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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.1 pp.17-25
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.1.017

Experimental Study of Seismic Performance Improvement of Pilotis RC Column Strengthened with FRP

Jeongjin Choi1,2, Taehun Lee2, Byeongjin Park2, Kwanggun Rho3, Choi Sungmo4
1Head of Department, HS Engineering, Korea
2Master Course, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea
3President, Heesang Reinforce, Korea
4Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea
·

본 논문에 대한 토의를 2019년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2019년 04월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Choi, Sungmo Department of Architetural Engineering, University of Seoul, 163, Seoulsiripdaero, Dongdaemun-gu, Seoul, Korea. Tel: +82-2-6490-2759, Fax: +82-2-6490-2749, E-mail: smc@uos.ac.kr
November 12, 2018 February 12, 2019 February 18, 2019

Abstract


In order to develop an effective seismic strengthening method for existing concrete structure, structural tests of aramid FRP reinforced RC columns and polyester reinforced RC columns with SRF method are performed. The test variables were strengthening methods of aramid sheet and strip and thickness of polyester belt. The test results were evaluated by comparing strength and energy dissipation capacities of non-reinforced and reinforced specimens. The test result comparison showed that reinforcement of RC columns with aramid sheet reinforcement and SRF method is effective.



FRP 보강 RC기둥의 내진성능 향상에 관한 실험적 연구

최 정진1,2, 이 태훈2, 박 병진2, 노 광근3, 최 성모4
1HS이엔지(주) 부장
2서울시립대학교 건축공학과 석사과정
3(주)희상리인포스 대표
4서울시립대학교 건축학부 교수

초록


기존 콘크리트 구조물에 대한 효과적인 내진보강 개발을 위하여 아라미드 FRP 보강 기둥 및 SRF 공법을 사용한 폴 리에스테르 보강 RC기둥의 구조실험을 수행하였다. 실험 변수는 아라미드 시트의 두께와 스트립 보강 유무, 그리고 SRF공법 폴리에스테르 벨트의 두께이다. 실험결과는 무보강 실험체와 보강 실험체의 강도와 에너지 소산능력을 비교하여 평가하였다. 실 험 결과 아라미드 섬유 보강과 SRF공법 보강이 RC기둥의 내진성능 향상에 효과적임을 확인하였다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    18CTAPC142864-01

    1. 서 론

    1.1 연구 배경 및 목적

    2017년 11월 15일 오후 2시 29분 31초 경상북도 포 항시에 규모 5.4의 지진이 발생하여 학교, 항만, 문 화재 등 총 644개소의 공공시설과 주택, 상가, 공장 등 총 31000개소에 영향을 끼쳤다. 포항지진의 주요 피해사례로 저층 필로티 주택, 공동주택(아파트), 학 교시설, 비구조요소가 조사되었는데, 특히 1층 필로 티 기둥의 대규모 손상이 파악되었기 때문에 필로티 구조 건물의 지진 취약성이 문제의 중심이 되고 있 다. 필로티 건물(구조)이란 건물 모퉁이에 기둥 네 개만을 세운 채 1층 공간을 남겨두는 방식이다. 이 러한 필로티 건물은 전단벽 없이 하중을 기둥이 지 지하다 보니 지진에 취약하다는 단점이 있다. 따라 서, 필로티 주택의 기둥에 대한 전단저항능력 향상 및 연성능력 확보 등 지진피해 저감 대책이 필요한 상황이다. Fig. 1, Table 1

    본 연구는 포항 지진으로 인한 필로티구조의 FRP 보강공법의 내진성능을 평가하고자 한다. 필로 티 RC 기 FRP 내진보강 공법 중 아라미드섬유시트 와 SRF공법을 이용하여 전단내력에 영향을 미치는 변수에 의하여 실험연구를 수행하고 각 변수별 효과 에 대해서도 분석을 진행하였다.

