3.1. 사용재료 및 특성

구조실험에 사용된 실험체의 콘크리트 압축강도는 21 MPa 로, 3개의 공시체 평균값으로 표준공시체 보정값은 측정된 압축강도의 97%로 28일 평균압축강도 24 MPa를 확인하였 다. 사용한 철근은 1종 SD300이며, 부재의 주근은 D16, 전 단 보강근은 D10을 사용하였다. 이음성능 평가 실험체에 사 용된 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 D16의 경우 평균 518 MPa, 752 MPa로, D10의 경우 평균 472 MPa, 700 MPa로 나타 났다.

3.2. 실험체 제작 및 변수

RCSF 내진보강공법의 내진성능 효과를 검증 할 목적으로 비내진상세를 가지는 국내 기존 철근콘크리트 학교건물의 골조 (1980년대 다형 표준도면)를 선정하였으며, 대상 건물 의 층고는 330 cm, 설계용 콘크리트 강도는 21 MPa이며, 층수는 3층이다 (^{MOE and KIEE, 2011}).

실험대상 골조는 기둥-보-징두리벽 (조적조)으로 구성된 대상학교의 외부 내측골조의 1층 부분이며, 실험체는 실험실 의 규모를 고려하여 약 60% 크기로 축소된 1스팬 1층으로 써 Fig. 4 and 5에 나타내는 것처럼 RCSF 내진보강법의 내 진보강 효과를 유사동적실험을 이용하여 검증하기 위하여 유사동적 실험용 비보강 골조실험체 1개 및 후술하는 Fig. 7 에 나타낸 RCSF 내진보강법으로 보강한 골조실험체 1개를 각각 계획 및 제작하였다. 또한, 유사동적실험의 실험변수 산정 및 복원력특성 파악을 위하여 반복가력 실험용 비보강 골조실험체 1개를 동시에 제작하였다. 실험체 변수는 3개이 며, Table 2에는 각 실험체의 일람을 나타낸다.Fig. 6

Fig. 4.

Detail of the control specimen

Fig. 6.

Connection detail of RCSF method (columns)

기둥 단면은 가로(b)와 세로(D) 300×300mm인 장방형으 로 계획하였으며, 기둥의 주근은 8-D16, 띠근은 D10@250 이며, 기둥의 순길이는 1400mm로 계획하였고, 전단 경간비 는 4.7이다. 골조의 보는 내진보강 목적으로 제작을 하였으 며, 상부의 스터브와 일체거동을 하도록 계획하였다. 이것은 본 연구의 대상인 기존 비내진상세를 가지는 국내 학교건물 은 기존연구 (^{JBDPA, 2001}; ^{Lee et al., 2002}; ²⁰⁰⁹; ^{FEMA, 1998})에 의하면 기둥이 먼저 붕괴메커니즘에 도달하는 기둥 붕괴형으로 사료되기 때문이다.

보 상부에는 스터브를 설치하여 기둥의 구속 효과가 고려 될 수 있도록 하였다. 보 및 스터브의 형상은 강성이 충분히 커서 기둥의 거동에 영향을 주지 않도록 형태를 결정하였고, 실험 시 집중하중에 의한 균열 및 국부 변형이 생기지 않도 록 철근 보강을 하였다. 한편, 기존 학교건물의 외부골조에 는 일반적으로 조적조 징두리벽체가 시공되어 있다는 사실 을 고려하여 본 실험체에서도 Fig. 5에 나타내는 것처럼 조 적조 징두리벽체를 시공하였다. 조적조 (시멘트벽돌)는 B형, 즉 길이는 190mm, 나비 90mm, 두께 57mm, 압축강도는 8MPa이 며, 실험체에는 60% 축소라는 사실을 고려하여 480mm 높 이로 시공하였다.

Fig. 5.

Configuration of control specimen (with masonry spandrel wall)

3.3. RCSF 접합부의 설계

본 연구에서는 RCSF 외부접합형 접합부 앵커의 종류, 매 입깊이, 간격 등을 ^{JBDPA (2003)}에서 제안한 앵커 설계식 을 이용하여 결정하였다. Table 3에는 그 결과를 나타내며, Fig. 6에는 RCSF 내진보강재를 포함한 접합부 앵커의 상세 형상을 나타낸다.

