4.1 실험체 계획

본 연구의 일환인 Lee(^{2015 b})의 연구결과를 참고로 실험 체 2개를 계획하였다. 기둥사이에 댐퍼 설치한 경우를 ALD (Armid Lintel Damper)로, 벽체위에 댐퍼 설치한 경우를 AWD (Aramid Wall Damper)로 명명하였다. Lee(^{2015 b})의 연구에 서 평가한 비보강 실험체(BF)를 본 실험체(ALD 및 AWD)의 결과와 비교하기 위하여 사용하였다.

실험체 기둥의 크기는 300×300mm이며, 주근은 8-D16이 며, 띠철근은 D10@200이다. 가력보와 기초는 수평하중 가력 시 문제 없도록 충분히 크게 설계하였다. 또한 콘크리트는 24 MPa, 철근은 400 MPa로 설계하였다. 기둥의 강성을 충분히 하기 위하여 아라미드 시트(^{Lee, 2012}, 비보강대비 1.25배 강 도 증진됨, 5배 이상의 에너지 소산능력 증진됨)로 보강하였 으며, 물성치는 Table 1과 같다. 강재 댐퍼의 스트럿 폭은 30 mm이고, 각도는 30°, 스트럿의 수직 높이는 200mm이다. 댐 퍼는 SS400 강종을 사용하였으며, 재료 특성은 Table 2와 같 다. 타설된 콘크리트의 재료 시험 결과 압축강도는 21.2 MPa 로, 탄성계수는 26.3 GPa로 확인되었다. 사용된 D10 철근의 항복강도는 500.7 MPa로, 인장강도는 636.3 MPa로, 탄성계 수는 176.4 GPa로 확인되었다. 또한 사용된 D16 철근의 항복 강도는 527.3 MPa로, 인장강도는 634.0 MPa로, 탄성계수는 193.7 GPa로 확인되었다. Fig. 9에 제작된 실험체 전경을 나타 내었다. 이에 의하면 기둥은 아라미드 시트로 감싸서 보강되 어 있고, 횡 변위를 조절하기 위한 철물 및 S형 스트럿을 가지 는 강재 댐퍼를 확인할 수 있다.

Fig. 9

Setting of ALD

4.2 셋팅

Fig. 9의 셋팅과 같이 실험체에 작용한 축력은 기둥 단면 10% 에 해당하는 약 100 kN의 하중을 골조 기둥 각각에 도입하였 으며, 변위이력에 해당하는 수평하중 로딩 싸이클을 Fig. 10 과 같이 적용하였다. 변위는 초기 5mm에서부터 5mm씩 증가 시켜 가면서 실험을 진행하였다. 또한 실험체의 철근 및 댐퍼 에는 스트레인 게이지를 부착해 하중 이력에 따른 변형도를 측정하였으며, LVDT를 수직, 수평, 대각선 방향으로 실험체 에 설치하여 실험 진행에 따른 변위를 측정하였다.

Fig. 10

Loading history

5.1 ALD 실험체

ALD 실험체의 최종파괴는 아라미드 시트로 보강된 RC기 둥의 상하부 단부에서의 콘크리트 압괴 및 수직 주근의 좌굴 에 의해 발생하였다. 실험예상과는 다르게 가력보의 수평강 성이 너무 강한 결과, 2개의 기둥이 동시로 수평 이동하여 댐 퍼에 발생하는 변위는 미미하였다. 즉 댐퍼의 거동보다는 수 평으로 설치한 강재의 횡 변위 조절효과에 의한 보강효과가 발생한 것이다. 실험체의 최종 파괴 및 하중-변위곡선을 Fig. 11에 나타내었다. 실험체는 정가력에서 최대하중 297.2kN(변 위 46.9mm), 부가력에서 최대하중 -290.8kN(변위 –43.4mm) 로 나타났다. 하중-변위 곡선에 의하면 최대하중 이후, 급격한 하중의 저하 없이 아라미드 시트의 기둥 구속효과에 의한 강 성저하가 완만하게 진행됨을 확인할 수 있었다.