    1.2 선행 연구 분석

    현재 필로티 구조 건축물의 내진 성능을 강화하는 방안이 시급하며, 특히 기둥의 연성 능력을 향상시키 기 위한 보강공법이 필요하다. 이러한 구조물의 보강 방법으로 섬유강화폴리머(Fiber reinforced Polymer, 이 하 FRP)보강공법에 대한 연구가 진행 되었다.

    박재우(2011)등은 탄소섬유시트로 보강된 원형 CFT기둥의 압축거동을 확인하였다. 원형CFT의 탄소 섬유 보강 시, 보강 겹 수가 증가할수록 실험체의 최대내력이 증가함을 확인하였다.

    신민정(2011)은 섬유보강재를 사용하여 RC기둥 보강 시 RC기둥의 연성거동을 확인하였다. 휨 성능 실험을 통하여 실험체의 연성지수, 에너지 소산을 분석하여 연성능력을 평가한 결과, RC기둥의 아라미 드 보강 시 연성능력이 증가함을 확인하였다.

    Rorberto. R. (2009) 등은 FRP를 보강한 RC기둥의 지진하중 발생 시 연성능력의 증가와 에너지 소산능 력을 평가하였다. 실험체에 가하는 반복하중을 지진 하중 발생으로 가정하여 외부 FRP보강 RC기둥 실험 체의 거동을 확인한 결과, FRP를 보강한 실험체의 강성 및 에너지 소산 능력이 증가함을 확인하였다.

    따라서 FRP보강에 대한 선행연구내용을 토대로 필로티 RC기둥의 FRP섬유를 사용한 연성능력 보강 이 효과적일 것으로 사료된다. 이와 같은 연구배경 으로 본 연구에서는 지진하중을 가정한 반복하중을 가력하여 필로티 RC기둥 FRP보강의 전단능력 및 연 성능력의 증진을 실험적으로 검증하였다. Table 2

    2. FRP보강의 이론적 전단강도와 연성 능력 평가

    2.1 FRP 보강의 이론적 전단 강도

    본 연구에서는 FRP보강된 기둥의 거동을 예측하기 위해 복합신소재구조학회에서 발간된 복합신소재 (FRP재료)시스템에 의한 철근콘크리트구조물의 보강 설계 및 시공지침서에 의거 기둥의 예상 최대하중을 계산하였다. 실험과 동일한 조건을 반영한 강도를 계산하여 실험 결과와 비교하였다. FRP 보강의 전단 저항능력의 계산식은 다음과 같다.

    V r ¯ = Φ ( V c ¯ + V s ¯ ) + V f r p ¯
    (1)

    • Vr = 총계수전단저항

    • Vc = 콘크리트가 부담하는 계수전단저항

    • Vs = 횡방향 철근에 부담시키는 계수전단저항

    • Vfrp = FRP가 부담하는 계수전단저항

    • Φ = 부재 저항계수

    V c ¯ = 0.2 λ ϕ c f c A c
    (2)

    • λ = 경량콘크리트 계수

    • ϕc = 콘크리트의 저항계수

    • fc′ = 콘크리트 설계기준압축강도(MPa)

    • Ac = 콘크리트 단면적

    V s ¯ = f h y n A h d S cot θ
    (3)

    • fyh =수평철근 항복응력(MPa)

    • n = 하중방향 횡지지 수평기둥 다리 수

    • Ah = 수평철근 하나의 다리길이 단면적(㎟)

    • d = 압축 상단으로부터 인장철근 중심까지의 거리

    • S = 전단철근의 간격

    • θ = 전단균열경사각(보통 45°)

    V f r p ¯ = 2 ϕ f r p f f r p N b t f r p d s i n 2 θ
    (4)

    • ϕfrp = FRP 저항계수

    • ffrp = FRP의 인장응력(MPa)

    • Nb = FRP시트 층의 수

    • tfrp = FRP 보강의 한층의 두께 (mm)

    f f r p = 0.002 E f r p ϕ f r p f f r p u
    (5)

