1.1 연구의 배경 및 필요성

2016년 발생한 경주지진과 2017년 발생한 포항지진으로 한반도는 더 이상 지진에 대한 안전지대가 아니며, 내진 설계가 적용된 국내 건축물은 2015년 기준 40% 미만으로 1988년 건축법에 내진 설계 의무조항을 규정하기 이전의 건축물은 지진 발생 시 대규모 피해가 발생할 가능성이 매우 크다. 특히, 학교시설은 학생들의 학습 공간이자 자연재해 시 안전한 대피소로서의 중요한 구실을 해야 한다. 그러나 대한민국의 대부분 학교 건물은 내진 설계법이 제정된 1988년 이전에 건축되었으며, 이후에 건설된 학교 건물들 역시 5층 이하의 건물로 내진 설계가 필요하지 않은 경우가 많았다^{(Ryu, 2008; 2009)}.

또한, Fig. 1과 같은 구조의 학교 건물은 교실과 복도의 간격이 일정하지 않은 편 복도 형식으로 설계되는 경우가 많아, 질량과 강성의 중심이 구조체의 중심에서 벗어나 지진에 의해 구조물에 비틀림을 유발할 수 있다. 이러한 비틀림은 기둥과 보의 변위 증가와 P-Delta 효과에 의한 기둥의 강성 감소를 초래할 수 있다(Kim, 2009). 그럴 뿐만 아니라 모든 변형이 집중되는 접합부에 내진 상세가 적용되어 있지 않아 작은 변형에도 쉽게 파괴 될 수 있다. 따라서, 건물의 내외부 보강이 필요하며, 골조 프레임 자체의 강성을 향상시켜 변형을 최소화하는 방식이 요구된다.

그러나 현재 사용되는 학교시설의 구조보강 방법은 주로 행정적 선호도를 바탕으로 짧은 공기와 구조물의 철거를 최소화하는 면외보강 방법이 선택되고 있다. 면 외 외부 보강 방법은 주재료와 보강재의 부착 강도에 의해 성능이 좌우되며, 골조의 단면이 부실하거나 철근의 배근과 시공 상태가 불량한 경우가 다수 발생한다. 특히 1970~80년 고도성장기에는 현장배합에 의한 재료분리가 다발적으로 발생하였으며, 이에 따라 노후 철근콘크리트 구조물은 설계보다 낮은 강도를 보이는 경우가 많아 보강재의 충분한 부착 강도 확보가 어려워 제대로 된 내진성능 발휘가 곤란한 상황이다. 또한, Fig. 1(a) 와 같은 면외보강 방식은 기존 구조물의 보와 기둥이 가지고 있는 강도 축과 일치하지 않아 보강구조체와 기존 구조체를 연결하는 접합부에 모든 변형과 하중이 집중되어 기대하는 보강 효과를 발휘하기 전 파괴된다.

외력에 의해 작용하는 힘을 충분히 견디도록 면내방향으로 구조체의 단면 크기를 확장하는 내진 보강방식은 구조물 변형을 최소화하는 데 유리하다. FEMA-356 규정에 따르면, 거주 가능 수준에서의 순간 최대 층간 변위 비는 0.7%, 인명 안전 수준에서의 순간 최대 층간 변위 비는 2.5%로 규정되어 있으며, 붕괴 방지 수준에서는 부재의 광범위한 변형과 모멘트 접합부의 파단, 전단 접합부의 저항력 유지를 기반으로 순간 최대 층간 변위 비는 5%로 설정되어 있다. 따라서, 본연구에서는 이러한 사항들을 고려해서 현장의 시공성을 개선하면서도 효율적으로 내진성능을 발휘할 수 있는 노후 구조물에 적용하는 내진 보강방식으로 완전 구속형 면내 보강 방법을 대안으로 제시하였다. 이 방법은 Fig. 1(b)와 같이 기둥과 보를 형강으로 완전히 둘러싸는 형태로 구조물을 보강하고 이를 통해, 구조물의 안정성을 높이며, 동시에 내진성을 강화하는 데 큰 역할을 할 수 있다. 이 방식은 물론 추가 비용과 시간, 그리고 기술적 복잡성을 수반하긴 하지만, 학교 건축물과 같이 어린 학생들의 인명피해가 예상되고 유사시 대피 장소로 사용될 수 있어 높은 내진성능이 요구되는 건물에는 더욱 적합한 선택이 될 것이다.

