CFRP-CFT를 적용한 프레임 구조물의 내진성능평가 = Seismic Performance Evaluation of Frame Structures using CFRP-CFT

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, as the number of aging structures has increased, problems due to corrosion of steel materials have been raised. When corrosion occurs, the overall behavior with concrete deteriorates, resulting in a decrease in seismic performance. Additionally, numerous earthquakes have recently occurred around the world, and when an earthquake occurs, numerous buildings collapse and are damaged, resulting in property damage and casualties. In addition, earthquakes are not natural disasters that end all at once, with secondary disasters such as tsunamis and aftershocks occurring rather than primary damage, so countermeasures against them must be prepared.
Currently, Korea's per capita income has surpassed that of the G7 along with technological and economic development. At the same time, huge structures and high-rise buildings are being built in many urban areas. This has the advantage of high views and efficiency of land use due to the characteristics of Korea's small land area, but has the disadvantage of being vulnerable to various loads. This load includes earthquakes, and Korea is also conducting a lot of research on technologies to respond to earthquakes. This study also aims to increase the stability of buildings against seismic loads and focuses on new construction materials among various technological fields. Carbon fiber-reinforced plastic, which is much stronger than existing structural steel and is light in weight and easy to construct and maintain, is a new material that is being used for structural purposes around the world, and this study also verifies the seismic performance when used in pillars of actual structures.
Since the study was conducted to prove the material excellence of CFRP and the excellence of the earthquake-resistant structure, the concept of earthquake-resistant design and CFT structure was first established. Afterwards, we researched and analyzed detailed literature on CFRP and designed an experiment to determine its behavior characteristics. Pure CFRP and CFRP mixed with glass fiber (Hybrid CFRP), and steel to contrast them, were actually produced as compression and tension specimens. Afterwards, simple tensile tests, repeated tensile tests, simple compression tests, and repeated compression tests were conducted to confirm the characteristics of various CFRPs. The physical properties derived through this were modeled, and a 6-story CFT frame structure was modeled and the actual seismic load was input and analyzed. The analysis results included roof displacement, roof acceleration, column stress-strain rate, base shear force according to roof displacement, maximum inter-story displacement ratio, and residual inter-story displacement ratio, and proved the superiority of CFRP.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 ⅰ
• 목차 ⅲ
• 표 목차 ⅴ
• 그림 목차 ⅵ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 범위 및 방법 6
• 제 2 장 내진설계의 이론적 특성 9
• 2.1 내진설계의 개념 및 방법 9
• 2.2 내진구조 프레임 구조 시스템의 종류 및 거동 특성 13
• 2.2.1 비가새 내진구조의 종류 및 특성 13
• 2.2.2 가새 내진구조의 종류 및 특성 15
• 2.3 기존 내진구조의 특징 및 한계 20
• 제 3 장 CFRP의 이론적 특성 22
• 3.1 CFRP의 개념 및 특징 22
• 3.2 CFRP의 활용 가능성 26
• 3.3 CFRP-CFT 기둥 구조물 연구 동향 27
• 3.3.1 CFT 기둥 구조물 연구 동향 27
• 3.3.2 CFRP 기둥 구조물 연구 동향 30
• 제 4 장 CFRP의 특성 실험 32
• 4.1 CFRP의 인장 특성 34
• 4.1.1 CFRP의 인장실험 설계 34
• 4.1.2 CFRP의 인장실험 결과 및 거동 특성 35
• 4.1.3 CFRP의 인장반복실험 설계 39
• 4.1.4 CFRP의 인장반복실험 결과 및 거동 특성 41
• 4.2 CFRP의 압축 특성 43
• 4.2.1 CFRP의 압축실험 설계 43
• 4.2.2 CFRP의 압축실험 결과 및 거동 특성 44
• 4.2.3 CFRP의 압축반복실험 설계 47
• 4.2.4 CFRP의 압축반복실험 결과 및 거동 특성 49
• 제 5 장 CFRP-CFT 구조물의 내진성능평가 51
• 5.1 CFRP-CFT 구조물의 수치해석 모델 및 방법 51
• 5.1.1 CFRP 재료의 수치해석 모델 및 방법 51
• 5.1.2 CFRP-CFT의 수치해석 모델 및 방법 58
• 5.2 CFRP-CFT 구조물의 수치해석 결과 분석 및 평가 70
• 5.2.1 시간에 따른 최대 지붕변위 70
• 5.2.2 시간에 따른 최대 지붕가속도 79
• 5.2.3 CFT 기둥의 응력-변형률 87
• 5.2.4 지붕변위에 따른 총 밑면전단력 92
• 5.2.5 최대 층간변위비 100
• 5.2.6 잔류 층간변위비 104
• 5.2.7 가새의 시간에 따른 응력 응답 108
• 제 6 장 결론 110
• 참고문헌 113
• Abstract 120