[논문]무량복합 및 벽식 구조시스템의 내진성능평가

강현구; 이민희; 김진구

doi:10.7734/coseik.2012.25.3.259

무량복합 및 벽식 구조시스템의 내진성능평가
Seismic Performance Evaluation of Flat Column Dry Wall System and Wall Slab System Structures 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.25 no.3, 2012년, pp.259 - 266

강현구 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) , 이민희 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) , 김진구 (성균관대학교 건축공학과)

초록
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본 논문에서는 벽식 구조시스템의 일부 전단벽을 제거하여 공간의 가변성을 높인 무량복합 구조시스템의 내진성능을 ATC-63에 제시되어 있는 절차에 따라 파악하였으며, 동일한 규모의 벽식 구조시스템의 내진성능과 비교하였다. 해석모델로 12층 무량복합 및 벽식 구조시스템을 KBC 2009에 따라 설계하고 비선형 정적 및 비선형 증분 동적해석(IDA)을 수행하여 지진응답 및 붕괴거동을 파악하였다. 무량복합 시스템은 벽식 구조시스템 보다 적은 양의 콘크리트 물량으로 설계되었으며, 동일한 지진하중에 대하여 좀 더 큰 변위응답을 보이는 것으로 나타났다. IDA 해석결과 얻어진 붕괴 여유비(CMR)는 ATC-63에 제시된 한계상태를 만족하여 설계지진하중에 대하여 충분한 내진성능을 보유한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper the seismic performance of a flat plate wall system structure was evaluated based on the ATC-63 approach, and the results were compared with those of a wall slab structure having the same size. As analysis model structures, a twelve story flat plate wall structure and a wall slab structure were designed based on the KBC-2009, and their seismic performances and collapse behaviors were evaluated by nonlinear static and incremental dynamic analyses(IDA). It was observed that the flat plate wall structure was designed with smaller amount of reinforced concrete, and showed slightly larger displacement response compared with those of the wall slab structure. The collapse margin ratios of the two structures obtained from the incremental dynamic analyses satisfied the limit states specified in the ATC-63, and the structures turned out to have enough capacity to resist the design level seismic load.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

ATC-63에서는 현재 내진기준에 제시되어 있지 않은 구조시스템이나 새롭게 개발된 구조부재를 횡하중 저항시스템에 사용할 경우, 구조물의 내진성능계수를 결정할 수 있는 합리적인 방법론을 제시하고 있다. 따라서 ATC-63은 기존에 있는 구조시스템 또는 새롭게 제안된 구조시스템에 대하여 현행 내진설계기준에서 제시하는 계수와 동일한 안전율을 확보할 수 있는 내진성능계수를 합리적으로 결정함에 그 목적이 있다.
본 연구에서는 ATC-63에서 제안하는 절차에 따라 무량복합 구조시스템과 벽식 구조시스템의 내진성능을 비교 및 평가하였다.
본 연구에서는 벽식 구조시스템과 무량판 구조가 혼합된 무량복합 구조시스템과 기존에 많이 이용되던 벽식 구조시스템의 내진성능을 파악하기 위하여 12층의 무량복합 구조시스템과 벽식 구조시스템을 설계하고, ATC-63(ATC, 2005)에서 제시하는 내진성능평가 방법론을 이용하여 각 구조 시스템의 내진성능계수의 적절성을 평가하였다. 벽식 구조시스템의 경우 KBC-2009(대한건축학회, 2009)에 반응수정계수가 제시되어 있으나, 무량복합 구조시스템의 경우 내진성능계수의 명확한 근거가 없다.

가설 설정

05에 도달할 때를 한계상태로 정의하였다. 비선형 동적해석을 위해 감쇠비는 모든 모드에 대해 5%로 가정하였고, 핀칭효과는 고려하지 않았다. 각 구조시스템별 고유주기에 따른 스케일링의 결과는 표 6에 나타내었다.

