하며벽체를허물지않고작업을할수있다. 시험체는비내진설계된학교건물의기둥을참고하여제작하였고, 시험체를보강재로보강하여반복횡하중시험을실시하였다. 보강재는알루미늄다공판과유리섬유를혼합적층한보강재와유리섬유만을적층한보강재의두종류를선택하였다. 시험체의휨강도와부재연성을통하여내진성능을평가하였다. 2. 실험개요 2.1 보강재설계 2.2 시험체계획긴급시공내진보강재의내진성능을평가하기위하여비내진상세를가지는국내기존철근콘크리트학교건물의골조를보강대상으로선정하였다. 기존구조물에서기둥의순높이는 3 미터이다. 이연구에서는단곡률실험을계획하였고, 시험체의높이는기존기둥부재높이의절반을고려하여결정하였다. 시험체의단면은기존기둥의 80% 크기로제작하였다. 대상건물의실제기둥단면과시험체기둥단면을비교하여 Table 2에나타내 강진에뒤이어발생하는여진으로수많은가옥이붕괴되고, 사회기반시설인도로와교량등에손상이발생하여막대한피해가발생된다. 여진에대비하여강진으로손상된구조물의신속한보강이필요하다. 따라서빠른시간내보수, 보강이가능하고, 기존기둥에대한손상이적으며, 제작및시공경비면에서기존의보강방법과구별되는신속한시공이가능한보강공법이필요하다. 이에이연구에서는앵커를삽입하거나용접작업을필요치않아긴급한보수가가능한보강재를개발하였다. 제작한보강판은 Fig. 1(a) 와같이ㄷ자형태로이루어져있고두개의보강판을체결하기위하여ㄷ자끝부분에체결부를제작하였다. 체결부는 Fig. 1(b) 와같이내부면에쐐기돌기가형성된오목부와 Fig. 1(c) 와같이오목부의쐐기돌기에대응하는볼록부로구성된다. 보강재의보강판은유리섬유만을적층한것과알루미늄다공판과유리섬유를혼합적층한것으로두개를제작하였다. 제작된알루미늄복합재료와유리섬유복합재료는인장시험을실시하였였다. Fig. 2는인장시험결과측정된응력-변형률관계곡선이다. 인장실험결과측정된최대강도와탄성계수를 Table 1에정리하였다. 3) (a) AL+GFRP (b) GFRP Fig. 2 Stress-strain curve Table 1 Properties of FRP composite FRP composite Max. stress (MPa) Young s modulus (MPa) Poisson s ratio Max. strain AL+GFRP GFRP Table 2 Dimension of cross-section Full scale Scale down (a) FRP composite Section (b) Concave part Fig. 1 Details of FRP reinforcement (c) Convex part Section size (mm) Rebar D19-10EA D19-4EA, D22-4EA Hoop D10-@300 D10-@ 한국콘크리트학회논문집제 26 권제 1 호 (2014)

었다. 내진보강성능을반복가력구조시험을통하여평가하였다. 시험체단면은 Fig.

0105 m/mm 2 이다. 콘크리트는 24 MPa, 주철근은 4-D16와 4-D22, 횡보강근은 D10으로계획하였다. 철근은이음이없는연속철근으로제작되었다.

25 mm인유리섬유를 12층으로적층하여제작되었으며, 단위중량은 2 g/cm 3 이다. Al-75는 GL-75에알루미늄판으로 보강하여전단력을강화하고자하였다. 시험체의보강은 Fig.

3 실험방법중심축하중이시험체에정확하게전달되고기둥상부의지압파괴를방지하기위해상단에하중가력장치를설계하였다. 압축력을받고있는상황에서횡방향가력을위해가력판과기둥상단부를볼트와너트로고정시켰다.

여기서항복변위 는보강되지않은기둥에단조하중을가하였을때얻은최대하중의 80% 에해당하는변위이다. 항복변위 는 0.5 배씩증가시켜일정한속도로시험체에가력하였다. 횡가력은정 부방향으로 0.

