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문제 정의
- 본 연구에서는 내진설계 되지 않은 국내 학교 건물 중 대부분을 차지하는 대표 유형의 학교건물에 관한 내진성능 평가를 수행하여 실무에서 적용할 수 있도록 기초자료를 제시하고자 하였다. 이를 위하여 경기도 교육청이 경기도 관내 1,530개 학교를 평면유형별, 증축방법별, 건축시점별로 분류한 결과를 참고하여[5] 국내 가장 많은 형태인 직렬형의 수직 증축된 1970~1979에 세워진 학교건물 중 한 건물을 모델구조물로 선정하여 학교건축물에 대한 내진성능 평가를 수행하였다.
- 본 연구에서는 일본의 보유강도법에 의한 내진성능평가와 미국의 보유성능법에 의한 평가를 수행하고, 이를 비교하여 모델구조물의 내진성능을 평가하였다.
제안 방법
- 72)정도의 값을 기초로 A학교의 내진성능을 판정해 볼 수 있다. A학교의 경우 지반조사 보고서가 없어, 우리나라의 평균지반특성을 고려하여 평가를 수행하였으며 우리나라의 평균지반특성이 SC지반 이상의 조건이라는 것을 고려하여 A학교의 내진성능을 판정하였다. 장변방향으로는 1층의 IS가 0.
- 각 기둥을 하중을 부담하는 양과 기둥의 장∙단주의 거동에 따라 장변방향 19개 기둥형태와 단변방향 13개의 형태로 분류한 후, 장주형태의 거동을 하는 기둥의 경우 순층간 높이인 2.7m로 반영하고, 단주형태의 거동을 하는 기둥의 경우 1.2m로 반영하여 평가를 수행하였다.
- 노후도지표는 현장조사를 수행한 후, 평가결과를 도출하였다. A학교의 경우 준공 후 30년이 경과한 시설물이지만, 시설관리가 잘 이루어져 특별한 노후 현상이 없는 것으로 나타났다.
- 이러한 손상도 기준은 구조해석을 통해 파악된 결과를 바탕으로 하고 있는 것이 아닌 내진설계기준을 통해서 얻어진 자료와 다수의 경험적 자료를 조사하여 산출한 결과를 사용하고 있다[9]. 따라서 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 선행 연구를 통해 제시된 Pushover해석을 통해 산출된 능력스펙트럼을 사용한 손상도 기준을 적용하여 해석결과를 분석하였다.
- 본 연구에서 기둥의 유형은 하중전달 면적과 기둥의 단면적에 따라 분류하였으며, 분류된 기둥의 그룹별로 평가결과를 합하여 강도지표를 나타내었다. 또한 실측된 자료를 바탕으로 형상지표(SD)와 경년지표(T)를 산정하여 구조내진지표를 평가하였다.
- 본 연구에서 기둥의 유형은 하중전달 면적과 기둥의 단면적에 따라 분류하였으며, 분류된 기둥의 그룹별로 평가결과를 합하여 강도지표를 나타내었다. 또한 실측된 자료를 바탕으로 형상지표(SD)와 경년지표(T)를 산정하여 구조내진지표를 평가하였다.
- 이러한 구조물은 최근까지 적용된 내진설계기준에 의하여 내진설계가 적용되지 않아, 이에 대한 내진성능을 평가할 필요가 있다. 본 연구에서는 내진설계가 적용되지 않은 대표적인 철근콘크리트 구조물의 내진성능을 보유강도를 중심으로 한 일본식 내진성능평가와 보유성능을 중심으로 한 미국식 내진성능평가를 수행한 후, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 비선형정적해석(Pushover Analysis)을 통해 파악된 능력스펙트럼을 바탕으로 손상도를 각 방향별로 추정하였다. Fig.
- 본 연구에서는 내진설계 되지 않은 국내 학교 건물 중 대부분을 차지하는 대표 유형의 학교건물에 관한 내진성능 평가를 수행하여 실무에서 적용할 수 있도록 기초자료를 제시하고자 하였다. 이를 위하여 경기도 교육청이 경기도 관내 1,530개 학교를 평면유형별, 증축방법별, 건축시점별로 분류한 결과를 참고하여[5] 국내 가장 많은 형태인 직렬형의 수직 증축된 1970~1979에 세워진 학교건물 중 한 건물을 모델구조물로 선정하여 학교건축물에 대한 내진성능 평가를 수행하였다. 평가결과를 통해 그 위험성을 판정하고 우리나라 학교건축물의 내진성능에 대한 현황을 제시하였다.
