1. 서 론

2016년에 발생한 경주지진 (M=5.8)과 2017년 발생한 포항지진 (M=5.4), 그리고 이 두 지진이 수반한 수백차례의 여진은 포항과 그 주변의 건축물과 시설물에 큰 피해를 유발하였다. 이는 지진위험에 대해 발생 가능한 인명과 경제적 피해를 최소화하기 위해서 수행해야 할 내진설계와 내진보강의 중 요성을 알려주었다. 2016년과 2017년의 경주 및 포항에서 발생한 지진 피 해는 특히 내진설계가 안된 건축물이나 비정형성을 보유한 필로티 건축물 과 같은 구조물에서 많이 발생하였다. 또한 구조기술자의 공학적 설계과정 이나 판단없이 설치한 외장 조적벽이나 천장 마감재에서도 큰 피해가 발생 하였다 [1].

필로티 건축물은 1층의 기둥으로 이루어진 개방부와 그 상부에 설치된 RC 내력벽으로 인해 구조적으로 지진에 취약한 수직비정형성을 보유하게 된다. 이와 함께 1층 계단실을 구성하는 내력벽이 건축 계획적인 이유에 따 라 평면계획상에서 외곽이나 모서리에 위치하게 됨으로써 비대칭적인 평 면배치가 발생하게 되는데 이러한 점도 수평비정형성을 유발하게 된다. 따 라서 수직비정형과 수평비정형을 모두 포함할 가능성이 높은 필로티건축 물에서 지진에 대한 큰 손상이나 피해사례는 기존 미국 등의 해외 지진피해 사례에서 많이 보고되었고 이에 대한 대책 마련을 위해 지속적인 연구와 내 진기준등의 개정이 이루어졌다 [2]. 2017년 포항지진에서도 필로티 건축 물이 가지고 있는 수평, 수직 비정형성으로 인해 구조적으로 많은 피해 사례 가 보고되었다 [3, 4].

내진보강에서는 현재 구조물이 보유하고 있는 강도, 강성, 연성 (변형능 력)을 정확히 평가하여야 하고, 이들 중 어떤 성능을 향상시켜 목표성능을 만족시킬지를 결정하여야 한다 [5]. 또한 이러한 내진보강에서는 시간이 경 과하며 발생하는 건물의 재료와 구성부재의 풍화, 부식, 탄산화 및 노후화 도 고려할 필요성이 있다.

탄소섬유, 아라미드섬유 (AF 공법)를 사용한 공법은 강성에 큰 영향은 없지만 연성 증가 효과 측면에서 내진보강재로써 탁월한 성능을 나타낸다 [6]. 다양한 보강방법으로 아라미드 섬유를 두른 후 기둥이나 보 표면에 띠 형태의 아라미드 시트를 일정간격으로 부착하는 하이제라스 공법, 탄소섬 유 가닥을 묶은 CF (Carbon Firber)-앵커를 이용하여 보강 부재에 정착시 키는 공법인 SR-CF공법도 기둥이나 보 내진보강에 사용된다 [7].

따라서 본 연구에서는 비내진 상세를 가진 기존 철근콘크리트 (이하 RC)기둥의 내진 보강을 위해 특성이 다른 아라미드계열과 방수기능을 가 진 MLCP (고탄성 방향족 폴리에스터섬유소재)의 섬유보강공법을 제안하 고 내진보강 효과를 검증하기 위해 실물 사이즈의 4개의 기둥 실험체를 제 작하여 성능실험을 수행하였다.

