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표제지
국문초록
목차
제1장 서론 14
1.1. 연구 배경 및 목적 14
1.2. 연구 범위 및 방법 19
제2장 내진설계의 이론적 특성 22
2.1. 내진설계의 개념 및 방법 22
2.2. 내진구조 프레임 구조 시스템의 종류 및 거동 특성 26
2.2.1. 비가새 내진구조의 종류 및 특성 26
2.2.2. 가새 내진구조의 종류 및 특성 28
2.3. 기존 내진구조의 특징 및 한계 33
제3장 CFRP의 이론적 특성 35
3.1. CFRP의 개념 및 특징 35
3.2. CFRP의 활용 가능성 39
3.3. CFRP-CFT 기둥 구조물 연구 동향 40
3.3.1. CFT 기둥 구조물 연구 동향 40
3.3.2. CFRP 기둥 구조물 연구 동향 43
제4장 CFRP의 특성 실험 45
4.1. CFRP의 인장 특성 47
4.1.1. CFRP의 인장실험 설계 및 방법 47
4.1.2. CFRP의 인장실험 결과 및 거동 특성 48
4.1.3 CFRP의 인장반복실험 설계 및 방법 52
4.1.4. CFRP의 인장반복실험 결과 및 거동 특성 54
4.2. CFRP의 압축 특성 56
4.2.1. CFRP의 압축실험 설계 56
4.2.2. CFRP의 압축실험 결과 및 거동 특성 57
4.2.3. CFRP의 압축반복실험 설계 60
4.2.4. CFRP의 압축반복실험 결과 및 거동 특성 62
제5장 CFRP-CFT 구조물의 내진성능평가 64
5.1. CFRP-CFT 구조물의 수치해석 모델 및 방법 64
5.1.1. CFRP 재료의 수치해석 모델 및 방법 64
5.1.2. CFRP-CFT의 수치해석 모델 및 방법 71
5.2. CFRP-CFT 구조물의 수치해석 결과 분석 및 평가 83
5.2.1. 시간에 따른 최대 지붕변위 83
5.2.2. 시간에 따른 최대 지붕가속도 92
5.2.3. CFT 기둥의 응력-변형률 100
5.2.4. 지붕변위에 따른 총 밑면전단력 105
5.2.5. 최대 층간변위비 113
5.2.6. 잔류 층간변위비 117
5.2.7. 가새의 시간에 따른 응력 응답 121
제6장 결론 123
참고문헌 126
Abstract 133
그림 1.1. 해외 지진 피해 사례 15
그림 1.2. 국내 지진 피해 사례 16
그림 1.3. 우리나라 지진 발생 현황 (1978~2021년) 18
그림 1.4. 국내 건축물 내진율 현황 18
그림 1.5. 연구의 프로세스 21
그림 2.1. 내진구조에 따른 손상복구 비용 25
그림 2.2. 풍하중 모멘트 프레임 방법의 개략도 26
그림 2.3. 비가새 프레임 구조물의 실험 및 해석 거동 27
그림 2.4. 가새 프레임 구조 시스템의 개략도 28
그림 2.5. 중심가새프레임 시스템의 가새 부재 배치 29
그림 2.6. 비좌굴가새프레임 시스템의 일반적인 구성도 31
그림 2.7. 비좌굴가새프레임 시스템의 가새 부재 구성도 31
그림 2.8. 비좌굴 및 좌굴 가새의 변형률-응력 선도 32
그림 2.9. 내진보강의 다양한 종류 34
그림 3.1. CFRP의 긴장재 및 그리드 적용사례 40
그림 3.2. ICH-CFT 시험체 및 실험결과 41
그림 3.3. 내부 구속 중공 CFT 기둥의 비선형 해석 42
그림 3.4. 변위연성별 최대내력 및 에너지 소산 능력 43
그림 3.5. 시험체별 하중 변화 및 유효강성 변화 44
그림 4.1. CFRP 및 CFRP Hybrid 시편 적층 구조 46
그림 4.2. CFRP 및 CFRP Hybrid 시편 제작에 따른 성형 사이클 46
그림 4.3. 인장실험 시편 및 규격 47
그림 4.4. 단순 인장실험 전경 48
그림 4.5. CFRP116, HCFRP116 및 ST01 시편의 단순 인장실험 후 형상 49
그림 4.6. CFRP116 시편 응력-변형률 응답 50
그림 4.7. HCFRP116 시편 응력-변형률 응답 50
그림 4.8. ST01 시편 응력-변형률 응답 51
그림 4.9. 인장반복실험 시편 53
그림 4.10. 인장반복실험에 사용된 Loading Protocol 53
