철근콘크리트 건축물에서 비내력벽(Masonry Infill Walls)은 내부 칸막이벽이나 중저층 규모의 건물 외벽에 흔히 사용된다. 그렇지만 대부분의 경우에 비내력벽은 비구조체이므로 구조설계시 건물의 모형화에서 무시된다. 따라서 본 연구에서는 비내력벽을 보편화된 모형화 방법인 등가의 대각 압축 스트럿(Equivalent Diagonal Strut)으로 고려하여 비내력벽의 유무에 따른 저층 철근콘크리트 건축물의 전체적인 지진거동의 양상을 평가하고자 하였다. 해석결과로 비내력벽을 고려하면 시스템의 추가적인 강도 및 강성을 확보하여 층간변위비를 줄일 수 있으나 진동주기가 짧아져서 설계단계에서 고려한 지진하중보다 큰 하중을 받게 된다. 연약층이 있는 모델의 경우에는 기둥에 소성거동이 집중됨을 알 수 있으며 부분적인 붕괴가 전체 시스템의 붕괴 원인의 가능성을 가진다.
철근콘크리트 건축물에서 비내력벽(Masonry Infill Walls)은 내부 칸막이벽이나 중저층 규모의 건물 외벽에 흔히 사용된다. 그렇지만 대부분의 경우에 비내력벽은 비구조체이므로 구조설계시 건물의 모형화에서 무시된다. 따라서 본 연구에서는 비내력벽을 보편화된 모형화 방법인 등가의 대각 압축 스트럿(Equivalent Diagonal Strut)으로 고려하여 비내력벽의 유무에 따른 저층 철근콘크리트 건축물의 전체적인 지진거동의 양상을 평가하고자 하였다. 해석결과로 비내력벽을 고려하면 시스템의 추가적인 강도 및 강성을 확보하여 층간변위비를 줄일 수 있으나 진동주기가 짧아져서 설계단계에서 고려한 지진하중보다 큰 하중을 받게 된다. 연약층이 있는 모델의 경우에는 기둥에 소성거동이 집중됨을 알 수 있으며 부분적인 붕괴가 전체 시스템의 붕괴 원인의 가능성을 가진다.
Masonry infill walls are frequently used as interior partitions and exterior walls in low- or middle- rise RC buildings. In the design and assessment of buildings, the infill walls are usually treated as non-structural elements and they are ignored in analytical models because they are assumed to be...
Masonry infill walls are frequently used as interior partitions and exterior walls in low- or middle- rise RC buildings. In the design and assessment of buildings, the infill walls are usually treated as non-structural elements and they are ignored in analytical models because they are assumed to be beneficial to the structural responses. Therefore, their influences on the structural response are ignored. In the case of buildings constructed in the USA in highly seismic regions, infill walls have a lower strength and stiffness than the boundary frames or they are separated from the boundary frames. Thus, the previously mentioned assumptions may be reasonable. However, these systems are not usually employed in most other countries. Therefore, the differences in the seismic behaviors of RC buildings with/without masonry infill walls, which are ignored in structural design, need to be investigated. In this study, structural analyses were performed for a masonry infilled low-rise RC moment-resisting frame. The infill walls were modeled as equivalent diagonal struts. The seismic behaviors of the RC moment-resisting frame with/without masonry infill walls were evaluated. From the analytical results, masonry infill walls can increase the global strength and stiffness of a structure. Consequently, the interstory drift ratio will decrease but seismic forces applied to the structure will increase more than the design seismic load because the natural period of the structure decreases. Partial damage of the infill walls by the floor causes vertical irregularity of the strength and stiffness.
