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문제 정의
- 이를 위해 성능 수준에 부합하는 7쌍의 지진기록을 선정 및 보정하여 비선형동적해석을 수행한 후, 각 지진파 해석결과의 최대응답을 평균한 값과 허용 수준을 비교하여 건물 전체 및 각 부재별로 성능목표를 만족하는지 평가하였다. 따라서 이후 언급되는 해석결과 값은 모두 개별 지진파 해석결과의 최대값을 평균한 값이라는 점을 주지하는 바이다. 건물 전체의 성능을 평가하기 위한 항목으로는 층간변위각을 사용하였다.
- 이러한 배경으로 본 연구에서는 9층 사무소 건물에 대한 공학목재의 적용 가능성 조사를 목적으로 하였다. 이를 위해 국내의 일반적인 사무소 용도에 적용하는 평면 형태를 선택하여 공학목재로 설계하였다.
가설 설정
- (b))인 경우에는 일정한 크기로 제작된 150 mm의 CLT 패널과 100 mm의 콘크리트를 합성한 바닥판이 보 부재 (G3 & G4) 위에 얹히는 형태로 가정하였다.
- 따라서 휨에 대한 비선형 거동은 콘크리트와 철근의 재료 속성에 의해 결정되므로 지침을 참고하여 콘크리트와 철근의 응력-변형률 관계를 정의하였다. 벽체의 전단 특성은 탄성으로 가정하였다.
- 반면, KBC에서 목구조 설계는 허용응력설계법을 따르도록 명시되어 있으므로 기준의 항목들에 따라 계산된 설계허용응력을 넘지는 않지만 이에 매우 근접하도록 부재단면을 결정하였다. 보 부재의 양단은 핀접합으로 가정하여 설계하였다. 단부는 볼트접합부로 설계하였으며 이를 위해 기준에 따라 볼트 1개의 전단내력을 산정한 후 탄성해석을 통해 얻어진 보 양단의 전단력을 전단내력으로 나누어 해당 접합부에서 필요한 볼트 개수를 산정하였다.
- 예제 건물의 설계는 KBC2016 [2]을 따라 진행하였으며 지진하중 산정을 위한 지역계수는 0.176 g, 중요도 계수는 1.0, 지반종류는 SD로 가정하였다. 또한 지진력저항시스템은 건물골조시스템의 철근콘크리트 보통전단벽을 선택하였으며 이에 대한 반응수정계수 (R)은 5.
제안 방법
- 특히 기둥의 모델링 변수는 90도 후크를 사용한 폐쇄형 상세 조건, 휨 항복에 의한 요구 전단력 (Vp)과 기대강도를 사용한 기둥의 전단강도 (Vo)의 비율을 통해 Condition을 정하였다. C3 기둥의 1F ~ 4F까지는 Vp / Vo 가 1.0보다 크기 때문에 Condition iii으로 결정되었고 이에 따라 항복 후 소성구간 없이 곧바로 강도가 떨어지도록 모델링하였다. 나머지 기둥은 모두 Vp / Vo 가 1.
- Table 2는 RC 건물과 공학목재 건물의 설계된 부재 크기를 정리한 결과다. RC 건물에서 보의 주철근비는 1.0%, 기둥의 주철근비는 2% 내외가 되도록 설계하였다. 벽체를 살펴보면, 우선 콘크리트와 목재의 단위중량은 약 24 kN/m3, 5 kN/m3이고 설계지진력은 건물의 무게에 비례하기 때문에 단위중량과 부재의 크기가 더 큰 RC 건물의 설계지진력이 공학목재 건물보다 더 크다.
- RC 건물의 보와 기둥에는 단부에 소성힌지가 집중되는 모델을 사용하였다. 이때 소성힌지는 Perform-3D의 FEMA Hinge를 사용하였다.
