내진보강을 위한 경제손실기반 성능설계기법에 관한 해석적 연구 : 학교시설을 중심으로 An Analytical Study to Suggest Performance-Based Design for Seismic Retrofit on the basis of Economic Loss : Focused on School Facilities원문보기
본 연구는 학교시설물을 중심으로 내진보강을 위한 경제손실기반의 성능설계기법을 제시하고, 내진보강 공법의 적용을 위한 지표로 활용하기 위한 하나의 방법으로 이를 활용하는데 그 목적이 있다. 기존 내진보강 설계에 활용되는 비선형 정적해석의 문제점을 도출하고, 비선형 동적해석의 필요성을 입증하였다. 또한 전단벽 및 가새설치 등의 내진보강 공법 선정을 위한 하나의 지표로 내진보강 공사비와 지진 발생 시 예상되는 보수비용을 산정하였다. 기존 국내 학교시설물의 내진보강설계와 공법의 선정은 다음과 같은 한계를 갖는다. 1) 비선형 정적해석을 통한 내진보강설계 : 비선형 정적해석을 통한 내진보강 설계는 설계의 간편함으로 초기 내진보강계획의 설정은 우수하다. 하지만 강도 및 강성보강 공법의 보강부재가 구조물에 추가될 경우 보강 후의 구조물은 보강 전 구조물과는 상이한 동특성이 부여되지만, 설계법상 이를 고려하고 있지 않은 단점을 갖는다; 2) 비전문가의 내진공법 선정의 어려움과 판단을 위한 지표의 부족 : 학교시설물의 내진공법의 선정은 사업을 담당하는 공무원, 의사결정자 등의 비전문가에 의하여 결정되는 경우가 다수이며, 이러한 이유로 구조적 안전성의 확인보다는 예산 및 시공성 등에만 그 초점을 맞춰 지진발생 시의 단계와 지진발생 이후 보수 단계 등에 대한 고려사항이 부재한 실정이다. 이러한 한계점을 고려하여 국내 학교시설물의 비선형 정적해석을 수행하여 그 한계점을 명확히 하고 비선형 동적해석을 통해 보다 정확한 내진보강설계안을 확인하였다. 특히, 비전문가도 내진보강공법의 선정에 있어서 판단근거를 확인하기 위하여 ...
본 연구는 학교시설물을 중심으로 내진보강을 위한 경제손실기반의 성능설계기법을 제시하고, 내진보강 공법의 적용을 위한 지표로 활용하기 위한 하나의 방법으로 이를 활용하는데 그 목적이 있다. 기존 내진보강 설계에 활용되는 비선형 정적해석의 문제점을 도출하고, 비선형 동적해석의 필요성을 입증하였다. 또한 전단벽 및 가새설치 등의 내진보강 공법 선정을 위한 하나의 지표로 내진보강 공사비와 지진 발생 시 예상되는 보수비용을 산정하였다. 기존 국내 학교시설물의 내진보강설계와 공법의 선정은 다음과 같은 한계를 갖는다. 1) 비선형 정적해석을 통한 내진보강설계 : 비선형 정적해석을 통한 내진보강 설계는 설계의 간편함으로 초기 내진보강계획의 설정은 우수하다. 하지만 강도 및 강성보강 공법의 보강부재가 구조물에 추가될 경우 보강 후의 구조물은 보강 전 구조물과는 상이한 동특성이 부여되지만, 설계법상 이를 고려하고 있지 않은 단점을 갖는다; 2) 비전문가의 내진공법 선정의 어려움과 판단을 위한 지표의 부족 : 학교시설물의 내진공법의 선정은 사업을 담당하는 공무원, 의사결정자 등의 비전문가에 의하여 결정되는 경우가 다수이며, 이러한 이유로 구조적 안전성의 확인보다는 예산 및 시공성 등에만 그 초점을 맞춰 지진발생 시의 단계와 지진발생 이후 보수 단계 등에 대한 고려사항이 부재한 실정이다. 