Masonry infill walls are frequently used as interior partitions and exterior walls in low- or middle- rise RC buildings. In the design and assessment of buildings, the infill walls are usually treated as non-structural elements and they are ignored in analytical models because they are assumed to be beneficial to the structural responses. Therefore, their influences on the structural response are ignored. In the case of buildings constructed in the USA in highly seismic regions, infill walls have a lower strength and stiffness than the boundary frames or they are separated from the boundary frames. Thus, the previously mentioned assumptions may be reasonable. However, these systems are not usually employed in most other countries. Therefore, the differences in the seismic behaviors of RC buildings with/without masonry infill walls, which are ignored in structural design, need to be investigated. In this study, structural analyses were performed for a masonry infilled low-rise RC moment-resisting frame. The infill walls were modeled as equivalent diagonal struts. The seismic behaviors of the RC moment-resisting frame with/without masonry infill walls were evaluated. From the analytical results, masonry infill walls can increase the global strength and stiffness of a structure. Consequently, the interstory drift ratio will decrease but seismic forces applied to the structure will increase more than the design seismic load because the natural period of the structure decreases. Partial damage of the infill walls by the floor causes vertical irregularity of the strength and stiffness.
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문제 정의
기존 연구결과에서 비내력벽은 상당한 수준의 횡저항을 가지고 있고 높은 수준의 횡하중에서 부분적으로 골조와 분리되고 압축 스트럿 메커니즘이 나타남이 많은 연구에서 관찰되었다. 따라서 본 연구에서는 비내력벽을 보편화된 모형화 방법인 등가의 대각 압축 스트럿(Equivalent Diagonal Strut)으로 고려하여 비내력벽의 배치 형태에 따른 저층 철근콘크리트 건축물의 전체적인 지진거동의 양상을 해석을 통하여 평가하고자 하였다.
가설 설정
구조물의 지진응답에서 비내력벽의 기여는 골조와 비내력벽의 상대적인 강성과 강도의 관계에 따라서 긍정적일 수 있거나 부정적일 수 있다. 따라서 비내력벽이 구조물의 응답에 항상 좋은 영향을 준다는 가정은 부적절하다. 조적식 비내력벽은 지진에 의한 극단적인 구조물의 파괴를 유발하는 요소로 인식되어 왔다.
풍하중은 UBC-97을 따르고 기본풍속은 70 mph으로 가정하였다. 지진하중의 산정은 지반종류 SB, 중요도계수 1.0로 가정하였다. UBC-97에서는 보통모멘트골조(OMRF)는 지진구역 2A, 2B, 3, 4에서 사용을 제한하고 있고 중간모멘트골조(IMRF)는 지진 구역 3, 4에서 제한을 두고 있다.
제안 방법
(1)은 벽돌로 채워진 1/8 scale의 비연성 RC 골조를 cyclic 횡하중뿐만 아니라 단조증가하중 하에서 실험하였다. 뒤이어 Klingner & Bertero(2), Bertero & Brokken(3), Zarnic & Tomazevic(4), Schmidt(5) 등의 연구가 있었다.
Mehrabi(6),(7)에 의한 연구는 비교적 약한 비보강 조적식 비내력벽은 연성능력을 크게 줄이지 않으면서 비연성 RC 골조의 강도와 강성을 현저히 높일 수 있음을 보였다. 최호(8)는 무보강 콘크리트 블록채움벽을 갖는 RC 프레임을 정적가력시험을 하여 강도변화 및 연성능력, 강성변화, 에너지 소산능력을 검토하여 이력모델을 제안하는데 있어서의 기초데이터를 제공하였다. 기존 연구들은 조적식 비내력벽을 가진 골조가 비내력벽과 골조의 상호작용에 큰 영향을 받음을 보여준다.
Stanfford Smith는 탄성이론을 바탕으로 비내력벽의 강성을 모사할 수 있는 등가의 유효폭을 제시하였으며 일반적으로 등가 대각 압축 스트럿으로 모형화하여 사용한다.(10) 본 연구에서는 조적식 비내력벽의 모형화는 등가의 대각 압축 스트럿을 이용하여 고려하였다.