- 6보다 크기 때문에 Condition ii로 결정되었고 이에 따라 항복 후 소성구간을 가지다가 최대모멘트강도에 도달했을 때 강도가 떨어지도록 모델링하였다. 각 부재들의 휨에 대해서는 유효강성을 적용하였으며 이 또한 ASCE 41-13을 참고하여 보는 0.3, 기둥은 축력비에 따라 0.3과 0.7 사이의 값을 직선보간한 유효강성계수를 사용하였다.
- 따라서 이후 언급되는 해석결과 값은 모두 개별 지진파 해석결과의 최대값을 평균한 값이라는 점을 주지하는 바이다. 건물 전체의 성능을 평가하기 위한 항목으로는 층간변위각을 사용하였다. 각 부재별 평가 항목으로는 RC 벽체의 전단력과 회전각 및 단부 압축변형률, RC 골조의 소성회전각, 공학목재 보 양단 접합부의 회전각, 공학목재 기둥의 모멘트를 사용하였다.
- 공학목재 보는 부재 자체의 강도가 부족하여 한계상태에 이르기보다는 단부의 접합부에서 목재가 쪼개지는 등의 문제가 발생하면서 외력에 대한 저항능력을 잃기 때문에 보 부재 자체는 탄성으로 모델링하고, 단부에는 Moment Hinge 모델을 사용하여 볼트접합부의 모멘트-회전각 관계를 힌지 속성으로 입력하였다. 이 관계를 정의하기 위해 Awaludin et al.
- 국내 실무에서 RC 전단벽을 가진 건물골조시스템을 설계할 때 벽체와 골조를 모두 함께 모델링하여 해석 및 설계하는 경향이 있다. 그러나 본 연구에서는 두 건물의 성능을 명확히 비교하기 위해 횡력저항시스템과 중력저항시스템을 구분하여, 벽체가 모든 횡력에 저항하고 골조는 중력하중에만 저항하는 것으로 설계하였다. Table 2는 RC 건물과 공학목재 건물의 설계된 부재 크기를 정리한 결과다.
- 0보다 크기 때문에 Condition iii으로 결정되었고 이에 따라 항복 후 소성구간 없이 곧바로 강도가 떨어지도록 모델링하였다. 나머지 기둥은 모두 Vp / Vo 가 1.0보다는 작지만 0.6보다 크기 때문에 Condition ii로 결정되었고 이에 따라 항복 후 소성구간을 가지다가 최대모멘트강도에 도달했을 때 강도가 떨어지도록 모델링하였다. 각 부재들의 휨에 대해서는 유효강성을 적용하였으며 이 또한 ASCE 41-13을 참고하여 보는 0.
- 이와 함께 골조 부분을 RC 보 및 기둥으로도 설계하여 두 재료간의 내진성능과 탄소배출량 비교를 통해 공학목재의 적용 가능성을 평가하였다. 내진 성능의 비교는 KBC2016에 따라 예제 건물의 성능 수준 및 목표를 정하고 목표스펙트럼가속도에 맞도록 선정 및 보정한 지진파를 사용하여 비선형 동적해석을 수행하고 이를 통해 전체 건물의 거동과 각 부재의 성능을 평가하는 방법으로 수행하였다. 탄소배출량은 각 건물에 존재하는 RC 부재들의 질량 (mass)을 이용하여 간략하게 산정하였다.
- 보 부재의 양단은 핀접합으로 가정하여 설계하였다. 단부는 볼트접합부로 설계하였으며 이를 위해 기준에 따라 볼트 1개의 전단내력을 산정한 후 탄성해석을 통해 얻어진 보 양단의 전단력을 전단내력으로 나누어 해당 접합부에서 필요한 볼트 개수를 산정하였다. 이때 볼트 직경은 16 mm를 사용하였고 공학목재의 수종은 국내산 낙엽송, 등급은 대칭 다른등급, 10S-30B를 사용하였다.
