2.1 카고메 감쇠장치의 특징(Hwang et al. 2013)⁽⁴⁾

카고메 감쇠장치는 카고메 트러스 구조의 전단변형에 의한 에너지소산능력을 이용한 강재형 감쇠장치의 일종이다. 와이어로 직조되기 때문에 반복하중이나 피로에 대한 내구성이 커 일부 와이어가 파손되더라도 전체 감쇠장치의 기능을 유지하는 특징을 가지고 있다. 또한, 무게대비 강도가 크고, 큰 전단변형에 의한 에너지 흡수율이 높으며, 모듈화가 가능하므로 병렬배열로 요구강도 충족이 가능하다. 그리고 다공질 구조로써 부피와 비교하여 소형, 경량으로 시공의 용이성 및 작업성이 우수할 뿐만 아니라 등방형으로 에너지 흡수능력이 지진하중의 방향에 영향을 받지 않는 특징을 보유하고 있다.

2.2 연구대상 구조물의 특징 및 제안시스템

내진보강 성능평가 검토대상 구조물은 1981년 준공 후 약 37년이 경과되었고, 비내진설계된 구조물로 건물 개요는 다음과 같다(Fig. 3참조).

- 소재지 : OO광역시

- 규모 : 지상 5층

- 구조형식 : 철근콘크리트 라멘구조

- 구조재료 : 콘크리트(18 MPa), 철근(240 MPa)

연구대상 구조물의 진동특성 및 횡력 저항시스템 검토한 결과, 장변방향 및 단변방향의 비틀림에 대한 저항성능이 부족한 것으로 나타났다(Fig. 4참조). 또한. 연구대상 구조물의 비선형 정적해석 결과 X방향의 경우에는 인명안전 및 붕괴방지에 대해 성능점을 형성하지 못하였고, Y방향의 경우에는 인명안전 및 붕괴방지에 대해 성능점 및 층간변위비 또한 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다(Table 1 참조). 초과강도의 경우 X 및 Y방향 모두 최소강도 기준 1.5를 만족하지 못하는 것으로 나타나 내진성능향상을 위한 보강이 필요한 것으로 나타났다.

이러한 사항을 고려하여 대상 구조물의 내진성능향상을 위해 Hur et al.(2016)⁽²⁾가 제안한 아웃사이드 타입 카고메 감쇠장치를 대상구조물의 상황에 맞게 개선하여 적용하고자 한다. 아웃사이드 타입 카고메 감쇠장치는 공동주택의 외부에 독립된 켄틸레버형 지지구조물(벽체)을 별도로 축조하고, 기존 구조물의 보와 지지구조물 사이에 감쇠장치를 설치하여 지지구조물의 강성과 건물의 강성 차에 의한 변형에 의하여 카고메 감쇠장치의 상대변형을 유도하는 방식이다. 카고메 감쇠장치의 설치형태도 기존의 양방향을 모두 제어하는 방식이 아닌 한 방향을 제어하는 방식(카고메 감쇠장치를 90〫 회전)으로 변경하여 기존건물과 외부지지구조물의 이격 간격을 최소화함과 동시에 한 방향을 제어함으로써 지지구조물의 두께를 최소화하였다. Fig. 5는 기존의 외부 보강 시스템과 개선된 외부 보강 시스템의 설치 형상을 나타낸 그림이다.

3.1 실험체 계획 및 변수

구조물의 외부에 내진보강된 구조물의 내진보강시스템의 내진성능 증진효과를 검증하기 위하여 저층 RC 구조물을 대상으로 보강 전･후의 내진성능을 반복가력 실험을 통하여 평가하였다. 구조해석과 성능평가에 사용된 구조물의 평면도는 Fig. 6과 같다. 실험체는 구조물의 1층 붉은색 부분을 선택하여 부재단면, 기둥 높이, 보 경간 등의 크기를 철근비와 실험실 환경 등에 맞춰 실물 크기의 60 %로 축소하여 제작하였다. 기둥의 크기($b$×$d$)는 250×300 mm이며, 순경간은 1,500 mm이다. 보의 크기($b$×$d$)는 430×500 mm이며, 액추에이터와 실험체는 보를 관통하여 직접 연결하였다.

