Performance Evaluation of Steel Frame with FRP Composite Panel according to Guide System

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(1)ISSN 2093-5145(Print) ISSN 2288-0232(Online). 한국복합신소재구조학회 논문집 제6권, 제2호, 2015년 6월 J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Vol. 6, No. 2, pp. 46-51, June 2015 DOI http://dx.doi.org/10.11004/kosacs.2015.6.2.046. FRP 패널로 보강한 강골조의 가이드 시스템에 따른 성능평가 임정희1 · 권민호2 · 서현수1 · 김진섭3 경상대학교 토목공학과 박사과정1, 경상대학교 토목공학과 공학연구원 교수2, 텍사스알링턴주립대학교 연구원3. Performance Evaluation of Steel Frame with FRP Composite Panel according to Guide System Lim, Jeong-Hee1 · Kwon, Min-Ho2 · Seo, Hyun-Su1 · Kim, Jin-Sup3 1. PhD. Candidate, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea Professor, Department of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University, Jinju, Korea 3 Researcher, Department of Civil Engineering, University of Texas at Arlington, Arlington, TX 76019, USA 2. Abstract: Since it is impossible to predict earthquakes, they involve more casualties and property damage compared to meteorological disasters such as heavy snow and heat waves, which can be predicted through weather forecasts. This has highlighted the need for seismic design and reinforcement. Recently, the use of composite materials as reinforcement has surged because steel plate reinforcement and section enlargement are likely to result in increased weight and physical damage to structures. This study evaluates the seismic performance of panels created from composite materials, and their guide systems. The specimens were miniature versions of actual steel structures, and displacement loads were applied in the transverse direction. Seismic performance was found to improve when structures were reinforced with seismic panels. Key Words: FRP panel, Steel frame, Seismic retrofit, Guid system. 1. 서론 최근 그리스, 중국, 칠레 등 세계적으로 리히터 규 모 7.0 이상 강진의 발생빈도가 증가하고 있고, 안전 지대로 여겨졌던 우리나라도 20세기 중반 이후 중진 이 여러차례 관측되었다. 기상이변 중 지진은 기상예 측을 통한 예보가 거의 불가능하고, 지반을 통해 에너 지가 전달되므로 지진 피해의 대부분이 건설 구조물 에 집중된다. 또한 짧은 시간동안 일어나므로 지진 발 생시 적극적인 대처를 할 시간적 여유가 거의 없어 재산 및 인명 피해의 규모가 폭설, 폭염 등의 기상이 변들보다 비교할 수 없을 정도로 크다(Jang et al., 2007). 지진에 대한 피해는 대비의 정도에 따라 극명 하게 나뉘는데, 국내 구조물의 경우 80%이상이 내진. 설계가 되어있지 않기 때문에 내진보강이 시급하다. 기존 콘크리트 구조물은 단면증설법과 강판보강법 이 주로 사용되었으나, 이러한 보강방법은 건물 중량 의 증대, 작업공간의 확보, 이용공간 제한 등의 문제 점이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 최근 재 료가 경량이면서도 강도가 크고 시공성이 좋으며 부 식에 대한 저항성이 높은 등의 장점을 가진 섬유보강 재(FRP, Fiber Reinforced Polymer)를 이용한 보강방 법이 개발되었다(Lee et al., 2002). FRP는 선박/레저 산업, 군수산업, 첨단 항공우주산업 등에 적용하기 위 하여 특수한 목적으로 개발되었으나, 소재자체가 지니 는 장점으로 인해 그 적용범위가 점차 확대되어 최근 에는 건설분야에서 구조물 보강재로 많이 활용되고 있다(You et al., 2008). 본 연구에서는 복합재료로 제작한 FRP 패널의 내. 주요어: FRP 패널, 강골조, 내진보강 Corresponding author: Kwon, Min-Ho Department of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University, 900 Gajwa-dong, Jinju 660-701, Korea. Tel: +82-55-772-1796, Fax: +82-55-772-1799, E-mail: [email protected] Received May 15, 2015 / Revised May 22, 2015 / Accepted May 29, 2015. 46. Korean Society for Advanced Composite Structures.

