성조성
(Zhao-Xing Cheng)
1
김시범
(Si-Bum Kim)
2
이복기
(Bok-Gi Lee)
3
이강석
(Kang-Seok Lee)
4†
-
한양대학교 스마트시티공학과 대학원생
(Graduate Student, Department of Smart City Engineering, Hanyang University, Ansan
15588, Rep. of Korea)
-
(주)디씨알앤씨에이치엔지니어링 대표이사
(CEO, DCR & CH Engineering, Seoul 02604, Rep. of Korea)
-
한양대학교 건축시스템공학과 대학원생
(Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Hanyang University, Ansan
15588, Rep. of Korea)
-
한양대학교 건축학부 및 스마트시티공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering & Smart City Engineering, Hanyang
University, Ansan 15588, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
철근콘크리트 건물, 내진보강, 내진성능, 외부접합, 유사동적실험
Key words
reinforced concrete frame, seismic retrofitting, seismic performance, external connection method, pseudo-dynamic
1. 서 론
지진은 가장 위험한 자연 재해 중 하나이며, 물적 및 인적으로 거대한 피해를 야기하고 있다. 역사지진의 반복성과 발생빈도는 어느 정도 예측할 수 있지만,
언제 어디서 지진이 발생할지 정확히 예측하기는 불가능하다. 최근 발생한 대규모 지진피해에서도 드러난 것처럼 건축물의 파괴는 지진피해의 심각성을 적나라하게
보여준다. 장기간의 지진관측과 이에 관한 연구로 인하여 건축물의 손상패턴 등 지진에 대한 거동 파악에 대한 이해도가 향상되었으며, 내진설계를 통해
신축 건축물에 대한 지진피해 저감을 위해서 상당한 노력을 기울이고 있다.
특히, 지진에 의한 피해정도와 건축물의 지진저항 메커니즘 상관관계에 관한 이론 및 실험적 연구는 활발하게 진행이 되고 있다. 이러한 연구 결과에 기반
한 전단력, 동적응답, 복원력, 설계용 지진하중 등을 계산하는 기법은 International Building Code(ICC 2018)(7), Building code requirements for struc-tural concrete of the American Concrete Institute(ACI
318-14, 2014)(1), Standard for structural calculation of reinforced concrete structures of the Architectural
Institute of Japan(AIJ 2010)(3) 및 Seismic Design Standard for Buildings(MOLIT 2019)(18) 등, 최근 수십 년간 내진설계 지침 및 기준에서 채택하고 있다. 이러한 내진설계의 진보는 새로운 건축물에 대한 내진안전성을 확보하고 있다.
그러나, 신축 건축물에 대한 내진설계기법의 발전은 한편으로는 구조설계자들에게 내진설계가 수행되지 않은 기존 건축물의 내진성능에 의문을 나타내었다.
예를 들어 2008년 중국 쓰촨성지진, 2011 터키 반지진, 2012 동일본 대지진, 2016 중부 이탈리아지진, 2016년 일본 쿠마모토지진,
2017 포항지진 등에서 기존 비내진상세를 가지는 수많은 건축물에 대규모 지진피해가 발생하였다. 기존 역사지진에 의한 지진피해 조사 결과에 따르면
6층 미만 중･저층 건축물, 특히 내진설계가 수행되지 않은 전단보강근이 부족한 철근콘크리트(이하, R/C) 건축물에서 지진피해가 집중적으로 발생하였다(Fig. 1 참조, AIK 2018)(4). 따라서 비내진상세를 가지는 기존 중･저층 R/C 건축물의 내진대책(내진보강)은 시급하다고 사료된다.
Fig. 1. Shear failure of R/C columns in the 2017 Pohang earthquake (AIK 2018)(4)
한편, 지난 30년간 기존 R/C 건축물에 대한 내진성능 향상에 관한 연구가 적극적으로 추진되었으며, 내진보강을 위한 다양한 공법이 개발되었다(FEMA
2000; SSRG 2008; Lee 2015; Hwang and Lee 2016; JBDPA 2017)(5,20,11,6). 이러한 내진보강 공법에는 진동제어 기술뿐만 아니라 극한내력 및 변형 능력을 향상시키는 기술이 포함된다.
