Ⅰ. 서론
산업사회가 성장함에 따라 건설재료와 설계기술이 발달함으로 인해 과거 단순한 주거공간이 아닌 특수한 목적을 가진 구조물의 건설이 급속도로 증가하고 있다.
이에 대규모의 구조물 수가 증가함에 따라 지진 등과 같은 자연재해로 인한 구조물의 손상 및 붕괴는 큰 사 회적 재난을 초래한다. 과거에 비하여 지진의 발생빈도 및 강도가 증가하고, 대형지진의 발발 이후 뒤이어 상 당히 큰 규모의 여진이 많이 발생하는 패턴을 보이는 등 피해발생확률이 더욱 커지고 있다. 하지만, 최근에 서야 구조물의 내진설계 의무화가 이루어져 내진설계 가 의무화되기 이전에 지어진 구조물의 지진에 대한 안 전성이 매우 취약하다. 특히, 지진에 의한 강골조 구조 물의 손상은 접합부와 비내력 벽체에 집중되어 있어 벽 체에 대한 보강방법과 접합부에 응력 집중을 감소하는
보강방법이 필요하다(Chang et al, 2012).
본 기사에서는 여진을 대비하여 긴급시공 및 긴급보 수를 목적으로 제작한 FRP 패널을 소개하고자한다.
FRP 패널의 내진성능을 평가하기 위해 내진설계가 되 어있지 않은 국내 중⋅저층 강골조 구조물을 참고하여 시험체를 제작하였다. 용접접합으로 제작된 시험체에 FRP 패널을 적용하여 반복횡하중 실험을 실시하였다.
Ⅱ. FRP 패널
제작한 기존벽체의 강도보강 및 기존벽체를 대신하 는 형태인 FRP 패널은 단면2차모멘트 증가의 용이성 등과 같은 이점을 가지는 상자형으로, 유리섬유로 제작 된 보강판이 우레탄 폼을 감싸는 형태이다. 이 FRP 패 널은 긴급시공 및 긴급보수를 목적으로, 운반과 시공의 용이성을 위하여 분할형태로 제작하여 시공시 개별의
FRP 패널로 보강된 강골조 구조물의 실험적 내진성능평가
Experimental Seismic Performance Evaluation of Steel Frame with FRP Panel
권민호 (Min-Ho Kwon)｜경상대학교 토목공학과 교수｜kwonm@gnu.ac.kr
서현수 (Hyun-Su Seo)｜경상대학교 토목공학과 박사과정｜flyfromyou00@gmail.com 임정희 (Jeong-Hee Lim)｜경상대학교 토목공학과 박사과정｜jung5095@gmail.com 김진섭 (Jin-Sup Kim)｜텍사스알링턴주립대학교 연구원｜jskim0330@gmail.com 정우영 (Woo-Young Jung)｜강릉원주대학교 토목공학과｜woojung@gwnu.ac.kr
FRP 패널을 에폭시 본드를 이용하여 일체화한다. FRP 패널의 단면을 설계함으로써 사용자가 요구하는 구조 물의 목표강도를 충족시킬 수 있다.
본 고에서는 FRP 패널의 단면은 100kN의 강도증가 를 목표로 설계하였고, 그 결과 보강판의 두께는 3mm, FRP 패널의 우레탄 폭은 50mm로 계산되었다. FRP 패 널 단면형상에 따른 내진성능을 확인하기 위하여 [그림 1]과 같이 FRP 패널의 단면형상에 따라 single box 패 널과 double box 패널을 제작하였다. single box 패널과 double box 패널의 폭은 56mm로 동일하고, 길이는 single box 패널의 경우 512mm, double box 패널의 경 우 1,024mm이다. 총 패널 길이 2,048mm가 되도록 single box 패널은 네 개, double box 패널은 두 개 부착 하여 시험체에 적용하였다.
우레탄폼을 감싸는 보강판은 유리섬유를 0°와 90°
혼합적층한 것으로, 0.25mm두께의 유리섬유를 12층 적층하여 3mm의 보강판으로 제작하였다. 유리섬유의 재료물성은 [표 1]과 같다.
Ⅲ. FRP 패널로 보강된 시험체의 반복횡 하중 실험개요
FRP 패널의 내진성능 및 FRP 패널의 단면형상에 따 른 내진성능을 확인하고자 내진설계가 되어있지 않은 강골조 구조물에 내진보강용 FRP 패널을 적용하여 반 복 횡하중 실험을 수행하였다. 시험체는 기존에 건축된 국내 중⋅저층 구조물을 선정하여, 실험실 여건에 맞춰 축소제작하였고, FRP 패널로 보강한 시험체에 반복 횡 하중을 적용하였다. 시험체는 기존에 건축된 8,100mm×
6,000mm의 강골조 구조물을 2,250mm×1,625mm로 27% 축소하여 구조물을 제작하였고, [그림 2]에 축소 된 시험체의 상세를 나타내었다.
