1. 서론
건축구조물은 시간이 경과함에 따라 열화와 피로하중, 크고 작은 균열 등에 의하여 부재의 단면 손실이 발생하며, 이로 인하여 구조물의 강도와 내력이 저하된다. 내력이 저하된 구조물은 지진 발생 시 큰 손상이 생길 수 있다. 최근 몇 년 간 발생했던 중국 쓰촨성 대지진(진도 8.0), 칠레 대지진(진도 8.8), 동일본 대지진(진도 9.0) 등으로 열화가 진행된 건축물들의 파괴모드를 살펴보면 대부분 먼저 보-기둥 접합부에서 파괴가 나타났고, 이로 인한 건축구조물의 내력저하로 건물이 붕괴되었다.
최근 국내·외에서는 기존 건축물의 보수·보강에 대한 관심과 필요성이 고조됨에 따라 많은 보수·보강 공법이 개발되었고 보강 공법에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. Hong et al. (2005)은 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 다양한 보수 및 보강공법에 대한 비교연구를 실시한 결과, 강판보강공법이 다른 공법에 비해 비교적 시공이 쉽고 우수한 내진성능을 보유한 것으로 나타내었다.
강판보강공법에 대한 실제 시공 사례는 건축물의 보수·보강을 전문적으로 수행하는 업체에 국한되어 있으며, 학계에서는 이에 관련한 연구 사례는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구 수행을 통해 강판보강공법에 대한 합리적이고 체계적인 보수보강 설계법을 개발하기 위한 기초자료로 제공하고자 한다.
본 연구에서는 철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부에 강판을 보강함으로써 이에 대한 구조성능을 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 평가하였다. 변수로는 강판 보강 위치, 강판의 단면과 두께를 변수로 두어 유한요소해석 연구를 수행하였다.
2. 보강강판 설계
2.1 보-기둥 접합부 하중 전달 메커니즘
철근콘크리트구조물의 보-기둥 접합부에서 하중 전달 메커니즘을 Fig. 1에 나타내었다. 보-기둥 접합부에서 보의 단부와 기둥의 단부는 구조물의 내력을 전달하는 중요한 부분이다. 보-기둥 접합부가 파괴되면 구조물의 붕괴로 이어질 수 있다. 또한 보-기둥 접합부에서 보 단부나 기둥 단부에서 작용된 휨모멘트(Mb, Mh)외에 추가적으로 철근이 받는 인장력(Ts)과 압축력(Cs)에 의한 우력모멘트가 발생할 수 있다. 보-기둥 접합부에서 인장력은 철근의 부착 응력을 통하여 접합부에 전달된다. 따라서 보-기둥 접합부의 대각선방향으로 압축응력과 인장응력이 형성된다. 따라서 철근콘크리트 구조물이 반복하중을 받을 경우 보-기둥 접합부에서 사인장 균열이 발생하여 이에 대한 보강이 필요하다.
2.2 재료 구성관계
지금까지 국내·외 연구자들은 콘크리트 구조모델을 사용할 때 Kent-Park 구조모델을 많이 선택하였다. Kent-Park 구조모델의 표준 응력-변형도를 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2에서 εco점은 콘크리트의 최대한계상태이고, Z · K · fc’ 구간에서 초기 균열이 나타난다. εc1점은 콘크리트의 전단면에서 완전히 파괴된 상태이다. 이 그래프를 토대로 본 연구에서는 콘크리트 모델에 철근 구속을 고려하지 않았다. 따라서 노후화 된 콘크리트의 인장강도와 압축강도를 각각 입력하여 적용하였다. 또한, 본 해석연구에서 사용된 철근과 강판의 구조모델은 Fig. 3에서 나타내었다. 철근과 강판은 철근큰크리트 모델에 비하여 재료의 역학적 관계가 단순하므로 Elastoplasticity Model를 사용하였다.
유한요소해석 프로그램인 ABAQUS에서 콘크리트 모델링시 콘크리트의 파괴계수를 고려하여야 한다. 파괴계수는 초기 탄성계수를 나타내고 압축파괴계수와 인장파괴계수가 있다. 이 계수는 콘크리트 소성 상태의 정도를 결정할 수 있다. 콘크리트의 파괴계수 이외에도 콘크리트의 압축력과 인장력을 받아 생기는 소성변형과 탄성변형을 모두 고려하여 모델링에 적용하여야 한다.