이에 본 연구의 최종 목표는 공사의 어려움으로 외면받는 면내 보강공법을 더욱 쉽게 설치할 수 있도록 계획된 내진 어댑터의 성능을 실험을 통해 확인하고자 하는 것으로, 이를 통해 강재 내부 보강형 공법을 활성화 하는데 이바지하고자 한다. 주요 연구내용은 철골 프레임을 장착하기 위한 접합부 내진 어댑터의 재료 및 구조성능을 확인하고자 하는 것이며, 2층 골조 시험체를 활용한 반복가력 실험을 통하여 구조성능을 검증하였다.

Fig. 1 Reinforcement methods used in structural building

1.2 관련 연구

^Kim(2021)의 연구는 콘크리트의 압축 강도 감소와 인장 철근의 노화에 초점을 맞추어 구조물의 노화를 가정하고 이에 대응하는 교량 보강 방법을 분석하였다. 특히, 외부 장력 방식이라는 일반적인 보강 방법에 대한 성능을 실험을 통해 검증하였다. 실험 결과는 설치된 앵커의 조기 탈락 문제를 드러내, 극단적 조건에서의 보강 효과를 정확히 평가하기 어려웠음을 시사한다. 이러한 발견은 앵커볼트의 상세한 설계가 보강 작업의 성공에 있어 핵심적임을 강조한다. 이를 바탕으로 Kim은 앵커볼트 설치를 용이하게 하는 새로운 어댑터의 개발을 제안하였다.

한편, ^Lee(2019)는 HSWF(H-section Steel Window-typed Frame)라는 새로운 외부 보강형 내진 보강공법을 제안하였다. 이 방법은 건물 거주자가 거주 중인 상태에서도 내진 보강 공사를 수행할 수 있는 장점이 있으며, 접합부의 시공성이 뛰어나고, 필요한 내진 보강량 산정이 간단하다는 특징을 가진다. Lee의 연구는 특히 비 내진 상세를 가진 국내 철근콘크리트 건물에 있어서 전단파괴를 방지하는 내력 확보가 용이하다고 보고하였다. 또한, ^{Lee(2015; 2016)}는 SRCF(Steel Reinforced Concrete Frame)를 이용한 또 다른 외부 보강형 내진 보강공법을 제안하였다. 이 방법은 기존의 강도 증진형 내진 보강법의 단점을 개선하고, 접합부의 내력 확보 및 시공성이 탁월하며, 필요한 내진 보강량 산정도 간단하다. 그러나 이러한 외부 보강 방식은 보강재의 크기 증가와 많은 수량 설치 필요로 인한 비용 문제로 인해 실제 도입에 어려움이 있음을 지적한다.

2.1 내진 어댑터의 개요

내진 어댑터의 구성은 구조해석을 통하여 내진성능 보강량이 산출된 내진 어댑터 본체와 기존 골조와 내진 어댑터를 연결하기 위한 접합용 앵커볼트, 기존 골조와 내진 어댑터를 연결한 후 틈새 보정을 위한 접합 에폭시, 어댑터 단 부의 하중 분산을 위한 내진 어댑터 보완용 탄성체 부재로 구성된다. 내진 어댑터는 Fig. 2와 같이 단일부재용 어댑터와 접합부 적용 어댑터로 구분되며, 10mm 이내 시공 오차를 수용하는 것을 목표로 한다. 단일부재 어댑터는 기둥 또는 보 등 단일부재에 보강재를 접합하기 위한 것으로 앵커볼트로 기존 부재와 결합하고 어댑터와 보강재는 +형 홈에 볼트를 체결하여 접합한다. 접합부 적용 어댑터는 기둥과 보가 만나는 접합 부재에 강재 보강재를 접합하기 위한 것으로 앵커볼트로 기존 부재와 어댑터를 결합하되 간섭이 되지 않도록 결합한다. 보강재는 단일부재 어댑터와 같이 +형 홈에 볼트를 이용하여 접합한다. 내진 어댑터는 스트립 철근과 간섭되지 않고 앵커링을 할 수 있을 정도로 불필요한 슬릿 길이를 최소화하고, 앵커볼트의 머리 부분이 나오지 않을 정도로 축소하여 슬릿 깊이를 최소화하였으며, 접촉면과 어댑터 두께를 최소화하여 크기 및 형태를 확정하였다.