- [10]의 연구에서 집성재 보에 휨 하중을 가했을 때 취성파괴 양상을 보인다는 결과에 따라 변형능력이 매우 작을 것으로 보고 허용수준을 가능한 한 보수적으로 결정하였다. 따라서 보의 허용 수준은 양단 볼트 접합부의 모멘트-회전각 관계에서 모멘트강도가 급격히 떨어지는 시점의 회전각으로 하였다. 기둥의 허용수준은 PM 상관곡선을 통해 얻어진 모멘트강도로 하고 기둥의 연성능력은 고려하지 않았다.
- 본 연구에서는 9층 사무소 건물을 RC 건물과 공학목재 건물로 각각 설계하고 비선형동적해석을 수행하여 구조적 성능을 비교하였다. 또한 국가에서 마련한 탄소배출량 산정법 및 탄소배출계수를 통해 두 건물의 탄소배출량을 비교하였다.
- 본 연구에서는 9층 사무소 건물을 RC 건물과 공학목재 건물로 각각 설계하고 비선형동적해석을 수행하여 구조적 성능을 비교하였다. 또한 국가에서 마련한 탄소배출량 산정법 및 탄소배출계수를 통해 두 건물의 탄소배출량을 비교하였다.
- 국토교통부에서는 건축물의 계획 및 설계, 시공, 운용, 해체 및 재활용까지의 생애주기 (Life cycle) 단계별로 탄소배출량 산정법을 제공하여 탄소배출을 관리하기 위하여 ‘시설물별 탄소배출량 산정 가이드라인 (이하 가이드라인)’ [11]을 제시하였다. 본 연구에서는 두 예제 건물의 콘크리트 사용량만을 변수로 탄소배출량을 산정하여 간략하게 비교하였다. 가이드라인에 따르면 시공단계의 탄소배출량을 산정할 때, 투입되는 자재에 의한 배출량을 산정하며 이때 CO2뿐만 아니라 CH4, N2O 등 기타 온실가스도 함께 고려해야한다.
- 식 (3)을 이용하기 위해서는 단일 볼트 접합부에 대한 하중-변위 관계가 필요하며 이는 실험을 통해 얻을 수 있다. 실험에서는 나뭇결(Wood grain)에 평행한 방향으로 하중을 가했을 때와 수직한 방향으로 하중을 가했을 때 각각의 하중-변위 선도 및 접합계수 (slip moduli)를 구할 수 있다. 이를 식(4)와 식 (5)를 사용하여 조합한다
- 자재 투입에 따른 탄소배출량은 투입자재량과 자재의 탄소배출계수의 곱으로 산정한다. 여기에서 투입자재량은 시공단계에 투입되는 자재의 물량을 산출하여 얻은 실제 질량이어야하지만 본 연구에서는 콘크리트의 단위중량을 이용해 산정한 각 부재의 질량을 사용하였다.
- 5 kN/m2에 칸막이 하중 및 기타 추가적인 하중을 고려하여 결정한 값이다. 예제 건물의 골조 설계를 위한 최대 중력하중 조합은 설계법의 차이로 인해 RC는 1.2DL+1.6LL, 공학목재는 1.0DL+1.0LL을 사용하였다.
- 이때 f는 본 연구에서 사용한 fck 가 40 MPa보다 작기 때문에 4를 사용하였다. 예제건물의 질량은 각 층별로 질량중심점에 집중질량으로 입력하였고 중력하중은 지침에 따라 고정하중의 1.0배, 활하중의 0.25배를 적용하였다. 또한 초기 감쇠율은 2.
- 공학목재 기둥은 Perform-3D의 P-M2-M3 Hinge를 사용하여 모델링하였다. 이때 PM 상관곡선이 필요한데 KBC에 정의되어 있는 목재 기둥의 축응력과 휨응력의 관계식을 힘과 모멘트 관계로 변환하였다. 응력을 힘과 모멘트로 변환하기 위해 축응력에는 기둥의 단면적, 휨응력에는 단면계수를 곱하였으며 Fig.