2.3 보강 강판 설계
보강강판의 크기와 위치를 결정하기 위해서는 보강 전 콘크리트의 강도와 압축부 길이를 산정하여야 설계가 이루어져야 한다. 보강강판의 설계에 관한 상관 계산식을 식(1) ~ 식(6)에 나타내었다. 본 연구에서는 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 사용한 콘크리트 보의 폭을 b, 깊이를 h로 나타내었다.
보강 전 콘크리트의 압축부 길이, x (mm):
보강 전 콘크리트의 휨모멘트, Mmax (kN·m):
보강 후 콘크리트의 압축 부분의 길이, xs (mm):
보강강판의 최소단면적, Asp (mm2)는:
보강강판 높이, B (mm) :
보강강판 전단위치, Lsp (mm):
여기서, As: 인장측 철근 단면적 (mm2), Lsp: 강판의 보강 길이 (mm), fcm: 콘크리트의 항복강도 (N/mm2), fbd: 구조용 접착제 의 강도 (N/mm2), fy: 철근의 항복강도 (N/mm2), t: 보강 강판 의 두께 (mm)을 나타낸다.
3. 유한요소해석 계획
3.1 비보강 철근콘크리트 모델 선정
Liu et al. (2003)은 반복하중을 받는 비보강 철근콘크리트 보-기둥 접합부 거동에 관한 실험연구를 수행하였다. 실험결과를 살펴보면 비보강 실험체의 종국상태에서 콘크리트에 나타난 모든 균열은 주로 접합부의 보 단부와 보-기둥 접합부에 집중되어 나타났다. 따라서 본 연구에서는 보-기둥 접합부에 응력집중과 많은 균열이 나타난 Liu et al. (2003) 실험연구의 비보강 실험체를 유한요소해석 모델로 선정하여 해석연구를 수행하였다. Fig. 5에 나타낸 바와 같이, 접합부에서의 균열 및 응력집중이 실물대 실험결과와 유한요소해석결과가 유사한 것으로 나타났고, Fig. 6에서 보는 바와 같이 단조가력을 실시한 해석결과가 실험결과와 거의 유사한 것으로 나타났다.
3.2 변수해석 모델 계획
본 연구에서는 비보강 철근콘크리트 보-기둥 모델 1개와 SS400강재로 보강된 철근콘크리트 보-기둥 모델 4개에 대하여 해석을 수행하였다. 유한요소해석모델의 제원은 Table 1과 같다. 일반적으로 많이 쓰이는 실물대 크기로 구성하여 기둥의 높이는 3,350 mm, 보의 스팬은 1,500 mm로 계획하였다. 기둥과 보의 단면 사이즈는 각각 350×450 mm과 250×350 mm로 적용하였다. 보강된 모델의 상세도를 Fig. 7과 Fig. 8에 각각 나타내었고, 강판보강위치는 Fig. 9와 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 11자형 보강과 전체 보강으로 계획하였다. 해석은 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 수행하였다. 본 해석연구에서 콘크리트와 강판은 Solid 요소, 철근 wire 요소를 사용하였다. 또한, 철근콘크리트 내에서 철근과 콘크리트의 일체거동을 표현하기 위하여 Embedded region 요소를 사용하였다. 경계조건은 기둥의 양단을 pin으로 설정하였고, 보 양단에서 변위법을 사용하여 최대 ±80 mm까지 가력 하였다. 콘크리트의 Mesh는 ABAQUS에서 일반적으로 지원하는 C3D8R, 철근과 강판은 T3D2으로 설정하였다
Table 1
Test model
4. 해석결과 고찰
4.1 응력분포
보강하지 않은 모델의 응력분포도를 Fig. 10에 나타내었고 보강된 모델의 응력분포도를 Fig. 11부터 Fig. 14까지 나타내었다. 보강하지 않은 모델의 해석 결과를 살펴보면 응력이 주로 접합부 대각선 방향으로 집중되어 나타났다.
