Seismic Performance of RC Moment Frames Retrofitted with Internal or External Steel Frames

Abstract

As the awareness of the possibility of earthquake in Korea increases, interest in the seismic retrofit design of existing reinforced concrete structures with non - seismic details is increasing. Various seismic retrofitting methods have been developed for school buildings which have non-seismic details. In the case of old school buildings, however, it is difficult to find an appropriate retrofitting method for the existing structure because it is very poor in concrete strength and construction quality as well as having non-seismic details. The retrofitting methods of the school building to increase the strength and stiffness of the structure are commonly used lately. Retrofitting RC frame with external steel moment frame and internal steel moment frame are widely used, which are constructed in longitudinal direction of school building. Since the existing RC columns are not continuously reinforced with the internal steel moment frame, however, the steel frame changes the load transfer mechanism and increases the total load acting on the structure. In this study, to verify the seismic performance of the retrofitting method, five two-story frame specimens were tested under cyclic lateral loading. To verify the test results, a frame analysis model was proposed and the predicted strength and failure modes according to the elastic analysis were compared with test results. In addition, shear connection methods were developed and verified by shear test. The test results showed that the proposed retrofit method significantly increase the stiffness and strength of the RC moment frame. In the internal steel frame specimen, the maximum strength was reached due to the shear failure of the 1st story column and it was three times greater than that of RC frame without steel frame. The ductility capacity decreased slightly compared to the non - retrofitted frame but showed good energy dissipation due to yielding of retrofitted steel frame. The maximum load of external steel frame specimens decreased due to flexural crushing at the bottom of the 1st-story column. The deformation capacity was better but the energy dissipation was smaller than that of internal steel frame specimens. An analytical model consisting of line elements was proposed for the retrofitting structure design in practice and the analysis results were compared with the test results. Connection elements of analytical models were considered for shear and compressive behavior for internal-retrofitting and tensile, compressive and shear behavior for external-retrofitting. In the linear structure analysis result, the ordinary RC moment frame showed flexural failure of the 2nd-story beam while the result did not match the actual failure mode due to poor anchorage of rebars in beam-column joints. In case of internal-retrofitting, the analytical model showed shear failure of the 1st-story tensile column and it was consistent with the test result. The external-retrofitting model also showed failure of the 1st-story columns due to the crushing of concrete. In this study, experiments on two story and one bay RC moment frames retrofitted with internal or external steel frame were carried out to verify the seismic performance of the retrofitting methods to RC frames with non-seismic details. Based on the results of the experiment, the analytical model for RC frame was proposed. The results of the elastic analysis were compared to the test results to confirm the suitability of the design for the proposed model, and the design concept for the steel-retrofitted frame system was proposed.

국내 지진발생 가능성에 대한 인식이 증가함에 따라 비내진상세를 가진 기존 철근 콘크리트 구조체의 내진보강설계에 대한 관심도 증대되고 있다. 특히 비내진상세를 가진 학교 건물에 대한 다양한 내진보강공법이 개발되어 왔으나, 오래된 학교 건물의 경우 기존 구조체가 비내진상세를 가지는 것 뿐만 아니라 콘크리트 강도, 시공 품질 등에서 매우 열악하여 이에 맞는 적절한 보강법을 찾기란 매우 어렵다. 최근 이러한 학교 건물에 대하여 기존 구조체의 강도와 강성을 증가시켜 내진성능을 확보하는 강도증가공법이 많이 사용되고 있으며, 특히 장방향으로 취약한 학교 건물의 특성을 고려해 기존 골조 면외에 강재 골조를 설치하는 외부강재골조 공법과 면내에 액자 형태의 철골프레임을 설치하는 끼움강재골조 공법이 많이 사용되고 있다. 그러나 끼움강재골조는 기존 골조의 기둥이 연속적으로 보강되지 않으므로 기존의 하중 전달경로와 분포를 변화시키고 구조물에 작용하는 전체 하중을 증가시키므로 기존 골조의 파괴가 선행되어 의도한 보강 효과를 얻을 수 없는 경우가 많다. 따라서 본 연구에서는 정적반복횡가력 실험을 통하여 기존 철근콘크리트 골조에 외부강재골조 보강법과 끼움강재골조 보강법을 적용한 보강 골조에 대한 내진성능을 평가하고, 실험결과와 탄성 해석에 따른 예상 강도 및 파괴모드의 적합성을 검토하였다. 또한 보강강재골조를 기존 구조체에 접합시키는 접합 공법의 구조 성능에 대한 연구가 선행되었다. 제안된 외부강재골조와 끼움강재골조로 보강된 골조의 내진성능을 평가하기 위하여, 실물대와 유사한 2층-1경간 골조에 대하여 반복횡가력실험을 수행하였다. 실험결과 무보강 골조는 보 주근의 부적절한 정착 상세로 인하여 2-3층 보-기둥 접합부에서 전단파괴가 발생하였다. 끼움강재골조로 보강된 골조는 1층 기둥의 휨 항복 이후 기둥 중앙의 전단파괴로 하중이 감소하였고, 무보강 골조 대비 강도가 3배 이상 증가하였다. 연성 능력은 무보강 골조에 비해 다소 감소하였으나 보강 강재의 항복으로 인해 우수한 에너지소산을 보였다. 외부강재골조로 보강된 골조는 1층 기둥 단부의 휨 압괴로 최대 하중에 도달하였으며, 피복 탈락 후 기둥 주근의 좌굴로 하중이 감소하였다. 끼움강재골조로 보강된 실험체에 비하여 변형 능력이 우수했던 반면, 에너지소산은 작았다. 실무에서의 보강 설계를 위해 선재로 이루어진 해석모델이 제안되었으며 해석결과는 실험결과와 비교되었다. 해석모델의 연결재는 내부보강의 경우 전단과 압축 거동이, 외부보강의 경우 인장, 압축, 전단 거동이 고려되었다. 해석결과 무보강 골조의 경우 2층 보의 휨 파괴를 나타냈지만, 실험체 보 주근의 부적절한 정착 상세로 인해 실제 파괴모드와 일치하지 않았다. 내부보강골조의 경우는 1층 인장 기둥의 전단파괴를 나타냈으며 실험결과와 부합하였다. 외부보강골조 역시 실험결과와 마찬가지로 1층 RC기둥의 압축파괴를 보였다. 본 학위 논문에서는 비내진상세를 가지는 철근콘크리트 골조에 적용되는 강재 골조 보강법에 따른 내진성능을 검증하기 위해 기존 콘크리트-보강 강재 접합부와 2층-1경간 골조에 대한 실험을 수행하였다. 또한 실험결과를 바탕으로 보강골조에 대한 해석모델을 제안하였고, 탄성 해석 결과와 실험결과를 비교하여 제안된 모델에 대한 설계의 적절성을 확인하고 강재보강골조 시스템에 대한 설계 방안을 제시하였다.