1. 서    론

2011년 3월 일본 동북부 지역에 규모 9.0의 강력한 지진이 발생했다. 일본의 대지진 이후 4월 18일까지 규모 5.0이상의 여진이 437회 발생한 것으로 조사된 연구보고도 있다. 국내에서는 2005년 경남 거제 동남쪽 약 54km 해역에서 규모 4.0의 지진이 발생하였으며, 2007년 강원 평창군 도암면과 경계지역에서 규모 4.8의 지진이 발생하였다. 이 밖에도 규모 4.0이상의 지진 발생이 짧은 기간 내에 계속되어 증가하는 추세를 보이고 있다. 이러한 지진의 발생빈도와 규모의 증가에 따라 시설물 전반의 내진보강에 관하여 사회적 관심도가 증대하고 있다.

최근에 건설되는 구조물에는 내진설계법이 적용되고 있다. 하지만 내진설계법을 도입하기 이전의 과거 구조물은 내진설계가 적용되지 않아 내진에 대한 저항능력을 평가하여야 한다. 이에 비내진 구조물의 내진성능에 관한 많은 연구가 진행되고 있고 그에 따라 새로운 보강법과 보강재료에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.1,2)

내진성능보강공법 중의 하나인 섬유보강공법은 재료가 경량이며 시공이 용이하고 내부식성 등으로 인하여 강판부착공법에 비해 선호되고 있는 공법이다. 특히 탄소섬유와 유리섬유를 사용한 FRP(fiber reinforced polymer)를 적용한 콘크리트 구조물의 보수·보강공법은 1990년대부터 많은 연구가 진행되어 왔다.3,4) 현재 복합재료를 이용한 실용화 기술은 이러한 연구 성과들에 비해 많이 부족한 실정이다. 보강재 사용에 따른 보강효과의 예측에 관한 연구 또한 폭넓게 이뤄지지 않고 있다.

비내진 기둥에 대한 복합재료를 활용한 보강법이 연구 개발되어 현장에 적용 되고 있다. 그러나 기존에 사용되고 있는 보강 공법들은 많은 시공 시간을 필요로 하고, 시공 시 충분한 공간을 필요로 한다.5-9) 하지만 지진 피해시 보수·보강은 빠른 시간 내 협소한 공간에서 작업을 실행해야하므로 기존 보강 공법들의 활용이 어려운 실정이다. 이에 신속한 보수·보강이 가능하고 기둥에 손상이 적은 응급 보강법의 필요성이 부각된다.

이 연구에서는 긴급시공이 가능한 내진 보강재를 개발하고 내진성능 증가 효과를 실험을 통하여 평가하였다. 긴급 시공이 가능한 내진보강재를 이용한 기둥보강은, 기존 보강법의 시공시간, 공간확보, 자중증가, 양생기간, 시공성 등이 개선되어 긴급보강이 가능하고 협소한 장소에서 시공이 용이하며 벽체를 허물지 않고 작업을 할 수 있다. 시험체는 비내진 설계된 학교 건물의 기둥을 참고하여 제작하였고, 시험체를 보강재로 보강하여 반복 횡하중 시험을 실시하였다. 보강재는 알루미늄 다공판과 유리섬유를 혼합 적층한 보강재와 유리섬유만을 적층한 보강재의 두 종류를 선택하였다. 시험체의 휨강도와 부재 연성을 통하여 내진성능을 평가하였다.

2. 실험 개요

2.1 보강재 설계

강진에 뒤이어 발생하는 여진으로 수많은 가옥이 붕괴되고, 사회 기반 시설인 도로와 교량 등에 손상이 발생하여 막대한 피해가 발생된다. 여진에 대비하여 강진으로 손상된 구조물의 신속한 보강이 필요하다. 따라서 빠른시간 내 보수, 보강이 가능하고, 기존 기둥에 대한 손상이 적으며, 제작 및 시공경비면에서 기존의 보강방법과 구별되는 신속한 시공이 가능한 보강공법이 필요하다. 이에 이 연구에서는 앵커를 삽입하거나 용접작업을 필요치 않아 긴급한 보수가 가능한 보강재를 개발하였다.