즉, 어댑터는 기본적으로 현장의 시공 오차를 최대한 흡수 할 수 있도록 슬릿을 X-Y 방향으로 설치하였다.

Fig. 2 Seismic Adapters Detail

2.2 내진 어댑터와 부착 앵커의 성능 실험

골조 실험을 준비하기 전, 계획한 내진 어댑터의 재료적인 특성과 파괴 거동을 확인하기 위해 Fig. 3과 같이 콘크리트 기둥을 모사한 사각 블록에 앵커를 삽입하고 어댑터 역할을 하는 강재 지그를 설치하여 가력하는 실험을 진행하였다.

시험체 제작은 노후 학교 건축물의 벽체 강도 조사 결과^{(Ryu, 2009)}에 따라 압축강도 15MPa 수준으로 콘크리트를 배합하여 직접 타설하였고 원추형 공시체(100×200mm) 실험 결과는 Fig. 4와 같다.

Fig. 5와 같이 철제 지그 부분을 가력한 파괴 형상은 다음과 같다. 실험체는 동일한 구조의 3개로 최대하중 발현 시 측면부 상부 앵커 설치 부위에서 콘크리트 프라이 아웃 파괴가 관찰되었으며, 2번 실험체의 경우 앵커 전단파괴, 3번 실험체는 앵커 뽑힘 현상이 일어난 실험이 종료되었다. 실험체 2번을 포함한 모든 실험체가 약 2% 변위 비에서 항복에 도달하였다. 예상하중은 앵커 제조사에서 제공하는 앵커의 저항값과 ^Hur(2021)가 실험으로 제안한 M20 웨지 앵커의 전단 내력 2개 값인 15.6NK이었으며, 실험으로 나타난 최대하중은 Fig. 6과 같이 15.6~17.1 kN 범위로 예상하중을 약간 상회하면서 일정한 패턴으로 나타났다. 이후 2개의 앵커 중 상부 앵커가 유실되며 하중은 절반 수준으로 줄어들었다. 실험이 계속 진행되면서 콘크리트에 프라이아웃 파괴가 나타났으며 앵커가 전단되거나 뽑히는 현상은 최대 변형을 확인하기 위해 실험을 계속 진전시키면서 5% 변형 이후에 발생하였으므로 실제 건물에 설치되더라도 내진 어댑터의 강도는 충분할 것으로 판단된다.

Fig. 3 Preparation for the experiment to verify the characteristics of the seismic adapter

Fig. 4 Concrete specimen test results

Fig. 5 Destruction pattern and characteristics after the seismic adapter test

Fig. 6 Results of the shear test on the concrete block-seismic adapter block

3.1 실험체 계획 및 제작

실험체는 Fig. 7와 8와 같이 공장 제작하여 실험실로 이송하는 것으로 계획하였다. 콘크리트 기둥과 보는 Table1과 2의 콘크리트와 8가닥의 D10 철근을 사용하였다. 내진 어댑터는 사전에 국내기업체에서 생산하는 SM490 강재를 사용하여 제작하였다. 내진 보강용 지그는 H-형강(200×200×8×12)으로 제작하여 실험 하중 수준에서 변형이 생기지 않도록 계획하였다. 실험의 목적은 지진하중을 효과적으로 모사하는 것이므로, 정-부 방향 가력이 가능하도록 반대쪽에도 지그를 설치하고 강봉을 이용하여 고정하여 슬래브 전체가 동시에 가력 되도록 계획하였다. 이러한 구조는 지진 시 발생할 수 있는 다양한 하중 조건을 효과적으로 모사하여 실험 데이터의 정확성을 높일 수 있을 것으로 판단한다.

