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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 1980년도 건설부령으로 공고한 학교교사 표준설계도에 준하여 건립된 학교건축물의 지진수준에 따른 성능수준평가와 동시에 내진보강방법에 따른 성능평가를 하여 내진성능향상을 위한 보강방안에 대한 기초자료를 제시하는 데에 그 목적이 있다.
- 내진설계기준이 제정된 상황으로 보아 기존 학교건축물중 대체로 2005년 이후에 건립된 학교건축물은 내진설계기준에 적합하도록 설계된 것으로 판단할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 대상 건축물을 1980년도 공고된 학교교사 표준설계도에 준하여 건립된 비내진 학교건축물로 하였다.
- 내진 보강기법으로는 기존의 조적벽체를 철거하고 철근콘크리트 전단벽과 X자형 철골가새 두 가지 방식으로 보강하는 것으로 하였다. 또한 내진보강 전후의 성능을 비교하여 내진성능향상을 위한 방안을 모색하였다.
가설 설정
- 구조설계기준은 KBC 2009를 적용하였으며 슬래브의 강막(rigid diaphragm)효과에 의한 구속조건을 고려하였다. 건축물의 위치에 따른 지진구역은 1로 하며, 지반은 단단한 토사지반으로 가정하였다.
제안 방법
- 1980년도 건설부령으로 공고된 학교교사 표준설계도에 준하여 건립된 학교건축물의 성능 수준을 평가하고 동시에 X자형 철골가새와 철근콘크리트 전단벽으로 보강된 구조물에 대한 성능평가를 수행하였다. 이에 대한 결과를 요약해 보면 다음과 같다.
- X자형 철골가새로 보강된 학교건축물(이하, X형 가새라 함)의 내진보강 위치는 내진보강 기법에 따른 성능비교를 위하여 전단벽구조와 동일한 위치에 철골가새를 설치하는 것으로 계획하였다.
- 구조물의 성능설계를 위해 내진설계 기준연구5)를 근거로 하였으며 Table 1에서 보는 바와같이 설계지진을 재현주기 500년, 1000년 및 2400년으로 설정하여 성능점을 검토하였다. 재현주기 500년의 최대 예상 지반가속도는 2400년의 50%이며 재현주기 1000년의 최대 예상 지반가속도는 500년의 140%로 하였다.
- 먼저, 기존 학교건축물을 대상으로 구조해석 및 성능평가를 수행하여 지진발생에 따른 구조물의 안전성 여부를 검토하였다. 그리고 기존 학교건축물에 내진보강기법을 적용한 후 이에 대한 내진성능 평가를 수행하였다. 내진 보강기법으로는 기존의 조적벽체를 철거하고 철근콘크리트 전단벽과 X자형 철골가새 두 가지 방식으로 보강하는 것으로 하였다.
- 그리고 기존 학교건축물에 내진보강기법을 적용한 후 이에 대한 내진성능 평가를 수행하였다. 내진 보강기법으로는 기존의 조적벽체를 철거하고 철근콘크리트 전단벽과 X자형 철골가새 두 가지 방식으로 보강하는 것으로 하였다. 또한 내진보강 전후의 성능을 비교하여 내진성능향상을 위한 방안을 모색하였다.
- 내진보강방법으로는 Fig. 3에서 보는 것처럼 철근콘크리트 전단벽과 X자형 철골가새 두 가지로 하였으며 보강 구조물은 기존 보와 기둥에 지지되어 설치하는 것으로 하였다.
- 4에서 보는 바와 같이 ▲표 한 곳이며 4층 학교는 7개소(X 방향 2개소, Y방향 5개소), 3층 학교는 5개소(X 방향 3소, Y방향 2개소)로 하였다. 또한 내진보강의 위치는 실의 사용성 및 시공의 용이성을 고려하여 계단실측에만 배치를 하였으며 조적 벽체를 철거하고 고정하중이 증가되지 않도록 전단벽의 두께를 정하였다.
- 먼저, 기존 학교건축물을 대상으로 구조해석 및 성능평가를 수행하여 지진발생에 따른 구조물의 안전성 여부를 검토하였다. 그리고 기존 학교건축물에 내진보강기법을 적용한 후 이에 대한 내진성능 평가를 수행하였다.