2. 실험 계획과 내진 보강 재료

2.1 RC기둥 실험체 상세

본 실험은 아라미드계열 섬유로 보강된 기둥 실험체의 구조 및 내진 성 능을 검증하여 필로티 건물에 사용했을 때의 거동을 평가하기 위해서 4개 의 RC기둥 실험체를 제작하였다. Fig. 1과 같이 내진설계가 고려되지 않 은 단주를 기본 실험체의 기둥 형상으로 설정하고 설계하였다. 지진하중에 대한 저항능력을 전단거동에 대해 변곡점이 발생하는 중앙부와 기초부를 기둥의 해당 형상으로 잡고 단곡률 결과로 확인할 수 있도록 실험을 계획 하였다 [8]. 이를 위해 층고 2,400 mm의 기둥에 대해 변곡점이 중앙에 발 생하는 것으로 가정하고 기둥 실험체의 높이를 결정하였다. 시험체 단면은 300 mm×500 mm 직사각형 형태이고, 기둥 높이는 2,050 mm에서 유효 높이는 층고 2,400 mm의 절반 정도인 1,200 mm로 계획하였다. 기둥 단 면에서 주철근은 D19철근을 사용하여 총 12개의 철근이 모서리부와 중간 부에 배근하였고, 스트럽의 역할을 하는 D10 철근을 300 mm 간격으로 배 치하였다.

RC기둥 실험체에서 본 연구의 주요 관찰 부위인 기둥의 유효길이에서 만 균열과 소성힌지등 에너지 소산이 발생하도록 기초부위와 가력부위인 기둥의 상부에 별도 보강을 실시하였다. 이를 위해 하부의 기초부위는 1,400 mm×900 mm로 제작하여 움직임이 발생하지 않도록 하였다. 또한 상부에는 D10 철근을 50 mm 간격으로 수평 8개, 수직 4개씩 배근하여 상 부에서 변형이나 뒤틀림이 발생하지 않도록 하였다.

2.2 기둥 실험체 내진 보강재료

본 연구에서는 직조 방식이 다른 아라미드계 섬유 2종류와 MLCP (고탄 성방향족폴리에스터) 섬유로 보강한 RC기둥으로 3개의 다른 보강 공법을 결정하고 이에 따라 기둥의 보강 작업을 수행하였다. 아라미드 시트는 타 소 재들보다 강도와 연성이 좋으며, 절연 특성, 내연성, 내화학성이 우수하기 때문에 내진보강에 적합한 특징을 가진다. 단점으로는 자외선과 습도에 약 해서 방수가 되지 않는다. 또한 평직조는 일방향직조보다 하중을 받았을 때 심사가 풀릴 위험이 있다. 이를 더 보완해서 새롭게 제작한 소재가 MLCP 소재로 아라미드 섬유보다 진동 감쇠에 더 강하며, 아라미드 섬유에 없는 방 수기능이 있다. 단점으로는 방수기능이 있는만큼 접착제가 잘 스며들지 않 기 때문에 MLCP소재에 알맞은 접착제를 적용하는 것이 중요하다. Table 1은 각 실험체의 명칭을 정리해서 보여주며, 각각의 보강 공법 방식을 정리 했다.

3개 실험체의 내진 보강은 Fig. 2와 같이 기초부위와 상부의 하중 가력 부위를 제외하고 기둥의 유효길이 부위에 부착하였다. 폭 300 mm 시트를 상단에 2겹, 하단에 2겹으로 부착하였으며, 접착제는 난연접착제, 마감재 는 시트위에 4 mm 두께로 부착하였다. 마감재의 유무에 따른 기둥 실험체 의 성능 비교를 위해 마감재는 상단 보강 부위에만 마감 작업을 실시하였다. Fig. 2에서 나타난 바와 같이 기둥 실험체의 보강 작업은 구조체 면정리, 콘 크리트 표면에 프라이머 작업, 아라미드 시트, 난연접착제, 난연마감재작업 의 순서로 보강했다.

2.3 재료실험

콘크리트 압축강도 실험은 KS F 2403 [9]기준에 따라서 직경 100 mm 에 높이 200 mm의 원통형 공시체를 제작하였다. 설계 압축강도는 30 MPa 로 제작하였다. 실험은 KS F 2405 [10]기준에 맞게 진행했으며, 총 4개 공 시체의 실제 측정한 28일 평균 압축강도는 34.75 MPa로 측정이 되었다.

기둥 실험체 설계와 제작에 고려된 주근 (D19)과 횡철근 (D10)에 사용 된 철근은 SD400이다. 실험은 KS B 0802 [11]에 따라 수행하였다. 철근 의 인장강도 실험결과 시편들의 평균 항복강도는 432.5 MPa로 측정되었 다. 기둥 실험체 제작에 사용된 재료의 물성치는 Table 2과 같다. Table 3은 본 연구에서 사용된 3번과 4번 실험체의 아라미드 섬유와 MLCP섬유의 재 료적 물성치를 보여준다.