기존 연구(AIJ 1968; Lee et al. 1995; FEMA 2000; Maeda et al. 2004; Lee 2010; JBDPA 2017)(2,14,5,16,10,8)에 의하면 비내진상세를 가지는 중･저층 R/C 건축물은 대부분 기둥의 후프간격이 약 30 cm 이상이며, 이는 전단파괴의 가능성이 매우 크다. 따라서
연성능력 향상을 위한 내진보강공법은 수평저항 내력이 부족한 비내진 건축물에 독립적으로 적용하는 것은 비효율적인 것으로 연구되었으며, 내진설계가 수행
되지 않은 중･저층 R/C 건축물의 내진성능 향상을 위해 극한내력을 증진시키는 내진보강기술이 더욱 효율적이며, 이러한 내력증진공법은 건축물 외부골조에
외부접합 형식으로 보강을 하면 거주자가 살면서 내진보강이 가능해져 경제적인 측면에서도 매우 유리하다고 보고하고 있다(Umemura 1973; SSRG
2008; Lee et al. 2009; Lee and Shin 2013)(22,20,15,13).
그러나, 내력을 향상시키는 기존 내진보강기술은 일반적으로 골조 내측에 전단벽을 신설하는 공법, K-형, V-형 등 다양한 철골 가새를 골조 내부에
시공하는 공법, R/C 단면을 증･타설하는 방법 등의 골조 내부 접합기술이 일반적이다. 이러한 내진보강 공법은 시공 시의 공간 확보가 제한되어 효용성이
저하되며, 기존 골조와의 접합부의 시공에 대한 정확성이 필요하며, 공기가 길어질 수 있다고 판단된다. 따라서 상기 단점을 해결 가능한 R/C 건축물의
내진취약성 개선에 적절하고 거주자가 살면서 내진보강이 가능한 신개념의 외부접합 내력증진형 내진보강공법의 제안이 시급하다.
본 연구에서는 종래의 내력증진형 내진보강공법의 단점을 보완･개선할 수 있는 신개념 외부골조형 내진보강공법 Novel Steel Frame(이하, NSF)
내진보강공법을 제안하였다. NSF 보강공법은 거주자가 살면서 내진보강 공사를 수행 할 수 있으며, 수평하중 저항능력 및 접합부 시공성이 우수하다.
또한 대상 건축물에 필요로 하는 내진보강량 계산이 간소한 내력증진형 내진보강법으로서, 전단에 의해서 파괴모드가 결정되는 내진설계가 수행되지 않은 중･저층
R/C 건축물에는 강도증진이 효과적으로 확보 가능한 내진보강법이다. 본 연구에서는 내진설계가 수행 되지 않은 R/C 건축물을 기반으로 하여 실물크기의
2층 1스팬 R/C 골조 실험체를 제작하여 NSF 공법의 내진보강 전과 후의 지진응답 극한내력, 연성능력 및 시간-변위이력 특성을 유사동적실험을 수행하여
평가하였다.
2. NSF 외부접합 내진보강법의 개요
NSF 외부접합 내진보강법은 내력증진형 내진보강공법의 하나로 기존 건축물의 전단력을 증진시켜 내진성능을 확보하는 공법이다. Fig. 2에는 본 연구에서 제안한 NSF 외부접합 내진보강법의 상세를 나타낸다.
Fig. 2. Detail of NSF strengthening method
Fig. 2에 의하면 내진보강용 H 형강(A), T형 연결플레이트(B), 스틸앵커플레이트(C), 고강도모르타르(D), 케미컬앵커(E), 스터드볼트(F) 및 기존
구조체(G)로 구성되어 있으며, 케미컬앵커(E)에 의해서 고정된 스틸앵커플레이트(C)와 용접접합 된 T형 연결프레이트(B)와 보강용 H-형강(A)이
볼트접합 되어 기존 골조와 보강재를 일체화 시키는 것이 주요 특징이다.
Table 1에는 NSF 내진보강법의 접합부 시공절차를 나타내며, Fig. 3에는 외부접합 NSF 보강법을 이용하여 내진보강된 시공의 이미지를 나타낸다.
