[논문]공동주택의 성능기반설계 시 내진철근의 영향평가

조민주; 유성용; 강지연; 김형근

doi:10.9712/kass.2017.17.4.115

공동주택의 성능기반설계 시 내진철근의 영향평가
Performance Based Seismic Design of Apartment Houses by Applying Seismic Rebar 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.17 no.4, 2017년, pp.115 - 122

조민주 ((주)아이스트) , 유성용 ((주)아이스트) , 강지연 (서울주택도시공사 SH도시연구원) , 김형근 (서울주택도시공사 SH도시연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, performance based seismic design was performed on the shear wall structural system and the beam-column system as a variable general rebar and seismic rebar, and comparing the capacity of the two models of each system. From nonlinear analyses, the capacity of the shear wall structural system applying seismic rebar has shown a stable behavior after the maximum strength, but there is little difference. Furthermore, both models showed similar capacity between story drift and story shear force and capacity of members. These results are attributed to the fact that the seismic rebar, which is highly ductile under the seismic load applied to the target structure, does not render sufficient capacity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2]. 따라서 본 연구에서는 공동주택을 대상으로 내진철근 사용에 따른 성능기반 내진설계를 수행하고, 일반철근 사용 대비 구조물의 거동 특성 변화를 평가해보고자 한다.
1]. 이렇듯 내진철근을 규정하는 이유는 설계 시 가정된 강도보다 현저히 높은 강도의 철근을 사용하게 될 경우 항복모멘트 발생 시보다 높은 전단력과 부착응력이 초래되어 취성파괴에 이르게 되는 것을 방지하고, 지진발생 시 구조부재에 큰 비탄성 회전능력을 기대하고자 함이다. 다만 이러한 내진철근은 구조적으로 신뢰성이 큰 건축 재료임에도 불구하고 탄성해석을 기반으로 하는 일반적인 구조설계 시에는 항복비에 대한 규정이 없고, 안전율이나 경제적인 측면에서도 내진철근 사용에 따른 장점을 부각시킬 수가 없기 때문에 아직까지는 건설시장에서 사용이 저조한 실정이다.

제안 방법

본 연구에서는 내력벽시스템과 보-기둥시스템에 대해 일반철근과 내진철근을 변수로 성능기반 내진설계를 수행하고, 각 시스템별 두 모델의 성능을 비교하였다.
또한 LH토지주택연구원에서는 성능기반설계법의 도입을 위한 부재별 비선형 이력모델 개발에 관한 연구를 수행하고, 고성능 내진철근의 사용에 따른 영향을 실험 및 해석적으로 평가한 바 있다3). 이 연구에서는 내진철근의 사용이 벽체의 변형능력에 크게 영향을 미치는 것을 실험적으로 확인하고, 벽체에 대한 비선형 이력모델의 구축을 위하여 레이어모델을 사용하는 비선형 해석프로그램의 입력을 위한 이력변수들을 제안하였다.
해석 대상 모델은 내력벽시스템과 보-기둥시스템으로 총 2개동이며, 각각의 모델에 대해 일반철근과 내진철근을 변수로 하여 성능기반설계를 수행하고 일반철근 대비 내진설근의 성능평가를 실시하였다. 대상모델의 개요는 [Table 1]에 나타내었고 해석대상 모델에 대한 기준층 평면도는 [Fig.

데이터처리

내력벽시스템의 일반철근모델과 내진철근모델에 대해 최대고려지진(이하 MCE) 수준의 지진파를 적용하고 시간이력해석을 수행하여 평균 층간변위를 산정하였다. 그 결과 두 모델 모두 층간변위는 허용치 2% 이내인 것으로 검토되었으나, 두 모델 간의 차이는 미미한 것으로 나타났다[Table 4].

