1. 서 론
2016년 경주지진과 2017년 포항지진은 국내에서 지진관측이 시작된 이후 발생한 강력한 지진으로 국내도 지진으로부터 안전지대가 아니라는 인식의 전환점이 되었다. 경주와 포항지진으로 인한 피해는 주택⋅아파트 등 민간시설은 물론 관공서와 학교 등 다중이용 공공시설까지 광범위한 피해가 발생했으며, 복구액은 약 3,500억에 달하는 것으로 확인되었다(Architectural Institute of Korea, 2018; C.H. Lee et al., 2018). 그 외에도 최근에 규모 4.0 이상의 지진이 전국적으로 발생하고 있으며, 2021년 12월 제주도, 2022년 10월 충북 괴산, 2023년 5월 강원 동해, 2024년 6월 전북 부안 등 에서의 지진 사례가 있다. 이러한 흐름은 국내 지진 발생 빈도가 과거보다 증가하고 있음을 시사하며, 지진에 대한 사전예방과 대응의 중요성은 커지고 있다.
지진으로 인한 피해로 노후화된 학교 건물의 내진 평가 및 보강이 의무화되었다. 학교 건축물의 경우 종방향, 특히 넓은 개구부가 있는 부분에서 내진 취약성을 보인다(Shih et al., 2015). 기존의 전단벽 증설공법 및 철골프레임 부착공법은 강도와 강성 증진에는 효과적이나, 대변형 대응능력이 부족하고 기초 보강이 필수적이라는 한계로 인해 공사기간과 비용 증가 문제가 수반된다. 이러한 특성으로 인해 단기간 내 공사가 요구되는 학교 및 공공시설물에는 적용이 제한적이다(Porcu et al., 2022; Javadi et al., 2023; Sharma et al., 2023).
최근에는 이와 같은 한계를 극복하기 위해, 에너지 소산장치를 이용하여 기둥과 보 등 주요 구조부재에 유입되는 지진에너지를 효과적으로 흡수하는 제진 시스템에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다(C.-H. Lee et al., 2018; Kim et al., 2021; Kim et al., 2023). ENTA 시스템 또한 이러한 제진시스템의 하나로, 대변형 거동에서도 안정적인 성능을 확보할 수 있도록 고안된 보강공법이다. 본 연구에서는 ENTA 시스템을 적용한 보강공법을 제시하였으며(Lee et al., 2020; Ahn et al., 2023; To et al., 2024), 2층 골조 실험체 제작 및 반복 가력 실험을 통해 그 구조 성능과 안전성을 검증하였다. 해당 공법에 대한 안전성을 검토하고자 2층 골조 실험체를 제작하고, 반복 가력 실험을 통해 구조성능을 검증하였다. 따라서 본 연구는 기존 내진보강공법의 한계를 보완하면서도 시공성⋅경제성을 확보할 수 있는 ENTA 공법의 적용 가능성을 제시하고, 향후 국내 건축물 내진보강 활성화에 기여할 수 있는 기초자료를 제공하고자 한다.
2. ENTA 시스템 내진보강공법 개요
본 연구에서 제안하는 ENTA 시스템은 기존 골조에 철골 프레임을 보강하고 내부에 ENTA 에너지 소산장치를 설치하는 내진 보강 공법이다. Fig. 1(a)는 ENTA 시스템의 개요를, Fig. 1(b)는 에너지 소산장치의 상세를 보여준다.
ENTA 장치는 단부에서 중앙부로 갈수록 폭이 좁아지는 스트러트와 면내 변형 유도 가이드로 구성되며, 지진 시 스트러트가 에너지를 소산하고 가이드가 좌굴 및 면외거동을 억제하여 대변형에도 안정적인 거동을 유도한다. 이를 통해 기존 골조의 손상을 최소화하고, 지진 후에는 손상된 부재의 단순 교체만으로 보수가 가능해 유지관리성이 우수하다. 또한 전단벽 증설공법이나 철골프레임 부착공법 대비 보강부재 자중이 적어 기초 보강 공정을 생략할 수 있고, 현장에서는 앵커와 볼트를 활용한 간단한 설치로 공기가 단축되며 시공성이 향상된다.
3. 실험개요
3.1 실험체 계획
ENTA 시스템의 구조성능을 파악하기 위해서 무보강 실험체와 ENTA 보강된 실험체 총 2개의 실험체를 실대형 크기로 제작하였다. 실험체는 1980년도 학교 교사 표준설계도 (다)형을 참조하였으며, 실험체의 운반과 실험동 셋팅의 제약으로 보의 순 경간은 2,850 mm로 80년대 학교 교사동의 68%수준으로 설계하였으며, 기둥 순경간은 2,400 mm로 실제 교사동의 84% 수준으로 계획하였다. Fig. 2(a)는 무보강 실험체 계획을 보여준다.
