비선형동적해석에 의한 2016년 경주지진에서 지진피해를 받은 R/C 건물의 내진성능에 관한 연구 A Seismic Capacity of R/C Building Damaged by the 2016 Gyeongju Earthquake Based on the Non-linear Dynamic Analysis원문보기
2016년 경주지진 이후로 국내에서도 본격적으로 건축물의 지진대책 강구가 시급한 시점에서 국내에 널리 보급되어 있는 R/C 건축물의 효율적인 내진성능 평가 및 내진보강을 포함한 내진대책을 위한 기초적인 자료를 얻고자, 2016년 경주지진에서 지진피해를 받은 R/C 저층 학교건축물(M학교)을 대상으로 지진피해도구분판정법을 이용하여 잔존내진성능과 지진피해정도를 평가함과 동시에, 부재수준의 비선형동적해석을 수행하여 지진피해정도와의 상관관계를 검토하였다. 지진피해도구분판정에 의한 손상도-I로 분류된 기둥은 2개, 손상도-II가 1개, 손상도-III으로 분류된 기둥이 3개로 각각 평가되어, 최종적으로 평가한 내진성능잔존율(R)은 88.2%로 피해분류는 소규모 피해로 판정되었으며, 또한 비선형동적해석 결과 1층 X방향의 최대응답을 나타낸 기둥의 휨변위는 0.7 mm, 전단변위는 6 mm로 전단균열은 발생하였지만, 전단파괴는 발생하지 않았다. 경주지진에서 지진피해를 입은 M학교의 지진피해가 1층의 X방향에 집중되어 있다는 사실, 휨균열보다는 전단균열이 발생하였다는 사실을 고려한다면 본 연구에서 수행한 비선형동적해석 결과는 2016년 경주지진에서 지진피해를 받은 M학교의 지진피해상황을 잘 반영하고 있다고 사료되며, 국내 기존 저층 R/C 건축물의 효율적인 내진성능 평가 및 내진보강을 포함한 내진대책을 위한 기초적인 자료로서 활용가능하다고 사료된다.
2016년 경주지진 이후로 국내에서도 본격적으로 건축물의 지진대책 강구가 시급한 시점에서 국내에 널리 보급되어 있는 R/C 건축물의 효율적인 내진성능 평가 및 내진보강을 포함한 내진대책을 위한 기초적인 자료를 얻고자, 2016년 경주지진에서 지진피해를 받은 R/C 저층 학교건축물(M학교)을 대상으로 지진피해도구분판정법을 이용하여 잔존내진성능과 지진피해정도를 평가함과 동시에, 부재수준의 비선형동적해석을 수행하여 지진피해정도와의 상관관계를 검토하였다. 지진피해도구분판정에 의한 손상도-I로 분류된 기둥은 2개, 손상도-II가 1개, 손상도-III으로 분류된 기둥이 3개로 각각 평가되어, 최종적으로 평가한 내진성능잔존율(R)은 88.2%로 피해분류는 소규모 피해로 판정되었으며, 또한 비선형동적해석 결과 1층 X방향의 최대응답을 나타낸 기둥의 휨변위는 0.7 mm, 전단변위는 6 mm로 전단균열은 발생하였지만, 전단파괴는 발생하지 않았다. 경주지진에서 지진피해를 입은 M학교의 지진피해가 1층의 X방향에 집중되어 있다는 사실, 휨균열보다는 전단균열이 발생하였다는 사실을 고려한다면 본 연구에서 수행한 비선형동적해석 결과는 2016년 경주지진에서 지진피해를 받은 M학교의 지진피해상황을 잘 반영하고 있다고 사료되며, 국내 기존 저층 R/C 건축물의 효율적인 내진성능 평가 및 내진보강을 포함한 내진대책을 위한 기초적인 자료로서 활용가능하다고 사료된다.
On September 12, 2016, the Gyeongju District was strongly shaken with M=5.8, which was the largest one since measured by the actual seismometer in Korea, and some buildings were damaged. The field survey of reinforced concrete school buildings in the affected area was carried out, and their residual...
On September 12, 2016, the Gyeongju District was strongly shaken with M=5.8, which was the largest one since measured by the actual seismometer in Korea, and some buildings were damaged. The field survey of reinforced concrete school buildings in the affected area was carried out, and their residual seismic capacities(R) were estimated based on the Japanese Standard for post-earthquake damage evaluation. In this study, the M school, which was greatly damaged by the 2016 Gyeongju Earthquake, was selected, and its damage level was evaluated on the basis of the Japanese Standard. The seismic capacity of the M school was also evaluated using the nonlinear dynamic analysis, and relationships between its damage level and seismic capacity was also conducted to investigate causes of earthquake damage. The damage level of M school was classified into light with R=88.2%. The result of the dynamic analysis agreed reasonably well with the damage of M school sustained by the 2016 Gyeongju earthquake. This will provide fundamental data for earthquake preparedness measures, such as the seismic rehabilitation of low-rise reinforced concrete buildings in Korea.
