허무원
(Moo-Won Hur)
1
박태원
(Tae-Won Park)
2
이상현
(Sang-Hyun Lee)
2†
박현수
(Hyun-Soo Park)
3
-
정회원,단국대학교 건축학부 연구교수, 공학박사
-
정회원,단국대학교 건축학부 교수, 공학박사
-
정회원,신한대학교 디자인학부 교수, 공학박사
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
필로티 구조, 외부부착형 내진보강공법, 내진 보강, 포스트텐션, 구속 효과
Key words
Piloti Structure, BCM, Seismic, Seismic retrofitting, Post-tension, Confinement effect
1. 서 론
2017년 11월과 2016년 9월에 발생한 포항지진 및 경주지진으로 인해 포항과 경주지역에 많은 피해가 발생하였다. 포항지진은 경주지진 이후 1년여
만에 발생한 큰 규모의 지진으로 한반도가 더 이상 지진에 안전한 지역이 아니라는 인식이 크게 증가하였다. 특히, 경주지진은 1978년 기상청이 지진
관측을 시작한 이후 한반도에서 발생한 최대 규모(규모 5.8)의 지진으로 국내 주요 시설물에 큰 피해를 줄 수 있는 규모의 지진이 언제든지 발생할
수 있음을 보여주었다(AIK 2018). 포항지진의 피해사례를 보면 필로티구조물과 학교와 같은 모멘트골조 구조물이 큰 피해를 입은 것을 알 수 있었다. 필로티구조는 2009년 도시형 생활주택이
도입되면서 수요가 크게 증가한 구조형식으로 저층부는 주차장용도로 사용되어 보-기둥이 주를 이루는 골조 시스템으로 구성되어 있고, 고층부는 주거용도로
사용되어 벽체가 주를 이루는 전단벽 시스템으로 구성된 수직비정형 구조물이다. 현행 내진성능평가요령에 따르면, 필로티구조물은 수직비정형성 중 강성비정형에
해당되며 1층이 연층이 되어 구조물의 전체 층 변위가 1층에 집중된다. 이런 경우 전체 구조물의 내진성능은 1층 기둥의 내진성능에 좌우되며, 구조물
전체의 안전에도 큰 영향을 미치므로, 지진 발생 시 요구되는 최대 층 변위에도 기둥이 내진성능을 잃지 않는 것이 중요하다. 하지만, Fig. 1에서 보다시피 포항지진의 여파로 필로티구조물의 기둥이 전단파괴 되어 구조물 전체가 붕괴위험에 이르는 피해가 발생하였다. 기둥의 파괴 양상을 보면 전단철근이
거의 없음을 볼 수 있는데, 이는 구조설계 시 전단철근이 내진성능을 발휘할 수 없는 단면유효깊이(d)보다 넓은 간격으로 배근되었거나, 시공단계에서
임의로 전단철근 개수를 줄이는 등의 부실시공을 의심해 볼 수 있다. 이처럼, 필로티구조물의 수요는 크게 증가하였지만, 설계지진(Design Based
Earthquake, DBE) 보다 규모가 작은 지진에서도 구조물 전체의 안전과 직결되는 1층 기둥이 전단파괴 되는 등, 내진성능은 크게 낮아진 것을
알 수 있다. 또한, 시공 된 기둥의 경우 전단철근을 추가적으로 배근할 수 없어 내진성능 향상을 위한 보수 및 보강이 매우 힘든 실정이다.
기존 비정형 필로티 건물의 내진보강 방안에 관한 연구로서 벽체 증설공법, 철골프레임이나 철골 가세 추가공법 등이 제시되었다(Yoo et al., 2022, 2020; Oh et al., 2020; Kim et al.,2020; Park et al., 2020; Oh et al., 2019; Jung et al., 2019; Moon et al., 2019 ; Hur et al., 2018).
하지만, 이러한 공법들은 공간 개방성 및 주차 공간을 침범할 우려가 있어 공간 개방성을 유지하면서 내진성능을 확보할 수 있는 공법 개발이 필요할 것으로
사료된다.
