2.1 카고메트러스 개요

Fig. 1 은 3차원 와이어 다공질 형태의 카고메 트러스 형상을 나타낸다. 카고메트러스 구조는 기계, 조선 항공분야에서 경량구조 적용 목적으로 샌드위치 패널의 심재에 사용되는 트러스 구조이다(Hwang et al. 2013)⁽⁵⁾. 2000년대에 미국 프린스턴대 Evans 교수를 중심으로 연구가 시작된 새로운 형태의 심재로, 건축, 토목분야에서 전통적으로 사용되어온 트러스 구조를 밀리미터 스케일로 축소하여 규칙적인 셀을 갖도록 제조된 다공질 구조이다(Wadley et al. 2003)⁽¹⁶⁾. 피라미드 옥테트 타입의 트러스 구조와 비교하면 경량이며, 유사한 휨, 압축강도를 가지는 것으로 나타났다. 제조상의 문제점이 2000년대 중반 나선형으로 성형된 와이어를 회전, 삽입하여 3차원 카고메 트러스 구조로 직조 후 브레이징에 의해 와이어 교차점을 고정하여 심재를 완성하는 방식으로 해결되었다(Hwang et al. 2013)⁽⁵⁾.

최근에는 카고메트러스를 활용한 이력댐퍼가 개발되었으며, 건축물의 내진성능 개선을 위한 댐퍼로서의 적용 가능성과 유효성을 검증하기 위하여 카고메 댐퍼 자체의 전단이력거동, 에너지 흡수능력, 피로에 대한 구조 안전성 등을 평가하였다(Hwang et al. 2013)⁽⁵⁾. 또한, 카고메트러스 제진장치를 R/C 라멘조 공동주택에 외부접합 한 새로운 제진구조시스템을 제안하여 내진성능 개선 효과의 유효성이 검증하였다(Hwang and Lee 2016)⁽⁴⁾.

2.2 KCP 날개벽 내진보강법 개요

본 연구에서 제안한 KCP 날개벽 내진보강공법은 강도보강 공법의 한 종류로 기존 건물의 극한수평내력을 향상시켜 내진성능을 확보하는 공법이다. KCP 날개벽 내진보강공법에 이용되는 콘크리트 카고메 트러스 패널은 Fig. 2에 나타낸 것처럼 카고메 트러스, 카고메 트러스 삽입용 패널프레임(steel plate), 앵커볼트 및 콘크리트로 구성되어있다. 카고메 트러스 삽입용 패널프레임에 사용된 구조용 경량형강은 ZSS400, 접합나사는 직결나사(self-drilling screw), 콘크리트 압축강도는 21 MPa, 앵커볼트는 M12를 사용하였다.

Fig. 1. Configuration of Kagome truss (Hwang and Lee 2016)⁽⁴⁾

Fig. 2. Detail of KCP

Fig. 3. Construction procedure of KCP

Fig. 4. RC building strengthened with KCP method

콘크리트 카고메 트러스 패널은 기본 유닛 300×2,000 mm, 두께($t$)는 100 mm이며, 기존 R/C 골조에는 패널에 매설된 앵커볼트와 기존 골조에 후 시공된 앵커에 의해서 접합되어 일체화시키는 것이 주요 특징으로서 카고메트러스 패널의 제작 및 시공순서는 Fig. 3과 같다. Fig. 4는 KCP 날개벽 내진보강공법으로 보강한 이미지이며, 마감 전 최종 시공 상태이다.

3.1 실험체 재료실험

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

한편, 사용한 철근은 1종 SD300이며, 기둥 부재의 주근은 D19 및 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 491와 731 MPa로, D10의 경우 평균 477와 711 MPa로 나타났다.

Fig. 5. Planar view of the ground floor (1F) and cross sections of columns of the investigated school building

Fig. 6. Detail of the control specimen (PD-RC)

Fig. 7. Specimens for pseudo-dynamic test

3.2 실험체 제작 및 변수

유사동적 실험을 이용하여 KCP 날개벽 내진보강공법의 내진성능 효과를 검증할 목적으로 Fig. 5에 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)⁽¹¹⁾. 실험대상은 비내진상세를 가지는 국내 기존 R/C 학교건물의 외부 내측 1 스팬 2층 실물 크기 골조로써, 각 층의 보는 건축구조기준(AIK 2016)⁽¹⁾에 의해서 슬래브 유효폭을 고려한 T-형보로 계획하였다.

