3.1 실험체 재료실험

구조실험에 사용된 실험체의 콘크리트 압축강도는 21 MPa로 설계하였으며, 3개의 공시체 평균값으로 표준공시체 보정값은 측정된 압축강도의 97 %로 28일 평균압축강도는 21 MPa를 확인하였다.

한편, 사용한 철근은 1종 SD300이며, 기둥부재의 주근은 D19, D16 전단 보강근은 D10을 사용하였다. 이음성능 평가 실험체에 사용된 철근의 재료적 특성을 파악하기 위하여 KS B 0801(금속재료 인장시험편)의 ‘라’ 호의 규정에 따라 철근 인장시험편을 각각 3개씩 제작하여 만능시험기(U.T.M.)을 이용하여 가력속도 5 mm/min로 인장시험을 진행하였다. 시험결과 철근의 항복강도와 인장 강도는 D19, D16의 경우 평균 491 MPa, 731 MPa로, D10의 경우 평균 477 MPa, 711 MPa로 나타났다.

3.2 실험체 제작 및 변수

HSWF 내진보강공법의 내진성능 효과를 검증 할 목적으로 Fig. 3에 나타낸 비내진상세를 가지는 국내 기존 3층 R/C 학교건물의 골조(1980년대 다형 표준도면)를 선정하였으며, 건물의 층고는 3.3 m, 설계용 콘크리트 강도는 21 MPa이다(MOE and KIEE 2011)^[10]. 실험대상은 비내진상세를 가지는 국내 기존 R/C 학교건물의 외부 내측 1스팬 2층 실물크기 골조로써, 각 층의 보는 KBC-2016에 의한 슬래브 유효폭을 고려한 T-형보로 계획하였다. 실험체는 Fig. 4에 나타낸 HSWF 내진보강골조와의 비교를 위하여 비보강 골조 실험체 1개, Fig. 5에 나타낸 HSWF 내진보강공법으로 보강한 골조실험체 1개 총 2개의 골조 실험체를 제작하여 유사동적실험을 수행하였다.

Fig. 3. Planar view of ground floor (1F) and cross sections of columns of the investigated school building

Fig. 4. Detail of control specimen (PD-RC specimen)

Fig. 5. Configuration of R/C frame strengthened with external steel frame method (HSWF specimen)

유사동적실험 시 이용한 입력지진동은 Fig. 6에 나타낸 Lee (2010)^[5]의 연구결과, 즉 중 · 저층 R/C 건축물 (내력이 전단력계수의 형식으로 0.5 미만)을 대상으로 설정한 10개의 기존 역사지진파의 지진응답변위특성 (연성율) 가운데 가장 큰 지진응답변위를 보여준 Hachinohe(EW)를 선정하였으며, 가속도의 크기는 현행 KBC-2016에서 규정한 2400년 재현주기 지진의 2/3수준의 지반종류 S_D 및 S_E에 상응하는 지진수준인 200 gal 및 300 gal을 각각 설정하였다.

Fig. 6. Seismic response characteristics of low- and mediumrise R/C buildings subject to various earthquake ground motions (Lee 2010)^[5]

축력은 실제 기존 골조 (기둥 2개)에 가해지는 축하중, 즉 100 ton을 배분하여 각각의 기둥에 50 ton의 일정한 축력을 가력 하였다. Table 2에는 실험체의 변수 및 일람을 나타낸다.

3.3 HSWF 내진보강공법의 접합부 설계

본 연구에서는 HSWF 내진보강공법의 접합부 앵커의 종류, 매입깊이, 간격 등을 JBDPA(2017)^[3]에서 제안한 앵커 설계식을 이용하여 결정하였다. Table 3에는 그 결과를 나타낸다.