FRP 패널을 고정시키는 가이드는 길이 40m, 30mm×
30mm×3t의 앵글로, [그림 3]과 같이 부재와 가이드에 드릴링을 통하여 천공한 후 고장력 볼트를 이용하여 가 이드를 고정하였다. 이를 통하여 패널에 힘이 작용하더
Material
Strength at Max. Load
(MPa)
Strain at Max. Load (x10-⁶)
Modulus of Elasticity
(MPa)
Thickness (mm)
Width (mm)
GFRP 446 15,235 31,500 1.91 10.13
표 1. GFRP복합재의 물성치
(a) single box 패널 (b) Double box 패널 그림 1. FRP 패널 상세
라도 패널이 고정될 수 있도록 하였다. SF_SB 시험체 에는 single box 패널을, SF_DB 시험체에는 double box 패널을 적용하여 실험을 수행하였다.
[그림 4]는 실험 가력장치를 나타낸 것으로, 1000kN 용량의 엑츄에이터 및 구조실험용 가력프레임을 이용 하여 하중을 가력하였다. 시험체 상단부와 하단부에 실
제 구조물의 거동양상을 고려하기 위해 설계한 높이 300mm의 힌지를 설치하였다. 힌지 설계시 구조물의 저항에 의한 반력 및 구조물과 가력 프레임의 하중을 견딜 수 있도록 힌지에 사용된 핀의 직경과 연결판의 그림 2. 시험체 상세
(a) 설치계획 (b) 설치전
(c) 드릴링(40홀) (d) 앵글 볼트고정
그림 3. 가이드 설치상세
(a) 평면도
(b) 정면도 그림 4. 시험체 설치 개념도
두께를 결정하였다. 시험체의 횡방향 변위하중은 [그림 5]와 같이 ±5mm씩, 각 변위별 2회 반복하여 증가시켜 나가는 반복하중 형태로 재하하였다.
0 2000 4000 6000 8000
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100
Displacement (mm)
Time (sec)
그림 5. 변위제어이력
Ⅳ. FRP 패널로 보강된 시험체의 반복횡 하중 실험결과
1. 각 시험체별 파괴형태
[그림 6(a)]는 OSF 시험체의 최종 파괴형태를 나타 낸 것이다. 17번째 사이클(변위 45mm)에서 우측 하부 보-기둥 접합부 부근 보 부재에서 항복하기 시작하였 다. OSF 시험체는 부재력이 약한 보 부재에서, 부재의 파괴없이 복곡률의 거동을 보였다.
[그림 6(b)]는 SF_SB 시험체의 최종 파괴형태를 나
타낸 것이다. 9번째 사이클(변위 25mm)에서 좌측 하부 보-기둥 접합부 부근 보 부재에서 항복하기 시작하였고 이후 11번째 사이클(변위 30mm)에서 우측 하부 보-기 둥 접합부 부근 보 부재에서 항복하기 시작하였다. 17∼
20번째 사이클(변위 45mm∼50mm)에서 패널 좌측에 서부터 세 번째 네 번째 패널의 접합부에서 파괴가 발생 하였다. 23번째 사이클(변위 60mm)에서 패널 전면 상 부 모서리에서부터 파괴가 진행되었다. SF_SB 시험체 는 패널 접합부 국부좌굴로 인한 파괴형태가 나타났다.
[그림 6(c)]는 SF_DB 시험체의 최종 파괴형태를 나 타낸 것이다. 11번째 사이클(변위 30mm)에서 양단 하 부 보-기둥 접합부 부근 보 부재에서 항복하기 시작하였 다. 17번째 사이클(변위 45mm)에서 패널 우측하부에 좌굴이 크게 발생하였고, 높이방향으로 1/4지점까지 확 장되었다. 이후 21번째 사이클(변위 55mm)에서 패널 좌측하부에 좌굴이 발생하고, 곧 균열로 이어지며 파괴 되었다. SF_DB 시험체는 패널의 국부좌굴로 인하여 FRP의 파단 및 우레탄 폼과 FRP의 분리가 발생하였다.
2. 각 시험체별 하중이력곡선
[그림 7(a)]는 OSF 시험체의 하중-변위 그래프를 나 타낸 것이다. 변위 약 20mm까지 하중-변위가 일정한 기울기로 증가하다 점차 기울기가 완만하게 감소하였 다. 최대강도는 부가력일 때 변위 100mm에서 76.1kN 으로 나타났다.
