한 국 방 재 학 회 논 문 집 제12권 1호 2012년 2월
pp. 83 ~ 88
구조물방재
진동대시험을 이용한 기존 구조물 내진보강공법에 관한 연구
The Study on Aseismic Reinforcement Method for Existing Structures Based on Shaking Table Test
박인준*·마호성**·이용교***·유병준****
Park, Inn Joon·Mha, Ho Seong·Lee, Yong Kyo·Yoo, Byung Jun
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Abstract
In this paper, the seismic performance on the aseismic reinforcement method for existing structures has been examined based on the shaking table test, to verify the aseismic improvement of the applied method utilized in the current constructions. To simulate the behaviors of the reinforced concrete frame structures, two identical specimens(with aseismic reinforcement method and with- out aseismic reinforcement method) are prepared for the test. Strain gages, accelerometers and LVDT are placed at the middle of the bottom, middle and the top of the column as well as at the middle in the upper girder. The shaking table tests are performed with the applied maximum acceleration from 30% to 150% of 0.15 g, which is the input artificial seismic excitations defined by the design spectrum. From the results, the specimen without retrofit is found to show 1mm crack at the position up to the 80 cm from the foundation while the specimen with retrofit is found not to show any crack under the Peak Ground Acceleration(PGA) 0.20 g. In the case of 0.11 g test, the specimen without reinforcement shows a much bigger variance in the strain than those found from the specimen with reinforcement. As the input PGA increase, the amplification ratios of response accelerations of the spec- imen without the reinforcement are found to be increased although those of the specimen with reinforcement are not quite changed.
It could be concluded that the aseismic reinforcement method may give the large improvement in the seismic performance.
Key words : Aseismic reinforcement method, Shaking table test, Strain, Peak Ground Acceleration
요 지
본 논문에서는 기존 구조의 내진보강공법의 보강성능향상을 증명하기 위하여 진동대를 사용하여 내진보강공법의 내진성능을 시험하였다. 철근콘크리트 골조 구조물을 모사할 수 있는 동일한 두 개의 시험체(내진 보강시험체 및 비 보강시험체)를 제작하 였다. 기둥 상, 중, 하부 및 보의 중간에 각각 Strain게이지, 가속도계를 설치한 후 설계펙트럼가속도 0.15 g의 30~150%까지 가속도를 증가 시키면서 시험을 수행하였다. 그 결과 비 보강 시험체는 지표면 최대가속도 0.20 g 시험에서 기초에서 약 80 cm 높이 까지 폭 1 mm 이상의 균열이 발생하였다. 반면 보강 시험체는 균열이 발생하지 않았다. 0.11 g 시험에서 비 보강 시험체로부터 측정된 Strain이 보강시험체의 그것보다 훨씬 큰 변화가 발생하기 시작했다. 보강 시험체는 0.20 g 시험까지 Strain의 변화가 거의 나타나지 않았다. 비 보강 시험체는 입력가속도가 증가함에 따라 증폭비가 증가하게 나타났다. 반면 보강 시험체는 0.20g 가속도 수준까지는 증폭효과가 상대적으로 미미한 수준으로 관측되었다. 진동대 시험결과 본 내진보강공법이 내 진성능향상에 상당한 영향을 주고 있음이 증명되었다.
핵심용어 : 내진보강공법, 진동대시험, 변형률, 지표면 최대가속도
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1. 서 론
최근 들어 전 세계적으로 대규모 지진의 피해가 발생하고 있으며, 인터넷의 발달로 인하여 그 피해가 실시간으로 보도 됨으로써 지진피해에 대한 경각심은 예전과는 비할 바 없이 커지고 있는 것이 사실이다. 이러한 지진의 발생빈도는 2000
년대 초반에 비해 횟수의 증가뿐만 아니라 대규모 지진(규모
≥7.0)의 발생도 지속적으로 증가하고 있다. 2004년 인도네시 아 대지진(규모 9.0), 2008년 쓰촨성지진(규모 8.0), 2010년 아이티지진(규모 7.0), 2010년 칠레지진(규모 8.8), 2011년 동일본 대지진(규모 9.0)등의 강진은 수많은 인명 피해와 함 께 사회적인 불안과 경제적 손실이 발생했다. 이런 지진으로
****정회원·한서대학교 공과대학 토목공학과 교수(E-mail : geotech@hanseo.ac.kr)
****정회원·호서대학교 공과대학 토목공학과 교수(교신저자)
****(주) G&C ECO 대표이사
****한서대학교 공과대학 토목공학과 석사졸업
인해 학교, 병원, 숙박시설 및 재래시장 등 내진에 취약한 다중이용 건축물에 대한 경각심이 높아지고 있다.