2.4 실험체 가력 계획

수직방향으로 압축력을 적용하기 위해 기둥 실험체 양 옆에 2개의 2,000 kN 유압잭을 설치하였다. 이는 무보강 실험체의 P-M 상관도를 통해서 구 한 단면성능에 대해서 축하중 강도 10%에 해당하는 600 kN을 기둥 실험 체에 상시 축력으로 실험을 수행하는 동안 가력하였다. 주기하중 (Cyclic loadings)을 수평으로 적용하기 위해 2,000 kN 유압 액츄에이터를 설치하 였다. 콘크리트 기초와 상부는 실험 중 움직이는 것을 방지하기 위해서 직경 260 mm의 강봉으로 고정하였다. Fig. 3은 최종적으로 셋팅된 모습을 보여 준다.

횡하중은 반복가력으로 기둥의 순높이 (h₀)에 대한 횡변위로 계산하였 고 한 cycle당 3회씩을 가력하였다. 동일한 cycle에 대해서 1step씩 나누었 으며, 0.25%를 1step부터 시작해서 변형률이 증가할 때마다 1step씩 추가 해서 최대 9step까지 설정하였다. 횡하중 가력과 속도에 대한 기준은 참고 문헌을 통해 결정되었고, Fig. 4는 본 연구에서 적용한 횡하중에 대한 하중 가력을 자세하게 보여준다 [12].

실험을 진행하기 전에 각 실험체의 예상되는 부재 단면의 전단강도을 계 산하기 위해서 참고문헌 [13, 14]에서 CFRP보강에 대한 아래의 식 (1)과 식 (2)를 사용하였다.

여기서, V_T는 보강된 RC 구조물의 전체 전단강도 V_RC는 RC의 전단강도, V_CF는 CFRP 시트의 전단강도이다.

여기서, α_CF는 CFRP 시트의 전단 기여 계수, υ_CF는 CFRP 시트의 강도 발 현 계수, λ_CF는 콘크리트에 대한 CFRP 시트의 비율, f_t는 콘크리트인장강 도, b는 기둥의 폭, h₀는 기둥의 유효길이를 의미한다.

식에 의하면 RC-Orig는 356 kN로 예상되었다. 보강된 RRC-Ara-B와 RRC-MLCP는 각각 392 kN, 371 kN으로 RC-Orig보다 10%, 4% 강도 가 증진될 것으로 예상되었다.

3. 구조성능 결과 및 분석

3.1 기둥 실험체 거동 분석

무보강 시험체인 RC-Orig의 실험결과는 Fig. 5에서 볼 수 있다. 실험결 과 하중이력의 변위가 증가함에 따라서 RC기둥 실험체에서 받는 작용 하 중의 크기가 증가했다. 실험은 1.5%까지의 변위를 가했으며 그 이후에는 실험체의 전단 파괴로 실험을 종료하였다. 최대하중은 318.48 kN, -267.38 kN으로 기록되었으며 이때의 횡변위는 1.4 9%, -1.54%를 기록하였다. 실 험 최대하중은 예상 최대 강도인 356 kN과 10% 차이로 매우 유사하게 예 측되었다.

최대하중에 도달한 이후에 하중이 20% 저하됐을 때의 횡변위비를 검 토하여 기둥 실험체의 연성적인 거동을 평가하였다. RC-Orig 기둥 실험 체는 1.66%, -1.7%의 변형에서 253 kN, -215.6 kN에 도달한 이후 최대 하중 이후에 충분한 연성적 거동이 없이 기둥에 균열이 발생하면서 하중지 지 성능을 잃어버리며 전단파괴에 도달 하였다. 실험체에 파괴로 인해 실험 이 종료되었을 때 1.63%, -1.71%의 변위를 기록하였으며 이때의 최대하중 은 149.64 kN, -148.97 kN로 나타났다. 실험 시 최대하중에 도달한 이후에 연성적인 거동없이 그 뒤로 하중이 급격하게 감소하면서 파괴에 이르게 되 었다. RC-Orig의 최종 파괴 모드는 뚜렷한 대각선 전단 균열이 발생하면서 취성적 형태인 전단 파괴에 이르게 되었다.