실험체는 Fig. 6 및 Fig. 7(a)에 나타낸 KCP 날개벽 내진보강골조와의 비교를 위하여 비보강 골조 실험체 1개, Fig. 7(b)에 나타낸 KCP 날개벽 내진보강공법으로 보강한 골조 실험체 1개 총 2개의 골조 실험체를 제작하여 유사동적 실험을 수행하였다. 한편, 기존 학교건물의 외부골조에는 일반적으로 조적조 징두리벽체가 시공되어 있다는 사실을 고려하여 무보강 실험체에는 Fig. 6 및 Fig. 7(a)에 나타내는 것처럼 조적조 징두리벽체를 시공하였다. KCP 날개벽 내진보강공법은 일반적으로 징두리벽체를 철거한 후 날개벽을 시공하기 때문에 Fig. 7(b)와 같이 KCP 날개벽 보강 실험체에는 조적조 징두리벽체를 시공하지 않았다. 조적조에 사용된 시멘트벽돌은 길이 190 mm, 너비 90 mm, 두께 57 mm, 압축강도는 8 MPa인 B형 벽돌이며, 높이는 실물 크기인 800 mm로 시공하였다.

또한, 유사동적실험을 실시하기 전 KCP 날개벽의 비선형복원력 특성평가 및 이를 바탕으로 한 지진입력수준을 검토 할 목적으로 KCP 날개벽으로 내진보강 된 기둥부재를 대상으로 반복가력실험도 동시에 실시하였다. 반복가력 실험용 기둥 실험체는 Fig. 5에 나타낸 비내진상세를 가지는 기존 학교건물의 배근을 참조하여 무보강 기둥 실험체 1개, KCP 공법으로 편측 보강된 실험체 1개, 양측 보강된 실험체 1개, 총 3개를 제작하였다. 기둥 단면은 350×350 mm인 장방형으로 계획하였으며, 기둥의 주근은 12-D19, 띠철근은 D10@250, 기둥의 순길이는 1,500 mm로 계획하였다. 기둥 상부에는 스터브를 설치하여 기둥의 구속 효과가 고려될 수 있도록 하였다.

Fig. 8에는 KCP 날개벽을 편측 보강한 기둥 실험체를, Fig. 9에는 양측 보강한 기둥 실험체를 각각 나타낸다. Table 1에는 유사동적 실험용 2층 골조 2개 및 반복가력용 기둥 실험체 3개에 대한 일람을 나타낸다. 유사동적 실험 시 이용한 입력지진동은 Lee(2010)⁽⁷⁾의 연구결과, 즉 중･저층 R/C 건축물(내력이 전단력계수의 형식으로 0.5 미만)을 대상으로 설정한 10개의 기존 역사지진파의 지진응답변위특성(연성률) 가운데 가장 큰 지진응답변위를 보여준 Hachinohe(EW)를 선정하였다.

가속도의 크기는 현행 건축구조기준(AIK 2016)⁽¹⁾에서 규정한 2,400년 재현주기 지진의 2/3 수준의 지반 종류 $S_{E}$에 상응하는 지진 수준인 300 gal을 기본으로 설정하였으며, KCP 날개벽 공법으로 내진보강된 PD-KCP 실험체에 대해서는 2,400년 재현주기에 대응하는 대지진에 대한 내진보강 효과도 평가하기 위해서 400 gal도 설정하여 유사동적 실험을 각각 수행하였다. 축력은 실제 기존 골조(기둥 2개)에 가해지는 축하중, 즉 100 톤을 배분하여 각각의 기둥에 50 톤의 일정한 축력을 가력하였다.

Fig. 8. Column specimen with one boundary KCP for cyclic loading test

Fig. 9. Column specimen with two boundary KCP for cyclic loading test

4.1 유사동적 실험의 개요

구조물의 비탄성 지진응답을 예측하기 위해 일반적으로 사용되는 실험방법으로는 진동대실험(Shaking table test), 준정적 실험(Quasi-static test), 그리고 유사동적 실험(Pseudo- dynamic test) 등으로 분류할 수 있다(Umemura 1973)⁽¹⁵⁾. 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 실물 크기 구조물의 비탄성 거동을 평가하기 위해서 구조물의 변위 또는 하중으로 제어하는 준정적 실험이 많이 사용되고 있다.