이러한 한계점을 고려하여 국내 학교시설물의 비선형 정적해석을 수행하여 그 한계점을 명확히 하고 비선형 동적해석을 통해 보다 정확한 내진보강설계안을 확인하였다. 특히, 비전문가도 내진보강공법의 선정에 있어서 판단근거를 확인하기 위하여 FEMA P-58에 근거한 각 부재별 손상상태 별 보수비용 기준 데이터를 활용하였다. 비선형 정적해석은 1980년대 학교 교사 표준설계도를 참조하여 학교시설물 표본시설을 선정하였으며, 표본시설의 내진설계 조건을 가정하였다. 표본시설을 현행 내진성능 평가 기준의 비선형 정적해석 절차에 기반하여 지반 조건(S2, S3, S4)에 따라 보강이 없는 경우와 전단벽 및 철골 가새를 적용한 내진보강에 대하여 수행하였다. 보강을 하지 않은 경우 모든 지반조건에서 내진보강이 필요하였으며, 전단벽 및 철골 가새를 적용한 경우 성능 수준은 만족하는 것을 평가되었으나, 지반조건에 따라 성능수준의 변별력을 확인할 수 없었다. 내진 보강의 따른 성능수준의 변별력을 확인하기 위하여 수행한 비선형 동적해석의 부지응답 조건은 PEER Center에서 수집된 35 type의 지진파 중 목표 스펙트럼을 고려한 7 type의 지진파를 각 상황별로 선정하였다. 또한, 비선형 동적해석은 부지응답 조건을 기반으로 지반조건, 하중조합 및 설계조건을 고려하여 총 36개의 해석을 수행하였다. 그 결과 S4지반에서 전단벽으로 내진보강된 표본시설은 내진성능목표를 달성하지 못했다. 철골 브레이스로 내진보강된 표본시설은 비선형 정적해석과 동일한 인명안전(LS)을 성능목표를 달성하였다. S3지반에서 전단벽으로 내진보강된 표본시설은 붕괴안전(CP)으로 성능목표를 확보하였다. 이는 비선형 정적해석 결과의 인명안전(LS) 성능목표에서 하향된 결과를 나타내었다. 즉, 내진보강 이후 동특성이 변경된 학교시설물에 대한 고유치해석의 재평가 및 비선형 동적해석 절차 검증의 필요성이 확인하였다. 구조적 측면에서 비선형 동적해석기법을 통해 선정된 내진보강공법들은 비전문가가 상세내용의 확인이 어렵다는 단점이 있다. 이에 비전문가가 가장 쉽게 평가할 수 있도록 비용에 중점을 둔 성능지표를 제안하였다. 제안식의 구성은 내진보강비용, 내진보강 전 구조물의 보수비용 그리고 내진보강 후 보수비용을 주요 구성요소로 구성하였다. 보수비용의 산정을 위한 데이터는 FEMA -P58의 각 부재 손상상태별 보수비용을 기준으로 활용하였으며, 비선형정적해석의 결과와 비선형동적해석결과가 각 층별 층간변형각 또는 각 부재별 부재회전각을 기준으로 지진발생 시 골조의 보수 비용을 고려하여 평가하였다. 이로부터 각 하중조합, 지반조건, 설계조건을 고려한 경제성 기반의 지표들을 제시하였다. 최종적으로, 본 연구는 학교시설물의 내진보강을 위하여 비선형정적해석의 문제점을 파악하고, 비선형동적해석을 통한 구조물의 안정적 설계의 필요성을 확인하였다. 또한 경제성을 고려한 성능설계기법을 제시하여, 그 유효성을 확인하였다. 이를 통해 비전문가인 사업의 주체가 보다 객관적으로 내진보강 공법을 선정하는데 근거를 마련하도록 하였다.
