1.1. 연구배경 및 목적

기존 공동주택은 대부분 벽식구조로서 평면의 가변성이 부족하고, 벽체에 의해 층간소음에 취약한 구조를 가지고 있 는 단점을 내포하고 있다. 따라서 그 해결책으로 최근에는 벽체가 없는 라멘조, 무량판 구조 등으로 대체하고자 하는 시도가 이루어지고 있으나, 라멘조, 무량판 구조는 기존 벽 식구조가 내력벽에 의존했던 내진성능과 동등하거나 그 이 상으로 유지할 수 있는 구조시스템이 요구되고 있다.

한편, 지진하중은 건축물의 설계에서 가장 영향력이 큰 하 중으로서, 많은 연구를 통하여 지진에 의해 건축물에 발생하 는 지진피해정도, 동적거동 등이 실험 및 해석적으로 파악 가능하게 되었다. 그에 따라 내진설계에 대한 필요성을 보다 명확하게 자각하게 되었으며, 이를 바탕으로 전 세계 많은 나라에서는 내진설계기준을 채택, 제정하여 실무에 적용하고 있다. 그러나 대부분의 내진설계는 기본적으로 지반 가속도 의 크기나 구조물의 중요성을 고려하여 구조물의 손상을 허 용하는 개념을 가지고 있기 때문에 지진의 규모, 크기에 따 라 지진 발생 후 피해 및 복구비용이 요구되고 있다.

또한, 내진기준 개정을 통해 적용대상구조물의 확대, 공동 주택, 학교시설, 병원 등과 같이, 인명 및 시설 안전에 대한 중요성에 따른 내진등급 상향에 의하여 기존 건축물에 대한 내진보강이 필요하며, 지진 시에도 기능이 온전히 지속되어 야 하는 중요 건축물에 대해서 내진설계 외에 별도의 강화된구조보강 및 내진보강이 요구되고 있다.

상기와 같은 사회적 요구와 지진에 대해 보다 적극적인 구 조물의 안정성 확보를 위하여 최근 내진설계에 제진구조가 도입 활용되고 있다. 미국 ^{ASCE7-10 (2010)}에서는 제진시 스템과 지진 저항시스템으로 구분하여 제진구조를 적용할 수 있는 설계절차가 반영되어 있으며, 국내 KBC 위원회에 서도 면진·감쇠구조를 포함한 제진시스템을 구조설계시 반 영할 수 있도록 기준정비를 추진하고 있다.

건축, 토목 구조물과 같이 규모와 질량이 매우 큰 구조물 에 대해 적정 수준 이상의 제진효과와 내진성능개선을 보장 하기 위해서는 제진장치의 크기와 용량 또한 그에 비례해서 커져야한다. 하지만 대부분 제진장치 설치 위치가 매우 협소 한 공간으로 제약되기 때문에 크기 대비 고 효율성을 보유해 야한다. 또한, 지진 규모에 따라 구조물에 발생하는 수 밀리 미터 수준의 응답에서부터 대 변형에 대응하기 위한 제진장 치의 변위 대응 성능, 노화, 반복진동에 의한 피로에 대한 내 구성능, 제약된 설치공간에서의 적용성을 위한 제진장치의 소형화 및 경량화가 필요하다.

최근 Fig. 1에 나타낸 새로운 3차원 와이어 다공질 형태의 카고메 트러스 이력형 제진장치가 개발되어, 건축물의 내진 성능 개선을 위한 제진장치로서의 적용가능성, 즉 카고메 제 진장치 자체의 전단이력거동, 에너지 흡수능력, 피로에 대한 구조 안전성 등이 재료실험을 통하여 평가하여 제진장치로 서의 유효성을 검증하였다 (^{Hwang et al., 2013}).

Fig. 1.

Configuration of Kagome truss damper

카고메 트러스 구조는 기계, 조선 항공분야에서 경량구조 적용 목적으로 샌드위치패널의 심재에 사용되는 트러스 구 조이다. 2000년대에 미국 프린스턴대 Evans교수를 중심으로 연구가 시작된 새로운 형태의 심재로, 건축, 토목분야에서 전통적으로 사용되어온 트러스 구조를 밀리미터 스케일로 축 소하여 규칙적인 셀을 갖도록 제조된 다공질 구조이다 (HNG et al., 2003). 피라미드, 옥테트 타입의 트러스 구조에 비하 여 경량이며, 유사한 휨, 압축강도를 가지는 것으로 나타났 다. 제조상의 문제점이 2000년대 중반 나선형으로 성형된 와 이어를 회전·삽입하여 3차원 카고메 트러스 구조로 직조 후 브레이징에 의해 와이어 교차점을 고정하여 심재를 완성 하는 방식으로 해결되었다 (^{Hwang et al., 2013}).