Table 1. Construction sequence of NSF technique
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Procedure
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Construction procedure
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1
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Boring for connecting anchor-hall
|
|
2
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Embed of anchor and steel plate
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|
3
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Installation of T-plate and H-beam
|
|
4
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|
Welding between T-connection plate and steel anchor plate
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|
5
|
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Injection of high performance mortar
and finish
|
Fig. 3. Conceptual image of R/C frame strengthened with NSF Method
3. 실험개요
3.1 사용재료 및 특성
유사동적실험에 이용한 실험체의 설계용 콘크리트강도는 21 MPa이며, 3개의 공시체의 평균강도를 이용하여 평가하였다. 표준공시체 보정값은 측정된 압축강도의
97 %로 28일 평균 콘크리트강도는 21.4 MPa이다.
철근은 SD400(1종)이며, 기둥의 주근은 D16 및 D19, 후프(전단보강근)은 D10을 각각 이용하였다. KS B 0801(KATS 2017)(9)의 기준에 따라 철근 시험편(인장)을 3개씩 제작하였으며, UTM(universal testing machine)을 사용하여 속도 5 mm/min로
가력하여 시험을 수행하였다. 철근의 항복 및 인장강도는 D16 및 D19에서 평균값 491 MPa 및 731 MPa로, D10은 평균값 477 MPa
및 711 MPa로 결정되었다.
Fig. 4. Front and planar views of investigated building and frame selected for pseudo-dynamic
test
3.2 실험체 제작 및 변수
NSF 외부접합 보강법의 내진성능을 평가할 목적으로 Fig. 4에 나타낸 내진설계가 수행되지 않은 기존 3층 R/C 건축물의 골조를 선정하였으며, 건물 층고는 3.3 m, 콘크리트 설계용 압축강도는 21 MPa이다(MOE
and KIEE 2011)(17). Fig. 4에 나타낸 것과 같이 유사동적실험 대상은 R/C 건축물의 외부 2층 1스팬의 실물골조로써, 1층 및 2층의 보는 KDS 41(MOLIT 2019)(18)에 근거한 슬래브 유효폭을 고려한 T-형보로 제작하였다. Fig. 5에는 기존 골조의 배근상세를 나타낸다. 유사동적실험에서는 Fig. 6에 나타내는 것처럼 NSF 내진보강공법으로 보강한 골조실험체 1개 및 NSF 내진보강골조와의 비교를 위하여 비보강 골조 실험체 1개 총 2개의 골조
실험체를 제작하여 실험을 수행하였다.
유사동적실험 시 이용한 입력지진동은 내력이 0.5(전단력계수) 미만인 R/C 건축물을 대상으로 선정한 10개의 역사지진파의 지진응답 연성률에 대한
Lee(2010)(10)의 연구결과를 바탕으로 가장 큰 지진응답변위를 보여준 Hachinohe(EW)를 선정하였다. 지진입력가속도는 상기 Hachinohe(EW) 지진파를
200, 300 및 400 cm/$s^{2}$의 크기로 표준화하였다. 200 및 300 cm/$s^{2}$는 현행 KDS 41(MOLIT 2019)(18)에서 나타낸 2400년 재현주기 지진의 2/3 수준의 지진구역-1, 지반종류 S4 및 S5에 대응하는 지진규모이다. 또한 400 cm/$s^{2}$의
지진수준은 대규모 지진발생 시의 본 연구에서 제안한 HSF 내진보강법의 내진보강효과도 검토할 목적으로 설정으로 것으로서 이것은 2400년 재현주기
지진에 대응한다. 축력은 실제 2개의 기둥에 생기는 100 톤을 분배하여 각 기둥에 일정한 50 톤 축력을 가력 하였다. Table 2에는 실험체의 변수를 나타낸다.
3.3 NSF 내진보강공법의 접합부 설계
JBDPA(2017)(8)에서 규정한 앵커식을 준용하여 NSF 외부접합 내진보강법의 접합부 앵커 종류, 매입깊이, 간격을 계산하였다. 결과를 Table 3에 나타낸다.
Table 3에 의하면 접합부 앵커는 직경이 16 mm, 단부간격은 290 mm(2단 배열)이며, 중앙부는 290 mm, 255 mm(2단 배열) 간격의 교차
배치이다. 1개 기둥의 앵커 수는 주각 및 주두의 단부(0.2LC: LC는 기둥길이)에 6개, 일반부(0.6$L_{C}$) 14개, 합계 26개이다.