본 연구는 학교시설물을 중심으로 내진보강을 위한 경제손실기반의 성능설계기법을 제시하고, 내진보강 공법의 적용을 위한 지표로 활용하기 위한 하나의 방법으로 이를 활용하는데 그 목적이 있다. 기존 내진보강 설계에 활용되는 비선형 정적해석의 문제점을 도출하고, 비선형 동적해석의 필요성을 입증하였다. 또한 전단벽 및 가새설치 등의 내진보강 공법 선정을 위한 하나의 지표로 내진보강 공사비와 지진 발생 시 예상되는 보수비용을 산정하였다. 기존 국내 학교시설물의 내진보강설계와 공법의 선정은 다음과 같은 한계를 갖는다. 1) 비선형 정적해석을 통한 내진보강설계 : 비선형 정적해석을 통한 내진보강 설계는 설계의 간편함으로 초기 내진보강계획의 설정은 우수하다. 하지만 강도 및 강성보강 공법의 보강부재가 구조물에 추가될 경우 보강 후의 구조물은 보강 전 구조물과는 상이한 동특성이 부여되지만, 설계법상 이를 고려하고 있지 않은 단점을 갖는다; 2) 비전문가의 내진공법 선정의 어려움과 판단을 위한 지표의 부족 : 학교시설물의 내진공법의 선정은 사업을 담당하는 공무원, 의사결정자 등의 비전문가에 의하여 결정되는 경우가 다수이며, 이러한 이유로 구조적 안전성의 확인보다는 예산 및 시공성 등에만 그 초점을 맞춰 지진발생 시의 단계와 지진발생 이후 보수 단계 등에 대한 고려사항이 부재한 실정이다. 이러한 한계점을 고려하여 국내 학교시설물의 비선형 정적해석을 수행하여 그 한계점을 명확히 하고 비선형 동적해석을 통해 보다 정확한 내진보강설계안을 확인하였다. 특히, 비전문가도 내진보강공법의 선정에 있어서 판단근거를 확인하기 위하여 FEMA P-58에 근거한 각 부재별 손상상태 별 보수비용 기준 데이터를 활용하였다. 비선형 정적해석은 1980년대 학교 교사 표준설계도를 참조하여 학교시설물 표본시설을 선정하였으며, 표본시설의 내진설계 조건을 가정하였다. 표본시설을 현행 내진성능 평가 기준의 비선형 정적해석 절차에 기반하여 지반 조건(S2, S3, S4)에 따라 보강이 없는 경우와 전단벽 및 철골 가새를 적용한 내진보강에 대하여 수행하였다. 보강을 하지 않은 경우 모든 지반조건에서 내진보강이 필요하였으며, 전단벽 및 철골 가새를 적용한 경우 성능 수준은 만족하는 것을 평가되었으나, 지반조건에 따라 성능수준의 변별력을 확인할 수 없었다. 내진 보강의 따른 성능수준의 변별력을 확인하기 위하여 수행한 비선형 동적해석의 부지응답 조건은 PEER Center에서 수집된 35 type의 지진파 중 목표 스펙트럼을 고려한 7 type의 지진파를 각 상황별로 선정하였다. 또한, 비선형 동적해석은 부지응답 조건을 기반으로 지반조건, 하중조합 및 설계조건을 고려하여 총 36개의 해석을 수행하였다. 그 결과 S4지반에서 전단벽으로 내진보강된 표본시설은 내진성능목표를 달성하지 못했다. 철골 브레이스로 내진보강된 표본시설은 비선형 정적해석과 동일한 인명안전(LS)을 성능목표를 달성하였다. S3지반에서 전단벽으로 내진보강된 표본시설은 붕괴안전(CP)으로 성능목표를 확보하였다. 이는 비선형 정적해석 결과의 인명안전(LS) 성능목표에서 하향된 결과를 나타내었다. 즉, 내진보강 이후 동특성이 변경된 학교시설물에 대한 고유치해석의 재평가 및 비선형 동적해석 절차 검증의 필요성이 확인하였다. 구조적 측면에서 비선형 동적해석기법을 통해 선정된 내진보강공법들은 비전문가가 상세내용의 확인이 어렵다는 단점이 있다. 이에 비전문가가 가장 쉽게 평가할 수 있도록 비용에 중점을 둔 성능지표를 제안하였다. 제안식의 구성은 내진보강비용, 내진보강 전 구조물의 보수비용 그리고 내진보강 후 보수비용을 주요 구성요소로 구성하였다. 보수비용의 산정을 위한 데이터는 FEMA -P58의 각 부재 손상상태별 보수비용을 기준으로 활용하였으며, 비선형정적해석의 결과와 비선형동적해석결과가 각 층별 층간변형각 또는 각 부재별 부재회전각을 기준으로 지진발생 시 골조의 보수 비용을 고려하여 평가하였다. 이로부터 각 하중조합, 지반조건, 설계조건을 고려한 경제성 기반의 지표들을 제시하였다. 최종적으로, 본 연구는 학교시설물의 내진보강을 위하여 비선형정적해석의 문제점을 파악하고, 비선형동적해석을 통한 구조물의 안정적 설계의 필요성을 확인하였다. 또한 경제성을 고려한 성능설계기법을 제시하여, 그 유효성을 확인하였다. 이를 통해 비전문가인 사업의 주체가 보다 객관적으로 내진보강 공법을 선정하는데 근거를 마련하도록 하였다.
