2.1. CFCC 개요

CFCC는 탄소섬유와 열경화성 수지를 복합화하여 성형한 케이블로서, 일본 토쿄로프 (Tokyo Rope)에서 최초로 개발 하였다 (^{TOKYO ROPE, 2013}). Fig. 1에는 단말정착부를 가지는 CFCC의 표준형상을 나타낸다. 탄소섬유의 우수한 소재성능을 최대한 발휘하게 하였기 때문에 고강도 (PC강에 의한 선재보다 동등이상의 강도를 가짐), 고탄성 (PC강에 의 한 선재와 거의 동일한 탄성율을 가짐), 경량 (비중은 1.5이 며, 강재의 약 1/5배), 고내식성 (산 및 알칼리에 우수한 내 식성을 가지고 있음), 비자기성, 저선팽창성 (선팽창계수는 강재의 약 1/20배), 유연성 (선재에 가깝기 때문에 용이하게 코일감기가 가능함), 고인장 피로성능 (PC강에 의한 선재를 상회하는 피로성능을 가지고 있음) 등의 특징을 가지고 있다 (^{TOKYO ROPE, 2013}).

Fig 1.

Standard Shape of CFCC (^{TOKYO ROPE, 2013})

Fig. 2에는 표준 CFCC의 하중-변형곡선을 강재용 PC에 의한 선재 및 AFRP와 비교하여 나타내었다 (^{TOKYO ROPE, 2013}). 상기 그림에 의하면 CFCC의 하중-변위관계, 즉 탄성율은 AFRP보다는 약 2배 이상 크며, 강재용 PC에 의한 선재와 거의 동일한 특성을 보여주고 있어 탄성율이 우 수하다는 사실을 알 수가 있다. Table 1에는 표준 CFCC의 단면형상의 상세 및 주요한 재료특성을 나타낸다. Table 1에 나타낸 바와 같이 CFCC의 탄성계수는 130-160 kN/mm²의 범위이며, 후술하는 본 연구에서 이용한 CFCC (1×7-15.2 φ) 의 파단하중은 270 kN정도로서 단위 길이 당 중량대비 상당 한 파단하중을 가지고 있다는 사실을 알 수 가 있다. 한편, CFCC가 적용된 구조물은 주로 부식환경에 놓여있는 구조물 의 보강, 즉 해양, 온천 산성지역의 구조물, 고내식성 그라운 드 앵커, 비자성 구조물 보강, 경량화에 의한 케이블의 처짐 저감, 저선팽창율의 고려한 부재, 경량화에 의한 시공성 향 상 등 지금까지의 CFCC 적용분야는 주로 토목분야에 집중 되어 있다 (^{TOKYO ROPE, 2013}).

Table 1.

Standard Specification of CFCC

Designation (Configuration and diameter)		D (mm)	ECS (mm2)	GC (kN)	NMD (g/m)	TM (kN/mm2)
	U 5.0φ	5.0	15.2	38	30	167
	1×7-7.5φ	7.5	31.1	76	60	155
	1×7-10.5φ	10.5	57.8	141	111	155
	1×7-12.5φ	12.5	76.0	184	145	155
	1×7-15.2φ*	15.2	115.6	270	221	155
	1×7-17.2φ	17.2	151.1	350	289	155
	1×19-20.5φ	20.5	206.2	316	410	137
	1×19-25.5φ	25.5	304.7	467	606	137
	1×19-28.5φ	28.5	401.0	594	777	137
	1×37-35.5φ	35.5	591.2	841	1,185	127
	1×37-40.0φ	40.0	798.7	1,200	1,529	145

D: Diameter,

ECS: Effective Cross Sections,

GC: Guaranteed Capacity,

NMD: Nominal Mass Density,

TM: Tensile Elastic Modulus.

* CFCC used in this study.

Fig 2.

Load-Elongation Curve of Standard CFCC (^{TOKYO ROPE, 2013})

본 연구에서는 상기 CFCC의 우수한 재료 강도특성과경량 성 등을 고려하여 CFCC X-브레이싱을 이용한 기존 중∙저 층 RC 건물의 내진보강 공법을 개발하였다.

2.2. CFCC X-브레이싱 내진보강 공법의 특징

Fig. 3에는 본 연구에서 제안한 CFCC X-브레이싱을 이용 한 기존 RC 건물의 내진보강공법을 나타낸다. Fig. 3에 나타 낸 바와 같이 평판형 (Flat Plate Type) 및 돌출형 (Nonembeddable Type) 2가지 공법을 제안하였으며, CFCC를 수 평하중에 저항 할 수 있는 X-브레이스 형태로 시공하고, 그 단부를 접합용 철물로 기계적으로 고정시킴과 동시에 최종 적으로 볼트식 방법으로 긴장시켜 기존의 구조물을 내진보 강하는 방법이다.

