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문제 정의
- 본 연구는 내진설계가 이루어지지 않은 대상 건축물의 구조물 안전성을 검토 하고, 내진성능 평가를 실시하였다. 이를 통해 내진등급을 판명하고 보강이 필요한 곳을 선정하여 실무에서 가장 많이 쓰이고 있는 3가지 방안으로 보강하였다.
- 본 연구에서는 VES Damper의 성능을 Pushover 해석 모델링을 통해 검토하였다. VES Damper는 허용전단변형이 300%, 극한전단변형이 400%를 채택하고 있으며 15 mm 점탄성체를 이용한 Damper는 최대 45 mm의 전단변형까지 안정적으로 견딜 수 있다.
- 본 연구에서는 실존하는 학교 건물을 대상으로 내진 보강 전과 후에 대한 성능평가를 실시하였다. 이를 위해 내진성능 향상에 대한 비내진 설계된 학교 건물의 영향을 평가하였고, 보강이 필요한 곳을 선정하여 실무에서 적용할 수 있는 3 가지 보강 방안으로 해석한 후 다시 내진성능을 평가하였다.
제안 방법
- 2층 1경간 예제 모델에 VES Damper로 보강을 한 후 Elcentro지진을 적용하여 비선형시간이력해석을 수행하였다. Elcentro 지반운동에 대한 그래프는 Fig.
- 3) 내진 안전성 평가 방법으로 3가지 보강 방안에 대하여 MIDAS/Gen을 통한 비선형 정적해석과 비선형 동적해석을 실시하였다. 층간변위비와 지붕층의 변위값 등이 주요 평가에 대한 고려사항이었다.
- 이를 통해 내진등급을 판명하고 보강이 필요한 곳을 선정하여 실무에서 가장 많이 쓰이고 있는 3가지 방안으로 보강하였다. 3가지 방안은 Steel Brace, Open Shear Wall, VES Damper를 사용한 보강 방안이 고려되었다.
- VES Damper 모델링 검증을 하기 위하여 2층 1경간 골조시스템에 대해 보강 전 골조시스템과 VES Damper로 1층과 2층에 각각 보강한 것으로 가정하여 모델링을 개발하고 이를 해석 수행하였다. 이를 통해 보강 전과 VES Damper 설치를 통한 보강 후 골조시스템의 내진성능에 대한 비교, 분석을 수행하였다.
- 예비평가 결과, 보강 전 대상건물의 X방향에 대하여 내진성능평가점수는 94점으로 C등급(대규모피해)이며, Y 방향에 대해서는 내진성능평가점수 107점으로 B등급(중규모피해) 판정을 받았다. 따라서 X, Y방향 모두1차 상세 평가를 실시하였다. 1차 상세평가를 실시한 결과, 보강 전 대상 건물은 X방향에 대하여 성능점이 형성되지 못하였고, 층간변위는 인명안(LS)을 만족하나 부재가 붕괴(C)수준으로 보강이 필요한 것으로 판단되었다.
- 본 연구에서 고려된 내진 보강 방안에 따라 강도 보강을 목표로 하여 Steel Brace와 Open Shear Wall을 선택하였다. 대상건물은 X방향으로 외부 전단벽과 브레이스를 1층과 2층에 각각 4개씩 산정하였다.
- 3배보다 10%이상 작지 않도록 해야 한다고 나타나 있다. 본 연구에서는 총 7개의 지반운동을 KBC2016의 스펙트럼(Fig.17)에 맞게 Second Match라는 컴퓨터응용 프로그램을 사용하여 스케일링 후 비선형 동적 해석을 실시하였다. 스케일링 방법을 통한 7개 지반운동은 Table 6에 나타나 있다.
- 브레이스를 연결하기 위해 보강기둥과 철골보를 추가 시공하였으며, 철골보는 SS400 강재를 이용한 H250×250×9/14 형강이 선택되었다.
