[논문]비선형요구내력스펙트럼을 이용한 저층 R/C 건물의 내진성능 평가법

이강석

doi:10.11112/jksmi.2011.15.3.106

[국내논문] 비선형요구내력스펙트럼을 이용한 저층 R/C 건물의 내진성능 평가법
A New Methodology for Seismic Capacity Evaluation of Low-rise R/C Buildings 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.15 no.3 = no.67, 2011년, pp.106 - 115

초록
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본 연구에서는 비선형 지진응답해석을 이용하여 유도된 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 저층 철근콘크리트(RC) 건물의 비선형 요구내력스펙트럼을 수식화하여, 특정 연성률 별로 지진입력수준과 내진성능잔존률을 산정하여, 건물의 지진손상정도를 정량적으로 평가 가능한 새로운 내진성능 평가법을 제안하였다. 또한 저층 RC 건물을 대상으로 본 연구의 내진성능 평가법을 적용하여 평가한 결과와 보다 정밀한 부재수준의 비선형 동적해석을 실시하여 그 결과를 각각 비교 검토함과 동시에, 내진진단기준에서 입력지진동 0.2g 수준에 대해서 구조체에 대규모이상의 지진피해를 막기 위한 임계값으로 설정한 내진성능판정지표값 (Es=0.6)과의 상관관계를 분석하여 본 연구에서 제안한 내진성능 평가법의 타당성 및 그 적용가능성을 검증하였다. 본 평가법은 비선형해석 또는 능력스펙트럼법 등의 상세 내진성능 평가법을 수행하지 않고도 대상건물에 대한 연성률 단계별의 입력지진 수준, 지진손상도를 정량적으로 평가할 수 있다. 향후 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 저층 RC 건물의 내진성능을 효과적으로 평가하기 위한 자료로서 활용이 가능하다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposed a new methodology for seismic capacity evaluation of low-rise reinforced concrete (RC) buildings based on non-linear required spectrum. In order to verify the reliability of the proposed method, relationships between results obtained using the proposed method and the non-linear dynamic analyses were investigated. Compared with the seismic protection index (Es=0.6) defined in the Japanese Standard, the applicability of the method was also estimated. Research results indicate that the method proposed in this study compares reasonably well with the detailed evaluation methods. Using the seismic evaluation method developed in this study, the seismic capacity category and earthquake damage degree of low-rise RC buildings corresponding to a specific earthquake level can be effectively estimated.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

상기의 배경 하에 본 연구의 필자는 문헌3)에서 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 저층 RC 건물의 내진성능을 보다 적절하게 평가를 하는데 있어서 기본적인 자료를 얻고자, 각각 파괴형 부재의 강도와 연성능력사이의 상관관계를 비선형 지진응답해석을 실시하여 파악하였으며, 이를 바탕으로 특정연성율을 위한 요구내력(Required Strength)을 산정하였다.
에서 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 저층 RC 건물의 내진성능을 보다 적절하게 평가를 하는데 있어서 기본적인 자료를 얻고자, 각각 파괴형 부재의 강도와 연성능력사이의 상관관계를 비선형 지진응답해석을 실시하여 파악하였으며, 이를 바탕으로 특정연성율을 위한 요구내력(Required Strength)을 산정하였다. 또한, 전단파괴형 부재의 피해 정도와 휨파괴형 부재의 피해정도와의 상관관계를 파악하여, 이것이 건물 전체의 피해상황에 어떻게 영향을 미치는가를 검토하였다.
본 연구의 주 목적은 문헌[3]의 연구결과를 바탕으로 저층 RC 건물의 내진성능을 비선형 동적해석(Non-linear Dynamic Analysis) 또는 능력스펙트럼법(Capacity Spectrum Method) 등의 상세 내진성능평가 방법을 수행하지 않고도 효율적이며 실용적으로 지진손상정도를 예측 할 수 있는 새로운 내진성능 평가법을 제안하는 것이다.
대상건물은 일반교실동과 특별교실동으로 구분되어 있으며, 일반교실동은 신축이음에 의해서 2동으로 분리되어 총 3동의 건물로 구성되어있다. 본 연구에서는 1번 건물의 1층 장변(X)방향을 대상으로 지진손상도를 추정하여 내진성능을 평가하였다.
본 연구에서는 비선형 지진응답해석을 이용하여 유도된 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 RC 건물의 비선형 요구내력스펙트럼을 수식화하여 특정 연성률 별로 지진입력수준과 내진성능잔존률을 산정하여 구조물의 지진손상정도를 정량적으로 평가하는 새로운 내진성능평가법을 제안하였다.