이론/모형

벽체에 대한 콘크리트 재료모델은 비횡구속 압축거동으로 고려하였으며 인장영역은 무시하였다. 벽체의 경우 인장, 압축 거동은 재료 비선형모델이 적용된 화이버(분포비탄성)요소를 적용하였으며, 전단모델은 ASCE 41-136)의 RC Shear Wall (controlled by shear) Parameter를 적용하였고, 이외 부재(보, 기둥)의 비선형 모델들은 지침을 준용하였다. 일반 및 특수철근에 대한 대표 재료 비선형모델과 벽체에 대한 비탄성전단모델을 [Fig.
이에 본 연구에서는 KS D 3504의 재료강도를 적용한 선행연구와 다르게 D사의 내진용 철근에 대한소재 시험결과와 LH연구보고서에서 제안하는 입력변수에 기초하여, 실제 시험결과와 유사한 Multi-linear 모델을 적용하여 비선형 정적 및 동적해석을 수행하였다.
철근에 대한 재료모델은 내진철근의 사용에 따른 영향을 명확하게 알기위해 D사의 내진 및 일반 철근에 대한 소재 시험결과로부터 강도를 적용하고 LH연구보고서3)에서 제안하는 입력변수에 기초하여, 실제 시험결과와 유사한 Multi-linear 모델을 작성하였다. 벽체에 대한 콘크리트 재료모델은 비횡구속 압축거동으로 고려하였으며 인장영역은 무시하였다.
해석모델의 모델링은 비선형 요소를 자유롭게 정의하여 모사하여 해석이 가능한 PERFORM-3D를 사용하였다.

성능/효과

12]에 나타내었으며 모두 허용기준을 만족하는 것으로 검토되었다. 두 모델 간 성능의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
비선형 정적해석 결과, 내력벽시스템에서는 상대적으로 벽량이 작은 X방향의 경우 내진철근을 적용했을 때 일반철근대비 종국 시에 다소 안정적인 거동을 보이기는 하였으나 그 차이는 크지 않았으며, Y방향에서는 거동이 거의 유사한 것으로 나타났다. 또한 비선형 동적해석 결과에도 일반철근과 내진철근 두 모델의 층간변위와 층전단력, 부재성능이 거의 유사한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 [Fig.
5)에 도달하기는 하나 최대강도 이후 성능이 현저히 저하되는 것으로 나타났는데, 이는 Y방향과는 달리 지진에 저항할 수 있는 내진벽량이 작은 것에 기인된 결과로 사료된다. 또한 이러한 X방향 거동을 보면 철근 재료 특성에 따라 큰 차이가 보이지는 않으나 내진철근을 사용한 경우 일반철근을 사용한 경우보다 종국 시까지 비교적 안정적인 거동을 보이는 것으로 나타났다. 이는 상대적으로 벽량이 적을 경우 구조물의 층간변형각이 커짐에 따라 비탄성 변형능력이 우수한 내진철근의 능력이 일정 부분 발현된 것으로 사료된다.
모델1의 경우, Y방향의 성능곡선은 붕괴방지수준(이하 CP)이후에도 일반철근과 내진철근 모두 안정적인 거동을 보였으며, 철근의 종류에 따른 성능의 차이는 거의 나타나지 않았다. 다만, X방향은 초과강도가 기준의 최소치(1.
보-기둥시스템의 일반철근모델과 내진철근모델에 대해서 내력벽시스템과 동일한 방법으로 시간이력해석을 수행하고 평균 층간변위를 비교한 결과 모두 허용치를 만족하는 것으로 검토되었으며, 두 모델 간의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다[Table 5]. 층간변위 측정위치와 두 모델 간 평균값에 대한 비교 그래프는 각각 [Fig.
비선형 정적해석 결과, 내력벽시스템에서는 상대적으로 벽량이 작은 X방향의 경우 내진철근을 적용했을 때 일반철근대비 종국 시에 다소 안정적인 거동을 보이기는 하였으나 그 차이는 크지 않았으며, Y방향에서는 거동이 거의 유사한 것으로 나타났다. 또한 비선형 동적해석 결과에도 일반철근과 내진철근 두 모델의 층간변위와 층전단력, 부재성능이 거의 유사한 것으로 나타났다.
성능기반 내진설계방법은 규정적(Prescriptive) 내진설계의 핵심인 반응수정계수(R)에 기반한 기존의 탄성 내진설계에 비하여, 엔지니어의 합리적인 공학적 판단과 비선형 정밀해석에 근거하여 보다 명확한 내진성능의 확보가 가능하다. 일반적으로 국내에서는 성능설계를 위한 비선형 구조해석은 대한건축학회 “공동주택 성능기반 내진설계지침4)”(이하 지침)에 따라, 기둥, 보 등의 선부재는 주로 부재 비선형 이력모델을 적용하고, 내력벽 등의 면부재는 화이버(분포비탄성) 요소를 주로 적용한다.
내진철근에 대한 연구사례는 많지 않으며, 기존 연구로는 2017년 남숭현 등이 지상 28층 탑상형 공동주택을 대상으로 일반철근과 내진철근을 사용한 성능기반 내진설계 사례연구를 보고한 바 있다2). 이 논문에서는 철근의 비선형 재료모델의 항복강도 및 인장강도를 KS D 3504에서 제시하는 하한값을 적용하여 성능을 평가하고, 내진용 철근을 적용한 결과 일정부분에서 내진성능이 증가되는 것을 제시하였다. 또한 LH토지주택연구원에서는 성능기반설계법의 도입을 위한 부재별 비선형 이력모델 개발에 관한 연구를 수행하고, 고성능 내진철근의 사용에 따른 영향을 실험 및 해석적으로 평가한 바 있다3).