아라미드 평직조 방법 (RRC-Ara-A)으로 보강된 2번 기둥 실험체의 실 험결과는 Fig. 6에서 볼 수 있다. 실험은 3%까지의 변위를 가한 이후에 3.5%의 횡변위 중간에 실험체의 파괴로 인해서 하중이 급격하게 감소하여 실험을 종료하였다. 아라미드 평직조 방법으로 보강했을 때는 최대하중은 336.41 kN, -315.16 kN으로 나타났으며 이때의 변위는 2.16%와 -1.74% 의 횡변위를 보여주었다. 연성적 거동 측면에서 최대강도 이후에 하중이 20% 저하되었을 때에 도달한 이후에 지점에서의 변위와 강도를 확인했을 때 2.61%, -2.75%의 변형에서 268.2 kN, -252.49 kN으로 최대하중 이후 에 연성적 거동을 하며 기둥에 균열이 발생하였다.

최종 하중지지 능력이 감소하며 실험체 파괴로 인해 실험이 종료되었을 때 횡변위는 3.08%, -3.19%이며 이때의 최대하중은 103.99 kN, -87.51 kN로 나타났다. 이는 실험체의 파괴가 발생할 때까지 2.5%의 횡변위를 겪 으면서 하중을 최대하중 대비 80% 이상까지 지지하며 기둥 실험체가 연성 적으로 거동했다는 것을 볼 수 있다.

아라미드 일방향 방법 (RRC-Ara-B)으로 보강된 3번 기둥 실험체의 실험 결과는 Fig. 7에서 볼 수 있다. 실험은 3%까지의 변위를 가한 이후에 3.5% 횡변위 중간에 실험체의 손상과 탈락이 크게 진행되면서 하중이 급격하게 감소하여 종료하였다. 아라미드 일방향 방법으로 보강했을 때 최대하중은 349.11 kN, -318.93 kN으로 나타났으며 이때의 횡변위는 최대 2.09%, -2.21%의 횡변위를 기록하였다. 이는 ACI-445의 식에서 계산됐던 392 kN과 11%차이로 매우 유사하게 측정되었다. 식에서 비보강 시험체보다 일방향 직조방식으로 보강했을 때 10%의 전단강도가 증가한 것과 본 실험 에서 최대강도가 RC-Orig보다 10%증가한 것으로 식과 본 실험이 유사한 경향을 보인 것으로 확인되었다.

최대하중에 도달한 이후에 하중이 20% 저하되었을 때의 해당 변위비를 검토하여 구조물이 연성적인 거동을 했는지를 파악하였다. 3번 기둥실험체 는 최대강도의 80% 지점에서의 변위와 강도를 확인했을 때 3.23%, -3.09% 의 횡변위에서 277.75 kN, -260.19 kN에 도달하고 최대하중 이후에 연성 적 거동을 하며 기둥에 균열이 발생하였다. 실험체 파괴가 발생해서 실험 종 료 시에 변형률은 3.54%, -3.15%이며 최대하중은 77.86 kN, -204.41 kN 로 나타났다. 최대하중이 발생한 이후에도 지속적으로 하중을 받으면서 연 성적인 거동으로 변위가 증가한 이후에 파괴가 발생한 것을 볼 수 있다. 따 라서 RRC-Ara-B의 최종 파괴 모드는 연성파괴로 판단된다.