우리나라에서도 중진이하(규모≤6.5)의 소규모 지진이 끊임 없이 발생하고 있으므로 지진으로부터 안전지대가 될 수 없 다는 것을 인식하고 1988년부터 일정규모 이상의 구조물에 대하여 내진설계를 의무화 하도록 하였다. 하지만 1988년 이 전에 건설된 구조물과 1988년 이후에 건설되었더라도 내진설 계를 적용하지 않은 저층 구조물이 산재해 있어 지진 발생 시 큰 피해가 야기될 우려가 있다. 때문에 기존 구조물의 중 요부재에 지지력을 향상시키는 내진보강공법을 개발하게 되 었다(국립방재연구소, 1997).
논문에서는 부산대학교 지진방재연구센터 소재의 진동대를 사용하여 본 연구에서 새롭게 고안한 철판보강 내진공법(박 성연, 2011)의 내진성능향상을 시험적으로 검증하고자 한다.
철근콘크리트 골조 구조물을 모사할 수 있는 실물크기의 두 개의 시험체를 제작하여 평면변형률(plane strain) 진동대 시 험을 통해 보강전과 보강후의 내진보강공법 내진성능향상을 분석하였다. 진동대 시험을 통해 얻은 데이터를 분석하여 시 험의 타당성 및 내진보강효과를 검증하고자 한다.
2. 시험 구조체 및 게이지 2.1 시험 구조체
시험을 위하여 동일한 평면변형률 시험체 두개를 제작하여 하나는 보강을 하지 않은 상태로 다른 하나는 철판보강 내진 공법을 시공한 상태로 제작하여, 내진 보강 유무에 따른 내 진보강 성능향상을 비교하기 위한 진동대 시험을 수행하였다.
제작된 보강 및 비 보강 시험체의 형상은 그림 1과 같으며
각 부재의 제원은 표 1과 같다.
2.2 게이지종류 및 설치위치
비 보강 시험체의 경우 기둥 상부, 중간, 하부 및 보의 중 간 부분에 8개의 콘크리트용 Strain 게이지와 4개의 가속도 계를 설치하여 시험체의 동적 거동, 변형률 및 가속도를 측 정하였다. 시험체에 설치된 Strain 게이지 와 가속도계의 위 치는 그림 2와 같다.
보강 시험체의 경우는 콘크리트용 Strain 게이지와 철판용 Strain 게이지, 가속도계를 비 보강 시험체와 동일한 위치에 설치하여 계측하였으며, 또한 LVDT를 높이에 따라 3개 설치 하여 각 위치에서의 상대변위를 관측하였다. 보강 시험체의 게이지 설치위치는 아래 그림 3과 같다(유병준, 2011). 본 계측기를 통해 시험체의 동적변위, 변형률 및 가속도를 측정 하였다.
보강 및 비 보강 시험체에 그림 2, 그림 3과 같은 위치에 Strain게이지를 설치한 실제모습은 그림 4(a)와 그림 4(b)와 같다. 또한 가속도계를 설치한 모습은 아래 그림 4(c), 그림 4(d)와 같다.