보 앵커수는 총 20개로 계산되었으며, R/C 골조를 포함하여 NSF 외부접합 내진보강법의 보강프레임 횡하중 저항능력 대비 약 11배 이상, 일반부에서
약 1.3배 이상으로 NSF 외부접합공법의 보강프레임은 기존 R/C 골조와 일체적으로 지진에 거동가능하다고 판단된다.
Fig. 5. Details of control specimen (PD-RC specimen)
Fig. 6. Detailed configuration of test specimen
Table 2. Summary of specimens
|
Specimens
|
Experimental methods
|
Retrofitting types
|
Earthquake levels (cm/$s^{2}$)
|
|
PD-RC
|
Pseudodynamic
|
-
|
200
|
|
PD-NSF
|
Pseudodynamic
|
NSF
|
200/300/400
|
|
Notation
|
PD
①
|
-
|
RC
NSF
②
|
① PD: Pseudodynamic test
② RC: RC frame without strengthening
NSF: RC frame retrofitted by NSF method
|
Table 3. Results of anchor design for NSF joint
|
Members
|
Location
|
$N^{3)}$
|
$ΣP^{4)}$
(kN)
|
$Σ f_{anchor}^{5)}$
(kN)
|
Safety factor
|
|
Beam
|
0.2$L_{B}^{1)}$
|
4
|
15.29
|
174.56
|
11.42
|
|
0.6$L_{B}^{1)}$
|
12
|
232.4
|
313.92
|
1.35
|
|
Columns
|
0.2$L_{C}^{2)}$
|
6
|
15.29
|
261.84
|
17.13
|
|
0.6$L_{C}^{2)}$
|
14
|
195.71
|
366.24
|
1.87
|
|
1)$L_{B}$: beam length, 2)$L_{C}$: column length
3)$N$: number of anchors
4)$ΣP$: the lateral load capacity of a frame
5)$Σf_{anchor}$: shear capacity of installed anchors
|
4. 유사동적실험의 개요 및 실험방법
4.1 유사동적실험의 개요
건축물의 비선형지진응답을 평가하기 위해 사용되는 실험기법으로는 진동대실험(shaking table test), 준정적실험(quasistatic test)
및 유사동적실험(pseudodynamic test)으로 대별할 수 있다(Umemura 1973)(22). 진동대실험은 건축물 지진거동을 파악하기 위해서 가장 효과적인 실험기법이 되겠으나, 진동대의 크기와 용량에 의해서 실험체의 크기와 중량이 제약을
받기 때문에 대다수 축소모형이 사용되고 있다. 이것에 의해서 실제 건축물과 상사성 문제가 생기게 된다. 결과적으로 상기 제약조건으로 인하여 실물크기
건축물의 비선형거동을 파악하기 위해서 하중 또는 변위로 제어하는 준정적실험이 사용되고 있다.
한편, 유사동적실험은 준정적 실험 및 진동대 실험의 장점을 결합시켜 개발하였다(Takanashi et al. 1980)(21). 유사동적실험은 실험과 수치적동적해석이 서로 혼합되어 내진실험이 수행되는 복합 실험법이다. 후술하는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이, 유사동적실험은 수치계산 부분(컴퓨터)과 실험체의 가력실험 부분으로 이루어져 있으며, 컴퓨터 수치계산 부분은 가력 실험 부분에서
계측 된 특정한 변위에 대한 실험체의 지진응답량, 입력 지진가속도 및 현재 스텝에서의 지진응답량을 바탕으로 수치적분법을 이용하여 운동방정식을 계산하여,
다음 스텝의 지진응답변위를 계산한다. 가력실험은 응답변위를 액추에이터(actuator)의 가력장치에 의하여 실험체에 강제하며 그때의 변위를 계측한다.
상기의 조작을 반복하는 것에 의해서 실험체에 유사적인 지진응답변위를 강제하면서, 컴퓨터에 의하여 지진응답을 산정하여 대상 실험체(건축물)의 지진응답을
계산한다.