MLCP 보강을 통해 제작된 4번 내진보강 기둥 실험체 (RRC-MLCP)의 실험결과는 Fig. 8에서 볼 수 있다. 실험은 3%까지의 변위를 가한 이후에 3.5%의 횡변위 중간에 실험체의 파괴로 인해서 하중이 급격하게 감소하여 종료하였다. MLCP 섬유로 보강했을 때 최대하중은 332.82 kN, -339.53 kN으로 나타났으며 이때의 횡변위는 최대 1.49%, -2.61%의 횡변위를 기 록하였다. 이는 ACI-445의 식에서 계산됐던 371 kN과 10%차이로 매우 유사하게 측정되었다. 식에서 비보강 시험체보다 MLCP로 보강했을 때 4%의 전단강도가 증가한 것과 본 실험에서 최대강도가 RC-Orig보다 7% 증가한 것으로 ACI-445식을 통해서 섬유 보강된 실험체의 강도의 증가를 예상할 수 있을 것으로 판단된다.

연성적 거동 측면에서 최대강도의 80% 지점에서의 변위와 강도를 확인 했을 때 3.08%, -3.08%의 변형에서 268.02 kN, -267.85 kN으로 최대하중 이후에 연성적 거동을 하며 기둥에 균열이 발생하였다. 실험체 파괴로 인하 중에 대한 4개 실험체 거동 분석은 Table 4에서 보여준다. RC-Orig기둥은 1.49%에서 최대하중 318.4kN에 도달한 이후에 급격하게 하중지지 성능을 잃어 버리며 전단파괴에 이르게 되었다. 3개의 보강 실험체들 (RRC-Ara-A, RRC-Ara-B, RRC-MLCP)은 비보강실험체에 비해 강도의 증진 효과는 뚜렷하게 보이지 않았다. 하지만 RC-Orig에 비해서 최대 하중에 대해 비교 할 때 1.13~1.69배까지 횡변위비가 증가하며 최대하중을 지지하였다. 최 대 강도의 80%의 성능을 유지하면서 횡변위가 증가하는 것을 연성거동의 정의로 본다면 RC-Orig에 비해서 3개의 내진 보강을 실시한 기둥들은 1.57~1.95배까지 더 큰 횡변위를 받으면서 하중을 지지하는 연성적 성능 을 보여주었다.

보강된 3개 기둥 실험체들의 경우 횡변위를 확인했을 때 최대하중 도달 이후에도 연성적 거동을 보이며 강도의 완만한 감소를 가져오며 이후 최종 파괴가 일어남을 관찰하였다. 결론적으로 아라미드계 보강을 통해 기둥에 보강을 실시하였을 때 횡하중의 적용에 따른 파괴모드가 비보강된 RC기둥 의 전단파괴에서 아라미드계 섬유 보강을 통해 연성파괴로 파괴 유형이 변 화함을 실험을 통해 확인하였다.해 실험이 종료되었을 때 변형률은 3.74%, -3.59%이며 이때의 최대하중은 168.1 kN, -140.27 kN로 나타났다. 최대 하중 이후에도 연성적인 거동을 보이며 파괴가 발생한 것을 볼 수 있다. 따 라서 RRC-MLCP의 최종 파괴 모드는 연성파괴로 판단된다.

3.2 기둥 실험체 손상 현황

Fig. 9는 RC-Orig의 기둥 실험체에 하중가력에 따라 횡변위 단계별로 실험체의 손상 현황을 보여준다. RC-Orig의 1 step (0.25%)에서는 미세한 균열이 기둥의 양 측면에 발생한 것을 볼 수 있었다. 2 step (0.5%)에서는 좌, 우측면에 발생한 균열이 중앙부까지 발생했으며, 3 step (0.75%)과 4 step (1.0%)에서는 양 측면에서 발생한 휨균열이 직선에서 사선 방향으로 확장되어서 전형적인 사인장 균열이 발생하였다. 마지막 5 step (1.5%)에 서는 굵은 폭을 가진 사인장 균열이 발전되어 더 커지면서 횡하중 저항능력 이 크게 감소하고 기둥이 파괴 상태에 도달한 것으로 판단되어 실험을 종료 하였다.