가설 설정

④ 조적조 등의 비내력벽은 무시한다.
한편, Fig. 11에 나타내는 것과 같이, 부재는 휨스프링과 전단스프링이 직렬 결합한 모델로 가정한다. 즉, 양단의 모멘트로부터 휨에 대한 강성메트릭스를 평가하는 Giberson모델(재단 소성스프링법)⁸⁾⁹⁾로 가정한 것으로서, 부재의 재축방향의 변형은 무시를 하며, 부재의 휨은 탄성강성 k_B를 가지는 탄성선재와 그 양단에 설정한(k_BP)_A및 (k_BP)_B의 강성을 가지는 소성회전스프링에 의하여 평가를 하며, 변형은 그것들의 합으로 나타낸다.
11에 나타내는 것과 같이, 부재는 휨스프링과 전단스프링이 직렬 결합한 모델로 가정한다. 즉, 양단의 모멘트로부터 휨에 대한 강성메트릭스를 평가하는 Giberson모델(재단 소성스프링법)⁸⁾⁹⁾로 가정한 것으로서, 부재의 재축방향의 변형은 무시를 하며, 부재의 휨은 탄성강성 k_B를 가지는 탄성선재와 그 양단에 설정한(k_BP)_A및 (k_BP)_B의 강성을 가지는 소성회전스프링에 의하여 평가를 하며, 변형은 그것들의 합으로 나타낸다. 또한 전단변형에 대해서는 부재 재중앙부에 설정한 비선형 전단스프링에 의하여 평가를 한다.
Table 4에는 비선형 해석 결과 중 해당 입력지진수준에 대한 연성률을 나타낸다. 문헌[3]에서는 바닥이 무한 강성을 가지며 다양한 수평저항시스템을 가지는 저층 RC 건물에서는 전단변형 및 휨변형이 지배적이라고 가정을 하여, 전단 스프링과 휨 스프링이 병렬 연결된 SDOF(Single Degree Of Freedom)로 가정을 하여 비선형 지진응답해석을 실시한 반면, 본 연구에서는 부재수준의 비선형 동적해석을 수행하였다.
① 각 부재의 항복힌지의 위치는 문헌[6] 및 문헌[7]을 참고로 다음과 같이 가정을 하며, 기둥 및 보의 접합부 등, 각 부재의 중심으로부터의 항복힌지가 발생되는 부재단까지는 강역으로 가정한다.