Fig. 7. Pseudo-dynamic test system proposed in this study
유사동적실험에서는 건축물에 제어될 변위가 실험 중에 수치 해석적으로 결정된다는 점을 제외한다면 준정적실험과 유사하며, 일반적인 비선형동적해석에 의한
지진응답 계산 시에는 건축물의 복원력특성을 가정해야 하지만, 유사동적실험에서는 복원력에 관한 정보를 실험체로부터 직접 계측하여 획득함으로서 실제의
지진응답 특성과 유사한 효과를 창출가능하다.
4.2 유사동적실험 시스템 및 방법
본 연구에서 제한한 유사동적 실험시스템을 Fig. 7에 나타낸다. Fig. 7과 같이 유사동적 실험시스템은 제어용 컴퓨터에 의한 수치계산 및 실험체의 가력실험 부분으로 각각 이루어져있다. 수치계산 부분(제어용 컴퓨터)은 MTS사에서
개발된 Pseudodynamic Testing Program(MTS 1999)(19)을 사용하였으며, 가력실험 부분에서 LVDT(변위계)에 의하여 측정된 변위에 대한 실험체의 이력, 지진동 및 현재 스텝의 응답량을 바탕으로 수치적분법을
사용하여 운동방정식을 계산한다. 운동방정식의 수치적분에는 $\alpha$-method(MTS 1999)(19)를 이용하였으며, 계산･설정된 초기강성, 감쇠계수 및 질량을 바탕으로 다음 스텝의 지진응답변위를 계산한다.
한편, 수평용 지진응답변위는 1층 및 2층 1,000 kN 유압식 MTS 액추에이터를 이용하여 실험체에 가력하며, 축하중은 전술한바와 같이 실제 기둥
2개의 발생하는 1000 kN을 분배하여 각각의 기둥에 500 kN을 실험체 양쪽에 설치된 1000 kN 오일잭(Oil jack)을 이용하여 일정하게
가력 하였다.
지진하중의 크기는 제3장에서 기술한 바, 역사지진파의 지진응답특성 가운데 가장 큰 연성률을 보여준 Hachinohe(EW)를 선정하였으며, 가속도의
크기는 200, 300 및 400 cm/$s^{2}$의 크기로 각각 설정하여 Fig. 7에 나타낸 유사동적 실험시스템을 이용하여 NSF 내진보강공법의 내진보강효과를 평가하였다.
5. 실험 결과 및 분석
비교용 무보강실험체(PD-RC) 및 NSF 외부접합공법으로 내진보강 된 실험체(PD-NSF) 총 2개 실험체의 균열양상 및 파괴상황을 실험체 별로
나타내었고, 복원력 특성(하중-변위 곡선), 변위-시간이력곡선, 최대내력 및 변위 등을 분석하여 비교용 PD-RC 실험체 대비 NSF 외부접합 내진보강
PD-NSF 실험체의 보강효과를 검토하였다.
5.1 균열 및 파괴양상
5.1.1 비교용 무보강실험체(PD-RC)
비교용 PD-RC 실험체는 200 cm/$s^{2}$의 입력지진동에서 약 1.34초(변위: 3.3 mm)에서 기둥 하단부에 초기 휨균열이 발생하였다.
그 이후, 2.93초(변위: 45.6 mm)부터는 휨균열이 확장함과 동시에 기둥 상･하단부에 전단균열이 발생하였으며, 5.38초(변위: 66.5 mm)에서는
콘크리트가 심하게 박리되기 시작하였으며, 전단균열의 폭도 심각하게 증대하였다. 7.71초(변위: 70.5 mm)에서 최대변위를 나타냈으며, 최종적으로
1층 골조 하단부에서 전단파괴가 발생하여 최종 붕괴상황을 보였다. Fig. 8에는 PD-RC 실험체의 유사동적실험에 대한 최종상황(실험종료 10초 후)이다.
이는 내진설계가 수행 되지 않은 R/C 대상 건축물은 200 cm/$s^{2}$의 지진수준에서 대규모의 지진피해가 일어날 가능성이 있다는 연구결과(Lee
and Jung 2018)(12)와 일치한다. 이러한 결과는 내진설계가 수행되지 않은 R/C 건축물의 내진보강 필요성을 나타내어 주는 근거 자료로서 활용가능하다고 사료된다.
