3.1.1 대상 골조 선정 및 축소 실험체 계획

이 연구에서는 ERC 제진시스템에 사용되는 강재이력댐퍼의 상대강성비와 RC 골조 기둥부재의 보강여부에 따른 전체 골조시스템의 변위연성비 및 에너지 소산량, 기둥부재 보강철물의 변형률 분포의 비교를 통해 ERC 제진시스템의 적용에 따른 비내진 상세 RC 골조의 내진성능 변화를 확인하고자 하였다.

ERC 제진시스템의 적용 유･무에 따른 RC 골조의 내진성능을 평가하기 위하여 Fig. 4에 나타낸 비내진 상세를갖는 국내 기존 3층 학교건물의 골조(1980년대 (다)형 표준도면)를 반복가력 실험용 골조(기둥 순길이: 2.4 m, 기둥단면: 350×500 mm)로 선정하였다. 실험체는 연구수행 기관의 실험실 규모 및 가력장비의 용량을 고려하여 약 40 %로 축소된 1스팬 1층 골조로 계획하였다. Fig. 5는 40 %로 축소 제작된 RC 골조 실험체를 나타내며, 실험체 기둥단면은 140×200 mm, 기둥 순길이와 기둥단면 중심 간 거리는 각각 1,000 mm와 1,800 mm이다. 기둥의 주철근에는 D13의 이형철근 8대를 배근하였으며, 전단보강근에는 40 %로 축소된 골조의 단면 및 철근비를 고려하여 D6의 이형철근을 170 mm의 간격으로 배근하였다. 실험체 제작에 사용된 콘크리트의 설계기준 압축강도는 대상 골조와 동일하게 21 MPa로 설계하였다. 이때, 기둥단면 내력의 10 % 축력비를 고려한 축소 RC 골조의 설계내력($P_{yf}$) 및 항복 시 변위($\delta_{yf}$), 항복 시 강성($k_{f}$)은 각각 85.1 kN, 4.0 mm($\delta_{yf}=h/250$), 21.3 kN/mm이다.

Fig. 4. Target frame for test models (unit: mm)

Fig. 5. Detail of control specimen without ERC damping system; N-RC (unit: mm)

3.1.2 축소 ERC 제진시스템의 설계

Fig. 6은 40 %로 축소된 RC 골조에 설치하기 위해 제작된 ERC 제진시스템과 강재이력댐퍼의 형상을 나타낸다. SS400 ($f_{y}$=235 N/mm²) 강재로 제작된 이력댐퍼는 Fig. 6(b)와 같이 3개의 스트립(strips)으로 구성된다. 강재이력댐퍼의 항복변위($\delta_{yd}$)는 1.0 mm, 항복내력($P_{yd}$)은 5.46 kN으로, 해석으로 결정된 축소 RC 골조의 항복 시 강성($k_{f}$)에 대한 강재이력댐퍼의 항복 시 강성($k_{d}$)의 비($k_{d}/ k_{f}$)(이하, 상대강성 $\kappa$)가 약 0.25가 되도록 설계되었다. ERC 제진시스템을 적용한 비교 실험체의 상대강성 $\kappa$는 1.0으로 단위 강재이력댐퍼가 상하부 수평부재 앞뒷면에 각각 1쌍씩 총 4체가 설치된다. 채널 타입 프레임의 수직 및 수평부재에는 각각 길이 776 mm, 620 mm의 H-200×200×8×12를 사용하였으며, 볼베어링 힌지 한체의 높이는 200 mm이다. 또한, 채널 타입 프레임의 좌굴방지를 위해 두께 12 mm의 스티프너 보강을 실시하였다. 비교 실험체($\kappa$=1.0)에 있어 수평부재의 강성($k_{ch}$)에 대한 강재이력댐퍼의 강성($k_{d}$)의 비($k_{ch}/ k_{d}$)(이하, 상대강성 $\rho$)는 약 5.5로 설계되었다. 채널 타입 프레임의 형상에 따른 변위 증폭비($\alpha_{c}$)는 1.27로, ERC 제진시스템의 기계적 매커니즘에 의한 복원력 특성, 유효변형비, 진동특성 등에 관한 해석결과는 Kim and Kim(2019)⁽⁶⁾의 연구결과에서 확인할 수 있다.