    • Efrp = FRP 탄성계수(MPa)

    • ffrpu = FRP의 극한인장강도(MPa)

    2.2 에너지 소산을 통한 연성 능력 평가

    FRP를 보강한 필로티 RC기둥 실험체의 연성능력은 에너지 소산(Energy Dissipation)을 사용하여 평가할 수 있다. 에너지 소산이란 부재가 파괴될 때까지 흡 수 또는 소산할 수 있는 능력이다. 구조물 또는 어 떤 부재에 실제로 흡수 및 소산되는 에너지를 계산 하여 구조물의 안전성 여부를 검토할 수 있다. 구조 물이 한 사이클 동안 소산되는 에너지는 하중-변위 곡선의 내부면적으로 정의한다. Fig. 2, Table 3

    3. FRP보강 필로티 RC 기둥 반복가력실험

    3.1 실험 계획

    본 실험 연구에서는 보강방법의 형태로써 무보강, AFRP Hoop Type A, B, C 및 D (+ Strip 보강)과 SRF공법 Type(A, B)을 채택하여 실험을 수행하기로 하였다. 실험은 각각의 보강효과와 함께 시트의 두 께를 증가시켜 보강량에 따른 보강효과를 파악하고 자 하였다. 또한 아라미드 FRP실험체의 경우, 아라 미드 FRP Strip의 유무가 보강효과에 영향이 있는지 확인하였다.

    실제 지진이 발생 할 경우 필로티 RC 기둥은 반 복 횡하중이 가력되는 상황으로 볼 수 있다. 본 실 험의 하중 가력의 경우 점진적으로 증가하는 반복하 중이 가력된다. 이러한 가력 패턴으로 보강 FRP의 탈락이나 기둥 실험체에 균열 발생 등 지진 발생 시 기둥에 작용하는 반복하중에 의한 영향을 구현할 수 있었다. 이런 식으로 본 실험에서는 실험에서 수행 한 반복가력 방식을 지진 발생했을 때의 필로티 RC 기둥에 발생하는 점진적으로 증가하는 반복하중으로 설정하였다. Table 4

    또한 필로티 기둥은 건물의 고정 및 활하중에 의 한 축력을 받고 있는 상태이다. 따라서 축력을 받고 있는 필로티 기둥의 상태를 구현하기 위하여 실험체 에 축력을 가하였다.

    3.2 실험체 제작

    필로티 RC기둥에 지진하중은 양 끝단에서 발생한다. 하지만 이번 실험에서는 반복하중을 중력방향으로 가력하기 위하여 기둥의 중간에 가력부를 제작하였 다. 기둥 실험체는 길이방향으로 10가닥의 주철근 (D19)을 배근하였고, 띠철근(D10)을 300mm간격으로 배근하였다. 또한 실험체에 축력을 가하기 위하여 기둥실험체 중심부에 지름 16mm의 구멍을 뚫었다. Fig. 3

    기둥의 축방향하중을 재현하기 위하여 실험체에 프리스트레스 축력을 가하였다. 축력은 프리스트레 스용 너트가 한 바퀴 돌아갈 때 생기는 변위 1.3㎜ 를 이용하여 계산하였다. 너트가 한 바퀴 돌아 이동 할 때 4.3kN의 축력이 가해진다. 따라서 변위에 의 한 바퀴 수를 계산하여 2바퀴를 돌려 실험체에 총 8.6kN 축력을 가하였다. Fig. 4

    또한 축력이 실험체에 분포하중으로 전달되기 위 하여 철판을 댄 후 너트를 채결하였다. 다음 Fig. 5 는 실험체에 프리스트레스로 축력을 가한 사진이다.