제안 방법

본 연구에서는 문헌[3]에서 비선형 지진응답해석을 이용하여 유도된 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 저층 RC 건물의 비선형 요구내력스펙트럼(Fig. 1)을 회귀분석법을 이용하여 수식화하여 특정 연성률(μ)별로 지진입력수준(α)과 내진성능잔존률(R)4)5)을 산정하여 구조물의 지진손상정도를 정량적으로 평가하는 내진성능 평가법을 제안하였다.
한편, 문헌[3]에서는 비선형 동적해석을 이용하여 비선형 요구내력스펙트럼을 Fig. 1과 같이 어떤 지진입력수준(예를 들면, α=0.3g)에 대한 특정 연성율 별로 유도를 하였으나, 본 연구에서는 Step-2에서 특정연성율 별 지진입력수준(α=0.02~0.5)을 산정하기위해서 지진입력수준을 변수로 하여 Fig. 1을 Fig. 3~7과 같이 재해석을 실시하였다.
본 연구 평가법의 타당성 검증을 위해 예제건물을 대상으로 본 연구의 내진성능 평가법을 적용하여 평가한 결과와 보다 상세한 부재수준의 비선형 동적해석을 실시하여 제3장 Step 2의 결과, 즉 입력지진동 α=0.05g, 0.08g, 0.1g, 0.2g, 0.27g에서 각각 연성률 μf=0.3, 0.6, 1.0, 2.0, 4.0이 평균적으로 발생 하는지 비교․검토하였다.
0이 평균적으로 발생 하는지 비교․검토하였다. 또한 내진진단기준²⁾에서 입력지진동 0.2g 수준에 대해서 구조체에 대규모 이상의 지진피해를 막기 위한 임계값으로 설정한 내진성능 판정지표(E_s=0.6)와의 상관관계를 분석하여 본 연구의 내진성능 평가법의 적용가능성을 검증하였다.
실제 구조물은 입체적으로 복잡하게 진동을 하지만, 본 연구에서는 기둥 및 보를 선재로 치환하며, 수평방향의 지진력만 고려한 평면골조로 모델링한다. 구조물부분에서는 부재레벨에 입각하여 층 특성을 평가하며, 해석에 필요한 가정은 다음을 따른다.
또한, 비선형 동적해석 시의 입력지진동으로서는 문헌[3]에서 사용한 El Centro파(USA), Taft파(USA), Hachinohe파 (Japan), Erzincan파 (Turkey) 및 Kobe JMA파(Japan)의 각 수평성분(NS 및 EW)인 10개의 전형적인 피해지진의 가속도 성분을 토대로, 입력지진동 규모를 Table 3의 Step 2에서 산정된 α=0.05g, 0.08g, 0.1g, 0.2g, 0.27g로 표준화하여 비선형 동적해석을 각각 실시하였다.
② 각 골조를 양단핀의 강한보로 연결하여 구조물 전체를 하나의 평면골조로 해석하였다. 즉, 강막가정이 성립하는 것으로 한다.
형으로 한다. 또한, 각 기둥 및 보의 복원력특성을 결정하는 초기강성, 휨균열모멘트, 전단균열내력, 휨항복모멘트, 전단극한내력 등의 변수들은 ｢내진진단기준²⁾｣ 및 ｢일본건축학회기준¹²⁾｣ 등에서 사용하고 있는 식을 토대로 산정하였다.
Table 5에 나타낸 바와 같이 내진진단기준²⁾에서 입력지진동 약 0.2g 수준에 대해서 구조체에 대규모 지진피해를 막기 위한 임계값으로 설정한 보유성능 지표값 Es=0.6이 되는 경우의 전단 탁월형, 전단 및 휨 탁월형, 휨 탁월형 건물³⁾ 총 15종류에 대해서 본 연구에서 제안한 내진성능 평가법을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

본 대상건물은 내진설계가 수행되지 않은 1980년대 건설된 건설부 공고 제130호 표준설계도에 의한 (다)형 철근콘크리트 학교건물이다. Fig.
9에는 대상건물의 평면도를, Table 1에는 대표적인 기둥리스트를 나타낸다. 설계용 콘크리트의 강도는 21MPa, 철근강도는 240MPa이며, 층고는 3.3m의 건물이다.
대상건물은 일반교실동과 특별교실동으로 구분되어 있으며, 일반교실동은 신축이음에 의해서 2동으로 분리되어 총 3동의 건물로 구성되어있다. 본 연구에서는 1번 건물의 1층 장변(X)방향을 대상으로 지진손상도를 추정하여 내진성능을 평가하였다.
Table 2에는 식(1)~(3)을 이용하여 대상건물의 보유내력(강도지표, C) 및 변형능력(연성지표, F)의 평가결과를 나타낸다. 대상건물의 연직부재(기둥)는 휨극한 시 전단력(Q_mu)이 전단극한 시 전단력(Q_su)보다 작아 휨파괴가 전단파괴보다 선행하는 휨파괴 기둥(C_fy=0.21)으로, 연성지표(F)는 2.5정도의 1그룹과 3.2정도의 2그룹으로 분류 가능하다. 식(4)에 의한 E₀₁은 0.

데이터처리

또한, 실존하는 저층 RC 건물을 대상으로 본 연구에서 제안한 내진성능 평가법을 적용하여 평가한 결과와 보다 상세한 부재수준의 비선형 동적해석을 실시하여 그 결과를 각각 비교⋅검토하였으며, 내진진단기준2)에서 입력지진동 0.2g 수준에 대해서 구조체에 대규모 이상의 지진피해를 막기 위한 임계값(Critical Value)으로 설정한 내진성능판정지표 (Es=0.6)와의 상관관계를 분석하여, 본 연구에서 제안한 내진성능 평가법의 타당성 및 그 적용가능성을 검증하였다.