두 기둥은 350 × 500 mm, 1, 2층의 상부 보는 250 × 450 mm의 규격을 지니고 있으며, 기둥의 주근은 D19와 D16으로, 보의 주근은 D22로 구성되어 있다. 두 부재 모두 횡보강근이 D10으로 구성되었다. 단면의 자세한 현황은 Fig. 3에서 보여준다.
ENTA 보강 실험체는 H형강 보강 프레임을 설치하고 보에 플레이트를 설치하여 앵커를 체결하여 골조와 플레이트를 접합하였다. 각 보의 보강프레임 중앙에는 최족 모멘트 구배 형상을 가지는 엔타시스 기둥형 형상요소로 개발된 강재이력형 에니지소산장치가 설치되었다(Fig. 2(b)).
3.2 실험방법
Fig. 4는 본 연구에서 수행한 2층 골조 실험체의 가력 셋팅을 보여준다. 실험체는 지그를 통해서 고정되었으며, 실험체에 가해지는 하중은 실제 지진하중과 동일하게 고려될 수 있도록 2층에 가해지는 하중이 1층에 가해지는 하중의 2배가 되도록 2층과 1층 사이의 지점을 1,500 kN 액츄에이터로 가력하였다. 실험은 변위제어방식으로 Table 1과 같이 매 step별로 정해진 층간변형각에 따라 1 step당 3 cycles씩 동일한 변위로 가력하였다. 가력은 최대내력의 약 80% 이하로 하중이 떨어질 때까지 가력하였다.
Table 1
Loading History
기둥에 작용하는 연직하중은 80년도 학교 교사 표준설계도면의 평면도로부터 슬래브 두께(130 mm) 및 영향면적(4,500 × 3,750 mm2)과 기둥부재의 스팬(2,850 mm)을 고려하여 산정하였다. 고정하중은 슬래브 및 기둥부재의 자중만으로 산정되었고, 활하중의 경우 구조기준에서 제시하는 학교 교실의 기준층과 지붕층(3층)의 등분포활하중을 슬래브 영향면적에 곱하여 합산하였다. 각각의 하중들은 밑면전단력 산정에 필요한 유효중량식(W = DL + 0.25 LL)의 형태로 조합되었고 이로써 층별로 기둥 1개가 받는 축력을 구하였다. 그 결과 1층 기둥은 286.68 kN (축력비 7.80%), 2층 기둥은 187.13 kN (축력비 5.09%)의 축력을 받는 것으로 나타났다. 따라서 총 473.81 kN을 두 기둥에 각각 236.91 kN씩 축력으로 재하하였다.
3.3 재료실험 결과
실험체 제작에 사용된 콘크리트의 설계 강도는 21 MPa를 사용하였으며, 콘크리트의 압축강도 실험을 수행하기 위하여 ∅100 × 200 mm 공시체를 제작하여 실험체와 동일한 조건에서 양생하였다. 콘크리트 압축강도 시험은 KS F 2405 (Korean Standards Association, 2022)에 기초하여 진행하였다. 28일 콘크리트 압축강도는 3개의 공시체의 평균값으로 산정하였다. 무보강 공시체는 29.59 MPa로 측정되었으며, ENTA 보강에 사용된 콘크리트 공시체는 28.50 MPa로 측정되었다. 이와 같이 공시체의 압축강도가 설계강도보다 다소 높게 나타났으나, 이러한 차이는 2층 골조 횡가력 실험에서의 주요 구조적 거동 특성인 에너지 소산 능력과 파괴 모드 등에 유의미한 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
기둥 및 보의 주철근은 SD400 등급을 사용하였다. 기둥의 주근은 D16, D19를 사용하였으며, 보는 D22 철근을 사용하였다. 전단보강근도 동일하게 SD400등급의 D10 철근을 사용하였다. 철근의 기계적 특성을 확인하기 위하여 철근콘크리트용 봉강 시험방법인 KS D 3504 (Korean Standards Association, 2025)에 따라 철근 인장시험을 수행하였으며, 사용 철근에 대한 인장시험 결과와 물리적 특성을 Table 2에서 보여준다.
