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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.6 pp.1-7
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.6.001

Performance Evaluation of RC Columns with an Aramid Fiber Reinforced Permanent Form

Park Sanghwa1, Kim Siyun2, Kim Sung Jig3, Chang Chunho4, Yang Jun-Mo5
1Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea
2Ph.D Candidate, Department of Architectural Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea
3Associate Professor, Department of Architectural Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea
4Professor, Department of Civil Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea
5Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea
Corresponding author: Kim, Sung Jig Department of Architectural Engineering, Keimyung University, 1095 Dalgubeol-daero, Dalseo-gu, Daegu 42601, Korea Tel: +82-53-580-5273, E-mail: sjkim4@kmu.ac.kr
October 10, 2019 October 15, 2019 October 15, 2019

Abstract


The paper presents the experimental evaluation of the seismic performance of RC columns confined by a newly proposed the permanent form reinforced by aramid fiber strip. To experimentally evaluate the effect of the proposed permanent form on the behavior of RC columns, a total of three specimens are constructed and tested. The first specimen is non-seismically designed, while the second one is code-conforming column. The third one is constructed by applying the proposed permanent form. For the performance evaluation of the column, static cyclic tests were conducted under a constant axial load. The experimental results indicated that the shear strength, ductility, and energy dissipation capacity of the proposed member were increased compared to those of the conventional members. Therefore, it can be concluded that the proposed permanent form can improve the seismic performance of RC columns.



아라미드 섬유 보강 영구거푸집을 적용한 RC 기둥의 성능평가

박상화1, 김시윤2, 김승직3, 장준호4, 양준모5
계명대학교 건축공학과 석사과정1, 계명대학교 건축공학과 박사과정2, 계명대학교 건축공학과 부교수3, 계명대학교 토목공학과 교수4, 계명대학교 토목공학과 조교수5

초록


본 논문에서는 아라미드 스트립을 이용하여 영구거푸집을 제작하고 철근 콘크리트 기둥에 적용하여 성능을 평가하였 다. 보강된 철근콘크리트 기둥의 구조거동을 평가하기 위하여 총 3개의 기둥을 제작하였다. 1개의 실험체는 무보강 실험체로서 비내진 상세의 기둥이며 다른 두 실험체의 경우 내진설계가 적용되거나 아라미드 섬유보강 영구거푸집으로 보강하였다. 기둥의 전형적인 성능평가를 위하여 일정한 축하중하에서 정적반복가력 실험을 수행하였다. 실험결과 무보강 실험체와 비교하여 전단 강도, 연성 및 에너지 소산능력을 증가시켰으며 반복하중으로 인한 강도 및 강성 저감에서 우수한 성능을 보였다. 따라서, 본 연구에서 제안한 아라미드 보강 영구거푸집은 기존 RC 기둥의 내진성능을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.



    1. 서 론

    최근 발생한 경주(2016) 및 포항(2017) 지진으로 다 수의 인명피해와 많은 건축물의 심각한 피해로 인한 상당한 경제적 손실이 발생하였다. 포항 지진(2017) 은 경주 지진(2016)보다 작은 규모에도 불구하고 많 은 필로티 구조물 및 아파트와 같은 다가구 주택에 서 심각한 피해를 초래하였다. 그 중에서 Fig. 1에서 보이듯이 필로티 건축물 1층 기둥에 전단파괴가 발 생하여 심각한 손상을 입은 많은 피해 사례가 확인 되었다. 이는 내진설계가 적용되었음에도 불구하고, 도면과 상이하게 시공되거나 불량시공으로 인하여 충 분한 내진성능이 확보되지 않아 피해가 발생한 것으 로 판단된다. 또한, Kim 등(2019)의 연구에서는 필로 티 건축물의 1층은 강성과 내력이 상부에 비해 상대 적으로 낮기 때문에 지진 발생 시 1층에 응력이 집 중되어 내진성능에 취약하다고 나타내고 있다.