상기 표 및 그림에 의하면 접합부 앵커는 직경(D)이 12mm, 간격은 150mm (2단배열)이다. 기둥 1개의 총 앵커수는 주두 및 주각 단부 (0.2L_c: L_c는 기둥길이) 각 12개, 일반부 (0.6L_c) 18개, 총 30개 이며, 보의 앵커수는 38개로 산정되었으며, 기존 골조 포함 RCSF 보강프레임 수평저항능력 대비 접합 부 강도는 단부에서 약 3.5배, 일반부에서 1.2배 높아 본 연 구에서 개발한 RCSF 보강프레임은 기존 골조와 일체적으로 지진하중에 거동이 하리라고 사료된다. Fig. 7에는 RCSF 내 진보강법으로 보강한 골조시험체의 형상을 각각 나타낸다.

Fig. 7.

Configuration of RC frame strengthened with RCSF

4.1. 유사동적실험의 개요

구조물의 비탄성 지진응답을 예측하기 위해 일반적으로 사용 되는 실험방법으로는 진동대실험 (Shaking table test), 준정적 실험 (Quasi-static test), 그리고 유사동적실험 (Pseudo-dynamic test) 등으로 분류할 수 있다 (^{Shibata, 2003}). 진동대실험은 구조물의 지진에 대한 거동을 알아보기 위해서 가장 효과적 인 실험방법이 되겠으나, 진동대의 크기, 용량에 따라서 실 험체의 무게와 크기에 대해 크게 제약을 받으므로 대부분 축 소모델이 사용되고 있으며, 이에 따라 실제 구조물과의 상사 성 문제가 발생하게 된다. 따라서, 이러한 제약조건으로 인 해 실물크기 구조물의 비탄성 거동을 평가하기 위해서 구조 물의 변위 또는 하중으로 제어하는 준정적실험이 많이 사용 되고 있다.

한편, 유사동적실험은 진동대 실험과 준정적 실험의 장점 만을 모아 개발되었다 (^{Hakuno et al., 1988}). 유사동적실험 은 실험과 수치적 해석이 서로 결합되어 실험이 진행되는 복 합 실험기법이다. Fig. 8에 나타낸 것처럼, 유사동적실험은 컴퓨터에 의한 수치계산 부분과 실험체의 가력실험 부분으 로부터 구성되며, 수치계산 부분은 가력 실험 부분에서 계측 된 특정 변형에 대한 실험체의 응답량, 입력 지진가속도 및 현 스텝의 응답량에 근거하여 수치적분을 이용하여 운동 방 정식을 계산하며, 다음 스텝의 응답변형을 산정한다. 한편, 가력실험은 그 응답변형을 액츄에이터 등의 가력 장치에 의 하여 실험체에 강제하며 그 때의 변위이력을 측정한다. 이상 의 조작을 반복하는 것으로 실험체에 유사적인 지진시의 응 답변형을 강제하면서, 컴퓨터에 의하여 지진응답을 계산하여 대상 구조물의 지진응답을 산정한다.

유사동적실험에서 구조물에 제어될 변위가 실험 중에 수 치 해석적으로 결정된다는 점을 제외하면 기존의 준정적실 험과 거의 유사하며, 보통 수치적인 동적 해석에 의한 지진 응답 예측 시에는 이력특성에 대한 가정이 필요하나, 유사동 적실험에서는 이에 관한 정보를 실험체로부터 직접 측정하 여 얻음으로서 실제 지진응답과 매우 유사한 효과를 얻을 수 있다.

4.2. 유사동적실험 시스템 및 방법

Fig. 8에는 본 연구에서 구축한 유사동적실험 시스템의 개 요를 나타낸 것으로서, 제어용 컴퓨터에 의한 입력지진동에 따른 수치계산 부분과 실험체의 가력실험 부분으로 구성된다. 제어용 컴퓨터에 의한 수치계산 부분은 MTS사 제공 Pseudodynamic Testing Program (^{MTS, 1999})을 이용하였으며, 가 력실험 부분에서 LVDT에 의하여 계측 된 변형에 대한 실험 체의 복원력, 입력 지진가속도 및 현 스텝의 응답량에 근거 하여 수치적분을 이용하여 운동방정식을 계산한다. 운동방정 식의 수치적분에는 α-method (^{MTS, 1999})를 이용하였으며, 후술하는 반복가력 실험결과에 근거하여 설정된 초기강성, 감쇠계수 및 질량 등에 근거하여 다음 스텝의 응답변형을 산 정한다.

Fig. 8.