3 Details of test specimen (unit: mm) Table 3 Materials properties of specimen Material Yield strength (MPa)

3 었다. 내진보강성능을반복가력구조시험을통하여평가하였다. 시험체단면은 Fig. 3과같이 mm 2 의장방형기둥으로전체높이 2040 mm, 하부기초높이 640 mm, 기둥높이 1000 mm로하였다. 시험체의형상비 ( 기둥높이 / 단면적 ) 는 m/mm 2 이다. 콘크리트는 24 MPa, 주철근은 4-D16와 4-D22, 횡보강근은 D10으로계획하였다. 철근은이음이없는연속철근으로제작되었다. 시험체제작에사용된콘크리트및철근의재료물성치는 Table 3 과같다. 두종류의내진보강재의성능을비교하기위하여 Table 4와같이시험체를설계하였다. 두종류의보강재에공통적으로사용된복합재료는한층의두께가 0.25 mm인유리섬유를 12층으로적층하여제작되었으며, 단위중량은 2 g/cm 3 이다. Al-75는 GL-75에알루미늄판으로 보강하여전단력을강화하고자하였다. 시험체의보강은 Fig. 4에나타난바와같이기초에서 75 mm의위치에 75 mm의보강판을 125 mm간격으로 4개부착하여보강시험체를설계하였다. 2.3 실험방법중심축하중이시험체에정확하게전달되고기둥상부의지압파괴를방지하기위해상단에하중가력장치를설계하였다. 압축력을받고있는상황에서횡방향가력을위해가력판과기둥상단부를볼트와너트로고정시켰다. 시험체가력장치상세는 Fig. 5와같다. 실험시작전기둥과액츄에이터가력부를볼트및너트를이용하여고정한후실험시작시두개의인장잭을이용하여시험체에 만큼의축력이일정하게가력되도록하중제어하였다. Fig. 6은시험체의횡하중반복사이클로항복변위를증분하여각 2회씩반복하였다. 여기서항복변위 는보강되지않은기둥에단조하중을가하였을때얻은최대하중의 80% 에해당하는변위이다. 항복변위 는 0.5 배씩증가시켜일정한속도로시험체에가력하였다. 횡가력은정 부방향으로 mm/sec의일정한속도로변위제어하였다. Fig. 3 Details of test specimen (unit: mm) Table 3 Materials properties of specimen Material Yield strength (MPa) Young s modulus (MPa) Poisson s ratio Concrete Rebar Table 4 Test specimen FRP composite Width (mm) Plate Thickness (mm) ORC AL-75 AL+GFRP GL-75 GFRP 75 3 Fig. 5 Test setup (unit: mm) Fig. 4 Reinforced specimen detail (unit: mm) Fig. 6 Displacement loading history 긴급시공이가능한 FRP 복합재료보강재로보강된기둥의내진성능평가 49

(a) ORC (a) ORC (b) AL-75 (c) GL-75 Fig. 7 Crack patterns of specimen 3. 실험결과 3.1 파괴형태 Fig. 7은각시험체별최종파괴형상을나타내고있다.

4번째사이클 ( ) 에서측면에전단균열이발생하기시작하였으며, 9번째사이클 ( ) 에서전단균열이증가하고, 균열의폭이증가함으로인해모서리부분에는전단균열을중심으로콘크리트피복의박리가진행되었다.

시험체의최종파괴는, AL-75의경우알루미늄체결부와복합재료의결합부분파괴가, GL-75의경우복합재료보강판의모서리부분의파괴가발생하였다.

비보강시험체에비해보강시험체의연성이확연히증가한것을볼수있다. 또한최대강도도증가하였으나변위증가에비해다소작은경향을보인다.