On September 12, 2016, the Gyeongju District was strongly shaken with M=5.8, which was the largest one since measured by the actual seismometer in Korea, and some buildings were damaged. The field survey of reinforced concrete school buildings in the affected area was carried out, and their residual seismic capacities(R) were estimated based on the Japanese Standard for post-earthquake damage evaluation. In this study, the M school, which was greatly damaged by the 2016 Gyeongju Earthquake, was selected, and its damage level was evaluated on the basis of the Japanese Standard. The seismic capacity of the M school was also evaluated using the nonlinear dynamic analysis, and relationships between its damage level and seismic capacity was also conducted to investigate causes of earthquake damage. The damage level of M school was classified into light with R=88.2%. The result of the dynamic analysis agreed reasonably well with the damage of M school sustained by the 2016 Gyeongju earthquake. This will provide fundamental data for earthquake preparedness measures, such as the seismic rehabilitation of low-rise reinforced concrete buildings in Korea.
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문제 정의
2016년 경주지진 이후로 국내에서도 본격적으로 건축물의 지진대책 강구가 시급한 시점에서 국내에 널리 보급되어 있는 R/C 건축물의 효율적인 내진성능 평가 및 내진보강을 포함한 내진대책을 위한 기초적인 자료를 얻고자, 2016년 경주지진에서 지진피해를 받은 R/C조 저층 학교건축물을 대상으로 부재수준의 비선형동적해석을 수행하여 지진피해정도와의 상관관계를 검토하였다.
본 연구에서는 M학교의 지진피해도구분판정법에 의한 지진피해정도를 기술함과 동시에 부재수준의 비선형동적해석(Non-linear Dynamic Analysis)을 수행하여 지진피해정도와의 상관관계를 검토하였다.
본 연구의 주목적은 철근콘크리트(이하, R/C) 건축물의 효율적인 내진성능 평가 및 내진보강을 포함한 내진대책을 위한 기초적인 자료를 얻고자, 상기 2016년 경주지진에서 지진피해를 받은 R/C조 건축물을 대상으로 지진피해원인을 규명하였다.
가설 설정
(2) 각 부재의 항복힌지의 위치는 JBDPA(2005)를 참고로 다음과 같이 가정을 하며, 기둥 및 보의 접합부 등, 각 부재의 중심으로부터의 항복힌지가 발생되는 부재단까지는 강역으로 가정한다.
(4) Y방향의 끼움조적조 등의 비내력벽은 무시한다.
한편, 보의 휨모멘트에 의한 비선형 거동은 부재 양단부의 휨스프링에 의하여 나타내는 것으로 가정하였으며, 전단거동은 기둥과 동일하게 중심에 위치한 전단스프링에 의하여 표현하는 것으로 가정하였으며, 복원력은 Origin-oriented 모델을 사용하였다. X-방향 조적조 허리벽 양측의 기둥은 Hisano and Okada(1975), Otani(1974) 및 Umemura(1973)의 연구를 참조하여 강역(Rigid Zone)으로 치환하여 비선형동적해석을실시하였다.
제안 방법
2016년 경주지진에서 소규모 지진피해를 입은 M학교와 비교를 위한 1980년대 다형 표준학교건물 두동을 대상으로 2016년 경주지진 시 USN 및 MKL 지진관측소에서 측정된 EW 및 NS 지진파 성분을 설정하여 제4장에서 기술한 방법에 의해서 비선형동적해석을 실시하였다.
M학교의 비선형동적해석 시에 사용한 입력지진파는 Fig. 2에 나타낸 것처럼, 실제 2016년 경주지진 발생 시 진앙지 최근방 2개의 관측소(USN 및 MKL)에서 계측된 지진파, 총 4개 지진파성분, 즉 USN.NS, USN.EW, MKL.NS 및 MKL.EW를 이용하였으며, 또한 1980년대 교육부 표준학교건물인 다형 학교(후술하는 Fig. 8 참조)도 선정하여 비선형동적해석을 실시하여, 지진피해를 받은 M학교의 동적해석결과 및 지진피해정도와의 연관관계를 비교 및 분석을 실시하였다.