- 비선형 동적 해석은 지진에너지를 소산하는 VES Damper 보강 방안에 대해서만 실시하였다. Elcentro 지진을 적용하였을 때, 보강 전 대상건물의 지붕층 최대 변위는 89.
- 본 연구에서는 실존하는 학교 건물을 대상으로 내진 보강 전과 후에 대한 성능평가를 실시하였다. 이를 위해 내진성능 향상에 대한 비내진 설계된 학교 건물의 영향을 평가하였고, 보강이 필요한 곳을 선정하여 실무에서 적용할 수 있는 3 가지 보강 방안으로 해석한 후 다시 내진성능을 평가하였다.
- 본 연구는 내진설계가 이루어지지 않은 대상 건축물의 구조물 안전성을 검토 하고, 내진성능 평가를 실시하였다. 이를 통해 내진등급을 판명하고 보강이 필요한 곳을 선정하여 실무에서 가장 많이 쓰이고 있는 3가지 방안으로 보강하였다. 3가지 방안은 Steel Brace, Open Shear Wall, VES Damper를 사용한 보강 방안이 고려되었다.
- VES Damper 모델링 검증을 하기 위하여 2층 1경간 골조시스템에 대해 보강 전 골조시스템과 VES Damper로 1층과 2층에 각각 보강한 것으로 가정하여 모델링을 개발하고 이를 해석 수행하였다. 이를 통해 보강 전과 VES Damper 설치를 통한 보강 후 골조시스템의 내진성능에 대한 비교, 분석을 수행하였다.
- 1) 본 대상건물은 비내진 설계된 건축물로 지진하중에 의한 검토 시 대부분의 부재가 내력을 초과하여 내진보강이 필요한 것으로 평가되었다. 이에 따라 3가지 보강 방안을 고려하여 이에 대해 내진성능을 평가하였다. Steel Brace와 Open Shear Wall System은 강도보강 측면에서 크게 유리하며 VES Damper System은 유입되는 지진에너지에 대해 고감쇠 고무의 전단변형을 통해 안정적으로 에너지의 소산을 통해 연성적인 측면에서 유리한 것으로 판단된다.
- 2와 같이 모델링 시 대각 가새를 통해 구현하였다. 조적벽은 초기에 강성을 발휘할 때 학교 건축물의 강성을 증가시키나, 조적벽의 강도가 균열강도에 도달하면 파괴가 발생하여 더 이상 강도 기여가 없는 것으로 모델링 하였다.
- 5 m이다. 지질조사 보고서에 따라 지반종류는 SC로 결정하였다. 현장조사를 토대로 콘크리트 압축강도 18 MPa, 철근인장강도 300 MPa를 해석모델에 적용하였다.
대상 데이터
- Y방향에 대해서는 성능점이 형성되었고, 인명안전(LS)수준을 만족하는 것으로 검토되어 보강이 필요 없는 것으로 판단되었다. X방향 보강 안으로 Steel Brace와 Open Shear Wall을 대상 건물의 1층과 2층에 각각 4개소씩 총8개소 설치하였다. 보강 후 해석 결과 성능점이 형성되었으며, 부재의 성능이 붕괴(C)수준에서 거주가능(IO)성능을 만족하였다.
- 대상 건물은 KBC2016 기준상 내진에 대한 보강이 필요한 것으로 검토되었고 이에 따라 내진 성능 평가를 실시한 결과 내진 보강이 필요한 것으로 검토되었다. 본 연구에서 제시한 3가지 보강 방안에 따라 내진 보강을 실시하여 해석 및 평가한 결과 구조물의 연성능력을 향상시키고 2400년 재현주기의 2/3의 지진에서도 목표성능(인명안전, LS)수준에 부합된다고 판단되었다.
- 본 연구에서 고려된 내진 보강 방안에 따라 강도 보강을 목표로 하여 Steel Brace와 Open Shear Wall을 선택하였다. 대상건물은 X방향으로 외부 전단벽과 브레이스를 1층과 2층에 각각 4개씩 산정하였다. 점탄성댐퍼인 VES Damper는 X방향으로 1층에 4기를 설치하였다.