그림 1. 비 보강, 보강 시험체 표 1 시험체의 규격
구분 제원 (단위: mm)
보 300×400×4000
기둥 300×210×1720
기초 300×400×4000
그림 2. 비 보강 시험체의 게이지 설치위치
그림 3. 보강 시험체의 게이지 설치위치
3. 진동대 시험 3.1 진동대
진동대 시험을 위해서 부산대학교 양산캠퍼스 지진연구센 터에 설치되어있는 대형 진동대를 사용하였다. 부산대학교 지 진연구센터에는 총 3대의 진동대가 설치되어 있어 다양한 형 태의 토목 및 건축시험체의 시험에 사용할 수 있다. 본 연구 에서는 두 개의 진동대(X-Y방향 가진기 설치)에 각각 비 보 강 시험체와 보강 시험체를 설치하여 시험을 수행하였다. 시 험에 사용된 두 대의 진동대의 모습은 그림 5와 같으며 진 동대 가진은 X방향의 인공지진파를 작용하였다. 진동대의 제 원을 정리하면 표 2와 같다.
3.2 시험방법
진동대 시험은 입력지진으로 결정한 인공지진파의 최대지 반가속도인 0.15 g((사)한국건축구조기술사회, 2008, 2009)를 기준으로 수행하였다.
진동대 실험을 위한 입력지진 작성을 위해서 건축물내진설 계기준((사)한국건축구조기술사회, 2008, 2009)을 적용하여 설 계응답스펙트럼을 작성하였으며, 작성된 설계응답스펙트럼에 부합하는 인공지진파를 작성하였다. 본 연구에서는 지반은 보
통암(SB) 지반으로 가정하였다. 작성된 설계응답스펙트럼과 인 공지진 가속도 시간이력은 그림 6과 그림 7에 제시하였다.
그림 8에는 작성된 인공지진 가속도 시간이력이 목표 스펙트 럼에 맞추어서 잘 작성되었는지 비교하기 위하여 목표 스펙 트럼과 비교하여 제시하였다. 작성된 인공지진 가속도 시간이 력의 최대지반가속도는 건축물 내진설계기준에 따라서 0.15 g 이다. 이렇게 완성된 인공지진 시간이력 데이터를 진동대 작 용가속도로 사용하였다.
작용최대가속도 0.15 g를 최대지반가속도(기준가속도)로 가 정하여 0.15 g의 30%부터 150%까지 점차적으로 증진시키면 서 진동대 시험을 수행하였다(표 3참조). 비 보강 시험체의 그림 4. 게이지 설치 완료 모습
그림 5. 부산대학교 지진방재연구센터 소재 진동대 표 2. 실험에 사용한 진동대 두 개의 제원
ITEMS MOVEABLE
(A)
MOVEABLE (B)
Table Size (m) 5×5 5×5
Degrees of Freedom 3 3
Full Payload (tons) 60 30 Nominal Payload (tons) 50 20 Desired Overturning Moment
(kN/meters) 2,000 2,000
X-Axis Acceleration at
Full Payload (g) 1.00 0.85 Y-Axis Acceleration at
Full Payload (g) 1.00 0.85 Z-Axis Acceleration at
Full Payload (g) - -
X-Axis Acceleration at
Nominal Payload (g) 1.25 1.0 Y-Axis Acceleration at
Nominal Payload (g) 1.25 1.0 Z-Axis Acceleration at
Nominal Payload (g)
Maximum Velocity X-Axis (mm/s) 1,000 1,000 Maximum Velocity Y-Axis (mm/s) 1,000 1,000 Maximum Velocity Z-Axis (mm/s)
Maximum Stroke X-Axis (mm/s) ±300 ±300 Maximum Stroke Y-Axis (mm/s) ±200 ±200 Maximum Stroke Z-Axis (mm/s) -
Operating Frequency Range (Hz) 0.1 – 60 0.1 - 60
경우 기준가속도 대비 130%(0.2 g)에서 진동대 시험의 진행 이 어려울 정도의 손상이 발생하여 시험을 중단하였다. 각 시험체에서 진동대 시험에 목표로 하는 작용최대가속도를 다 음 표 3에 정리하였다.