- 이 연구에서는 변위제어 방법으로 수행하였으며 각 부재에 따라 비선형 특성을 정의하기 위해 FEMA에서 제공하고 있는 부재의 모멘트(M)–회전각(Θ) 관계를 이용하여 비선형 특성을 정의하였다.
- 기존 학교건축물은 보와 기둥만으로 골조를 형성하고 있으며 내진 보강을 하지 아니하였으므로 이하에서는 보강 전이라 하였다. 철근콘크리트 전단벽으로 내진보강한 학교건축물(이하, 전단벽이라 함)의 전단벽 배치는 Fig. 4에서 보는 바와 같이 평면상 대칭적 형태가 되도록 하였다. 또한 기존의 조적 벽체를 철거하고 설치하는 것이므로 수직하중이 증가되지 않도록 전단벽의 두께를 외부는 25cm로 내부는 18cm로 하였다.
대상 데이터
- 내진보강 구조물의 배치는 Fig. 4에서 보는 바와 같이 ▲표 한 곳이며 4층 학교는 7개소(X 방향 2개소, Y방향 5개소), 3층 학교는 5개소(X 방향 3소, Y방향 2개소)로 하였다. 또한 내진보강의 위치는 실의 사용성 및 시공의 용이성을 고려하여 계단실측에만 배치를 하였으며 조적 벽체를 철거하고 고정하중이 증가되지 않도록 전단벽의 두께를 정하였다.
- 이 연구의 적용대상은 1980년도 건설부령으로 공고된 학교교사 표준설계도에 준하여 건립된 건축물로 하였다. 총 네 가지의 설계도면이 공고되었으나 일층 및 유사 건축물을 제외한 국교－80－92－가(이하, 4층 학교이라고 함) 및 중교－80－92－나(이하, 3층 학교이라고 함) 두가지 건축물을 대상으로 하였다.
- 우리나라에서는 1988년 건설부에서 건축물의 내진설계 기준을 제정하였다. 제정 당시에는 6층 이상의 건축물이나 연면적 10,000m2이상이거나 특수 용도의 건축물이 적용 대상이었다.
- 이 연구의 적용대상은 1980년도 건설부령으로 공고된 학교교사 표준설계도에 준하여 건립된 건축물로 하였다. 총 네 가지의 설계도면이 공고되었으나 일층 및 유사 건축물을 제외한 국교－80－92－가(이하, 4층 학교이라고 함) 및 중교－80－92－나(이하, 3층 학교이라고 함) 두가지 건축물을 대상으로 하였다. 기준층 평면형상은 Fig.
데이터처리
- 구조물의 성능목표에 따른 성능수준 평가는 FEMA 356에 기초를 두고 있으며 탄성 해석으로서 응답스펙트럼(Response Spectrum) 해석법을 수행하였다. 또한 비선형 해석으로는 pushover 해석법을 적용하여 응답스펙트럼의 해석결과와 비교･분석하였다.
이론/모형
- 785)가 사용되었으며 지진하중은 현행 구조설계기준인 KBC20093)를 적용하였다. 구조물의 성능목표에 따른 성능수준 평가는 FEMA 356에 기초를 두고 있으며 탄성 해석으로서 응답스펙트럼(Response Spectrum) 해석법을 수행하였다. 또한 비선형 해석으로는 pushover 해석법을 적용하여 응답스펙트럼의 해석결과와 비교･분석하였다.
- 8m2이 다. 구조물의 수치해석에는 범용 프로그램인 MIDAS－GENw(ver.785)가 사용되었으며 지진하중은 현행 구조설계기준인 KBC20093)를 적용하였다. 구조물의 성능목표에 따른 성능수준 평가는 FEMA 356에 기초를 두고 있으며 탄성 해석으로서 응답스펙트럼(Response Spectrum) 해석법을 수행하였다.
- 구조설계기준은 KBC 2009를 적용하였으며 슬래브의 강막(rigid diaphragm)효과에 의한 구속조건을 고려하였다. 건축물의 위치에 따른 지진구역은 1로 하며, 지반은 단단한 토사지반으로 가정하였다.