- 장변방향의 경우, 모든 기둥에서(C1~C19) 전단파괴를 나타내었으며, 이를 기초로 각 기둥의 종국전단강도를 산정하여 강도지표를 산정하였다. 또한 단변방향의 경우 일부기둥에서 휨파괴 양상을 나타내었다.
- 이를 위하여 경기도 교육청이 경기도 관내 1,530개 학교를 평면유형별, 증축방법별, 건축시점별로 분류한 결과를 참고하여[5] 국내 가장 많은 형태인 직렬형의 수직 증축된 1970~1979에 세워진 학교건물 중 한 건물을 모델구조물로 선정하여 학교건축물에 대한 내진성능 평가를 수행하였다. 평가결과를 통해 그 위험성을 판정하고 우리나라 학교건축물의 내진성능에 대한 현황을 제시하였다.
대상 데이터
- 본 건축물(이하 A학교)은 1970년 준공 후 현재까지 교육연구시설로 사용 중이며, 지상 3층의 철근콘크리트 모멘트 골조로 구조평면은 Fig. 2와 같다.
성능/효과
- 1) 보유강도를 기초로 한 일본식 내진성능평가는 장변방향으로 1층의 Is가 0.379, 단변방향의 경우 1층 0.260 및 2층 0.286으로 판정되어 Sc지반의 구조내진판정지표인 0.42에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 단변방향으로는 1층과 2층에 내진성능 보강공사가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 2) 보유성능을 기초로 한 미국식 내진성능평가를 기초로 내진성능을 평가하면 장변방향의 부재력 중 축력과 회전모멘트가 평균 2배 이상이 요구 부재력을 초과하고 있는 것으로 나타났으나, 전단력은 대체로 허용치를 만족하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 장변방향에 대한 보강은 강도 및 모멘트 저항 요소의 배치와 함께 3층부의 변형 집중을 방지 할 수 있는 보강방안이 검토되어야 할 것으로 판단된다.
- 3) 이와 같이 본 연구에서 대상으로 한 장방향 일자형 학교건물의 내진성능평가를 보유강도평가법과 보유성능평가법에 의해 수행한 결과 모두 유사한 결과가 도출되었다. 그러나 두 평가법의 상호 신뢰성을 확보하기 위해서는 다른 여러 형태의 학교건물의 내진성능평가 등 형태별 기초데이터를 비교하는 추후 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 보유성능지표와 형상 및 노후도지표를 통하여 A학교의 구조내진지표를 산정하여 Table 5에 나타내었다. 각 지반별 구조내진성능판정지표 ISO 값을 참조할 때, SA(경암지반, ISO=0.28), SB(보통암지반, ISO=0.35), SC(매우 조밀한 토사지반 또는 연암지반, ISO=0.42), SD(단단한 토사지반, ISO=0.51) 및 SE(연약한 토사지반, ISO= 0.72)정도의 값을 기초로 A학교의 내진성능을 판정해 볼 수 있다. A학교의 경우 지반조사 보고서가 없어, 우리나라의 평균지반특성을 고려하여 평가를 수행하였으며 우리나라의 평균지반특성이 SC지반 이상의 조건이라는 것을 고려하여 A학교의 내진성능을 판정하였다.
- 이후 Extensive 구간에서는 기둥의 소성힌지는 더 이상 진행되지 않으나, 3층 보의 소성힌지가 인명 안전수준으로 진행되고 Complete 구간에서 3층 보부재의 대부분이 붕괴방지 수준으로 진행되고 일부 파괴되는 것을 확인하였다. 또한 모든 파괴의 집중현상이 3층 보에 집중되고 있어, 3층에 대한 평가가 안전한 것으로 파악된 경우라도 전 층을 보강하는 것이 효율적일 것으로 판단된다.
- A학교의 경우 준공 후 30년이 경과한 시설물이지만, 시설관리가 잘 이루어져 특별한 노후 현상이 없는 것으로 나타났다. 수 개소의 바닥슬래브와 조적벽체 기둥에서 누수 및 박리현상이 발견되었으며, 그 개소도 전체 부재의 1/3~1/9 이내로 판정되었다. 조사 결과 구조 균열 및 변형 항에서 0.
- 휨파괴 기둥은 전단기둥조건과 축력조건으로 인하여 각 기둥의 인성지표는 각 층별로 모든 기둥에서 1로 나타났다. 이를 기초로 A학교의 장변방향 보유성능지표는 1층 0.429 2층 0.482, 3층 0.741이었으며, 단변방향 보유성능지표는 1층 0.294, 2층 0.324, 3층 0.516으로 나타나 장변방향으로는 보강이 필요하지 않지만 단변방향으로는 1,2층에 보강이 필요할 것으로 산정되었다. 각 기둥별 전단강도 산정결과는 Table 4에 나타내었다.