    3.3 실험체 제작에 사용된 철근, 콘크리트, FRP의 물성치

    실험체 제작에 사용된 철근은 SD400, 콘크리트 압축 강도는 30MPa이었다. 실험체 보강에 사용된 아라미 드섬유와 SRF공법의 폴리에스테르 벨트의 물성치는 다음과 같다. Fig. 6

    3.4 게이지 및 LVDT 계측

    실험 진행 시 FRP의 변형도(strain)를 측정하기 위하여 게이지를 기둥 중심의 가력부의 단부로부터 100㎜, 300㎜ 떨어진 위치에 설치하였다. Fig. 7

    또한 가력 방향 실험체의 변위를 측정하기 위해 LVDT를 실험체에 설치하였다. 실험체 중심, 가력부 단부, 단부로부터 100mm, 단부로부터 300mm 총 4개 의 LVDT를 설치하였다.

    3.5 실험체 가력 방법

    실험체는 5000kN 시험기(Actuator)에서 수행하였으며 가력방법은 반복가력방식으로 가력속도는 분당 15㎜ 로 하였다. 초기에는 3㎜ 변위까지 가력 후 초기점 으로 이동 후 다시 3㎜까지 가력 하는 방법으로 최 대 가력범위 132㎜까지 가력범위 별 Step당 3회 Cycle 실시하였다.

    FRP 무보강 RCN 실험체는 가력속도 5㎜/min으 로 단조가력실험을 진행하였고, 나머지 FRP 보강 실 험체는 15㎜/min의 속도로 가력 하였다. Fig. 8, Table 5

    가력 중 압축강도가 예상내력의 50% 이하가 될 경우는 반복가력을 정지하고 파괴 까지 단조가력을 실시하였다.

    4. 실험결과

    4.1 하중변위관계 및 각 사이클별 최대하중과 최대변위

    실험체의 최대하중 및 최대변위는 시험기가 실험체 를 가력 했을 때 시험기에 측정되는 최대하중을 실 험체의 최대하중으로, 시험기가 이동한 최대 변위를 실험체의 최대변위로 설정하였다.

    Fig. 9는 무보강 실험체와 아라미드 섬유 및 SRF 공법 보강 실험체의 하중-변위 곡선을 나타낸 그래 프이다. 무보강 실험체는 항복하중 이전 까지 하중 이 증가하다 점진적으로 하중 증가율이 감소함을 보 이고 있다. 아라미드 섬유 보강 실험체의 경우 공통 적으로 최대 33㎜까지 가력 하는 5cycle에서 하중이 일정하게 유지되다 내력상승이 발생 한 후 8cycle에 서 급격하게 내력이 떨어짐을 확인하였다.

    SRF공법 보강 실험체 역시 최대 33㎜까지 가력 하는 5cycle에서 항복한 후 내력이 유지되었다. 반복 하중을 가력하는 8cycle 이후 실험체의 단순가력을 진행하였으나 실험 종료 시 까지 실험체의 내력 저 하가 발생하지 않았다.

    RCN 실험체의 최대하중은 346kN이었고 이때의 변위는 26㎜이었다. 무보강 기준 실험체에 비해 RCAa 실험체는 58kN, RCAb 실험체는 59kN, RCAc 실험체는 33kN, RCAd 실험체는 203kN의 내력증가 가 발생하였다. RCSa 실험체는 40kN, RCSb 실험체 는 54kN의 내력증가가 발생하였다. FRP보강 실험체 들의 가력 Step과 Cycle별 최대하중 및 변위를 Table 6로 정리하였다

    4.2 파괴모드

    무보강 실험체의 경우 실험체의 왼쪽에 큰 전단균열 이 발생함을 확인하였다.

    실험체 전체를 보강한 RCAa, RCAb, RCAd, RCSa, RCSb 실험체의 경우 실험체에 발생한 균열을 확인하기 어려웠다. 가력부 단부를 보강한 RCAc 실 험체 역시 균열이 가력부 주위에 집중적으로 발생하 여 큰 균열은 확인하지 못하였다.