이론/모형

Step-1의 보유내력 및 변형능력은 FEMA 310¹⁾의 극한내력 및 극한변형 산정법, 비선형 정적해석(Push-over Analysis), 골조의 소성해석법 등을 이용하여 산정 가능하지만, 본 연구에서는 건물이 보유하는 수평내력 및 극한 시 변형능력을 각각 강도지표(C)및 연성지표(F)를 이용해서 간편하게 계산 가능한 내진진단법²⁾을 준용하며, 또한 Step-3의 잔존내진성능 산정용 보유성능지표(E_o)는 상기 내진진단법에 근거하여 계산한다.
본 연구에서는 지진피해도 구분판정법4)5)을 이용하여 각 연성율 단계의 잔존 내진성능을 산정한 것으로서, 이 판정법은 식(11)에 나타낸 지진피해 전⋅후의 보유성능지표(Eo), 즉 강도지표 (보유수평내력, C) 및 연성지표(변형능력, F)을 산정하여 그 비율 (내진성능 잔존율, R)에 의하여 잔존 내진성능을 산정한다.
휨부재에 대한 이력모델은 Degrading Tri-Linear¹⁰⁾¹¹⁾형으로, 전단부재의 이력모델은 Origin-Oriented^7)10)11)형으로 한다. 또한, 각 기둥 및 보의 복원력특성을 결정하는 초기강성, 휨균열모멘트, 전단균열내력, 휨항복모멘트, 전단극한내력 등의 변수들은 ｢내진진단기준²⁾｣ 및 ｢일본건축학회기준¹²⁾｣ 등에서 사용하고 있는 식을 토대로 산정하였다.

성능/효과

또한 실존 저층 RC 건물을 대상으로 본 연구에서 제안한 내진성능 평가법을 적용하여 평가한 결과와 보다 상세한 부재수준의 비선형 동적해석을 실시하여 그 결과를 각각 비교⋅검토함과 동시에, 내진진단기준2)에서 입력지 진동 0.2g 수준에 대해서 구조체에 대규모 이상의 지진피해를 막기 위한 임계값으로 설정한 내진성능판정지표(Es=0.6)와의 상관관계를 분석하여 본 연구에서 제안한 내진성능 평가법의 타당성 및 그 적용가능성을 검증하였다.
Table 4에 의하면 본 연구에서 제안한 내진성능 평가법에서는 α=0.05g, 0.08g, 0.1g, 0.2g, 0.27g에 대해서 μf=0.3, 0.6, 1.0, 2.0, 4.0이며, 부재수준의 비선형 지진응답해석에서는 입력지진동 α=0.05g에서는 μf=0.15~0.34 (평균 0.23), α=0.08g에서는 μf=0.22~0.68 (평균 0.42), α=0.1g에서는 μf=0.3~0.99 (평균 0.56), α=0.2g에서는 μf=0.71~4.38 (평균 1.6), α=0.27g에서는 μf=0.97~7.56 (평균 2.65)을 나타내어, 연성율은 지진응답해석에 이용한 지진파에 의해서 다소 변동을 하지만, 평균적으로는 본 연구에서 제안한 평가법에 의한 연성율은 상세한 비선형 해석법에 의한 그 값을 공학적으로 적절하게 예측 하고 있다고 판단된다.
Fig. 12에서 0.2g보다 높은 입력지진수준에는 대다수가 R=60% 이하 (대규모 지진피해 이상), 0.2g보다 낮은 입력지진수준에는 잔존내진성능이 60% 이상 (중/소규모 지진피해)를 나타내어 문헌[2]의 내진진단기준에서 설정한 구조체에 대규모 지진피해를 막기 위한 지표값 Es=0.6과 본 연구에서 제안한 내진성능 평가법은 전반적으로 좋은 상관관계를 나타내어 실용적인 측면에서도 유용한 방법이라고 사료된다.
본 평가법은 비선형 동적해석 또는 능력스펙트럼법 등의 상세 내진성능평가 방법을 수행하지 않고도 순차적으로 대상구조물(저층 RC 건물)의 연성률 단계별 입력지진수준, 잔존내진성능을 정량적으로 평가하여 지진손상도가 추정가능하며, 부재수준의 비선형지진응답해석 결과 및 내진성능판정지표(E_s=0.6)와의 상관관계를 분석한 결과로부터 본 연구의 내진성능 평가법의 타당성 및 적용가능성이 검증되었다. 향후 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 저층 RC 건물의 내진성능을 효과적으로 평가하기 위한 자료로서 활용이 가능하다고 판단된다.