3.4 ENTA 에너지 소산장치 강도 시험 결과
ENTA 에너지 소산장치의 성능 확인을 위하여 건축물 내진설계기준(KS B 0802; Korean Standards Association, 2018)에 따라 감쇠장치 시험을 수행하였다. 시험 결과는 Fig. 5에 나타내었다. 2층에 설치된 2P의 ENTA 에너지 소산장치는 정방향 변위 9.78 mm에서 97.39 kN, 부방향 변위 -9.78 mm에서 -77.11 kN의 하중을 저항할 수 있는 것으로 확인되었고, 1층에 설치된 3P의 ENTA 에너지 소산장치는 정방향 변위 9.88 mm에서 113.53 kN, 부방향 변위 -9.83 mm에서 -114.44 kN의 하중을 저항할 수 있는 것으로 확인되었다. 두 실험체 모두 변위 원점 및 최대 변위에서의 하중과 이력곡선 면적이 평균치의 15% 이내로 나타나 시험 기준에 만족하는 것으로 확인되었다.
4. 실험결과
4.1 하중-변위 및 파괴양상
무보강 실험체의 최대 하중은 정가력 시 155.18 mm에서 342.22 kN, 부가력 시 157.08 mm에서 332.55 kN으로 측정되었다. 무보강 실험체는 부재변형각이 0.94% (53.58 mm)에서 기둥의 주철근이 항복하였다. ENTA 보강 실험체의 최대하중은 정가력에서 524.57 kN으로 이때 변위는 92.64 mm였으며, 부가력에서는 531.70 kN으로 그때의 변위는 80.52 mm로 측정되었다. 보강 실험체는 무보강 실험체보다 내력이 1.62배 증가한 것을 확인할 수 있었다.
ENTA 보강 실험체는 부재변형각 0.28% (15.96 mm)에서 에너지소산장치의 스트러트가 항복하였으며, 기둥의 주철근은 무보강 실험체보다 조금 더 늦은 시점인 부재변형각 1.07% (60.99 mm)에서 항복하였다. 이는 에너지 소산장치가 주 구조부재의 손상 발생을 지연시키는데 기여하고 있는 것을 보여준다. 무보강 실험체와 ENTA 보강 실험체의 실험 결과는 Table 3과 Fig. 6에서 자세하게 보여준다.
Table 3
Test Results
| Specimens | Original | ENTA | ||
|---|---|---|---|---|
| Pos. | Neg. | Pos. | Neg. | |
| Ppeak (kN) | 324.22 | -332.55 | 524.57 | -531.70 |
| △peak (mm) | 155.18 | -157.08 | 92.64 | -80.52 |
| Ki (kN/mm) | 7.68 | 7.42 | 14.19 | 14.19 |
Fig. 7은 기둥 주철근에 부착된 철근게이지의 값을 각 step별 최대 변형률 값을 정리해서 보여준다. 주철근의 거동을 확인했을 때, 주로 기둥과 보가 접하는 부분에서 변형이 집중되어 해당 부분이 구조적으로 취약 부위임을 명확히 보여준다. 이는 실험에서 관찰된 손상 분포와 일치하며, 접합부 인접 구간이 전체적인 구조물의 거동에 영향을 미침을 보여준다.
Fig. 8은 실험이 완전히 종료된 시점에서의 균열양상을 보여준다. 실험체의 균열을 확인해보면 무보강 실험체는 접합부에서 손상이 두드러지게 발생한 것을 확인할 수 있으며, ENTA 보강된 실험체는 1층 보에만 손상이 집중된 것을 확인할 수 있다. 이는 1층 보에서 제일 큰 하중과 모멘트가 발생하면서 많은 에너지들을 흡수하는 거동을 했기 때문인 것으로 판단된다.
무보강 실험체의 경우 하단 보에서는 균열이 발생하지 않았지만 ENTA 보강 실험체에서는 균열이 발생한걸 확인할 수 있는데 이는 보강 효과로 인해 전체적으로 하중이 분산되었기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 손상은 국부적인 균열에 불과하며, 무보강 실험체처럼 보와 기둥의 접합부나 기초부위에서 심각한 콘크리트의 파괴는 발생하지 않았다.
또한 Fig. 9에서 확인할 수 있듯이 ENTA 에너지 소산장치는 반복 하중에 의해 스트러트가 항복하면서 휨 변형이 발생하였다. 이는 외부하중에서 오는 에너지를 소산하면서 항복에 도달하여 소성변형이 발생한 상태를 의미한다.