(2) Performance Evaluation of Steel Frame with FRP Composite Panel according to Guide System. 진성능 향상 및 FRP 패널 가이드 시스템에 따른 성 능을 실험적으로 검토하고자 하였다. 시험체는 실제 구조물을 바탕으로 축소하여 제작하였다. 축소된 시험 체에 제안한 두 종류의 FRP 패널 가이드 시스템을 적용하여 실험을 수행하였고, 그 결과를 분석하여 내 진성능을 평가하였다.. 2. FRP 패널 본 연구에서 제작한 내진보강용 FRP 패널은 2차모 멘트 증가의 용이성 등과 같은 이점을 가지는 상자형 으로, 기존 벽체의 강도보강 또는 기존 벽체를 대신하 는 형태로 긴급시공 및 긴급보수를 목적으로 한다. 이 에 운반과 시공의 용이성을 위하여 분할형태로 제작 하였고, 시공시에는 각각의 FRP 패널을 에폭시 본드 를 이용해 일체화한다. FRP 패널은 3mm의 GFRP가 우레탄 폼을 감싸는 형태로, 형상은 Fig. 3과 같고, GFRP의 재료물성은 Table 1과 같다. 실험에서는 Fig. 3의 FRP 패널을 두 개 제작하여 에폭시 본드를 이용해 부착하여 사용하였다.. 3. 실험계획 3.1 시험체 계획 내진설계가 되어있지 않은 강골조 구조물에 내진보 강용 FRP 패널에 따른 내진성능향상 및 FRP 패널 가이드 시스템에 따른 구조 성능의 변화를 파악하고 자 한다. 용접접합으로 이루어진 8,100mm×6,000mm 의 중·저층 강골조 구조물을 실험실 여건에 맞게 2,250mm×1,625mm 크기로 73% 축소하여 구조물을 제작하였고, Fig. 4에 축소된 시험체의 상세를 나타내 었다. 실험실 여건에 맞게 축소하여 제작한 시험체 기 둥의 단면치수는 194mm×150mm×6mm×9mm이고, 보의 단면치수는 125mm×125mm×6.5mm×9mm이다.. Fig. 4 Detail of Test Specimen(unit:mm). Fig. 3 Designed FRP Panel(unit:mm) Table 1. Properties of GFRP Material. Material. Ultimate load (MPa). Ultimate strain (x10⁶). Modulus of elasticity (GPa). GF91. 446. 15,235. 31.5. FRP 패널 가이드 시스템에서 가이드는 길이 40mm, 30mm×30mm×3t의 앵글로, 가이드의 부착방 법에 따라 GY_1과 GY_2로 나뉜다. GY_1은 부재에 강재용 에폭시를 이용하여 부착하는 방법이고, GY_2 는 부재와 앵글에 드릴링을 통하여 천공한 후 고장력 볼트를 이용하여 가이드를 고정하는 방법이다. SF_E 시험체에는 GY_1, SF_B 시험체에는 GY_2 가이드 시스템을 적용하여 실험을 수행하였고, 각 방법에 따 른 설치방법은 Fig. 6, 8와 같다.. Vol. 6, No. 2, 2015. 47.