5.1.2 NSF 보강실험체(PD-NSF)
NSF 외부보강법으로 내진보강 한 PD-NSF 실험체의 200 cm/$s^{2}$의 결과를 나타낸 Fig. 8에 의하면 PD-NSF는 약 1.96초(변위: 4.26 mm) 정도에서 기둥 하단부에 미세한 초기 휨균열이 발생하였으며(Fig. 9(a)), 2.32초(변위: 8.1 mm) 이후 휨균열의 수가 약간 증가하였으나(Fig. 9(b)), 동일하게 균열정도는 미세하였다. 최대응답을 나타낸 6.87초(변위: 23.16 mm)에서도 미세 전단균열도 발생하였다(Fig. 9(c)). 유사동적실험은 10초 동안 실시되었으며, 결과적으로 NSF 외부보강공법으로 내진보강 한 실험체는 무보강 실험체가 전단파괴를 일으킨 200 cm/$s^{2}$의
지진에 대해서는 미세한 휨균열 및 전단균열 정도가 관찰(Fig. 9(d))되어 본 연구에서 제안한 NF 외부보강공법의 내진보강성능이 검증되었다고 사료된다.
한편, 300 cm/$s^{2}$의 입력지진동에 대한 결과를 나타낸 Fig. 10에 의하면, 2.68초(변위: 34.75 mm) 이후 휨균열의 수는 200 cm/$s^{2}$에 비교해서 증가하였고, 최대응답이 나타난 6.34초(변위:
40.76 mm) 이후에도 휨균열과 미세 전단균열이 발생하여 300 cm/$s^{2}$의 지진에 대해서도 NSF 외부보강공법의 내진보강성능이 검증되었다고
판단된다.
Fig. 8. Test results of PD-RC specimen (200 cm/$s^{2}$, final stage: 10 sec)
Fig. 9. Test results of PD-NSF specimen (200 cm/$s^{2}$)
2400년 재현주기 지진을 상정한 대지진 규모 400 cm/$s^{2}$의 입력지진동에 대한 결과를 나타낸 Fig. 11에 의하면, 휨균열 및 전단균열의 발생정도가 상기 300 cm/$s^{2}$보다 크며, 균열폭도 증대하였으나, 기존 내진설계가 수행되지 않은 R/C
건축물을 대상으로 NSF 외부보강법으로 내진보강 한 PD-NSF 실험체는 기존 연구결과(Maeda et al. 2004; JBDPA 2017)(16,8)에 의하면 약 400 cm/$s^{2}$의 지진동에서 중규모정도의 지진피해가 예상된다고 사료된다.
Fig. 10. Test results of PD-NSF specimen (300 cm/$s^{2}$)
Fig. 11. Test results of PD-NSF specimen (400 cm/$s^{2}$)
5.2 최대 지진응답 하중 및 변위
지진하중 200 cm/$s^{2}$ 대한 PD-RC 무보강 실험체, 지진하중 200 cm/$s^{2}$, 300 cm/$s^{2}$ 및 400 cm/$s^{2}$
대한 PD-NSF 내진보강 유사동적 실험체에 대한 최대 지진응답 하중 및 변위에 관한 결과를 지진피해규모 및 파괴모드와 비교하여 Table 4에 나타내었다.
PD-RC 무보강 실험체의 유사동적실험 결과에 의하면 지진하중 200 cm/$s^{2}$에서는 1층에서 223.1 kN(변위 50.5 mm)의 지진응답
최대값을 나타내었으며, 지진피해 규모는 JBDPA (2017)(8) 및 Maeda et al.(2004)(16)에 의하면 붕괴수준의 지진피해라고 사료된다.
한편, PD-NSF 내진보강 실험체의 200 cm/$s^{2}$인 경우는 1층에서 482.9 kN(변위: 23.1 mm)의 최대 지진응답 전단력을
나타내었으며, 300 cm/$s^{2}$에서는 656.9 kN(변위: 40.1 mm)의 지진응답 최대값을 나타내었다. 400 cm/$s^{2}$에서는
837.7 kN(변위: 67.4 mm)의 지진 응답 최대값을 나타내었다. 결과적으로 NSF 내진보강공법으로 내진보강 한 실험체는 200 cm/$s^{2}$의
지진에 대해서는 미세한 휨균열, 300 cm/$s^{2}$ 지진에 대해서는 소규모 휨 및 전단균열, 400 cm/$s^{2}$의 지진에 대해서는 중규모
전단균열이 관찰되어 본 연구에서 제안한 NSF 내진보강공법의 보강유효성이 검증되었다고 사료된다.