한편, 유사동적 실험은 진동대 실험과 준정적 실험의 장점만을 모아 개발되었다(Takanashi et al. 1980)⁽¹⁴⁾. 유사동적 실험은 실험과 수치적 해석이 서로 결합하여 실험이 진행되는 복합 실험기법이다. 후술하는 Fig. 10에 나타낸 것처럼, 유사동적 실험은 컴퓨터에 의한 수치계산 부분과 실험체의 가력 실험 부분으로부터 구성되며, 수치계산 부분은 가력 실험 부분에서 계측된 특정 변형에 대한 실험체의 응답량, 입력 지진가속도 및 현 스텝의 응답량에 근거하여 수치적분을 이용하여 운동방정식을 계산하며, 다음 스텝의 응답변형을 산정한다. 한편, 가력 실험은 그 응답변형을 액추에이터 등의 가력장치에 의하여 실험체에 강제하며 그때의 변위 이력을 측정한다. 이상의 조작을 반복하는 것으로 실험체에 유사한 지진 시의 응답변형을 강제하면서, 컴퓨터에 의하여 지진응답을 계산하여 대상 구조물의 지진응답을 산정한다.

Fig. 10. Pseudo-dynamic test system proposed in this study

유사동적 실험에서 구조물에 제어될 변위가 실험 중에 수치 해석적으로 결정된다는 점을 제외하면 기존의 준정적 실험과 거의 유사하며, 보통 수치적인 동적 해석에 의한 지진응답 예측 시에는 이력특성에 대한 가정이 필요하나, 유사동적 실험에서는 이에 관한 정보를 실험체로부터 직접 측정하여 얻음으로써 실제 지진응답과 매우 유사한 효과를 얻을 수 있다.

4.2 유사동적 실험 시스템 및 방법

Fig. 10에는 본 연구에서 구축한 유사동적 실험 시스템의 시스템을 나타낸 것으로서, 제어용 컴퓨터에 의한 입력지진동에 따른 수치계산 부분과 실험체의 가력 실험 부분으로 구성된다. 제어용 컴퓨터에 의한 수치계산 부분은 MTS사 제공 Pseudo-dynamic Testing Program(MTS 1999)⁽¹²⁾을 이용하였으며, 가력 실험 부분에서 LVDT에 의하여 계측된 변형에 대한 실험체의 복원력, 입력 지진가속도 및 현 스텝의 응답량에 근거하여 수치적분을 이용하여 운동방정식을 계산한다.

Fig. 11. Test specimens configuration of cyclic loading and pseudo-dynamic tests

5.1 반복가력 실험체(C-RC, C-KCP-1, C-KCP-2)

5.1.1 균열 및 파괴양상

C-RC 무보강 기둥 실험체는 6 cycle(R=1/500, 3 mm)에서 초기 미세 휨균열이 기둥의 상하부에 발생하였고, 기둥 중앙부에는 균열이 발생하지 않았다. 그 후 휨균열이 증가하여, 기둥 중앙부로 균열이 확대되었으며, 15 cycle (R=1/150, 10 mm)에서 초기 전단균열이 발생하였다. 그 후 다수의 전단균열이 발생하였고, 22 cycle(R=1/75, 20 mm)에서 균열의 폭이 확대되어 최종적으로 전단파괴가 발생하였다(Fig. 12).

KCP 편측 내진보강 기둥 실험체 C-KCP-1의 휨균열은 6 cycle(R=1/500, 3 mm)에서 기둥 하부에 발생하였고, 12 cycle (R=1/150, 10 mm)까지 휨균열의 수와 폭은 증가하였다. 15 cycle(R=1/100, 15 mm)에서 초기 전단균열이 발생하였다. 그 후 전단균열이 확대되었고, 최종적으로 21 cycle(R=1/60, 25 mm)에서 내력이 저하되어 실험은 종료되었다(Fig. 13).