Fig 3.

Seismic Strengthening Method using CFCC X-Bracing

CFCC 평판형 및 돌출형 내진공법은 양쪽 다 CFCC의 시 공상에 발생할 수 있는 처짐을 효과적으로 조절할 수 있는 나사식 접합방법이며, 건축물의 입면형태에 따라서 공법을 선택할 수 있다. 평판형 및 돌출형 철판은 기존 보부재를 코 어링해서 약 30 φ의 홀 (hall)을 낸 후 주 구조부재와 체결하 는 방식이다.

CFCC를 이용한 X-브레이스 내진보강공법의 특징은 기존 강재 브레이스 보강법 대비 접합부시공, 표면처리 등의 사전 준비가 간단하며 중량증가가 거의 없는 것이 특징이다. 또한, 경량이므로 인력으로 운반 및 시공이 가능하며, 기초공사가 필요 없으며 간단하게 조립해서 시공하기 때문에 건물 사용 중에도 내진보강이 가능한 점 등 현장시공성이 우수하고 중 량 및 체적 대비 큰 강도 (인장)가 발휘된다. 또한, CFCC의 직경을 변경함으로서 다양한 인장내력을 발휘시킬 수가 있 어서 내진보강 목적에 대응한 내진보강이 가능하다. 특히, 전술한 바 CFCC는 유연성을 가지기 때문에 기존 강재브레 이스 내진보강법이 가지는 압축 좌굴거동이 생기지 않는 특 징을 가지고 있다.

3.1. 사용재료 및 특성

구조실험에 사용된 기둥실험체의 콘크리트 압축강도는 21 MPa로, 3개의 공시체 평균값으로 표준공시체 보정값은 측정 된 압축강도의 97%로 28일 평균압축강도 23 MPa를 확인하 였다. 사용한 철근은 1종 SD300이며, 기둥의 주근은 D13, 전단 보강근은 D6을 사용하였다. 이음성능 평가 실험체에 사용된 철근의 재료적 특성을 파악하기 위하여 KS B 0801 (금속재료 인장시험편)의‘라’호의 규정에 따라 철근 인장시 험편을 각각 3개씩 제작하여 만능시험기 (U.T.M.)를 이용하 여 가력속도 5 mm/min로 인장시험을 진행하였다. 시험결과 철근의 항복강도와 인장 강도는 D13의 경우 평균 518 MPa, 752 MPa로, D6의 경우 평균 472 MPa, 700 MPa로 나타났다.

한편, CFCC는 Table 1 및 Fig. 3c에 나타낸 것처럼, 일본 도쿄로프 (Tokyo Rope)의 ES 타입 (단말 정착부)의 1×7-15.2 φ 로서 직경은 15.2 mm, 유효단면적은 115.6 mm², 보증파단 하중 (최대 인장강도)은 270 kN, 단위길이당 질량은 221 g/m, 탄성계수는 155 kN/mm²이다.

3.2. 실험체 제작 및 변수

CFCC X-브레이스 내진보강공법의 내진성능 효과를 검증 할 목적으로 비내진상세를 가지는 국내 기존 RC 학교건물의 골조 (1980년대 다형 표준도면)를 선정하였으며, 실험골조로 서 기둥-보-징두리벽 (조적조)으로 구성된 대상학교의 외부 내측골조의 1층 부분이다. 층고는 330 cm, 설계용 콘크리트 강도는 21 MPa이며, 층수는 3층이다.

실험체는 실험실의 규모를 고려하여 약 60% 크기로 축소 된 1스팬 1층으로서, Fig. 4에 나타내는 것처럼 비보강 골조 실험체 1개, Fig. 3에 나타낸 CFCC 내진보강 실험체 2개 (평판형 및 돌출형) 총 3개의 골조 실험체를 각각 제작하였 다. 실험체 변수는 3개이며, Table 2에는 각 실험체의 일람 을 나타낸다.

Table 2.

Summary of the Specimens

Specimens	Strengthening material			Strengthening types	Joint method
RCFR	-			-	-
CFCC-1	CFCC 1×7 15.2 φ			Flat Plate Type	Screw System
CFCC-2	CFCC 1×7 15.2 φ			Non-embeddable Type	Screw System
Notation	RCFR CFCC ①	-	1/2 ②	RCFR: Control specimen without CFCC X-bracing CFCC: Carbon Fiber Composite Cable CFCC X-bracing (Flat Plate Type) CFCC X-bracing (Non-embeddable Type)

Fig 4.

