[논문]기존 학교 건축물의 내진성능평가 및 보강방안 제안

황지훈; 장정현; 양경석; 최재혁

doi:10.7859/kief.2012.19.4.029

[국내논문] 기존 학교 건축물의 내진성능평가 및 보강방안 제안
Proposed Seismic Performance Evaluation Enhancement for Existing School Building 원문보기

교육시설 : 한국교육시설학회논문집 = Journal of the Korean Institute of Educational Facilities, v.19 no.4, 2012년, pp.29 - 38

황지훈 (조선대 건축공학과) , 장정현 (조선대 건축공학과) , 양경석 (조선대 건축공학과) , 최재혁 (조선대 건축학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently large scale earthquake s are occurred around the world following the damage of buildings. So the interest of preparing for earthquake seismic design and seismic performance has becoming high. School buildings are though used for educational purpose; they are also used as emergency shelter for local residents during earthquake disaster. However, the current seismic design ratio of our country (Korea) is 3.7% and if massive earthquake is occurred it follows a serious damage. In order to overcome this situation, seismic performance evaluation is carried out for existing school building and an accurate and appropriate seismic retrofit is required based on performance evaluation to upgrade the existing school buildings. In this paper, nonlinear static analysis on existing school buildings for ATC-40 and FEMA-356 are carried out using the capacity spectrum method to evaluate seismic performance and to determine the need for retrofitting. In addition, after reinforcement to verify the effect of retrofit enhance the seismic performance is applied the seismic performance evaluation is carried out to verify the effect of seismic retrofit time history analysis using nonlinear dynamic analysis is also performed and nonlinear behavior of earthquake load of seismic retrofit of structures was also investigated.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 기존 연구를 바탕으로 기존 학교 건축물에 비선형정적해석을 실시하여 내진성능평가 후, 비선형시간이력해석을 통해 지진하중에 의한 구조물의 비선형거동을 규명하고 제진 장치를 이용한 내진 보강 효과를 검증하고자 한다.
또한, 저층 RC건물의 내진성능을 단시간 내에 보다 효율적이며 실용적으로 평가 할 수 있는 간이 내진성능평가법을 제안하였다. 이원호는 기존 철근콘크리트의 국내와 국외의 내진성능 평가기법의 현황에 대해 소개하고, 내진보강법의 선정 시 참고자료로서 활용할 수 있는 기존 RC건축물의 내진보강방법의 종류를 소개하였다. 이상호는 국내ㆍ외의 내진성능평가방법을 소개하고, 각각의 특징과 문제점을 비교하였으며, 일본의 고베지진으로 피해를 입은 RC건축물의 자료를 바탕으로 새로운 내진성능 평가방법을 제안하였다.
또한, 철근콘크리트 골조, 특히 학교건축물 등에서 허리벽을 가지는 프레임 구조에 적용하여 내진성능을 향상시킬 수 있는 제진공법의 일종으로 창호형 강재댐퍼시스템을 제안하여 구조적 성능을 파악하였으며, 정적 및 동적실험을 수행하여 보강 유무에 따른 RC골조의 내진성능을 파악하였다. 최호는 무보강 조적채움벽을 갖는 철근콘크리트 건물의 내진성능 및 잔존내진성능 평가방법 개발을 주목적으로, 무보강 콘크리트블록(이하, 블록)을 칸막이벽체 및 외벽으로 많이 사용하고 있는 우리나라 학교건물을 대상으로 한 실험적, 해석적 연구를 수행하였다. 윤태호는 기존 학교건물 중 내진설계가 되지 않은 건물을 표본으로 정하여 국내 기준에 제시된 내진성능 평가방법과 내진성능평가가 발달한 일본의 내진성능평가방법을 적용하여 기존의 학교 건물에 대해서 지진발생시 내진성능평가를 국내ㆍ외 규준별로 검토하고 비교함으로서 보강방향을 제시하였다.