    이러한 문제점을 해결하기 위해서는 엄격한 내진 설계 적용 및 시공감리가 필수적이나 국내 중·저층 건축물에서는 현실적으로 어려움이 있는 실정이다. 또한, 기존 비내진 건축물의 내진성능을 확보하기 위한 보강공법에 관한 많은 연구 및 적용이 이루어 졌으나 신축건축물의 불량시공에 대응하는 연구는 미비한 실정이다. 일반적인 기둥의 내진보강 공법은 강성 또는 연성능력을 향상시키기 위한 연구가 진행 되어 왔다(Brameshuber, 2006;Mechtcherine, 2013). 이 중 대표적인 보강공법 중 하나인 섬유보강 공법은 경량, 고강도 및 고연성 등 여러 가지 우수한 성능 으로 인해 기존 건축물의 구조부재를 강화하는 효과 가 있어 보수·보강 기술로 널리 사용되고 있으며 섬 유시트를 접착제로 구조물 외부에 부착하여 건축물 의 연성을 확보하고 내구성을 향상시키며 강도 유지 가 가능하다(Lee et al., 2012).

    따라서 본 연구에서는 신축 구조물에 대한 시공 오차로부터 구조성능을 확보하고 내진성능을 보다 향상키기 위한 아라미드섬유 보강 영구거푸집을 개 발하였다. 또한, 이를 적용한 RC기둥의 정적반복가 력 실험을 통하여 내진성능을 평가하였다.

    2. 아라미드 섬유보강 영구거푸집

    2.1 아라미드 섬유

    아라미드섬유는 구조물 내진보강 시 보강섬유로서 국내·외 많은 연구를 통하여 충분한 내진성능을 향 상시킬 수 있다고 입증되었다. 또한, 아라미드섬유는 강재보다 낮은 비중, 우수한 내열 및 난연성, 탄소 및 유리섬유 대비 2배 이상의 인장강도, 내부식성, 우수한 화학저항성 등 장점을 지니고 있다(Kim and Park., 2011).

    Choi 등 (2019) 연구에서는 아라미드 섬유시트 및 스트립으로 보강된 필로티 RC기둥의 내진성능실험 을 수행하였다. 실험결과, 무보강 대비 아라미드 섬 유시트 및 스트립 보강 실험체의 전단강도는 각각 16% 및 36% 증가하였고, 상당한 에너지 소산능력 및 연성능력을 향상시켰다. 따라서 아라미드 섬유를 이용한 내진보강은 구조물의 내진성능을 충분히 향 상시킬 수 있음을 보였다.

    따라서, 본 연구에서 내진성능을 확보하기 위한 영구거푸집에 사용된 아라미드섬유는 Fig. 2와 같이 폭 25mm의 스트립 형태이며, 상세 물성치는 Table 1 과 같다.

    2.2 아라미드섬유 보강 영구거푸집

    본 연구에서 개발된 아라미드섬유 보강 영구거푸집 은 우수한 연성능력을 가지고 있는 아라미드 섬유와 콘크리트를 이용한 복합재료서 콘크리트 타설 후 별 도의 거푸집을 해체하지 않고 RC기둥의 영구적 피 복으로 사용된다. 또한, Um and Yoo (2015)의 연구 에서 유리섬유강화폴리머 판을 영구거푸집으로 사용 하여 휨 실험을 수행한 결과, 합성보에서 전단균열 발생 후 콘크리트와 영구거푸집이 분리되면서 파괴 되었다. 본 개발제품과 유사한 형상을 가진 CFT 공 법에서도 내부 타설 콘크리트와 CFT 간의 일체거동 을 위하여 부착성능을 향상시키기 위한 많은 연구가 수행되었다. 따라서, 본 연구에서 개발된 아라미드섬 유 보강 영구거푸집은 지진 발생 시 내부 타설 콘크 리트와의 일체거동을 확보하기 위하여 Fig. 3의 단면 에서 보이듯이 RC기둥 중앙부에 전단키를 적용하였 다. 또한, 영구거푸집 내부의 아라미드섬유를 거치하 기 위한 간격재는 ‘ㄷ’형상을 이용함으로서 섬유 거 치 시 일정한 간격을 유지할 수 있음과 동시에 내부 콘크리트와 영구거푸집 간의 부착성능을 확보하였 다. 아라미드섬유 보강 영구거푸집은 RC기둥의 피복 두께를 대체함으로서 부재의 단면크기가 증가하지 않으며, 내부의 아라미드섬유로 RC기둥의 내진성능 을 확보할 수 있다.