본 연구는 상기 3차원 와이어 다공질 형태의 카고메 트러 스 이력형 제진장치를 철근콘크리트 (이하, RC) 라멘조 공동 주택에 외부접합 한 새로운 제진구조시스템을 제안과 동시 에 유사동적실험을 실시하여 내진성능 개선효과를 평가 및 검토하는 것을 목적으로 한다.

1.2. 연구방법

Fig. 2에는 카고메 트러스 제진장치 외부접합형 RC 라멘 조 공동주택 제진구조시스템의 개념을 나타낸다. 그림에 의 하면 외부접합형 제진구조시스템은 대상건물, 카고메 제진장 치, 지지구조물로 구성되어 있으며, 기존 층간에 설치된 제 진장치 시스템과 달리 외부 지지 구조물과 대상 건축물의 상 호작용을 이용하여 제진장치가 지진 에너지를 흡수하는 형 태이다. 따라서 효율적인 에너지 흡수를 위해서는 지지구조 물의 역학적 특성, 그에 따른 최적화된 제진장치의 용량결정 이 요구된다. 이를 위하여 카고메 제진장치와 지지구조물의 역학적 특성을 결정하기 위한 예비해석연구와 최종적으로 선별된 제진구조시스템에 대한 실험검증연구를 병행하여 수 행한다.

Fig. 2.

An external connection method using Kagome damper

예비해석연구에서는 Fig. 2에 나타낸 대상건축물-제진장치 -지지구조물로 연계된 시스템을 이용하며, 대상 건축물과 지 지구조물은 선형상태를 유지한다고 가정하고, 제진장치의 비 선형 이력거동에 의한 에너지 흡수능력을 고려한 경계비선 형 해석법을 수행하여 지지구조물의 강성을 변화시키면서 에너지흡수능력을 보장하는 최소강성비 (지지구조물 강성/대 상 건축물 1차 모드강성 비율)를 추정한다. 또한 지지 구조 물의 높이 (설치층수)를 변수로 하여 그에 따른 내진성능개 선효과를 시뮬레이션하여 적정 지지 구조물의 높이를 산정 한다. 최종적으로 대상건축물 및 지지 구조물의 실험체 제작, 제진장치 용량 및 사이즈를 결정하기 위한 기초 자료를 제공 하게 된다.

한편, 실험연구에서는 예비해석 결과에 근거한 라멘조 공 동주택을 구성하는 단위 프레임에 대한 축소 실험체를 대상 으로 유사동적실험을 실시하여 제진구조시스템 적용 전과 후의 지진응답치, 즉 최대 전단력 및 변위, 시간이력 등을 검 토한다. 또한, 유사동적실험을 실시하기 전 유사동적실험을 위한 지진입력수준, 복원력특성을 파악함과 동시에 카고메 제진장치 보강골조와 비보강 골조의 비선형 이력거동, 에너 지 소산능력을 검토 할 목적으로 반복가력실험도 동시에 실 시한다.

실험을 통하여 구한 제진구조시스템의 적용 전과 후의 내 진거동을 비교 및 분석함으로써 최종적으로 카고메 제진장 치 외부접합형 공법을 이용한 RC 라멘조 공동주택 제진구조 시스템의 내진성능 개선 효과를 평가 및 검증한다.

2.1. 해석개요

RC 라멘조 공동주택에 적용하기 위한 제진구조시스템은 대상건축물-카고메 제진장치-지지구조물이 연계된 시스템으 로 이들 상호간의 구조거동 특성에 따라 내진성능이 달라진 다. 카고메 제진장치는 변위의존형 제진장치로써, 제진장치 양단의 상대변위에 의하여 에너지가 흡수되는 원리를 이용 한 것이므로 효율적인 에너지소산이 이루어지기 위해서는 대상건축물과 지지구조물 사이의 상대변위가 크게 나타나야 하며 이를 보장할 수 있도록 지지구조물 설계와 제진장치의 용량설정이 이루어져야 한다.