- 이러한 방법의 타당성을 검증하기 위해, 대표적으로 C3 기둥에 대하여 중력하중 (1.0DL+0.25LL)만 작용할 때와 지진하중 작용 시의 DCR 변화를 확인하였다. 이때 요구 (Demand)는 외력에 대한 기둥의 축응력이고 능력 (Capacity)은 설계기준허용응력에 2.
- 지침[4]에는 시간이력해석 시, 해당 지반조건의 특성을 반영한 지반운동을 7개 이상 적용하며 각각의 지반운동은 서로 직교하는 2성분의 쌍으로 구성되어야 한다고 명시되어 있다. 이를 위하여 암반에서 계측된 지진기록을 선정하고, 부지응답해석을 통해 선정된 지진기록을 해당 부지의 특성에 맞도록 조정하여야 한다. 그러나 본 연구에서는 부지응답해석을 수행하지 않고 PEER Ground Motion Database [9]로부터, 대상 부지와 지반종류가 동일한 지반에서 계측된 지진기록7개를 선정하고 이를 조정하여 해석에 사용하였다.
- 이러한 배경으로 본 연구에서는 9층 사무소 건물에 대한 공학목재의 적용 가능성 조사를 목적으로 하였다. 이를 위해 국내의 일반적인 사무소 용도에 적용하는 평면 형태를 선택하여 공학목재로 설계하였다. 단, 국내 건축구조기준 (KBC2016) [2]에는 목조건축물에 대한 높이 제한이 있기 때문에 목재 단독으로는 고층 건물에 적용할 수 없다.
- 5배에 붕괴방지를 성능목표로 한다. 이를 위해 성능 수준에 부합하는 7쌍의 지진기록을 선정 및 보정하여 비선형동적해석을 수행한 후, 각 지진파 해석결과의 최대응답을 평균한 값과 허용 수준을 비교하여 건물 전체 및 각 부재별로 성능목표를 만족하는지 평가하였다. 따라서 이후 언급되는 해석결과 값은 모두 개별 지진파 해석결과의 최대값을 평균한 값이라는 점을 주지하는 바이다.
- 공학목재는 보와 기둥으로 구성된 골조에만 적용되었다는 것을 주지한다. 이와 함께 골조 부분을 RC 보 및 기둥으로도 설계하여 두 재료간의 내진성능과 탄소배출량 비교를 통해 공학목재의 적용 가능성을 평가하였다. 내진 성능의 비교는 KBC2016에 따라 예제 건물의 성능 수준 및 목표를 정하고 목표스펙트럼가속도에 맞도록 선정 및 보정한 지진파를 사용하여 비선형 동적해석을 수행하고 이를 통해 전체 건물의 거동과 각 부재의 성능을 평가하는 방법으로 수행하였다.
- 전단벽의 단면은 Fiber 요소를 사용하여 축력-모멘트 상관관계 및 균열로 인한 강성 저감이 자동적으로 반영되도록 하였다. 따라서 휨에 대한 비선형 거동은 콘크리트와 철근의 재료 속성에 의해 결정되므로 지침을 참고하여 콘크리트와 철근의 응력-변형률 관계를 정의하였다.
- 벽체의 소성회전각은 ASCE 41-13 [5]에 제시된 값을 사용하여 축력비와 작용전단력에 따라 다르게 적용하였다. 지침에 의하면 RC 벽체의 전단력은 하중지배작용에 해당하기 때문에 하중증폭계수를 곱한 소요전단력을 사용하여 성능을 평가하지만 본 연구에서는 하중증폭계수를 사용하지 않았다. RC 골조의 소성회전각허용수준은 벽체와 마찬가지로 ASCE 41-13을 참고하여 산정하였다.