    RCAa, RCAb, RCAc 실험체의 경우 실험체가 매 우 크게 변형되어 눈으로 실험체의 변형이 확인 가 능 하였지만, RCAd 실험체의 경우 실험체가 변형이 크게 발생되지 않았다.

    SRF공법으로 보강한 RCSa, RCSb 실험체의 경우 실험체의 변위가 매우 커 변형을 눈으로 확인 할 수 있었다.

    4.3 항복강도와 초기강성

    Table 7은 각 실험체별 항복강도와 초기 및 2차 강 성을 정리한 표이다. 항복강도는 무보강 실험체 대 비 FRP보강 실험체가 모두 증가하였다. 또한 FRP보 강 실험체들의 초기강성은 RCAb 실험체가 9.15% 증 가하였고 나머지 실험체들은 무보강 실험체와 거의 동일하였다.

    4.4 연성능력

    Table 8는 실험체의 에너지소산면적을 비교한 표이 다. 200mm이전 파괴된 실험체(RCAb, RCAd)를 제외 하고 최종 에너지소산면적이 132㎜ 변위 지점에서 최소 141.1배(RCAc)에서 최대 167배(RCSb) 증가한 것으로 나타났다.

    아라미드섬유 보강 실험체와 SRF공법 보강 실험 체의 에너지소산면적을 분석하였을 때 충분한 변형 능력을 보이며 연성능력을 갖추었다.

    5. 분석 및 고찰

    5.1 두께에 따른 아라미드섬유와 SRF공법의 보강효과

    Table 9는 재료시험을 통하여 얻은 물성치들을 사용 하여 이론적으로 계산한 실험체의 최대하중과 실험 결과의 최대하중을 단면으로 나누어 전단강도를 비 교한 표이다. 보강한 실험체들을 무보강 실험체와 비교해보면 전체적으로 10% 이상의 전단강도 상승 을 보였다. 또한, 두께별 상승비율을 비교하면, 아라 미드 섬유 보강 실험체의 경우 두께가 증가하였음에 도 내력의 상승이 거의 없었다. 하지만 SRF공법의 경우 내력 상승이 계산 결과 1% 증가할 것으로 예 상되었으나 실제 3.4% 증가하였다.

    5.2 보강 면적에 따른 아라미드섬유 보강효과

    Table 10은 RCAb, RCAc 실험체의 전단 강도를 비교 한 표이다. 가력부 단부 일부에 보강한 RCAc 실험 체의 경우 전단강도가 전체 보강한 실험체보다 6.3% 감소함을 확인하였다.

    5.3 Strip 유무에 따른 아라미드섬유 보강효과

    Table 11은 RCAb, RCAd 실험체의 이론 전단강도와 실제 전단강도를 계산하여 비교한 표이다.

    아라미드 Strip을 추가 보강한 RCAd 실험체의 경우 Strip 보강하지 않은 실험체 대비 36.3% 증가하였다.

    5.4 FRP 보강의 연성능력 효과

    실험체의 에너지소산능력을 이용해 FRP 보강의 연 성능력 증가에 대한 평가를 진행하였다. 아라미드섬 유 보강의 경우 두께 증가에 따라 에너지소산능력이 크게 증가하지 않았다. 하지만 SRF공법 보강 실험체 의 경우 두께가 증가함에 따라 에너지 소산 면적이 200㎜ 변형 시 약 170% 증가함을 확인하였다.

    아라미드섬유 보강 면적이 증가함에 따라 에너지 소산면적이 약 2%밖에 차이가 나지 않았다. 또한 Strip 보강의 경우 에너지소산면적이 증가하여 연성 능력 증가에 영향을 주는 것으로 확인되었다. 다만 Strip 보강 실험체의 경우 실험체의 변형이 무보강 실험체에 비해 증가하지 않았고, 아라미드 섬유가 갑자기 파단 되는 등 취성적인 거동이 확인되었다.