    본 연구에서 개발된 아라미드섬유 보강 영구거푸 집을 단면크기 300×300mm의 RC기둥 실험체에 적용 하기 위하여, 거푸집 외부 단면의 크기는 300×300mm 으로, 두께는 피복두께 및 축소 실험체의 제작 여건 을 고려하여 25mm로 제작하였다. 또한, RC기둥이 횡력을 받을 때 기초에서 아라미드섬유 보강 영구거 푸집이 분리되어 슬립이 발생하는 것을 방지하기 위 하여 기초의 피복두께 40mm만큼 삽입하여 제작 할 수 있도록 높이를 고려하였다.

    Fig. 3에서 상세히 제시되어 있듯이 아라미드섬유 보강 영구거푸집은 우선 내부 몰드를 설치하여 섬유 를 거치할 수 있도록 간격재를 설치하였다. 그 다음 아라미드섬유를 충분한 인장력을 가하면서 피치 100mm 간격을 유지하여 나선형으로 랩핑하였다. 마 지막으로 외부 몰드를 설치 후 콘크리트를 타설하여 충분한 양생기간을 통해 제작하였다. 또한, RC기둥 제작 시 전단키 설치를 위하여 아라미드섬유 보강 영구거푸집 중앙부에 지름 25mm의 홀을 생성하였다.

    3. 실험 계획 및 방법

    3.1 실험체 설계

    아라미드섬유 보강 영구거푸집 적용 RC기둥의 정적 반복가력 실험을 통한 성능평가를 위하여 Table 2에 서 나타낸 바와 같이 총 3개의 RC기둥을 설계 및 제 작하였다. 아라미드섬유 보강 영구거푸집 적용 RC기 둥(ANC)의 성능은 기준 실험체인 비내진(NC) 및 내 진(SC) 상세를 가지는 RC기둥과 비교·분석을 통하여 평가하였다. 각 실험체 상세는 Table 2와 같다. 정적 반복가력 실험을 위한 RC기둥은 실험 공간의 여건을 고려하여 Fig. 4와 같이 설계 및 제작하였다. RC기둥 의 단면 크기는 300x300mm이며, 유효 높이는 900mm이다. 또한, 콘크리트의 28일 평균 압축강도는 22.2MPa이며, 주철근(D19) 및 띠철근의(D10) 항복강도 는 455.22MPa 및 457.19MPa이며, 항복변형률은 0.0023 이다.

    3.2 계측 및 가력 계획

    아라미드섬유 보강 영구거푸집 적용 RC기둥의 정적 반복가력 실험은 일정한 축력 하에서 Fig. 5와 같이 변 위제어를 통하여 횡하중을 가력하였다. 모든 실험체의 초기축력은 기둥 용량의 10% (0.1fckAg, 243kN)로 적용 하였다. 하중가력패턴은 강도 저하 특성을 분석하기 위 하여 층간변위비 1% 이전까지는 3사이클로 가력하고 1% 이후에는 2사이클로 가력하였다. 정적반복가력 실험 은 최대강도 도달 후 최대강도의 80%까지 강도가 저 하되거나 전단파괴가 발생 할 때 종료하였다.

    본 연구에서 실험체 및 계측 장비의 설치 계획은 Fig. 6과 같다. 기둥 높이 900mm에서 하중 재하를 통하여 정적반복가력 실험을 수행하였으며, RC기둥 의 상부 변위를 측정하기 위해 가력 위치에서 LVDT 2개를 설치하였다. 또한 증가되는 횡력으로 인하여 기초에서 회전이 발생할 수 있으며, 이때 RC기둥의 상대변위를 분석하기 위하여 기초 상·하부에 LVDT 를 설치하였다.

    4. 실험 결과 및 성능평가

    4.1 실험체 거동 및 파괴양상

    Fig. 7은 각 실험체에서 실험 종료 후의 균열 및 파괴 양상을 나타내고 있다. 비내진 상세를 가지는 무보강 실험체(NC)는 층간변위비 0.33%에서 초기 균열이 발 생하였으며, 부가력 방향에서 층간변위비 0.85% 일 때 주철근이 항복하였다. 또한, 층간변위비 0.66%에 서는 최초 전단균열이 발생하였으며, 층간변위비가 증가할수록 ‘X’형상의 전단균열 발생과 더불어 전단 균열의 폭 및 수가 증가하면서 최대강도 이후 급격한 강도 감소로 층간변위비 2%에서 전단파괴가 발생하 였다.