제작한 보강판은 Fig. 1(a)와 같이 ㄷ자 형태로 이루어져있고 두 개의 보강판을 체결하기 위하여 ㄷ자 끝부분에 체결부를 제작하였다. 체결부는 Fig. 1(b)와 같이 내부면에 쐐기돌기가 형성된 오목부와 Fig. 1(c)와 같이 오목부의 쐐기돌기에 대응하는 볼록부로 구성된다.

보강재의 보강판은 유리섬유만을 적층한 것과 알루미늄 다공판과 유리섬유를 혼합 적층한 것으로 두개를 제작하였다. 제작된 알루미늄 복합재료와 유리섬유 복합재료는 인장시험을 실시하였였다. Fig. 2는 인장시험 결과 측정된 응력-변형률 관계곡선이다. 인장실험 결과 측정된 최대강도와 탄성계수를 Table 1에 정리하였다.3)

2.2 시험체 계획

긴급시공 내진 보강재의 내진성능을 평가하기 위하여 비내진 상세를 가지는 국내 기존 철근콘크리트 학교 건물의 골조를 보강 대상으로 선정하였다. 기존 구조물에서 기둥의 순 높이는 3 미터이다. 이 연구에서는 단곡률 실험을 계획하였고, 시험체의 높이는 기존 기둥부재 높이의 절반을 고려하여 결정하였다. 시험체의 단면은 기존 기둥의 80% 크기로 제작하였다. 대상건물의 실제 기둥단면과 시험체 기둥단면을 비교하여 Table 2에 나타내었다. 내진보강성능을 반복가력 구조시험을 통하여 평가하였다.

시험체 단면은 Fig. 3과 같이 300×380mm2의 장방형 기둥으로 전체 높이 2040mm, 하부 기초 높이 640mm, 기둥높이 1000mm로 하였다. 시험체의 형상비(기둥높이/단면적)는 0.0105m/mm2 이다. 콘크리트는 24MPa, 주철근은 4-D16와 4-D22, 횡보강근은 D10으로 계획하였다. 철근은 이음이 없는 연속철근으로 제작되었다. 시험체 제작에 사용된 콘크리트 및 철근의 재료 물성치는 Table 3과 같다. 두 종류의 내진보강재의 성능을 비교하기 위하여 Table 4와 같이 시험체를 설계하였다. 두 종류의 보강재에 공통적으로 사용된 복합재료는 한 층의 두께가 0.25mm인 유리섬유를 12층으로 적층하여 제작되었으며, 단위중량은 2g/cm3 이다. Al-75는 GL-75에 알루미늄판으로 보강하여 전단력을 강화하고자 하였다.

시험체의 보강은 Fig. 4에 나타난 바와 같이 기초에서 75mm의 위치에 75mm의 보강판을 125mm간격으로 4개 부착하여 보강 시험체를 설계하였다.

2.3 실험방법

중심 축하중이 시험체에 정확하게 전달되고 기둥상부의 지압파괴를 방지하기 위해 상단에 하중 가력장치를 설계하였다. 압축력을 받고 있는 상황에서 횡방향 가력을 위해 가력판과 기둥상단부를 볼트와 너트로 고정시켰다. 시험체 가력장치 상세는 Fig. 5와 같다. 실험 시작 전 기둥과 액츄에이터 가력부를 볼트 및 너트를 이용하여 고정한 후 실험 시작 시 두 개의 인장잭을 이용하여 시험체에 ××만큼의 축력이 일정하게 가력되도록 하중제어하였다.

 Fig. 6은 시험체의 횡하중 반복사이클로 항복변위를 증분하여 각 2회씩 반복하였다. 여기서 항복변위 는 보강되지 않은 기둥에 단조하중을 가하였을 때 얻은 최대하중의 80%에 해당하는 변위이다. 항복변위 는 0.5배씩 증가시켜 일정한 속도로 시험체에 가력하였다. 횡 가력은 정·부 방향으로 0.364mm/sec의 일정한 속도로 변위제어 하였다.