제안 방법

ACMR을 평가하기 위하여 기준의 완성도, 실험데이터의 질적수준, 지반진동이력의 다양성, 비선형 모델에 내포된 불확실성을 보정하기 위한 지표인 βTOT(Total System Uncertainty)를 다음과 같이 계산한다.
구조시스템에 대한 비선형 동적해석을 통해 산정된 22번째의 한계상태를 유발하는 가속도 값인 #와 MCE수준의 가속도 값의 비를 이용하여 CMR값을 산정하고 예제 구조물의 내진성능을 평가하였다. 본 연구에 사용된 두 가지의 구조시스템 중 무량복합 구조시스템의 경우 CMR값이 10.
벽식 구조시스템의 경우 KBC-2009(대한건축학회, 2009)에 반응수정계수가 제시되어 있으나, 무량복합 구조시스템의 경우 내진성능계수의 명확한 근거가 없다. 따라서 본 연구에서는 두 예제 구조시스템의 비선형 정적해석 결과를 바탕으로 ATC-63에서 제시하는 방법에 따라 내진성능계수를 산정하고, 그 값의 타당성을 평가하였다.
ACI-318-05(ACI-318-05, 2005)에서는 슬래브의 강성을 균열의 영향을 고려하여 25%에서 50% 저감시키는 것이 적절하다고 제안하고 있다. 따라서 본 예제 구조물에서는 슬래브 강성을 25% 저감하여 해석하였다.
벽식 구조시스템 및 무량복합 구조시스템의 내진성능을 비교하기 위하여 1개 층에 두 가구가 거주하는 평면 형태를 벽식 구조시스템과 무량복합 구조시스템에 동일하게 적용한 12층 예제 구조물을 MIDAS Gen Ver.785로 설계하였다.
벽식 구조시스템의 경우 KBC-2009에서 제시하는 내진설계기준에 지진력 저항시스템으로 분류되어 있으나, 무량복합 구조시스템의 경우 내진설계기준에 지진력 저항시스템으로 분류되어 있지 않으므로 건물골조 시스템의 철근 콘크리트 전단벽에 해당하는 반응수정계수 5.0을 적용하여 설계하였다(이병구 등, 2006). 콘크리트의 설계강도는 27MPa, 철근은 SD400을 사용하였으며, 설계된 해석모델의 콘크리트 물량은 벽식구조의 경우 20,766kN, 무량복합 구조의 경우 12,885kN으로 나타나, 동일한 조건으로 설계된 경우 무량복합 구조 모델이 38% 정도의 물량감소 효과가 있는 것으로 나타났다.
벽체는 내진상세가 적용되지 않았으므로 콘크리트의 구속효과는 적용하지 않았고, “Shear Wall”요소를 사용하여 비선형 해석을 수행하였다.
다양한 평면 및 층수에 대하여 지진응답을 예측하는 가장 정확한 방법은 비선형 해석법이지만, 현재 RC구조물의 비선형 거동 예측에 사용할 수 있는 해석 프로그램은 매우 제한적이다. 본 연구에서는 사용자가 비선형 이력거동 정의 및 입력이 가능한 비선형 해석프로그램인 Perform3D Ver.4를 사용하여 지진하중에 대한 비선형 해석을 수행하였다.
3.1 예제 구조물의 설계

설계하중은 KBC-2009를 바탕으로 산정하였으며, 고정하중은 7kN/m², 활하중은 숙박시설 객실에 해당하는 2kN/m²을 적용하였다. 지진하중과 풍하중을 산정하기 위한 계수는 표 1과 표 2에 나타내었다.

데이터처리

무량복합 구조시스템 및 벽식 구조시스템의 거동양상을 분석하기 위해 비선형 해석 프로그램인 Perform3D Ver.4를 이용하여 y(단변)방향 1차모드 형상에 비례하여 각 층의 횡하중을 산정하고 점진적으로 증가하며 비선형 정적해석을 수행하였다.