Pseudo-dynamic test system

한편, 수평용 지진응답변형은 2000kN 유압식 MTS 액추 에이터에 의하여 실험체에 강제하며, 축력은 실제 기존 골조 (기둥 2개)에 가해지는 축하중, 즉 438kN을 배분하여 각각 의 기둥에 219kN을 실험체 양쪽에 설치된 1000kN 유압식 Actuator을 이용하여 일정하게 가력 하였다. 지진동의 크기 는 KBC 구조기준에 의해서 국내에서 발생 가능한 수준인 250cm/sec² (이하, gal) 및 300gal을 기본으로 설정하였으며, 대지진 시의 RCSF 내진보강법의 효과를 비교하기 위하여 400gal 및 500gal의 지반가속도도 또한 설정하였다. 입력지 진파은 건축구조물의 내진성능을 검증하기 위하여 널리 사 용되고 있는 El Centro (NS) 지진을 사용하여 유사동적 실 험을 실시하였다.

한편, 유사동적실험의 실험변수 산정 및 복원력특성 파악 을 위한 반복가력실험을 실시한 비보강 골조실험체, 즉 C-RC에는 역대칭 모멘트가 발생하도록 횡력을 가하는 액추에 이터의 가력점을 실험체의 상부 가력용 철골빔의 중심에 일치 시켰으며, 횡 변위는 수평 부재각(R)에 따라 1/2500, 1/1000, 1/500, 1/400, 1/300, 1/250, 1/200, 1/150, 1/100, 1/67, 1/50, 1/33, 1/20, 1/15, 1/10의 순서로 각 3cycle씩 단계별로 점증 가력 하였다.

5.1. 균열 및 파괴양상

5.1.1. C-RC (무보강 반복가력 실험체)

Fig. 9에는 C-RC실험체의 균열 및 최종파괴 상황을 나타 낸다. C-RC는 부가력 3cycle (R=1/500) 및 정가력 5cycle (R=1/300)에서 초기 미세 휨균열이 기둥의 상부 및 하부에 발생하였고, 기둥 중앙부에서는 균열이 전혀 발생하지 않았 다. 그 후 균열은 점차 기둥중앙부로 확대되었으며, 8cycle (R=1/200)의 정가력에서 기둥 상하부 및 중앙부에 전단균열 이 다수 발생하였다. 동일 사이클 부가력 경우도 동일하게 상하부 및 중앙부에 전단균열이 다수 발생하였다. 부재각이 증가 되면서 전단균열 폭이 점점 커지고, 전단 균열 수가 증 가되었으며, 폭 3mm을 넘는 전단균열이 다수 발생하였다. 횡변위가 약 21mm에 해당하는 10cycle (R=1/67)에서 기둥 양단부에 전단균열의 폭이 매우 커지면서 콘크리트 피복이 박리되었으며, 전단파괴가 최종적으로 발생하였다.

Fig. 9.

Test result of C-RC specimen

5.1.3. PD-RCSF (보강 유사동적 실험체)

RCSF 외부접합공법으로 내진보강 한 실험체인 PD-RCSF 는 300gal의 입력지진동에서 최대 지진응답변위가 발생한 약 2.57초 (변위: 8.8mm) 부근에서 기둥 상하단부에 미세한 초기 휨균열이 발생하였으며, 전단균열은 약 4.5초 (변위 : 7.32mm) 부근에서 발생하기 시작하였으나 균열정도는 미세 하였다. 한편, 400gal의 입력지진동에 대해서는 1.77초, 4.53 초 이후 전단균열의 수는 300gal에 비교해서 증가되었지만, 그 규모는 300gal과 거의 유사하여 400gal의 지진에 대해서 도 균열정도는 미세하여 RCSF 내진보강법의 유효성이 검증 되었다고 사료된다. Fig. 11에 나타낸 대지진을 상정 한 500gal의 입력지진동에 대해서는 전단균열의 발생정도가 상 기 400gal보다 크며, 균열폭도 또한 증대하였지만, Fig. 10에 나타낸 비보강 PD-RC실험체와는 대조적으로 중·소규모정 도의 균열이 발생하였다.

Fig. 10.

Test result of PD-RC specimen (300gal)

Fig. 11.

Test result of PD-RCSF specimen (500gal)

5.2. 최대 지진응답 하중 및 변위

Table 4에는 C-RC (무보강 반복가력 실험체), 입력지진동 250gal 및 300gal에 대한 PD-RC 비교용 무보강 유사동적 실 험체, 입력지진동 300gal, 400gal 및 500gal에 대한 PD-RCSF 내진보강 유사동적 실험체에 대한 최대응답 하중 및 변위에 대한 실험결과를 파괴모드 및 지진피해규모와 각각 비교하 여 나타내었다.