한편, 보의 휨모멘트에 의한 비선형 거동은 부재 양단부의 휨스프링에 의하여 나타내는 것으로 가정하였으며, 전단거동은 기둥과 동일하게 중심에 위치한 전단스프링에 의하여 표현하는 것으로 가정하였으며, 복원력은 Origin-oriented 모델을 사용하였다. X-방향 조적조 허리벽 양측의 기둥은 Hisano and Okada(1975), Otani(1974) 및 Umemura(1973)의 연구를 참조하여 강역(Rigid Zone)으로 치환하여 비선형동적해석을실시하였다.
실제 건물은 입체적으로 복잡하게 진동을 하지만, 본 연구에서는 기둥 및 보를 선재로 치환하여, 수평방향의 지진력만 고려한 3D골조로 모델링하였으며, 부재수준의 복원력특성을 이용하여 비선형동적해석을 실시하였다. 기둥부재 해석 모델로 부재 양단부와 중앙부에 비선형 거동을 나타내는 스프링을 갖는 선부재로 모델화하였으며, 기둥의 축력 및 휨거동은 Fig.
입력지진파는 Fig. 2에 나타낸 2016년 경주지진 당시 대상 건물과 가장 근접한 USN 및 MKL 관측소에서 측정된 지진파이며, 총 4개의 성분(USN.NS, USN.EW, MKL.NS 및 MKL.EW)를 이용하여 비선형동적해석을 실시하였다.
전술한바, Fig. 8에 나타낸 1980년대 교육부 표준학교도면인 다형학교 건물도 선정하여 비선형동적해석을 실시함과 동시에 지진피해를 받은 M학교의 동적해석결과 및 지진피해정도와의 연관관계를 비교 및 분석하였다. Fig.
3 및 4에는 2016년 경주지진에서 지진피해을 입은 M 학교의 현장조사결과를 나타낸다. 전체 1층의 30개 기둥가운데 총6개의 기둥부재에 전단균열을 확인하였으며, 지진피해도구분판정에 의한 지진손상도(Damage Class)-I로 분류된 기둥은 2개, 손상도-Ⅱ가 1개, 손상도-Ⅲ으로 분류된 기둥이 3개로 각각 평가하였다. Table 3에는 그 결과를 정리하여 나타내었다.
대상 데이터
Fig. 3에 나타낸 것처럼, 대상건물은 R/C조 2층 건물이며, 장변(이하, X)방향은 9스팬(각 4.5 m), 단변(이하, Y)방향은 2스팬(7.5 m×2.75 m)으로 전형적인 편복도 평면형식을 취하고 있다.
대상건물은 Fig. 2에 나타낸 것처럼, 경주지진의 진앙지에서 서쪽 약 5 km정도 위치(경주시 산내면)하는 상업고등학교(이하, M학교)로서, 2016년 경주지진 현장피해조사를 기반으로 한 지진피해도구분판정법(JBDPA, 2001)에 의하면 일부기둥 부재의 전단균열에 기인하는 소규모 지진피해로 판정되었다.
본 연구의 대상건물인 M학교는 2016년 경주지진에서 소규모 지진피해를 받은 건물로써 상기에 기술한 것처럼, 경주지진 진앙지(Fig. 2 참조)에서 약 5 km정도 떨어진 장소에 위치해 있다. Fig.
비선형동적해석은 범용 프로그램인 CANNY(3-Dimensional Nonlinear Dynamic Structural Analysis Computer Program) (Li, 2012)를 이용하여 수행하였다. 한편, Table 4에는 비선형동적해석의케이스를 나타낸 것으로서 제3장의 입력지진파의 설정에서 서술한 것처럼, USN, MKL 지진파와 2개의 학교건물, 즉 대상건물인 M학교 및 상기의 1980년대 표준학교를 포함하여 총 4개의 케이스를 설정하였다.
이론/모형
7(a)에 나타낸 부재 양단부에서 가정한 MS(Multi-Axial-Spring) 모델(Li and Otani, 1993)로, 전단거동은 기둥 중심에 위치한 전단스프링에 의하여 표현하는 것으로 가정하였으며, 전단스프링의 복원력 특성은 Fig. 7(b)에 나타낸 것처럼, Originoriented 모델(Otani, 1974; Umemura, 1973)을 사용하였다.
Origin-oriented 모델의 복원력을 결정하는 하중-변위관계는 Lee(2012)에 의해서 국내 비내진상세를 가지는 학교시설을 대상으로 구조실험을 통하여 결정된 식 (2)를 이용하였다.