Detail of the Control Specimen

기둥 단면은 가로와 세로 210×300 mm인 장방형으로 계 획하였으며, 기둥의 주근은 10-D13, 띠근은 D6@180이며, 기둥의 순길이 (Clear Span)는 1680 mm, 전단 경간비는 5.6 이다. 골조의 보는 내진보강 목적으로 제작을 하였으며, 상 부의 스터브와 일체거동을 하도록 Fig. 4와 같이 계획하였다. 기둥 상부에는 스터브를 설치하여 기둥의 구속 효과가 고려 될 수 있도록 하였다. 스터브의 형상은 높은 강성에 의해 기 둥 거동에 영향을 주지 않는 형태를 선택하였으며, 시험 시 집중하중에 의한 균열 및 국부 변형이 생기지 않도록 철근보 강을 실시하였다.

Fig 5.

Experimental Configuration for Cyclic Loading Tests

한편, 기존 비내진상세를 가지는 RC 학교건물의 외부골조 에는 일반적으로 조적조 징두리벽체가 시공되어 있다는 사 실을 고려하여 본 실험체에서도 조적조 징두리벽체를 시공 하였다. 조적조 (시멘트벽돌)는 B형, 즉 길이는 190 mm, 나 비 90 mm, 두께 57 mm, 압축강도는 8 MPa이며, 실험체에 는 60% 축소라는 사실을 고려하여 480 mm 높이로 시공하 였다.

3.3. 실험방법

Fig. 5에는 실험체에 적용된 하중가력 방법을 나타낸다. Fig. 5와 같이 축력은 실제 기존 골조 (기둥 2개)에 가해지는 축하중인 438 kN을 배분하여 각각의 기둥에 219 kN을 실험 체 양쪽에 설치된 300 kN 액츄에이터를 이용하여 일정하게 가력 하였으며, 반력벽에 설치된 500 kN 액츄에이터를 이용 하여 변위제어 방식으로 수평하중을 가력 하였다. 횡 변위는 Table 3에 나타낸 것처럼 수평부재각 (R, %)에 따라서 R=2%까지 각 3 cycle씩 단계별로 점증 가력하였다.

Table 3.

Loading history

Step	1	2	3	4	5	6	7	8
R (%)	0.08	0.1	0.12	0.15	0.2	0.25	0.31	0.4
δ (mm)	1.34	1.68	2.10	2.63	3.36	4.2	5.25	6.72
Step	9	10	11	12	13	14	15	-
R (%)	0.49	0.62	0.79	1	1.24	1.54	2	-
δ (mm)	8.4	10.5	13.4	16.8	21	26.3	33.6	-

[i] R: Rotational angle of member, δ: Lateral drift

4. 실험결과 및 분석

4.1. 파괴양상 및 하중-변위곡선

4.1.1. 무보강 실험체 (RCFR)

무보강 실험체인 RCFR 실험체는 4 cycle (R=0.15%)의 정 가력에서 우측 기둥하단부에서 미세한 휨 균열이 발생하였고, 기둥 중앙부에서는 균열이 전혀 발생하지 않았다. 그 후 균열 은 점차 기둥중앙부로 확대되었으며, 7 cycle (R=0.31%)의 정가력에서 기둥 상부 중앙에 전단균열이 다수 발생하였다. 같은 사이클 부가력일 경우도 동일하게 상부 중앙에 전단균 열이 다수 발생하였다. 부재각이 증가 되면서 전단균열이 점 점 커지고, 전단 균열 수가 증가되었고, 폭 3 mm을 넘는 전 단균열이 다수 발생하였다. 14 cycle (R=1.54%)에서 기둥 양단부에 전단균열의 폭이 매우 커지면서 콘크리트 피복이 박리되었으며, 15 cycle (R=2%)에서 양기둥의 상부에 꽝하 는 소리와 함께 Fig. 6에 나타낸 것처럼 전단붕괴가 발생하 였다.

Fig 6.

Test Result of RCFR Specimen

Fig. 7에 RCFR 실험체의 하중-변위 곡선을 나타내었으며, Table 4에 정가력 및 부가력에 대한 최대하중 (V_max) 및 최 대하중 시의 변위 (δ_u)를 각각 비교하여 나타내었다. 상기의 그림 및 표에 의하면 RCFR 실험체는 정가력에서 최대하중 163 kN (변위 32.9 mm)에 도달하였으며, -160 kN 및 -33.6 mm인 부가력 경우와 큰 차이는 없었다. 실험체는 전형적인 전단파괴 및 전단붕괴를 나타내었으며, 이것은 대상 학교건 물이 비내진상세를 가지는 1980년대 건설된 학교건물의 파 괴모드 (전단파괴)를 나타내어 주는 매우 중요한 자료라고 판단된다.