Fig. 6. Detail of specimen with ERC damping system; ERC4-RC, ERC8-RC and S-ERC4-RC (unit: mm)

Table 1은 축소 RC 골조 실험체의 변수 및 일람을 나타낸다. N-RC는 무보강 실험체를, ERC4-RC, ERC8-RC는 상대강성 $\kappa$가 각각 1.0과 2.0인 강재이력댐퍼가 적용된 ERC 제진시스템을 설치한 실험체이다. S-ERC4-RC는 ERC4-RC 실험체에 기둥부재의 전단파괴 방지와 연성증진을 목적으로 강판과 고력볼트를 이용해 추가적으로 전단보강을 실시한 실험체를 나타낸다. 축소 RC 골조의 항복시 강성($k_{f}$)에 대한 보강용 강판의 수평강성($k_{s}$)의 비는 0.06으로 강판 한체의 높이와 폭은 기둥부재와 동일하며, 두께는 20 mm로 계획하였다.

3.1.3 재료시험

축소 RC 골조의 제작에 사용된 콘크리트의 설계기준 압축강도($f_{ck}$)는 21 MPa로, $\phi$100×200 mm의 실린더형 공시체를 총 12개 제작하여, ⁽¹⁰⁾에 제시된 시험방법에 따라 재령 14일과 28일 압축강도시험 수행하였다. Table 2는 압축강도 시험결과를 나타내며, 28일 평균압축강도는 20.9MPa임을 확인하였다. 기둥부재의 주철근 및 전단보강근에는 각각 SD300의 D13과 D6의 이형철근을 사용하였다. 철근의 인장시험은 KS B 0802(KATS 2018a)⁽¹¹⁾에 제시된 시험방법에 따라 수행하였으며, 각 철근의 항복강도 및 인장강도, 항복변형률을 Table 3에 나타내었다.

Table 4는 강재이력댐퍼 제작에 사용된 SS400 강재의 시편의 인장시험결과를 나타낸다. 인장시험은 KS D 3503(KATS 2018b)⁽¹²⁾에 제시된 시험방법에 따라 수행하였으며, 3개의 시편에 대한 평균 항복응력($\sigma_{s}$)은 277 N/mm², 항복변형률($\varepsilon_{ys}$)은 0.0014, 탄성계수($E_{s}$)는 197,857 N/mm²이다. 기존 연구에서 제안하는 강재이력댐퍼의 복원력 특성모델은 강재이력댐퍼의 거동을 매우 정확히 반영하고 있어, 이 연구에서는 별도로 강재이력댐퍼에 대한 요소실험의 수행 없이 해석적으로 계산된 강도를 실험체의 내력 계산에 적용하였다.

Fig. 7. Test set-up

Fig. 8. Displacement loading history

3.1.4 가력방법 및 계측계획

Fig. 7은 반복가력 실험용 축소 RC 골조 실험체의 층변위 및 강재이력댐퍼의 변형, 채널 타입 지지부재의 수직변형량 등의 측정을 위한 LVDT와 실험체 설치현황을 나타낸다. 가력장치는 축력과 역대칭 모멘트를 동시에 받는 RC 골조의 상황을 모사할 수 있도록 계획하였다. RC 골조 상부에서는 2개의 기둥단면 내력의 10 %에 해당하는 117 kN의 축력을 가하고, 수평방향 가력은 1,000 kN 용량의 액추에이터를 사용하여 Fig. 8에 나타낸 변위제어방식에 의해 부재변형각 단계별로 두 사이클씩 반복하였다. 실험은 하중이 실험체의 계측 최대하중의 85 % 이하로 저하될 때까지 지속하였다.

3.2.1 하중-변위 곡선

Fig. 9. Load-displacement relationships

ERC 제진시스템의 설치에 따른 RC 골조별 하중-변위 이력곡선 및 포락곡선을 Fig. 9에 나타내었으며, 주요 실험결과를 Table 5에 정리하였다. 스트레인 게이지의 변형률을 통해 확인된 각 실험체의 주철근 항복 시 부재변형각(R)은 1.62에서 -2.57의 범위에 있으며, N-RC 실험체는 부재변형각 1.72 %에서 최대하중 80.9 kN에 도달하여 연성적 거동없이 전단파괴하였다. 반면, ERC 제진시스템으로 보강한 RC 골조의 경우 상대강성비의 증가에 따라 최대하중 및 최대하중 이후 최대하중의 85 % 시점에서의 부재변형각도 증가하였다. ERC8-RC 실험체는 ERC4-RC 실험체와 비교해 동일 부재변형각 2.0 %에서 최대하중만 증가된 반면, S-ERC4-RC 실험체는 최대하중과 최대하중 시 변위 모두 증가하였다.

