최근 국내에서 지진 발생빈도 및 강도가 점차 증가하고 있어 구조물의 정확한 성능평가는 필수적이며, 지진 시 구조물의 정확한 거동을 파악하기 위한 연구는 꾸준히 진행되고 있다. 기존 구조물 내진성능평가 방법에는 진동대실험, 반복 가력 실험 그리고 하이브리드실험 등이 있으며, 대부분 실제 크기의 구조물이나 부재를 이용하여 신뢰도가 높은 반복 가력 실험을 수행하여 내진성능을 평가하거나 주요 부재만 실험을 수행하여 경제적인 하이브리드 실험을 수행하여 구조물의 지진 시 거동을 파악한다. 지진은 동적 하중으로 지진 시 구조물의 거동은 속도 의존성을 배제할 수 없지만, 내진 성능 평가를 위한 대부분의 실험은 제어의 어려움으로 저속으로 수행되고 있다. 또한, 실제 구조물에서 기둥 부재는 하중을 지탱하기 위한 부재로 실제 구조물에서는 수직 방향 하중이 작용하므로, 내진 성능 평가를 위한 실험 시 수직 방향 하중을 재하해야 하지만, 수평 방향 변위와 부재의 축방향 강성으로 인해 일정한 수직 방향 하중을 유지하는 것은 어렵다.
이 논문에서는 구조물의 내진성능을 평가하기 위한 실험 시 재하속도와 수직하중의 영향을 파악하기 위해 실시간으로 수직 방향 하중을 제어하면서 고속 반복 가력 또는 실시간 하이브리드 실험을 수행할 수 있는 시스템을 구축하였다. 고속 및 수직하중 가력 시스템은 기존 시스템에서 발생하던 시간 지연 현상을 90% 이상 감소시키고 수직하중의 오차를 실시간으로 보정하여 일정한 수직하중을 유지할 수 있도록 하여 구조물의 정확한 내진성능평가가 가능하다. 이러한 시스템을 이용하여 강재 및 철근콘크리트(RC) 기둥을 이용한 반복가력 및 하이브리드 실험을 수행하였으며, 기둥 부재의 횡방향 가력 실험 시 재하속도 및 수직하중의 영향을 파악하였다.
강재 기둥(steel column)의 반복가력 실험 결과 저속 반복가력 실험의 120배, 200배의 속도로 고속 반복가력 실험을 수행하였을 때 항복 하중이 각각 7.2%, 8.1% 증가하였다. 또한, 수직 방향 하중이 단면 항복 강도(characteristic yield strength)의 8.5%, 17.2%, 34.3%로 증가하면서 반복 가력 실험 시 항복 하중(yield strength)이 각각 4.3%, 10.7%, 3.5% 증가한 것으로 나타났다.
철근콘크리트 기둥의 반복가력 실험 결과 저속 반복가력 실험의 100배의 속도로 고속 반복가력 실험을 수행하였을 때 항복 하중과 유효강성(effective stiffness)이 각각 15.1%, 1.6% 증가하였다. 또한, 수직 방향 하중이 단면 항복 강도의 2.2%에서 7.2%로 증가하면서 항복 하중은 36.3%, 최대 하중은 33.3%, 유효강성은 32.9% 증가한 것으로 나타났다.
구조물의 실제 지진에 의한 거동을 파악하기 위해 철근콘크리트 기둥을 이용하여 진동대 실험, 저속 및 실시간 하이브리드 실험을 수행하였다. 실험 결과, 진동대 실험 소요시간의 64배로 수행된 저속 하이브리드 실험의 경우, 진동대 실험 결과와 비슷한 양상을 보였지만 최대 가속도 구간에서 88.0%의 최대 변위 오차가 발생하였다. 고속 제어 시스템을 이용한 실시간 하이브리드 실험은 진동대 실험의 소요시간과 동일하게 수행되었으며 9.0%의 최대 변위 오차가 발생하였다.
이 논문에서는 구조물의 내진성능을 평가하기 위한 실험 시 재하속도와 수직하중의 영향을 파악하였다. 기존의 실험에서는 일정한 수직하중을 유지한 고속 실험이 불가능하여 실제 구조물의 동적 특성을 파악하기 불가능하였지만, 가력속도와 수직하중가 내진성능에 미치는 영향이 확실하므로 기둥 부재의 내진성능평가를 위한 실험 시 고속 및 수직하중 제어 시스템을 이용하여 실험을 수행하면 더 정확한 구조물의 동적 거동을 파악할 수 있을 것으로 판단된다. 실제 동적 하중과 같이 고속으로 재하하고 실제 구조물에 작용하는 하중을 정확하게 제어하여 실험을 수행해야 할 것으로 판단된다.

As the intensity and frequency of earthquakes are increasing, an accurate performance evaluation of structures is in need, and research on structures under earthquake loads is carrying out. Dynamic response of structures can be evaluated experimentally by conducting various tests such as cyclic loading test, hybrid simulation, and shake table testing. most of the seismic performance is evaluated by conducting cyclic loading tests or hybrid simulations using full-scale structural components. Since earthquakes are dynamic load, rate dependency should be considered to understand the exact behavior of structures under seismic load. however, most of the experiments for seismic performance evaluation are conducted slowly due to the difficulty of control. Also, column of structure is a member to support a load, vertical load is applied to structure. Therefore, the vertical load needs to be applied to structures during test, but it is difficult to apply vertical load accurately due to the horizontal displacement and the axial stiffness of the column.
In this study, a system for fast cyclic loading test and real-time hybrid simulations which can control vertical load in real-time is proposed to investigate the rate-dependent behavior and effect of the axial force in seismic performance evaluation for structure. A proposed system reduces time delays in the existing system by more than 90% and compensates vertical load errors in real-time, enabling accurate seismic performance evaluation of structures. A cyclic loading test and hybrid simulation using steel and reinforced concrete columns were conducted, and rate-dependent behavior and the effect of the axial force were investigated in the lateral loading test of columns.
As a result of the cyclic loading test of steel columns, the yield strength increased by 7.2% and 8.1%, respectively, when fast cyclic tests were conducted at 120 and 200 times the speed of the slow cyclic loading test. In addition, the yield strength increased by 4.3%, 10.7%, and 3.5%, when axial loads have increased to 8.5%, 17.2%, and 34.3% of the characteristic yield strength.
As a result of the cyclic loading test of reinforced concrete columns, the yield strength and effective stiffness increased by 15.1% and 1.6%, respectively, when fast cyclic tests were conducted at 100 times the speed of the slow cyclic loading test. Furthermore, as the axial load increased from 2.2% to 7.2%, the yield strength, maximum load, and effective stiffness increased to 36.3%, 33.3%, and 32.9% respectively.
The shaking table test, slow and real-time hybrid simulations were conducted to investigate the dynamic response of reinforced concrete columns under earthquake loads. A slow hybrid test was conducted at 64 times the duration of the shaking table test, Although the results were similar to those of the shaking table test, an error of maximum displacement occurred 88% at the maximum acceleration section. The duration of real-time hybrid simulation using a high-speed control system was conducted the same as the shaking table test, resulting in a maximum displacement error of 9%.
In this study, rate dependency and the effect of vertical load in seismic performance evaluation tests of the structure were investigated. In the previous studies, it was impossible to understand the dynamic response of the structure due to conducting tests slowly and inconsistent vertical loading. However, since the effect of loading rate and the vertical load on the seismic performance is clear, it is considered that seismic performance evaluation of the column can be tested in real time with the vertical load control method, leading to a better understanding of the dynamic response of structures.