이에 본 연구에서는 내진설계 이전에 지어진 건축물을 대상으로 기둥 및 횡력이 부족한 기둥의 내진성능을 향상시키는 방법인 외부부착형 내진보강공법(Binding
Column Method, BCM)을 제안하고, 기둥의 반복가력 실험을 통하여 보강 전ㆍ후의 내진성능향상 효과를 검토하고자 한다.
Fig. 1 Column failure of piloti structure by Pohang earthquake(AIK 2018)
2. BCM 공법의 개요
기둥보강공법인 BCM 공법은 후 설치 기둥 내진보강공법에 해당된다. Fig. 2와 같이 기둥의 외측에 일정 간격으로 보강재인 원형 강봉을 설치하여 기존 철근콘크리트 기둥의 내진성능 및 연성도를 향상시키는 보강공법이다.
BCM 공법은 Φ13 원형 강봉, L-형강과 정착재로 이루어진 브래킷, 그리고 기둥과 보강재 사이의 접착을 위한 에폭시를 사용하며, 주 공정이 건식공법으로
되어있어 보강 공사기간가 짧고 경제적이다. 특히, 원형 강봉에 포스트텐션을 도입하여 기존 철근콘크리트 기둥과의 일체화 및 동시에 횡 구속 효과(Confinement
effect)를 발현시켜 전단강도, 휨강도 및 연성능력을 동시에 증가시킬 수 있다.
3. 실험계획
3.1 실험체 계획
BCM 공법의 내진성능향상 효과를 검증하기 위해 원형 강봉의 보강 간격, 원형 강봉에 인장력을 도입하기 위한 조임력, L-형강의 두께를 변수로하여
기준 실험체 1개와 BCM 공법이 적용된 보강 실험체 4개를 제작하여 반복가력실험을 수행하였다. Table 1은에 실험체 변수 및 일람을 나타내었으며 Fig. 3에 실험체 상세도면을 나타내었다. 기둥 단면은 400×400㎜인 정사각 단면이며, 기둥의 순 길이는 1,015㎜이다. 가력점 주위와 기초부위는 실험
시 집중하중에 의한 균열 및 국부 변형이 생기지 않도록 철근을 보강 하였다. 콘크리트 설계강도는 30MPa이며, 철근의 항복강도는 400MPa이다.
또한, BCM공법에 적용된 강봉의 항복강도는 490MPa이다.
Fig. 3 Detail of specimen
Table 1 Details of test specimens
|
Specimen
|
Reinforcement
spacing(㎜)
|
Fixing material thickness(㎜)
|
Torque(Nㆍm)
|
|
SC1
|
-
|
-
|
|
|
SC2
|
d/2=160
|
4
|
60
|
|
SC3
|
d/3=110
|
4
|
60
|
|
SC4
|
d/2=160
|
9
|
90
|
|
SC5
|
d/2=160
|
9
|
60
|
3.2 실험체 제작
실험체 제작은 철근 가공 및 조립, 거푸집 제작, 스트레인 게이지 부착, 콘크리트 타설 및 양생의 순서로 진행하였다(Fig. 4 참조). 거푸집은 철판 및 목재 패널을 이용하여 제작하였으며, 거푸집의 이동 및 콘크리트 타설 측압에 의한 거푸집의 변형을 방지하기 위하여 HD10
철근을 용접하여 거푸집의 외부 모서리를 고정하였다. 실험체는 콘크리트 타설 후 28일 이후에 실험실로 입고하였다.
스트레인 게이지는 기둥 실험체에 횡력이 작용했을 때 미소 변형 및 내력 분포를 측정하여 기둥의 정확한 거동을 평가하기 위하여 부착하였다. 기둥내부
모서리 주근에 4개씩 부착하였다.
3.3 재료시험
콘크리트의 설계 강도는 30 MPa로 KS F 2405(압축강도 실험방법)에 의한 콘크리트 압축강도 시험결과 6개 공시체 평균값은 30.5 MPa로
나타났다. Table 2는 콘크리트 압축강도 시험결과를 나타내었다. 철근은 KS B 0801(금속재료 인장시험편 규정) 2호의 규정에 따라 시험편을 제작하여, KS B 0802의
금속재료 인장시험방법에 따라 시험을 실시하였다. Table 3과 Fig. 5에 철근과 강봉의 인장시험결과를 나타내었다.