Fig. 7 Detail of Specimen

Fig. 8 Manufacturing of specimens

3.2 재료실험

콘크리트의 설계 강도는 27MPa로 KS F 2405(압축강도 실험방법)에 의한 콘크리트 압축강도 시험 결과 5개 공시체 평균값은 28.3 MPa로 나타났다. Table 1은 콘크리트 압축강도 시험 결과를 나타내었다. 실험체 제작에 사용된 철근 D10을 사용하였으며 KS B 0801(금속재료 인장시험 편규정) 2호의 규정에 따라 시험편을 제작하여, KS B 0802의 금속재료 인장시험 방법에 따라 시험을 시행하였다. 또한, Fig. 9의 가력철물을 고정하는 강봉에 대해서도 평가하였다. Table 2에 철근과 강봉의 인장시험 결과를 나타내었다.

Fig. 9 Experimental Setup of a Two-Story Structural Test Specimen

3.3 실험방법

실험은 단국대학교 건축구조실험동에서 실시하였고, 액추에이터(500kN/500mm)는 전동모터식, 변형률 측정기 200mm를 사용하였다. 실험은 2개 층을 동시에 수평가력하고 하중 가력 시 사용된 액추에이터와 철제 지그를 통해 상부와 하부에 4:6 비율로 하중이 분배되어 가력되었다. Fig. 10의 계획과 같이 가력지점별로 구분하여 로드 셀을 설치하였으며, 액추에이터 자체의 하중도 별도로 측정하였다. 층별 골조 최대 변형지점에 변형률 측정기를 설치하여 각 층에 가해지는 하중과 동일 수평선상의 변형을 측정하였다.

실험은 Table 3의 가력계획과 같이 최대 변형 100mm (3.3%)를 기준으로 변형의 증가는 3단계까지는 초기 예측한 항복 하중의 1/2로, 이후부터는 항복 변위 수준으로 증가시키며 Fig. 11과 같이 2회씩 정-부 방향으로 점진가력을 실시하였다. 이때 발생하는 콘크리트 부분의 균열은 가력 중간에 수시로 마커 하며 확인하였다. 강재보강 실험체의 경우 접합된 부분의 M10 볼트의 전단파괴(앵커볼트 부분 파괴 시 260kN, 형강에 고정된 볼트의 부분파괴 시 200kN 내외)로 실험이 종료될 것으로 예상하였다.

Fig. 10 Steel Jigs, Sensors, and Actuators Used in the Experiment

Fig. 11 Loading cycle

4.1 균열 및 파괴 상황

기준 실험체에서는 Fig. 12(a)와 같이 부재 각 0.1%(횡 변위 3mm) 이내 정가력에서 양단 기둥 하단부에서 휨 균열이 관찰되었으며, 중앙부에서도 0.3%의 부재 각에서 미세한 휨 균열이 발생하였다. 부재 각이 증가할수록 균열은 확장되었고, 1% 정가력 시 보 중앙에서는 미세한 대각균열이 발생하였다. 부재 각이 1.5%를 넘어가면서 균열의 폭은 확대되어 기둥의 일부 피복이 박리되었고, 2.5%를 지나면서 기둥 하단부가 파단되었다. 기준 실험체의 기둥과 보에서는 전체적으로 휨 균열이 발생하였고 접합부에서는 x형 균열이 관찰되어 반복가력에 의한 지진하중 모사가 제대로 이루어진 것을 확인하였다. 보강 실험체의 경우 Fig. 12(b)와 같이 기준 실험체와 다른 양상을 보였다. 보강 실험체에서는 부재 각 0.3%까지 균열이 관찰되지 않았다. 0.5%를 넘어가는 시점에서 내진 어댑터의 앵커 삽입 부분에서 균열이 피복까지 진전되는 것을 확인하였다. 이후 기둥 하부와 2층 바닥 접합부 인근에서는 x자 모양의 미세한 균열이 발생하였다. 부재 각이 1.0%를 넘어서면서 기존의 균열이 확장되는 것을 확인하였고, 2.0%를 넘어서는 시점에는 앵커의 전단 변형으로 인한 프라이아웃 파괴양상에 의한 균열이 확장되었다. 실험은 1층 하부의 어댑터와 강재 보강재 부분의 볼트 1개가 전단 파괴되는 시점에서 종료되었다.

Fig. 12 Surface crack pattern

4.2 하중-변위 이력 곡선

먼저 무 보강 실험체는 1, 2층 모두 변형을 측정하였으며 결과는 Fig. 12-13과 같다. 가력계획에 따라 실험한 결과 2층은 50.0kN, 1층 25.0kN 하중이 발생하여 1/2수준을 보였다. 변형은 1층이 2층대비 75% 수준이 발생하였다.