본 절에서는 지지구조물의 역학적 거동을 지배하는 인자 로써 강성과 설치높이를 설정하였고, 카고메 제진장치의 크 기를 변수로 설정하여 대상건축물-제진장치-지지구조물이 연 계된 시스템에 대한 수치해석을 수행함으로써 내진성능을 확보하기 위한 지지구조물의 최소강성비와 최적의 제진장치 용량을 설정하였다. 설정된 지지구조물과 제진장치의 최소강 성과 용량은 구조실험체를 제작하기 위한 필수요건을 결정 하는 데 활용한다.

2.2. 해석 및 설계방법

본 연구에서는 구조실험체 제작을 위한 지지구조물의 초 기강성과 제진장치의 용량결정을 효율적으로 수행하기 위하 여 대상건축물과 지지구조물은 탄성상태를 유지한다고 가정 하였으며, 제진장치의 비선형성만을 고려한 경계비선형법을 사용하였다.

대상건축물로서 LH공사 시범적용용 RC 라멘조 20층 공동주 택 (후술하는 Fig. 3)을 설정하였으며, 지지구조물은 3층, 5층 높이의 두가지 타입을 설정하였다. 지지구조물의 강성은 대상건 축물의 기둥 탄성계수 (E)에 대한 배수 (EM=1,3,5,10,50,100)를 조정하며 설정하였다. 대상건축물과 지지구조물을 연결하는 카고메 제진장치의 제원이 Table 1에 나타나 있으며, 제진장 치 제원에 제진장치의 면적을 곱하여 제진장치 최대강도 등 을 산정할 수 있다.

Fig. 3.

Investigated building and frame selected for test specimens

제진장치의 크기는 정방형으로 100mm×100mm~800mm×800 mm 범위까지 8개의 경우를 사용하였다. 지지구조물의 설치 위치는 대상건축물의 평면 모서리 부분에 해당하는 4곳이며, 지지구조물의 설치 높이에 따라 제진장치 설치개수가 달라 진다. 해석에 사용된 지반가속도는 대상구조물의 입지조건에 해당하는 지반조건 (Sd지반)과 지역계수 (지진구역-1)에 따 라 KBC 기준에 의한 인공지진파를 재생하여 사용하였다. 지지구조물의 설치높이 (2가지), 제진장치 사이즈 (8가지), 탄성계수 (6가지)와 비제진 건축물을 포함하여 해석케이스는 총 97개이며, 각 경우에 대해 밑면 전단력과 최상층 변위를 각각 계산하였다.

2.3. 해석결과

Table 2에는 지지구조물 3층 및 5층에 대한 카고메 제진 장치 크기변화에 따른 최상층 변위 및 밑면전단력의 해석결 과 가운데 가장 실용적이라고 사료되는 강성비, EM=10의 해석결과를 나타낸다.

전체 해석결과는 지지구조물 강성과 제진장치의 용량이 증가할수록 밑변전단력의 저감효과가 큰 것으로 나타났으며, 이러한 저감효과는 지지구조물의 강성이 커지면서 지지구조 물의 변위가 작아지고 그에 따라 대상건축물과의 상대변위 가 커지는 효과가 나타나기 때문이라고 판단된다. 제진장치 의 용량 크기가 증가할수록 저감효과가 크게 나타나는 것은 카고메 제진장치의 특성상 작은 변형에도 제진장치가 에너 지를 흡수할 수 있고 그 사이즈에 비례하여 에너지 흡수능력 이 비례하여 커지기 때문이다. 그러나 현실적인 제약조건, 즉 지지구조물의 강성과 제진장치 크기의 한계를 고려한다 면, 제진구조시스템에 의한 밑면전단력의 저감효과를 설계자 가 지정해야 하고 그에 따라 지지구조물의 강성과 제진장치 의 용량을 종속적으로 결정할 수밖에 없는 것이다. 이러한 현실적 제약조건을 고려하여 밑면전단력의 저감효과를 20% 내외로 결정한다면, 3층 지지구조물의 경우 강성비 EM=10 배일 때 제진장치 크기 700mm×700mm, 800mm×800mm에 서 밑면전단력이 약 20% 저감하는 것으로 나타났고, 5층 지 지구조물의 경우 400mm×400mm~800mm×800mm에서 밑 면전단력 저감 효과가 약 18%정도로 나타나는 것을 알 수 있다.