(3) Lim, Jeong-Hee · Kwon, Min-Ho · Seo, Hyun-Su · Kim, Jin-Sup. (a) Installation plan. (b) Pre-installation. Fig. 9 Test Setup 120. (d) Panel of setting. Fig. 6 Guide System : GY_1. 80. Displacemente (mm). (c) Adhesion by epoxy. 40 0 -40 -80 -120 0. 2000. 4000. 6000. 8000. Time (sec). Fig. 10 Loading Displacement History (a) Installation plan. (c) Drilling(40 hole). (b) Pre-installation. (d) Fixed by bolts. Fig. 8 Guide System : GY_2. 3.2 실험방법 하중가력은 엑츄에이터 및 구조실험용 가력프레임 을 이용하여 실시하였다. 실제 구조물의 거동양상을 고려하기 위하여 높이 300mm의 힌지를 상·하단부에 설치하였다. 실험장치의 설치와 가력상세는 Fig. 5와 같다. 시험체에 적용한 횡방향 변위하중은 Fig. 6과 같이 ±5mm씩, 각 변위별 2회 반복하여 증가시켜나가 는 반복하중 형태로 재하하였고, 1,000kN용량의 엑츄 에이터를 이용하였다.. 48. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. 4. 실험결과 4.1 파괴형태 Fig. 11은 각 시험체별 최종파괴형상을 나타낸 것 이다. OSF 시험체에 대한 실험결과, 변위 45mm에서 오른쪽 하단 보-기둥 접합부 부근에서 항복하기 시작 하였다. 최종변형은 부재의 파괴없이 부재력이 약한 보 부재에서 복곡률 변형이 발생하였다. SF_T1 시험체에 대한 실험결과, 부방향 변위 45mm일 때 패널 우측상부에 발생한 좌굴을 따라 패 널이 파괴되었고, 이어서 정방향 변위 50mm일 때 패 널 좌측 상부에서 발생한 좌굴을 따라 패널에 균열 발생 후 파괴되었다. 정방향 변위 30mm에서 최초로 가이드 앵글이 탈락이 발생하였고 이후 지속적으로 탈락되었다. 이로 인하여 패널이 보강영역을 벗어나 보강효과가 약화되었다. SF_B 시험체에 대한 실험결과, 정방향 변위 45mm일 때 패널 우측하부에서 좌굴이 발생하였고 높이방향 1/4지점까지 확장되었다. 이어 부방향 변위 55mm일 때 패널 좌측하부에서 좌굴이 발생하였다. 국부좌굴의 발달로 인해 FRP 패널의 파단이 발생하 였고, 우측 하단부의 경우 FRP의 파단을 따라 좌굴 이 크게 발생하였으며 심부 충진재와 FRP가 분리되 었다. 최대강도 이후 지속적으로 패널의 파괴가 진행 되었다..

(4) Performance Evaluation of Steel Frame with FRP Composite Panel according to Guide System. (a) OSF. 100mm에서 76.1kN으로 측정되었다. SF_E 시험체의 하중-변위 그래프를 Fig. 8(b)에 나타내었다. 변위가 증가함에 따라 하중이 함께 증가 하고, 최대강도 이후 하중이 점차적으로 감소하였다. FRP 패널로 인하여 OSF 시험체에 비해 강성이 증가 함을 볼 수 있다. SF_E 시험체의 최대강도는 정가력 일 때 변위 45mm에서 118.2kN, 부가력일 때 변위 40mm에서 130.9kN으로 측정되었다. SF_B 시험체의 하중-변위 그래프를 Fig. 8(c)에 나타내었다. 변위가 증가함에 따라 하중이 함께 증가 하고, 최대강도 이후 하중이 감소하다 파괴된 패널과 패널가이드의 맞물림 효과에 의해 변위 65mm와 80mm에서 하중이 다시 증가하는 거동을 보였다. 이 시험체 역시 FRP 패널로 인하여 OSF 시험체에 비해 강성이 증가함을 볼 수 있다. SF_E 시험체의 최대강 도는 정가력일 때 변위 45mm에서 191.0kN, 부가력 일 때 변위 50mm에서 168.4kN으로 측정되었다.. 200. OSF. 150. Load (kN). 100 50 0 -50 -100. (b) SF_E. -150 -200 -120. -90. -60. -30. 0. 30. 60. 90. 120. Displacement (mm). (a) OSF 200. SF_E. 150. Load (kN). 100 50 0 -50 -100. (c) SF_B Fig. 11 Final Deformed Shape of Specimens. -150 -200 -120. -90. -60. -30. 0. 30. 60. 90. 120. Displacement (mm). 4.2 하중-변위 관계곡선 OSF 시험체의 하중-변위 그래프를 Fig. 8(a)에 나 타내었다. 변위 약 20mm까지 하중-변위가 일정한 기 울기로 증가하였고, 이후 점차 완만하게 기울기가 감 소하는 형태를 나타내었다. OSF의 최대강도는 정가 력일 때 변위 100mm에서 74.6kN, 부가력일 때 변위. (b) SF E. Vol. 6, No. 2, 2015. 49.