    내진 상세를 가지는 무보강 실험체(SC) 및 아라 미드섬유 보강 영구거푸집 적용 실험체(ANC)는 NC 와 동일하게 층간변위비 0.33%에서 초기 균열이 발 생하였으며, 각각 층간변위비 0.71% 및 0.73%에서 주철근이 항복하였다. 내진상세를 가지는 SC는 NC 와 비교하여 전단균열의 폭 및 수가 적었으며, 최대 강도 이후 비교적 작은 강도 감소를 나타냄으로서 층간변위비 2%까지 강도를 유지하였다. 또한, ANC 의 경우 아라미드섬유 보강 영구거푸집과 내부 타설 콘크리트의 일체거동으로 인하여 영구거푸집 외부에 무보강 실험체와 동일하게 전단균열 패턴이 발견되 었으며, 층간변위비 2.5%에서 균열의 폭이 크게 증 가되었다. 또한, SC가 파괴된 층간변위비 3%에서는 콘크리트 피복이 박리되면서 하중이 감소하였지만, 영구거푸집 내부 아라미드섬유의 우수한 연성능력으 로 하중을 계속적으로 유지하였으며 층간변위비 5% 에서 파괴되었다.

    4.2 하중-변위 관계

    아라미드섬유 보강 영구거푸집 적용 RC기둥의 하중-층 간변위비 관계는 무보강 실험체(NC 및 SC)와 비교하 여 분석하였다. 분석결과, Fig. 8(a)에서 보이듯이 비내 진 상세를 가지는 NC는 최대강도 이후 급격한 강도 감소로 인하여 전단파괴가 발생하였다. 하지만, Fig. 8(b), (c)에서 보이듯이 내진상세를 가지는 SC와 아라 미드섬유 보강 영구거푸집을 적용한 ANC에서는 최대 강도 이후 강도를 유지하면서, 각각 층간변위비 3% 및 5%에서 파괴되었다. 또한, 내진상세를 가지는 SC는 NC 의 평균 최대 전단강도 121.74kN과 비교하여 130.11kN 으로 6.88%증가되었다. 반면에 ANC는 아라미드섬유 의 영향으로 평균 최대 전단강도가 141.57kN으로 나 타났으며, NC 및 SC와 비교하여 각각 16.29% 및 8.81% 증가되었다.

    Fig. 9에서 나타낸 평균 포락 곡선에서도 ANC가 무보강 실험체(NC 및 SC)와 비교하여 높은 강도 증 진 효과를 나타내고 있다. 또한, SC는 NC의 초기 강 성 27.39kN/mm와 유사한 반면에 ANC는 아라미드섬 유 보강 영구거푸집의 영향으로 32.56kN/mm의 높은 초기 강성을 나타내고 있다.

    4.3 연성비

    연성비(Ductility ratio, μ)는 항복변위와 극한변위의 비율로서 정의된다. 항복변위는 주철근이 재료실험 결 과로 얻은 항복변형률 0.0023에 최초로 도달할 때의 변위를 선정하였으며, 극한변위는 최대강도 이후 최대 강도에서 20%만큼 강도가 저하되었을 때의 변위를 이용하였다 (Elnashai and Sarno, 2008). 각 실험체에 대한 연성비는 Table 3과 같이 나타냈다.

    내진상세를 가지는 SC는 NC와 비교하여 연성비 가 83.24% 증가되었다. 또한, 아라미드섬유 보강 영 구거푸집을 적용한 ANC는 NC와 비교하여 104.05% 증가되었으며, 내진상세를 가지는 SC와 비교하여도 11.36%만큼 증가되었다. 이러한 이유는 NC는 SC 및 ANC와 비교하여 항복 변위가 크게 나타난 반면에 극한변위는 최대강도 도달 이후 급격한 하중감소로 매우 작게 나타났기 때문이다. 또한, ANC의 경우 항 복변위는 내진상세를 가지는 SC보다 미비하게 작게 나타났지만 우수한 연성능력을 가지고 있는 아라미 드섬유의 영향으로 최대강도 이후 강도 감소가 작게 나타남에 따라 극한변위가 크게 증가하였기 때문이 다.