Fig. 4 Manufacturing of specimens
Fig. 5 Stress-strain curve
Table 2 Characteristic value of concrete
|
No
|
Concrete strength (MPa)
|
Modulus of elasticity
(MPa)
|
|
f$_{ck}$
|
f$_{ck.ave}$
|
|
1
|
29.8
|
30.5
|
2.03×104
|
|
2
|
31.0
|
|
3
|
32.1
|
|
4
|
30.6
|
|
5
|
31.1
|
|
6
|
28.1
|
Table 3 Material properties of rebar and steel bar
|
Main Bar
|
Yield strength
(MPa)
|
Yield strain
(×10$^{-5}$)
|
Tensile strength
(MPa)
|
Elongation
(%)
|
|
D19
|
448.9
|
2960.3
|
548.7
|
22.5
|
|
$\phi$13
|
495.3
|
2813.1
|
629.8
|
20.1
|
3.4 실험 방법
Fig. 6은 기준 실험체 셋팅 전경을 나타낸 것이다. 기둥의 축력비는 10%(0.1fck×A= 48.8kN)로 가정하였고, 축력비를 10%로 가정한 이유는
여러 필로티 모델을 분석해본 결과 대부분의 기둥이 10% 전후의 축력비를 받고 있어 이와 같이 가정하였다. 기둥 상부에 수평으로 설치된 철골 보의
양 끝에 2개의 유압잭을 사용하여 목표 압축력까지 가력 하였다. 유압잭은 하부에 힌지와 연결되어, 기둥이 액추에이터 가력에 의해 횡변형이 생길 때
철골 보가 함께 거동하게 함으로써 일정한 압축력을 유지할 수 있도록 하였다. 기둥의 횡가력에는 유압식 액추에이터를 사용하였다. 액추에이터를 기둥과
연결 한 후 반복가력 로딩 사이클(Loading cycle)로 가력하였다. 로딩 사이클은 기둥의 순높이에 대한 횡변위의 비로 계산된 10개의 사이클이
1 사이클 당 3회씩, 최대 30회 가력 하도록 계획하였다.
Table 4는 각 스텝별 변위를 나타낸 표이며 Fig. 7은 이를 도식화하여 나타낸 그림이다.
Table 4 Displacement of cycle
|
Cycle
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
|
Drift(%)
|
0.1
|
0.3
|
0.5
|
1.0
|
1.5
|
2.0
|
2.5
|
3.5
|
5.0
|
7.0
|
|
Displacement(㎜)
|
1.1
|
3.3
|
5.5
|
11.0
|
16.5
|
22.0
|
27.5
|
38.5
|
55.0
|
77.0
|
4. 실험결과
4.1 균열 및 파괴 상황
Fig. 8은 실험종료 후 각 실험체의 균열도를 나타낸 그림이다.
SC1 실험체는 2사이클(3.3㎜) 첫 번째 정방향 단부에서 미세균열이 발생하여 층변위가 증가할 균열이 중앙부 확대되었고, 최종 4사이클(11㎜)에서
급격하게 전단균열이 확장되며 실험을 종료하였다.
SC2 실험체의 경우 2사이클(3.3㎜)에서 미세균열이 발생하였고, 실험이 진행될수록 균열은 중앙부로 점차 확대되었다. 6사이클(22.0㎜)에서 전단균열이
발생하였고 8사이클(38.5㎜)에서는 균열이 확장되며 기둥 하부의 콘크리트 피복이 박리되기 시작하였다. 최종적으로 9사이클(55.0㎜) 정방향에서
하중이 최대하중의 80% 수준으로 감소하여 실험을 종료하였다.
SC3 실험체의 경우도 SC2 실험체와 유사하게 최초 균열은2사이클(3.3㎜)에서 발생하였다. 5사이클(16.5㎜)에서 기둥과 기초 연결부위에서 전단균열이
발생하였다.
사이클이 증가할수록 균열이 확장되고 기둥과 기초 접합부의 콘크리트가 압괴가 발생하였다. 8사이클(38.5㎜)에서 기둥 단부의 콘크리트 피복이 대부분
박리되었고, 9사이클(55.0㎜) 부방향에서 최대하중의 약 10%정도 감소하여 실험을 종료하였다.