- 본 연구에 고려된 학교 대상 건축물은 경상북도 ○○군에 위치하고 있으며, 지상 3층 규모로 1957년도에 준공된 철근콘크리트 모멘트 골조 건축물이다. 이 건축물은 연면적 1,209.
- 1980년도 이전에 지어진 학교건물은 대부분이 보통 모멘트 골조이며, 대다수의 학교건물의 평면은 일자형이고 보-기둥 철근콘크리트 구조로 이루어져 있다. 본 연구에 사용된 건물 또한 철근콘크리트 보-기둥 골조에 조적 채움벽이 설치되어 있는 구조 형태이다. 내부의 조적벽은 Fig.
- 4 m2의 B동이 신축이음으로 연결되어있다. 본 연구에서는 B동을 대상으로 연구하였다. 이 건물의 층고는 3.
- 본 연구에서는 Open Shear Wall의 압축강도를 24 MPa, 두께는 200 mm를 적용하였고, Fig. 6과 같이 MIDAS/Gen을 사용하여 모델링을 하였다.
- 비선형시간이력해석은 지반운동을 최소3개 이상 이용하여야 한다. 본 연구에서는 총7개의 지반운동을 사용하여 해석하였다.
- 비선형시간이력해석 시 사용된 7개의 지반운동은 Table 3과 같이 Elcentro, San Fernando, Hollywood, Loma Prieta, Northidge, James RD, Parkfield이다. 해석에는 총7개 지반운동의 평균을 사용하였다.
- 사용된 브레이스는 SS400강재를 이용한 P216.3×8 크기의 속이 빈 원형 강관이다.
- 비선형시간이력해석 시 사용된 7개의 지반운동은 Table 3과 같이 Elcentro, San Fernando, Hollywood, Loma Prieta, Northidge, James RD, Parkfield이다. 해석에는 총7개 지반운동의 평균을 사용하였다. 지반 운동 7개를 적용하였을 시 각 댐퍼가 받는 하중은 Table 3에 나타나있다.
- 지질조사 보고서에 따라 지반종류는 SC로 결정하였다. 현장조사를 토대로 콘크리트 압축강도 18 MPa, 철근인장강도 300 MPa를 해석모델에 적용하였다. 대상 건물의 정보는 Fig.
이론/모형
- 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 MIDAS/Gen을 사용하여 모델링을 하였다. 사용된 브레이스는 SS400강재를 이용한 P216.
- 성능점을 얻기 위해 일반적으로 역량스펙트럼법과 변위계수법이 사용된다. 본 연구에서는 역량스펙트럼법을 사용하였다.
- Table 1에서는 VES Damper의 해석에서 고려된 등가강성특성이 나타나 있다. 이를 토대로 초기강성을 계산하였으며 이를 통해 초기강성 값이 MIDAS/Gen에 스프링요소로 삼선형(trilinear)으로 모델링하여 Pushover 해석에 사용되었다.
성능/효과
- 1) 본 대상건물은 비내진 설계된 건축물로 지진하중에 의한 검토 시 대부분의 부재가 내력을 초과하여 내진보강이 필요한 것으로 평가되었다. 이에 따라 3가지 보강 방안을 고려하여 이에 대해 내진성능을 평가하였다.
- 따라서 X, Y방향 모두1차 상세 평가를 실시하였다. 1차 상세평가를 실시한 결과, 보강 전 대상 건물은 X방향에 대하여 성능점이 형성되지 못하였고, 층간변위는 인명안(LS)을 만족하나 부재가 붕괴(C)수준으로 보강이 필요한 것으로 판단되었다. Y방향에 대해서는 성능점이 형성되었고, 인명안전(LS)수준을 만족하는 것으로 검토되어 보강이 필요 없는 것으로 판단되었다.