본 연구에서 수행된 두 층 콘크리트 구조체에 대한 하중 가력 실험에서 나타난 1층 하중의 2층 하중 대비 낮은 비율은 구조체의 횡 구속 효과 및 전체 구조체의 회전에 기인한 결과로 분석된다. 또한 정방향에서 부 방향으로 변형 전환 시 균열이 닫히면서 하중이 감소하는 핀칭(pinching effect) 현상이 관찰되었으며 이 핀칭현상은 시험체의 지점이 미끄러지면서 발생하기도 한다. Fig. 14의 보강 실험체도 무 보강 실험체와 유사한 변형이 발생하였다. 본 연구의 주요 목적은 개발한 내진 어댑터의 성능을 평가하는 것이나 어댑터 자체의 물성치 조사보다는 실 구조물에서의 변형이나 위치이동이 발생하는지를 검증하기 위해 구조체 전체의 하중-변위 곡선을 활용하여 분석하였다. 보강된 실험체의 경우 설치된 2개의 LVDT 중 일부가 고장으로 인해 2층의 변형만 측정되어 1층 변형과의 비교할 수 없었다. Fig. 14는 1층과 2층의 하중을 합치고 변형은 2층의 변형을 활용하여 그려낸 그래프이며, 이 하중이 Fig. 15 와 같이 액추에이터 부분에서 측정된 하중과 동일하게 나타내 실험에 이상이 없다고 판단하였다. 특이사항으로 최대하중에 근접하자 계획단계에서 예상했던 볼트 파단이 먼저 발생하였다. 발생 위치는 볼트를 4개 체결하는 어댑터 부위였으며, 보강재 체결에 사용한 ASTM A325 등급의 M20 고력 볼트의 경우 고르게 하중이 분산되어 전단력에 노출되는 경우 개당 58.9 kN의 하중을 견딜 수 있으므로 4개가 체결되어 있는 어댑터 부분에서 235kN 수준의 전단 파괴하중을 견딜 수 있다. 따라서, Fig. 14에서 보인바 같이 230~240kN 수준에서 볼트 파단이 발생하는 것은 예상한 상황이었으며, 실제로 발생하는 것을 확인하였고 추후 설계 시 중요하게 고려해야 할 사항이라고 판단된다. 보강 실험체의 실험 결과는 Fig. 14에서 보이는 바와 같다. 보강 실험체의 최대하중은 약 240 kN으로 무 보강 실험체 보다 약 4배정도 높게 나타났다.

이론상 계산된 항복 하중은 기준 실험체의 경우 단면의 크기가 작고 철근비가 2.3% 수준이어서 보로 인한 구속 효과를 고려하더라도 9~10kN 수준에서 3%의 변형이 발생할 것으로 예상하였으나, 실제 실험 결과는 40kN 수준까지 지지되는 것을 확인하였다.

보강 실험체는 H-형강이 완전히 구조물에 합성되고, 구속 효과를 고려하여 계산하면 3% 변형 시 164kN으로 예상되었으나 실험 결과는 그보다 높은 240 kN으로 나타나 어댑터가 충분히 합성성능을 보이고 H형강을 사용한 면내 보강이 내력에 충분한 구속 효과를 보임을 알 수 있었다.

Fig. 13 Test results of reference specimen

Fig. 14 Test results of reinforced specimen

4.3 실험 결과 분석

Fig. 15는 액추에이터의 변형과 하중을 사용하여 두 실험체를 비교한 결과이다. 비보강과 보강 실험체 모두에서 관찰된 결과에 따르면, 항복 하중은 각각 보강실험체 57.4kN, 비보강실험체 26.0kN로 두 실험체 모두 10mm 수준의 가력이 적용되었을 때 휨 철근이 항복하였다.

항복 후의 거동은 가력범위가 증가함에 따라 강성이 비율적으로 저하되는 패턴을 보였다. 균열 발생 위치는 접합부에서 부재 중앙부로 이동하였으며, 이는 전형적인 휨 변형 거동을 나타냈다.