외부지지구조물의 경우 기존 연구(Hur et al. 2016)⁽²⁾의 연구결과를 참조하여 크기와 두께를 결정하였다. 기존연구결과 기존건물과 외부지지구조물 간의 강성비가 약 7.0배 이상을 확보해야만 충분한 감쇠효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 이에 본 논문에서는 지지구조물의 크기($b$×$d$)를 200×1,250 mm로 결정하였고 이때 기존건물과 지지구조물과의 강성비는 약 13.5배이다. Table 2는 기존건물과 외부지지구조물의 강성을 나타낸 표이다.

카고메 감쇠장치는 곡률을 가지는 와이어를 직조하여 제조되기 때문에 작은 전단변형에 의하여 소성단계에 이르는 특징이 있다. 또한, 소성구간이 탄성구간에 비하여 매우 크기 때문에 에너지소산능력이 우수한 것으로 나타났다. 유닛 카고메 감쇠장치 실험(Hwang et al. 2013)⁽⁴⁾에 의하면 감쇠장치의 최대변형률은 약 20~25 %로 나타나 있지만, 반복하중에 대한 안정적인 거동을 보장하기 위하여 설계용 최대 전단변형률은 약 15 % 이하로 설정하는 것이 안정적이다. 또한, 카고메 감쇠장치의 크기는 제작성과 시공성을 고려하여 기존 골조 기둥의 항복하중의 약 20 % 정도를 항복하중을 가지는 크기로 산정하였다.

Fig. 7은 기둥 1개의 P-M 상관도 이며, 기둥 1개의 모멘트($M_{n}$)는 45.2 kN･m이며 기둥 1개의 전단력($V_{n}$)은 약 60.3 kN이며 골조의 전단력은 약 120.6 kN으로 산정되었다. 이를 바탕으로 카고메 감쇠장치의 항복하중과 크기를 산정하였고, 이때 카고메 감쇠장치의 크기($b$×$h$×$t$)는 1,000×200×100 mm이다. 구조성능평가에 사용된 카고메 감쇠장치의 철선 직경은 2.0 mm, 피치 간격은 40.0 mm이며, 철선의 항복하중은 400 MPa이다. 본 실험체 적용된 카고메 감쇠장치의 크기($b$×$d$)는 1,000 mm로 Fig. 8과 같이 200×200 mm로 나누어 5개를 제작하였다. Fig. 9는 200×200 mm로 제작된 카고메 감쇠장치를 나타내고 있다.

카고메 감쇠장치의 최대 전단응력($R_{p}$)은 아래 식으로 구할 수 있다.

$R_{p}=\dfrac{\pi\sigma_{y}}{16}\left(\dfrac{d}{c}\right)^{2}=\dfrac{3.14\times 400}{16}\times\left(\dfrac{2}{40}\right)^{2}= 0.197$ N/mm$^{2}$

$F_{y}$ = 200,000 mm$^{2}$ × 0.197 N/mm$^{2}$ = 39.25 kN

연구대상 구조물의 보-기둥에 카고메 감쇠장치를 보강하여 그 성능을 반복가력 정적실험을 통하여 평가하였다. 실험체는 실험실과 계측장비의 용량 등을 고려하여 단위모듈로 재적하였고 Table 3과 같이 내진설계되지 않은 기준 실험체(NR)와 카고메 감쇠장치로 보강한 실험체(KR)를 제작하였다.

Fig. 9는 실험체 배근도와 철근의 변형을 측정하기 위한 스트레인 게이지의 위치를 나타내고 있다. 기준실험체(NR)의 형상은 실험체 KR의 오른쪽 벽체가 없는 형상과 동일하다.