UBC-97에서는 보통모멘트골조(OMRF)는 지진구역 2A, 2B, 3, 4에서 사용을 제한하고 있고 중간모멘트골조(IMRF)는 지진 구역 3, 4에서 제한을 두고 있다. 따라서 반응수정계수는 특수모멘트골조(SMRF)인 8.5로 설정하여 설계하고 설계지진위험도에 따른 비탄성응답을 살펴보기 위하여 약진, 중진, 강진지역에 해당하는 지진구역 1, 2B, 4로 설계하였다. 구조물의 중량과 설계에 적용한 설계지진하중 및 고유주기는 표 1에 정리하였다.
예제구조물의 해석모델은 그림 4에서와 같이 비내력벽을 고려하지 않은 모델을 F Model, 비내력벽을 고려하고 연약층이 있는 모델을 S Model, 비내력벽이 전층에 있는 모델을 W Model로 구분하였다. 해석은 DRAIN-2DX(12)를 사용하여 2차원 비선형해석을 수행하였다.
36MPa 이므로 이 값을 적용하였다. 비내력벽의 해석모델의 균열변 위와 최대변위는 FEMA-356(15) 보고서의 Table C1-3에서 무보강 조적벽의 기능수행, 붕괴방지 성능수준으로 규정하고 있는 층간변위의 0.1%, 0.6%로 정하여 모형화하였다.
본 논문에서 적용한 비내력벽의 강도 및 강성, 정의한 균열변위와 최대변위로 거동하여 정확하게 모형화되었음을 확인할 수 있었다. 다음은 정의된 해석모델을 가지고 비선형시간이력해석을 수행하였다.
설계하중 수준의 지진하중이 발생하였을 경우의 응답을 살펴보기 위하여 2개의 실제지진가속도와 설계스펙트럼에 적합한 인공지진을 생성하고 해석을 수행하였다. 각 지진하 중은 유효지반가속도(effective peak ground acceleration, EPA)를 설계지진하중수준인 0.
설계하중 수준의 지진하중이 발생하였을 경우의 응답을 살펴보기 위하여 2개의 실제지진가속도와 설계스펙트럼에 적합한 인공지진을 생성하고 해석을 수행하였다. 각 지진하 중은 유효지반가속도(effective peak ground acceleration, EPA)를 설계지진하중수준인 0.08g, 0.2g, 0.4g로 조정하여 예제구조물의 동적해석을 수행하였다. 그림 7은 해석에 사용한 0.
각 층간변위비는 비선형 시간이력해석결과에서 층간변위의 최대값을 층고로 나누어 산정하였다. 그림 11과 표 2에서 보면 비내력벽에 의한 시스템의 강성의 증가로 W Model은 F Model보다 층간변위비가 상대적으로 작다.
조적식 비내력벽을 고려하여 비내력벽의 배치에 따른 RC모멘트저항골조의 전체적인 시스템의 거동을 평가하고 비내력벽이 구조물의 응답에 미치는 영향을 파악하였다. 그에 따른 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
논문에서 사용한 예제구조물은 5층 RC구조물로 예제구조물의 평면 및 입면은 그림 3과 같다. 고정하중과 활하중은 5.
데이터처리
예제구조물의 해석모델은 그림 4에서와 같이 비내력벽을 고려하지 않은 모델을 F Model, 비내력벽을 고려하고 연약층이 있는 모델을 S Model, 비내력벽이 전층에 있는 모델을 W Model로 구분하였다. 해석은 DRAIN-2DX(12)를 사용하여 2차원 비선형해석을 수행하였다. 그림 3(a)에서 보는 것과 같이 예제구조물의 평면이 X-축에 대하여 대칭이므로 3차원 예제구조물은 그림 4와 같이 외부골조와 내부골조를 강체요소로 연결한 등가의 2차원 등가골조로 모형화하여 고려하였다.
이론/모형
3. 예제구조물 및 지진하중
지진위험도에 따른 구조물의 지진거동을 평가하기 위하여 RC모멘트저항골조를 세 가지 수준의 지진위험도를 가지도록 설계하였고 하중에 관한 설계기준은 UBC-97(11)을 적용하였다.
