최근 판상형 전단벽식 아파트 건물의 고층화와 필로티 설치는 지진발생시 벽량부족현상과 약층 및 연약층을 발생시켜 그 층에서 비탄성 거동이 집중되는 우려가 있다. 본 연구에서는 필로티를 갖는 철근콘크리트 전단벽식 건물에 대하여 FEMA 273과 ATC-40에서 제안하고 있는 성능평가기법을 이용하여 내진성능평가를 실시하고, 그 결과를 비교$\cdot$고찰하였다. 탄성해석을 이용한 내진성능평가 결과, 필로티와 층수에 따라 내진성능지수가 감소되는 것으로 나타났다. 전단벽식 구조물의 경우 강도, 즉 전단응력의 부족 현상이 전체 성능을 지배하고 있었으며, 특히 25층 이상의 경우 그 정도가 더욱 심한 것으로 나타났다. 특히 필로티가 있는 건물에서는 전단응력의 부족과 더불어 약층 및 층 중량 변화가 성능지수의 감소를 초래하고 있어 필로티가 없는 건물에 비하여 성능지수의 감소 경향이 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 능력스펙트럼을 이용한 비선형정적해석 결과, 층수가 증가하고 필로티가 있는 구조물일수록 성능점이 증가하고 있는 것으로 나타났으며, 평가대상 건물들의 대부분 변형 특성은 인명안전수준에서 허용치를 만족하고 있는 것으로 나타났으나, 25층 이상의 경우 즉시거주 요구수준을 초과하는 것으로 나타났다.
최근 판상형 전단벽식 아파트 건물의 고층화와 필로티 설치는 지진발생시 벽량부족현상과 약층 및 연약층을 발생시켜 그 층에서 비탄성 거동이 집중되는 우려가 있다. 본 연구에서는 필로티를 갖는 철근콘크리트 전단벽식 건물에 대하여 FEMA 273과 ATC-40에서 제안하고 있는 성능평가기법을 이용하여 내진성능평가를 실시하고, 그 결과를 비교$\cdot$고찰하였다. 탄성해석을 이용한 내진성능평가 결과, 필로티와 층수에 따라 내진성능지수가 감소되는 것으로 나타났다. 전단벽식 구조물의 경우 강도, 즉 전단응력의 부족 현상이 전체 성능을 지배하고 있었으며, 특히 25층 이상의 경우 그 정도가 더욱 심한 것으로 나타났다. 특히 필로티가 있는 건물에서는 전단응력의 부족과 더불어 약층 및 층 중량 변화가 성능지수의 감소를 초래하고 있어 필로티가 없는 건물에 비하여 성능지수의 감소 경향이 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 능력스펙트럼을 이용한 비선형정적해석 결과, 층수가 증가하고 필로티가 있는 구조물일수록 성능점이 증가하고 있는 것으로 나타났으며, 평가대상 건물들의 대부분 변형 특성은 인명안전수준에서 허용치를 만족하고 있는 것으로 나타났으나, 25층 이상의 경우 즉시거주 요구수준을 초과하는 것으로 나타났다.
The purpose of seismic design is to ensure the serviceability of buildings against earthquake, which might be occurred during the service life of buildings, and to minimize the loss of life by preventing their failure under strong earthquake. The lack resistance of walls resulting from a tendency to...
The purpose of seismic design is to ensure the serviceability of buildings against earthquake, which might be occurred during the service life of buildings, and to minimize the loss of life by preventing their failure under strong earthquake. The lack resistance of walls resulting from a tendency toward high-rise apartment buildings with shear walls and use of piloti would lead to a concentration of inelastic behaviors in their weak story. In this study, the seismic performance of reinforced concrete shear wall buildings haying piloti was analyzed by using the evaluation techniques which was proposed by FEMA 273 and ATC-40. The results from comparison with these two techniques are summarized as follows.; The results of elastic analysis method for seismic performance evaluation show that the effect of piloti and building height decrease performance index. In case of shear wall building, the state of insufficient shear stress governs their overall performance and it becomes evident in the case of the buildings with more than 25 stories. For the buildings of piloti, the change of mass, weak story, as well as insufficient shear stress, decrease the performance index rapidly compared with the performance index of the buildings without piloti. The results, obtained from the nonlinear static analysis using capacity spectrum method, indicate that the performance Point increases for the structure having Piloti and high story. Also, deformation limits of buildings satisfy the allowable criteria at the life safety level, but the immediate occupancy level is exceeded in buildings which have more than 25 stories.