3.2 실험방법

Fig. 10에 카고메 감쇠장치를 보강한 실험체의 세팅 상황을 나타내었다.

가력용 액추에이터는 보를 관통해서 연결하여 반복 하중을 가력 하였다. 반력벽에 설치된 액추에이터를 이용하여 변위제어 방식으로 수평하중을 가력 하였다. 수평변위는 부재각($R$, %)에 따라 4.38 mm(0.25 %), 6.13 mm(0.35 %), 8.75 mm(0.50 %), 13.13 mm(0.75 %), 17.50 mm(1.00 %), 26.25 mm(1.50 %), 35.00 mm(2.00 %), 43.75 mm(2.50 %), 61.25 mm(3.50 %), 87.50 mm(5.00 %), 105.00 mm(6.00 %)의 순서로 각 3 cycle 씩 단계별로 점증 가력 하였다.

실험체에 적용된 Loading cycle을 Fig. 11에 나타내었다. 스트레인 게이지는 기둥 내부 주근에 8개(L1~L8), 전단철근에 4개(T1~T4)를 설치하여 변형응력을 계측하였다. Fig. 12는 변위계(LVDT) 설치 위치를 나타낸 것으로 NR 실험체는 6개의 변위계를 설치하였고, KR 실험체는 8개의 변위계를 설치하였다.

3.3 실험체 제작

실험체는 Fig. 13의 순서로 제작되었다. (a) 기초 철근 배근 및 거푸집 설치, (b) 기초 콘크리트 타설, (c) 기둥 배근 및 타설 후 카고메 시스템 설치, (d) 상부 보 콘크리트 타설 및 양생 순으로 제작하였고, 카코메 감쇠장치는 실험체 운송 시 발생할 진동 등을 고려하여 신설 벽체와 보-기둥 사이에 스페이서를 설치하였다.

3.4 재료시험

내진보강실험체 제작에 사용한 콘크리트의 설계강도는 기존 구조체는 18 MPa이고, 신설 구조체는 40 MPa로 KS F 2405(KATS 2017a)에 의한 콘크리트 압축강도 시험결과 3개 공시체 평균값은 기존 구조체는 21.3 MPa이고, 신설 구조체는 39.4 MPa로 나타났다(Table 4 참조). 철근과 강재시편은 KS B 0801(KATS 2017b)⁽⁸⁾ 2호의 규정에 따라 시험편을 제작하여, KS B 0802(KATS 2018)⁽⁹⁾의 금속재료 인장시험방법에 따라 시험을 시행하였다. Table 5에 철근의 인장시험결과와 강재시편결과를 나타내었다.

4.1 균열 및 파괴상황

Fig. 14와 Fig. 15는 실험체 최종파괴상황을 나타낸 그림이다. 그림에서도 알 수 있는 바와 같이 모든 실험체는 휨-전단파괴 되었으며, 균열의 양과 분산도의 차이를 제외하고는 거의 동일한 양상을 나타내었다. 실험체별 균열양상 및 파괴모드 시에는 액추에이터에 가까운 기둥이 압축력을 받을 때의 가력을 압축가력, 인장력을 받을 때의 가력을 인장가력으로 정의하였다.

NR 실험체는 보에 직접 액추에이터를 연결하기 때문에 대부분의 균열이 기둥에 집중되었다. 2 cycle(6.13 mm, 0.35 %)에서 기둥 단부 중 하단에서부터 미세한 휨 균열이 발생하기 시작하였으며, 3 cycle(8.75 mm, 0.5 %)에서 미세한 전단 균열이 발생하였다. 4 cycle(13.13 mm, 0.75 %)에서 기둥 상부에도 전단 균열이 발생하고 보-기둥 접합부에서 수평균열과 더불어 보에서도 균열이 발생하였다. 이후 실험체의 극한 상태를 확인하기 위해 8 cycle(43.75 mm, 2.5 %)까지 실험을 진행하였으며, 기둥의 상･하부 단부에서 전단 균열이 집중적으로 발생하였고 균열이 중앙부로 확장되었다. 기둥은 전단 균열에 의한 파괴가 진행되었고, 양방향 하중 모두 최대하중 대비 50 % 수준으로 감소하여 실험을 종료하였다. 최종 파괴양상은 전단파괴로 나타났다.