9에는 기둥의 단면 및 배근상세를 나타낸다. 비선형동적해석은 범용 프로그램인 CANNY(3-Dimensional Nonlinear Dynamic Structural Analysis Computer Program) (Li, 2012)를 이용하여 수행하였다. 한편, Table 4에는 비선형동적해석의케이스를 나타낸 것으로서 제3장의 입력지진파의 설정에서 서술한 것처럼, USN, MKL 지진파와 2개의 학교건물, 즉 대상건물인 M학교 및 상기의 1980년대 표준학교를 포함하여 총 4개의 케이스를 설정하였다.
한편, 대상건물인 M학교는 2016년 경주지진 발생 후 현장 조사(Moe and Edufa, 2016)를 통하여 지진피해정도를 파악한 것으로서 각 기둥부재의 현장조사결과, 즉 기둥의 지진손상도(Damage Class)를 이용한 지진피해건물의 잔존내진성능을 기반으로 한 지진피해도구분판정법(JBDPA, 2001)에 의해서 지진피해정도를 평가하였다. 아래에는 지진피해도구분판정법의 개요를 나타냄과 동시에, M학교의 각 부재의 지진피해 정도 및 판정결과를 각각 나타낸다.
성능/효과
1) 대상건물인 M학교는 현장조사결과에 의하면 전체 1층의 30개 기둥가운데 총6개의 기둥부재에 전단균열을 확인하였으며, 지진피해도구분판정에 의한 손상도-I로 분류된 기둥은 2개, 손상도-Ⅱ가 1개, 손상도-Ⅲ으로 분류된 기둥이 3개로 각각 평가되어, 최종적으로 평가한 내진성능잔존율(R)은 88.2%로 피해분류는 소규모 피해로 판정되었다.
2) 비선형동적해석용 입력지진파는 2016년 경주지진 당시 대상건물과 가장 근접한 USN 및 MKL 관측소에서 측정된 지진파를 퓨리에해석을 이용하여 10 Hz 미만의 주파수영역의 성분을 선택하여 필터링한 지진파이며, USN,EW의 최대지반가속도는 320 gal, USN.NS는 236.2 gal, MKL.EW는 182 gal, MKL.NS는 188.4 gal로 분석되었으며, 지진응답가속도스펙트럼의 해석결과에 의하면 0.2초 미만의 단주기 성분이 매우 탁월하다는 사실을 알 수가 있었다.
3) 지진응답해석 결과, 전반적으로 USN보다는 MKL 지진파에 의한 지진응답이 약간 크다는 사실을 알 수가 있으며, 2016년 경주지진에서 실재 지진피해를 받은 M학교의 기둥의 전단 및 휨에 대한 지진응답변위, 예를 들어 가장 지진피해가 큰 X7-Y1 기둥에서 비선형동적해석 결과, 최대휨변위은 0.7 mm를, 최대 전단변위는 6 mm를 나타내어, 본 대상건물은 휨파괴형 건물이라기보다는 전단내력의 부족에 의한 전단파괴형 건물이라는 사실을 알 수가 있었으며, 이는 실재 현장조사 결과와 매우 유사하였다.
4) M학교 및 1980년대 표준학교건물의 MKL 지진파에 대한각 층 기둥의 전단에 대한 지진응답 연성율을 이용한 내진 성능 평가 결과에 의하면, X방향보다는 Y방향의 내진성능이 우수하다는 사실을 알 수가 있었으며, 또한 1층의 X 방향 기둥의 약 50% 정도가 설정지진파인 MKL 지진파에 의해서 전단균열은 발생하였지만, 저층 R/C 건물의 전단파괴 시의 극한변위가 약 14 mm(R=1/250) 이라는 사실을 고려한다면 전단파괴는 발생하지 않았으며, 경주지진에서 지진피해를 입은 M학교의 지진피해가 1층의 X방향에 집중되어 있다는 사실, 휨균열보다는 전단균열이 발생하였다는 사실을 고려한다면 본 연구에서 수행한 비선형동적해석 결과는 2016년 경주지진에서 지진피해를 받은 M 학교의 지진피해상황을 잘 반영하고 있다고 사료된다.
Fig. 13에 나타낸바 대상건물인 M학교 및 1980년대 표준학교건물 양쪽 모두 X방향보다는 Y방향의 내진성능이 우수하다는 사실을 알 수가 있으며, 1층의 X방향 기둥의 약 50% 정도가 설정지진파인 MKL 지진파에 의해서 전단균열은 발생하였지만, 저층 R/C 건물의 전단파괴 시의 극한변위가 약 14 mm(R=1/250) (Hisano and Okada, 1975; Otani, 1974 및 Umemura, 1973)인 사실을 고려한다면 전단파괴는 발생하지 않았다는 사실을 알 수가 있다.