제안 방법

본 연구에서는 대상 건축물에 내진성능평가를 실시한 후 부족한 내진성능을 보강하기 위해 제진시스템을 1층에 8개, 2층에 4개 프레임을 설치하였다. 각각의 프레임에는 3개의 댐퍼가 설치되어 총 36개의 댐퍼가 설치되며 비선형 시간이력해석을 수행하였다.
이상호는 국내ㆍ외의 내진성능평가방법을 소개하고, 각각의 특징과 문제점을 비교하였으며, 일본의 고베지진으로 피해를 입은 RC건축물의 자료를 바탕으로 새로운 내진성능 평가방법을 제안하였다. 또한, 앞에 소개한 내진 평가방법을 이용하여 국내의 내진대책 마련의 한 방안으로서, 부산에 소재한 재난대피시설로 지정된 RC조 학교건축물을 대상으로 내진성능보유정도를 파악하고 국내에 상정되는 지진으로 인한 건축물의 피해율을 예측하였다. 또한, 철근콘크리트 골조, 특히 학교건축물 등에서 허리벽을 가지는 프레임 구조에 적용하여 내진성능을 향상시킬 수 있는 제진공법의 일종으로 창호형 강재댐퍼시스템을 제안하여 구조적 성능을 파악하였으며, 정적 및 동적실험을 수행하여 보강 유무에 따른 RC골조의 내진성능을 파악하였다.
이강석은 철근콘크리트 건물의 내진성능 평가방법을 소개하고, 국내 현존 RC건물 14동을 대상으로 일본의 내진진단 기준을 적용하여 그 내진성능을 평가하였다. 또한, 저층 RC건물의 내진성능을 단시간 내에 보다 효율적이며 실용적으로 평가 할 수 있는 간이 내진성능평가법을 제안하였다. 이원호는 기존 철근콘크리트의 국내와 국외의 내진성능 평가기법의 현황에 대해 소개하고, 내진보강법의 선정 시 참고자료로서 활용할 수 있는 기존 RC건축물의 내진보강방법의 종류를 소개하였다.
또한, 앞에 소개한 내진 평가방법을 이용하여 국내의 내진대책 마련의 한 방안으로서, 부산에 소재한 재난대피시설로 지정된 RC조 학교건축물을 대상으로 내진성능보유정도를 파악하고 국내에 상정되는 지진으로 인한 건축물의 피해율을 예측하였다. 또한, 철근콘크리트 골조, 특히 학교건축물 등에서 허리벽을 가지는 프레임 구조에 적용하여 내진성능을 향상시킬 수 있는 제진공법의 일종으로 창호형 강재댐퍼시스템을 제안하여 구조적 성능을 파악하였으며, 정적 및 동적실험을 수행하여 보강 유무에 따른 RC골조의 내진성능을 파악하였다. 최호는 무보강 조적채움벽을 갖는 철근콘크리트 건물의 내진성능 및 잔존내진성능 평가방법 개발을 주목적으로, 무보강 콘크리트블록(이하, 블록)을 칸막이벽체 및 외벽으로 많이 사용하고 있는 우리나라 학교건물을 대상으로 한 실험적, 해석적 연구를 수행하였다.
송진규는 준공 후 30년 이상 경과되고 내진설계가 반영되지 않은 학교 건축물에 대하여 노후도를 고려하여 내진성능을 평가하고, 건축물의 내진설계기준에 적합하도록 보강하는 방안을 제시하였다. 박천석은 기존 대학교 건물들 중에서 내진 설계가 적용되지 않은 저층 건물을 대상으로 재해 시 피난구조물로서의 기능을 확보하기 위해 기존에 제시된 내진보강기법들을 대상으로 연구 대상 건물에 적용하여 그에 따른 구조해석결과를 이용해 각각 내진보강 기법들에 대한 보강 효과에 대해 비교ㆍ분석하였다.