This dissertation aims to present a performance-based design on the basis of economic loss for seismic retrofit focusing on school facilities, and to use it as an indicator for the application of the seismic retrofit method. The problem of nonlinear-static analysis used in the existing seismic retro...
This dissertation aims to present a performance-based design on the basis of economic loss for seismic retrofit focusing on school facilities, and to use it as an indicator for the application of the seismic retrofit method. The problem of nonlinear-static analysis used in the existing seismic retrofit design was derived, and the necessity of nonlinear-dynamic analysis was proved. In addition, as an indicator for selecting seismic retrofit techniques such as shear wall and brace installation, the construction cost of seismic retrofit and the expected repair cost in case of an earthquake were calculated. The seismic retrofit design and selection of construction methods for existing domestic school facilities have the following limitations. 1) Seismic retrofit design through nonlinear-static analysis: The seismic retrofit design through nonlinear-static analysis is excellently applied to the initial seismic retrofit plan because of the simplicity of the design. However, when a strengthening member of the strength and rigidity strengthening technique is added to the structure, the structure after strengthening is given different dynamic characteristics from the structure before strengthening, however, nonlinear-static analysis does not concern about mentioned problems; 2) Difficulty in selecting seismic retrofit technique for non-experts and lack of indicators for judgment : The selection of the seismic retrofit technique for school facilities is often decided by non-specialists such as public officials and decision makers in charge of the project. For this reason, the focus is only on budget and constructability rather than confirmation of structural safety. To clarify these limitations, this study performed a nonlinear-static analysis of domestic school facilities. In addition, a more accurate seismic retrofit design was confirmed through nonlinear-dynamic analysis. In particular, data based on incidental cost according to the damage state of each member on the basis of FEMA P-58 was used so that non-experts could also check the basis for judgment in the selection of the seismic retrofit technique. For the nonlinear-static analysis, referring to the 1980s school standard design, sample facilities for school facilities were selected and the conditions for seismic design of the sample facilities were assumed. Based on the nonlinear-static analysis procedure of the current seismic retrofit performance evaluation standard, according to the ground conditions (S2, S3, S4), analysis was performed on the case where there was no strengthening of the sample facility and the case of seismic retrofit by applying shear walls and steel braces. If no strengthening was applied, seismic retrofit was required in all ground conditions, and it was evaluated that the seismic performance level was satisfactory when shear walls and steel braces were applied. However, the discriminative power of the performance level could not be confirmed according to the ground conditions. Nonlinear-dynamic analysis was performed to confirm the discrimination of the performance level according to seismic retrofit. For the site response condition of the analysis, 7 types of seismic waves among 35 types of seismic waves collected at the PEER Center were selected according to each situation considering the target spectrum. In addition, a total of 36 nonlinear dynamic analyzes were performed by considering the ground conditions, load combinations and design conditions based on the site response conditions. As a result, the sample facility strengthened with shear walls in the S4 ground did not achieve the target seismic performance. The sample facility seismic retrofitted by steel braces achieved the same life safety level (LS) as the nonlinear-static analysis performance goal. And other sample facility from the S3 ground seismic retrofitted by shear wall, secured the performance target as the Collapse Prevention Level (CP), which is lower than the safety of life (LS), the result of nonlinear-static analysis. In other words, the necessity of re-evaluation of eigenvalue analysis and verification of non-linear dynamic analysis procedures for school facilities with changed dynamic characteristics after seismic retrofit was confirmed. In terms of structure, seismic retrofit techniques selected through nonlinear-dynamic analysis have a disadvantage in that it is difficult for non-experts to check the details. Therefore, a performance indicator focused on cost was proposed so that non-experts could easily evaluate it. The composition of the proposed formula consists of the cost of seismic retrofit, the repair cost of the structure before seismic retrofit, and the repair cost after seismic retrofit. The repair cost was calculated by using the repair cost for each damaged state of each member of FEMA P-58. Furthermore, the repair cost was also evaluated concerning repair cost of frame at the time of earthquake based on the interlayer deformation angle or member rotation angle of the results of nonlinear-static analysis and nonlinear-dynamic analysis. From this, economic indicators based on each load combination, ground condition, and design condition were presented. Finally, this study identifies the problems of nonlinear-static analysis for seismic retrofit of school facilities, and confirmed the necessity for stable design of structures through nonlinear-dynamic analysis. In addition, performance-based design considering economic feasibility was presented and its effectiveness was confirmed. Accordingly, the decision maker of the project who is non-professional will be able to objectively select the seismic retrofit technique.