(a) OSF (b) SF_SB (c) SF_DB
그림 6. 각 시험체별 최종 파괴형태
[그림 7(b)]는 SF_SB 시험체의 하중-변위 그래프를 나타낸 것이다. 초기 하중-변위 기울기가 OSF와 동일 한 기울기로 거동하다 이후 기울기가 증가되는데 이는 패널로 인해 강성이 증가한 것으로 사료된다. 최대 하 중 이후 변위가 증가함에 따라 하중이 감소하는 양상을 보이다 다시 증가하는데 이는 파괴된 패널의 맞물림 효 과에 의한 것으로 보인다. 최대강도는 부가력일 때 변 위 45mm에서 171.6kN으로 나타났다.
[그림 7(c)]는 SF_DB 시험체의 하중-변위 그래프를 나타낸 것이다. SF_SB 시험체와 마찬가지로 초기 하중- 변위 기울기가 OSF 시험체와 동일한 기울기로 거동하 다 이후 증가되는데, 이 또한 패널로 인해 강성이 증가 한 것으로 사료된다. 최대 하중이후 변위가 증가함에 따라 하중이 감소하다 다시 증가하는데 이는 파괴된 패 널과 패널가이드의 맞물림 효과에 의한 것으로 보인다.
최대강도는 정가력일 때 변위 45mm에서 191.0kN으로 나타났다.
3. 성능평가
[표 2]는 시험체별 최대강도와 최대강도시의 변위 및
최대강도의 비를 나타낸 것이다. OSF 시험체는 실험종 료시점인 100mm에서 최대강도에 도달하는 반면에 SF_SB 시험체와 SF_DB 시험체는 45mm에서 최대강 도에 도달하는데 여기서 특별한 규칙성은 보이지 않고, 패널의 설치 유격이나 좌굴형상 등에 따라서 차이를 보 이는 것으로 사료된다. 보강 시험체는 비보강 시험체에 비하여 최대강도가 SF_SB는 약 2.25배, SF_DB는 약 2.51배 증가하였다. 보강 시험체 중 single box 패널로 보강한 SF_SB 시험체에 비하여 double box 패널로 보 강한 SF_DB 시험체의 최대강도가 약 1.11배 크게 나타 났다. 이는 변위가 증가함에 따라 패널에 작용하는 힘 이 double box 패널을 두 개 부착한 경우 double box 패널 내부에 작용하는 반면, single box 패널을 네 개 부착한 경우 single box 접합부 위치에 작용하여 최대 강도가 작게 나타나는 것으로 보인다.
Ⅴ. 맺음말
본 고에서는 FRP 패널의 내진성능 및 FRP 패널의 단면형상에 따른 내진성능을 실험을 통해 확인하였다.
FRP 패널의 단면형상에 따라 단면의 길이가 512mm인
-125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 -240
-180 -120 -60 0 60 120 180 240
Load (kN)
Displacement (mm) OSF
(a) OSF
-125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 -240
-180 -120 -60 0 60 120 180 240
Load (kN)
Displacement (mm) SF_SB
(b) SF_SB
-125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 -240
-180 -120 -60 0 60 120 180 240
Load (kN)
Displacement (mm) SF_DB
(c) SF_DB 그림 7. 각 시험체 별 하중-변위관계곡선
Specimen
Maximum lateral load
(kN)
Displacement at Maximum lateral load
(mm)
Maximum lateral load ratio
ORC 76.1 100 -
SF_SB 171.6 45 2.25
SF_DB 191.0 45 2.51
표 2. 각 시험체별 최대강도
single box 패널과 1,024mm인 double box 패널을 제작 하였고 총 패널 길이가 2,048mm가 되도록 single box 패널은 네 개, double box 패널은 두 개를 부착하여 시 험체에 적용하였다.
그 결과 최대강도의 경우 비보강 시험체에 비하여 single box 패널로 보강한 SF_SB 시험체는 약 2.25배, double box 패널로 보강한 SF_DB 시험체는 약 2.51배 증가하였다. 보강한 시험체 중 double box 패널로 보강 한 SF_DB 시험체는 single box 패널로 보강한 SF_SB 시험체에 비하여 약 1.11배 보강효과가 더 높은 것으로 나타났다. 이는 변위가 증가함에 따라 패널에 작용하는 힘이 double box 패널의 경우 double box 패널 내부에 작용하는 반면, single box 패널의 경우 single box 패널 접합부 위치에 작용하여 최대강도가 작게 나타나는 것 으로 보인다. 따라서 내진설계가 되어있지 않은 강골조 구조물을 FRP 패널을 통하여 내진보강할 경우 single box 패널로 제작한 FRP 패널보다 double box 패널로 제작한 FRP 패널을 사용할 경우 더욱 우수한 보강효과 를 보일 것으로 사료된다.
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