The purpose of seismic design is to ensure the serviceability of buildings against earthquake, which might be occurred during the service life of buildings, and to minimize the loss of life by preventing their failure under strong earthquake. The lack resistance of walls resulting from a tendency toward high-rise apartment buildings with shear walls and use of piloti would lead to a concentration of inelastic behaviors in their weak story. In this study, the seismic performance of reinforced concrete shear wall buildings haying piloti was analyzed by using the evaluation techniques which was proposed by FEMA 273 and ATC-40. The results from comparison with these two techniques are summarized as follows.; The results of elastic analysis method for seismic performance evaluation show that the effect of piloti and building height decrease performance index. In case of shear wall building, the state of insufficient shear stress governs their overall performance and it becomes evident in the case of the buildings with more than 25 stories. For the buildings of piloti, the change of mass, weak story, as well as insufficient shear stress, decrease the performance index rapidly compared with the performance index of the buildings without piloti. The results, obtained from the nonlinear static analysis using capacity spectrum method, indicate that the performance Point increases for the structure having Piloti and high story. Also, deformation limits of buildings satisfy the allowable criteria at the life safety level, but the immediate occupancy level is exceeded in buildings which have more than 25 stories.
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문제 정의
우려가 있다细. 따라서 본 연구에서는 필로티를 갖는 전단벽식 아파트 건물에 대하여 성능수준을 즉시 거주수준(immediate occupancy level)과 인명 안전수준(life safety level)으로 설정하고, FEMA 273前과 ATC-4伊에서 제안하고 있는 내진성능평가 기법을 이용하여 신축건물의 내진성능(seismic performance)을 설계단계에서부터 검토하여 성능에 기초한 보유성능을 확보케 하려는데 그 목적을 두었다.
가설 설정
이때 댐핑 보정 인자 5, 6)(k)는 구조물의 완전한 이력거동을 고려하여 모두 1.0으로 가정하였다. CSM을 이용한 구조물의 성능 수준 단계에 따른 성능 평가에서 성능점과 소성 힌지는 성능 목표를 즉시거주(I。)와 인명안전(LS)수준으로 하여 산정하였으며, 층수와 필로티에 따른 성능곡선과 요구 곡선은 Figs.
제안 방법
0으로 가정하였다. CSM을 이용한 구조물의 성능 수준 단계에 따른 성능 평가에서 성능점과 소성 힌지는 성능 목표를 즉시거주(I。)와 인명안전(LS)수준으로 하여 산정하였으며, 층수와 필로티에 따른 성능곡선과 요구 곡선은 Figs. 6 ~ 11과 같다.
본 연구에서는 필로티를 갖는 철근콘크리트 전단벽식건물에 대하여 FEMA 273과 ATC-40에서 제안하고 있는 성능평가기법을 이용하여 내진성능평가를 실시하고, 그 결과를 비교. 분석하여 시스템별 내진성능을 알아보았다.
비교. 분석하여 시스템별 내진성능을 알아보았다. 일련의 연구결과를 통하여 나타난 필로티를 갖는 철근콘크리트 전단벽식 건물에 대한 내진성능은 다음과 같다.
비선형정적해석방법 인 CSMe 일방향가력해석을 이용하여 성능점과 성능점에 도달하는 과정시 발생한 부재의 응력 상태를 통해 강도 및 변형 능력을 평가한다. 이때 댐핑 보정 인자 5, 6)(k)는 구조물의 완전한 이력거동을 고려하여 모두 1.
본 연구에서는 ATC-40에서 제안하고 있는 실용적이고 효과적인 능력 스펙트럼 법(Capacity Spectrum Method : CSM)을 사용하였다. 비선형정적해석에 의하여 산정된 구조물의 능력 스펙트럼과 비탄성 요구스펙트럼과의 교차점을 성능점 (performance point) 이라 정의하고, 이를 이용하여 지진하중에 대한 재현주기별 구조물의 비탄성응답과 성능 수준을 판정하였다 건물의 성능 수준은 즉시 거주 단계에서는 사용 지진, 인명안전 단계에서는 설계지진으로 하여 평가목표를 설정하였다(Table 4참조)
산정된 구조물의 성능점에 대하여 구조물의 성능 수준에 따른 설계거동한계를 설정하여 구조물의 전반적인 거동이수용 가능한지 여부와 각 부재에 부가될 부재력 및 변형도가 강도 및 사용성에 적합한지를 판단하여 구조물의 내진 성능을 평가한게 된다. 따라서 CSM을 이용한 해석 결과는 AICTO의 규준에 따라 구조물은 성능수준에 따른 성능 점에서 응답한계&를 만족시켜야 한다(Table 5참조).
해석된 자료를 바탕으로 전단응려 약층, 연약층, 건물의 중량 비틀림 등을 이용하여 구조물의 내진 성능지수를 알아보고, 지진에 대한 잠재적인 결함 사항을 찾아 상세검토 여부를 결정하게 된다. 1415).