4 (a) ORC (a) ORC (b) AL-75 (c) GL-75 Fig. 7 Crack patterns of specimen 3. 실험결과 3.1 파괴형태 Fig. 7은각시험체별최종파괴형상을나타내고있다. 비보강시험체인 ORC의파괴형상은시험체의하단부부터수평휨균열이발생하여상부로증가하였다. 4번째사이클 ( ) 에서측면에전단균열이발생하기시작하였으며, 9번째사이클 ( ) 에서전단균열이증가하고, 균열의폭이증가함으로인해모서리부분에는전단균열을중심으로콘크리트피복의박리가진행되었다. 9번째사이클 ( ) 에서강도감소가발생하기시작하였고압축부에서급격한강도감소가발생하였다. 보강시험체들은균열의발생이 ORC에비하여줄어들고, 최대변위가증가하였다. 시험체의최종파괴는, AL-75의경우알루미늄체결부와복합재료의결합부분파괴가, GL-75의경우복합재료보강판의모서리부분의파괴가발생하였다. GL-75의복합재료모서리부파괴를미루어볼때, AL-75의알루미늄체결부톱니부분의강도는, 알루미늄판과 FRP로제작된복합재료판의강도보다약한것으로판단된다. 3.2 하중이력곡선 Fig. 8은각시험체별하중-변위곡선을나타낸것이다. 비보강시험체에비해보강시험체의연성이확연히증가한것을볼수있다. 또한최대강도도증가하였으나변위증가에비해다소작은경향을보인다. AL-75는 GL-75 에비하여변위가더크게발생하고있는데이는인장강도가큰알루미늄을사용한 AL-75 보강재의파괴가지연되었기때문으로생각된다. (b) AL-75 (c) GL-75 Fig. 8 Load-displacement relation curve 4. 결과분석 4.1 최대강도및최대변위 Table 5는시험체별최대강도와최대변위, 항복변위를나타낸것이다. 보강시험체는비보강시험체에비하여최대강도가 AL-75는약 1.24배, GL-75는약 1.06배증가하였다. 최대변위는 AL-75의경우약 1.68배, GL-75의경우약 1.37배증가하였다. 복합재료보강재에의하여, 시험체의전단력이증가하여시험체가가진휨강도를최대한발휘하여최대강도가증가한것으로판단된다. 또한, 최대변위도증가하여연성능력도증가하였다. 최종적으로, 시험체의파괴형태가전단파괴에서휨파괴로변화되었다. 50 한국콘크리트학회논문집제 26 권제 1 호 (2014)

5 Table 5 Ultimate load and yield displacement of specimens Ultimate Yield Ultimate Ultimate load displacement displacement load (Pmax, kn) (, mm) (, mm) ratio ORC AL GL 에너지소산능력 반복하중에의한에너지소산은구조물의지진에너지를흡수하여손상을감소시키기때문에구조물의에너지소산능력을평가하는것이매우중요하다. Fig. 9는비보강시험체와보강시험체의각변위연성비에대한에너지흡수능력을나타내고있다. AL-75와 GL-75는 ORC가파괴된변위연성비이후, 계속해서에너지소산능력이증가한다. AL-75의시험체는 GL-75에비해각변위연성비별에너지소산능력이증가한다. 또한, GL-75의파괴이후에도계속증가하는것을볼수있다. 이는보강재의구성재료와두께에따른효과로사료된다. Fig. 10은변위연성비와누적에너지소산능력의관계를나타낸그래프이다. 비보강시험체와보강시험체는비보강시험체가파괴될때까지누적에너지소산능력이유사하게증가한다. Table 6은최종누적에너지소산능력과보강후증가된누적에너지소산능력의비를나타내고있다. 보강시험체는비보강시험체에비하여누적에너지소산능력이, AL-75는약 4.39배, GL-75는약 2.31배증가하는것으로나타났다. 4.3 부재연성 최대변위는시험체의강도가최대강도이후 80% 로저하되었을때로정의하였고, 시험체의연성능력은다음과같이정의하였다. (1) 여기서, : 최대변위, : 항복변위이다. Table 7은각시험체의최대하중, 항복변위및최대변위를이용하여연성을계산하고있다. 보강시험체의연성은비보강시험체에비하여 AL-75 는약 1.29배, GL-75는약 1.51배증가하였다. AL-75 시험체의연성이 GL-75 시험체보다작게계산된이유는 AL-75의항복변위가크게측정되었기때문이다. 최대변위와최대강도가큼에도항복변위가크게측정되어연성비가낮게계산되었다. Fig. 9 Energy dissipation capacity Fig. 10 Accumulated energy dissipation capacity curve Table 6 Accumulated energy dissipation capacity of specimens Accumulated energy dissipation capacity Accumulated energy dissipation capacity ratio ORC AL GL Table 7 of specimen Ultimate load (Pmax, kn) Yield displacement (mm) Ultimate displacement ( ) (, mm) ORC AL GL 비선형유한요소해석 일방향가력해석은 (pushover analysis) 은다양한구조요소가단계적하중의증가에따라서연속적으로항복하는구조물의비선형응답연구에효과적으로사용할수있는방법으로잘알려져있다. 10) 가장많이사용되는형태는일정한분포를가지고증가하는정적하중을사용한일방향정적가력해석이다. 이러한정적가력해석은변위증가에따른구조물의거동을효과적으로반영한다. 해석을위하여상용프로그램인 ABAQUS를사용하였다. 3,11-13) 긴급시공이가능한 FRP 복합재료보강재로보강된기둥의내진성능평가 51