Kim and Kim(2019)⁽⁶⁾이 제안한 간이 거동예측모델을 이용하여 계산된 ERC4-RC 및 ERC8-RC 실험체의 최대하중은 각각 162.7 kN과 203.6 kN으로 실험결과를 유사하게 예측한 반면, S-ERC4-RC 실험체의 경우 해석결과가 실험결과를 38 % 정도 과대평가하는 것으로 나타났다. 이는 간이 거동예측모델이 강판보강에 의한 RC 기둥부재의 연성능력 및 강도의 증진이 아닌 대변형($R$=3.3 %) 시 강재이력댐퍼의 복원력에서 비선형적 전단력의 상승분만을 실험체 내력에 반영한 결과에서 비롯된 것으로 판단된다.

3.2.2 균열 및 파괴양상

Fig. 10은 각 실험체의 균열 및 최종파괴 상황을 나타낸다. 무보강 실험체인 N-RC는 부재변형각 0.4 %에서 기둥단부와 중앙부에서 미세한 균열이 발생하였다. 이후 단부 주철근의 항복과 동시에 기둥 단부에서 복부로 이어지는 전단균열 폭의 증가와 전단보강근의 항복에 의해 부재변형각 1.94 %에서 연성거동 없이 실험이 종료되었다. 본 실험결과는 1980년대에 건설된 비내진 상세 학교건물의 파괴모드에 관한 기존 연구결과를 뒷받침하며, 기존 학교건물의 연성거동 확보를 위한 내진보강이 선행되어야 함을 보여준다(Lee et al. 2010; Cho et al. 2012; Tabeshpour et al. 2012; Kim et al. 2013)^(15,18,20,9).

ERC 제진시스템만으로 보강한 ERC4-RC 및 ERC8-RC 실험체 모두 부재변형각 0.4 %에서 기둥 단부 및 중앙부에 고르게 미세균열이 발생하였으며, 골조의 내력을 결정지을 주전단균열의 발생없이 부재변형각 3.3 %에서 주철근의 항복에 의해 휨항복 후 전단파괴 하였다. 기둥부재를 강판으로 추가 보강한 S-ERC4-RC 실험체의 경우, 기둥부재 전구간에 걸쳐 발생한 균열수는 상대적으로 적었으며, 최종파괴 시까지 해당 균열의 진전 및 균열폭 증가는 미미했다. 더욱이 최대하중 및 최대하중 시 변위는 ERC4-RC와 비교해 약 1.5배 증가하였으며, 전단보강근의 항복없이 부재변형각 3.3 %에서 실험이 종료되었다. 이러한 결과는 고력볼트를 이용해 보강된 강판이 기둥 콘크리트의 횡팽창을 억제하고 전단력을 일정 부분 부담함으로써 해당 골조가 연성적 거동을 할 수 있도록 한 것에서 원인을 찾을 수 있다.

Fig. 10. Crack patterns and failure modes

3.2.3 유효강성 저감률

Fig. 11. Relationship of effective stiffness and stiffness reduction ratio with respect to drift ratio

