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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이영학
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 경희대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수12
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현재 주거용 건물로 다수 존재하는 저층 철근 콘크리트 (Reinforced Concrete, 이하 RC) 필로티형 건물은 구조적 형태로 인해 강성 측면에서 수직 비정형성을 나타내며, 이로 인해 지진에 매우 취약하다. FEMA 547에서 RC 골조의 내진 보강법이 다수 제시되어 있으며, 그 중 브레이스는 RC 골조의 강도 및 강성을 함께 증진할 수 있기 때문에 널리 사용되고 있다. 하지만 기존 브레이스는 기둥과 보로 이루어진 골조 자체를 보강하는 경우가 많으며, 브레이스가 건축물의 부재와 고정되도록 하는 거셋 플레이트는 형상이 복잡하여 설계가 어렵고 제작이 까다롭다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 수직 비정형 건축물을 효과적으로 보강할 수 있는 교체 가능한 강재 링크 (Replaceable Steel Link, 이하 RSL) 시스템을 제안하였다. RSL 시스템은 강재 링크, 슬라이딩이 가능한 힌지가 적용된 바닥 플레이트, 회전만 가능한 일반 힌지가 적용된 기둥 플레이트로 구성된다. 기둥 플레이트와 바닥 플레이트를 케미컬 앵커를 사용하여 콘크리트 부재에 부착한 후, 각 플레이트의 힌지에 강재 링크를 볼트로 체결한다.
개발한 내진 보강공법의 최적의 상세를 도출하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 변위 제어로 하중을 가력했을 때 발생하는 응력의 분포와 최대하중 값을 통해 효율적인 보강이 가능한 치수를 조합하여 상세 치수를 결정하였다. 결정된 치수를 적용하여 무보강 RC 기둥 시험체 2개와 보강 RC 기둥 시험체 4개, 총 6개의 시험체를 제작하여 반복 가력 실험을 수행하였다. 실험 변수로는 보강 길이와 가력 방법을 선정하였다. 소성힌지 산정식을 통해 결정한 보강 길이에 따라 변하는 보강 효과를 확인하고자 하였으며, 횡력에는 편심을 포함한 상태에서 축력의 편심 유무로 인해 비정형 건축물을 모사하여 비교해보고자 하였다.
실험 결과, RSL 시스템의 보강으로 인해 균열 양상, 하중, 변형률, 유효강성, 에너지 소산 능력 측면에서 모두 향상되었음을 확인하였다. 보강 시험체가 무보강 시험체에 비해 하단부의 전단균열과 콘크리트 박리, 상단부의 휨균열이 현저히 적게 발생했음을 확인하였으며, 최대하중 또한 보강을 적용하면 축력에 편심이 포함되지 않은 경우에 115% 증가하였고, 축력에 편심이 포함된 경우에는 42% 증가하였다. 변형률을 확인했을 때 보강 시험체가 무보강 시험체에 비해 전반적으로 작은 값을 보였고 하단부에서 급격히 증가하는 변형률이 중앙부로 분산되었다. 유효강성의 경우 축력에 편심이 포함되지 않은 경우에 48% 증가하였고, 축력에 편심이 포함된 경우에는 20% 증가하였다. 에너지 소산 능력은 축력에 편심이 포함되지 않은 경우에 271% 증가하였고, 축력에 편심이 포함된 경우에는 48% 증가하였다. 가력 방법에 따라 구조성능 향상 정도에 차이가 있으나, 더 극심한 비틀림을 받는 무보강 시험체의 실험 결괏값이 낮게 나타났고 보강으로 인해 가력 방법에 관계없이 유사한 구조성능이 발현되도록 효과가 나타난 것으로 판단된다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 수직 비정형 건축물을 효과적으로 보강할 수 있는 교체 가능한 강재 링크 (Replaceable Steel Link, 이하 RSL) 시스템을 제안하였다. RSL 시스템은 강재 링크, 슬라이딩이 가능한 힌지가 적용된 바닥 플레이트, 회전만 가능한 일반 힌지가 적용된 기둥 플레이트로 구성된다. 기둥 플레이트와 바닥 플레이트를 케미컬 앵커를 사용하여 콘크리트 부재에 부착한 후, 각 플레이트의 힌지에 강재 링크를 볼트로 체결한다.