- 4에서와 같이, 각 장변방향에 대한 손상도별 소성힌지 분포는 Slight 구간에서 소성힌지가 발생하지 않고 있으며, 이후 Moderate 구간에서 1층 지점의 기둥과 3층의 대부분의 보에서 즉시 사용단계의 소성힌지가 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 이후 Extensive 구간에서는 기둥의 소성힌지는 더 이상 진행되지 않으나, 3층 보의 소성힌지가 인명 안전수준으로 진행되고 Complete 구간에서 3층 보부재의 대부분이 붕괴방지 수준으로 진행되고 일부 파괴되는 것을 확인하였다. 또한 모든 파괴의 집중현상이 3층 보에 집중되고 있어, 3층에 대한 평가가 안전한 것으로 파악된 경우라도 전 층을 보강하는 것이 효율적일 것으로 판단된다.
- 5와 같이 Slight 구간에서 3층 복도에 위치한 보와 2층 복도의 기둥이 즉시사용 단계의 소성힌지가 발생하였고, Moderate 손상도 구간에서 3층 보의 소성힌지가 진행되고 1층 복도의 기둥 인명안전수준의 소성힌지가 발생하였다. 이후 Extensive 손상구간을 거쳐 Complete 구간에서는 1기둥의 인장측이 붕괴수준의 소성힌지와 함께 3층 보의 붕괴수준의 소성힌지가 분포하면서 비틀림이 발생하는 것으로 나타났다. 단변방향의 경우, 장변방향의 변형이 3층 보에 집중되었던 것과 달리 1층 기둥의 중앙부와 인장측 기둥의 소성힌지 집중과 3층 보의 소성에 의한 구조물의 비틀림 현상이 있음을 알 수 있다.
- 수 개소의 바닥슬래브와 조적벽체 기둥에서 누수 및 박리현상이 발견되었으며, 그 개소도 전체 부재의 1/3~1/9 이내로 판정되었다. 조사 결과 구조 균열 및 변형 항에서 0.034점, 변질 및 노후화 항에서 0.037점 감점이 이루어져 경년지표는 0.93으로 산정되었다.
- 평가결과, 장변방향의 부재력 중 축력과 회전모멘트가 평균 2배 이상이 요구 부재력을 초과하고 있는 것으로 나타났으나, 전단력은 대체로 허용치를 만족하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 장변방향에 대한 보강은 강도 및 모멘트 저항 요소의 배치와 함께 3층부의 변형 집중을 방지할 수 있는 보강방안이 검토되어야 할 것으로 판단된다.
후속연구
- 3) 이와 같이 본 연구에서 대상으로 한 장방향 일자형 학교건물의 내진성능평가를 보유강도평가법과 보유성능평가법에 의해 수행한 결과 모두 유사한 결과가 도출되었다. 그러나 두 평가법의 상호 신뢰성을 확보하기 위해서는 다른 여러 형태의 학교건물의 내진성능평가 등 형태별 기초데이터를 비교하는 추후 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 평가결과, 장변방향의 부재력 중 축력과 회전모멘트가 평균 2배 이상이 요구 부재력을 초과하고 있는 것으로 나타났으나, 전단력은 대체로 허용치를 만족하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 장변방향에 대한 보강은 강도 및 모멘트 저항 요소의 배치와 함께 3층부의 변형 집중을 방지할 수 있는 보강방안이 검토되어야 할 것으로 판단된다. 단변방향도 장변방향과 동일하게 축력과 모멘트가 2배 이상 초과하고 있으며, 장변방향에 비해 전단력이 더 크게 초과되고 있는 것을 알 수 있다.
- 평가결과, 장변방향의 부재력 중 축력과 회전모멘트가 평균 2배 이상이 요구 부재력을 초과하고 있는 것으로 나타났으나, 전단력은 대체로 허용치를 만족하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 장변방향에 대한 보강은 강도 및 모멘트 저항 요소의 배치와 함께 3층부의 변형 집중을 방지할 수 있는 보강방안이 검토되어야 할 것으로 판단된다. 단변방향도 장변방향과 동일하게 축력과 모멘트가 2배 이상 초과하고 있으며, 장변방향에 비해 전단력이 더 크게 초과되고 있는 것을 알 수 있다.
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