Fig. 12. Test results of C-RC specimen

Fig. 13. Test results of C-KCI-1 specimen

Fig. 14. Test results of C-KCI-2 specimen

KCP 양측 내진보강 기둥 실험체 C-KCP-2의 휨균열은 6 cycle(R=1/500, 3 mm)에서 기둥 하부에 발생하였고, 9 cycle (R=1/250, 6 mm)까지 휨균열의 수와 폭은 증가하였다. 12 cycle(R=1/150, 10 mm)에서 초기 전단균열이 발생하였다. 그 후 전단균열이 확대되었고, 최종적으로 24 cycle(R=1/50, 30 mm)에서 내력이 저하되어 실험은 종료되었다(Fig. 14).

Fig. 15. Comparison of shear force-displacement relations (C-RC, C-KCP-1, KCP-2 specimens)

Table 2. Results of the cyclic loading test

Spcimen	Positive load		Negative load		$\tau_{K C P}$ (MPa)	Failure mode
	$V_{u}$ (kN)	$\delta_{u}$ (mm)	$V_{u}$ (kN)	$\delta_{u}$ (mm)
C-RC	187.1	15.0	-188.9	-15.2	-	Shear
C-KCP-1	249.0	20.4	-287.2	-20.1	2.5	Shear
C-KCP-2	298.5	19.9	-332.9	-20.2	1.8	Shear

$V_{u}$ shows maximum shear force, $\delta_{u}$ shows maximum displacement, and $\tau_{K C P}$ indicates shear stress of KCP at the ultimate state, defined as a increased strength value divided by cross sectional area of KCP

5.2.1 균열 및 파괴양상

1) PD-RC-FR(무보강 유사동적 실험체)

Fig. 16에는 PD-RC 무보강 실험체의 Hachinohe(EW) 300 gal 입력지진동에 대한 균열 및 최종파괴 상황을 나타낸다. PD-RC 실험체는 1.7초(변위: 12.9 mm) 정도에서 기둥 하단부에 초기 휨균열이 발생하였으며, 그 이후 2.15초(변위: 14.6 mm)부터는 휨균열이 확장되었다. 2.4초(변위: 13 mm) 이후에는 기둥 상단부에 전단균열이 발생하였으며, 이후 최대내력 응답을 나타낸 약 3.0초(변위: 50.3 mm)에서 균열 발생이 증가하였으며, 최종적으로 3.5초 부근에서 85 mm의 변위가 발생함과 동시에 육안으로 관찰이 가능한 전단균열이 다수 발생하였으며, 최종적으로 전단파괴가 발생하였다.

2) PD-KCP(카고메 패널 내진보강 실험체)

Fig. 17에는 카고메 패널 내진보강법으로 내진 보강한 실험체인 PD-KCP의 Hachinohe(EW) 300 gal 입력지진동에 대한 균열 및 최종실험 상황을 나타내며, Fig. 18에는 동일 실험체의 Hachinohe(EW) 400 gal 입력지진동에 대한 균열 및 최종상황을 나타낸다. Hachinohe(EW) 300 gal의 결과를 나타낸 Fig. 19에 의하면 PD-KCP는 약 2초(변위: 6.8 mm) 정도에서 기둥 하단부에 미세한 초기 휨균열이 발생하였으며, 2.4초(변위: 10 mm) 이후 휨균열의 수가 증가하였으나, 마찬가지로 균열 정도는 미세하였다. 유사동적 실험은 9초 동안 실시하였으며, 결과적으로 PD-KCP 실험체는 무보강 실험체가 대규모 이상의 피해를 일으킨 300 gal의 지진에 대해서는 소규모 휨균열 정도가 관찰되어 본 연구에서 제안한 카고메 패널 공법의 내진보강 효과는 검증되었다고 사료된다.