SC4 실험체의 경우 4사이클(11.0㎜)에서 기초-기둥 연결부에서 균열이 발생하였으며, 이후 사이클이 증가할수록 균열의 폭 및 크기가 증가하였고,
균열도 중앙부로 확대되었다. 실험은 10사이클(77.0㎜)에서 종료하였다. 하지만, 다른 실험체에 비해 하중의 감소는 크지 않았지만, 기둥과 기초의
접합부의 콘크리트 압괴로 인한 콘크리트 박리가 심하게 발생하여 실험을 종료하였다.
SC5실험체의 경우 4사이클(11.0㎜)에서 기둥-기초 연결부에서 균열이 발생하였으며 7사이클(27.5㎜)에서 균열이 양과 폭이 증가하였다. 8사이클(38.5㎜)에서
기둥과 기초 연결부에서 콘크리트 압괴가 발생하였다. 최종적으로 10사이클(77.0㎜)에서 하중이 약 80% 수준으로 감소하여 실험을 종료하였다.
Fig. 8 Surface crack pattern
4.2 하중-변위곡선 및 포락선
Fig. 9 및 Table 5에 각 실험체별 하중-변위곡선 및 실험결과를 나타내었다. SC1의 경우 정 방향 가력에서 최대하중에 도달한 후 급격한 하중저하와 함께 전단파괴가 발생하였다.
반면, BCM 보강 실험체 모두 최대하중에 도달한 후에도 하중이 완만하게 감소하고 연성거동을 하며 에너지소산이 증가하였으며, 종국에는 휨파괴 양상을
보였다. 반면, 보강 실험체 모두 최대하중에 도달한 후에도 하중이 완만하게 감소하며 에너지소산이 증가하였으며, 종국에는 휨파괴 양상을 보였다. 기준
실험체(SC1) 대비 BCM공법으로 보강된 실험체들(SC2, SC3, SC4, SC5)의 경우 극한변위는 약 2.5배 이상 극한하중은 약 2.0배
이상 증가하는 결과를 나타내었다. 다만, SC1실험체의 경우 정 방향과 부 방향의 최대변위가 다른 것을 볼 수 있는데 첫 실험에 대한 시행착오로 SC1
실험체의 경우에는 정 방향 가력시의 결과 값만을 신뢰할 수 있는 실험결과로 판단하였다.
Fig. 10은 각 실험체들의 포락선을 나타내었다. 그림에서 기준 실험체인 SC1의 경우 항복이후에 급격한 취성파괴가 발생하였다. 하지만, 기둥내진보강공법을 보강한
실험체들은 항복이후에서 급격한 하중 저하를 나타내지 않고 약 15%내외로 강도가 감소하는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과로 기둥내진보강공법은 강도감소를
방지하는데 뛰어난 효과가 있는 것으로 나타났다. BCM공법 중 SC4실험체가 가장 뛰어난 내진성능보강 효과를 나타내었다.
Fig. 9 Load-displacement relationship
Fig. 10 Comparison of envelope for specimen
Table 5 Test results
|
Specimen
|
Direction
|
Yield displacement
u$_{y}$ (㎜)
|
Yield load
V$_{y}$ (kN)
|
Maximum displacement
u$_{u}$ (㎜)
|
Maximum load
V$_{u}$ (kN)
|
Maximum deformation
(%)
|
Failure
|
|
SC1
|
+
|
5.5
|
185.6
|
11.0
|
196.2
|
1.0%
|
Shear failure
|
|
–
|
-5.5
|
-149.1
|
-11.0
|
-145.5
|
1.0%
|
|
SC2
|
+
|
16.5
|
316.8
|
27.5
|
330.3
|
2.5%
|
Flexural-shear failure
|
|
–
|
-16.5
|
-284.3
|
-27.5
|
-306.1
|
2.5%
|
|
SC3
|
+
|
16.5
|
281.8
|
55.0
|
340.2
|
5.0%
|
Flexural failure
|
|
–
|
-16.5
|
-226.7
|
-38.5
|
-292.5
|
5.0%
|
|
SC4
|
+
|
16.5
|
324.7
|
77.0
|
387.5
|
7.0% or more
|
Flexural failure
|
|
–
|
-16.5
|
-306.5
|
-77.0
|
-355.5
|
7.0% or more
|
|
SC5
|
+
|
16.5
|
315.1
|
55.0
|
358.3
|
5.0%
|
Flexural failure
|
|
–
|
-16.5
|
-295.1
|
-55.0
|
-327.3
|
5.0%
|
4.3 강성저하
원점으로부터 각 이력싸이클의 최대강도 점을 연결한 직선의 기울기로 정의된 실험체의 강성저하(Stiffness degradation) 경향을 Fig. 11에 나타내었다.
