[논문]기존 철근콘크리트 벽식 공동주택의 내진 성능 예비 평가법에 관한 연구

정란; 우성식; 최기영; 박태원

doi:10.4334/jkci.2007.19.3.293

문제 정의

과도한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 기준치를 조절할 수 있고, 전단응력의 변화에 따라 선형적으로 변하는 평가 지수 산정 방법을 제안하였다.
따라서 내진 성능 평가시 철근콘크리트 골조식 구조물에 대한 평가 방안을 준용하여 사용하고 있는 실정으로 그 정확성을 기대할 수 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 내력벽식 구조 공동주택의 내진 성능을 평가하고, 이에 대한 검증을 통하여 내진 성능 평가 결과의 적절성을 파악하는 기초 자료를 제시하기 위하여 수행하였다.
평가하였다. 본 논문에서는 평가 결과가 나타낼 수 있는 오류를 제시하고 그 대안으로 전단응력 평가 지수와 층간 변위 산정법을 수정 제안하였다. 그 내용을 요약하면 다음과 같다.
이로 인하여 내진설계가 고려되어 있는 구조물도 평가 지수가 낮게 평가되어, 최종 평가 지수만으로 평가하는 예비 평가의 결과가 왜곡될 우려가 있는 것으로 판단된다. 본 연구에서는 이를 검증하기 위하여 내진설계가 수행되지 않은 구조물과 내진설계가 수행된 구조물의 예비 평가 결과를 비교하고, 문제점으로 제시된 평가지수를 수정하여 예비 평가를 수행하여 보았다. Table 9는 기존의 내진 성능 예비 평가법에 의한 평가 지수와 본 연구에서 제안된 방법으로 수행된 내진 성능 예비 평가 지수를 나타낸 것으로, 수정된 평가 방법으로 수행된 평가 지수가 내진 성능 상세평가와 유사한 결론을 나타내고 있다.

가설 설정

층간 변위는 켄틸레버 구조로 가정하여 층간 변위를 구하였다. 장변 방향 지진력에 저항할 수 있는 전단벽이 충분이 존재하는 내진설계가 적용된 공동주택은 내진설계 도입 이전의 공동주택보다 다소 점수가 높게 나타났으나, 이 역시 층간 변위 허용치인 0.

제안 방법

그러나 내진 성능 예비 평가에서 내진설계되지 않은 공동주택의 경우 장변 방향으로 작용하는 벽이 없어 전단벽식 구조물로 분류할 수 없으나, 적용할 수 있는 구조 형식이 따로 제정된 것이 없어 전단벽식 구조물의 평가법을 준용하여 사용하였다. 이 평가법은 지진력 등의 횡력을 구조물의 전단벽이 부담하는 구조 형식이지만 우리나라의 내진설계 도입 이전의 기존 공동주택들은 장변 방향으로 전단벽이 거의 없어 전단벽식 구조물의 평가법으로 적용하기엔 다소 무리가 따른다.
선택하여 연구를 수행하였다. 대상 구조물에 대해서 기존에 적절하다고 판단되어 실무에 사용하고 있는 2004년 한국시설안전기술공단에서 제시한 '기존 건축물의 내진 성능 평가 요령, 으로 내진 성능 예비 평가를 수행하였다.
모델 구조물 7개 동에 대하여 내진 성능 예비 평가를 다음과 같이 수행하여 내진설계가 수행된 구조물과 내진설계가 수행되지 않은 구조물의 내진 성능 예비 평가 결과를 비교하였다.
상세 평가 항목에서는 벽체의 철근배근상세를 통하여 내진 성능을 평가하였다. 내진설계 도입 이전의 공동주택 A~D동은 철근비가 현행 기준인 벽체 총 단면의 0.
전체적인 성능 평가는 각 항목별 점수를 합산한 후, 각 항목별 가중치를 적용하여 총 점수를 산정하고, 그 점수를 구분하여 내진 성능 예비 평가를 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 공동주택의 내진 성능을 평가하기 위하여 대상 구조물의 선정을 1988년 내진설계 의무화 이전의 공동주택 4개동과 내진설계 도입이후의 공동주택 3개 동을 선택하여 연구를 수행하였다. 대상 구조물에 대해서 기존에 적절하다고 판단되어 실무에 사용하고 있는 2004년 한국시설안전기술공단에서 제시한 '기존 건축물의 내진 성능 평가 요령, 으로 내진 성능 예비 평가를 수행하였다.
연구에 수행된 공동주택은 현재 서울시 및 경기도에 소재하는 현존 구조물로 내진설계 도입 이전 구조물 군은 준공 시기는 1980~1982년으로 현재 23~25년이 경과한 노후 공동주택이며, 내진설계 도입 이후 구조물 군은 1992~1995년에 준공된 10~13년이 경과된 구조물로 건물 개요는 Table 1과 같다.