대상 데이터
본 연구에 적용된 건물은전단벽식 아파트 건물로서 1층은 필로티로된 보행 및 주차공간, 2층 이상은 주거공간으로 그 증수를 10증, 15증, 2(拷, 25증, 30증, 35증으로 확장시켜 적용하였다.
평가건물의 구조 형식은 철근콘크리트 라멘조와 전단벽식 구조로서 기등의 크기는 수평하중과 수직하중을 부담할 수 있도록 1000x1800 mm, 보는 1200x2800 mm로 되어있으며, 1층 층고는 5.8m이며 2층 이상은 2.7m로 하였다. 각 층에 따른 재료의 강도 및 벽두께와 작용하중은 Tables 1~ 3과 같다.
데이터처리
본 연구에서 사용된 해석프로그램은 MIDAS GENw과 SDS이며 3차원 골조해석을 통해 내진성능을 검토하였으며, 비선형정적해석은 pushover를 이용하였다. 건물의 바닥슬래브는 하중만으로 고려하였고, 해석모델링 에서 제외하여 슬래브의 강막효과(rigid diaphragm effect)는 무한 강성을 갖도록 하였다.
이론/모형
따라서 비선형정적해석 방법을 이 이용하여 점진적인 붕괴에 대한 파괴 모드를 정의함으로서 건물이 어떻게 거동하는지 확인할 수 있다. 본 연구에서는 ATC-40에서 제안하고 있는 실용적이고 효과적인 능력 스펙트럼 법(Capacity Spectrum Method : CSM)을 사용하였다. 비선형정적해석에 의하여 산정된 구조물의 능력 스펙트럼과 비탄성 요구스펙트럼과의 교차점을 성능점 (performance point) 이라 정의하고, 이를 이용하여 지진하중에 대한 재현주기별 구조물의 비탄성응답과 성능 수준을 판정하였다 건물의 성능 수준은 즉시 거주 단계에서는 사용 지진, 인명안전 단계에서는 설계지진으로 하여 평가목표를 설정하였다(Table 4참조)
성능/효과
1) NEHRP 기준에 따라 탄성해석을 통해 내진성능을 평가한 결과, 필로티와 층수에 따른 내진성능지수는 층수의 증가에 따라 필로티가 없는 건물은 4% ~ 11 %, 필로티가 있는 건물은 5.8 %~ 16.2 %로 감소되는 것으로 나타났다.
2) 필로티와 층수에 따른 내진성능지수의 감소 경향은 전단벽식 구조물의 경우 강도, 즉 전단응력의 부족 현상이 전체성능을 지배하고 있으며 25층 이상의 경우 그 정도가 더욱 심하게 나타났다. 특히 필로티가 있는 건물에서는 전단응력 부족과 더불어 약층발생 및 층 중량 변화가 성능지수의 감소를 초래하고 있어 필로티가 없는 건물에 비하여 성능지수의 감소성향이 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
3) 특히 필로티가 있는 건물인 경우, 약층발생으로 인해 비탄성 거동이 한 층에 집중되어 층간변위가 급격히 증 가하는 것으로 나타났다. 한편 필로티와 관계없이 25층 이상의 경우 전단벽체의 내력은 층수가 증가할수록 기존의 배근량 및 벽체단면으로는 부족한 것으로 나타났다.
4) 비선형정적해석 결과, 층수가 증가하고 필로티가 있는 구조물일수록 성능점이 증가하고 있는 것으로 나타났다. 평가대상 건물들의 변형특성은 인명안전 수준에서 허용치를 만족하고 있는 것으로 나타났으나, 25층 이상의 경우 즉시거주수준은 초과하는 것으로 나타났다.
5) 성능수준에 따른 성능점에서 20층 이상의 아파트의 경우 일부 부재에서 소성힌지회전각은 허용기준치를 초과하였으나 전단에 의한 접선 층간변위비는 만족하는 것으로 나타났다.
구조도서의 부재별 철근배근을 적용하여 CSM을 이용한 성능 평가 결과, 소성힌지의 발생 여부를 확인할 수 있었으며, 특히 X방향 벽체에서 소성힌지의 발생 빈도가 많을것을 알 수 있었다. 또한 2층(transfer zone)에서 성능 수준에 따라 소성힌지가 발생한 부재에 대해 소성힌지회전각및 접선층간변위비를 산정하여 허용기준을 만족하는지 검토한 결과, 소성힌지가 발생한 부재의 경우 소성힌지회전각은 즉시거주와 인명안전수준에서 허용기준치를 초과하는 것으로 나타났다.