이론/모형

구조물의 붕괴 여유비는 해석에 사용된 지진기록의 진동수성분(Spectral Shape)에 영향을 받으며, 이러한 영향을 보정하기 위하여 스펙트럼 형상계수(SSF, Spectral Shape Factor)를 이용한다. SSF는 지진파의 스펙트럼 형상의 다양성과 구조물이 보유한 연성능력, 주기에 따른 응답특성 등을 반영하기 위한 계수이며, 구조물의 주기 및 연성능력에 따라 ATC-63에 주어져 있다.
횡하중에 대한 무량판 구조시스템의 슬래브 휨강성을 평가하고 적용하기 위한 방법은 유한요소해석 모델(Plate bending finite model), 유효보폭 모델(Effective beam width model), 등가골조 모델(Equivalent frame model) 등이 있으며, 본 연구에서는 등가의 유효폭을 갖는 보요소로 치환하여 해석하는 유효보폭법을 적용하였다. 본 연구에서는 식 (1)의 Grossman의 유효보폭법(Grossman 등, 1997)을 적용하여 유효보폭을 구하였다.
비선형 시간이력 해석을 통하여 구조시스템의 CMR을 평가하여 시스템 붕괴에 대한 안전율을 결정하기 위하여 PEER NGA Database(PEER, 2006)를 통한 22쌍의 Far-Field 지진 데이터 군을 사용하였다.
비선형 정적해석은 다음 식 (3)의 중력하중을 선 재하한 뒤, 횡하중을 가력하고 ASCE/SEI 41-06(2007)의 절차에 따라 비선형 정적해석을 수행한다.
벽체는 내진상세가 적용되지 않았으므로 콘크리트의 구속효과는 적용하지 않았고, “Shear Wall”요소를 사용하여 비선형 해석을 수행하였다. 콘크리트 재료의 응력-변형률 관계는 Paulay and Priestley(1992)에 따라 정의하였다. 콘크리트의 인장강도는 무시하였고, 압축강도는 3선형으로 비선형 이력거동을 정의하였다.
해석에 사용된 기둥 및 보의 비선형 이력모델은 ASCE/SEI 41-06에 제시되어 있는 Cord-Rotation 방식에 따라 정의하였고, 재료의 초과강도를 고려하여 콘크리트의 압축강도는 1.5배, 철근의 항복강도는 1.25배를 적용하였다. 콘크리트의 인장강도는 무시하였다.
횡하중에 대한 무량판 구조시스템의 슬래브 휨강성을 평가하고 적용하기 위한 방법은 유한요소해석 모델(Plate bending finite model), 유효보폭 모델(Effective beam width model), 등가골조 모델(Equivalent frame model) 등이 있으며, 본 연구에서는 등가의 유효폭을 갖는 보요소로 치환하여 해석하는 유효보폭법을 적용하였다. 본 연구에서는 식 (1)의 Grossman의 유효보폭법(Grossman 등, 1997)을 적용하여 유효보폭을 구하였다.