5.1 재료비선형구성모델 5.2 해석모델링 콘크리트의솔리드요소에적용시킨구성모델은압축과압축상태의콘크리트의파괴거동을알수있는콘크리트손상소성모델 (concrete damaged plastic model) 을사용하였다. 이모델은손상-소성구성모델로 Lubliner et al 14) 에의해서처음으로제안되었고 Lee와 Fenvas 15) 에의해서개선된모델이다.

12(b) 와같이탄성거동항복후의취성거동을포함하여선형모델과취성모델을사용하였다. (a) Tensile behavior (b) Compressive behavior ABAQUS를이용한유한요소해석에서, 콘크리트는 8개절점을갖는고체요소로 3차원유한요소모델링을하였다. 철근과콘크리트는완전부착으로가정하였고, 복합재료는쉘요소로모델링하였다.

3 비선형유한요소해석결과 ORC시험체의콘크리트인장균열분포는 Fig. 14(a) 와같다. 변위가증가하기시작하자기초와기둥접합부에서는휨균열이주도적으로발생하였고변위가증가될수록휨균열과전단균열이같이진행되어점차기둥중앙부로전이되는것을확인할수있다. 기둥의위험단면에집중적으로균열이발생하였다. 철근에작용하는응력분포결과는 Fig. 14(b), (c) 와같다.

6 5.1 재료비선형구성모델 5.2 해석모델링 콘크리트의솔리드요소에적용시킨구성모델은압축과압축상태의콘크리트의파괴거동을알수있는콘크리트손상소성모델 (concrete damaged plastic model) 을사용하였다. 이모델은손상-소성구성모델로 Lubliner et al 14) 에의해서처음으로제안되었고 Lee와 Fenvas 15) 에의해서개선된모델이다. 이모델은콘크리트의손상거동을예측하는데적합한모델로구속압력상태의인장강화, 압축연화, 강성손상과소성팽창의특성을포함하고있다. Fig. 11은일축응력-변형률관계를나타낸다. 철근의트러스요소에적용된구성모델 Fig. 12(a) 와같이철근의비선형을고려하여완전소성모델 (Perfectly Plastic Model) 을사용하였다. 고성능유리섬유복합재료보강판은 Fig. 12(b) 와같이탄성거동항복후의취성거동을포함하여선형모델과취성모델을사용하였다. (a) Tensile behavior (b) Compressive behavior ABAQUS를이용한유한요소해석에서, 콘크리트는 8개절점을갖는고체요소로 3차원유한요소모델링을하였다. 철근과콘크리트는완전부착으로가정하였고, 복합재료는쉘요소로모델링하였다. 복합재료는콘크리트와완전부착으로가정하였다. Fig. 13은시험체의해석모델링을나타낸다. 재료물성치는실험을통해얻은값을사용하였다. 시험체의경계조건은철근콘크리트프레임의하부단부를고정시켰고, 모델링된시험체를실험조건과동일하게하부스터브를구속하고, 상부스터브에축력 (0.1 f ck Ag) 및횡변위하중을도입하여해석을수행하였다. 5.3 비선형유한요소해석결과 ORC시험체의콘크리트인장균열분포는 Fig. 14(a) 와같다. 변위가증가하기시작하자기초와기둥접합부에서는휨균열이주도적으로발생하였고변위가증가될수록휨균열과전단균열이같이진행되어점차기둥중앙부로전이되는것을확인할수있다. 기둥의위험단면에집중적으로균열이발생하였다. 철근에작용하는응력분포결과는 Fig. 14(b), (c) 와같다. 기둥상단변위가증가할수록기둥부인장주철근에응력이다른철근에비하여크게작용하였으며, 특히기둥의위험단면지역의철근에응력이집중되는것을알수있다. 해석은주철근항복이후전단철근의항복이후에종료되었다. 급격한하 Fig. 11 Uniaxial behavior of concrete damage plasticity model (a) Metal material (b) FRP Fig. 12 Constitutive model (a) Crack distribution of concrete (a) Concrete (b) Steel (c) FRP Fig. 13 FEM modeling (b) Stress distribution of rebar (c) Stress distribution of stirrup Fig. 14 FEM results of ORC 52 한국콘크리트학회논문집제 26 권제 1 호 (2014)