Table 4. Comparisons of maximum response strength, maximum response displacement and
earthquake damage degree, together with failure mode
|
Specimen
|
EQ levels
(cm/$s^{2}$)
|
Maximin response strength
$V_{u}$ [kN]
|
Maximum response displacement
$\delta_{u}$ [mm]
|
Damage degree1)
[Failure mode]
|
|
PD-RC
|
200
|
223.1
|
50.5
|
Collapse
[Shear collapse]
|
|
PD-HSF
|
200
|
482.9
|
23.1
|
Light
[Flexural crack]
|
|
300
|
656.9
|
40.1
|
Small
[Shear crack]
|
|
400
|
837.7
|
67.4
|
Moderate
[Shear crack]
|
|
1)Earthquake damage degree was estimated based on research results of JBDPA (2017)
and Maeda et al. (2004)[8,16]
|
5.3 하중-변위관계 및 변위-시간이력 결과의 비교 및 분석
200 cm/$s^{2}$에 대한 PD-RC 실험체의 1층 하중-변위 곡선 및 200 cm/$s^{2}$, 300 cm/$s^{2}$ 및 400 cm/$s^{2}$에
대한 NSF 내진보강 실험체 1층 하중-변위 곡선을 비교하여 Fig. 12에 나타내었다. Fig. 13에는 PD-RC 실험체(200 cm/$s^{2}$) 및 NSF 보강실험체(200 cm/$s^{2}$, 300 cm/$s^{2}$ 및 400 cm/$s^{2}$)에
대한 1층의 지진응답 변위-시간이력 곡선을 비교하여 나타내었다.
Fig. 12. Comparison of response shear force-story drift relations
Fig. 13. Comparison of response story drift-time history relations
Table 5에는 NSF 외부접합 보강실험체와 기준실험체의 200 cm/$s^{2}$, 내진보강 실험체 200 cm/$s^{2}$, 300 cm/$s^{2}$
및 400 cm/$s^{2}$ 실험결과 가운데 지진응답강도비 및 변위비를 비교하여 각각 나타내었다.
Fig. 12, Fig. 13 및 Table 5에 의하면, 비교용 기준실험체가 대규모 피해를 나타낸 Hachinohe(EW) 200 cm/$s^{2}$ 대비 NSF 내진보강실험체는 200 cm/$s^{2}$의
입력지진동에서 약 2.1배, 300 cm/$s^{2}$의 입력지진동에서는 약 2.94배 정도, 400 cm/$s^{2}$의 입력지진동에서는 약 3.75배의
지진응답 내력이 증가하였다. 변위응답은 200 cm/$s^{2}$에서 0.45배, 지진하중이 증가함에 따라 내진보강공법의 효과(변위억제)가 증대하여,
300 cm/$s^{2}$에서 0.79배, 입력지진동이 큰 400 cm/$s^{2}$에서는 1.33배의 결과를 나타내었다.
실험결과는 비보강 실험체에 대비 동일가속도 200 cm/$s^{2}$에 NSF 보강실험체 최대내력은 약 2배를 증가하였고 최대하중 시의 변위는 약
55 %으로 억제되어 지진에너지를 소산할 수 있는 능력이 증가하여 NSF 외부접합 내진보강공법의 내진보강의 효과를 확인할 수 있다.