Fig. 16. Test result of PD-RC specimen (300 gal, final)

Fig. 17. Test result of PD-KCP specimen (300 gal, final)

Fig. 18. Test result of PD-KCP specimen (400 gal, final)

Fig. 19. Comparison of response shear force-story drift relations

한편, 대지진을 상정한 Hachinohe(EW) 400 gal의 입력지진동에 대한 결과를 나타낸 Fig. 18에 의하면, 3.36초(변위: 41 mm)에서 하부에 전단균열이 많이 증가하였으며, 5.1초(변위: 30 mm)에서 전단균열이 크게 발생하여 내력은 저하되었지만, 기둥의 전단파괴를 카고메 패널이 억제하여 기존 비내진상세를 가지는 RC 국내 학교건물을 대상으로 카고메트러스 패널 날개벽 내진보강법으로 보강한 실험체인 PD- KCP는 약 400 gal의 지진동에서 중규모 정도의 지진피해가 예상된다고 사료된다.

5.2.2 최대 지진응답 하중 및 변위

Table 3에는 입력지진동 300 gal 대한 PD-RC 비교용 무보강 유사동적 실험체, 입력지진동 300 gal 및 400 gal 대한 PD-KCP 내진보강 유사동적 실험체에 대한 최대응답 하중 및 변위에 대한 실험결과를 파괴모드 및 지진피해 규모와 각각 비교하여 나타내었다. PD-RC 실험체, 즉 무보강 비교 실험체의 유사동적 실험 결과에 의하면 입력지진동 300 gal에서는 251 kN(변위 50.3 mm)의 지진응답 최대값을 나타내었으며, 최종적으로 최대 지진응답을 나타낸 3.5초 부근에서 대상 골조는 전단파괴가 되었다. 지진피해 규모는 JBDPA(2017)⁽⁶⁾ 및 Maeda et al.(2004)⁽¹⁰⁾에 의하면 붕괴수준의 지진피해가 발생하였다고 판단된다.

한편, PD-KCP 내진보강 실험체의 300 gal인 경우는 391.6 kN(변위: 24 mm)의 최대 지진응답 전단력을 나타내었으며, 결과적으로 KCP 날개벽 내진보강공법으로 내진보강 한 실험체는 300 gal에서 소규모 지진피해를 나타내었으며, 또한, 514.9 kN(변위: 41 mm)의 최대 지진응답을 나타낸 400 gal의 경우는 JBDPA(2017)⁽⁶⁾ 및 Maeda et al.(2004)⁽¹⁰⁾에 의하면, 중규모 피해 정도를 나타내어 KCP 날개벽 내진보강공법은 대지진을 상정한 400 gal 규모에서도 인명안전(Life Safety) 수준을 만족한다고 판단한다.

5.2.3 하중-변위관계 및 변위-시간이력 결과 분석

Fig. 19에는 300 gal에 대한 PD-RC 비교용 무보강 실험체의 하중-변위 곡선 및 300 gal, 400 gal 대한 PD-KCP 내진보강 실험체 하중-변위 곡선을 각각 비교하여 나타내었다. 또한, Fig. 20에는 PD-RC 비교용 무보강 유사동적 실험체(300 gal) 및 PD-KCP 내진보강 유사동적 실험체(300 gal 및 400 gal)에 대한 지진응답 변위-시간이력 곡선을 상호 비교하여 나타내었다.

Table 4에는 본 연구에서 제안한 KCP 날개벽 내진보강 실험체와 기준 실험체의 300 gal, 내진보강 실험체 300 gal 및 400 gal 실험결과 가운데 내진성능 평가에 중요한 요소인 지진응답 강도비 및 변위비를 비교하여 각각 나타내었다. 상기 그림 및 표에 의하면, 기준 실험체 대비 KCP 날개벽 내진보강법은 300 gal의 입력지진동에서 약 1.56배, 400 gal의 입력지진동에서는 1.66배 정도 지진응답 내력이 증가하였다. 이러한 결과는 최종 파괴상황을 비교한 Fig. 16, Fig. 17 및 Fig. 18에도 잘 반영을 하고 있다.

Fig. 20. Comparison of response story drift-time history relations

300 gal에 대한 변위 응답비는 기준 실험체 대비 KCP 내진보강법은 약 0.48배, 400 gal에 대해서는 0.96배를 나타내고 있다. 동일 하중(300 gal)에 대한 지진응답변위는 약 52 % 정도로 억제되어 지진에너지를 흡수할 수 있는 능력이 증대되어 본 연구에서 제안한 KCP 날개벽 내진보강공법의 유효성을 확인할 수 있다.