밑면전단력의 저감효과가 유사하다면, 제진장치의 크기를 줄이는 것이 설치, 적용성 등에서 우수하므로 5층 높이의 지 지구조물에 제진장치 크기 400mm×400mm가 현실적이 대 안으로 평가할 수 있다. 그러나 지지구조물의 건축계획측면 이나 지지구조물의 형상, 재료최적화를 통하여 강성을 충분 히 증가시킬 수 있다면, 밑면전단력의 저감효과를 더욱 크게 하고 그에 따라 지지구조물의 높이, 제진장치 크기의 최적설 정은 달라질 수 있다고 판단된다.

3.1. 실험 대상골조 및 실험체 설계

Fig. 3에는 본 연구의 대상건축물의 골조를 나타냄과 동시 에 유사동적실험을 위한 대상골조를 나타낸다. 본 대상건물 은 층수 20층이며, 층고는 3.1m로서 LH공사 시범적용용 RC 라멘조 공동주택 (아파트)이다. 건물위치는 서울 (도시계획 구역내, 지역계수 1)이며, 구조는 RC 건물 골조시스템 (R=5)이며, 진동주기는 2초 내외, 지반조건은 Sd이다. Table 3에 는 유사동적실험을 위한 대상골조의 축소 실험체의 제원을 실 구조물과 비교하여 나타내었으며, Fig. 4에는 유사동적 실험용 축소실험체의 형상을 각각 나타낸다. Table 3에 나타 낸 축소율 약 50%는 구조실험동의 실험실 규모, 가력장치, 실험체 세팅용 크레인 용량 등을 고려하여 축소하였으며, 실 험용 축소실험체의 형상은 제2.3절의 경계비선형 해석결과, 즉 카고메 제진장치가 최적의 제진효과를 발휘하기 위하여 기존 기둥과 카고메 제진장치 지지구조물 (벽체)과의 강성비 는 EM=10배 이상 필요하다는 해석결과를 바탕으로 형상을 도출·계획하였다.

Table 3에 의하면 축소실험체의 기둥 치수는 250mm×400 mm, 카고메 지지구조용 벽체는 두께 25mm, 길이 110mm, 기둥간 스팬은 실험실의 규모를 고려한 1.5m이다. 또한 카고메 제진장치는 가로 150mm 및 세로 220mm의 면적 33,000mm² 이다. 한편, 후술하는 제3.2절 (실험체 제작 및 변수)에 나타 내는 축소실험체의 골조 및 지지구조물 (벽체)의 구조설계 및 설계내력 산정, 특히 골조 강성 대비 지지벽체 탄성강성 비 10배 이상을 위하여 일본 방재협회 (^{JBDPA, 2003}) 및 ^{FEMA 310 (1998)}을 이용하였으며, Table 4에는 설계내력 산정의 결과를 각각 나타낸다. 본 대상골조의 기둥은 휨파괴 형이며, 지지벽체는 전단벽체로서, 기둥과 지지벽체의 극한 내력비는 약 5배이며, 탄성강성비는 약 10배이다.

Fig. 4.

Configuration of test specimens

3.2. 실험체 제작 및 변수

카고메 트러스를 이용하여 제진보강된 RC 골조의 내진보 강 효과를 유사동적 실험을 이용하여 검증하기 위하여 Fig. 5 및 Fig. 6에 나타내는 것처럼 유사동적 실험용 카고메 비 보강 골조실험체 1개 (PD-RF) 및 카고메 제진장치 보강 골 조 실험체 1개 (PD-RFKD)를 각각 계획 및 제작하였다. 또 한 유사동적실험을 위한 무보강 골조 및 카코메 보강골조 실 험체의 복원력특성을 파악하기 위하여 반복가력실험용 카고 메 비보강 골조실험체 1개 (C-RF) 및 카고메 보강 골조 실 험체 1개 (C-RFKD)를 각각 동시에 제작하였다. 실험체 변 수는 4개이며, Table 5에는 실험체의 일람을 나타낸다.

Fig. 5.

Detail of control specimens without Kagome damper (C-RF for cycle load test, PD-RF for pseudo-dynamic test)

Fig. 6.