Fig. 11을 살펴보면 응력집중 생기는 지점이 중심점으로 대칭하는 위치와 일치한다. 이 결과는 사인장 균열이 일어나는 것을 증명하였다.
보강된 모델들의 응력분포를 보면 응력이 집중되는 부분이 보의 양단 방향으로 이동하였다. 보강하지 않은 모델 보다 보강된 모델의 보와 기둥 끝단에서 응력이 집중되어 나타났다. 또한 사인장 균열의 현상은 보강하지 않은 모델 보다 상당히 개선되었다. 따라서 본 연구에서 제시한 보강방법을 통해 보-기둥 접합부 중심에 응력 집중이 일어나는 것을 방지하고 내력을 크게 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
4.2 균열상태 고찰
해석결과 나타난 모델들의 파괴모드를 Fig. 16부터 Fig. 20에 나타내었다. 보강하지 않은 모델과 보강된 모델들의 파괴 모드는 서로 다른 경향을 보여주었다. ABAQUS에서 모델의 균열정도를 DAMAGET 설정을 이용하여 확인할 수 있는데, 보강하지 않은 모델은 보-기둥 접합부에서 사인장 균열이 형성되었다. 전체적으로 균열정도는 접합부 중심으로 대각선으로 분포하였다. 반면 보강된 모델들은 접합부의 보강 강판으로 인하여 접합부에서의 균열정도가 보강하지 않는 모델에 비해 미비하였다. 또한 보강된 모델들 중에서도 두께 6 mm의 강판을 사용한 모델이 가장 좋은 성능을 보여주었다. 보강 강판의 크기에 따른 변수해석결과, Fig. 21에 보는 바와 같이 보강 강판의 크기가 콘크리트의 균열에 미치는 영향이 미비한 것으로 나타났다.
4.3 하중 고찰
모든 모델의 하중-변위곡선과 최대하중 및 최대변위를 Fig. 21과 Table 2에 각각 나타내었다. 모든 보강된 모델의 최대 변위는 보강하지 않은 모델에 비하여 5~9 mm 정도 증가하였다. 이것은 보강강판이 가지고 있는 연성능력 때문에 최대변위가 증가된 것으로 판단된다. 모델 RD1-1과 모델 RD2-1를 비교하여 살펴보면, 보강 면적이 증가함에 따라 모델들 간의 최대내력 및 최대 변위는 거의 차이를 보이지 않았다. 반면 모델 RD1-1과 RD1-2를 비교하여 살펴보면, 보강 강판의 두께를 증가시킴에 따라 모델의 내력은 증가하였다. 따라서 보강효과에 대해서는 강판의 크기 보다는 강판의 두께로 인해 더 큰 영향이 있다고 판단된다. 하지만 모델 RD2-2의 경우 최대 내력은 가장 크지만 가장 먼저 균열이 발생하였다. 이는 강판 두께를 너무 과대하게 증가시키면 자중이 커지고 강판과 철근콘크리트 사이의 부착력이 떨어지기 때문에 보강효과가 저하되는 것으로 판단된다. 따라서 보강강판의 두께는 6~8 mm정도로 하는 것이 가장 우수한 보강효과를 나타내는 것으로 사료된다.
5. 결론
본 연구에서는 철근콘크리트 보-기둥 접합부 강판보강공법의 보강효과에 대해 평가하기 위해 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 해석연구를 수행한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
1. 철근콘크리트 보-기둥 접합부에 강판으로 보강 할 경우 비보강 실험체를 기준으로 약 63~97.6% 내력이 향상되었다.
2. 강판보강 시 보-기둥 접합부에서 응력집중을 막고 접합부의 균열이 적게 나타났다. 따라서 구조물의 보-기둥 접합부가 먼저 파괴되는 양상을 피할 수 있었다.
3. 강판보강 시 보강면적을 증가시키는 것보다 강판의 두께를 증가시키는 것이 균열방지나 내력증가가 크게 나타나 더 우수한 보강성능을 보였다.
4. 본 연구에서 제시한 보강방법이 철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부에서 응력 집중을 방지하고 내력을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
Print