Fig. 10은 RRC-Ara-A의 실험체에 하중가력에 따라 단계별 실험체의 파괴 현황을 보여준다. RRC-Ara-A의 1 step (0.25%)에서는 매우 미세한 균열이 보강되지 않은 중앙부에서 기둥의 양 측면에 발생한 것을 볼 수 있었 다. 2 step (0.5%)에서는 좌, 우측면에 발생한 균열이 중앙부까지 발생했다. 그 이후로 스텝이 증가함에 따라서 균열이 직선에서 사선 방향으로 확장되 어 가며, 많은 균열이 발생하였다. 7 step (2.5%)부터는 균열폭이 증가되기 시작하면서 기둥 표면의 콘크리트에 박리가 발생하였다. 8 step (3%)에서 는 균열폭이 확장되고 콘크리트 표면에서 박리가 일어나면서 콘크리트의 파괴가 넓은 범위로 발생하였고 철근이 노출되었다.

RC-Orig는 전체적으로 균열이 발생한 것과는 다르게 RRC-Ara-A의 상부와 하부는 아라미드로 보강이 되어서 균열의 발생이 최소한으로 억제 되고 이에 따라 보다 큰 변위에도 연성적으로 하중을 지지할 수 있었던 것으 로 판단된다.

Fig. 11은 RRC-Ara-B 기둥 실험체의 하중가력 단계별 실험체 손상 및 변형의 단계를 보여준다. RRC-Ara-B의 1 step (0.25%)에서는 매우 미세 한 균열이 기둥의 양 측면에 발생하였다. 2 step (0.5%)에서는 균열이 좌, 우측면에서 중앙부까지 발생했다. step이 증가함에 따라서 균열이 사선 방 향으로 확장되었으며 지속적으로 균열이 발생하였다. 8 step (3%)에서는 콘크리트 마감이 벗겨지고 균열이 많이 증가하는 모습을 보였다. 9 step (3.5%)은 1 cycle 이후에 기둥이 파괴되어서 실험을 종료하였다.

최종 파괴 모습에서는 콘크리트의 균열과 중간부에 콘크리트 피복이 탈 락하여 철근이 노출될 정도로 파괴되었다. 최종 파괴양상을 보면 보강되지 않은 중앙부의 콘크리트가 거의 다 떨어져 나갔음에도 불구하고 보강된 상 부와 하부에서는 따로 균열이 발생하지 않았으며, 하부에 아라미드 보강재 만 들뜸이 발생했음을 볼 수 있다. 이는 보강재로 부착된 아라미드계 섬유 보강이 내진성능 증대에 충분히 역할을 발휘한 것으로 판단된다.

Fig. 12은 RRC-MLCP의 실험체 하중가력 단계별 실험체 손상과 균열 발생 현황을 보여준다. RRC-MLCP의 1 step (0.25%), 2 step (0.5%)에서 는 매우 미세한 균열이 기둥의 양 측면에 발생하였다. step이 증가함에 따라 서 균열이 사선 방향으로 확장되었으며 지속적으로 균열이 발생하였다. 8 step (3%)에서는 표면의 콘크리트가 균열등의 영향으로 들뜸과 박리가 시 작되는 모습이 보였으며, 8 step (3%)에서는 균열이 많이 발생하고 콘크리 트의 표면이 박리와 탈락이 발생하는 모습을 볼 수 있었다. 9 step (3.5%)은 1 cycle 이후에 기둥의 철근이 노출될 정도로 탈락이 발생하였다.

최종 단계에서 횡하중의 지지성능이 감소하면서 실험이 종료되었다. 최 종 파괴양상을 보면 콘크리트 피복이 탈락하면서 콘크리트 안의 철근이 노 출되었다. 전체 거동 측면에서 보강이 되지 않은 중앙부의 콘크리트가 거의 다 떨어져 나갔음에도 불구하고 MLCP로 보강된 상부와 하부에서는 균열 이 발생하지 않은 모습을 볼 수 있다.

3.3 강재 및 철근 변형률

Fig. 13은 기둥 실험체에 배근된 주근과 스트럽에 부착된 스트레인게이 지를 보여준다. 주근에는 총 10개 (D1~D10)의 게이지가 밑에서부터 150 mm 간격으로 부착되었다. 이는 점점 증가하는 휨하중에 대해 횡저항 성능 을 제공하는 주철근이 횡변위가 점점 커짐에 따라 어떻게 휨 강도를 발현하 는지 파악하기 위함이다.