보강 실험체와 비보강 실험체 사이의 최대하중에 의한 내력 비는 3.69에서 4.16 사이로, 보강 실험체가 보다 높은 강도를 보여주었다. 이 차이는 철제 지그의 보강 효과를 나타내는 것으로 보인다. 특히 탄성 범위에서 초기 강성 비는 2.23로 보강이 뚜렷하게 강성을 증가시키는 효과를 보였다. 또한 개발한 강재 어댑터에는 변형이나 휘어짐이 관찰되지 않았다.

실험 영상을 분석 결과 실험 장비 및 실험체에서 볼트의 기계적인 결함에 의한 변형이 관찰되었다. 특히, 바닥과 철물을 체결할 때와 볼트 사이 또는 지그와 볼트 사이에 시각적으로 구분할 수 있는 이동현상이 관찰되었는데, 이것이 하중 저하의 주요 원인으로 판단된다. 하지만 이 변형은 재료와 시스템의 탄성 범위 내의 거동으로 판단되며, 실험체의 최대내력이나 피로변형과 같은 부분에는 영향을 미치지 않은 것으로 판단된다. 또한 어댑터를 활용한 부분에서는 거동이 관찰되지 않아 개발된 어댑터의 기능에 문제 없다는 것을 확인하였다. 이 관찰 결과로 보아 합성구조에서는 결합 부분이 구조물의 거동에 중요한 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 더욱이, 최대내력의 저하 현상은 239kN 지점에서 관찰되었다. 어댑터 자체에는 문제가 없었지만, 어댑터와 형강을 연결하는 고력볼트에 의해 발생한 것으로 판단된다.

이러한 결과는 고력볼트의 체결에 사용되는 접합부의 형상과 체결 상태가 구조체의 내력에 중요한 역할을 하는 것을 보여준다. 또한, 이를 통해 어댑터의 역학적 중요성을 재확인할 수 있다.

따라서, 본 연구 결과를 바탕으로, 구조물의 내력을 보장하고 하중 저하를 방지하기 위해선 체결용 볼트의 거동에 주의해야 하며, 이는 향후 현장 적용 시 설계와 유지 보수에서 중요한 참고가 될 것이다.

Fig. 15 Comparison Results of Actuator Load-Displacement Curves for Reinforced/reference Experimental Specimens

4.4 강성저하

실험체의 강성저하는 각 이력 사이클의 최대 점을 연결한 곡선으로부터, 그리고 원점에서 출발하여 각 사이클의 최대강도를 연결한 직선의 기울기를 통해 정의된다. Fig. 16과 17은 이러한 강성저하 현상을 포락 곡선을 통해 나타낸 것으로, 실험체가 겪는 최대하중과 관련된 변위를 직관적으로 보여준다. 이 그래프에서 우리는 보강된 실험체가 기준 실험체에 비해 더 높은 강성을 가지고 있으며, 따라서 더 큰 하중에도 더 적은 변위를 경험하는 것을 확인 할 수 있었다.

기준 실험체에서는 변위가 증가함에 따라 강성이 꾸준히 감소하는 반면, 보강된 실험체는 변위의 증가에 따라 강성이 더 느리게 감소하는 경향을 보였다. 이는 변형이 증가하더라도 보강된 실험체가 그 강성을 더 잘 유지함을 의미하며, 내진 어댑터가 충분한 성능을 제공함을 시사한다. 이 분석을 통해 강화된 구조가 더 큰 변위에도 견딜 수 있는 능력이 높음을 알 수 있으며, 이는 특히 지진과 같은 동적 하중에 대한 구조물의 내진성능을 향상하는 데 중요할 것으로 판단한다.

Fig. 16 Comparison of envelope for specimen

Fig. 17 Comparison of stiffness degradation

4.5 에너지 소산 능력

면내 보강 효과를 확인하기 위해 각 사이클에 따른 이력 거동으로부터 그에 해당하는 에너지 소산 능력(Energy dissipation capacity)을 구하였다. 하중과 변위가 연속량이 아니기 때문에 선적분을 수행할 수 없어 실험으로부터 얻은 하중-변위의 이산량으로 치환하여 근삿값으로 산정하였다. Fig. 18와 같이 보강된 실험체는 2.9~3.8배까지 에너지 소산 능력이 향상되었을을 확인할 수 있다.

Fig. 18 Enhanced Energy Dissipation Capacity Through Internal Reinforcement: A Comparative Analysis of Experimental Results