그림 4.11. 인장반복실험 전경 54
그림 4.12. CFRP116 시편 인장반복 응력-변형률 응답 55
그림 4.13. HCFRP116 시편 인장반복 응력-변형률 응답 55
그림 4.14. 압축실험에서 사용된 지그 복합부하 고정장치 56
그림 4.15. 압축실험 시편 규격 및 시편 57
그림 4.16. 단순 압축실험 전경 57
그림 4.17. CFRP 및 HCFRP 시편의 단순 압축실험 파단 형상 58
그림 4.18. CFRP116 시편 응력-변형률 응답 58
그림 4.19. HCFRP116 시편 응력-변형률 응답 59
그림 4.20. 압축반복실험에 사용된 Loading Protocol 61
그림 4.21. 압축반복실험 전경 62
그림 4.22. CFRP116 압축반복 응력-변형률 응답 63
그림 4.23. HCFRP116 압축반복 응력-변형률 응답 63
그림 5.1. 재료 수치해석의 알고리즘 66
그림 5.2. ST01에 대한 인장실험결과 및 수치해석결과 67
그림 5.3. CFRP116에 대한 인장반복 실험결과 및 수치해석결과 68
그림 5.4. HCFRP116에 대한 인장반복 실험결과 및 수치해석결과 69
그림 5.5. CFRP116에 대한 압축반복 실험결과 및 수치해석결과 70
그림 5.6. HCFRP116에 대한 압축반복 실험결과 및 수치해석결과 70
그림 5.7. 3차원 수치해석 프레임 구조 시스템 모델의 입체도 72
그림 5.8. 3차원 수치해석 프레임 구조 시스템 모델의 평면도 73
그림 5.9. 3차원 수치해석 프레임 구조 시스템 모델의 정면도 74
그림 5.10. 보 및 기둥 부재 설계 개념 75
그림 5.11. 가새 부재 모델 76
그림 5.12. ASCE7-22 코드에 따라 스케일링된 지반운동 스펙트럼 77
그림 5.13. 하중이 고려된 프레임 구조 시스템의 입체도 78
그림 5.14. 프레임 구조 시스템 모델 선형 정적 해석의 가새, 보, 기둥 영향 79
그림 5.15. 시간에 따른 El Centro Differential Array 지진 가속도 81
그림 5.16. 시간에 따른 El Centro Array #9 지진 가속도 81
그림 5.17. 시간에 따른 Parkfield - Cholame 1E 지진 가속도 82
그림 5.18. DI06 지진파가 적용된 시간에 따른 구조물의 최대 지붕변위 85
그림 5.19. MI06 지진파가 적용된 시간에 따른 구조물의 최대 지붕변위 86
그림 5.20. DI02 지진파가 적용된 시간에 따른 구조물의 최대 지붕변위 87
그림 5.21. MI02 지진파가 적용된 시간에 따른 구조물의 최대 지붕변위 88
그림 5.22. DP02 지진파가 적용된 시간에 따른 구조물의 최대 지붕변위 89
그림 5.23. MP02 지진파가 적용된 시간에 따른 구조물의 최대 지붕변위 90
그림 5.24. DI06 지진파가 적용된 시간에 따른 구조물의 최대 지붕가속도 93
그림 5.25. MI06 지진파가 적용된 시간에 따른 구조물의 최대 지붕가속도 94
그림 5.26. DI02 지진파가 적용된 시간에 따른 구조물의 최대 지붕가속도 95
그림 5.27. MI02 지진파가 적용된 시간에 따른 구조물의 최대 지붕가속도 96
그림 5.28. DP02 지진파가 적용된 시간에 따른 구조물의 최대 지붕가속도 97
그림 5.29. MP02 지진파가 적용된 시간에 따른 구조물의 최대 지붕가속도 98
그림 5.30. DI06 지진파가 적용된 구조물의 기둥 응력-변형률 101
그림 5.31. MI06 지진파가 적용된 구조물의 기둥 응력-변형률 101
그림 5.32. DI02 지진파가 적용된 구조물의 기둥 응력-변형률 102
그림 5.33. MI02 지진파가 적용된 구조물의 기둥 응력-변형률 102
그림 5.34. DP02 지진파가 적용된 구조물의 기둥 응력-변형률 103
그림 5.35. MP02 지진파가 적용된 구조물의 기둥 응력-변형률 103
그림 5.36. DI06 지진파가 적용된 구조물의 지붕 변위-밑면전단력 106
그림 5.37. MI06 지진파가 적용된 구조물의 지붕 변위-밑면전단력 107