4.2 에너지 소산 능력
반복하중을 겪는 구조체의 에너지 소산능력(Energy dissipation capacity)은 내진성능 검증시 중요한 지표이다. 전체 소산 에너지(Et)는 각 실험체별 최종적인 층간변형각에 도달할 때까지의 하중-변위 곡선의 이력 그래프의 면적을 합산하여 산정하였다. 미소 변위 Δn의 개수는 이론상 무한대이지만 데이터상의 한계 상 100회 이상의 값으로 산정하여 에너지 소산을 계산하였다.
실험체들이 소산한 에너지량은 Fig. 10와 Table 4에서 보여준다. 전체적으로 소산에너지는 소성변형이 작은 초기 가력 구간에서는 미세한 변화를 보이다가, 가력 변위가 큰 후반부에서는 증가함을 보인다. 또한 모든 변형각 구간에서 ENTA 보강 실험체가 무보강 실험체 대비 큰 에너지 소산량을 가진다. Fig. 9는 변위에 대한 누적 에너지 소산 면적을 보여주며 2%의 변형각에서의 소산량은 무보강 실험체 129.28 kN⋅m, ENTA 실험체 396.26 kN⋅m으로 계산되었다. 이는 보강 실험체가 무보강 실험체 대비 3.07배의 에너지 소산 능력을 지닌 것으로 확인된다. 이러한 결과는 ENTA 보강 공법이 반복하중 상황에서 초기 단계부터 에너지를 적극적으로 흡수하고, 대변형 구간에서도 안정적으로 소산능력을 유지하여 구조물의 내진 성능을 크게 향상시켰다.
Table 4
Energy Dissipation Per Cycle
| Drift angle (%) | Original (kN⋅m) | ENTA (kN⋅m) |
|---|---|---|
| 0.25 | 1.98 | 4.17 |
| 0.5 | 5.08 | 19.26 |
| 0.75 | 8.58 | 41.34 |
| 1.0 | 12.81 | 63.34 |
| 1.25 | 18.79 | 81.78 |
| 1.5 | 27.08 | 86.28 |
| 2.0 | 54.95 | 100.09 |
| Total | 129.28 | 396.26 |
따라서 ENTA 보강공법의 경우 보강 부재로 인한 강도⋅강성 증진 외에 ENTA 에너지 소산장치의 이력거동을 통한 추가적인 에너지 소산 능력 확보로 기존 공법과 비교하여 우수한 내진 보강 효과를 기대할 수 있는 것으로 판단된다.
4.3 강성 저하율
강성은 구조물이 본래 형태를 유지하기 위해 지니는 중요한 특성이다. 지진 등 대규모 하중이 구조물에 가해지면 구조성능의 저하가 발생하게 된다. 구조물의 내구성과 안전성 저하의 경향을 정략적으로 파악하기 위해서 강성저하 곡선을 통해 확인하였다.
Fig. 11의 강성저하 곡선은 실험체의 각 사이클에서 정⋅부방향의 최대하중을 최대변위로 나눈 값으로 계산된다. 초기강성은 첫 번째 사이클의 가력변위인 14.3 mm에 대응하는 하중을 나누는 방식으로 산정하였다. 실험 시작 시 정방향 하중을 가하였기 때문에 부방향 대비 정방향의 초기 강성, 최대내력이 더 높게 측정되었다. 초기 강성은 무보강 실험체가 7.68 kN/mm, ENTA 보강 실험체가 14.19 kN/mm로 초기 강성이 1.85배 증가하였다. 무보강 실험체와 ENTA 보강 실험체 모두 변형각이 증가함에 따라 강성이 점진적으로 감소하는 거동을 보였다. 이는 반복하중을 받으면서 균열이 발생하고 철근이 항복하는 등의 누적 손상으로 인해서 강성이 감소하기 때문이다. 동일한 변형각에서 ENTA 보강 실험체의 강성값이 무보강 실험체에 비해 큰 값을 가지는 것으로 나타났다. 이는 보강 공법이 초기 강성뿐만 아니라 비선형 구간에서도 지속적으로 구조성능을 향상시키기 때문인 것으로 판단된다.