- 이 연구에서는 비선형 지진해석을 수행하기 위하여 MIDAS-GENw(ver.785)을 이용하였으며 pushover 해석에는 변위제어법을 적용하였다. pushover 해석결과 지진하중에 대한 성능점은 Fig.
성능/효과
- 1) 보강을 하지 아니한 기존 4층 학교건축물의 층간변위비는 재현주기 2400년일 때 x방향 0.81%로서 FEMA 356에서 제시하는 기능수행 단계 요구 층간변위비 1%에는 못 미치는 수치이나 pushover 해석결과 구조부재에 소성힌지가 다소 발생되므로 부분적인 보강이 필요할 것으로 판단된다.
- 2) pushover 해석결과 변위증분 5스텝에서 전체의 16% 정도의 소성힌지가 발생되었으며 10스텝 이후에서는 인명안전단계에 이르는 소성 힌지가 10%가량 발생되었으나 안전에 큰 위협을 주는 요소는 아닌 것으로 사료된다.
- 3) 4층 학교건축물에서 X자형 철골가새로 보강하였을 때 보강 전에 비하여 층간변위비가 x방향은 72% y방향은 47% 감소하였다. 또한 철근콘크리트 전단벽으로 보강하였을 때는 보강 전에 비하여 층간변위비가 x방향은 32% y방향은 16% 감소하였다.
- 4) 4층 학교는 7개소에 3층 학교는 5개소에 내진 보강함으로써 구조물의 최대내력 및 변위성능이 많이 향상되는 것으로 나타났다. 지진에 대한 경각심이 고취되고 있는 현실을 감안할 때 보강기법에 대한 적극적인 검토가 필요할 것이다.
- 4층 학교의 층간변위비는 x방향은 Table 6에서 보는 것처럼 보강전의 층간변위비에 비하여 X형 가새의 경우에는 28%정도 감소되며, 전단벽 구조의 경우에는 68%정도 감소되는 것으로 나타났다. 한편, y방향은 보강전의 층간변위비에 비하여 X형 가새의 경우에는 53%정도 감소되며, 전단벽 구조의 경우에는 84%정도 감소되는 것으로 나타났다.
- 6은 4층 학교에서 재현주기 100년일 때 x방향에 대한 보강 전과 보강방식에 따른 소성 힌지의 발생현황을 나타내며 범례에서 B는 공칭 항복강도 상태, IO(immediate occupancy)는 즉시 거주상태, LS(life safety)는 인명 안전 상태를 의미한다. 5스텝부터 항복상태를 지나 즉시 거주상태의 소성힌지 수가 증가하였고 10스텝부터는 인명안전상태의 힌지수가 증가되어지는 것을 알 수 있었다.
- 68배 감소된 것으로 나타났다. 또한 응답스펙트럼 해석결과 최대내력 측면에서는 보강 전에 비하여 X형 가새로 보강한 경우는 약 1.06배 증가되었으며 전단 벽으로 보강한 경우는 약 1.14배 증가된 것으로 나타났다. 최대변위 측면에서는 보강 전에 비하여 X형 가새로 보강한 경우는 약 0.
- 또한 응답스펙트럼 해석결과 최대내력 측면에서는 보강 전에 비하여 X형 가새로 보강한 경우는 약 1.27배 증가되었으며 전단벽으로 보강한 경우는 약 1.4배 증가된 것으로 나타났다. 최대변위 측면에서는 보강 전에 비하여 X형 가새로 보강한 경우는 약 0.
- 3) 4층 학교건축물에서 X자형 철골가새로 보강하였을 때 보강 전에 비하여 층간변위비가 x방향은 72% y방향은 47% 감소하였다. 또한 철근콘크리트 전단벽으로 보강하였을 때는 보강 전에 비하여 층간변위비가 x방향은 32% y방향은 16% 감소하였다.
- 또한, 3층 학교의 층간변위비는 Table 7에서 보는 바와 같이 x방향은 보강전의 층간변위비에 비하여 X형 가새의 경우에는 54%정도 감소되며 전단벽 구조의 경우에는 65%정도 감소되는 것으로 나타났다. 한편, y방향은 보강전의 층간변위비에 비하여 X형 가새의 경우에는 57%정도 감소되며 전단벽 구조의 경우에는 67%정도 감소되는 것으로 나타났다.