실험체의 유효강성은 하중-변위 이력곡선에서 가력 사이클 당 정부방향 최대하중과 그때의 변위를 좌표로 하는 두 점을 잇는 직선의 기울기로 정의된다. Fig. 11은 각 실험체의 부재변형각에 대한 수평강성과 0.4 % 부재변형각의 유효강성 대비 사이클당 유효강성의 저감률을 나타낸다. 부재변형각 0.4 %에서 N-RC 및 ERC4-RC, ERC8-RC, S-ERC4-RC 실험체의 유효강성은 각각 9.4, 17.8, 18.8, 20 kN/mm로 ERC 제진시스템으로 보강한 실험체의 초기 유효강성은 무보강 실험체와 비교해 1.9배 이상 높았다. 부재변형각 1.0 %까지 모든 실험체의 유효강성은 유사한 비율로 감소되었으며, 부재변형각 1.33 %부터 N-RC 실험체의 강성이 상대적으로 급격히 저하되었다. 이는 ERC 제진시스템에 의해 비내진 상세 RC 골조의 내력뿐만 아니라 콘크리트 균열감소에 의해 연성능력도 다소 개선되었음을 보여준다. 또한, ERC8-RC 및 S-ERC4-RC 실험체 제작에 사용된 강재이력댐퍼 및 강판의 총량은 각각 0.0036 m3와 0.0174 m3로 S-ERC4-RC 실험체의 평균 유효강성과 내력은 ERC8-RC 실험체에 비해 각각 10 %, 19 % 증가된 반면, 강재 사용량은 약 4.8배 증가해 ERC 제진시스템의 실제 건물 적용시 내진성능과 경제성을 고려한 추가검토가 필요할 것으로 사료된다.

3.2.4 변위연성지수

단면의 모멘트-곡률 관계를 이용한 곡률연성지수 및 하중-변위 관계를 이용한 변위연성지수는 RC 구조물의 연성능력을 평가하는 지표로서 자주 활용된다. 이 연구에서는 Priestley et al.(1996)⁽¹⁹⁾이 제안한 변위연성지수($\mu_{\Delta}$) 평가방법을 이용해 RC 골조 실험체의 연성능력을 평가하였다. 각 실험체의 항복변위($\delta_{yf}$)와 극한변위($\delta_{fu}$)는 Fig. 9에 나타낸 하중-변위 포락곡선(굵은선)에서 최대하중의 75 %에 대응하는 변위와 최대하중 이후 최대하중의 85 %로 내력이 저하된 시점의 변위로 정의하였다.

Table 6에 각 실험체의 항복변위 및 최대하중 시 변위, 극한변위, 변위연성지수를 비교 정리하였다. ERC4-RC와 ERC8-RC 실험체의 변위연성지수는 N-RC 실험체와 비교해 약 70 % 이상 증가하였다. 반면, ERC4-RC 실험체보다 최대하중이 약 1.5배 증가된 S-ERC4-RC 실험체의 변위연성지수는 제진보강을 실시한 다른 실험체와 비교해 약 30 % 감소한 것으로 나타났다. 이러한 실험결과는 Table 5에 나타낸 바와 같이 S-ERC4-RC 실험체의 주철근 항복 시 부재변형각은 2.57 %로 다른 실험체들과 비교해 크게 증가된 반면, 변위제어방식에 의해 가력실험이 강제적으로 종료된 것에서 원인을 찾을 수 있다. 해당 실험체의 경우 부재변형각 3.3 %에서 기둥에 발생한 균열의 진전과 균열폭의 증가가 미미하고 주철근과 전단보강근이 더 변형할 수 있는 여지를 고려할 때, 3.3 %를 초과하는 부재변형각에서도 해당 실험체의 내력은 계측된 최대하중의 85 % 수준을 충분히 유지할 수 있을 것으로 판단된다.

3.2.5 에너지 소산능력

이 연구에서는 ERC 제진시스템으로 보강한 RC 골조의 내진성능을 평가하기 위하여 앞절의 변위연성지수와 함께 에너지 소산능력을 함께 비교하였다. 각 실험체에 흡수된 변형 에너지량은 Fig. 9의 하중-변위 이력곡선으로 둘러싸인 면적의 누적합으로 계산된다.