상기 표에 의하면 접합부 앵커는 직경(D)이 16 mm, 간격은 200 mm(2단배열)로 중앙부는 300 mm(교차배열)이다. 기둥 1개의 총 앵커 수는 주두 및 주각 단부(0.2 LC : LC는 기둥길이) 각 6개, 일반부(0.6 Lc) 12개, 총 24개이며, 보의 앵커수는 28개로 산정되었으며, 기존 골조 포함 HSWF 내진공법의 보강프레임 수평저항능력 대비 16배, 일반부에서 1.2배 높아 본 연구에서 개발한 HSWF 공법의 보강프레임은 기존골조와 일체적으로 지진하중에 거동하리라고 사료된다.

4.1 유사동적실험의 개요

구조물의 비탄성 지진응답을 예측하기 위해 일반적으로 사용되는 실험방법으로는 진동대실험(Shaking table test), 준정적실험(Quasi-static test), 그리고 유사동적실험(Pseudodynamic test) 등으로 분류할 수 있다(Umemura 1973)^[14]. 진동대실험은 구조물의 지진에 대한 거동을 알아보기 위해서 가장 효과적인 실험방법이 되겠으나, 진동대의 크기, 용량에 따라서 실험체의 무게와 크기에 대해 크게 제약을 받으므로 대부분 축소모델이 사용되고 있으며, 이에 따라 실제 구조물과의 상사성 문제가 발생하게 된다. 따라서 이러한 제약조건으로 인해 실물크기 구조물의 비탄성 거동을 평가하기 위해서 구조물의 변위 또는 하중으로 제어하는 준정적실험이 많이 사용되고 있다.

한편, 유사동적실험은 진동대 실험과 준정적 실험의 장점만을 모아 개발되었다(Takanashi et al. 1980)^[13]. 유사동적실험은 실험과 수치적 해석이 서로 결합되어 실험이 진행되는 복합 실험기법이다. 후술하는 Fig. 7에 나타낸 것처럼, 유사동적실험은 컴퓨터에 의한 수치계산 부분과 실험체의 가력실험 부분으로부터 구성되며, 수치계산 부분은 가력 실험 부분에서 계측 된 특정 변형에 대한 실험체의 응답량, 입력 지진가속도 및 현 스텝의 응답량에 근거하여 수치적분을 이용하여 운동 방정식을 계산하며, 다음 스텝의 응답변형을 산정한다. 한편, 가력실험은 그 응답변형을 액츄에이터 등의 가력 장치에 의하여 실험체에 강제하며 그 때의 변위이력을 측정한다. 이상의 조작을 반복하는 것으로 실험체에 유사적인 지진시의 응답변형을 강제하면서, 컴퓨터에 의하여 지진응답을 계산하여 대상 구조물의 지진응답을 산정한다.

Fig. 7. Pseudo-dynamic test system proposed in this study

유사동적실험에서 구조물에 제어될 변위가 실험 중에 수치해석적으로 결정된다는 점을 제외하면 기존의 준정적실험과 거의 유사하며, 보통 수치적인 동적 해석에 의한 지진응답 예측 시에는 이력특성에 대한 가정이 필요하나, 유사동적실험에서는 이에 관한 정보를 실험체로부터 직접 측정하여 얻음으로서 실제 지진응답과 매우 유사한 효과를 얻을 수 있다.

4.2 유사동적실험 시스템 및 방법

Fig. 7에는 본 연구에서 구축한 유사동적실험 시스템의 개요를 각각 나타낸다. Fig. 7에 나타낸 유사동적실험에서는 제어용 컴퓨터에 의한 입력지진동에 따른 수치계산 부분과 실험체의 가력실험 부분으로 구성된다. 제어용 컴퓨터에 의한 수치계산 부분은 MTS사 제공 Pseudo-dynamic Testing Program(MTS, 1999)^[11]을 이용하였으며, 가력실험 부분에서 LVDT에 의하여 계측 된 변형에 대한 실험체의 복원력, 입력 지진가속도 및 현 스텝의 응답량에 근거하여 수치적분을 이용하여 운동방정식을 계산한다. 운동방정식의 수치적분에는 α-method(MTS, 1999)^[11]를 이용하였으며, 후술하는 반복가력 실험결과에 근거하여 설정된 초기강성, 감쇠계수 및 질량 등에 근거하여 다음 스텝의 응답변형을 산정한다.