(5) Lim, Jeong-Hee · Kwon, Min-Ho · Seo, Hyun-Su · Kim, Jin-Sup 200. SF_B. Table 3. Rigidity of specimens. Load (kN). 150 100. Specimen. 50. OSF SF_E SF_B. 0 -50. Rigidity (kN/mm) 2.73 7.38 8.18. Rigidity ratio 1.00 2.70 3.00. -100. -200 -120. -90. -60. -30. 0. 30. 60. 90. 120. Displacement (mm). (c) SF_B Fig. 12 Load-Displacement Relation Curve. 4.3 최대강도 및 강성 Table 2는 시험체별 최대강도와 최대강도일 때의 변위를 나타낸다. 비보강 시험체는 실험 종료 시점인 변위 100mm에서 최대강도에 도달한 반면, 보강 시험 체는 변위 40～50mm에서 최대강도에 도달하였다. 여 기서 특별한 규칙성은 보이지 않으며, 패널의 설치유 격이나 좌굴 형상 등에 따라서 차이를 보이는 것으로 사료된다. OSF 시험체에 비하여 최대강도가 SF_E 시험체의 경우 약 1.72배, SF_B 시험체의 경우 약 2.51배 증가하였다. SF_E 시험체는 GY_1 보강방법 을 이용한 시험체로, 실험 중 가이드 앵글의 탈락으로 인하여 패널의 경계조건에 변화가 발생하였고, 이로 인하여 낮은 보강성능을 발휘한 것으로 보인다.. OSF SF_E SF_B. Ultimate load (kN) 76.1 130.9 191.0. Displacement (mm) 100 40 45. Ultimate load ratio 1.00 1.72 2.51. Table 3은 시험체별 강성을 정리하여 나타낸 것이 다. OSF 시험체에 비하여 강성이 SF_E 시험체의 경 우 2.70배, SF_B 시험체의 경우 3.00배 증가하였다. 여기서, OSF 시험체의 강성은 구조물 자체의 강성이 라 할 수 있고, OSF 시험체에 대한 SF_E 시험체와 SF_B 시험체의 강성 증가량은 FRP 패널의 강성이라 볼 수 있다. 이를 통하여 FRP 패널을 이용하여 보강 할 경우 구조물의 강성이 증가됨을 알 수 있다. SF_E 시험체와 SF_B 시험체의 강성이 차이를 보이 는 것은 동일한 FRP 패널로 보강하더라도 패널의 구 속조건 때문인 것으로 보인다.. 50. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. 100 90 80 70 60 50 40 30 20. OSF SF_E SF_B. 10 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90 100 110. Displacement (mm). Fig. 13 Accumulated Energy Dissipation Capacity for Displacement. Table 2. Ultimate Load of Specimens Specimen. 4.4 에너지 소산능력 Fig. 9와 Table 4는 각 시험체별 변위에 대한 누적 에너지소산능력을 나타낸 것이다. 누적에너지소산능력 은 OSF 시험체의 경우 87.9kN·m, SF_E 시험체의 경우 99.4kN·m, SF_B 시험체의 경우 93.5kN·m로, OSF 시험체에 비하여 각각 1.13배 1.06배 증가하였 다. 이를 통해 FRP 패널에 의한 에너지소산능력의 증가는 미비한 것으로 보인다.. Accumulated Ennergy Dissipation Capacity(kN-m). -150. Table 4. Accumulated Energy Disspation Capacity of Specimens Specimen. Accumulated energy dissipation capacity (kN·m). Accumulated energy dissipation capacity ratio. OSF SF_E SF_B. 87.9 99.4 93.5. 1.00 1.13 1.06. 5. 결 론 복합재료로 제작한 FRP 패널의 내진성능 향상 및 FRP 패널 가이드 시스템에 따른 성능을 실험적으로 검토하고자 하였다. 두 종류의 FRP 패널 가이드 시 스템을 제안하여 실험을 수행하였고, 그 결과 FRP 패널로 강골조를 보강할 경우 최대강도 및 강성이 증 가하였다. FRP 패널로 강골조 보강시, 앵글을 강재용 에폭시를 이용하여 부착하는 가이드 시스템을 적용한.

