외부부착형 CFT 공법을 활용한 저층 RC 골조의 내진 보강 효과 = Seismic Retrofitting Effect of Low-rise RC Frames using Externally Attached CFT Method

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes an externally attached Concrete Filled Steel Tube (CFT) seismic retrofitting method for low-rise reinforced concrete buildings that lack seismic detailing. It aims to validate the structural effectiveness and advantages of this method through a series of performance experiments.
The externally attached CFT retrofitting method addresses the limitations of traditional approaches, such as section enlargement. By being installed on the exterior of buildings with inadequate seismic performance, this method enhances both strength and ductility. Additionally, it reduces construction time compared to conventional methods by minimizing wet processes and allows for seismic retrofitting without disrupting the use of interior spaces.
The suitability of the proposed method was evaluated in four stages. The first stage focused on the connection joint to the existing structure. Given that this method relies on post-installed anchors, understanding their performance is critical. Concrete blocks were created, and tensile and shear tests were conducted on single post-installed anchors. The results showed that the average design strength was surpassed, with acceptable values for both standard deviation and coefficient of variation.
The second stage assessed the shear performance of post-installed anchors situated between structural members through vertical joint shear tests. Findings indicated that anchors embedded within the concrete exhibited significantly higher strength than single anchors.
Furthermore, specimens coated with epoxy demonstrated a greater strength-enhancing effect when using the same anchors. These results suggest that applying epoxy between the existing structure and the base plate is beneficial for structural integration.
In the third stage, the seismic performance improvement of the externally attached CFT was analyzed by fabricating single members and evaluating their performance before and after reinforcement. The experiments revealed that the yield load increased to approximately 105% to 125% of the reference specimen, while the maximum load rose to 110% to 140%. Although energy dissipation capacity varied with each cycle, the average value increased by approximately 1.09 to
1.57 times, indicating significant energy absorption due to the CFT reinforcement, attributed to enhanced strength and deformation capacity.
The final stage involved constructing a full-scale frame to evaluate the seismic performance improvement of the externally attached CFT method. Experimental results from the two-story reinforced frame indicated maximum strengths approximately 2.36 to 2.58 times greater than that of the reference specimen. The maximum strength varied by approximately 10% based on the presence of the foundation, suggesting that the anchoring effect between the existing and
reinforced members significantly contributes to strength enhancement.
Additionally, the energy dissipation capacity improved by approximately 2.2 to 2.25 times compared to the reference specimen.
In conclusion, the progressive verification confirms that the proposed method is suitable for the seismic retrofitting of low-rise reinforced concrete buildings.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 내진설계 되지 않은 저층 철근콘크리트 건물의 내진보강을 위해 외부부착형 CFT(Concrete Filled steel Tube, CFT) 내진보강공법을 개발하는데 그 목적이 있다. 개발된 내진보강공법의 단계별 성능 실험을 통해 외부부착형 CFT 내진보강공법의 구조적 적합성과 우수성을 검증하고자 한다.
외부부착형 CFT 내진보강공법은 기존의 유사 공법 및 단면 증설 등의 재래식 공법의 단점을 보완할 목적으로 개발되었다. 내진성능이 부족한 건물의 외부에 설치하여 부족한 강도와 연성을 함께 확보하며, 습식공정을 최소화하여 기존 유사 공법에 비해 공기단축이 가능한 장점을 가지고 있다.