후속연구

따라서 추후 지진하중의 크기나 가정단면의 철근 양 등을 변수로 추가연구를 수행하여 철근이 항복한 이후의 거동이 구현되는 조건에서의 일반철근과 내진철근의 성능을 객관적으로 평가해 볼 필요가 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내진철근은 무엇인가?	)1)에서는 지진력에 저항하는 부재의 철근(이하 내진철근)을 규정하고 지진력을 받는 특수모멘트골조나 특수전단벽의 경계요소에는 내진철근을 사용하도록 규정하고 있다. 내진철근이란 항복강도가 공칭항복강도를 120MPa 이상 초과하지 않도록 제한하여 강도편차를 최소화하고 인장강도비(극한인장강도/항복강도)를 1.25 이상으로 제한하여 비탄성 변형능력을 강화시킨 철근이다. 이외에도 불순물원소(P, S)를 규제하고 굽힘성능을 향상시킨 것이 특징이다[Fig.
	내진철근의 특징은 무엇인가?	25 이상으로 제한하여 비탄성 변형능력을 강화시킨 철근이다. 이외에도 불순물원소(P, S)를 규제하고 굽힘성능을 향상시킨 것이 특징이다[Fig. 1].
	내진철근을 규정하는 이유는 무엇인가?	이렇듯 내진철근을 규정하는 이유는 설계 시 가정된 강도보다 현저히 높은 강도의 철근을 사용하게 될 경우 항복모멘트 발생 시보다 높은 전단력과 부착응력이 초래되어 취성파괴에 이르게 되는 것을 방지하고, 지진발생 시 구조부재에 큰 비탄성 회전능력을 기대하고자 함이다. 다만 이러한 내진철근은 구조적으로 신뢰성이 큰 건축 재료임에도 불구하고 탄성해석을 기반으로 하는 일반적인 구조설계 시에는 항복비에 대한 규정이 없고, 안전율이나 경제적인 측면에서도 내진철근 사용에 따른 장점을 부각시킬 수가 없기 때문에 아직까지는 건설시장에서 사용이 저조한 실정이다.

참고문헌 (6)

Architectural Institute of Korea, Korean Building Code, Kimoondang, Seoul, 2016, pp.562-563.
D.H. Kim, S.H. Nam, "A Case of Performance Based Seismic Design for an Earthquake- Resistant Rebar Applied Apartment Building", Architecture Urban Design and Engineering Expert Case Study, Architectural Institute of Korea, 2017, pp.213-214.
Y.S. Chun, J.Y. Park, S.W. Lee, "Development of Non-linear Hysteresis Model for the Performance Based Design(1)", 2015-63, LHI, Daejeon, 2015, p.130
Architectural Institute of Korea, Guidelines for Performance-Based Seismic Design of Residential Buildings, Architectural Institute of Korea, Seoul, 2017, p.54
J.H. Lee, "A Study on Application of the high strength steel for concrete structure", Korea Concrete Institute, 2010
ASCE, Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings, ASCE, Virginia, 2014, p.518

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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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