2.1 실험 계획

실험 대상을 선정하는데 있어, 학교 골조에 대한 기존 연구 는 다수가 있어, 학교 골조와 유사하며, 지진발생시 더 많은 인명피해가 예상되는 지하철 역사를 고려하였다. 대상 구조 물은 서울 소재 지하철 역사의 지상 2층을 선정하였으며, 실 구조물 수준으로 실험체를 Table 1과 같이 계획하였다. Table 1에서 BF는 순수 골조 실험체이며, ASD는 BF 실험체의 기둥 을 아라미드 시트로 횡 보강하고, S형 스트럿을 가지는 강재 댐퍼를 K형 가새에 부착시킨 것이다. ASD의 자세한 상세는 Photo 2와 같다.

Photo 2

ASD specimen

골조 기둥의 크기는 300×300 mm이며, 주근은 8-D16이며, 띠철근은 D10@200이다. 가력보와 기초는 수평하중 가력시 문제 없도록 충분히 크게 설계하였다. 또한 콘크리트는 24 MPa, 철근은 400 MPa로 설계하였다. 기둥을 횡으로 구속한 아라미드 시트의 물성치는 Table 2와 같다. 아라미트 시트는 현장에서 에폭시 수지에 함침하므로, 부재를 감싸는 보강 효 과가 매우 우수한 재료이다. 강재 댐퍼는 Photo 2에 나타낸 것 과 같이 스트럿 폭은 30 mm이고, 각도는 30°, 스트럿의 수직 길이는 200 mm이다. 댐퍼는 SS400 강종을 사용하였으며, 재 료 특성은 Table 3과 같다. 타설된 콘크리트의 재료 시험 결과 압축강도는 27.5 MPa로, 탄성계수는 23.3 GPa로 확인되었다. 사용된 D10 철근의 항복강도는 513 MPa로, 인장강도는 637 MPa로, 탄성계수는 177 GPa로 확인되었다. 또한 사용된 D16 철근의 항복강도는 468 MPa로, 인장강도는 608 MPa로, 탄성 계수는 192 GPa로 확인되었다.

2.2 가력 및 계측

수평하중 저항 능력 실험시, 지진하중에 대한 건축 구조물 의 복곡률(double curvature) 거동이 구현되도록 Photo 3과 같 이 실험장치를 계획하였다. 실험체 가력은 축력에 의한 구속 효과를 구현하고자 기둥 단면 10%에 해당하는 약 100 kN의 하중을 골조 기둥 각각에 일정하게 도입하였으며, 변위이력 에 해당하는 수평하중 로딩 싸이클을 Fig. 2와 같이 적용하였 다. 실험체 셋팅시 축력을 도입하는 액츄에이터의 상하단은 힌지를 달아 실험체의 회전 변형을 억제하고 수평 변형이 가 능하도록 설치하였다.

Fig. 2

Loading history

Photo 3

Test setting

모든 실험체 철근 및 댐퍼에는 스트레인 게이지를 부착해 하중－이력에 따른 변형도를 측정하였으며, LVDT를 수직, 수평, 대각선 방향으로 실험체에 설치하여 실험 진행에 따른 변위도 측정하였다.

3.1 BF 실험체

비보강 실험체로서 하중－이력에 따라 점진적으로 변위를 증가시키면서 수평하중 가력 실험을 진행하였다. 아라미드 시트나 댐퍼 보강이 없어 매우 취약한 내진 성능을 나타내었 다. Fig. 3에 나타낸 하중－변위 곡선을 보면 정가력시 최대하 중 253.3 kN, 부가력시 최대하중 240.7 kN을 지나자 마자 급 격한 강성 저하를 나타내었다. 이는 Photo 4에서도 알 수 있는 데, 상하단 기둥에 소성힌지가 형성되어 최대하중 도달 후, 구 조적인 불안정으로 종국 파괴에 도달한 것으로 판단된다.