- Table 4에서 보는 것처럼 4층 학교에서는 재현주기에 상관없이 X형 가새의 경우 보강전에 비하여 x방향은 20%정도, y방향은 55%정도 최대 횡변위가 감소하는 것으로 나타났다. 전단벽 구조의 경우에는 보강전에 비하여 x방향은 67%정도, y방향은 92%정도 최대 횡변위가 감소하는 것으로 분석되었다.
- Table 5에서 보는 바와 같이 3층 학교에서도 4층 학교의 경우와 마찬가지로 재현주기에 상관없이 X형 가새의 경우 보강전에 비하여 x방향은 52%정도, y방향은 55%정도 최대 횡변위가 감소하는 것으로 나타났다. 전단벽 구조의 경우에는 보강전에 비하여 x방향은 85%정도, y방향은 92%정도 최대 횡변위가 감소하는 것으로 나타났다.
- 한편, y방향은 보강전의 층간변위비에 비하여 X형 가새의 경우에는 57%정도 감소되며 전단벽 구조의 경우에는 67%정도 감소되는 것으로 나타났다. 최대 층간 변위비는 0.81%로 나타났으며 4층 학교의 보강전에서 재현주기 2400년일 때, x방향에서 가장 큰 것으로 나타났다.
- 14배 증가된 것으로 나타났다. 최대변위 측면에서는 보강 전에 비하여 X형 가새로 보강한 경우는 약 0.48배 감소되었으며 전단벽으로 보강한 경우는 약 0.15배 감소된 것으로 나타났다.
- 최대변위 측면에서는 보강 전에 비하여 X형 가새로 보강한 경우는 약 0.77배 감소되었으며 전단벽으로 보강한 경우는 약 0.68배 감소된 것으로 나타났다. 또한 응답스펙트럼 해석결과 최대내력 측면에서는 보강 전에 비하여 X형 가새로 보강한 경우는 약 1.
- 4배 증가된 것으로 나타났다. 최대변위 측면에서는 보강 전에 비하여 X형 가새로 보강한 경우는 약 0.8배 감소되었으며 전단벽으로 보강한 경우는 약 0.36배 감소된 것으로 나타났다.
- 22배 증가된 것으로 나타났다. 최대변위 측면에서는 보강 전에 비하여 X형 가새로 보강한 경우는 약 0.8배 감소되었으며 전단벽으로 보강한 경우는 약 0.4배 감소된 것으로 나타났다.
- 4층 학교의 층간변위비는 x방향은 Table 6에서 보는 것처럼 보강전의 층간변위비에 비하여 X형 가새의 경우에는 28%정도 감소되며, 전단벽 구조의 경우에는 68%정도 감소되는 것으로 나타났다. 한편, y방향은 보강전의 층간변위비에 비하여 X형 가새의 경우에는 53%정도 감소되며, 전단벽 구조의 경우에는 84%정도 감소되는 것으로 나타났다.
- 또한, 3층 학교의 층간변위비는 Table 7에서 보는 바와 같이 x방향은 보강전의 층간변위비에 비하여 X형 가새의 경우에는 54%정도 감소되며 전단벽 구조의 경우에는 65%정도 감소되는 것으로 나타났다. 한편, y방향은 보강전의 층간변위비에 비하여 X형 가새의 경우에는 57%정도 감소되며 전단벽 구조의 경우에는 67%정도 감소되는 것으로 나타났다. 최대 층간 변위비는 0.
후속연구
- 보다 정확한 판단과 신뢰성 있는 데이터 구축을 위해서 지진으로 인한 파괴거동 및 동적 해석에 대한 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
- 4) 4층 학교는 7개소에 3층 학교는 5개소에 내진 보강함으로써 구조물의 최대내력 및 변위성능이 많이 향상되는 것으로 나타났다. 지진에 대한 경각심이 고취되고 있는 현실을 감안할 때 보강기법에 대한 적극적인 검토가 필요할 것이다.
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