Detail of specimens strengthened with Kagome damper (C-RFKD for cycle load test, PD-RFKD for pseudodynamic test)

기둥 단면은 전술한바 250mm×400mm인 장방형이며, 기 둥의 순길이는 1250mm이며, 전단 경간비는 3.13이다. 기둥 상부에는 스터브를 설치하여 기둥의 구속 효과가 고려될 수 있도록 하였다. 스터브의 형상은 강성이 충분히 커서 기둥의 거동에 영향을 주지 않도록 형태를 결정하였고, 실험 시 집 중하중에 의한 균열 및 국부 변형이 생기지 않도록 철근 보 강을 하였다. 한편, Table 4의 유사동적 실험용 지진동의 크 기는 KBC 구조기준에 의한 2400년 재현주기 지반가속도의 2/3 수준인 200gal을 기본으로 설정하였으며, 대지진 시의 카고메 제진장치의 내진보강 효과를 비교하기 위하여 300gal 의 지반가속도 (2400년 재현주기 지진동)도 또한 설정하였 다. 지진동은 건축구조물의 내진성능을 검증하기 위하여 널 리 사용되고 있는 El Centro (NS) 지진을 사용하여 유사동 적 실험을 실시하였다 (^{Shibata, 2003}).

3.3. 사용재료 및 특성

구조실험에 사용된 실험체의 콘크리트 압축강도는 21 MPa 로, 3개의 공시체 평균값으로 표준공시체 보정값은 측정된 압축강도의 97%로 28일 평균 압축강도는 21.7 MPa로 실험 에 사용된 콘크리트의 설계기준강도 21MPa보다 약간 높은 결과를 나타내었다. 한편, 사용한 철근은 1종 SD400이며, 기 둥의 주근은 D16, 지지벽체의 수직근은 D19, 기둥 및 벽체 의 전단 보강근은 D10을 사용하였 다. 이음성능 평가 실험 체에 사용된 철근의 재료적 특성을 파악하기 위하여 KS B 0801 (금속재료 인장시험편)의 ‘라’호의 규정에 따라 철근 인장시험편을 각각 3개씩 제작하여 만능시험기 (U.T.M.)을 이용하여 가력속도 5 mm/min로 인장시험을 진행하였다. 시 험결과 철근의 항복강도와 인장 강도는 D16의 경우 평균 518 MPa, 752 MPa, D19의 경우는 평균 522 MPa, 756 MPa, D10의 경우는 평균 472 MPa, 700 MPa로 나타났다.

4.1. 유사동적실험의 개요

구조물의 비탄성 지진응답을 예측하기 위해 일반적으로 사용되는 실험방법으로는 진동대실험 (Shaking table test), 준정적실험 (Quasi-static test), 그리고 유사동적실험 (Pseudodynamic test) 등으로 분류할 수 있다 (^{Shibata, 2003}). 진동 대실험은 구조물의 지진에 대한 거동을 알아보기 위해서 가 장 효과적인 실험방법이 되겠으나, 진동대의 크기, 용량에 따라서 실험체의 무게와 크기에 대해 크게 제약을 받으므로 대부분 축소모델이 사용되고 있으며, 이에 따라 실제 구조물 과의 상사성 문제가 발생하게 된다. 따라서, 이러한 제약조 건으로 인해 실물크기 구조물의 비탄성 거동을 평가하기 위 해서 구조물의 변위 또는 하중으로 제어하는 준정적실험이 많이 사용되고 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. 유사동적실험은 컴퓨터에 의한 수치계산 부분과 실험체의 가력실험 부분으로부터 구성되며, 수치계산 부분은 가력 실험 부분에서 계측 된 특정 변형에 대한 실험 체의 응답량, 입력 지진가속도 및 현 스텝의 응답량에 근거 하여 수치적분을 이용하여 운동 방정식을 계산하며, 다음 스 텝의 응답변형을 산정한다. 한편, 가력실험은 그 응답변형을 액츄에이터 등의 가력 장치에 의하여 실험체에 강제하며 그 때의 변위이력을 측정한다. 이상의 조작을 반복하는 것으로 실험체에 유사적인 지진시의 응답변형을 강제하면서, 컴퓨터 에 의하여 지진응답을 계산하여 대상 구조물의 지진응답을 산정한다 (Fig. 7 참조).