(6) Performance Evaluation of Steel Frame with FRP Composite Panel according to Guide System. 시험체에 비하여 앵글을 천공하여 고장력 볼트로 고 정하는 가이드 시스템을 적용한 시험체의 최대강도 및 강성이 더욱 크게 나타났다. 이에 FRP 패널로 강 골조 보강시 앵글을 천공하여 고장력 볼트로 고정하 는 가이드 시스템을 이용할 경우 우수한 보강효과를 나타낼 것으로 판단된다. 세부결론은 다음과 같다. (1) 강재용 에폭시를 이용하여 부착하는 방법인 GY_1은 고장력 볼트를 이용하여 가이드를 고정하는 방법인 GY_2와 달리 실험 중 가이드 앵글의 탈락이 발생하였다. 이에 강골조의 FRP 패널 가이드 시스템 은 GY_1보다 GY_2가 더 우수한 것으로 사료된다. (2) 각 시험체별 실험결과 최대강도는 OSF 시험체 의 경우 76.1kN, SF_E 시험체의 경우 130.9kN, SF_B 시험체의 경우 191.0kN으로, OSF 시험체에 비하여 SF_E 시험체는 약 1.72배, SF_B 시험체는 약 2.51배 증가하였다. SF_E 시험체에 비하여 SF_B 시험체의 보강효과가 더 높은 것으로 나타났는데 이 는 SF_E 시험체의 시험 중 가이드 앵글의 탈락으로 인하여 패널의 경계조건에 변화가 발생하였고, 이로 인하여 낮은 보강성능을 발휘한 것으로 사료된다. (3) OSF 시험체에 비하여 강성이 SF_E 시험체의 경우 2.70배, SF_B 시험체의 경우 3.00배 증가하였 다. 이로써 FRP 패널을 이용하여 구조물의 강성을 증가시킬 수 있는 것으로 사료된다. (4) 누적에너지소산능력은 OSF 시험체에 비하여 SF_E 시험체의 경우 1.13배, SF_B 시험체의 경우 1.06배 증가하였다. FRP 패널을 통한 에너지소산능력 의 증가는 미비한 것으로 사료된다.. ACKNOWLEDGEMENT 본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 건 설기술연구사업의 연구비지원(15SCIP-B065985-03)에 의해 수행되었습니다.. References Frangou, M., Pilakoutas, K., and Dritsos, S. (1995), “Structural repair/strengthening of RC columns,” Construction and Building Materials, 9(5), pp.259-266. Jang, H. N., and Lee, J. Y. (2007), “Case Study of Earthquake Damage in Korea and Other Countries,” Korean Society of Civil Engineers Magazine, Vol.. 55, No. 4, pp. 133-139. Kim, J. S., Kwon, M. H., Seo, H. S., Lim, J. H., and Kim, D. Y. (2013), “An Experimental Study on Seismic Performance Evaluation of Retrofitted Column of FRP Seismic Reinforcement that can be Emergency Construction,” Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol. 17, No. 6, pp. 21-30. Lee, Y. T., Na, J. M., Kim, S. H., and Lee, L. H. (2002), “Behaviors of Shear Strengthened RC Columns with Carbon Fiber Sheets,” JOURNAL OF ARCHITECTURAL INSTITUTE OF KOREA Structure & Construction, Vol. 18, No. 4, pp. 19-26. Ozcana, O., Binicib, B., and Ozcebeb, G. (2008), “Improving seismic performance of deficient reinforced concrete columns using carbon fiber-reinforced polymers,” Engineering Structures, 30(6), pp. 1632-1646. Park, J. M., Seo, H. S., Kwon, M. H., and Lim, J. H. (2014), “Experimental Study on the Material Characteristics of Glass Fiber Composties,” J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc., Vol. 5, No. 1, pp. 16-21 Park, S. Z., and Hong, K. J. (2014), “Development of Lining-Board System Using Light-Weight GFRP Panels for Sewer-Pipe Construction,” J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc., Vol. 5, No. 3, pp. 23-31. Tong, X. D., Hajjar, J. F., Schultz, A. E., and Shield C. K. (2005), “Cyclic behavior of steel frame structures with composite reinforced concrete infill walls and partially-restrained connections,” Journal of Constructional Steel Research, Vol. 61, pp.531-552. You, Y. C., Choi, K. S., Kang, I. S., and Kim, K. H. (2008), “Appraisal Study on Tensile Test Method of Mechanical Properties of FRP Composite Used in Strengthening RC Members,” Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol. 12, No. 1, pp.73-80. Zhang, R. H., and Soong, T. T. (1989), “Seismic Response of Steel Frame Structures with added Viscoelastic Dampers,” Earthquake engineering and structural dynamics, Vol. 18, pp.389-396.. Vol. 6, No. 2, 2015. 51.

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