한편, 수평용 지진응답변형은 2층 2000 kN, 1층 1000 kN 유압식 MTS 액추에이터에 의하여 실험체에 강제하며, 축력은 실제 기존 골조(기둥 2개)에 가해지는 축하중, 즉 1000 kN을 배분하여 각각의 기둥에 500 kN을 실험체 양쪽에 설치된 1000 kN 유압식 Actuator을 이용하여 일정하게 가력 하였다.

지진동의 크기는 제3.2절에서 서술한 것처럼, 기존 역사 지진파의 지진응답변위특성 (연성율) 가운데 가장 큰 지진응답변위를 보여준 Hachinohe(EW)를 선정하였으며, 가속도의 크기는 현행 KBC-2016에서 규정한 2400년 재현주기 지진의 2/3수준의 지반종류 S_D 및 S_E에 상응하는 지진수준인 200 gal 및 300 gal을 각각 설정하여 본 연구에서 구축한 유사동적실험 시스템을 이용하여 실험을 실시하였다.

5.1 균열 및 파괴양상

5.1.1 PD-RC(무보강 유사동적 실험체)

무보강 실험체인 PD-RC 실험체는 200 gal의 입력지진동에서 약 2.34초(변위: 18 mm)에서 기둥 상하단부에 미세한 초기 휨균열이 발생하였고, 그 후 2.95초(변위: 45 mm)부터는 휨균열이 확장 및 기둥 하단부에 전단균열이 발생하였으며, 3.17초 이후에는 기둥 하단부에 발생한 전단균열의 폭이 매우 증대하였다. 3.3초에서는 콘크리트가 심하게 박리되기 시작하였으며, 이후 최대지진응답을 나타낸 3.4초 부근에서 대상골조는 1층 골조 하단부에서 Fig. 8 및 Fig. 9에 나타낸 것처럼 전단파괴가 발생하였다.

Fig. 8. Test result of PD-RC specimen (200 gal, final)

Fig. 9. Shear failure of PD-RC specimen (200 gal, final)

이는 대상건물이 비내진상세를 가지는 학교건물은 200 gal의 지진에서는 대규모이상의 지진피해가 발생할 가능성이 있다는 기존연구(Lee and Jung 2018)^[6]와 일치하는 결과를 나타내는 비내진상세를 가지는 1980년대 학교건물의 내진보강의 필요성을 보여주는 중요한 근거 자료라고 판단된다.

5.1.2 PD-HSWF(보강 유사동적 실험체)

본 연구에서 개발한 HSWF 외부접합공법으로 내진보강한 실험체인 PD-HSWF는 200 gal의 입력지진동에서 약 3.2초 (변위: 22.37 mm)에서 기둥 상하단부에 미세한 초기 휨균열이 발생하였으며, Fig. 10에 나타낸 것처럼 6.07초(변위: 30.99 mm) 이후 전단균열이 발생하기 시작하였으며, 휨균열의 수가 증가하였으나 균열정도는 미세하였다.

Fig. 10. Shear crack of PD-HSWF specimen (200 gal, 6.07 second)

한편, 300 gal의 입력지진동에 대해서는 2.83초(변위: 54.55 mm) 이후 기둥의 상하단부 전단균열의 수와 폭이 200 gal과 비교하여 증가하였다. Fig. 11 및 Fig. 12에 나타낸 것처럼 최종적으로 기둥의 하단부에서 경미한 전단균열이 크게 발생하였으나, Fig. 8 및 Fig. 9에 나타낸 무보강 PD-RC 실험체와는 대조적으로 소규모정도의 이하의 균열이 발생하였다. 상기에 결과에 따라 HSWF 외부접합공법은 200 gal, 300 gal의 지진에 대해서 내진보강법의 유효성이 검증되었다고 사료된다.