12에는 2016년 경주지진에서 실재 지진피해를 받은 M 학교의 MKL 지진파에 대한 1층 X7-Y1 및 X7-Y3 기둥의 전단 및 휨에 대한 지진응답 전단력-변형의 관계를 나타냄과 동시에 현장조사를 통하여 드러난 지진피해 기둥의 피해패턴(전단균열)과 지진피해정도(균열폭)를 각각 나타내었다. 상기 그림에 의하면 가장 지진피해가 큰 X7-Y1 기둥에서 비선형동적해석 결과, 최대 휨변위은 0.7 mm를, 최대 전단변위는 6 mm를 나타내어, 본 대상건물은 휨파괴형 건물이라기보다는 전단내력의 부족에 의한 전단파괴형 건물이라는 사실을 알 수가 있으며, 이는 실재 현장조사 결과와 매우 유사함을 알 수가 있다.
전술한바 경주지진에서 지진피해를 입은 M학교의 지진피해가 1층의 X방향에 집중되어 있다는 사실, 휨균열보다는 전단균열이 발생하였다는 사실을 고려한다면 본 연구에서 수행한 비선형동적해석 결과는 2016년 경주지진에서 지진피해를 받은 M학교의 지진피해상황을 잘 반영하고 있다고 사료된다.
Table 3에는 그 결과를 정리하여 나타내었다. 최종적으로 식 (1)을 이용하여 평가한 내진성능잔존율(R)은 88.2%로 피해분류는 소규모 지진피해로 판정되었다.
후속연구
2초 미만의 단주기 성분이 매우 탁월하다는 사실을 알 수가 있다. 경주 지진파의 보다 상세한 성질을 파악하기 위해서는 향후 각 관측소에서 측정된 지진파를 다각도로 분석할 필요가 있다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
경주지진이란 무엇인가?
국내에서는 최근까지 지진발생에 따른 각종 사회기반시설, 특히 인간 생활과 밀접한 건축물의 지진피해에 대해서 안전한 것으로 인식되어 왔지만, 주지의 사실 2016년 9월 12일 발생한 규모(M) 5.8의 경주지진에 의해서 상황은 급변했다. 경주지진에서는 건축물의 지진피해규모는 크지 않았지만, Fig.
경주지진이 국내 지진대책에 미친 영향은 무엇인가?
경주지진에서는 건축물의 지진피해규모는 크지 않았지만, Fig. 1에 나타낸 것처럼, 진앙지 주변에 위치하는 학교시설 및 주택을 포함한 일부 건축물의 구조체(주로 기둥)에 소규모에서대규모급 지진피해가 발생하여 국내에서도 본격적으로 건축물의 지진대책 강구가 시급하다는 사실을 인식시키는 계기가 되었다.
지진피해를 받은 R/C조 저층 학교건축물의 피해 판정은 어느 수준인가?
1) 대상건물인 M학교는 현장조사결과에 의하면 전체 1층의 30개 기둥가운데 총6개의 기둥부재에 전단균열을 확인하였으며, 지진피해도구분판정에 의한 손상도-I로 분류된 기둥은 2개, 손상도-Ⅱ가 1개, 손상도-Ⅲ으로 분류된 기둥이 3개로 각각 평가되어, 최종적으로 평가한 내진성능잔존율(R)은 88.2%로 피해분류는 소규모 피해로 판정되었다.
참고문헌 (10)
Hisano, M., and Okada, T. (1975). Earthquake response of low-rise reinforced concrete buildings with structural walls: SDOF parallel wall-frame system, Proceedings of the Architectural Institute of Japan Annual Convention, 481-482.
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Li, K. N. and Otani S. (1993). Multi-Spring Model for 3-Dimensional Analysis of RC Members, Journal of Structural Engineering and Mechanics, 1, 17-30.
Osaki, Y. (1994). An Introduction to Spectral Analysis of Earthquake Motions, Kajima Press, Tokyo, Japan.
Otani, S., (1974). Inelastic Analysis of RC Frame Structures, Proceedings of ASCE, 100, No. ST7.
The Ministry of Education and Education Facility Association (MOE and EDUFA, 2016), Quick Report of School Buildings damaged by 2016 Gyoungju Earthquake, Gyoungju District, 1-50.
Umemura, H. (1973). Earthquake Resistant Design of Reinforced Concrete Buildings, Accounting for the Dynamic Effects of Earthquakes, Giho-do Publishing Co., Japan.
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