중저하를보이는것으로보아전단파괴가발생한것으로사료된다. AL-75의콘크리트인장균열분포는 Fig. 15(a) 와같다.

이후보강재가부착된콘크리트내부로균열이진행되었고 ORC와마찬가지로기둥의위험단면에집중적으로균열이발생하였다. 철근에작용하는응력분포결과는 Fig.

해석은주철근항복이후전단철근의항복이후에종료되었다. ORC처럼급격한강도감소가일어나지 않았는데이는보강재의보강효과로사료된다.

변위가증가하기시작하자기초와기둥접합부에서는보강재가없는곳에서휨균열이주도적으로발생하였고변위가증가될수록휨균열과전단균열이같이진행되었다. 16(b), (c) 와같다.

concrete (b) Stress distribution of rebar (c) Stress distribution of stirrup (b) Stress

7 중저하를보이는것으로보아전단파괴가발생한것으로사료된다. AL-75의콘크리트인장균열분포는 Fig. 15(a) 와같다. 변위가증가하기시작하자기초와기둥접합부에서는보강재가없는곳에서휨균열이발생하였고변위가증가될수록휨균열과전단균열이같이진행되었다. 이후보강재가부착된콘크리트내부로균열이진행되었고 ORC와마찬가지로기둥의위험단면에집중적으로균열이발생하였다. 철근에작용하는응력분포결과는 Fig. 15(b), (c) 와같다. 기둥상단변위가증가할수록기둥부인장주철근에응력이다른철근에비하여크게작용하였으며, 특히기둥위험단면지역의철근에응력이집중되는것을알수있다. 해석은주철근항복이후전단철근의항복이후에종료되었다. ORC처럼급격한강도감소가일어나지 않았는데이는보강재의보강효과로사료된다. GL-75의철근콘크리트기둥의콘크리트인장균열분포는 Fig. 16(a) 와같다. 변위가증가하기시작하자기초와기둥접합부에서는보강재가없는곳에서휨균열이주도적으로발생하였고변위가증가될수록휨균열과전단균열이같이진행되었다. 이후보강재가부착된콘크리트내부로균열이진행되었고 ORC와마찬가지로기둥의위험단면에집중적으로균열이발생하였다. 철근에작용하는응력분포결과는 Fig. 16(b), (c) 와같다. 기둥상단변위가증가할수록기둥부인장주철근에응력이다른철근에비하여크게작용하였으며, 특히기둥의위험단면지역의철근에응력이집중되는것을알수있다. 해석은주철근항복이후전단철근의항복이후에종료되었다. ORC처럼급격한강도감소가일어나지않았는데이는 (a) Crack distribution of concrete (a) Crack distribution of concrete (b) Stress distribution of rebar (c) Stress distribution of stirrup (b) Stress distribution of rebar (c) Stress distribution of stirrup (d) Stress distribution of FRP composite Fig. 15 FEM results of AL-75 (d) Stress distribution of FRP composite Fig. 16 FEM results of GL-75 긴급시공이가능한 FRP 복합재료보강재로보강된기둥의내진성능평가 53