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. 7에는 본 연구에서 구축한 유사동적실험 시스템의 개 요를 나타낸 것으로서, 제어용 컴퓨터에 의한 입력지진동에 따른 수치계산 부분과 실험체의 가력실험 부분으로 구성된 다. 제어용 컴퓨터에 의한 수치계산 부분은 MTS사 제공 Pseudo-dynamic Testing Program (^{MTS, 1999})을 이용하였 으며, 가력실험 부분에서 LVDT에 의하여 계측 된 변형에 대한 실험체의 복원력, 입력 지진가속도 및 현 스텝의 응답 량에 근거하여 수치적분을 이용하여 운동방정식을 계산한다. 운동방정식의 수치적분에는 α-method (^{MTS, 1999})를 이용 하였으며, 후술하는 반복가력 실험결과에 근거하여 설정된 초기강성, 감쇠계수 및 질량 등에 근거하여 다음 스텝의 응 답변형을 산정한다. 수평용 지진응답변형은 2000kN 유압식 MTS 액추에이터에 의하여 실험체에 강제하며, 축력은 구조 실험에서 일반적으로 채택되고 있는 0.1f'_ckA_g (^{AIK, 2008}) 인 210kN을 실험체 양쪽에 설치된 1000kN 오일잭을 이용 하여 일정하게 가력 하였다. 지진동의 크기는 전술한바 KBC 구조기준에 근거하여 200gal 및 300gal을 설정하였으며, 입 력지진파은 El Centro (NS) 지진을 사용하여 유사동적 실험 을 실시하였다.

Fig. 7.

Pseudo-dynamic test system

한편, 유사동적실험의 실험변수 산정 및 복원력특성 파악 을 위한 반복가력실험을 실시한 비보강 골조실험체 및 카고 메 보강실험체, 즉 C-RF 및 C-RFKD에는 역대칭 모멘트가 발생하도록 횡력을 가하는 액추에이터의 가력점을 실험체의 상부 가력용 철골빔의 중심에 일치시켰으며, 횡 변위는 수평 부재각 (R, %)에 따라 1/1000 (1.25mm), 1/500 (2.5mm), 1/250 (5mm), 1/200 (6.25mm), 1/150 (8.33mm), 1/100 (12.5mm), 1/75 (16.67mm), 1/50 (25mm), 1/37.5 (33.33mm), 1/25 (50mm), 1/17.6 (71.02mm)의 순서로 각 3cycle씩 단계별로 점증 가력 하였다. Fig. 8에는 카고메 트러스 보강 RC 라멘 조 공동주택 유사동적 및 반복가력실험을 위한 실험체의 설 치상황을 나타낸다.

Fig. 8.

Test configuration of RC frame strengthened with Kagome

5.1. 재료균열 및 파괴양상

반복가력 실험용 골조실험체 (C-RF, C-RFKD)를 포함한 유사동적 실험체 PD-RF 및 PD-RFKD 총 4개 실험체의 균 열 및 파괴 상황을 각 실험체 별로 나타내었고, 하중-변위 곡 선 (복원력), 변위의 시간이력곡선, 최대지진응답 등을 분석 하여 기준 실험체 (C-RF, PD-RF)대비 카고메 제진장치로 제진보강된 실험체 (C-RFKD, PD-RFKD)의 내진보강 효과 를 검증하였다.

5.2. 균열 및 파괴양상

5.2.1. C-RF (무보강 반복가력 실험체)

Fig. 9에는 무보강 비교용 반복가력 실험체인 C-RF 실험 체의 균열 및 최종파괴 상황을 나타낸다. 본 실험체는 4cycle (R=1/500)의 정가력에서 양측 기둥상단부에서 미세한 휨 균 열이 발생하였고, 기둥 중앙부에서는 균열이 전혀 발생하지 않 았다. 그 후 균열은 점차 기둥중앙부로 확대되었으며, 9cycle (R=1/250)의 정가력에서 기둥 상·하부 중앙에 전단균열이 다수 발생하였다. 같은 사이클 부가력일 경우도 동일하게 상 부 중앙에 전단균열이 다수 발생하였다. 15cycle (R=1/150) 에서는 양측 기둥중앙부에 전단균열이 다수 발생하였다. 부 재각이 증가 되면서 전단균열이 점점 커지고, 전단 균열 수 가 증가되었고, 24cycle (R=1/50)에서부터 기둥 상단부에 전 단균열의 폭이 매우 커지면서 콘크리트 피복이 박리되었으 며, 양기둥의 상부에 휨파괴로 인한 붕괴가 발생하였다.

Fig. 9.

Test result of C-RF specimen

5.2.2. C-RFKD (카고메 보강 반복가력 실험체)

C-RFKD 실험체는 카고메 제진보강 반복가력 실험체이며, 3cycle (R=1/1000)의 정가력에서 기둥 상단부에서 미세한 휨균열이 발생하였다. 그 이후 균열은 점차 증가하였으며, 9cycle (R=1/250)의 정가력에서 전단균열이 발생하기 시작 하였다. 15cycle (R=1/150)에서 전단균열이 다수 발생하였으 며, 그 후 변위가 증가함에 따라 양 기둥 중앙부로 확대되었 으며, Fig. 10에 나타내는 것처럼 25cycle (R=1/37.5)에서 하 중이 감소하기 시작하여 최종상태 (휨파괴형)에 도달하였다.