KBC2009에서는 내진등급 특등급의 경우 설계 허용 층간변위 1/100, 내진등급 Ⅰ등급 건축물인 경우1/67, 내진등급 Ⅱ등급은 1/50로 규정하고 있다. 사용성 기준에 대한 성능 목표는 즉시거주(IO)수준과 붕괴방지(CP)수준으로 구분하고 있으며 본 논문에서는 성능수준에 따라 Bertero[4]가 제안한 층간변위비 제한값(IO Level :0.6%, LS Level : 1.5%, CP Level : 2.0%)을 사용하였다
성능수준은 발생 가능한 일련의 지진피해 스펙트럼에서 일정한 폭을 가지는 각각의 피해상태를 말한다. 성능수준은 구조 부재의 손상과 비구조 부재의 손상정도로 나누어지며 , 성능수준은 Table 1과 같이 완전기능, 즉시거주, 인명안전, 붕괴방지 네 가지이며 건축물의 성능수준과 지반운동 수준을 고려함으로써 성능목표를 평가한다.
오상훈은 기존 철골건축물의 국내와 국외의 내진성능 평가기법에 대해 소개하고, 내진진단 기법에 대한 지식을 바탕으로 국내 적용 가능한 보강방법을 소개하였다. 이강석은 철근콘크리트 건물의 내진성능 평가방법을 소개하고, 국내 현존 RC건물 14동을 대상으로 일본의 내진진단 기준을 적용하여 그 내진성능을 평가하였다. 또한, 저층 RC건물의 내진성능을 단시간 내에 보다 효율적이며 실용적으로 평가 할 수 있는 간이 내진성능평가법을 제안하였다.
대상 구조물에 비선형정적해석을 이용한 내진성능평가를 실시하여 소성힌지 분포를 확인한 결과 장변방향에 대한 내진성능이 부족한 것으로 판단되었다. 이를 보강하기 위해 Figure 4와 같이 대상 건축물에 대한 제진시스템 설치를 1층에 8개, 2층에 4개 프레임을 설치하였으며 각각의 프레임에는 100kN의 내력을 갖는 3개의 마찰댐퍼가 설치되어 총 36개의 마찰댐퍼를 설치하는 내진보강을 실시하였다. 마찰댐퍼는 일반강재 댐퍼에서 나타나는 반복거동에 따른 내력 상승 현상이 없어 마찰거동 이후 설정된 내력값으로 일정하게 나타남으로서 설계 신뢰도가 높은 장점이 있다.
이원호는 기존 철근콘크리트의 국내와 국외의 내진성능 평가기법의 현황에 대해 소개하고, 내진보강법의 선정 시 참고자료로서 활용할 수 있는 기존 RC건축물의 내진보강방법의 종류를 소개하였다. 이상호는 국내ㆍ외의 내진성능평가방법을 소개하고, 각각의 특징과 문제점을 비교하였으며, 일본의 고베지진으로 피해를 입은 RC건축물의 자료를 바탕으로 새로운 내진성능 평가방법을 제안하였다. 또한, 앞에 소개한 내진 평가방법을 이용하여 국내의 내진대책 마련의 한 방안으로서, 부산에 소재한 재난대피시설로 지정된 RC조 학교건축물을 대상으로 내진성능보유정도를 파악하고 국내에 상정되는 지진으로 인한 건축물의 피해율을 예측하였다.
Figure 10은 본 연구에서 비선형 시간이력해석을 수행할 때 사용된 지진파이다. 주파수 성분이 서로 다른 El Centro, Taft, California 지진파를 이용하여 KBC 2009에따라 대상건축물의 지역과 지반을 고려하여 설계스펙트럼과 비슷하게 SCALE을 조정한 후 해석을 실시하였다. 댐퍼 설치 전, 후 각 지진파별 층간 변형각을 Figure 9에 나타내었다.