- 0이다. 콘크리트와 철근의 공칭강도는 각각24 MPa, 400 MPa이며 극한강도설계법으로 부재의 단면 및 철근배근을 결정하였다. 반면, KBC에서 목구조 설계는 허용응력설계법을 따르도록 명시되어 있으므로 기준의 항목들에 따라 계산된 설계허용응력을 넘지는 않지만 이에 매우 근접하도록 부재단면을 결정하였다.
- 내진 성능의 비교는 KBC2016에 따라 예제 건물의 성능 수준 및 목표를 정하고 목표스펙트럼가속도에 맞도록 선정 및 보정한 지진파를 사용하여 비선형 동적해석을 수행하고 이를 통해 전체 건물의 거동과 각 부재의 성능을 평가하는 방법으로 수행하였다. 탄소배출량은 각 건물에 존재하는 RC 부재들의 질량 (mass)을 이용하여 간략하게 산정하였다.
- 이때 부재의 최대모멘트강도는 기준에 명시되어있는 일반적인 방식을 통해 계산하였으며 변형능력은 ASCE 41-13 [5]을 참고하여 산정하였다. 특히 기둥의 모델링 변수는 90도 후크를 사용한 폐쇄형 상세 조건, 휨 항복에 의한 요구 전단력 (Vp)과 기대강도를 사용한 기둥의 전단강도 (Vo)의 비율을 통해 Condition을 정하였다. C3 기둥의 1F ~ 4F까지는 Vp / Vo 가 1.
- 이때 소성힌지는 Perform-3D의 FEMA Hinge를 사용하였다. 힌지속성은 모멘트-회전각 관계로 입력해야하기 때문에 각 부재들의 최대모멘트강도 및 최대회전각을 산정하였으며 항복모멘트강도는 최대모멘트강도의 96%를 사용하였다. 이때 부재의 최대모멘트강도는 기준에 명시되어있는 일반적인 방식을 통해 계산하였으며 변형능력은 ASCE 41-13 [5]을 참고하여 산정하였다.
대상 데이터
- 먼저 RC 골조 (Fig. 2(a))는 일반적인 보-슬래브 구조로 계획하였으며 슬래브의 두께는 150 mm이다. 공학목재 골조 (Fig.
- 건물 전체의 성능을 평가하기 위한 항목으로는 층간변위각을 사용하였다. 각 부재별 평가 항목으로는 RC 벽체의 전단력과 회전각 및 단부 압축변형률, RC 골조의 소성회전각, 공학목재 보 양단 접합부의 회전각, 공학목재 기둥의 모멘트를 사용하였다. 참고로 벽체의 비선형 거동은 1층에 집중되므로 성능은 1층에 대해 평가하였으며 벽체 사이의 연결보들은 성능평가에 포함하지 않았다.
- 이를 위하여 암반에서 계측된 지진기록을 선정하고, 부지응답해석을 통해 선정된 지진기록을 해당 부지의 특성에 맞도록 조정하여야 한다. 그러나 본 연구에서는 부지응답해석을 수행하지 않고 PEER Ground Motion Database [9]로부터, 대상 부지와 지반종류가 동일한 지반에서 계측된 지진기록7개를 선정하고 이를 조정하여 해석에 사용하였다. 목표 스펙트럼은 앞서 언급했던 KBC2016 [2]의 지진하중에 해당하는 설계응답스펙트럼의 1.
- 예제 건물은 내진등급Ⅱ에 해당하는 건물로서 KBC2016 [2]을 따라 설계스펙트럼가속도의 1.5배에 붕괴방지를 성능목표로 한다. 이를 위해 성능 수준에 부합하는 7쌍의 지진기록을 선정 및 보정하여 비선형동적해석을 수행한 후, 각 지진파 해석결과의 최대응답을 평균한 값과 허용 수준을 비교하여 건물 전체 및 각 부재별로 성능목표를 만족하는지 평가하였다.