3. 실험 결과

3.1 파괴형태

Fig. 7은 각 시험체별 최종 파괴형상을 나타내고 있다. 비보강 시험체인 ORC의 파괴형상은 시험체의 하단부부터 수평 휨균열이 발생하여 상부로 증가하였다. 4번째 사이클()에서 측면에 전단균열이 발생하기 시작하였으며, 9번째 사이클()에서 전단균열이 증가하고, 균열의 폭이 증가함으로 인해 모서리 부분에는 전단균열을 중심으로 콘크리트 피복의 박리가 진행되었다. 9번째 사이클()에서 강도감소가 발생하기 시작하였고 압축부에서 급격한 강도감소가 발생하였다.

보강 시험체들은 균열의 발생이 ORC에 비하여 줄어들고, 최대 변위가 증가하였다. 시험체의 최종 파괴는, AL-75의 경우 알루미늄 체결부와 복합재료의 결합부분 파괴가, GL-75의 경우 복합재료 보강판의 모서리부분의 파괴가 발생하였다. GL-75의 복합재료 모서리부 파괴를 미루어 볼 때, AL-75의 알루미늄 체결부 톱니부분의 강도는, 알루미늄판과 FRP로 제작된 복합재료 판의 강도보다 약한 것으로 판단된다.

3.2 하중이력곡선

Fig. 8은 각 시험체별 하중-변위곡선을 나타낸 것이다. 비보강 시험체에 비해 보강 시험체의 연성이 확연히 증가한 것을 볼 수 있다. 또한 최대강도도 증가하였으나 변위증가에 비해 다소 작은 경향을 보인다. AL-75는 GL-75에 비하여 변위가 더 크게 발생하고 있는데 이는 인장강도가 큰 알루미늄을 사용한 AL-75 보강재의 파괴가 지연되었기 때문으로 생각된다.

4. 결과 분석

4.1 최대강도 및 최대변위

Table 5는 시험체별 최대강도와 최대변위, 항복변위를 나타낸 것이다. 보강 시험체는 비보강 시험체에 비하여 최대강도가 AL-75는 약 1.24배, GL-75는 약 1.06배 증가하였다. 최대변위는 AL-75의 경우 약 1.68배, GL-75의 경우 약 1.37배 증가하였다. 복합재료 보강재에 의하여, 시험체의 전단력이 증가하여 시험체가 가진 휨강도를 최대한 발휘하여 최대강도가 증가한 것으로 판단된다. 또한, 최대 변위도 증가하여 연성능력도 증가하였다. 최종적으로, 시험체의 파괴 형태가 전단파괴에서 휨파괴로 변화 되었다.

4.2 에너지 소산능력

반복하중에 의한 에너지 소산은 구조물의 지진 에너지를 흡수하여 손상을 감소시키기 때문에 구조물의 에너지 소산능력을 평가하는 것이 매우 중요하다. Fig. 9는 비보강 시험체와 보강 시험체의 각 변위연성비에 대한 에너지 흡수능력을 나타내고 있다. AL-75와 GL-75는 ORC가 파괴된 변위연성비 이후, 계속해서 에너지 소산능력이 증가한다. AL-75의 시험체는 GL-75에 비해 각 변위연성비 별 에너지 소산능력이 증가한다. 또한, GL-75의 파괴 이후에도 계속 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 보강재의 구성 재료와 두께에 따른 효과로 사료된다.

Fig. 10은 변위연성비와 누적에너지소산능력의 관계를 나타낸 그래프이다. 비보강 시험체와 보강시험체는 비보강 시험체가 파괴될 때까지 누적에너지소산능력이 유사하게 증가한다. Table 6은 최종 누적에너지소산능력과 보강후 증가된 누적에너지소산능력의 비를 나타내고 있다. 보강 시험체는 비보강 시험체에 비하여 누적에너지 소산능력이, AL-75는 약 4.39배, GL-75는 약 2.31배 증가하는 것으로 나타났다.

4.3 부재 연성

최대변위는 시험체의 강도가 최대강도 이후 80%로 저하되었을 때로 정의하였고, 시험체의 연성능력은 다음과 같이 정의하였다.

여기서, : 최대변위, : 항복변위이다. Table 7은 각 시험체의 최대하중, 항복변위 및 최대변위를 이용하여 연성을 계산하고 있다.