8 Table 8 Comparison between experiment and FEM of ultimate load Ultimate load by experiment (Pmax, ) Ultimate load by FEM (Pmax, ) ORC AL GL Table 9 of FEM (a) ORC Ultimate Ultimate Yield load displacement displacement ( ) (, ) (Pmax, ) ( ) ORC AL GL Table 10 Comparison between experiment and FEM of ductility Experiment (b) AL-75 (c) GL-75 Fig. 17 Comparison between experiment and FEM of load-displacement relation curve AL-75와 마찬가지로 보강재의 보강효과로 사료된다. 5.4 하중-변위 관계 Fig. 17은 시험체별 비선형 유한요소 해석 결과와 실험 의 결과를 나타낸 것이다. ORC의 경우 강도나 하중-변위 곡선의 전체적인 양상이 유사하게 나타난다. 하지만 보 강 시험체의 경우 보강재를 정확하게 모델링 할 경우 해 석이 진행되지 않아 보강재를 단순하게 모델링하여 해석 을 실시하였다. 해석 결과에서 실험 결과와 다소 차이가 54 빳 한국콘크리트학회 논문집 제26권 제1호 (2014) ( ) FEM ratio ( ) ratio ORC AL GL 있으나 전체적인 거동 특성이나 최대하중, 초기강성이 유사하게 나타남을 확인할 수 있다. 각 시험체별 실험과 해석에 의한 최대 강도를 Table 8에 정리하였다. 해석을 통한 각 시험체의 연성비를 구하여 실험 결과 와 비교하고자 하였다. Table 9에서는 해석을 통하여 획 득한 각 시험체의 최대하중, 항복변위 및 최대변위를 이 용하여 연성을 계산하고 있다. 해석에서는 보강 시험체 의 연성은 비보강 시험체에 비하여 AL-75는 약 1.29배, GL-75는 약 1.47배 증가하였다. Table 10은 실험 결과와 해석 결과를 바탕으로 각각 계 산한 연성비를 비교하고 있다. 해석 결과의 비보강 시험 체에 대한 보강 시험체의 연성 증가 비가 실험 결과와 유 사한 것을 확인할 수 있다. 6. 결 론 보강재에 대한 내진성능 향상에 관한 실험 및 해석적 연구의 결과는 다음과 같다. 1) 비보강 시험체의 최대강도에 비하여 AL-75는 약 1.24배, GL-75는 약 1.06배 증가하였다. 최대변위는 AL-75는 약 1.68배, GL-75는 약 1.37배 증가하였다. 연성비의 경우 AL-75는 약 1.29배, GL-75는 약 1.51 배 증가하였다. 강도증가에 비하여 연성의 증가가

