1. 서 론
국내의 경우 지중에서는 상대적으로 지진력이 감소한다는 특징과 내진 설계기준이 주로 강진지역을 규정으로 적용 하였기 때문에 지중구조물에 대하여 내진 설계를 실시한 사례가 많지 않다. 국내 내진설계기준의 재정, 개정 시기를 보면 국내의 경우 1992년 도로교설계기준에 내진설계가 처음 으로 도입되었다. 따라서, 1992년 이전의 지중구조물들은 내진 설계가 반영되지 않았으며, 1992년 내진설계가 적용 되었다 하더라도 설계기준이 개정되면서 현 내진 설계기준을 만족하지 못하고 있다(Min et al., 2015; Chung et al., 2010).
이와 같이 내진설계가 적용되지 않은 지중구조물이나 내진 저항성능을 확보하지 못하고 있는 구조물들은 내진보강공법을 통해 내진성능을 보강하고 있다. 대표적인 내진보강공법 으로는 콘크리트 외부를 증설하여 내진성능을 증대시키는 공법이다. 하지만 외부 증설공법은 터파기나 개착에 있어 환경에 대한 제약이 크고, 교통 통제나 가시설 설치 등으로 막대한 건설비용이 소모된다. 따라서, 효과적인 내진보강 방안이 필요한 실정이다.
본 논문에서는 이러한 단점을 개선하고자 기존 내진보강 공법보다 경제적이고 시공에 유리한 내진 보강방안을 제시 하였다. 새롭게 개발된 공법(corner safe)은 기존의 브레이싱 증설공법과 강판접착공법을 발전시킨 공법이다. 이 공법은 박스구조물 우각부에 설치하여 외력의 반대방향으로 가압력을 도입하여 작용하중을 상쇄시키고 보강재와 콘크리트를 합성 시켜 지진에 대한 저항능력을 증대시키는 공법이다. 또한 개발된 공법의 효과를 검증하기 위해 수로박스를 대상으로 보강재 종류별 실험 및 구조해석을 실시하였으며, 개발된 보강재와 박스구조물의 합성률에 대한 연구를 진행하였다. 이 결과값들을 비교하여 새로운 보강공법의 내진 성능평가를 하는데 목적을 두고 있다.
2. 개선된 보강재의 원리(corner safe)
이 공법은 기존의 공법들과 다르게 우각부의 단면강성 증대와 가압력 도입 효과를 모두 가지고 있으며, 초기에 135°의 초기각도를 가진 보강재를 이용해 사전 변형을 일으킨 후 박스 구조물의 우각부에 변형된 강재를 설치하여 탄성 복원력에 의해 가압력이 작용하중을 상쇄시키는 원리이다. 보강재 설치 시에는 박스와의 부착 강도를 증대시키고, 미끄러짐 효과를 최소화 하고자 천공 후에 케미컬 앵커를 도입하여 밀착 시공하였다.
3. 보강재에 대한 성능평가
이 장에서는 보강재에 대한 실물실험을 분석하였다. Case 1은 보강재가 설치되지 않은 무보강 상태의 박스구조물로 Case2~Case4 대비 보강효과를 검증하기 위해 선정 되었 으며, Case 2는 가압력이 도입된 가압봉을 우각부에 설치하는 보강공법인 Sos 전단 보강재, Case 3는 얇은 강판을 부착 하여 단면 증대의 보강 효과를 가진 강판접착공법으로 선정 하였다. Case 4는 본 연구에서 제안한 Corner Safe로 프리플렉션이 도입된 보강재를 설치하여 하중 반대방향으로 가압력을 도입하여 외력을 저감시키고 보강재와 콘크리트와 합성시켜 저항력을 증대시키는 공법으로 총 4개의 Case 구조물로 나누어 실험을 수행하였다.
하중은 지진시 유사한 구조물의 거동을 모사하기 위해 Fig. 2의 개념도와 같이 반력벽에 부착된 Actuator를 이용하였고 Fig. 3의 실험 사진과 같이 Actuator의 집중하중을 분산 시키기 위해 H-beam을 Actuator 앞부분에 부착하여 하중을 재하 하였다. 또한, Fig. 4와 같이 하중재하시 박스구조물에 전도와 활동을 방지하기 위해 구조물 크기에 맞는 고정장치를 제작하여 하부슬래브를 반력벽 바닥에 고정하였다.