- 2) 구조설계와 시공현장의 상황에서 변화될 수 있지만 강도보강측면에서 유리한 Steel Brace와 Open Shear Wall 구조보강은 자중의 증가로 기초보강이 필요할 수 있으며 습식공법에 따라 공기가 연장될 수 있다. 반면에 VES댐퍼시스템은 공장제작을 통한 품질관리와 시방서에 따른 설계와 시공을 통해 보강을 할 수 있어 보강방안 중 유리한 점을 가지고 있는 것으로 판단된다.
- 층간변위비와 지붕층의 변위값 등이 주요 평가에 대한 고려사항이었다. 그 결과, 모든 보강 방안에 대하여 내진 목표성능인 인명안전(LS) 수준을 만족시킨 것으로 판단되었다.
- 46 mm이다. 대상 건물에 VES Damper로 보강한 후 지붕 층 최대 변위를 구한 결과 75.02 mm로 약 16.11%가 감소하였다. Fig.
- 성능점에서의 층간변위는 허용 층간 변위인 1%를 초과하지 않는다. 따라서 3가지 보강 방안 모두 내진보강이 적정하다고 판단되었다.
- 보강 전 기존의 2층 1경간 골조시스템에 대해 1층과 2층에 2개의 VES Damper로 보강한 결과 성능점에서의 최대밑면전단력이 67kN에서 340kN으로 약 5배정도 최대강도가 증가하였다. Pushover 그래프를 통해 연성 또한 증가한 것이 확인되었다.
- X방향 보강 안으로 Steel Brace와 Open Shear Wall을 대상 건물의 1층과 2층에 각각 4개소씩 총8개소 설치하였다. 보강 후 해석 결과 성능점이 형성되었으며, 부재의 성능이 붕괴(C)수준에서 거주가능(IO)성능을 만족하였다. VES Damper 보강 안의 경우 X방향으로 1층에 4기를 설치하였으며, 보강 후 해석 결과 부재의 성능이 붕괴(C)수준에서 거주가능(IO)성능을 만족하였다.
- 대상 건물은 KBC2016 기준상 내진에 대한 보강이 필요한 것으로 검토되었고 이에 따라 내진 성능 평가를 실시한 결과 내진 보강이 필요한 것으로 검토되었다. 본 연구에서 제시한 3가지 보강 방안에 따라 내진 보강을 실시하여 해석 및 평가한 결과 구조물의 연성능력을 향상시키고 2400년 재현주기의 2/3의 지진에서도 목표성능(인명안전, LS)수준에 부합된다고 판단되었다. 본 논문에서 최적의 보강 수량을 명확히 확보하기 위한 체계적인 연구가 차 후 필요할 것으로 생각된다.
- VES Damper는 허용전단변형이 300%, 극한전단변형이 400%를 채택하고 있으며 15 mm 점탄성체를 이용한 Damper는 최대 45 mm의 전단변형까지 안정적으로 견딜 수 있다. 실물 실험체를 통한 성능 실험을 통해 VES Damper의 하중-변위 곡선인 Fig. 8에서 보는 바와 같이 변위 45 mm일 때 전단력 약 700 kN을 받을 수 있는 것으로 확인되었다. Table 1에서는 VES Damper의 해석에서 고려된 등가강성특성이 나타나 있다.
- 예비평가 결과, 보강 전 대상건물의 X방향에 대하여 내진성능평가점수는 94점으로 C등급(대규모피해)이며, Y 방향에 대해서는 내진성능평가점수 107점으로 B등급(중규모피해) 판정을 받았다. 따라서 X, Y방향 모두1차 상세 평가를 실시하였다.
후속연구
- 본 연구에서 제시한 3가지 보강 방안에 따라 내진 보강을 실시하여 해석 및 평가한 결과 구조물의 연성능력을 향상시키고 2400년 재현주기의 2/3의 지진에서도 목표성능(인명안전, LS)수준에 부합된다고 판단되었다. 본 논문에서 최적의 보강 수량을 명확히 확보하기 위한 체계적인 연구가 차 후 필요할 것으로 생각된다. 본 연구에 대한 결론은 다음과 같다.
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