- 예제 건물의 평면은 Fig. 2와 같이 국내에서 흔히 볼 수 있는 근린생활시설 (사무소)의 형태를 선택하였다. 그림에서 벽체와 골조의 배치를 살펴보면, 계단실 등을 이루고 있는 벽체가 평면의 한쪽에 집중되어 있고 그 이외의 공간은 모두 골조가 차지하고 있다.
- 5배에서 개별 지진기록의 제곱합제곱근(SRSS) 스펙트럼과 목표 스펙트럼 사이의 평균제곱오차 (Mean Squared Error, MSE)에 따라 나열하였다. 이 중에서 목표 스펙트럼에 맞도록 조정하는 배율 (Scale factor)이 1.0에 가까운 기록7쌍을 선정하였다. 선정된 지진기록에 대한 정보는 Table 5에 나타내었다.
- 단부는 볼트접합부로 설계하였으며 이를 위해 기준에 따라 볼트 1개의 전단내력을 산정한 후 탄성해석을 통해 얻어진 보 양단의 전단력을 전단내력으로 나누어 해당 접합부에서 필요한 볼트 개수를 산정하였다. 이때 볼트 직경은 16 mm를 사용하였고 공학목재의 수종은 국내산 낙엽송, 등급은 대칭 다른등급, 10S-30B를 사용하였다. RC 건물과 공학목재 건물의 설계에 사용한 고정하중 및 활하중을 Table 1에 나타내었으며 여기에서의 기준층 활하중은 일반사무실에 해당하는 2.
- 이러한 벽체의 배치는 구조적 안정성에 기인한 것보다는 건축적인 필요에 의한 것으로 볼 수 있다. 층수는 앞서 언급했듯이 9층이며 한 층의 층고가 4 m, 건물의 총 높이는 36 m이다.
데이터처리
- 두 예제 건물의 내진성능을 비교하기 위해 구조해석프로그램인 Perform3D [3]를 이용하여 비선형동적해석을 수행하였다. 비선형해석 모델에 사용된 RC 재료의 강도는 기대강도를 사용하였는데 이때 기대강도계수는 대한건축학회의 ‘공동주택 성능기반 내진설계 지침’ (이하 지침) [4]을 참고하여 결정하였으며 콘크리트와 철근에 각각1.
- 은 지반종류 SD에 해당하는 180~360 m/s를 사용하였다. 이 조건으로 선정한 지진기록들을 예제 건물 기본진동주기 (T1)의 0.2배~1.5배에서 개별 지진기록의 제곱합제곱근(SRSS) 스펙트럼과 목표 스펙트럼 사이의 평균제곱오차 (Mean Squared Error, MSE)에 따라 나열하였다. 이 중에서 목표 스펙트럼에 맞도록 조정하는 배율 (Scale factor)이 1.
이론/모형
- 지침에 의하면 RC 벽체의 전단력은 하중지배작용에 해당하기 때문에 하중증폭계수를 곱한 소요전단력을 사용하여 성능을 평가하지만 본 연구에서는 하중증폭계수를 사용하지 않았다. RC 골조의 소성회전각허용수준은 벽체와 마찬가지로 ASCE 41-13을 참고하여 산정하였다. 공학목재는 Park et al.
- RC에 대한 허용수준은 지침[4]을 따랐으며 허용층간변위각과 RC 벽체의 허용 압축변형률은 각각1.5%와 0.002를 사용하였다. 벽체의 소성회전각은 ASCE 41-13 [5]에 제시된 값을 사용하여 축력비와 작용전단력에 따라 다르게 적용하였다.
- 이 관계를 정의하기 위해 Awaludin et al. [7]에서 제안하는 방식을 사용하였다. 먼저, 접합부의 모멘트 저항능력은 평형상태에 있는 구조물의 외부일 (External work, WE)과 내부일 (Internal work, WE)의 합이 0이라는 에너지 보존 법칙(Energy conservation principle)을 이용하여 유도할 수 있다.