상기 표에 의하며 반복가력실험을 실시한 C-RC 실험체는 정가력에서 최대하중 311kN (변위 19.5mm)에 도달하였으 며, 부가력 경우와 큰 차이는 없었다. 실험체는 전형적인 전 단파괴를 보여주었다. 이는 대상 학교건물이 비내진상세를 가지는 1980년대 건설된 학교건물의 파괴모드를 나타내어 주는 매우 중요한 자료라고 판단된다. PD-RC 실험체, 즉 무 보강 비교실험체의 유사동적실험 결과에 의하면 입력지진동 250gal에서는 305kN (변위 11.9mm)의 지진응답 최대값을 나 타내었으며, 지진피해 규모는 ^{JBDPA (2001}; ²⁰⁰³) 및 ^{Maeda et al. (2004)}에 의하면 중규모 지진피해가 발생하였다고 판 단된다. 한편, 동일 실험체에 대한 300gal 입력지진동에서는 최대 지진응답 전단력 310kN (변위 16.7mm)을 보여주었으 며, 최종적으로 최대 지진응답을 나타낸 5.4초 부근에서 대 상골조는 전단파괴하였다.5

PD-RCSF 내진보강 실험체의 300gal인 경우는 362kN (변 위: 8.98mm)의 최대 지진응답 전단력을 나타내었으며, 결과 적으로 RCSF 외부접합 내진보강공법으로 내진보강 한 실험 체는 300gal의 지진에 대해서는 전술한바 미세한 전단균열정 도가 관찰되어 본 연구에서 제안한 RCS-S공법의 내진보강 유 효성이 검증되었다고 사료된다. 또한, 472kN (변위: 21.12mm) 의 최대 지진응답을 나타낸 400gal의 경우도 300gal과 거의 유사한 피해정도를 나타내어 RCSF 내진보강공법의 유효성 이 검증되었다고 판단한다.

한편, 대지진을 상정한 500gal의 입력지진동에서는 48.9tonf (26.1mm)의 최대 지진응답 전단력을 보여주었으며, 기존 비 내진 상세를 가지는 철근콘크리트 국내 학교건물을 대상으로 RCSF 외부접합 내진보강법으로 보강한 실험체인 PD-RCSF 는 ^{JBDPA (2001}; ²⁰⁰³) 및 ^{Maeda et al. (2004)}에 의하면, 약 500gal의 지진동에서 소규모정도의 지진피해가 예상된다 고 사료된다.

5.3. 하중-변위관계 및 최대 지진응답 결과 상호 비교·분석

Fig. 12에는 C-RC (무보강 반복가력실험)의 하중-변위 포 락곡선, 300gal에 대한 PD-RC 비교용 무보강 실험체의 하 중-변위 곡선 및 300gal, 400gal 및 500gal에 대한 PD-RCSF 내진보강 실험체 하중-변위 곡선을 각각 비교하여 나타내었 다. Fig. 13에는 반복가력 실험체 (C-RC)를 제외한 PD-RC 비교용 무보강 유사동적 실험체 (300gal) 및 PD-RCSF 내진 보강 유사동적 실험체 (300gal, 400gal 및 500gal)에 대한 지 지응답 변위-시간이력 곡선의 상호 비교하여 나타내었다.

Fig. 12.

Comparison of response shear force-story drift relations

Fig. 13.

Comparison of response story drift-time history relations

또한, Table 5에는 본 연구에서 제안한 RCSF 내진보강 실 험체와 기준실험체의 300gal 실험결과 가운데 내진성능 평 가에 주요한 요인인 강도비 및 변위비를 비교하여 각각 나타 내었다.

상기 그림 및 표에 의하면, 기준실험체 대비 RCSF 외부접합 형 내진보강법은 300gal의 입력지진동에서 약 1.17배, 400gal 의 입력지진동에서는 1.52배, 500gal의 입력지진동에서는 1.58배 정도 지진응답 내력이 증가하여 내진보강 효과는 탁 월하다고 사료된다. 이러한 결과는 최종 파괴상황을 비교한 Fig. 10 and 11에도 잘 반영을 하고 있다. 300gal에 대한 변 위 응답비는 약 0.54배, 400gal에 대해서는 1.27배, 500gal에 대해서는 1.56배를 나타내고 있다. 동일 하중 (300gal)에 대 한 지진응답변위는 약 50% 정도로 억제되었으며, 하중이 증 가함 (400gal, 500gal)에 따라 내진보강 공법의 효과가 증대, 즉 내력증가에 따라서 변위가 상승하여 지진에너지를 흡수 할 수 있는 능력이 증대되어 본 연구에서 제안한 RCSF 내 진보강공법의 유효성을 확인 할 수 있다.