Fig. 12. Comparison of energy dissipated in specimens

Fig. 12(a)는 각 실험체의 부재변형각에 대한 누적 에너지 소산량을 비교한 것이다. N-RC 실험체는 부재변형각 2.0 %에서 파괴하였으며, 실험종료까지 실험체가 흡수한 에너지량은 약 5.4 kN.m이다. 동일한 부재변형각(2.0 %)에서 계산된 ERC 제진시스템으로 보강된 실험체의 에너지 소산량은 무보강 실험체와 비교해 평균 3.2배 증가하였으며, 실험종료 시 부재변형각(3.3 %)에 대한 누적 에너지량은 평균 6.3배 증가하였다. Fig. 12(b)는 N-RC 실험체의 누적 에너지에 대한 비교 실험체들의 누적 에너지의 비를 부재변형각 별로 비교한 것이다. ERC 제진시스템을 설치한 3체의 실험체는 부재변형각의 증가에 따라 에너지 소산량이 선형적이며, 매우 유사한 기울기로 증가하였다. 비교 실험체 중 강재이력댐퍼의 상대강성 $\kappa$가 가장 큰 ERC8-RC 실험체에 누적된 에너지량이 가장 적은 반면, 변위연성지수가 가장 작았던 S-ERC4- RC 실험체가 가장 많은 에너지를 흡수한 것으로 나타났다. 전자의 경우는 강재이력댐퍼의 상대강성 증가로 인하여 최대하중은 증가한 반면, 채널 타입 프레임의 강성이 상대적으로 작아 채널 타입 프레임 및 접합부에 발생한 변형의 증가로 강재이력댐퍼에 흡수되어야 할 에너지가 상대적으로 감소한 것으로 판단된다. 후자의 경우에는 강재이력댐퍼의 상대강성이 작아 상대적으로 많은 양의 변형이 강재이력댐퍼에 집중됨과 동시에 기둥부재의 강판보강으로 인한 골조의 강성이 증가하였기 때문으로 사료된다.

3.2.6 유효변형비

Fig. 13은 축소 RC 골조의 변형($\delta_{f}$)에 대한 강재이력댐펴의 변형($\delta_{d}$)의 비 및 ERC 제진시스템의 전체 변형($\delta_{d}$+$2\delta_{s}$)의 비를 나타낸다. 강재이력댐퍼의 변형량($\delta_{d}$)은 Fig. 6에 나타낸 LVDT 5와 6에서 측정된 변위의 차이로 산출하였으며, 채널 타입 프레임 수평부재의 수직변형($\delta_{s}$)은 실험동안 수평부재가 탄성거동을 하는 것으로 가정하여 LVDT 7로 측정된 수직변위의 2배 값으로 산정하였다. Fig. 13(a)와 Fig. 13(b)는 각각 강재이력댐퍼의 유효변형비와 제진시스템의 증폭비($\alpha_{c}$)를 의미한다. 계측장비의 데이터 수집에 대한 정확성 문제로 인하여 여기에서는 비교 대상을 ERC8-RC와 S-ERC4- RC 실험체로 한정하였다. 기둥부재에 대한 강판보강 여부는 ERC 제진시스템의 변형 및 거동에 영향을 미치지 않으므로 S-ERC4-RC 실험체의 유효변형비($\delta_{d}/\delta_{f}$)와 증폭비($\alpha_{c}$)는 ERC4-RC 실험체의 것과 유사할 것으로 판단된다.

Fig. 13. Deformation of damper and horizontal frame

Fig. 13(a) 에서 ERC8-RC 실험체의 유효변형비는 RC 골조의 변위 10 mm까지 급격히 감소한 이후 다시 증가하는 경향을 나타낸 반면, S-ERC4-RC 실험체의 유효 변형비는 RC 골조의 변위 10 mm까지 지속적으로 증가하여 실험종료 시까지 약 0.8에 가까운 일정한 값을 유지하였다. Fig. 13(b)에서 S-ERC4-RC 실험체는 RC 골조의 변위 10 mm 이후부터 ERC 제진시스템의 설계단계에서 설정한 증폭비인 1.27에 근접한 값을 나타낸 반면, ERC8-RC 실험체의 증폭비는 가력초기와 가력종료 시에만 1.27에 근접한 값을 나타냈다. 이러한 유효 변형비와 증폭비의 불안정성은 고력볼트 접합을 통해 제작된 ERC 제진시스템의 접합부 각부에 존재하는 이격의 개폐, RC 골조와 제진시스템 간 접합 시 일체성 확보 문제, 제진시스템 내부 요소 간의 상대강성비 등에 의한 것으로, 지진 시 ERC 제진시스템에 의한 안정적인 제진성능을 기대하기 위해서는 ERC 제진시스템의 제작오차 및 볼트조임 등의 시공 불확실성을 최소화하고 부재 간 강성비 설정에 관한 계획 및 검토가 필요할 것으로 사료된다.