5. 소성매커니즘에 따른 강도평가
모멘트 저항 골조의 횡방향 하중 지지 능력을 평가하기 위해서 무보강 골조와 ENTA보강 골조의 휨강도를 산정하였다. ENTA 에너지 소산장치의 스트러트는 휨강도와 에너지 소산 능력을 향상시키지만, Fig. 12에 제시된 소성힌지에 대한 강도 평가에서는 고려되지 않는다. 이는 소성힌지 매커니즘이 보와 기둥 단부에서 휨 항복이 발생한다고 가정하는 반면, ENTA는 기존의 소성힌지 방식이 아닌 비선형 축변형을 통해 에너지를 소산하기 때문이다. 또한, 소성 힌지 해석은 강도를 단순하고 보수적으로 추정하는 데 목적이 있으므로, 에너지 소산장치와 같은 2차 부재는 일반적으로 제외된다.
ENTA 시스템은 등가 강도 및 강성을 가진 대각 브레이싱 시스템으로 이상화하여 계산하였다. 이러한 단순화를 통해 보강 골조 내에서 소성힌지 메커니즘을 적용할 수 있으며, 이를 바탕으로 보강 시스템의 본질적인 하중 저항 거동에 대한 휨강도 산정이 가능하다. 비교 대상은 무보강 골조와 ENTA 보강 골조로 구분하였으며, 철근콘크리트 부재의 휨 강도는 RC 구조의 경우 ACI 318-19 (ACI Committee 318, 2019), 강구조 부재의 경우 AISC 360 (American Institute of Steel Construction, 2016) 규정에 따라 산정되었다. 이를 통해 ENTA 보강 시스템이 구조물의 횡하중 저항 성능에 미치는 영향을 분석할 수 있다. Table 5는 계산 결과를 보여준다.
Table 5
Member Strengths of Moment-Resisting Structures (unit: kN.m)
| Spec. | Frame | ENTA system | |
|---|---|---|---|
| Column (Mc) | Beam (Mb) | Mpp | |
| Original | 411.05 | 435.21 | - |
| ENTA | 411.05 | 435.21 | 75.25 |
6. 결 론
지진에 취약한 구조적 특징을 지닌 학교시설의 내진성능 저항 매커니즘을 확인하기 위해서 ENTA 보강된 골조와 무보강 골조 2개의 실험체를 제작하여 횡방향 반복가력하중 실험을 수행하였다. 부재 변형각 2%를 기준으로 비교한 결과는 다음과 같다.
(1) ENTA 보강 실험체는 주철근보다 에너지 소산장치의 스트러트에서 먼저 항복이 발생하여 외력을 선제적으로 분담하는 거동을 보였다. 이는 무보강 실험체와 비교할 때 ENTA 보강된 구조체의 경우 손상을 지연시키는 효과를 기대할 수 있는 것으로 판단된다.
(2) 무보강 실험체의 파괴양상을 확인해보면 하부 기초와 1층 접합부에서의 파괴가 두드러지는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 ENTA 보강 실험체는 1층 보에서 제일 큰 하중과 모멘트가 발생하면서 많은 에너지들을 흡수하는 거동을 하여 1층 보에서는 큰 손상이 발생하지만 그 외에 보와 기둥의 접합부나 기초부위에서 심각한 콘크리트의 파괴는 발생하지 않았다.
(3) ENTA 보강 실험체는 무보강 실험체 대비 초기 강성이 약 1.85배, 최대 내력이 약 1.62배 증가하였다. 이는 보강 실험체가 동일 변형각 범위 내에서 더 큰 저항 능력을 발휘함을 보여준다.
(4) 누적 에너지 소산의 경우 2% 변형각에서 무보강 실험체 129.28 kN⋅m에 비해 ENTA 보강 실험체는 396.26 kN⋅m으로 약 3.07배 증가하였다. 이는 ENTA 보강 공법이 초기 가력 단계에서부터 에너지를 적극적으로 흡수하고, 대변형 구간에서도 안정적인 소산 능력을 유지함으로써 반복하중 조건에서 구조물의 내진 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 의미한다.
(5) 강성 저하율을 검토하였을 때 동일 변형각에서도 높은 강성을 유지하며 반복하중 조건에서 우수한 성능을 발휘하였다. 강성 저하율 분석에서 보강 실험체는 초기에는 빠른 저하를 보였으나, 이는 에너지 소산 과정으로 해석될 수 있으며 이후 대변형 구간에서 저하율이 안정적으로 수렴하여 구조적 안정성을 확보하였다.
(6) 소성매커니즘을 이용하여 보강 골조의 강도를 예측하였을 때 실험강도와 매커니즘의 예측강도와 비슷한 결과값을 가지는 것으로 나타났다. 이는 실험의 유효성을 입증하는 결과라고 판단할 수 있으며 향후 실험전에 또는 내력 검증의 목적으로 신속하게 평가하는데 유용하게 사용할 수 있다.
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