데이터처리

이 평가법은 지진력 등의 횡력을 구조물의 전단벽이 부담하는 구조 형식이지만 우리나라의 내진설계 도입 이전의 기존 공동주택들은 장변 방향으로 전단벽이 거의 없어 전단벽식 구조물의 평가법으로 적용하기엔 다소 무리가 따른다. 내진 성능 상세 평가는 ATC-4C月과 FEMA 27371에서 제시한 push-over 해석의 결과를 이용한 능력스펙트럼법 CSM(capacity spectrum method)을 이용하여 범용 구조해석 프로그램인 MIDAS-Gen과 MIDAS-SDS를 이용하여 구조물의 내진 성능을 평가한 후, 내진 성능 예비 평가에서 수행한 결과와 비교 . 분석하였다.

이론/모형

대상 공동주택의 내진 성능 상세 평가는 등가정적 비선형 해석 프로그램인 MIDAS-Gen의 비선형 지진 해석기능인 push-over 해석을 사용하였다. 평가 결과 Fig.
본 연구에서는 내진 성능 도입 이전과 이후의 모델 구조물들에 대하여 한국시설안전기술공단에서 제시한 ' 기존건축물의 내진 성능 평가 요령, 에 의한 내진 성능 예비 평가를 수행하였으며, 상세 평가는 push-over 해석에 의한 능력 스펙트럼법으로 평가하였다. 본 논문에서는 평가 결과가 나타낼 수 있는 오류를 제시하고 그 대안으로 전단응력 평가 지수와 층간 변위 산정법을 수정 제안하였다.
지진하중의 산정은 KBC - 2005sM 제시된 기준을 적용하였다. 그러나 내진 성능 예비 평가에서 내진설계되지 않은 공동주택의 경우 장변 방향으로 작용하는 벽이 없어 전단벽식 구조물로 분류할 수 없으나, 적용할 수 있는 구조 형식이 따로 제정된 것이 없어 전단벽식 구조물의 평가법을 준용하여 사용하였다.