대상 데이터

콘크리트 설계기준강도(fck)는 18MPa이며, 철근 항복강도(fy)는 240MPa (SD240)이다. 구조형식은 철근콘크리트 라멘구조이며, 지반은 단단한 토사지반(SD), 지진구역 2에 해당되는 지역 계수(S)는 0.14이다.
대상건축물은 1975년에 신축된 국내에 현존하는 연면적3,961㎡의 RC조 3층 건물이다. Figure 1에 대상구조물 1층 평면도를 나타내었다.
본 연구에서는 대상 건축물에 내진성능평가를 실시한 후 부족한 내진성능을 보강하기 위해 제진시스템을 1층에 8개, 2층에 4개 프레임을 설치하였다. 각각의 프레임에는 3개의 댐퍼가 설치되어 총 36개의 댐퍼가 설치되며 비선형 시간이력해석을 수행하였다.
Figure 1에 대상구조물 1층 평면도를 나타내었다. 콘크리트 설계기준강도(fck)는 18MPa이며, 철근 항복강도(fy)는 240MPa (SD240)이다. 구조형식은 철근콘크리트 라멘구조이며, 지반은 단단한 토사지반(SD), 지진구역 2에 해당되는 지역 계수(S)는 0.

이론/모형

대상건축물의 내진성능평가는 성능스펙트럼법(CSM)을 이용하여 장변과 단변에 대하여 수행되었으며 단변의 경우 조적 채움벽을 고려하였다. 비선형 정적해석에서 비선형 구조물 구축을 위해서 필요한 각 주요 구조부재의 비선형 이력모델 특성은 FEMA 356에서 정의하고 있는 이력형상을 근거로 하여 모델링 하였으며, 조적벽체의 특성값은 FEMA 356을 준용하였다
대상건축물의 내진성능평가는 성능스펙트럼법(CSM)을 이용하여 장변과 단변에 대하여 수행되었으며 단변의 경우 조적 채움벽을 고려하였다. 비선형 정적해석에서 비선형 구조물 구축을 위해서 필요한 각 주요 구조부재의 비선형 이력모델 특성은 FEMA 356에서 정의하고 있는 이력형상을 근거로 하여 모델링 하였으며, 조적벽체의 특성값은 FEMA 356을 준용하였다