스트럽의 철근 게이지는 우측과 좌측면에 3개씩 총 6개 (S1~S6) 부착되 었는데 휨에 의한 전단철근 (스트럽)의 항복강도를 확인하고 횡하중의 증 가에 따라 콘크리트 심부 구속과 주철근의 좌굴을 막기 위한 스트럽의 거동 을 어느 정도의 횡하중의 크기까지 영향력을 발휘하는지 보기 위함이다. 주 근과 스트럽의 변형률은 하중이 증가함에 따라 발생하는 기둥의 횡변위비 에 비례하여 증가하였다. 주철근의 항복변형률이 0.22%이며, 4개의 실험 체 모두 항복변형률을 초과했다.

Fig. 14은 RC-Orig의 변형률을 보여준다. RC-Orig는 실험이 종료되는 시점에서 주근과 스트럽 모두 항복되는 것을 볼 수 있다. 주철근에서는 D2 를 제외하고 안정적인 이력곡선을 보이는 것으로 나타났다. 주철근의 게이 지 D2는 균열이 크게 발생하면서 강도가 크게 떨어질 때 발생하는 거동을 보이는데, 이는 D1이나 D6의 경우 기초 부위가 가까운 부위에 설치되어서 기초에 균열이나 변형이 발생하지 않아 큰 균열이 발생하지 않았다. 반면에 D2의 경우 기둥의 하부에서 큰 모멘트가 발생하면서 주철근에 큰 휨력이 발생하면서 결과적으로 휨 변형률이 크게 발생하고 이에 대한 영향을 받은 것으로 판단된다. 스트럽에서는 중앙부에 위치하는 S5와 S2에서 다른 데 이터보다 더 큰 변위가 이는 중앙부에 휨 균열이 발생하게 되면서 스트럽에 도 이에 따른 큰 응력과 변형이 발생한 것으로 판단된다.

RRC-Ara-A는 모멘트가 최대로 발생하는 하부에 설치된 D2와 D7 주 근의 게이지들의 경우 균열이 크게 발생하면서 강도가 크게 떨어질 때 발생 하는 거동을 보이는 것으로 나타났다. 그 외에 게이지들은 비교적 안정적인 변형률을 보이는 것으로 나타난다 (Fig. 15(a, b)). 스트럽에 설치된 게이지 의 경우 하부와 보강된 부위의 S1, S3, S4, S6은 비슷한 이력곡선을 보였으 나, 균열이 발생하는 S2와 S4에서는 큰 변형률을 보였다 (Fig, 16(d)).

Fig. 15는 RRC-Ara-B 기둥에 설치된 스트레인게이지의 변형률을 보 여준다. 주근에 부착된 주철근의 게이지는 모두 정상적으로 변형률이 측정 이 되었다. 반면에 휨에 의한 전단철근의 항복강도를 확인하고 횡하중의 증 가에 따라 콘크리트 심부 구속과 주철근의 좌굴의 거동을 확인하는 스트럽 의 게이지의 S1~S3은 측정이 되지 않았다.

주근과 스트럽의 변형률은 하중이 증가함에 따라 발생하는 기둥의 횡변 위비에 비례하여 증가하였다. 주근은 전체적으로 RRC-Ara-A에 비해서 안정적인 이력곡선을 보이는 것으로 나타났다. 스트럽은 S5는 중앙부에 설 치되어서 S4, S6보다는 큰 변형률을 보이는 것으로 나타났다.

RRC-MLCP에서 스트럽에 설치된 S5 변형률게이지는 측정에 실패하 였다. 주근과 스트럽의 변형률은 하중이 증가함에 따라 발생하는 기둥의 횡 변위비에 비례하여 증가하였다. RRC-Ara-B와 동일하게 주근과 스트럽은 안정적인 이력곡선을 보이는 것으로 나타났다. S2와 S6은 갑작스럽게 발 생한 큰 균열로 인해서 강도가 크게 떨어지면서 게이지의 변형률이 나타난 것을 볼 수 있다 (Fig, 17(c, d)).