성능/효과

1) 내진설계 도입 이전과 이후의 모델 구조물에 대하여 한국시설안전기술공단에서 제시하고 있는 '기존 건축물의 내진 성능 평가 요령'의 내진 성능 판정표에 따라 판정해본 결과 내진설계 도입 이전과 이후의 공동주택 모두 전체적인 내진 성능 보강을 필요로 하는 D둥급 또는 E등급으로 평가되어 평가의 차별성이 부족한 것으로 나타났다.
2) 철근콘크리트 벽식 공동주택의 경우, 평면의 변화가 없는 정형적인 구조로 되어있어 강도 항목의 약층, 강성 항목의 연약층과 인접성, 형상 항목의 하중 경로, 평면 변화, 질량 변화, 비틀림 그리고 상세 및 기타 항목의 개구부 보강과 같은 세부 항목들은 모두 허용치를 만족하는 결과를 보여주어 전체의 41%가 내진설계 도입 이전과 이후의 공동주택 모두 동일하게 나타나 내진 성능 보유 여부를 판가름할 수 있는 차별성이 부족한 것으로 판단된다.
3) 내진 성능 평가에서 전단응력은 큰 비중을 차지하지만 기존의 전단응력 평가 지수는 응력의 변화에 따라 성능지수가 불연속적으로 변하며, 응력 제한 기준이 과도한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 기준치를 조절할 수 있고, 전단응력의 변화에 따라 선형적으로 변하는 평가 지수 산정 방법을 제안하였다.
4) 캔틸레버 거동을 하는 전단벽식 구조물의 경우 예비 및 컴퓨터 해석 모두 층간 변위는 유효 기준보다 크게 초과되는 것으로 나타났으며, 이는 기존 예비평가법에서 평가 지수를 크게 낮추는 역할을 하였다. 그러나 전단벽식 구조물의 파괴가 저층부에 집중되는 것을 고려할 때 실제 지진에 대한 전단벽식 아파트 구조물의 내진 성능을 평가하는 경우 유효 층간 변위로 평가하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
KBC-2005의 지진하중을 통한 기존 공동주택의 내진 성능 예비 평가 결과 Table 6과 같이 내진 성능 도입 이전의 공동주택은 0.62~0.654점까지 평가 되었으며, 내진설계 도입 이후의 공동주택들은 0.75~0.80점까지 평가되어 내진설계가 이루어진 구조물이 약 22.8% 정도 내진 성능이 우수한 것으로 나타났다. 하지만 내진 성능 상세평가의 결과는 이보다도 뚜렷하게 내진 성능의 차이를 나타내고 있다.
9와 같이 각 모델 구조물의 내진 성능이 평가되었지만, F동의 경우, 급격한 내력 저하로 인하여 취성적인 경향이 나타나고 있는 것으로 나타났으며, E, G동의 경우 내진 성능이 우수한 것으로 평가되었다. 내진 성능 상세 평가 결과는 예비 평가의 결과와 비슷한 경향을 띠는 것으로 나타났지만, 예비 평가보다 내진 성능 도입 이전과 이후의 성능차가 크게 나타나는 것으로 평가되었다.
12와 같이 허용 전단응력과 평균 전단응력을 비교하여 구간별로 일률적으로 평가표에서 정한 성능지수로 평가하도록 되어있어 내진설계 도입 이전과 이후의 공동주택의 전단응력을 충분히 반영할 수 없는 것으로 판단된다. 따라서 허용전단응력을 0.5 MPa로 조정 한 후 Fig. 13과 같이 선형 화된 성 능지 수산정법으로 평가한 결과 Table 7과 같이 내진설계 도입 이전의 공동주택들의 전단응력지수들이 0.2점으로 변동이 없었지만, 내진설계 도입 이후의 공동주택들은 상향조정되어 기존의 평가법보다 다소 내진 성능 이전과 이후의 전단응력 산정에 있어서 구조물의 성능을 증분히 반영하는 것으로 판단되어진다.
이는 평가의 오류를 나타낼 가능성이 매우 큰 요소이다. 따라서, 구조물의 지진에 의한 파괴가 저층부에 집중되는 것을 고려할 때 실제 지진에 대한 전단벽식 아파트 구조물의 내진 성능을 평가 시에는 식 (2)와 같이 해당 층의 층간 변위에서 이미 변위가 발생한 het 만큼을 빼 준 변위를 고려할 수 있는 유효 층간 변위로 평가하는 것이 적합할 것으로 판단된다. 유효 층간 변위에 의한 결과 Fig.
나타났다. 또한 평면의 크기가 커질수록, 잉여력 평가는 신뢰잉여계수가 작아져 유리한 것으로 평가되었다.
따라서, 구조물의 지진에 의한 파괴가 저층부에 집중되는 것을 고려할 때 실제 지진에 대한 전단벽식 아파트 구조물의 내진 성능을 평가 시에는 식 (2)와 같이 해당 층의 층간 변위에서 이미 변위가 발생한 het 만큼을 빼 준 변위를 고려할 수 있는 유효 층간 변위로 평가하는 것이 적합할 것으로 판단된다. 유효 층간 변위에 의한 결과 Fig. 16과 Table 8에서와 같이 내진설계 도입 이전의 공동주택의 하부층에서만 허용 층간 변위비를 만족하지 못한 것으로 나타났고 내진설계 도입 이후의 공동주택들은 허용치인 1.5%를 모두 만족하는 것으로 나타나 성능지수 1점으로 평가되어 기존의 평가법보다 구조물의 실제 성능을 판단하는데 적절할 것으로 판단된다.
장변 방향 지진력에 저항할 수 있는 전단벽이 충분이 존재하는 내진설계가 적용된 공동주택은 내진설계 도입 이전의 공동주택보다 다소 점수가 높게 나타났으나, 이 역시 층간 변위 허용치인 0.015를 모두 만족하지는 못한 것으로 나타나 내진설계 도입 이전과 이후의 점수 차이가 크지 않았다.
지진력에 의한 단일부재의 파괴가 전체 구조물의 붕괴로 이어질 경우 발생되는 위험성을 검토하는 잉여력 평가에서는 내진설계 구조물의 경우 단일 부재의 파괴에 대한 잉여력이 존재하는 것으로 나타났으며, 비 내진 설계구조물은 일부 구조물에서 잉여력이 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 평면의 크기가 커질수록, 잉여력 평가는 신뢰잉여계수가 작아져 유리한 것으로 평가되었다.
push-over 해석을 사용하였다. 평가 결과 Fig. 9와 같이 각 모델 구조물의 내진 성능이 평가되었지만, F동의 경우, 급격한 내력 저하로 인하여 취성적인 경향이 나타나고 있는 것으로 나타났으며, E, G동의 경우 내진 성능이 우수한 것으로 평가되었다. 내진 성능 상세 평가 결과는 예비 평가의 결과와 비슷한 경향을 띠는 것으로 나타났지만, 예비 평가보다 내진 성능 도입 이전과 이후의 성능차가 크게 나타나는 것으로 평가되었다.

후속연구

따라서 벽식 공동주택의 내진 성능 예비 평가 시에는 위에 열거한 소 항목들에 대한 평가가 오히려 예비 평가의 오류를 야기시킬 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 벽식 공동주택의 내진 성능 평가시에는 위에 열거한 항목들에 대한 평가는 재정립되어야 할 필요성이 있을 것으로 판단된다. 또한 강도항목의 전단응력과 강성 항목의 층간 변위에서도 내진설계가 수행되지 않은 구조물과 내진설계가 수행된 구조물의 성능 차이가 그리 크지 않게 발생하고 있는 것을 알 수 있다.
또한 지속적인 연구를 통하여 벽식 구조물의 내진 성능 예비 평가 항목을 재정립해야 할 필요성이 있을 것으로 판단되며, 특히 벽식구조는 우리나라만의 독특한 구조 형식이며, 국민 대다수가 주거하는 주택 형식이므로 이에 대한 후속 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것이다.
또한 층간 변위의 경우, 상층부에서 하층부의 변위를 뺀 단순 층간 변위를 산정하여 고려하기 때문으로 구조물이 횡력을 받아 이에 저항할 경우 구조물이 회전하게 되며, 회전에 따라 상층부의 변위가 과다하게 고려되어 산정되므로, 이에 대한 요소를 고려한 유효 층간 변위를 층간 변위로 산정하여 내진 성능 평가를 수행해야 할 것으로 판단된다. 이에 대한 모델 구조물의 적용성을 살펴보면 다음과 같다.

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