This dissertation aims to present a performance-based design on the basis of economic loss for seismic retrofit focusing on school facilities, and to use it as an indicator for the application of the seismic retrofit method. The problem of nonlinear-static analysis used in the existing seismic retrofit design was derived, and the necessity of nonlinear-dynamic analysis was proved. In addition, as an indicator for selecting seismic retrofit techniques such as shear wall and brace installation, the construction cost of seismic retrofit and the expected repair cost in case of an earthquake were calculated. The seismic retrofit design and selection of construction methods for existing domestic school facilities have the following limitations. 1) Seismic retrofit design through nonlinear-static analysis: The seismic retrofit design through nonlinear-static analysis is excellently applied to the initial seismic retrofit plan because of the simplicity of the design. However, when a strengthening member of the strength and rigidity strengthening technique is added to the structure, the structure after strengthening is given different dynamic characteristics from the structure before strengthening, however, nonlinear-static analysis does not concern about mentioned problems; 2) Difficulty in selecting seismic retrofit technique for non-experts and lack of indicators for judgment : The selection of the seismic retrofit technique for school facilities is often decided by non-specialists such as public officials and decision makers in charge of the project. For this reason, the focus is only on budget and constructability rather than confirmation of structural safety. To clarify these limitations, this study performed a nonlinear-static analysis of domestic school facilities. In addition, a more accurate seismic retrofit design was confirmed through nonlinear-dynamic analysis. In particular, data based on incidental cost according to the damage state of each member on the basis of FEMA P-58 was used so that non-experts could also check the basis for judgment in the selection of the seismic retrofit technique. For the nonlinear-static analysis, referring to the 1980s school standard design, sample facilities for school facilities were selected and the conditions for seismic design of the sample facilities were assumed. Based on the nonlinear-static analysis procedure of the current seismic retrofit performance evaluation standard, according to the ground conditions (S2, S3, S4), analysis was performed on the case where there was no strengthening of the sample facility and the case of seismic retrofit by applying shear walls and steel braces. If no strengthening was applied, seismic retrofit was required in all ground conditions, and it was evaluated that the seismic performance level was satisfactory when shear walls and steel braces were applied. However, the discriminative power of the performance level could not be confirmed according to the ground conditions. Nonlinear-dynamic analysis was performed to confirm the discrimination of the performance level according to seismic retrofit. For the site response condition of the analysis, 7 types of seismic waves among 35 types of seismic waves collected at the PEER Center were selected according to each situation considering the target spectrum. In addition, a total of 36 nonlinear dynamic analyzes were performed by considering the ground conditions, load combinations and design conditions based on the site response conditions. As a result, the sample facility strengthened with shear walls in the S4 ground did not achieve the target seismic performance. The sample facility seismic retrofitted by steel braces achieved the same life safety level (LS) as the nonlinear-static analysis performance goal. And other sample facility from the S3 ground seismic retrofitted by shear wall, secured the performance target as the Collapse Prevention Level (CP), which is lower than the safety of life (LS), the result of nonlinear-static analysis. In other words, the necessity of re-evaluation of eigenvalue analysis and verification of non-linear dynamic analysis procedures for school facilities with changed dynamic characteristics after seismic retrofit was confirmed. In terms of structure, seismic retrofit techniques selected through nonlinear-dynamic analysis have a disadvantage in that it is difficult for non-experts to check the details. Therefore, a performance indicator focused on cost was proposed so that non-experts could easily evaluate it. The composition of the proposed formula consists of the cost of seismic retrofit, the repair cost of the structure before seismic retrofit, and the repair cost after seismic retrofit. The repair cost was calculated by using the repair cost for each damaged state of each member of FEMA P-58. Furthermore, the repair cost was also evaluated concerning repair cost of frame at the time of earthquake based on the interlayer deformation angle or member rotation angle of the results of nonlinear-static analysis and nonlinear-dynamic analysis. From this, economic indicators based on each load combination, ground condition, and design condition were presented. Finally, this study identifies the problems of nonlinear-static analysis for seismic retrofit of school facilities, and confirmed the necessity for stable design of structures through nonlinear-dynamic analysis. In addition, performance-based design considering economic feasibility was presented and its effectiveness was confirmed. Accordingly, the decision maker of the project who is non-professional will be able to objectively select the seismic retrofit technique.
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