4개의 기둥 실험체들은 변위 1%지점에서 철근이 항복했으며, 그 이후 에 스트럽이 항복하는 거동을 보였다. RC-Orig는 철근이 항복하는 시점에 서 실험이 종료되어 취성적인 파괴로 분류되며, 보강된 실험체들은 철근이 항복한 이후에도 연성적인 거동을 보이며 휨파괴로 분류된다.

3.4 전체 실험결과 비교분석

3.4.1 최대 성능점 비교

Fig. 18은 각 기둥 실험체에 대해 하중-변위 envelop를 표현한 것이다. 기준 기둥 실험체와 보강된 3개의 기둥 실험체를 비교할 때 특별하게 하중 과 변위 그래프의 기울기로 표현되는 강성의 증가는 뚜렷하게 관찰되지 않 았다. 이는 섬유계 보강의 특성으로 내진 보강 작업시 강도보다는 연성적 능 력이 증대되는 장점을 갖기 때문이다. 기준 실험체는 횡변위 1.5%에 도달 한 이후 급격하게 전단균열의 증가로 취성적 전단파괴를 보여주었다. 내진 보강된 3개의 기둥 실험체는 모두 횡변위 3.08%에서 최대 3.59%까지 최 대 강도의 80%를 유지하면서 연성적 거동파괴를 보여주었다.

기준 실험체 (RC-Orig) 기둥을 통해 판단할 때 현재 내진보강이 이루어 지지 않는 기둥을 가진 필로티건축물은 건축구조기준에서 예상하는 설계 지진 발생 시 2%의 횡변위에 견디지 못하고 전단파괴로 필로티건축물의 구조적 불안정성과 붕괴를 가져올 수 있다. 보강된 실험체는 지진 발생시 연 성적 거동을 통해 기둥의 손상과 파괴를 지연하면서 필로티건축물의 붕괴 방지 성능목표에 도달할 수 있을 것으로 평가되었다.

3.4.2 연성능력

최대강도 (Vu)에서 최대강도의 80%가 첫 번째 대응되는 첫 번째 변위 연성비의 변위를 θy, 마지막 변위 연성비에서 변위를 0.8θu이라 한다. 0.8θ u/θy를 통해 연성도를 산정하였다. 연성도 향상률은 각각 40%, 66%, 54% 로 RRC-Ara-B가 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 아라미드계열 섬유 의 보강으로 기존 비내진 실험체가 취성적 파괴모드에서 연성적 파괴모드 의 변환을 통해 요구되는 내진성능을 확보할 수 있게 된다.

3.4.3 에너지 소산 능력

반복하중을 겪는 구조체의 에너지 소산능력 (Energy dissipation capacity) 은 내진성능 검증시 중요한 지표이다. 전체 소산 에너지 (E_t)는 각 실험체별 최종적인 층간변위비에 도달할 때까지의 하중-변위 곡선의 이력 그래프의 면적을 합산하여 산정하였다. 미소 변위 Δn의 개수는 이론상 무한대이지만 데이터상의 한계 상 100회 이상의 값으로 산정하여 에너지 소산을 계산하 였다.

가력 단계에 따른 점진변위 가력 실험체의 소산 에너지의 변화는 Fig. 19 에 나타나 있다. 전체적으로 소산에너지는 소성변형이 작은 초기 가력 구간 에서는 미소한 변화를 보이다가, 가력 변위가 큰 후반부에서는 증가함을 보 인다. 보강된 3개의 기둥 실험체는 큰 횡변위에서도 하중을 계속 지지함에 따라 입력된 지진에너지를 안정적으로 소산하는 연성거동을 보여준다. 지 진에너지 소산량에 대한 정량적 평가에서 RRC-MLCP와 RRC-Ara-B시 험체가 가장 큰 에너지 소산량을 보여주었다.

4. 결 론

본 실험은 비보강 RC기둥과 아라미드 계열의 섬유로 보강된 RC기둥에 대한 특성을 실험 결과에 기초하여 분석하였다. 실험체의 하중-변위 관계를 바탕으로 실험 결과를 실시간으로 모니터링하여 실험 장비의 한계치에 도 달할 때까지 실험을 진행하여 최종 검증을 수행하였다. 이를 통해 얻은 결론 은 다음과 같다.