그러나 최상층변위와 밑면전단력으로 다자유도구조물의 힘-변위 관계를 명확하게 정의하는 것은 어렵다. 여기서는 구조물의 변형형상 및 층전단력 분포가 반영된 Lee(16)가 제안한 등가응답의 방법을 사용하였다.
성능/효과
비내력벽의 탄성계수는 UBC-97에서는 조적조 프리즘의 압축강도인 fm의 식으로 Ew = 750fm로 제안하고 있으나 이것은 블록조에 철근으로 보강된 보강블록조의 탄성 계수 산정식으로 미국의 비내력벽 특성에 적합한 제안식이다. 그러나 국내의 비내력벽은 무보강 조적벽이므로 이것을 해석모델에 고려하기 위하여 본 연구에서는 김희철 등의 연구(14)에서 제안한 무보강 조적벽의 탄성계수 제안식인 Ew = 100fm을 이용하여 해석모델에 적용하는 것이 타당하다고 판단하였다. 그리고 비내력벽의 균열강도인 ftp는 조적조 프리즘 실험에 의한 인장강도로 일반적으로 0.
해석모델을 적용하여 강진지역 예제모델의 비선형정적해석을 수행하면 그림 6과 같다. 본 논문에서 적용한 비내력벽의 강도 및 강성, 정의한 균열변위와 최대변위로 거동하여 정확하게 모형화되었음을 확인할 수 있었다. 다음은 정의된 해석모델을 가지고 비선형시간이력해석을 수행하였다.
1. 설계시 비내력벽의 강도 및 강성은 무시하고 자중은 설계에 고려하지만 실제 비내력벽을 고려하면 추가적인 비내력벽의 강성에 의하여 구조물의 주기가 짧아지고 지진하중의 크기가 구조설계시 고려한 설계지진하중보다 커짐에 따라 구조물의 지진거동에 불리하게 작용할 수 있다.
2. 약진지역 구조물은 강진지역의 구조물의 거동과 비교하면 추가적인 비내력벽의 강도에 의하여 보다 큰 초과강도를 확보하게 되고 비내력벽에 의한 추가적인 초과강도 때문에 소성변형이 거의 발생하지 않는다. 그러나 지진위험도가 높아질수록 비내력벽의 손상에 의하여 주구조물이 받는 전단력은 골조만 있는 구조물보다 더 큰 하중에 저항하였다.
3. 설계시 의도하지 않게 비내력벽에 의하여 연약층이 발생하는 경우는 비내력벽을 고려하지 않는다면 비내력벽이 구조물의 상층부를 강하게 하여 저층의 주요부재에 소성 변형이 집중되고 강성의 분포에 따른 수직비정형을 초래하여 하부층의 부분적인 손상이 전체 시스템의 심각한 손상의 가능성을 가진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강진지역인 미국의 경우 구조물을 시공할 때의 특징은 무엇인가?
강진지역인 미국의 경우는 비내력벽을 골조와 비교하여 상대적으로 낮은 강도 및 강성을 가지게 시공하거나 또는 골조와 분리하여 시공함으로써 앞에서의 문제점을 고려한다. 그렇지만 대부분의 다른 나라의 경우에는 시공시 위와 같은 문제점을 고려하지 않고 시공되고 있다.
지난 10년 동안 국내에 많이 건설되었던 저층 빌라형 주택의 골조의 특징은 무엇인가?
지난 10년 동안 국내에 많이 건설되었던 저층 빌라형 주택의 골조는 철근콘크리트로 타설하고 외벽은 벽돌로 조적하여 시공된 구조물로 최근에는 그림 2와 같이 건축적인 요구에 따라서 저층부에 필로티를 두거나 개구부를 두는 경우가 많다. 그러나 대부분의 경우에 구조설계시 비내력벽은 비구조체로 고정하중으로만 고려하고 건물의 모형화에서 무시된다.
참고문헌 (16)
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