Fig. 3

Load-displacement curve of BF

Photo 4

Final failure shape of BF

3.2 ASD 실험체

ASD 실험체는 BF 실험체의 취성적인 기둥을 아라미드 시 트로 횡구속하고, K형 가새를 이용한 S형 스트럿 댐퍼로 보강 한 실험체이다. Fig. 4에 나타낸 하중－변위 곡선을 보면 BF 실험체보다 약 1.6배의 강도 및 변형능력을 보유하고 있는 것 으로 평가되었다. 정가력시 406.8 kN. 부가력시 393.8의 최대 하중을 나타내었다. 아라미드 시트 보강에 의하여 수평강성 이 확보되어 이력곡선은 점진적으로 상승하다가, 최대하중 이후 댐퍼에 변형이 집중되었다. Photo 5를 보면 아라미드 시 트 보강 기둥의 손상 없이 댐퍼 스트럿의 파단으로 실험이 종 료됨을 확인하였다. 즉 적절한 기둥 보강후, 에너지 소산 능력 을 증진시킬 수 있는 댐퍼를 설치하는 것이 내진성능이 부족 한 기존 건물에 적합한 보강방법인 것으로 판단된다.

Fig. 4

Load-displacement curve of ASD

Photo 5

Final failure shape of ASD

Fig. 5에 ASD 실험체에 설치된 댐퍼 스트럿 상부의 하중－변 형도 곡선을 나타내었다. 이에 의하면 약 215 kN에서 댐퍼가 항 복하여 점차로 변형도가 증가하다가 파단됨을 확인할 수 있어, 골조 시스템 항복후 댐퍼 거동이 적절함을 확인할 수 있었다.

Fig. 5

Load-strain curve of strut in ASD's damper

4.1 포락선

3장의 실험결과를 근거로 각 하중 스텝별 최대점만을 이은 포락선을 Fig. 6에 정리하였다. 이에 의하면 기존골조에 아라 미드 시트로 기둥을 횡구속한 후 댐퍼를 보강한 ASD 실험체 가 비보강인 BF 실험체 대비 강도 및 변형 능력이 우수한 것으 로 평가되었다. 비보강인 BF 실험체는 항복후 점차 강도가 증 가하다가 최대하중 이후 급격한 강도 저하가 확인되었다. ASD 실험체는 최대하중 이후 댐퍼의 S형 스트럿이 하나씩 끊어지 는 변형거동을 보여, BF 대비 연성적인 거동을 보임을 확인할 수 있었다.

Fig. 6

Envelope curve comparison

4.2 강도 특성

RC 실험체는 콘크리트 혼합 재료의 특성상 항복강도가 명 확히 나타나지 않는다. 본 연구에서는 항복변위는 1987년 Priestley가 제시한 최대하중의 75%에 해당하는 점을 항복, 이 때의 변위를 항복변위(δy)로 산정하였다. 이러한 강도 특성을 Table 4에 나타내었다. 이에 의하면 ASD 실험체의 강도 또한 비보강 대비 1.6배 증가하여, 기둥의 횡구속에 의한 아라미드 시트의 보강효과를 확인할 수 있었다.

4.3 강성 저하

각 실험체별 정․부 싸이클의 평균 강성 저하를 Fig. 7에 나타 내었다. 이에 의하면 아라미드 시트로 기둥을 횡 구속한 ASD 실험체의 경우, 수평변위 50 mm 이상 변위가 증가하여도 강 성 저하율은 크게 떨어지지 않는 것으로 평가되어 최대하중 이후의 연성적인 거동을 확인할 수 있었다. 비보강 BF 실험체 의 경우, 강성저하 기울기는 ASD 실험체와 유사한 것으로 평 가되었지만, 수평변위 45 mm 이상에서는 급격한 파괴를 보 여 실험이 중지되었다.

Fig. 7

Stiffness degradation comparison

4.4 에너지 소산능력

Fig. 8에 각 실험체별 에너지 소산능력을 나타내었는데, BF 실험체는 최대하중 이후 급격한 파괴로 에너지 소산능력이 수평변위 50 mm까지 발휘되지 못하였다. 이에 반하여 아라 미드 시트로 기둥을 횡구속한 후 강재 댐퍼 보강한 ASD 실험 체는 수평변위 70 mm 이상까지 에너지 소산능력을 발휘하는 것으로 평가되었는데, 수평하중 가력 엑츄에이터의 가력 길 이 제한 때문에 실험체 파괴시까지 에너지 소산능력을 확인 하진 못하였다. 결과적으로 ASD 실험체의 에너지 소산능력 이 매우 우수한 것으로 평가되었다. 이를 Photo 5의 파괴 양상 에서 확인하면, 아리미드 시트 보강 기둥의 파괴 없이 댐퍼 스 트럿의 파단으로 파괴가 진행된 것으로 ASD 실험체의 에너 지 소산능력이 우수함을 확인할 수 있었다.