Fig. 11

Test results of ALD

5.2 AWD 실험체

AWD는 강판 벽체 및 댐퍼를 설치한 실험체로, Fig. 12의 파괴양상을 보면 댐퍼에 변형이 집중되어 최종파괴에 도달함 을 확인할 수 있었다. 기둥의 경우 댐퍼의 에너지 소산에 의하 여 손상 없이 최종파괴에 도달하였다. 즉 횡 변위를 구속하기 위한 댐퍼의 거동을 확연하게 구연한 것이다. AWD의 기둥 상하단의 아라미드 시트를 제거한 결과, 기둥에는 균열이 거 의 발생하지 않음을 확인하였으며, 강판 벽체도 손상이 없음 을 확인하였다.

Fig. 12

Test results of AWD

6.1 포락선 및 강도

본 연구의 선행연구(^{Lee, 2015 b})로 진행된 비보강골조 (BF) 실험체는 제원이 동일하므로, 보강 효과를 평가하기 위 한 비교 실험체로 사용하였다. BF 실험체의 최종파괴는 기둥 상하단에 응력이 집중된 파괴 양상을 나타내었다. Fig. 13에 BF, ALD, AWD의 최대하중을 나타내었는데, 비보강 대비 명 확한 강도증진효과를 확인할 수 있었다. 정사이클의 경우 벽 체에 댐퍼를 보강한 AWD의 최대강도는 비보강 대비 1.4배의 강도 증진이 나타났다. 이에 반하여 ALD는 실험체에 설치한 아라미드시트의 구속효과에 의한 강도 증진이 확인되었다.

Fig. 13

Comparison of maximum strength

Fig. 14에 실험체별 하중-변위곡선을 단순화한 포락선을 정리하였다. 이에 의하면 ALD 및 AWD와 같이 아라미드 시 트로 기둥을 횡구속한 후 댐퍼를 보강한 실험체가 BF 실험체 대비 강도 및 변형 능력이 우수한 것으로 평가되었다. BF 실 험체는 주근 항복후 점차 강도가 증가하다가 최대하중 이후 급격한 강도 저하가 확인되었다. ALD는 횡변위를 구속한 댐 퍼 시스템의 영향으로 완만한 강도 증진과 최대하중 이후 완 만한 변형능력의 증진을 보였주었다. AWD는 기둥보강과 댐 퍼의 영향으로 우수한 강도증진을 보여주다가, 댐퍼에 변형 이 집중되어 에너지를 소산하는 내진성능을 보여주었다. 또 한 댐퍼의 스트럿이 파단된 이후에도 기둥의 보강효과로 연 성 거동을 확인할 수 있었다. 특히 AWD의 경우 최대하중시 변위는 70.2mm로 층간변위비 3.9%에 해당하는 우수한 변형 능력을 나타내었다.

Fig. 14

Comparison of envelope curve

6.2 강성저하

각 실험체별 정․부 싸이클의 평균 강성 저하를 Fig. 15에 나 타내었다. 여기서 강성은 원점과 각 사이클별 최대하중을 연 결한 직선의 기울기로 정의한다. 변형능력이 우수한 ALD의 경우 점차적인 강도 저하가 나타났다. AWD의 경우 최대하중 이후 댐퍼 스트럿이 파단되어, 안전한 실험을 위하여 종료하 였기에 지속적인 강성저하를 확인하지 못하였다. 그렇지만 보강 실험체는 대부분 거의 유사한 강성저하 기울기를 나타 내었으며, 비보강 실험체가 종료된 수평변위 50mm이후에서 도 급격한 강성저하가 나타나지 않아, 최대하중 이후의 연성 적인 거동을 확인할 수 있었다.

Fig. 15

Comparison of stiffness degradation

6.3 에너지 소산능력

실험시 기록된 하중-변위 곡선을 면적으로 정리한 에너지 소산능력을 Fig. 16에 나타내었다. 비보강실험체 BF의 소산 능력은 매우 열악한 것으로 평가되어, 내진보강이 필요한 것 으로 판단된다. 아라미드 시트로 기둥을 구속하고, 경간내부 에 강판 벽체를 세우고 댐퍼를 보강한 AWD의 에너지 소산 능력이 매우 우수함을 확인할 수 있었다. 이는 층간변위 평가 기준에 있어, 기둥 상하단의 변위차가 크게 발생하여 댐퍼에 에너지가 집중됨에 기인한 것으로 판단된다. ALD의 경우 보 강 철물 및 댐퍼가 수평변위를 구속하여, 우수한 에너지 소산 능력을 나타내었다.

Fig. 16

Comparison of energy dissipation area