- 공학목재 기둥은 Perform-3D의 P-M2-M3 Hinge를 사용하여 모델링하였다. 이때 PM 상관곡선이 필요한데 KBC에 정의되어 있는 목재 기둥의 축응력과 휨응력의 관계식을 힘과 모멘트 관계로 변환하였다.
- 이러한 과정을 통해 단일 볼트에 대한 결과만으로 볼트 접합부 전체의 모멘트-회전각 관계를 예측할 수 있다. 따라서 단일 볼트 접합부에 대한 실험이 선행되어야 하지만 본 연구에서는 Gattesco and Toffolo [8]에 의해 수행된 실험체 결과 중 볼트 1개에 대한 결과를 참고하였다 (Fig. 3). 이 연구에 따르면 볼트 접합부에 하중이 가해지면 어느 순간 볼트 주변의 목재가 찢어지면서 탄성구간이 끝나고 소성구간이 유지되다가 최종 파괴에 이른다.
- 그러나 본 연구에서는 부지응답해석을 수행하지 않고 PEER Ground Motion Database [9]로부터, 대상 부지와 지반종류가 동일한 지반에서 계측된 지진기록7개를 선정하고 이를 조정하여 해석에 사용하였다. 목표 스펙트럼은 앞서 언급했던 KBC2016 [2]의 지진하중에 해당하는 설계응답스펙트럼의 1.5배 즉, 최대고려지진 (Maximum Considered Earthquake, MCE) 수준으로 설정하였다.
- 002를 사용하였다. 벽체의 소성회전각은 ASCE 41-13 [5]에 제시된 값을 사용하여 축력비와 작용전단력에 따라 다르게 적용하였다. 지침에 의하면 RC 벽체의 전단력은 하중지배작용에 해당하기 때문에 하중증폭계수를 곱한 소요전단력을 사용하여 성능을 평가하지만 본 연구에서는 하중증폭계수를 사용하지 않았다.
- 비선형해석 모델에 사용된 RC 재료의 강도는 기대강도를 사용하였는데 이때 기대강도계수는 대한건축학회의 ‘공동주택 성능기반 내진설계 지침’ (이하 지침) [4]을 참고하여 결정하였으며 콘크리트와 철근에 각각1.2와 1.1을 사용하였다.
- 힌지속성은 모멘트-회전각 관계로 입력해야하기 때문에 각 부재들의 최대모멘트강도 및 최대회전각을 산정하였으며 항복모멘트강도는 최대모멘트강도의 96%를 사용하였다. 이때 부재의 최대모멘트강도는 기준에 명시되어있는 일반적인 방식을 통해 계산하였으며 변형능력은 ASCE 41-13 [5]을 참고하여 산정하였다. 특히 기둥의 모델링 변수는 90도 후크를 사용한 폐쇄형 상세 조건, 휨 항복에 의한 요구 전단력 (Vp)과 기대강도를 사용한 기둥의 전단강도 (Vo)의 비율을 통해 Condition을 정하였다.
성능/효과
- RC 전단벽의 단부 압축변형률과 소성회전각은 요구량이 매우 작아서 두 예제 건물 모두 허용수준을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 RC 전단벽은 휨에 대해 성능을 만족하는 것으로 평가할 수 있다.
- 35% 내외)으로 유지했기 때문에 벽체 두께에서 차이가 발생한 것이다. 결과적으로 RC 건물의 무게는 24949 kN, 공학목재 건물의 무게는 15556 kN으로 RC 건물이 상대적으로 크게 나타났다.
- 결과적으로 횡력저항시스템은 RC 전단벽으로 중력저항시스템은 공학 목재 골조로 구성하는 방식은 모든 시스템을 RC로 구성하는 것과 내진성능에서 큰 차이가 없다고 볼 수 있다. 두 경우 모두 함께 적용된 RC 전단벽의 전단성능은 약간의 차이는 있지만 문제가 있는 것은 동일하다.