    6. 결 론

    RC기둥의 내진성능을 보강하기 위하여 300㎜x400㎜ 의 기둥 실험체에 아라미드섬유와 SRF공법을 사용 하여 보강하여 유형별 보강성능을 평가하였다. 아라 미드섬유 및 SRF공법 보강 모두 최대 전단 강도가 증가하여 FRP 보강이 전단저항능력을 증가시킬 수 있음을 확인하였다.

    • (1) 무보강 실험체 대비 아라미드 섬유시트보강 실험체는 평균 16.5%, SRF공법 보강 실험체는 평균 13%정도 최대전단강도가 증가함을 확인하였다. FRP 보강 두께를 변수로 보강 성능을 확인한 결과 아라미 드 섬유보강 실험체는 내력상승이 거의 확인되지 않 앗고, SRF공법 보강 실험체는 변수로 설정한 보강 두 께에 따라 실험체의 내력 증진이 예상 값인 1%보다 증가한 3.8% 만큼 발생하였다. 따라서 두께편차가 전단강도에 크게 영향이 없는 것으로 확인하였다.

    • (2) 아라미드 섬유시트의 보강면적을 변수로 하 여일부 보강한 실험체(RCAc)와 전체 보강한 실험체 (RCAb)의 전단강도를 비교하였을 때, 일부 보강한 실험체 대비 전체 보강한 실험체의 전단강도가 6.3% 증가하였다. 따라서 아라미드 섬유시트 보강 시 보 강 면적이 전단보강효과에 영향을 줌을 확인하였다. 하지만 전체 보강과 단부 보강의 보강 단면을 비교 하였을 때 단부 보강이 효율적임을 확인하였다.

    • (3) 아라미드 Strip을 추가 보강한 실험체(RCAd) 를 비교하였을 때, 아라미드 섬유시트만 보강한 실 험체(RCAb)대비 전단강도가 36.3% 증가하였다. 따라 서 Strip 보강이 전단강도를 향상시킴을 확인하였다.

    • (4) 실험체의 연성능력을 평가하기 위하여 무보강 실험체와 FRP 보강 실험체의 에너지소산면적을 비교 하였을 때 아라미드 섬유 보강 실험체들은 평균적으 로 151% 증가함을 확인하였다. SRF공법 보강 실험체 들의 경우 에너지소산면적이 평균 159% 증가함을 확 인하였다. 따라서 아라미드 섬유시트 및 SRF공법 보 강 시 연성능력 증가에 영향을 줌을 확인하였다.

    감사의 글

    본 논문은 국토교통기술촉진연구사업 (18CTAPC142864-01) 의 지원에 의해 작성되었습니다.

    Figure

    KOSACS-10-1-17_F1.gif
    Damaged Pilotis RC Column at Pohang
    KOSACS-10-1-17_F2.gif
    Definition of Energy Dissipation
    KOSACS-10-1-17_F3.gif
    Details of RC Column Specimen
    KOSACS-10-1-17_F4.gif
    FRP Reinforced RC Column Specimen Production
    KOSACS-10-1-17_F5.gif
    Nut for Axial Forcing to Specimen (Both Side)
    KOSACS-10-1-17_F6.gif
    Gauge & LVDT Location
    KOSACS-10-1-17_F7.gif
    Specimen Loading Method
    KOSACS-10-1-17_F8.gif
    Destruction Mode of Specimen
    KOSACS-10-1-17_F9.gif
    Load-Displacement Graph

    Table

    Specimen List
    Material Properties of Steel Bar
    Material Properties of Concrete
    Material Properties of Aramid Sheet
    Material Properties of SRF Polyester Belt
    Maximum Load of Each Cycle and Final Displacement
    Yield Strength and Stiffness of Specimen
    Energy Dissipation of Specimen
    Maximum Shear Resistance of Specimen (1)
    Maximum Shear Resistance of Specimen (2)
    Maximum Shear Resistance of Specimen (3)

    Reference

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