그림 5.38. DI02 지진파가 적용된 구조물의 지붕 변위-밑면전단력 108
그림 5.39. MI02 지진파가 적용된 구조물의 지붕 변위-밑면전단력 109
그림 5.40. DP02 지진파가 적용된 구조물의 지붕 변위-밑면전단력 110
그림 5.41. MP02 지진파가 적용된 구조물의 지붕 변위-밑면전단력 111
그림 5.42. DI06 지진파가 적용된 구조물의 최대 층간변위 비율 114
그림 5.43. MI06 지진파가 적용된 구조물의 최대 층간변위 비율 114
그림 5.44. DI02 지진파가 적용된 구조물의 최대 층간변위 비율 115
그림 5.45. MI02 지진파가 적용된 구조물의 최대 층간변위 비율 115
그림 5.46. DP02 지진파가 적용된 구조물의 최대 층간변위 비율 116
그림 5.47. MP02 지진파가 적용된 구조물의 최대 층간변위 비율 116
그림 5.48. DI06 지진파가 적용된 구조물의 잔류 층간변위 비율 118
그림 5.49. MI06 지진파가 적용된 구조물의 잔류 층간변위 비율 118
그림 5.50. DI02 지진파가 적용된 구조물의 잔류 층간변위 비율 119
그림 5.51. MI02 지진파가 적용된 구조물의 잔류 층간변위 비율 119
그림 5.52. DP02 지진파가 적용된 구조물의 잔류 층간변위 비율 120
그림 5.53. MP02 지진파가 적용된 구조물의 잔류 층간변위 비율 120
그림 5.54. MI02 지진파가 적용된 구조물 가새의 시간-응력 응답 122
초록보기
최근 노후화되는 구조물들이 많아지면서 강재의 부식으로 인한 문제가 많이 제기되고 있으며 부식이 발생할 경우 콘크리트와의 일체 거동이 저하되어 내진성능의 저하가 발생하게 된다. 또한, 최근 전 세계적으로 수많은 지진이 발생하고 있으며 지진이 발생할 경우 수많은 건물이 붕괴 및 파손되어 재산피해와 인명피해를 초래한다. 또한 지진은 1차적인 피해보다 지진 해일, 여진 등 재해가 2차로 발생하여 한번에 끝나는 자연재해가 아님으로 이에 대한 대책이 필수적으로 마련되어야 한다.
현재 우리나라는 기술, 경제적 발전과 함께 1인당 국민소득이 G7을 추월하였다. 이와 함께 많은 도시지역에서 거대 구조물 및 초고층 건물이 세워지고 있다. 이는 좁은 토지를 지닌 우리나라의 지역 특성상 높은 전망과 토지이용의 효율성에서는 장점을 갖지만 다양한 하중에 의한 안전성이 취약할 수 있다는 단점이 존재한다. 이 하중에는 지진이 포함되며 우리나라 또한 지진에 대응하고자 하는 기술에 대하여 많은 연구를 진행하고 있다. 본 연구 또한 지진하중에 대한 건물의 안전성을 높이는 것에 목적을 두며 다양한 기술 분야 중 건설 신소재에 초점을 둔다. 기존 구조용 강재보다 훨씬 강도가 높으며 중량이 가벼워 시공과 관리가 용이한 탄소섬유 강화복합재는 세계적으로도 구조용으로 사용하고자 하는 신소재이며 본 연구에서도 이를 실제 구조물의 기둥에 사용하였을 때의 내진성능을 검증하는 연구를 수행하였다.
본 연구는 CFRP의 재료적 우수성과 내진구조의 우수성을 증명하기 위하여 진행되었기 때문에 우선적으로 내진설계 및 CFT구조에 대한 개념을 정립하였다. 이후 CFRP에 대한 자세한 문헌과 관련한 자료를 조사하여 분석한 후 거동 특성을 파악하기 위한 실험을 설계하였다. 순수한 CFRP와 유리섬유가 혼입된 CFRP(Hybrid CFRP), 이를 대조할 구조용 일반강재를 압축용 시편과 인장용 시편으로 실제 제작하였다. 이후 단순 인장실험과 반복 인장실험, 단순 압축실험과 반복 압축실험을 진행하여 CFRP의 특성을 확인하였다. 이를 통하여 도출한 물적 특성을 모델링하였으며 6층 CFRP-CFT 프레임 구조물을 모델링하여 실제 지진하중을 입력하여 분석하였다. 분석한 결과로는 지붕의 변위, 지붕의 가속도, 기둥의 응력-변형률, 지붕변위에 따른 밑면전단력, 최대 층간변위 비율, 잔류 층간변위 비율 등을 도출하였으며 CFRP의 우수성을 입증하였다.MARC 보기
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