탄소섬유 X-브레이싱으로 보강된 RC 기둥의 구조거동 연구

Abstract

철근콘크리트 구조물의 내진보강 방법으로는 크게 댐퍼 등과 같은 기계적 면진장치를 적용하는 방법과 부재에 직접 내진력을 보강하는 구조역학적 방법이 있다. 후자의 경우, 기둥 사이에 철골 등의 브레이싱을 체결하여 횡방향 전단력에 대해 철골 브레이싱이 축방향 인장 및 압축응력 상태로 저항하여 효과적인 내진효과를 발휘할 수 있는 것으로 보고되고 있다. 반면, 철골 브레이싱은 피로하중에 의한 정착부의 안정성 문제와 브레이싱의 국부좌굴에 대한 문제가 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해 추가적인 보강으로 인해 불필요한 자중증가 등으로 경제적인 내진보강성능 확보의 어려움이 있을 수 있다.

따라서 이 연구에서는 X-브레이싱 내진보강 시스템의 장점을 충분히 확보하면서, 경량의 고강도 재료로 보강 후 추가적인 질량증가가 거의 없을 뿐 아니라 압축좌굴거동이 발생하지 않는 브레이싱으로 탄소섬유를 이용한 X-브레이싱 공법에 관한 내진저항 성능을 평가하고자 한다. 또한, 탄소섬유 X-브레이싱으로 보강된 철근콘크리트(이하 RC) 구조물의 내진성능을 합리적으로 예측하기위해 동적해석에 의한 비선형 복원력 특성을 고려한 해석모델을 제시하고자 한다.

이 연구에서 제안된 공법의 평가를 위해, 휨 파괴형 및 전단 파괴형 기둥실험체를 제작하여 탄소섬유 X-브레이싱으로 보강 후 준정적 실험을 통해 보강성능을 실험적으로 규명하였으며, 실험결과와 동적해석결과를 이용하여 내진성능 평가에 필요한 최적의 비선형 복원력특성을 제안하였다.

또한, 내진보강의 실용성 연구를 위해 파괴하중이 적용된 전단 파괴형 기둥 실험체를 지진피해를 입은 부재로 가정하여 전단 파괴시험이후 균열보수 및 유리섬유시트와 탄소섬유 X-브레이싱으로 보강하여 내진보강효과를 실험적으로 규명하였다.

실험결과를 요약하면 고강도 탄소섬유 X-브레이싱 형태로 보강한 휨 파괴형 실험체와 전단 파괴형 실험체 모두 기준 실험체에 비해 약 40%정도의 강도 증진효과를 나타냈다. 전단 파괴시험 이후 유리섬유시트와 탄소섬유 X-브레이싱으로 보강한 CR-2가 가장 큰 최대강도를 나타내었으며 CS-0에 비해서는 약 200%정도의 강도증진 효과와 파괴모드를 전단파괴에서 휨파괴로 전환시키는 등 그 보강효과는 탁월한 것으로 나타났다.

이 연구에서 제안한 탄소섬유 X-브레이싱 공법은 기존 철골 브레이싱 보강에 비해 질량의 증가가 없고, 강도증가 및 연결부에서의 취성파괴 방지 등의 우수한 보강성능을 발휘할 수 있는 것으로 평가되었다. 따라서, RC 구조물의 규모에 제약 없이 효율적인 내진보강 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

향후, 이 연구에서 제시한 비선형 복원력 특성모델을 활용하여 탄소섬유 X-브레이싱 공법이 적용된 RC 구조물의 내진설계 및 성능평가를 위한 기본적인 자료로서 충분히 활용 가능하다고 판단된다.