Table 5. Comparisons of response strength and displace-ment
|
Specimen
|
EQ
levels
(cm/$s^{2}$)
|
Response
strength
|
Response displacement
|
|
$V_{u}^{1)}$
[kN]
|
$R_{s}^{2)}$
|
$\delta_{u}^{3)}$
[mm]
|
$R_{d}^{4)}$
|
|
PD-
RC
|
200
|
223.1
|
1.00
(223.1/223.1)
|
50.5
|
1.00
(50.5/50.5)
|
|
PD-
NSF
|
200
|
482.9
|
2.16
(482.9/223.1)
|
23.1
|
0.45
(23.1/50.5)
|
|
300
|
656.9
|
2.94
(656.9/223.1)
|
40.1
|
0.79
(40.1/50.5)
|
|
400
|
839.9
|
3.75
(837.7/223.1)
|
67.4
|
1.33
(67.4/50.5)
|
|
1)Maximin response strength
2)Ratios of maximum response shear strength between strengthened and control specimens
in terms of earthquake intensities
3)Response displacement at maximum point
4)Ratios of response displacement between strengthened and control specimens in terms
of earthquake intensities
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6. 결 론
본 연구에서는 종래의 내력향상형 내진보강법의 단점을 극복할 수 있는 신개념 내진보강공법인 NSF(Novel Steel Frame) 외부접합 내진보강법을
개발하였으며, NSF 외부접합법의 보강효과를 검토 할 목적으로 내진설계가 수행 되지 않은 중･저층 R/C 건축물의 2층 골조를 이용하여 유사동적실험을
수행하였다. 연구결과는 다음과 같다.
1) 무보강 유사동적실험체는 Hachinohe(EW) 입력지진동 200 cm/$s^{2}$에서는 최종적으로 전단파괴를 나타내었으며, 이는 대상 건물인
기존 비내진상세를 가지는 철근콘크리트 건물은 대규모 지진피해가 발생할 가능성이 있으며, 내진보강의 필요성을 보여주는 중요한 근거 자료라고 판단된다.
2) NSF 외부접합 보강실험체의 Hachinohe(EW) 입력지진동 200 cm/$s^{2}$인 경우는 23.1 mm(내력: 482.9 kN)에서
최대 지진응답변위를 나타내었으며, 미세한 휨균열만 발생하였다. 또한, 300 cm/$s^{2}$의 지진에 대해서는 최대변위 40.1 mm(656.9
kN)를 나타내었으며, 휨 및 전단균열이 소규모로 발생하였다. 한편 400 cm/$s^{2}$의 지진에 대해서는 최대변위 67.4 mm(837.7
kN)를 나타내어, 300 cm/$s^{2}$에서 발생한 균열 대비 휨 및 전단 균열은 증가하였으나, 그 정도는 중규모였다.
3) 무보강실험체와 비교하여 NSF 외부접합형 내진보강법은 200 cm/$s^{2}$의 입력지진동에서 약 2배, 300 cm/$s^{2}$의 입력지진동에서는
약 3배, 400 cm/$s^{2}$의 입력지진동에서는 약 3.8배 정도 지진응답 내력이 증가하여 전형적인 강도증진형 내진보강법이라고 사료된다. 한편,
내진보강 실험체는 동일 하중(200 cm/$s^{2}$)에 대한 지진응답변위는 약 50 % 정도로 억제되었으며, 지진에너지를 흡수할 수 있는 능력이
증대되어 본 연구에서 제안한 NSF 내진보강공법의 유효성을 확인 할 수 있다.
4) NSF 보강공법은 거주자가 살면서 내진보강 공사를 수행 할 수 있으며, 수평하중 저항능력 및 접합부 시공성이 우수하다. 또한 대상 건축물에 필요로
하는 내진보강량 계산이 간소한 내력증진형 내진보강법으로서, 전단에 의해서 파괴모드가 결정되는 내진설계가 수행되지 않은 중･저층 R/C 건축물에는 강도증진이
효과적으로 확보 가능한 내진보강법이라고 판단되며, 그 유효성이 유사동적실험에 의해서 검증되었다고 사료된다.
5) 향후 NSF 외부접합 내진보강법의 상용화를 위하여 필요로 하는 내진보강량 계산법, 이력특성 제안, 내진보강 설계법 등을 제안하는 것이 필요하며,
또한 NSF 외부접합 내진보강법으로 보강한 내진설계가 수행되지 않은 R/C 건축물 전체를 대상으로 비선형동적해석을 수행하여 NSF 내진보강법의 실효성을
상세하게 평가할 필요성이 있다고 판단된다.
감사의 글
이 연구는 2020년도 행정안전부 극한재난대응기반기술개발사업(2020-MOIS31-012)의 지원을 받아 수행된 연구임.
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