3.1. 계측기 설치 계획
박스 구조물의 구조와 보강재의 특성을 고려하여 계측 위치를 선정하였다. 계측 위치는 총 30개의 변형률 계측 위치를 선택하였으며, 박스의 피복을 제거해 주 철근에 변형률 게이지를 부착하였다. 또한, Corner Safe 보강재의 합성률을 분석하기 위해 추가적인 변형률 게이지를 부착하였다.
변위계(LVDT)는 상대변위와 최대변위를 측정할 목적으로 상부 슬래브, 하부슬래브, 벽체 중앙에 각각 3개씩를 설치 하였다.
3.2. 변형률 계측 결과
본 실험에서 각 30개의 변형률 게이지와 LVDT를 설치하고 120kN까지 지속적으로 하중을 지속적으로 재하하여 계측 데이터를 수집하였다. 수집된 데이터는 하중작용 시 박스 구조 물의 주 철근 변형률을 Fig 10~13에 나타내었다. 재현주기 500년, 내진등급 2등급, 지반종류(Sd), 기준 토피고 1~3m 일 때, 응답변위법(Kim et al., 2009)에 의해 계산된 설계 지진하중이 80kN이하에서 작용하는 것으로 분석되었다. 하지만, 실물 실험에서는 보강재에 의한 성능향상 분석을 위하여 120kN까지 하중을 재하하였다. 측정된 30개의 결과 중 변형률이 제일 크게 발생한 위치의 결과를 분석하여 나타 내었으며, 보강효과의 순위를 산정한 결과 120kN 기준으로 Corner Safe 공법이 무보강에 비해 변형률이 평균 47% 감소한 것으로 확인되었다.
4. 구조 해석
본 연구에서는 실험으로 보강재의 내진성능을 분석하였다. 하지만, 실험만으로는 보강재의 성능을 검증하기에 어려움이 있으므로 프로그램 해석 결과을 통해 타탕성을 검증하였다. 구조해석은 Abaqus 6.13-4를 통해 수행하였고, 3.1절의 계측 위치에서 변위 및 변형률을 비교하여 신뢰도를 검증 하였다. 해석으로 Coner Safe 보강재가 부착된 Case 4를 검증하고자 Case 1(무보강)도 해석을 수행하였으며, 추후 변화하는 하중에 대비하여 타당성있는 해석모델을 구축하고자 구조 해석을 진행하였다.
4.1. 구조물 모델링
대상 구조물은 Abaqus를 이용하여 모델링하였다. 박스 구조물과 보강재는 Solid요소를 사용했으며, Abaqus에서 제공하는 Truss를 모델링하여 Embeded 조건과 Rebar Layer로 Embeded 조건 중 철근에 대한 변형이 확인 가능한 Truss를 Embeded 시키는 기능을 선택하였다. 솔리드와 트러스와 embed 조건을 적용시켜 철근 콘크리트 부재를 묘사하였으며, 보강재를 설치할 때 연결조건은 Tie로 구조물과 보강재가 완전 부착상태로 가정하여 해석을 수행하였다. 박스와 보강재의 완전합성으로 도출된 해석 결과로 박스와 보강재의 합성강도에 대한 비 합성강도의 비로 나타내어 합성률을 제시하고자 했다.
4.2. 재료의 물성치
모델링에 사용된 콘크리트의 탄성계수는 27GPa, 푸아송비는 0.18, 부재의 단위질량은 2.5×10-9N/mm/g을 적용하였으며 철근의 탄성계수는 200GPa, 푸아송비는 0.3, 단위질량은 7.85×10-9N/mm/g을 적용하였다. 120kN까지 구조물의 비선형 거동을 확인하기 위해 검증된 재료모델인 CEB-FIP MODEL CODE 1990을 사용하였다. 또한, 콘크리트 비선형 압축, 인장모델을 적용하였으며, 철근과 보강재는 간단하면서도 완전 소성거동 및 변형경화를 모사할 수 있는 J2 Plasticity Model을 사용하였다. Table 5
Table 5
Concrete nonlinear material properties
| CEB-FIP 1990 | ||
|---|---|---|
| Concrete plasticity | Dilation Angle(°) | 30 |
| Eccenticity(-) | 0.1 | |
| fb0/fc0(-) | 1.16 | |
| Stress intensity factor K(-) | 0.667 | |
| Viscosity(-) | 0.001 | |
모델링의 검증은 보강재가 설치되지 않은 Case 1과 본 연구에서 제시한 Corner Safe 보강재가 부착된 Case 4를 통해 타당성을 검증하였다. 3.2절에서 제시한 데이터 중 변형률이 크게 측정된 A-US1과 A-OLW 값에 대한 데이터를 Fig. 19~20에 나타내었다. 하중과 변형률과의 관계가 선형에서 비선형으로 바뀌는 40kN을 기준으로, 평균 Case 1은 10%이내의 오차율, Case 4는 13%이내의 오차율을 확인 하였다. 오차의 원인은 구조물을 고정시키는 고정 장치의 변형 콘크리트의 피복제거량, 게이치 부착위치 등으로 감안하였다.