Table 4.

Results of the Mechanical Characterization

Specimens	Positive		Negative		Final Failure Mode
	Vmax (kN)	δu (mm)	Vmax (kN)	δu (mm)
RCFR	163	32.9	-160	-33.6	Shear failure and Collapse
CFCC-1	263	33	-257	-26.2	Shear failure of columns
CFCC-2	275	31.2	-293	-32.3	Shear failure of columns

[i] V_max : Maximum shear strength, δ_u: Drift at the maximum point

Fig 7.

Load-Drift Curve of RCFR

4.1.2. 평판형 CFCC X-브레이스 실험체 (CFCC-1)

CFCC를 이용한 평판형 X-브레이싱 내진보강 실험체인 CFCC-1은 2 cycle (R=0.1%)의 정가력에서 기둥 상∙하단 부에 미세한 휨균열이 발생하였다. 그 이후 균열은 점차 증 가하였으며, 4 cycle (R=0.15%)에서 전단균열이 발생하기 시작하였다. 전단균열은 변위가 증가함에 따라 양 기둥 중앙 부로 확대되었고, 13 cycle (R=1.24%)에서 하중이 감소하기 시작하여 Fig. 8에 나타낸 것처럼 최종상태에 도달하였다.

Fig 8.

Test Result of CFCC-1 Specimen

Fig. 9에 CFCC-1 실험체의 하중-변위 곡선을 나타내었으 며, Table 4에 정가력 및 부가력에 대한 최대하중 (V_max) 및 최대하중 시의 변위 (δ_u)를 각각 나타내었다. 상기의 그림 및 표에 의하면 CFCC-1 실험체의 최대하중은 정가력에서 263 kN, 최대하중 시의 변위는 33 mm이며, -257 kN 및 -26.2 mm를 보여준 부가력인 경우와 큰 차이는 없었다. CFCC를 이용하여 평판형으로 내진보강한 CFCC-1 실험체도 최종적 으로 골조가 전단파괴하였으며, 평판형 CFCC X-브레이싱 내진보강법은 전형적인 강도보강법이라고 판단된다.

Fig 9.

Load-Drift Curve of CFCC-1

4.1.3. 돌출형 CFCC X-브레이스 실험체 (CFCC-2)

CFCC를 이용한 돌출형 X-브레이스 내진보강 실험체인 CFCC-2는 1 cycle (R=0.08%)의 정가력 및 부가력에서 기 둥 상∙하단부에 미세한 휨균열이 발생하였다. 그 이후 2 cycle, 3 cycle에서도 미세한 휨균열이 발생하였으며, 4 cycle에서 전단균열이 발생하기 시작하였다. 이후 전단균열은 10 cycle 까지 점차 증가하였으며, 전단균열은 변위가 증가함에 따라 양 기둥 중앙부로 확대되었고, 13 cycle (R=1.24%)에서 하 중이 감소하기 시작하여 Fig. 10에 나타낸 것처럼 최종상태 에 도달하였다.

Fig 10.

Test Result of CFCC-2 Specimen

Fig. 11에 CFCC-2 실험체의 하중-변위 곡선을 나타내었 으며, Table 4에 정가력 및 부가력에 대한 최대하중 (V_max) 및 최대하중 시의 변위 (δ_u)를 각각 나타내었다. 상기의 그림 및 표에 의하면 최대내력은 CFCC-1 실험체보다 약간 높지 만 (부가력에서 -293 kN) 큰 차이는 없었다. 돌출형 CFCC-2 X-브레이싱 내진보강 실험체도 CFCC-1 실험체인 평판형과 동일하게 골조가 최종적으로 전단파괴에 의해서 파괴모드가 결정되었다.

Fig 11.

Load-Drift Curve of CFCC-2

4.2. 내력 및 변위의 분석

Fig. 12에는 각각의 실험체의 정가력과 부가력 가운데 최 대내력 (극한하중)이 큰 값을 사용하여 그 하중-변위의 포락 곡선을 상호 비교하여 나타내었다. Table 5에는 최대강도 시 의 강도비 및 변위비를 나타낸 것으로서, 기준실험체 (RCFR) 대비 강도비를 나타낸다. 한편, 변위비는 기준실험체 대비 최대강도 시의 변위비를 각각 나타낸다.

Table 5.