Fig. 10.

Test result of C-RFKD specimen

5.2.3. PD-RF (무보강 유사동적 실험체)

Fig. 11에는 무보강 유사동적 실험체인 PD-RF의 200 및 300gal 입력지진동에 대한 균열 및 최종실험 상황을 각각 나 타낸다. 200gal에서는 약 1.5초 (변위: -3mm)정도에서 기둥 상하단부에 미세한 초기 휨균열이 발생하였으며, 그 이후 1.8초 (변위: 6.3mm)부터는 휨균열이 확장되었으며, 2.17초 (변위: -9.5mm)부터 전단균열이 기둥 상하부에서 발생하기 시작하였다. 이후 전단균열은 점차 증가하였으며, 전단균열 은 지진입력 시간이 증가함에 따라 양 기둥 중앙부로 확대되 었다. 최종 지진응답은 2.7초 (변위: 12mm) 부근에서 나타 났으며, 유사동적실험은 4초까지 진행이 되었다. 한편, 300gal 에서는 약 1.53초 (변위: -11.4mm)부터 육안으로 확실하게 관찰이 가능한 전단균열이 발생하였으며, 1.83초 (변위: 19.4mm) 이후에는 전단균열이 점점 커지고, 전단 균열 수가 증가하였 다. 2.12초 (변위: -28.7mm)에서는 콘크리트가 심하게 박리 되기 시작하였으며, 전단균열의 폭도 심각하게 증대하였다. 최대 지진응답을 나타낸 2.2초 (변위: -40.3mm) 부근에서 대 상골조는 휨파괴하였다.

Fig. 11.

Test result of PD-RF specimen

5.2.4. PD-RFKD (카고메 보강 유사동적 실험체)

Fig. 12에는 카고메 제진장치를 이용한 제진보강 실험체인 PD-RFKD의 200 및 300gal 입력지진동에 대한 균열 및 최 종실험 상황을 나타낸다. 200gal의 실험결과에서는 약 1.5초 (변위: -1.7mm)정도에서 좌측 기둥 상단부에 미세한 초기 휨 균열이 발생하였다. 그 이후, 2.2초 (변위: -5.6mm)부터는 휨 균열이 확장되었으며, 최대 지진응답변위가 발생한 약 2.65 초 (변위: 7.46mm)정도에서도 미세한 휨균열이 발생하였을 뿐, 전단균열은 발생하지 않았다. 유사동적실험은 4.5초동안 실시되었으며, 결과적으로 카고메 제진장치를 이용한 제진보 강 실험체는 200gal의 지진에 대해서는 미세한 휨균열정도 가 관찰되어 본 연구에서 제안한 카고메 제진장치를 이용한 제진보강법의 내진개선 효과가 검증되었다고 사료된다. 한 편, 300gal의 입력지진동에서는1.83초 (15.7mm) 이후부터 전단균열의 발생정도가 상기 200gal보다 크며, 균열폭도 증 대하였다. 전단균열의 수와 폭은 200gal에 비교해서 증가되 었지만, 그 규모는 크지 않고 최종상황 (4.5초)에서도 콘크리 트의 탈락 등은 발생하지 않아 300gal의 지진에 대해서도 카 고메 제진장치를 이용한 제진보강법의 유효성이 검증되었다 고 판단된다.

Fig. 12.

Test result of PD-RFKD specimen

5.3. 하중-변위 관계

Fig. 13에는 입력지진동 200gal 및 300gal에 대한 PD-RF 무보강 실험체의 지진응답에 의한 하중-변위곡선을 나타냄과 동시에 반복가력 실험용 C-RF 무보강 실험체의 하중-변위 포락곡선을 비교하여 각각 나타내었다. 또한 Fig. 14에는 입 력지진동 200gal 및 300gal에 대한 PD-RFKD 카코메 제진 보강 실험체의 지진응답에 의한 하중-변위곡선과 반복가력 실험용 C-RFKD 카코메 제진보강 실험체의 하중-변위 포락 곡선을 비교하여 각각 나타내었다.

Fig. 13.

Comparison of response shear force-story drift relations [PD-RF(200, 300gal) and C-RF]

Fig. 14.