Fig. 11. Test result of PD-HSWF specimen (300 gal, final)

Fig. 12. Shear crack of PD-HSWF specimen (300 gal, final stage)

5.2 최대 지진응답 하중 및 변위

Table 4에는 입력지진동 200 gal 대한 PD-RC 비교용 무보강 유사동적 실험체, 입력지진동 200 gal 및 300 gal 대한 PD-HSWF 내진보강 유사동적 실험체에 대한 최대응답 하중 및 변위에 대한 실험결과를 파괴모드 및 지진피해규모와 각각 비교하여 나타내었다.

PD-RC 실험체, 즉 무보강 비교실험체의 유사동적실험 결과에 의하면 입력지진동 200 gal에서는 249.0 kN(변위 66.44 mm)의 지진응답 최대값을 나타내었으며, 최종적으로 최대 지진응답을 나타낸 3.4초 부근에서 대상골조는 붕괴가 되었다. 지진피해 규모는 JBDPA(2017)^[3] 및 Maeda et al.(2004)^[9]에 의하면 붕괴수준의 지진피해가 발생하였다고 판단된다.

한편, PD-HSWF 내진보강 실험체의 200 gal인 경우는 409.21 kN (변위: 30.76 mm)의 최대 지진응답 전단력을 나타내었으며, 결과적으로 HSWF 외부접합 내진보강공법으로 내진보강 한 실험체는 200 gal에서 경미한 지진피해를 나타내었으며, 또한 601.78 kN (변위: 63.62 mm)의 최대 지진응답을 나타낸 300 gal의 경우는 JBDPA(2017)^[3] 및 Maeda et al.(2004)^[9]에 의하면, 소규모 피해정도를 나타내어 HSWF 내진보강공법의 유효성이 검증되었다고 판단한다.

5.3 하중-변위관계 및 변위-시간이력 결과의 비교 및 분석

Fig. 13에는 200 gal에 대한 PD-RC 비교용 무보강 실험체의 하중-변위 곡선 및 200 gal, 300 gal 대한 PD-HSWF 내진보강 실험체 하중-변위 곡선을 각각 비교하여 나타내었다. 또한 Fig. 14에는 PD-RC 비교용 무보강 유사동적 실험체(200 gal) 및 PD-HSWF 내진보강 유사동적 실험체(200 gal 및 300 gal)에 대한 지진응답 변위-시간이력 곡선을 상호 비교하여 나타내었다.

Fig. 13. Comparison of response shear force-story drift relations

Fig. 14. Comparison of response story drift-time history relations

Table 5에는 본 연구에서 제안한 HSWF 내진보강 실험체와 기준실험체의 200 gal, 내진보강 실험체 200 gal 및 300 gal 실험결과 가운데 내진성능 평가에 중요한 요소인 지진응답 강도비 및 변위비를 비교하여 각각 나타내었다.

상기 그림 및 표에 의하면, 기준 실험체 대비 HSWF 외부 접합형 내진보강법은 200 gal의 입력지진동에서 약 1.64배, 300 gal의 입력지진동에서는 2.42배 정도 지진응답 내력이 증가하였다. 이러한 결과는 최종 파괴상황을 비교한 Fig. 8 및 Fig. 11에도 잘 반영을 하고 있다.

200 gal에 대한 변위 응답비는 기준 실험체 대비 HSWF 외부접합형 내진보강법은 약 0.46배, 300 gal에 대해서는 0.96 배를 나타내고 있다. 동일 하중(200 gal)에 대한 지진응답변위는 약 54 %정도로 억제되어 지진에너지를 흡수할 수 있는 능력이 증대되어 본 연구에서 제안한 HSWF 내진보강공법의 유효성을 확인 할 수 있다.