Strengthening Effect and Drift Ratio

Specimens	Vmax (kN)	Strength Ratio	δu (mm)	Drift ratio
RCFR	16.3	1.00 (16.3/16.3)	32.9	1.00 (32.9/32.9)
CFCC-1	26.3	1.61 (26.3/16.3)	33.0	1.00 (33/32.9)
CFCC-2	29.3	1.8 (29.3/16.3)	32.3	0.98 (32.3/32.9)

[i] V_max : Maximum shear strength, δ_u: Drift at the maximum point

Fig 12.

Load-Drift for Envelope Curves

Fig. 12 및 Table 5에 의하면, 기준실험체 대비 평판형 CFCC X-브레이싱 내진보강 실험체 (CFCC-1)는 약 1.6배 정도, 돌출형 CFCC X-브레이싱 내진보강 실험체 (CFCC-2) 은 약 1.8배 정도 전단강도가 증가하였으며, 전단강도에 대 한 보강효과는 CFCC-1과 CFCC-2는 거의 유사하였다. 한 편, 변위비는 기준실험체, CFCC-1 및 CFCC-2 X-브레이싱 내진보강 실험체 모두 유사한 결과를 보여주었다.

상기와 같은 사실은 본 연구에서 개발한 평판형 및 돌출형 내진보강법 모두 기준실험체 대비 약 1.7의 강도가 증가하여 강도 보강효과가 우수한 공법이라고 사료되며, 변위비가 동 일하다는 사실을 고려한다면 전형적인 강도저항형 내진보강 공법이라고 사료된다.

5. 결 론

본 연구에서는 평판형 및 돌출형 CFCC를 이용한 X-브레 이싱 내진보강법을 제안하였다. 또한, CFCC X-브레이싱 내 진보강 공법의 내진보강 효과를 검증할 목적으로 비내진상 세를 가지는 국내 기존 RC 학교건물의 골조를 대상으로 실 험체를 제작하여 반복가력 구조실험을 실시하여 그 내진보 강 성능을 평가하였다. 연구결과를 정리하면 다음과 같다.

1. RCFR 실험체는 약 160 kN (변위 약 33 mm)에서 정 가력 및 부가력 모두 최대하중에 도달하였으며, 실험 체는 전형적인 전단파괴를 나타내었으며, 이것은 대상 학교건물인 비내진상세를 가지는 1980년대 건설된 학 교건물의 파괴모드 (전단파괴)를 나타내어 주는 매우 중요한 자료라고 판단된다.

2. 평판형 CFCC-1 X-브레이싱 실험체의 최대하중은 정 가력에서 263 kN, 최대하중 시의 변위는 33 mm이며, -257 kN 및 -26.2 mm를 보여준 부가력인 경우와 큰 차이는 없었으며, CFCC-1 실험체도 무보강 RCFR 실 험체와 동일하게 최종적으로 골조가 전단파괴하였다. 한편, 돌출형 CFCC-2 X-브레이싱 실험체의 최대내력 은 CFCC-1 실험체보다 약간 높지만 (부가력에서 -293 kN) 큰 차이는 없었으며, CFCC-2 실험체도 CFCC-1 실험체인 평판형과 동일하게 골조가 최종적으로 전단 파괴에 의해서 파괴모드가 결정되었다.

3. 본 연구에서 개발한 평판형 및 돌출형 CFCC X-브레 이싱 내진보강법 모두 기준실험체 대비 약 1.7의 전단 강도가 증가하여 강도 보강효과가 우수한 공법이라고 사료되며, 변위비가 동일하다는 사실을 고려한다면 전 형적인 강도저항형 내진보강공법이라고 사료된다.

4. CFCC를 이용한 X-브레이스 내진보강공법은 기존 강 재 브레이스 보강법 대비 접합부시공, 표면처리 등의 사전준비가 간단하며 중량증가가 거의 없는 것이 특징 이며, 경량이므로 시공성이 우수하며, 기초공사가 필요 없으며, 중량 및 체적대비 우수한 강도가 발휘될 뿐만 아니라 특히, CFCC의 직경을 변경함으로서 내진보강 목적 (강도 보강량)에 대응하여 내진성능을 쉽게 변화 시킬 수 있는 장점이 있다.

감사의 글

이 논문은 2013년도 정부 (교육부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임 (2013R1A1A2009761).

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Article Information (continued)

[

Research article

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Key words :

Keyword :

Carbon Fiber Composite Cable (CFCC)

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X-브레이싱

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철근콘크리트

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내진보강

Keyword :

중∙저층

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내진성능

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강도보강

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Carbon fiber composite cable

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X-bracing

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Reinforced concrete

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Seismic strengthening

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Medium and low-rise

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Seismic capacity

Keyword :

Strength strengthening

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