6 ~ 11과 같다. 구조물의 이력특성을 고려한 유효 감쇠 계수(麝)의 경우 선형탄성설계스펙트럼의 점섬댐핑(5 %)과 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며, 해석 결과를 통한 능력곡선과 요구곡선에서 볼 수 있듯이 필로티가 있고 층수가 증가할수록 성능점이 증가하는 것으로 나타났다.
알 수 있었다. 또한 2층(transfer zone)에서 성능 수준에 따라 소성힌지가 발생한 부재에 대해 소성힌지회전각및 접선층간변위비를 산정하여 허용기준을 만족하는지 검토한 결과, 소성힌지가 발생한 부재의 경우 소성힌지회전각은 즉시거주와 인명안전수준에서 허용기준치를 초과하는 것으로 나타났다. 이는 모든 부재들이 전단보다는 휨에 의해 지배를 받는다는 것을 의미한다(Tables 8 ~ 9참조).
또한 전체적인 건물의 변형 특성은 인명안전수준(1.5%) 에서 허용치를 만족하고 있으나, 25층 이상 건물의 경우 필로티와 관계없이 즉시거주수준(0.3%)에 대한 변형 한계를 초과하는 것으로 나타났다. 즉 탄성해석 결과에서 문제로 제기되었던 25층 이상의 아파트의 경우 내진성능을향상시키는 조치가 필요하다(Figs.
더욱 심하게 나타났다. 특히 필로티가 있는 건물에서는 전단응력 부족과 더불어 약층발생 및 층 중량 변화가 성능지수의 감소를 초래하고 있어 필로티가 없는 건물에 비하여 성능지수의 감소성향이 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
평가대상 건물들의 변형특성은 인명안전 수준에서 허용치를 만족하고 있는 것으로 나타났으나, 25층 이상의 경우 즉시거주수준은 초과하는 것으로 나타났다.
따라서 탄성해석을 통해 얻어진 전단응력, 약층, 층간변위, 층중량 변화 등을 층에 따른 가중치를 적용하여 전체 구조물의 내진성능지수를 산정하게 된다. 필로티와 층수에 따른 내진성능지수는 층수의 증가에 따라 필로티가 없는 경우는 4%~11%, 필로티가 있는 경우는 5.8 % ~ 16.2 %로 감소되는 것으로 나타났다
것으로 나타났다. 한편 필로티와 관계없이 25층 이상의 경우 전단벽체의 내력은 층수가 증가할수록 기존의 배근량 및 벽체단면으로는 부족한 것으로 나타났다.
현행 내진설계에 사용되는 해석방법인 탄성해석을 통하여 부재에 발생하는 응력의 크기, 구조시스템상의 약 층의 존재 여부를 확인한 결과, 전단벽체 응력은 필로티와 관계없이 20층 이상 아파트 건물의 경우 기존 설계되어 있는벽량으로는 X방향 저층부에서 허용전단응력 (Vavg<350 KN/mB을 초과하는 것으로 나타났다. 또한 전 이층으로 인하여 약층이 발생하고 있다.
참고문헌 (15)
김건우 외 5, '통신용 건물의 내진성능평가 방법', 한국구조물진단학회 논문집, Vol.6, No.1, 2002. 5, pp.55-60
Applied Technology Council, 'Evaluation the Seismic Resistance of Existing Buildings', ATC-14, 1987
SEAOC, Perfomance Based Seismic Engineering of Buildings, Vision 2000. Committee, Structural Engineering Association of California, Sacramento, California, 1995
김민수 외 5, '철근콘크리트 전단벽식 고층건물의 내진성능평가에 관한 연구', 한국구조물진단학회 논문집, Vol.6, No.2, 2002. 10, pp.129-134
김민수, '필로티를 갖는 철근콘크리트 전단벽식 건물의 내진성능' 공학박사학위논문, 인천대학교대학원, 2003. 12, pp.112-115
BSSC, NEHRP Guidelines for The Seismic Rehabilitation Buildings, Building Seismic Safety Council, FEMA 273, 1997
BSSC, NEHRP Commentary on the Guidelines for The Seismic Rehabilitation Buildings, Building Seismic Safety Council, FEMA 274, 1997
ATC, Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings, ATC-40 Report, Applied Technology Council, Redwood City, California, 1996
(주)합건설방재기술단, 인천광역시 S아파트 내진성능 평가 연구보고서, 합020820NO235, 2002. 8
(주)합건설방재기술단, 인천광역시 G아파트 내진성능 평가 연구보고서, 합020820NO315, 2002. 12
(주)합건설방재기술단, 인천광역시 D아파트 내진성능 평가 연구보고서, 합020820NO315, 2002. 6
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