Comparison of response shear force-story drift relations [PD-RFKD(200, 300gal) and C-RFKD]

Table 6에는 반복가력실험 결과 (C-RF, C-RFKD)를 포함 한 200gal 및 300gal의 지진하중에 대한 상기 PD-RF 및 PD-RFKD 실험체에 대한 유사동적실험 결과인 최대응답 하 중, 최대 응답변위, 최종 파괴모드를 나타내며, Post-earthquake damage evaluation (^{JBDPA, 2001}; ^{Maeda et al., 2004}) 및 ^{FEMA 310 (1998)}을 참고로 추정한 지진피해규모를 각각 비교하여 나타내었다.

상기의 그림 및 표에 의하면 PD-RF, 즉 무보강 비교용 실 험체의 유사동적실험 결과에 의하면 입력지진동 200gal에서 는 446.7kN (변위 12mm)의 지진응답 최대값을 나타내었으 며, 지진피해 규모는 상기에 기술한 문헌을 바탕으로 중규모 지진피해가 발생한 것으로 사료된다. 동일 실험체에 대한 300gal 입력지진동에서는 최대 지진응답 전단력 506.3kN (변위 40.3mm)을 보여주었으며, 이는 반복가력실험 결과인 최대하중 시의 최대변위인 25mm를 크게 상회하는 결과를 보여주었다. 최종적으로 최대 지진응답을 나타낸 2.2초 부근 에서 대상골조는 대규모 지진피해 (휨파괴)가 발생하였다.

한편, PD-RFKD 카고메 재진보강 실험체의 입력지진동 200gal인 경우는 406kN (변위 7.5mm)의 최대 지진응답 전 단력을 나타내었으며, 무보강 실험체 대비 (PD-RF) 카코메 로 제진보강 한 실험체는 200gal의 지진에 대해서는 미세한 휨균열 정도가 관찰되어 본 연구에서 제안한 카고메 제진공 법의 내진보강유효성이 검증되었다고 사료된다. 또한 대규모 지진을 상정한 300gal에서는 630.7kN (변위 25mm)의 최대 지진응답을 나타내었으며, 반복가력실험 결과인 최대하중 시 의 최대변위인 25mm와 거의 유사하였다. 지진피해규모는 중규모 정도로 추정되며, 비보강 골조대비 지진피해 규모가 현저하게 줄어든 사실을 알 수가 있다.

5.4. 변위 시간이력곡선 및 응답 연성율의 비교

Fig. 15 및 Fig. 16에는 입력지진동 200gal 및 300gal에 대한 무보강 PD-RF와 카고메 보강 PD-RFKD실험체의 변위 -시간 이력곡선을 각각 비교하여 나타낸다. 상기 그림에 의 하면 200gal인 경우의 PD-RF 무보강 실험체는 2.7초에서 12mm의 최대응답변위를 보여주었으며, 동일한 200gal인 경 우의 카고메 제진보강 PD-RFKD실험체는 2.65초에서 최대 응답 7.5mm를 보여주었다. 300gal인 경우의 PD-RF 실험체는 2.2초에서 40.3mm라는 대변형을 나타내었으며, PD-RFKD 보 강실험체는 2.17초에서 25mm를 보여주었다.

Fig. 15.

Comparison of response displacement-time history reations (200gal for PD-RF and PD-RFKD)

Fig. 16.

Comparison of response displacement-time history reations (300gal for PD-RF and PD-RFKD)

한편, Table 7에는 입력지진동 200gal 및 300gal에 대한 PD-RF 무보강 및 PD-RFKD 카고메 보강 실험체의 유사동 적실험에 의한 지진응답 연성율 (μ)을 상호 비교하여 나타내 었다.

지진응답 연성율 (μ)은 기존골조의 항복변위 (반복가력실 험 결과)에 대한 최대응답변위 (유사동적실험 결과)의 비율 로서 정의되며, Table 6에 의하면 PD-RF 무보강 실험체는 입력지진동 200gal인 경우 연성율 μ=0.96이며, 300gal인 경우 는 μ=3.3을 나타내며, 카고메 제진보강 실험체인 PD-RFKD는 입력지진동 200gal인 경우 연성율 μ=0.6이며, 300gal인 경 우는 μ=2를 나타내었다. 동일지진동 대비 카고메 제진보강 실험체는 약 60%의 연성율 저감 (응답변위도 동일)을 보여 주었다.