3.3 시험결과
진동대 시험종료 후 우선적으로 시험체에 발생한 균열을
비교하였다. 작용가속도 0.05 g~0.08 g 시험은 비 보강 및 보 강 시험체 모두 균열이 발생하지 않았다. 작용가속도 0.11 g 시험에서 비 보강 시험체의 기둥상단에서 0.2 mm 이하의 미 세균열이 발생하기 시작하였으며, 0.15 g 시험 시 기둥 상, 하부 모두에서 0.5 mm 이상의 균열이 발생하였다. 작용가속 도 0.20 g 시험 시 비 보강 시험체는 기초에서 약 80 cm 높이까지 폭 1 mm 이상의 균열이 기둥부에 다수 발생하여 더 이상의 시험 진행이 불가하였으며 그 결과는 그림 9(a)와 같다. 보강 시험체의 경우 작용가속도 0.20 g까지의 진동대 시험을 수행하였음에도 시험체에서의 균열이 발생하지 않았 으며 그 모습은 그림 9(b)와 같다. 보강 시험체는 작용가속 도 0.23 g까지 진동대 시험을 수행하였으며 그 결과 균열이 발생하지 않았다. 시험 후 보강판을 해체하고 검토한 결과 역시 균열이 발생하지 않은 것을 확인 할 수 있었다. 육안에 의한 분석결과만으로도 강판보강에 의해서 내진성능이 상당 히 향상된 것을 확인 할 수 있었다.
4. 시험결과 분석 4.1 Strain에 따른 시험체의 결과분석
작용가속도 0.05 g~0.20 g 시험에서 그림 2와 그림 3과 같 은 위치의 각 부재에 설치한 Strain 게이지의 최대값을 측정 하여 그림 10과 그림 11에 정리하였다. 그림에서 보는 바와 같이 시험체의 보강 여부에 따라 각 위치에서의 Strain의 값 이 상이하게 나타나는 것을 알 수 있다. 비 보강 시험체 경 우 작용가속도 0.05g~0.08g 시험에서 Strain의 변화는 미미 하게 나타났으나, 0.11 g 시험에서 Strain의 변화가 급격히 그림 6. 설계응답스펙트럼
그림 7. 인공지진 가속도 시간이력
그림 8. 인공지진 가속도 시간이력과 설계응답스펙트럼과의 비교
표 3. 진동대 작용최대가속도
% 진동대 작용최대가속도
(비 보강시험체) 진동대 작용최대가속도
(보강시험체)
30% 0.05g 0.05g
50% 0.08g 0.08g
70% 0.11g 0.11g
100% 0.15g 0.15g
130% 0.20g 0.20g
150% N/A 0.23g
*목표최대지반가속도 산정식 : 0.15 g×(0.3~1.5)
그림 9. 0.20 g 시험(비 보강, 보강)
크게 나타났다. 이는 0.11 g 시험에서 균열이 발생하기 시작 한 것으로 판단된다. 특히 비 보강 시험체의 경우 기둥부와 기둥하부에서 Strain의 변화가 작용가속도 0.11 g이상부터 급 격하게 증가하는 현상이 관측되었다. 이는 앞 절에서 이미 언급한 육안관측 결과(3.3절)와도 일치한 결과이다. 반면 보 강 시험체는 작용가속도 0.05 g부터 0.20 g시험까지 시험체 모든 부분에서 Strain의 변화는 미미하게 나타났다.
4.2 가속도 응답 분석
가속도 응답의 분석을 위하여 편의상 가속도계의 번호를 다음 그림 12와 같이 정의하였다.
비 보강시험체와 보강시험체의 각 위치에서의 최대가속도 를 산출하여 각각의 가속도 수준별로 그림 13과 그림 14에 나타냈다. 비 보강구조의 경우 기둥에서 과도한 가속도 증폭 이 일어나는 것을 알 수 있었다. 반면 보강 구조는 0.05 g에
서 0.20 g 수준의 진동대 시험에서 가속도계의 위치가 상단으 로 올라감에 따라서 최대가속도 응답이 미세하게 증가하는 것이 관측되었다. 보강 시험체는 전형적인 지진응답거동을 보 이는 것을 알 수 있다.