보강 시험체의 연성은 비보강 시험체에 비하여 AL-75는 약 1.29배, GL-75는 약 1.51배 증가하였다. AL-75 시험체의 연성이 GL-75 시험체보다 작게 계산된 이유는 AL-75의 항복변위가 크게 측정되었기 때문이다. 최대변위와 최대강도가 큼에도 항복변위가 크게 측정되어 연성비가 낮게 계산되었다.

5. 비선형 유한요소 해석

일방향 가력해석은(pushover analysis)은 다양한 구조요소가 단계적 하중의 증가에 따라서 연속적으로 항복하는 구조물의 비선형 응답연구에 효과적으로 사용할 수 있는 방법으로 잘 알려져 있다.10) 가장 많이 사용되는 형태는 일정한 분포를 가지고 증가하는 정적하중을 사용한 일방향 정적가력해석이다. 이러한 정적가력해석은 변위 증가에 따른 구조물의 거동을 효과적으로 반영한다. 해석을 위하여 상용프로그램인 ABAQUS를 사용하였다.3,11-13)

5.1 재료 비선형 구성모델

콘크리트의 솔리드 요소에 적용시킨 구성 모델은 압축과 압축상태의 콘크리트의 파괴거동을 알 수 있는 콘크리트 손상소성모델(concrete damaged plastic model)을 사용하였다. 이 모델은 손상-소성 구성모델로 Lubliner et al14)에 의해서 처음으로 제안되었고 Lee와 Fenvas15)에 의해서 개선된 모델이다. 이 모델은 콘크리트의 손상 거동을 예측하는데 적합한 모델로 구속압력상태의 인장강화, 압축연화, 강성손상과 소성팽창의 특성을 포함하고 있다. Fig. 11은 일축 응력-변형률 관계를 나타낸다. 철근의 트러스 요소에 적용된 구성모델 Fig. 12(a)와 같이 철근의 비선형을 고려하여 완전 소성 모델(Perfectly Plastic Model)을 사용하였다. 고성능 유리섬유복합재료 보강판은 Fig. 12(b)와 같이 탄성거동 항복 후의 취성거동을 포함하여 선형모델과 취성모델을 사용하였다.

5.2 해석모델링

ABAQUS를 이용한 유한요소해석에서, 콘크리트는 8개 절점을 갖는 고체요소로 3차원 유한요소 모델링을 하였다. 철근과 콘크리트는 완전부착으로 가정하였고, 복합재료는 쉘요소로 모델링 하였다. 복합재료는 콘크리트와 완전부착으로 가정하였다. Fig. 13은 시험체의 해석 모델링을 나타낸다. 재료물성치는 실험을 통해 얻은 값을 사용하였다. 시험체의 경계조건은 철근콘크리트 프레임의 하부 단부를 고정시켰고, 모델링된 시험체를 실험조건과 동일하게 하부 스터브를 구속하고, 상부 스터브에 축력(0.1×fck×Ag) 및 횡변위하중을 도입하여 해석을 수행하였다.

5.3 비선형 유한요소 해석 결과

ORC시험체의 콘크리트 인장균열분포는 Fig. 14(a)와 같다. 변위가 증가하기 시작하자 기초와 기둥 접합부에서는 휨균열이 주도적으로 발생하였고 변위가 증가될수록 휨균열과 전단균열이 같이 진행되어 점차 기둥 중앙부로 전이되는 것을 확인할 수 있다. 기둥의 위험단면에 집중적으로 균열이 발생하였다. 철근에 작용하는 응력분포 결과는 Fig. 14(b), (c)와 같다. 기둥 상단 변위가 증가할수록 기둥부 인장 주철근에 응력이 다른 철근에 비하여 크게 작용하였으며, 특히 기둥의 위험단면지역의 철근에 응력이 집중되는 것을 알 수 있다. 해석은 주철근 항복이후 전단철근의 항복이후에 종료되었다. 급격한 하중 저하를 보이는 것으로 보아 전단파괴가 발생한 것으로 사료된다.