각 실험체별 강성저하 결과 기준 실험체의 경우 정방향 및 부방향 모두 초기에 급격한 강성저하를 나타내며 취성파괴 되었다. 하지만, BCM공법으로 보강된
실험체의 경우 정방향 및 부방향 모두 완만한 강성저하를 나타내었다. 또한, 정ㆍ부 방향 모두 유사한 형태로 강성저하를 보였다.
Fig. 11 Comparison of stiffness degradation
4.4 에너지 소산능력
아래 식 (1)을 이용하여 각 사이클에 따른 이력거동으로부터 그에 해당하는 에너지소산능력(Energy dissipation capacity)을 구하였다. 하중과
변위가 연속량이 아니기 때문에 선적분을 수행할 수 없어 실험으로부터 얻은 하중-변위의 이산량으로 치환하여 근사값으로 산정하였다.
여기서, $F(x)$ : 감쇠장치 하중이력, $\triangle x$ : 변위 증분
실험체의 이력거동에 따른 소산 에너지량($E_{D}$)을 각 싸이클에 따라 구하고 정방향 및 부방향으로 나누어 Fig. 12에 나타내었다. 보강 실험체 모두 기준 실험체에 비해 에너지 소산량이 크게 증가하였으며, SC4 실험체의 에너지 소산량이 정 방향과 부 방향 모두
가장 큰 것을 나타났다.
Fig. 12 Energy dissipation of specimens
5. 결 론
본 연구에서는 기존의 내진성능이 부족한 철근콘크리트 기둥에 기 개발된 BCM공법을 적용하여 보강 전, 후의 기둥 내진성능향상을 실험을 통해 확인하였다.
본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 기준 실험체(SC1) 대비 BCM공법으로 보강된 실험체들(SC2, SC3, SC4, SC5)의 경우 극한변위는 약 2.5배 이상 극한하중은
약 2.0배 이상 증가하는 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 기둥내진보강공법이 강도 및 연성 증진에 뛰어난 효과가 있는 것을 나타낸다. 또한, 기준
실험체(SC1)는 기둥 하부에서 미세균열이 발생하여 이후 전단균열로 확장되면서 급격한 강도저하와 함께 취성적인 전단파괴의 양상을 나타낸 반면, 기둥내진보강공법으로
보강된 실험체들은 강도 및 강성의 증가와 함께 에너지 흡수 능력도 큰 타원형의 이력특성을 나타내었다.
(2) 기준 실험체(SC1) 대비 BCM공법으로 보강된 실험체들(SC2, SC3, SC4, SC5)의 강성저하를 비교한 결과 기둥내진보강공법으로 보강한
실험체가 강성저하를 방지하는데도 효과적임을 알 수 있었다. 또한, 에너지 소산능력도 기둥내진보강공법으로 보강한 실험체가 우수한 것으로 나타났으며 극한변형
시까지 우수한 에너지 소산 능력을 발휘하고 있음을 볼 수 있다. 이러한 에너지 소산 능력의 증진은 내력과 변형 능력의 증진에 따른 결과라고 사료된다.
(3) BCM공법 중 전단보강간격이 작고, 조임력 값이 크며, 연결철물이 두꺼운 SC4실험체가 가장 뛰어난 내진성능보강 효과를 나타내었다.
감사의 글
본 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업과 창의도전연구기반지원사업(과제번호: NRF-2018R1D1A1B07048570, NRF-2022R1I1A1A0106389911)에
의한 결과의 일부이며 이에 감사드립니다.
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