철근콘크리트 단주실험을 통한 유사동적실험기법에 관한 연구

Abstract

우리나라는 지금까지 지진피해의 경험이 적은 나라로서 인식되어왔다. 그러나 기상청 통계자료1)에 의하면 지난 30년(1978～2007년)간 총 733회의 지진이 관측되어, 연평균 24회의 빈도를 보이고 있다. 이중 지진규모(M) 4이상의 비교적 큰 규모의 지진발생이 36회이며, 대부분은 남한지역에서 발생하고 있다(28회). 또한 역사지진 및 계기지진에 관한 연구결과2)에 의하면 각종 건물에 상당한 피해를 줄 수 있는 정도의 지진이 발생할 가능성이 있으며, 가까운 미래에 발생가능한 대규모의 지진에 대한 대책의 중요성이 점차 고조되고 있다. 특히 최근 들어 일본 고베지진(1995년, M=7.2, 사망자: 6432명), 러시아 사할린지진(M=7.5, 사망자: 1989명), 대만 지지지진(1999년, M=7.6, 사망자: 2474명) 등의 한반도 주변국가에서의 대규모 지진의 발생은 건물의 지진에 대한 대책의 중요성을 보다 크게 인식시키는 계기가 되고 있다. 과거 지진피해 조사에 의하면 저층 건물이 많은 피해를 입었으며, 현재 널리 보급되어진 저층 철근콘크리트(RC) 건물도 예외는 아니었다. 우리나라의 경우 과반수이상이 저층 RC 건물로서 대규모지진이 발생한다면 저층 RC 건물에 거대한 피해가 발생할 것으로 예상된다. 한편, 대다수의 저층 RC 건물은 다양한 수평저항시스템으로 이루어져 있으며, 이것들은 각기 다른 변위에서 파괴될 것으로 판단된다. 그 가운데에서도, 강성 및 강도는 높지만 소성영역에서 극취성적인 파괴성상(Extremely Brittle Failure)을 보이는 극단주(Extremely Short Column)(본 연구에서는 ho/D<2 인 기둥을 극단주라 정의함, ho: 순높이, D: 폭), 전단벽 등의 전단파괴형 부재 및 비교적 강성 및 강도는 낮지만 연성능력이 우수한기둥 등의 휨파괴형 부재는 전형적인 수평저항시스템으로 다수의 피해지진에 의하여 그것들의 중요성이 대두되었다. 일반적으로, 극취성파괴형 부재를 포함한 전단파괴형 부재가 지진 시 파괴되면, 건물의 수평저항능력은 급속히 저하되며, 전단파괴형 부재의 내력이 휨파괴형 부재의 내력에 비해 비교적 높다면, 전단파괴형 부재의 파괴가 건물 전체의 파괴를 야기할 것이다. 즉 휨파괴형 부재의 내력이 너무나 낮기 때문에 여분의 지진에너지를 소산 못하리라 판단된다. 반면 전단파괴형 부재의 내력이 상대적으로 낮다면, 지진에너지의 일부는 건물 전체가 파괴되기 전에 전단파괴형 부재에 의하여 소산되며, 대부분은 휨파괴형 부재에 의하여 소산되어, 건물 전체의 파괴는 휨파괴형 부재에 의하여 결정될 것이다. 따라서 극단주, 전단벽, 휨기둥 등과 같이 서로 다른 성질의 역학적 특성을 가지는 내진요소로 혼합된 저층 RC 건물의 내진성능을 평가하기 위해서는 각각 부재의 내력과 변형능력이 건물전체의 내진성능에 어떻게 영향을 미치는가를 우선적으로 검토하는 것이 필요하다. 일반적으로 지진하중에 대한 구조물의 설계시에는 구조물의 비탄성 거동특성을 파악하는 것이 필수적이다. 그러나 지진에 대한 평가시 지진력은 매우 위력적이어서 지진발생동안 구조물들은 큰 소성 변형을 경험하며 이러한 큰 변위에서의 거동들을 이론적으로 해석하기는 거의 불가능 하며, 해석을 실시한다 하더라도 수치해석적인 방법에 의해서는 비탄성 거동특성을 정확히 파악하지 못하는 단점이 있다. 따라서 실제 구조물의 비탄성 거동을 정확히 파악하기 위해서는 실험적 연구가 반드시 수반되어야 한다.3) 이에 본 논문에서는 유사동적 실험법에 대한 방법을 소개하고자 하며 철근콘크리트 단주를 이용한 일 자유도 실험을 통해 유사동적 실험법에 대한 문제점 및 보완점을 제시하고자 하였으며,4) 동적효과가 고려된 유사동적실험 연구를 통하여 단주 실험을 통행 단주의 특성을 살펴보고자 하였다. 또한 실험을 통해 유사동적 실험기법을 구축하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 동적효과를 고려한 유사동적실험(Pseudo-dynamic Test)을 실시하여 구축된 실험기법에 대한 타당성을 검토하고자 극취성 부재인 단주 실험체를 제작하여 실험을 실시하였다. 실험을 통해 실험체에 대한 변형 성상 및 하중-변위곡선에 대한 평가를 실시하였으며, 해당 실험에 대한 검증차원에서 지진응답해석을 실시하였다. 본 논문은 총 6장으로 구성되어 있으며 제 1장은 서론, 제 2장은 기존 연구 분석, 제 3장은 대상 건물, 실험체의 설계 및 제작, 제 4장은 실험체 설치 및 실험 실시, 제 5장은 실험결과 분석, 제 6장은 결론 순으로 기술하였다. 각 장에 기술된 내용을 요약하면 다음과 같다. 제 1장에서는 연구의 배경 및 목적, 연구내용 및 범위 등을 명시하였다. 제 2장에서는 기존 연구의 고찰 대한 연구를 진행하였다. 제 3장에서는 실험체 설계, 실험체 제작 및 실험체의 구성, 실험체의 설치, 실험 실시, 실험 데이터 획득에 관련된 내용을 정리하였다. 제 5장에서는 실험결과를 통한 변수에 대한 분석, 스트레인 게이지의 분석. 강도 및 강성, 에너지소산능력 등에 대하여 정리하였다. 제 5장에서는 이상의 내용을 바탕으로 본 논문의 결론을 도출하였다.; It is necessary to conduct researches about seismic design and analysis to protect various from earthquakes which are one of the most destructive natural disaster to human civilization. To assess the seismic capacity of structure, not only analytical but also experimental researches are important. Currently, pseudo-dynamic test known as computer-actuator on-line test is one of the available test methods to assess seismic capacity of structure without using shaking table. In this paper seismic capacity of simple one-degree of freedom structure was estimated by pseudo-dynamic test. Good agreement between the experimental and analytical results was obtained. Better results would be obtained when more sophisticated measuring and controling instrument are available. This paper is consisted of 5 chapers, Chapter 1 is the introduction. Chapter 2 is Pseudo-Dynamic test background, Chapter 3 is the experimental study, Chapter 4 is the evalution of the effective width due to the test and finally Chapter 5 is the conclusions. The summary of this thesis is as follows; Chapter 1 states the purpose, the background, and the investigation of precedent researches. Chapter 2 is present previous studies. In this chapter, preceding studies about pseudo-dynamic test. Chapter 3 states plan of specimens based on the ultimate strength method manufacture, test setup and general information for experimental research. Chapter 4 investigates the effects of experimental parameters through failure modes, load-deformation relationships, strength, deformation capacities. Finally, chapter 5 states the conclusions of this research.