9 더큰것을통해휨보강보다전단보강에효과적일것으로사료된다. 2) 누적에너지소산능력은비보강시험체에비하여 AL-75는약 4.39배, GL-75는약 2.31배증가하였다. 제작한보강재로보강함으로써누적에너지소산능력이향상됨을통해내진보강재로써충분한성능을발휘함을알수있다. 3) 알루미늄다공판의사용으로보강재의횡방향인장력과전단력이증가되어콘크리트구속이증가되고기둥의파괴가지연되었다. 4) 비선형유한요소해석결과비보강시험체의경우실험과유사한하중-변위곡선이나타난다. 하지만보강시험체의경우보강재의모델링의차이로인하여다소차이를보이지만, 초기강성이나최대강도, 전체적거동양상은유사하게나타남을알수있다. 감사의글 이논문은 2013년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구이다 (No. NRF- 2012R1A2A1A ). References 1. Kim, K. D., Sim, J. I., Yang, K. H., and Chung, H. S., Flexural Behavior of Reinforced Concrete Columns with Wire Ropes as Lateral Spiral Reinforcement, Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 24, No. 12, 2008, pp Sim J. S. and Kim G. S., Application of FRP in Construction, Magazine of the Korea Concrete Institute, Vol. 12, No. 6, 2000, pp Chang, C. H., Kwon, M. H., Kim, J. S. and Joo, C. H. Numerical Study for Seismic Strengthening of RC columns Using Fiber Reinforced Plastic Composite, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, Vol.16, No.3, 2012, pp (doi: dx.doi.org/ /jksmi ) 4. Mander, J., Priestley, M. and Park, R., Theoretical Stress Strain Model for Confined Concrete, Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 114, No. 8, 1988, pp (doi: 114:8(1804)) 5. Katsumata, H., Kobatake, Y., and Takeda, T., A Study on Strengthening with Carbon Fiber for Earthquake-Resistant Capacity of existing Reinforced Concrete Columns, NWCEE, Vol. 7, 1988, pp Priestley, M., Verma, R., and Xiao, Y., Seismic Shear Strength of Reinforced Concrete Columns, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 120, No. 8, 1994a, pp (doi: 7. Frangou, M., Pilakoutas, K., and Dritsos, S., Structural Repair/Strengthening of RC Columns, Construction and Building Materials, Vol. 9, No. 5, 1995, pp (doi: 8. Ye, L. P., Zhang, K., Zhao, S. H., and Feng, P., Experimental Study on Seismic Strengthening of RC Columns with Wrapped CFRP Sheets, Construction and Building Materials, Vol. 17, No. 6/7, 2003, pp (doi: 9. Dhakal, R. P. and Meakawa, K., Reinforcement Stability and Fracture of Cover Concrete in Reinforced Concrete Members, Journal of Structure Engineering, ASCE, Vol. 128, No. 10, 2002, pp (doi: /(ASCE) (2002)128:10(1253)) 10. ACI Committee 437, Load Tests of Concrete Structures: Methods, Magnitude, Protocols, and Acceptance Criteria (ACI 437.1R-07), American Concrete Institute, USA, ABAQUS, Dassault Systems Simulia Corp., Abaqus Analysis User s Manual. Version 6.10, Kwon, M. H., Shing. P. B., Mallare. C., and Restrepo, J., Seismic Resistance of RC Bent Caps in Elevated Mass Transit Structures, Earthquake Spectra, Vol. 27, No.1, 2011, pp (doi: Kim, J. S., Kwon, M. H., Jung, W. Y., and Kim, K. H., The Analytical Study on Seismic Performance Evaluation for Reinforcd Columns of Underground Tunnel, Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 12, No. 4, 2012, pp (doi: ) 14. Lubliner, J., Oliver, J., Oller, S., and Onate, E., A Plastic-Damage Model for Concrete, International Journal of Solid and Structures, Vol. 25, No. 3, 1989, pp (doi: / (89) ) 15. Lee, J. and Fenvas, G. L., Plastic-Damage Model For Cyclic Loading of Concrete Structure, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, Vol. 124, No. 8, 1998, pp (doi: 124:8(892)) 요약최근빈번하게발생하는대규모의지진으로구조물의내진보강에관심이높아지고있다. 내진설계가반영되지않은기둥의취성파괴는구조물전체붕괴를유발하기때문에내진보강이필수적이다. 기존에는단면증설법, 강판보강법, 섬유보강법이내진보강법으로주로이용되었다. 하지만이보강법들은구조물의물리적손상과넓은작업공간, 오랜시간이소요되는단점이있다. 이에이연구에서는기존에개발된 FRP 보강재의보강성능을평가하였다. 대상시험체는학교건물을실험실여건에맞춰 80% 축소하여제작하였다. 보강재의재료를유리섬유와알루미늄다공판을사용하여보강재를제작하였다. 평가결과두종류의보강재를사용한모두에서시험체의내진성능이증가하였다. 핵심용어 : 내진보강, FRP, 내진보강재, 긴급시공, 비선형유한요소해석 긴급시공이가능한 FRP 복합재료보강재로보강된기둥의내진성능평가 55

14.531~539(08-037).fm

14.531~539(08-037).fm G Journal of the Korea Concrete Institute Vol. 20, No. 4, pp. 531~539, August, 2008 š x y w m š gj p { sƒ z 1) * 1) w w Evaluation of Flexural Strength for Normal and High Strength Concrete with Hooked