    4.4 에너지 소산능력

    아라미드섬유 보강 영구거푸집 적용 RC기둥에 대하여 Fig. 1011에서 나타낸 바와 같이 주기에 따른 에 너지 소산량 및 누적 에너지 소산량에 대하여 무보강 실험체와 비교 분석하였다. 분석 결과, SC 및 ANC의 각 사이클에서의 에너지 소산량은 초기 사이클에서 NC보다 작게 나타났다. 하지만, ANC는 NC가 최대강 도에 도달할 때의 사이클에서부터 에너지 소산량이 NC보다 크게 나타났으며, SC의 경우 NC가 최대강도 도달 이후 사이클에서부터 크게 나타났다. 또한, SC 와 ANC의 각 사이클에서의 에너지 소산량을 비교 분 석한 결과, 초기 사이클에서는 ANC의 에너지 소산량 이 높게 나타났다. 하지만 13사이클부터 반복되는 사 이클의 첫 번째에서는 SC의 에너지 소산량이 높게 나 타났으며, 두 번째에서는 ANC의 에너지 소산량이 높 게 나타났다. 누적 에너지 소산량에 대하여 분석한 결 과, NC는 13사이클 이후에서 파괴되었으며, SC는 17 사이클 이후에서 파괴됨에 따라 ANC의 누적 에너지 소산량은 NC 및 SC와 비교하여 251.70% 및 55.70% 증가되었다. 따라서, 아라미드섬유 보강 영구거푸집을 적용한 RC기둥은 에너지 소산 측면에서 무보강 실험 체와 비교하여 성능이 크게 증가하였다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 아라미드섬유 보강 영구거푸집 적용 RC기둥(ANC)의 정적반복가력 실험을 수행하였으며, 내진(SC) 및 비내진(NC) 상세를 가지는 기둥 실험체 와 비교·분석을 통하여 성능을 평가하였다.

    • 1) ANC는 영구거푸집 내부의 아라미드섬유의 영 향으로 내진상세를 가지는 SC가 파괴된 층간 변위비 3%에서 피복박리 등의 큰 균열이 발 생하였음에도 불구하고 강도를 일정하게 유지 하였고 따라서 우수한 연성능력을 나타냈다.

    • 2) ANC는 무보강 실험체와 비교하여 높은 초기 강성을 나타냈으며, NC 및 SC와 비교하여 평균 최대 전단강도가 16.29% 및 8.81% 증가하였다.

    • 3) ANC는 내진상세를 가지는 SC와 비교하여 유 사한 항복 변위를 나타내고 있으나, 연성능력 이 우수한 아라미드섬유의 영향으로 최대강도 이후 강도 저감이 작게 나타났으며, 이로 인하 여 극한변위가 크게 증가하여 연성비가 NC 및 SC와 비교하여 104.05% 및 11.36% 증가하였다.

    • 4) NC 및 SC는 13 및 17 사이클 이후 파괴되었 으며, ANC는 20사이클까지 파괴되지 않고 하 중을 유지하였다. 따라서 ANC는 NC 및 SC와 비교하여 누적 에너지 소산량이 251.70% 및 55.70%까지 증가하였다.

    위에 기술한 바와 같이 아라미드섬유 보강 영구 거푸집 적용 RC기둥은 내진 및 비내진 상세를 가지 는 무보강 실험체와 비교하여 높은 전단강도, 연성 비, 누적 에너지 소산량을 나타내었다. 따라서, 구조 물의 RC기둥에 아라미드섬유 보강 영구거푸집을 적 용한다면 강도 증진 효과뿐만 아니라 우수한 연성능 력까지 확보할 수 있을 것이라 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This research was supported by a grant (19RDRPB076268- 06) from R&D Program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean government.

    Figure

    KOSACS-10-6-1_F1.gif
    Damage of RC Columns, Pohang Earthquake (2017)
    KOSACS-10-6-1_F2.gif
    Aramid Strip
    KOSACS-10-6-1_F3.gif
    Permanent Form and Column Section
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    Section and Elevation of Specimens
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    Loading Protocol
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    Test Setting
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    Crack Pattern and Failure of Specimens
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    Force - Drift Ratio Relationship
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    Average Envelope Curve
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    Dissipated Energy Per Each of the First Cycle
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    Cumulative Dissipated Energy

    Table

    Material Properties of Aramid
    Parameters of Test Specimens
    Measured Force and Ductility Ratio

    Reference

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