성능/효과

또한 본 예제 구조물이 일반적인 공동주택의 평면 구성을 참고한 것을 감안할 때, 현존하는 공동주택 구조물들은 상당한 내진성능을 가진 것으로 사료된다. 두 구조 시스템을 동일한 조건하에서 설계하였을 때 벽식 구조시스템 모델에 비하여 무량복합 구조시스템이 약 40% 적은 콘크리트 물량으로 설계되었으나, 해석결과를 통하여 붕괴여유비는 약 20% 작은 것으로 나타나 내진성능의 감소에 비하여 더욱 큰 물량감소 효과가 있는 것으로 나타났다.
두 구조시스템 모두 외벽 및 세대 간 전단벽이 설치된 단변방향으로 비선형 정적해석과 IDA해석을 수행하였으며, 동일한 설계하중에 대하여 무량복합 구조시스템이 동일한 규모의 벽식 구조시스템 보다 약 40% 적은 물량감소 효과를 보여 무량복합 구조시스템이 벽식 구조시스템보다 상대적인 경제적 장점이 있음으로 나타났다.
이는 Y축 방향에 평행하게 배치된 벽체들이 지진하중에 매우 효과적인 저항을 하는 것으로 판단된다. 두 예제 구조시스템 모두 ATC-63에서 제시하는 내진성능 기준을 큰 여유도를 가지고 충족하는 것으로 나타났으며, 무량복합 구조시스템이 벽식 구조시스템에 비하여 충분한 물량감소 및 가변성의 향상 효과가 있으므로, 실무 적용에 있어 장점을 가지고 있는 것으로 판단된다.
따라서 βTOT에 따라 붕괴확률이 10%와 20%일 때의 기준 ACMR10%과 ACMR20%을 결정할 수 있고, ATC-63에서는 성능 그룹별로 계산된 ACMR의 평균값이 ACMR10%이상이어야 하며, 성능 그룹의 각 개별 대상구조물의 ACMR은 ACMR20%이상이 되어야 하는 것으로 규정하고 있다.
84을 크게 초과하는 것으로 나타났다(표 7). 따라서 해석모델의 설계지진하중 산정에 사용된 반응수정계수는 매우 안전측 값임을 알 수 있고, 두 구조물 모두 설계 지진하중에 대하여 상당한 저항능력을 보유하고 있음을 알 수 있다. 또한 본 예제 구조물이 일반적인 공동주택의 평면 구성을 참고한 것을 감안할 때, 현존하는 공동주택 구조물들은 상당한 내진성능을 가진 것으로 사료된다.
비선형 정적해석 결과에 따르면 벽식 구조시스템이 무량복합 구조시스템 보다 높은 강성과 최대강도를 가지는 것으로 나타났다. 또한 IDA 결과, 벽식 구조시스템이 무량복합 구조시스템보다 구조물의 한계상태를 유발하는 층간변위비가 크게 나타났다. 이는 Y축 방향에 평행하게 배치된 벽체들이 지진하중에 매우 효과적인 저항을 하는 것으로 판단된다.
따라서 해석모델의 설계지진하중 산정에 사용된 반응수정계수는 매우 안전측 값임을 알 수 있고, 두 구조물 모두 설계 지진하중에 대하여 상당한 저항능력을 보유하고 있음을 알 수 있다. 또한 본 예제 구조물이 일반적인 공동주택의 평면 구성을 참고한 것을 감안할 때, 현존하는 공동주택 구조물들은 상당한 내진성능을 가진 것으로 사료된다. 두 구조 시스템을 동일한 조건하에서 설계하였을 때 벽식 구조시스템 모델에 비하여 무량복합 구조시스템이 약 40% 적은 콘크리트 물량으로 설계되었으나, 해석결과를 통하여 붕괴여유비는 약 20% 작은 것으로 나타나 내진성능의 감소에 비하여 더욱 큰 물량감소 효과가 있는 것으로 나타났다.
와 MCE수준의 가속도 값의 비를 이용하여 CMR값을 산정하고 예제 구조물의 내진성능을 평가하였다. 본 연구에 사용된 두 가지의 구조시스템 중 무량복합 구조시스템의 경우 CMR값이 10.1로 산정되었으며, 벽식 구조시스템의 경우 CMR값이 12.9로 산정되어 벽식구조가 붕괴에 대하여 좀 더 큰 여유비를 갖는 것으로 나타났다.
비선형 정적해석 결과 얻어진 pushover 곡선에 설계밑면 전단력과 전단력의 최대지점 및 강도가 최대전단력이 80%로 감소하는 지점을 표기하였다. 벽식 구조시스템의 경우 최하단부 외곽벽체와 중앙 코어 반대편 벽체에서 소성힌지가 발생하여 상부로 전이되며, 무량복합 구조시스템에 비해 상대적으로 높은 강성 및 최대강도를 보였다.
비선형 정적해석 결과에 따르면 벽식 구조시스템이 무량복합 구조시스템 보다 높은 강성과 최대강도를 가지는 것으로 나타났다. 또한 IDA 결과, 벽식 구조시스템이 무량복합 구조시스템보다 구조물의 한계상태를 유발하는 층간변위비가 크게 나타났다.
콘크리트의 설계강도는 27MPa, 철근은 SD400을 사용하였으며, 설계된 해석모델의 콘크리트 물량은 벽식구조의 경우 20,766kN, 무량복합 구조의 경우 12,885kN으로 나타나, 동일한 조건으로 설계된 경우 무량복합 구조 모델이 38% 정도의 물량감소 효과가 있는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무량복합 구조시스템의 장점은?	무량복합 구조시스템은 벽식 구조시스템에 기둥요소를 도입하여 구조시스템을 단순화시키고, 하중을 슬래브에서 기둥으로 직접 전달하는 구조시스템이다. 무량복합 구조시스템의 경우 기존의 벽식 구조시스템에 비하여 중대형 평면 적용 및 리모델링이 용이하며, 경간이 길어짐에 따라 요구되는 슬래브의 두께가 증가하여 층간소음 기준강화에 따른 공사비 상승을 최소화할 수 있다. 또한 골조형식의 단순화에 따른 공사기간 단축 및 시공성이 향상되어 공사비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
	무량복합 구조시스템이란 무엇인가?	무량복합 구조시스템은 벽식 구조시스템에 기둥요소를 도입하여 구조시스템을 단순화시키고, 하중을 슬래브에서 기둥으로 직접 전달하는 구조시스템이다. 무량복합 구조시스템의 경우 기존의 벽식 구조시스템에 비하여 중대형 평면 적용 및 리모델링이 용이하며, 경간이 길어짐에 따라 요구되는 슬래브의 두께가 증가하여 층간소음 기준강화에 따른 공사비 상승을 최소화할 수 있다.
	무량복합 구조시스템 적용시 발생할 수 있는 문제점은 무엇인가?	이러한 장점에 따라, 시공이 간편하고 공사비가 비교적 저렴한 벽식구조 시스템의 장점에도 불구하고 다양한 평면과 가변성을 요구하는 소비자들의 욕구에 적절히 대응할 수 있는 가변형 공동주택의 일환으로, 무량복합 구조시스템의 적용 가능성에 관하여 연구가 진행되었다(이도범 등, 2005; 송영 등, 2008). 그러나 실내에 내력벽 및 기둥의 수가 적어짐에 따라 슬래브의 두께가 증가하게 되고, 중·대형 평면에 적용할 경우 슬래브의 처짐이 증가하고 바닥 충격음 및 층간소음에 대한 해결이 어려워질 수 있다.