- 1을 곱한 값이다. 그 결과, 중력하중만 작용할 때의 DCR은 0.32, 지진하중이 함께 작용할 시의 DCR은 0.33으로 거의 동일하게 나타났다. 이를 통해 공학목재 건물이 지진하중에 저항할 때 대부분의 하중을 벽체가 저항하며 공학목재의 DCR 변화는 거의 없음을 알 수 있다.
- RC 건물과 공학목재 건물에 대해 전체적인 거동 및 부재별 성능을 평가했을 때, 내진성능은 큰 차이가 나지 않았다. 두 예제 건물의 모든 부재가 휨에 대해서는 허용수준을 만족하였지만 벽체의 전단에 대해서 성능을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 예제 건물의 골조를 이루는 재료가 서로 다름에도 불구하고 성능평가 결과가 유사한 것은 결국, 벽체와 골조가 함께 존재하는 건물에서는 벽체가 전체 건물의 비선형 거동을 지배하기 때문이다.
- 이렇듯 강성이 상대적으로 큰 벽체가 많은 힘을 부담하게 되면서 RC 보와 공학목재 보의 요구 회전각은 매우 작게 나타났다. 따라서 RC 보의 단부소성회전각과 공학목재 보 양단의 접합부 회전각은 모두 허용수준을 만족하였다. 그러나 RC 기둥은 최상층의 최외각 기둥 (C1, C2)에서 단부 소성회전각이 허용수준을 만족하지 못했다.
- 두 경우 모두 함께 적용된 RC 전단벽의 전단성능은 약간의 차이는 있지만 문제가 있는 것은 동일하다. 따라서 현재 국내에서 널리 사용되고 있는 기존의 RC 건물과 마찬가지로 공학목재 건물도 충분히 적용 가능하다는 것을 알 수 있다. 물론 공학목재의 적용은 재료 수급과 같은 다른 조건들이 함께 따라주어야 하겠지만 여기서는 구조적 성능만을 감안한 것이다.
- 이러한 결과를 통해 알 수 있는 것은 첫째, 공학목재를 사용하면 전체 건물의 설계 밑면전단력이 줄어들어 상대적으로 작은 벽체 두께에 설계도 용이한 이점이 있지만 RC 벽체가 부담해야 하는 하중의 비율이 더 높아져 벽체의 전단 성능에는 오히려 불리하게 작용할 수 있다는 점이다. 공학목재 건물의 골조는 중력하중에 대한 설계하중조합이 D+L이고 특히, 부재의 경계조건도 핀 접합으로 가정하기 때문에 기둥 설계 시 모멘트가 고려되지 않는다.
- 탄소배출량을 총 합계로 비교하면 RC 건물이 공학목재 건물에 비해 약 2배 정도 더 많이 배출하는 것으로 나타났다. 이를 개별 시스템 및 부재별로 살펴보면, 먼저 core 부분은 벽체 두께의 차이로 인해 RC 건물이 약 230 kg CO2 더 발생하는 것으로 나타났다. 이는 전체 차이 884.
- Table 7은 가이드라인에 명시 되어있는 1종 포틀랜드 시멘트의 탄소배출계수이며 이를 이용하여 Table 8, Table 9와 같이 예제 건물의 부재별로 탄소배출량을 산정하였다. 탄소배출량을 총 합계로 비교하면 RC 건물이 공학목재 건물에 비해 약 2배 정도 더 많이 배출하는 것으로 나타났다. 이를 개별 시스템 및 부재별로 살펴보면, 먼저 core 부분은 벽체 두께의 차이로 인해 RC 건물이 약 230 kg CO2 더 발생하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 특히 국내의 사무소 건물은 대부분 중·고층인데다 RC로 이루어져 있기 때문에 여기에 공학목재를 적용할 수 있다면 보다 많은 양의 탄소 저감이 가능할 것이다.
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