개발한 내진 보강공법의 최적의 상세를 도출하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 변위 제어로 하중을 가력했을 때 발생하는 응력의 분포와 최대하중 값을 통해 효율적인 보강이 가능한 치수를 조합하여 상세 치수를 결정하였다. 결정된 치수를 적용하여 무보강 RC 기둥 시험체 2개와 보강 RC 기둥 시험체 4개, 총 6개의 시험체를 제작하여 반복 가력 실험을 수행하였다. 실험 변수로는 보강 길이와 가력 방법을 선정하였다. 소성힌지 산정식을 통해 결정한 보강 길이에 따라 변하는 보강 효과를 확인하고자 하였으며, 횡력에는 편심을 포함한 상태에서 축력의 편심 유무로 인해 비정형 건축물을 모사하여 비교해보고자 하였다.
실험 결과, RSL 시스템의 보강으로 인해 균열 양상, 하중, 변형률, 유효강성, 에너지 소산 능력 측면에서 모두 향상되었음을 확인하였다. 보강 시험체가 무보강 시험체에 비해 하단부의 전단균열과 콘크리트 박리, 상단부의 휨균열이 현저히 적게 발생했음을 확인하였으며, 최대하중 또한 보강을 적용하면 축력에 편심이 포함되지 않은 경우에 115% 증가하였고, 축력에 편심이 포함된 경우에는 42% 증가하였다. 변형률을 확인했을 때 보강 시험체가 무보강 시험체에 비해 전반적으로 작은 값을 보였고 하단부에서 급격히 증가하는 변형률이 중앙부로 분산되었다. 유효강성의 경우 축력에 편심이 포함되지 않은 경우에 48% 증가하였고, 축력에 편심이 포함된 경우에는 20% 증가하였다. 에너지 소산 능력은 축력에 편심이 포함되지 않은 경우에 271% 증가하였고, 축력에 편심이 포함된 경우에는 48% 증가하였다. 가력 방법에 따라 구조성능 향상 정도에 차이가 있으나, 더 극심한 비틀림을 받는 무보강 시험체의 실험 결괏값이 낮게 나타났고 보강으로 인해 가력 방법에 관계없이 유사한 구조성능이 발현되도록 효과가 나타난 것으로 판단된다.
목차
제 1 장 서 론 11.1 연구 배경 11.2 국내·외 연구동향 21.3 연구 목적 및 방법 5제 2 장 Replaceable Steel Link (RSL) 시스템 보강공법 상세 제안 62.1 RSL 시스템 보강공법 형상 도출 62.2 상세 도출을 위한 유한요소해석 82.2.1 유한요소해석 개요 82.2.2 강재 링크 폭에 따른 해석 결과 102.2.3 강재 링크 두께에 따른 해석 결과 132.2.4 슬라이딩 슬롯 힌지 두께에 따른 해석 결과 16제 3 장 RSL 시스템의 실험 계획 193.1 실험 계획 193.1.1 시험체 상세 193.1.2 시험체 재료 203.1.3 변수 설정 213.1.4 시험체 제작 243.2 실험 방법 263.2.1 시험체 가력 방법 263.2.2 데이터 측정 방법 28제 4 장 RSL 시스템의 성능 평가 294.1 균열 양상 및 파괴 형태 294.2 하중-변위 관계 334.3 변형률 384.3.1 주근 변형률 384.3.2 스터럽 변형률 404.3.3 RSL 시스템 변형률 424.4 유효강성 434.5 에너지 소산 능력 46제 5 장 결 론 48
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