외부부착형 CFT 내진보강공법은 총 4단계 나눠서 구조적 적합성과 우수성을 검토하였다. 첫 번째 단계는 기존 구조체와 연결되는 연결부 검토이다. 이를 위해 콘크리트 블록을 제작하여 단일 후설치 앵커의 인장 및 전단시험을 실시하였다. 인장 및 전단시험 결과 평균 설계 강도를 초과하는 것으로 나타났고, 표준편차 및 변동계수도 모두 만족하는 것으로 나타났다. 두 번째 단계는 부재 사이에 설치된 후설치 앵커의 전단성능을 수직 접합부 전단성능 실험을 통해 검증하고자 하였다. 실험결과, 단일 후설치 앵커의 내력보다 콘크리트 내부에 설치된 후설치 앵커의 내력이 크게 증대되는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 후설치 앵커를 적용하여도 에폭시를 도포한 실험체가 내력증진효과가 더 큰 것으로 나타났다. 이러한 결과로 볼 때 기존 구조체와 베이스플레이트 사이에 에폭시를 도포하는 것이 일체화에 더 유리할 것으로 판단된다. 세 번째 단계는 단일 부재를 제작하여 외부부착형 CFT를 보강 한 후 보강 전후의 성능을 파악하고자 하였다. 외부부착형 CFT 기둥 보강 실험체의 실험결과 항복하중은 모든 실험체에서 기준 실험체 대비 약 105 %에서 125 % 내외로 내력이 증가하였고, 최대하중의 경우에서도 약 110 %에서 140 %로 증가하였다. 에너지소산능력의 경우에도 각 사이클 별 차이는 나타났지만 평균적으로 약 1.09배에서 1.57배로 외부부착형 CFT 보강에 의한 에너지 소산이 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 이러한 에너지 소산능력의 증진은 외부부착형 CFT 내진보강공법으로 강도와 변형 능력의 증진에 따른 결과라고 판단된다. 마지막 단계는 외부부착형 CFT 내진보강공법을 적용한 실스케일 골조의 내진성능향상 효과를 검토 하였다. 실험결과 기준실
험체 대비 외부부착형 CFT 내진보강공법을 적용한 실험체가 약 2.36배 및 2.58배의 내력증진효과를 나타내었다. 외부부착형 CFT 내진보강공법의 기초 고정 유무에 따라 최대내력은 약 10 % 정도 차이를 나타내었는데 이는 외부부착형 CFT 보강공법의 경우 기존 부재와 보강 부재간의 앵커의 효과가 내력증진 효과에 큰 지배를 하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다. 에너지 소산능력은 기준 실험체 대비 약 2.22 ~ 2.25배 향상되었음을 확인할 수 있었다.
이상의 결과로 볼 때 제안된 공법의 실험에 대한 단계적 검증을 통해 저층 철근콘크리트 건물의 내진보강에 적합한 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구 배경 1
• 제 2 절 연구 목적 3
• 제 3 절 연구 내용 4
• 제 4 절 연구동향 6
• 제 2 장 외부부착형 CFT 내진보강공법 9
• 제 3 장 실험체 설계 및 계획 12
• 제 1 절 후설치 앵커 인장 및 전단 시험 12
• 1. 후설치 앵커 인장 및 전단 시험 계획 12
• 2. 후설치 앵커 인장 및 전단 시험 결과 15
• 제 2 절 수직접합부 전단성능 실험 17
• 1. 실험체 변수 및 제작 17
• 2. 실험체 제작 및 실험체 셋팅 19
• 3. 수직접합부 전단성능 실험 결과 20
• 제 3 절 외부부착형 CFT로 보강된 기둥부재의 실험 23
• 1. 실험체 변수 및 제작 23
• 2. 재료시험 결과 28
• 3. 외부부착형 CFT로 보강된 기둥부재의 실험 결과 30
• 가. 균열 및 파괴양상 30
• 나. 하중-변위 관계 35
• 다. 강성저하 39
• 라. 에너지 소산능력 42
• 마. 스트레인게이지의 변형률 45
• 제 4 절 외부부착형 CFT로 보강된 2층 골조 실험 46
• 1. 실험 대상 건물 46
• 2. 실험 변수 및 설계 48
• 3. 실험체 제작 56
• 4. 실험체 셋팅 및 가력 57
• 5. 외부부착형 CFT로 보강된 2층 골조 실험 결과 59
• 가. 균열 및 파괴양상 59
• 나. 하중-변위 관계 70
• 다. 강성저하 73
• 라. 에너지 소산능력 75
• 마. 스트레인게이지의 변형률 78
• 제 4 장 결 론 79
• 참고문헌 81
• Abstract 84
• 부 록 87