4.3. 해석 결과
구조해석을 통해 토압이 작용하는 박스구조물에 대해 파괴응력과 전단응력을 산출하였으며, 각각의 데이터는 실험 결과 값의 최대 재하하중 120kN을 기준으로 비교 분석 하였다. Fig. 21은 보강재가 부착된 박스 구조물 상부의 케이스별 응력분포도를 나타내고 있다. 강판접착공법이 부착된 구조물(CASE 3)은 파괴응력이 0.419MPa, 최대전단응력 0.426MPa으로 무보강(Case 1)에 비해 각각 24%, 11.3% 감소, SOS보강재가 부착된 구조물(Case 3)은 파괴응력이 0.443MPa, 최대전단응력 0.419MPa으로 무보강에 비해 각각 20.9%, 10.3%감소, Corner Safe 보강재가 부착된 구조물(Case 4)의 경우 파괴응력 0.394MPa, 최대전단응력 0.313MPa으로 무보강에 비해 각각 29.6%, 33% 감소 하였으며 Corner Safe 공법에 가장 우수한 보강성능이 있는 것을 검증하였다.Table 8
5. 보강재 합성거동
Corner Safe 보강재는 전단 연결재를 이용하여 우각부에 설치되고 설치된 보강재는 합성률이 커질수록 전단, 휨에 대한 저항력이 증대된다. 박스구조물 뿐만 아니라 합성거동을 하는 구조물에 대한 합성률 산정은 설계반영을 위해 다양한 연구가 진행되고 있으며 본 연구에서는 박스구조물과 보강재의 합성정도를 분석하였다. 합성정도 분석은 실험과 해석에서의 저항모멘트 비를 산정하여 실험결과와 비교․검토하였다.
5.1. 합성률 산정
식 (1)과 같이 합성률(Song, 2015)에 대한 정의를 내렸 으며, Fig. 23에 하중별 보강재의 합성률을 나타내었다. 저항모멘트의 비율로 합성률을 계산할 수 있었으며, 하중이 증가함에 따라 합성률이 증가함을 확인하였다. 10kN에서의 합성률은 10.57%를 나타냈으며, 60kN에서의 합성률은 51.06%로 나타났다. 50kN과 60kN에서 구조물의 비선 형성이 나타나므로 60kN까지로 제한하였다. 초기의 합성률은 10%로 낮은 수치를 보이고 있으며, 다음과 같은 이유로 부분합성 거동이 되었다고 판단된다.
6. 결 론
본 논문에서는 개선된 내진보강효과를 가진 새로운 보강 공법(corner safe)을 제안하였다. 이 공법의 효과를 검증하기 위해 기존에 사용되고 있는 대표공법들에 대해여 종류별 실물실험 및 구조해석을 수행하였으며, 실험 및 데이터 비교 분석을 통해 보강효과에 관한 연구를 수행하였다.
실물 실험에서는 구조물의 변형률과 변위를 계측하여 보강 효과를 분석하였다. 그 결과, 120kN에서 Corner Safe 공법 (Case 4)이 무보강(Case 1)에 비해 변형률 평균 57%감소, 최대변위 11.8%감소한 것을 확인하였다.
실물실험에서의 신뢰성 검증을 위해 구조해석을 수행하였다. 그 결과, 40kN에서 Case 1은 10%이내의 오차율, Case 4는 13%이내의 오차율을 확인하였다. 또한, 검증된 모델링에 토압이 작용 시 무보강에 비해 Corner Safe 공법의 최대응력, 최대 전단응력이 29.6%, 33% 감소한 것을 확인하였다.
Corner Safe보강재가 박스구조물에 시공되었을 때 합성 정도를 측정하기 위해 계측단면을 선정하여 실험 및 해석 데이터를 분석하였다. 하중 10kN에서는 합성률 10.57%를 나타내며, 60kN에서는 51.06%의 합성률을 확인하였다. 시공에서 공극을 최소화 한다면 더 높은 합성효과가 있을 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 지중박스구조물에 프리플렉션 부재를 이용한 공법을 제안하였다. 또한, 내진에 대한 안전성이 필요한 지중 구조물의 내하력 증진에 도움이 되며, 우각부 보강에 적합한 공법이라고 판단된다.