각 시험체의 가속도 증폭특성을 비교분석하기 위하여 진동 대의 입력가속도(진동대에 설치한 가속도계의 가속도)를 기준 으로 하여 가속도계 설치 위치별 증폭비(=계측기 설치 위치 별 최대가속도/입력가속도)를 계산하여 다음 그림 15와 그림 16에 제시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 비 보강 구조의 경우 입력가속도 수준이 증가함에 따라서 증폭비(Amplification Ratio)가 함께 증가하는 것을 알 수 있다. 특히 비 보강 시 그림 10. 비 보강 시험체 입력지반가속도에 따른 최대 Strain
그림 11. 보강 시험체 입력지반가속도에 따른 최대 Strain
그림 12. 가속도계의 위치와 번호
그림 13. 비 보강 시험체의 각 위치에서의 최대가속도 응답
그림 14. 보강 시험체의 각 위치에서의 최대가속도 응답
그림 15. 비 보강 시험체의 위치에 따른 가속도 증폭비
험체의 경우 기둥의 중심부와 기둥과 보의 조인트부에서 작 용가속도 0.11 g시험부터 증폭비가 확연하게 증가하면서 시험 체 내부의 손상이 발생하기 시작한 것으로 판단된다. 반면 보강 시험체는 작용가속도 0.20 g 수준의 가속도까지 증폭비 가 비 보강 시험체에 비교해서 상대적으로 적게 나타났다.
5. 결 론
기존건축물 내진보강공법의 내진성능향상을 평가하기 위해 진동대를 이용한 시험결과 정리하면 아래와 같다.
1) 비 보강 시험체에 입력가속도 0.11 g~0.20 g작용시킨 시 험결과로부터, 기초에서 80 cm높이까지 폭 1 mm이상의 균열이 발생 하였다.
2) 보강 시험체는 입력가속도 0.23 g 작용시킨 시험결과, 시험체에 균열이 발생하지 않았으며 보강시험체 해체 후 콘크리트 시험체의 육안관찰결과 상태가 양호하게 나타 났다.
3) Strain의 변화량에서 비 보강 구조의 경우 작용가속도 0.11 g시험부터 구조채에 급격한 변화가 나타났다. 이 시 점에서 시험체 내에 균열이 발생하기 시작한 것으로 판 단된다. 반면 보강 구조는 작용가속도 0.20 g시험까지 Strain의 변화가 미미하게 발생하였다.
4) 가속도 증폭비를 통한 분석에서, 비 보강 시험체의 경우 작용가속도 0.11 g시험부터 증폭비가 증가하면서 시험체 내부의 손상이 발생하기 시작한 것으로 판단된다. 반면 보강 시험체는 작용가속도 0.20 g 수준의 가속도까지 증 폭이 미미하게 나타났다.
5) 진동대 시험결과 내진보강공법을 적용한 시험체는 국내 내진설계 적용가속도 이상에서도 전혀 손상이 없음을 알 수 있었으며, 내진보강에 의해서 내진성능이 향상됨을 확인 할 수 있었다.
참고문헌
국립방재연구소 (1997) 내진설계 기준 연구, pp. 2-28.
박성연 (2011) 저층 건축시험체 내진보강 공법에 관한 연구, 한서 대학교 석사학위논문.
유병준 (2011) 진동대를 이용한 기존 건축물 내진보강공법의 내진 성능향상 평가, 한서대학교 석사학위논문.
(사)한국건축구조기술사회 (2008) 구조기술자를 위한 건축물 내진 설계, pp. 3-37.
(사)한국건축구조기술사회 (2009) KBC 2009 건축구조기준에 따 른 내진설계 예제집, pp. 3-51.
◎ 논문접수일 : 11년 11월 29일
◎ 심사의뢰일 : 11년 11월 30일
◎ 심사완료일 : 11년 12월 23일 그림 16. 보강 시험체의 위치에 따른 가속도 증폭비