AL-75의 콘크리트 인장균열분포는 Fig. 15(a)와 같다. 변위가 증가하기 시작하자 기초와 기둥 접합부에서는 보강재가 없는 곳에서 휨균열이 발생하였고 변위가 증가될수록 휨균열과 전단균열이 같이 진행되었다. 이후 보강재가 부착된 콘크리트 내부로 균열이 진행되었고 ORC와 마찬가지로 기둥의 위험단면에 집중적으로 균열이 발생하였다. 철근에 작용하는 응력분포 결과는 Fig. 15(b), (c)와 같다. 기둥 상단 변위가 증가할수록 기둥부 인장 주철근에 응력이 다른 철근에 비하여 크게 작용하였으며, 특히 기둥 위험단면지역의 철근에 응력이 집중되는 것을 알 수 있다. 해석은 주철근 항복이후 전단철근의 항복이후에 종료되었다. ORC처럼 급격한 강도감소가 일어나지 않았는데 이는 보강재의 보강효과로 사료된다.

GL-75의 철근콘크리트 기둥의 콘크리트 인장균열분포는 Fig. 16(a)와 같다. 변위가 증가하기 시작하자 기초와 기둥 접합부에서는 보강재가 없는 곳에서 휨균열이 주도적으로 발생하였고 변위가 증가될수록 휨균열과 전단균열이 같이 진행되었다. 이후 보강재가 부착된 콘크리트 내부로 균열이 진행되었고 ORC와 마찬가지로 기둥의 위험단면에 집중적으로 균열이 발생하였다. 철근에 작용하는 응력분포 결과는 Fig. 16(b), (c)와 같다. 기둥 상단 변위가 증가할수록 기둥부 인장 주철근에 응력이 다른 철근에 비하여 크게 작용하였으며, 특히 기둥의 위험단면지역의 철근에 응력이 집중되는 것을 알 수 있다. 해석은 주철근 항복이후 전단철근의 항복이후에 종료되었다. ORC처럼 급격한 강도감소가 일어나지 않았는데 이는 AL-75와 마찬가지로 보강재의 보강효과로 사료된다.

5.4 하중-변위 관계

Fig. 17은 시험체별 비선형 유한요소 해석 결과와 실험의 결과를 나타낸 것이다. ORC의 경우 강도나 하중-변위 곡선의 전체적인 양상이 유사하게 나타난다. 하지만 보강 시험체의 경우 보강재를 정확하게 모델링 할 경우 해석이 진행되지 않아 보강재를 단순하게 모델링하여 해석을 실시하였다. 해석 결과에서 실험 결과와 다소 차이가 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 결과와 비교하고자 하였다. Table 9에서는 해석을 통하여 획득한 각 시험체의 최대하중, 항복변위 및 최대변위를 이용하여 연성을 계산하고 있다. 해석에서는 보강 시험체의 연성은 비보강 시험체에 비하여 AL-75는 약 1.29배, GL-75는 약 1.47배 증가하였다.

Table 10은 실험 결과와 해석 결과를 바탕으로 각각 계산한 연성비를 비교하고 있다. 해석 결과의 비보강 시험체에 대한 보강 시험체의 연성 증가 비가 실험 결과와 유사한 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 1.51배 증가하였다. 강도증가에 비하여 연성의 증가가 더 큰 것을 통해 휨 보강보다 전단보강에 효과적일 것으로 사료된다.

2)누적에너지소산능력은 비보강 시험체에 비하여 AL-75는 약 4.39배, GL-75는 약 2.31배 증가하였다. 제작한 보강재로 보강함으로써 누적에너지소산능력이 향상됨을 통해 내진보강재로써 충분한 성능을 발휘함을 알 수 있다.

3)알루미늄 다공판의 사용으로 보강재의 횡방향 인장력과 전단력이 증가되어 콘크리트 구속이 증가되고 기둥의 파괴가 지연되었다.

4)비선형 유한요소 해석 결과 비보강 시험체의 경우 실험과 유사한 하중-변위 곡선이 나타난다. 하지만 보강 시험체의 경우 보강재의 모델링의 차이로 인하여 다소 차이를 보이지만, 초기강성이나 최대강도, 전체적 거동양상은 유사하게 나타남을 알 수 있다.