성능/효과

1) 댐퍼 적용 전, 대상건축물에서 장변 방향 2400년 재현주기 2/3수준 성능점에서의 요구성능 불만족 부재는 2층 보/기둥에서 148개소, 2층 보/기둥에서 4개소가 존재하였으나, 댐퍼 적용 후 요구성능 불만족 부재가 존재하지 않아, 대상 건축물의 내진성능이 즉시 거주(Immediate Occupancy) 단계로 내진보강 되었음을 확인하였다.
2) 비선형 시간이력해석결과 내진 보강된 대상 건축물의 층간 변형각은 즉시거주(IO) 단계 이하의 결과를 나타내어 2400년 2/3 수준의 지진 발생 시 구조물이 안정적으로 거동함을 알 수 있었다.
3) 각 지진파에 의한 댐퍼의 이력 거동을 검토한 결과, 각 층에 적용된 모든 댐퍼가 안정적인 이력거동하고 있어, 대상건축물에 지진 에너지를 충분히 소산시킴을 알 수 있었다.
Figure 9은 내진 성능 향상 여부를 판단하기 위해 댐퍼적용 전, 후 성능점에서의 소성힌지 분포를 비교하여 나타내었다. Table 7과 같이 댐퍼 적용 전 대상 건축물에서장변 방향 2400년 재현주기 2/3수준 성능점에서의 요구성능 불만족 부재는 2층 보/기둥에서 148개소, 2층보/기둥에서 4개소가 존재하였으나, 댐퍼 적용 후 요구 성능 불만족부재는 존재하지 않아, 대상 건축물의 내진성능이 즉시거주(Immediate Occupancy) 수준으로 보강되었음을 확인할 수 있었다.
Table 5와 같이 대상 건축물에서 장변 방향 2400년 재현주기 2/3 수준 성능점에서의 요구성능 불만족 부재는 2층 보/기둥에서 148개소, 2층 보/기둥에서 4개소가 존재, 단변 방향에서 1층 조적벽 17개소가 파괴되었으나 주구조체에서 요구성능 불만족 부재는 존재하지 않았다. 내진성능평가 결과 대상 건축물 장변 방향에 시스템의 감쇠 향상을 위한 제진시스템 설치 등의 내진보강이 필요하며, 단변 방향에서는 요구성능 기준을 만족하여 별도의 내진보강이 필요하지 않았다.
대상 구조물에 비선형정적해석을 이용한 내진성능평가를 실시하여 소성힌지 분포를 확인한 결과 장변방향에 대한 내진성능이 부족한 것으로 판단되었다. 이를 보강하기 위해 Figure 4와 같이 대상 건축물에 대한 제진시스템 설치를 1층에 8개, 2층에 4개 프레임을 설치하였으며 각각의 프레임에는 100kN의 내력을 갖는 3개의 마찰댐퍼가 설치되어 총 36개의 마찰댐퍼를 설치하는 내진보강을 실시하였다.
Figure 11은 각 지진파별 층간변형각을 나타내었다. 댐퍼 설치 전 Taft와 California 지진파에 대하여 1층과 3층에서 제한 층간변위비의 즉시거주(IO) 수준을 초과하였으나 댐퍼 설치 후 적용된 모든 지진파에 대하여 즉시거주(IO) 수준을 만족하고 있음을 알 수 있다
댐퍼 설치 전, 후 각 지진파별 최대 최상층 변위를Figure 12에 나타내었으며 정확한 수치는 Table 8에 나타내었다. 댐퍼 설치 후 최대 최상층 변위는 El Centro 지진파 10.35mm 감소, Taft 지진파 7.15mm 감소, California 지진파 26.87mm 감소하여 내진 보강 효과를 확인 할 수 있었다.
Figure 8는 댐퍼 보강 전⋅후 성능점을 산정하였으며, Table 6에 정리하였다. 요구 성능 스펙트럼의 비교, 분석을 통해 댐퍼 적용 후 철골 프레임에 의한 강성이 증가함에 따라 대상 건축물의 성능 역시 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 댐퍼에 의해 시스템의 감쇠력이 증가됨에 따라 소성 변형률 역시 증가함을 확인할 수 있었다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	1962년 우리나라 내진설계는 어떻게 규정되었는가?	우리나라 내진설계는 1962년 건축법 제10조에 “건축물은 지진 등에 안전한 구조를 가져야 한다”고만 규정하다가 1988년에 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙 (건설부령 제432호 개정, 1988.1.
	마찰댐퍼를 설치하는 내진보강에서 마찰댐퍼의 장점은 무엇인가?	이를 보강하기 위해 Figure 4와 같이 대상 건축물에 대한 제진시스템 설치를 1층에 8개, 2층에 4개 프레임을 설치하였으며 각각의 프레임에는 100kN의 내력을 갖는 3개의 마찰댐퍼가 설치되어 총 36개의 마찰댐퍼를 설치하는 내진보강을 실시하였다. 마찰댐퍼는 일반강재 댐퍼에서 나타나는 반복거동에 따른 내력 상승 현상이 없어 마찰거동 이후 설정된 내력값으로 일정하게 나타남으로서 설계 신뢰도가 높은 장점이 있다. Figure 5는 대상구조물인 OO고등학교에 제진시스템 실제 적용사진을 나타내었고, Figure 6는 시공순서를 나타내었다.
	비선형 정적해석이란 무엇인가?	비선형 정적해석은 일방향 가력해석(Pushover Analysis)라고도 하며, 다양한 구조요소가 단계적으로 하중이 증가함에 따라서 연속적으로 항복하는 구조물의 비선형 응답해석에 효과적으로 사용할 수 있는 방법이다. 가장 많이 사용되는 형태는 일정한 분포를 가지고 증가하는 정적하중을 사용한 정적 일방향 가력해석이며 이는 변위 증가에 따른 구조물의 거동을 표현한다.

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최 호, "우리나라 학교건물의 내진성능 및 손상도 평가", 대한건축학회 논문집 구조계, 제27권 제1호, 183-186. 2007
윤태호, 김성렬, 김경민, "국내 및 일본 내진규준에 따른 학교건물의 내진성능평가", 대한건축학회 학술발표대회 논문집 구조계, 제28권 제1호, 271-274, 2008
송진규, 황재승, 김건우, 송호범, 이재혁, "노후도를 고려한 학교건물의 내진성능평가 및 내진보강에 관한 연구", 대한건축학회 논문집 구조계, 제26권 제8호, 3-10, 2010

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박천석, 안재혁, 송우영, "기존 저층 대학건물의 내진보강을 위한 내진보강기법 비교연구", 대한건축학회연합논문집, 제13권 제2호, 175-182, 2011

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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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