KR 실험체는 카고메 감쇠장치를 보강한 실험체로서 전체적인 거동은 NR 실험체와 비슷하게 나타났다. 4 cycle(13.13 mm, 0.75 %)에서 각 기둥의 상･하부에서 전단균열이 발생하였으며, 실험이 진행될수록 균열이 폭이 커지고 증가하는 양상을 나타내었다. 6 cycle(26.25 mm, 1.5 %)에서 좌측 기둥 상단부에서 전단파괴가 발생하였으며, 실험체의 극한 상태를 확인하기 위해 동일하게 8 cycle(43.75 mm, 2.5 %)까지 실험을 진행 한 결과, 6 cycle에서 발생한 전단파괴 이후 양방향 모두 최대하중 대비 60 % 수준으로 감소하고, 좌측 기둥에서 주근의 좌굴이 발생하여 안전상의 이유로 실험을 종료하였고, 최종 파괴양상은 전단파괴로 나타났다.

4.2 하중-변위 관계

Table 6에 NR과 KR에 대한 실험결과를 정리하였으며, Fig. 16에 실험체별 하중-변위관계를 나타내었다.

NR은 내진기준 허용층간변형각 1.0 % 시 기둥의 상･하부에 많은 균열과 콘크리트의 피복이 박리 되는 현상이 발생하였다. 이에 반해 카고메 시스템으로 보강한 실험체는 내진기준 허용층간변형각 1.0 %에서도 기둥 상･하부의 콘크리트 피복의 박리 등은 나타나지 않았다. 또한, 카고메 감쇠장치도 설계 시의 내력을 실험 종료 시까지 나타내어 우수한 내진거동을 보여주었다.

4.3 에너지소산능력

반복가력 실험의 각 사이클(cycle)당 변위량에 따라 NR과 KR 실험체의 이력거동이 달리 나타난다. KR 실험체는 카고메 감쇠장치의 이력거동과 실험체의 이력거동에 의한 에너지소산이 병행하여 발생하기 때문에 NR 실험체의 이력거동에 비하여 에너지소산능력을 더욱 크게 기대할 수 있다. 각 사이클에 따른 이력거동으로부터 그에 해당하는 에너지소산 양을 다음 식 (6)과 같은 선적분을 이용하여 구하였다.

여기서, $F(x)$ : 감쇠장치 하중이력

$\triangle x$ : 변위 증분

실험체의 이력거동에 따라 소산된 에너지량($E_{D}$)을 사이클별로 구하고, 두 실험체의 에너지소산 양을 비교하여 Fig. 17에 나타내었다. Fig. 17에 의하면 카고메 감쇠장치가 설치된 KR 실험체에서 전 사이클에 대해 NR 실험체에 비해 에너지소산 양이 크게 나타나고 있다. 사이클 변위에 비례하여 에너지소산 양이 커지는 것은 카고메 감쇠장치의 상대변위가 커질수록 카고메 감쇠장치의 에너지소산 능력이 비례하여 커지기 때문이다.

Fig. 18은 Fig. 17의 결과를 이용하여 각 사이클 당 NR 실험체의 에너지소산 양에 대한 KR 실험체의 에너지소산 비율을 나타낸 것이다. 그림에서 보면 사이클마다 비율이 변동하는 것으로 나타나고 있지만, 평균값이 3.78로 카고메 감쇠장치에 의하여 NR와 비교해 KR 실험체가 각 사이클 당 약 378 %정도 에너지소산이 크게 이루어지고 있는 것을 알 수 있다.