Fig. 8

Energy dissipation area comparison

5.1 해석 모델

앞장에서 진행한 골조 구조물의 수평하중 성능 평가 실험 을 해석적으로 검토하기 위하여 비선형 해석 프로그램인 ABAQUS를 이용한 FE 해석을 진행하였다. 해석시 콘크리트 는 Fig. 9와 같이 일축 압축 모델 및 인장 연화 모델을 사용하 였다. 철근 및 강재는 Fig. 10과 같이 변형경화를 고려한 완전 탄소성 모델을 적용하였으며, 아라미드는 전단잠김현상을 제 거한 선형 취성 모델을 적용하였다.

Fig. 9

Concrete model

Fig. 10

Steel model

콘크리트는 전단 잠김 현상을 제거하기 위하여 20개 절점 을 갖는 고체 요소로 모델링하였으며, 축소적분을 수행하도 록 하였다. 아라미드는 쉘요소로 모델하였으며, 아라미드와 콘크리트는 완전부착으로 가정하였다. 철근은 별도 요소로 모델링하여 콘크리트 내부에 포함되도록 하였다. 또한 철근 및 강재는 콘크리트와 완전부착으로 가정하였다.

5.2 BF 실험체

2장의 실험조건에 근거한 BF 실험체의 모델링은 Fig. 11과 같다. Fig. 12에는 골조실험체의 파괴 양상을 나타내었는데, Photo 4와 마찬가지로 상하단 기둥에 소성힌지가 형성되면서 최종 파괴에 도달함을 ABAQUS를 이용한 FE 해석에서도 확 인할 수 있었다. Fig. 13에는 BF 실험체의 하중－변위 곡선을 실험결과와 같이 나타내었는데, 해석결과의 강도가 275 kN으 로 실험결과인 255.7 kN보다 약간 크게 나타났다. 또한 최대 하중 이후 해석결과의 발산 등으로 인하여 더 이상의 해석을 진행하지 못하였다. 그렇지만 전반적인 실험 및 해석 거동이 거의 유사한 것으로 나타나, ABAQUS를 이용한 FE 해석으로 비보강 골조의 수평하중에 대한 이력거동 평가가 가능한 것 으로 판단된다.

Fig. 11

FE model of BF

Fig. 12

Deformation shape of BF

Fig. 13

Load-displacement curve comparison

5.3 ASD 실험체

ASD 실험체의 골조와 철근 모델은 BF 실험체와 동일하며, Fig. 14에 S형 강재 댐퍼 및 K형 가새의 해석모델을 나타내었 다. Photo 5의 실제 실험결과와 마찬가지로 아라미드 시트로 횡구속된 기둥은 수평 응력을 충분히 저항하면서, 댐퍼에 응 력이 집중되어 최대하중에 도달함을 FE 해석에서 확인할 수 있었다. 단계별 응력 변화를 Fig. 15에 나타내었는데, 아라미 드 시트가 RC 기둥을 강하게 구속하는 것을 확인할 수 있었 다. Fig. 16에는 BF 실험체의 하중－변위 곡선을 실험결과와 같이 나타내었는데, 해석결과의 강도가 436 kN으로 실험결과 인 406.8 kN보다 약간 크게 나타났다. 또한 최대하중 이후 해 석결과의 발산 등으로 인하여 더 이상의 해석을 진행하지 못 하였다. 그렇지만 전반적인 실험 및 해석 거동이 거의 유사한 것으로 나타나, ABAQUS를 이용한 FE 해석으로 아라미드 시 트로 기둥을 횡구속한 후 강재댐퍼로 보강한 골조의 수평하 중에 대한 이력거동 평가가 가능한 것으로 판단된다.

Fig. 14

Damper model of ASD

Fig. 15

Deformation shape of BF

Fig. 16

Load-displacement curve comparison