후속연구

6)와의 상관관계를 분석한 결과로부터 본 연구의 내진성능 평가법의 타당성 및 적용가능성이 검증되었다. 향후 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 저층 RC 건물의 내진성능을 효과적으로 평가하기 위한 자료로서 활용이 가능하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대다수의 저층 철근콘크리트건물은 어떤 부재로 이루어져 있는가?	대다수의 저층 철근콘크리트(이하, RC) 건물은 취성적인 파괴성상을 나타내는 전단벽(Shear Wall), 단주(Short Column) 등의 전단파괴형 부재 및 소성능력이 탁월한 기둥 등의 휨파괴형 부재로 이루어져 있다. 따라서, 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 저층 RC 건물은 이들 부재들의 내력 및 연성능력과 지진입력수준과의 역학적 상관관계가 고려된 내진성능 평가법에 의해서 내진성능을 평가해야 한다.
	전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 저층 RC 건물들은 어떻게 내진성능을 평가해야 하는가?	대다수의 저층 철근콘크리트(이하, RC) 건물은 취성적인 파괴성상을 나타내는 전단벽(Shear Wall), 단주(Short Column) 등의 전단파괴형 부재 및 소성능력이 탁월한 기둥 등의 휨파괴형 부재로 이루어져 있다. 따라서, 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 저층 RC 건물은 이들 부재들의 내력 및 연성능력과 지진입력수준과의 역학적 상관관계가 고려된 내진성능 평가법에 의해서 내진성능을 평가해야 한다. 그러나, FEMA 3101), 일본 내진진단법2) 등에서는 상기 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 저층 RC 건물의 내력 및 연성능력과 지진입력수준과의 역학적 상관관계에 대해서는 충분한 검토가 수행되지 않았다.
	본 연구에서 제안한 내진성능 평가법의 장점은 무엇인가?	6)과의 상관관계를 분석하여 본 연구에서 제안한 내진성능 평가법의 타당성 및 그 적용가능성을 검증하였다. 본 평가법은 비선형해석 또는 능력스펙트럼법 등의 상세 내진성능 평가법을 수행하지 않고도 대상건물에 대한 연성률 단계별의 입력지진 수준, 지진손상도를 정량적으로 평가할 수 있다. 향후 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 저층 RC 건물의 내진성능을 효과적으로 평가하기 위한 자료로서 활용이 가능하다고 판단된다.

참고문헌 (12)

이강석, 이원호, 류해상, "말뚝기초를 포함한 철근콘크리트 건물의 비선형 지진해석법에 관한 연구", 한국지진공학회 논문집, Vol. 7, No. 2 (통권30호), 2003.
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Japan Building Disaster Prevention Association, "Standard for Evaluation of Seismic Capacity of Existing Reinforced Concrete Buildings", Tokyo, Japan(in Japanese, revised in 1990 and 2001).
Kang Seok Lee, "Seismic Capacity Requirements for Low-Rise Reinforced Concrete Buildings Controlled by both Shear and Flexure", Journal of Advanced Concrete Technology, Vol. 8. No. 1, February 2010, pp.75-91.

상세보기
Masaki Maeda, Yoshiaki Nakano and Kang Seok Lee, "Post-Earthquake Damage Evaluation for RC Buildings Based on Residual Seismic Capacity", 13th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, No. 1179, August 2004.
OTANI, S., "Inelastic Analysis of RC Frame Structures", Proceedings of ASCE, Vol. 100, No. ST7, 1974.
Shunsuke OTANI, "Hysteresis models of reinforced concrete for earthquake response analysis", journal of the faculty of engineering, the university of tokyo, Vol. 36, No. 2, 1981.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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