참고문헌 (16)

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건설교통부 (2006) 주택성능 등급 표시제.
송영, 최경륜 (2008) 주거용 무량복합구조(FcDW)시스템 설계와 적용, 한국콘크리트학회지 20(2), pp.37-42.

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신우승, 김진구 (2008) 강판과 가새로 보강된 무량판 구조물의 내진성능평가, 한국전산구조공학회 논문집 21(5), pp.451-458.

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이도범, 김욱종, 이지웅 (2005) 무량판 아파트 구조시스템 해석, 대림기술정보 봄호, pp.46-57.
이병구 (2006) 중저층 공동주택 구조시스템 연구, 쌍용건설기술 봄호, pp.20-27.
ACI (2005) Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary(ACI 318M-05), American Concrete Institute.
ASCE (2005) Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE Standard ASCE/SEI 7-05, American Society of Civil Engineers, Reston Virginia.
ASCE (2007) Seismic Rehabilitation of Existing Buildings, ASCE Standard ASCE/SEI 41-06, American Society of Civil Engineers, Reston Virginia.
ATC (2005) Quantification of Building Seismic Performance Factors, ATC-63, Applied Technology Council, Redwood City, CA.
FEMA (2009) NEHRP Recommeneded Seismic Provisions, FEMA P-750, Federal Emergency Management Agency, Washington, D. C., 2009.
Jacob S. Grossman. (1997) Verification of Proposed Design Methodologies for Effective Width of Slab in Slab-Column Frames, ACI Structural Journal Technical Paper.
KBC (2009) 건축구조설계기준, 대한건축학회
Paulay, T., Priestley, M.J.N. (1992) Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings.
PEER (2006) Peer NGA Database, Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, U.S.A., http://peer.berkeley,edu/nga/.
Vamvatsikos, D., Cormell, C.A. (2005) Seismic Performance Capacity and Reliability of Structures as seen through Incremental Dynamic Analysis, John A. Blume Earthquake Engineering Center, Rep. No. 151, Dept of Cicil and Environmental Eng. Stanford Univ., Palo Alto, CA.

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표제어: PCR

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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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