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문제 정의
- 또한, 기술적으로 난이도가 높은 비선형해석평가 결과를 검증하는 비교대상으로 사용하며 보강전략과 설계에서 활용하는 등의 다양한 측면에서 장점을 기대한다. 본 논문에서는 매뉴얼[5]에서 제시하고 있는 선형구조해석절차를 사용하여 1970년대 후반에 준공된 학교건물의 내진성능평가를 실시하였다.
가설 설정
- 대상건물의 조적채움벽 및 허리벽의 상태는 ‘양호’로 가정하였다.
- 176 g를 적용하였으며, 지반조건은 SC(보통암까지 깊이 20 m이하)를 적용하였다. 중요도는 교육시설이며 지진 후 피해복구에 필요한 중요시설을 갖춘 긴급 대피수용시설로 지정되지 않았다고 가정하여 내진등급 1, 이에 따른 중요도계수는 1.2로 적용하였다. 내진성능평가에 사용된 예제건물의 중력하중은 일반적인 학교시설의 실 구성에 따라 Table 1과 같이 고정하중과 활하중을 산정하였다.
- 따라서 조적채움벽의 면외방향을 검토하여 보강여부를 확인해야한다. 조적채움벽의 상태가 양호하기 때문에 대상건물의 조적채움벽은 아치작용이 가능할 것이라 가정하였다.
제안 방법
- 을 발간했다. 이로 인해 기존 및 신축 학교시설의 내진성능평가 및 내진설계안에 대한 성능평가를 적용하도록 하였다.
- 구조해석 시 구조체와 밀착되어 하중을 전달하는 조적 채움벽과 허리벽을 고려하였다. 대상건물의 조적채움벽은 장변방향으로 건물전면에 2층 제외한 각 층에 길이 4.
- 조적채움벽 및 허리벽은 면내방향 거동특성을 고려하여 전단력만 전달하는 요소로 모델링하기 위해 축력에 의해 하중이 전달되도록 등가스트럿으로 치환하여 모델링에 반영하였다. 또한, 구조해석 모델에는 양방향으로 모델링하여 강성과 강도를 각각 절반을 줄여 모델링에 반영하였다.
- 조적채움벽 및 허리벽은 면내방향 거동특성을 고려하여 전단력만 전달하는 요소로 모델링하기 위해 축력에 의해 하중이 전달되도록 등가스트럿으로 치환하여 모델링에 반영하였다. 또한, 구조해석 모델에는 양방향으로 모델링하여 강성과 강도를 각각 절반을 줄여 모델링에 반영하였다.
- 선형해석평가를 위해 보, 기둥, 조적채움벽의 부재강도를 산정하였다. 부재의 강도산정시 강도감소계수는 KBC2016[6]을 따라 적용하였다.
- 보의 경우 일반적으로 사용되는 방법으로 보 양단의 모멘트강도와 전단강도를 산정하였다. 기둥의 휨, 압축 및 인장강도는 철근콘크리트 압축연단의 변형률이 종국변형률 0.003에 도달할 때의 축력과 모멘트 상관관계를 고려하여 산정하였다. 기둥의 전단강도는 후프간격이 넓은 기둥이 휨항복 이후 비선형 거동구간에서 전단강도가 급격히 감소하는 현상을 고려한 경험식인 식 3-3~식 3-5를 사용하였다.
- 예제건물은 내진설계범주 ‘C’에 해당되기 때문에 ‘등가정적해석법’을 사용하여 내진성능평가를 수행하였다.
- 본 연구는 매뉴얼[5]에 따라 선형구조해석평가방법을 사용하여 내진성능평가를 실시하였다. 평가시에는 하중조합별 보유성능지수를 산정하며 이 중 최소값이 예제건물의 최종 보유성능지수로 판정하였다. 예제건물은 내진설계범주 ‘C’에 해당되기 때문에 ‘등가정적해석법’을 사용하여 내진성능평가를 수행하였다.
- 대상건물은 무보강 조적채움벽이 있는 철근콘크리트 모멘트골조로서 매뉴얼[5]에 따라 모멘트골조와 채움벽골조로 분류하였다. 모멘트골조의 횡강성기여도는 조적허리벽과 기둥이 받는 전단력의 합으로 산정하였으며 채움벽골조는 조적채움벽의 단부기둥과 조적채움벽이 받는 전단력의 합으로 산정하였다. Table 6은 각 골조의 횡강성기여도를 나타낸 표이다.
- 대상건물에서 각 방향별 가장 지배되는 하중조합의 층별 평균강도비를 평가하였다. X방향에 대한결과는 하중조합 LCB2에서 가장 지배적이며, Y방향에 대한 결과는 하중조합 LCB3에서 가장 지배적으로 평가되었다.
- 본 연구에서는 2018년 1월 교육부에서 고시한 학교시설 내진설계기준[4]와 학교시설 내진성능평가 및 보강매뉴얼[5]에서 제시하는 선형구조해석법을 따라 내진성능평가를 실시해보았다. 대상건물은 1970년대 후반 준공된 건물로서 조적채움벽과 모멘트골조가 횡력에 대해 저항하는 무보강 조적채움벽이 있는 구조다.
대상 데이터
- 예제건물은 1977년에 준공된 건물로 가정하였으며, 4층 건물로 층고는 3.3 m으로 건물 높이는 13.2 m이다. 평면은 Fig.
- 2 m이다. 평면은 Fig. 1에서 알 수 있듯이 X방향으로 4.5 m인 기둥경간이 15개로 이루어져 있으며 Y방향의 복도측 경간은 2.54 m, 교실위치의 경간은 7.55 m로 이루어 져있다.
- 예제건물의 구조형식은 철근콘크리트 모멘트골조로서 모멘트골조가 횡력을 지지한다. 교실과 계단실, 화장실 사이의 칸막이벽은 조적채움벽으로 되어 있으며, 건물의 전면부와 후면부의 창문 밑부분에는 조적허리벽이 위치해있다.
- 에 따라 산정하였다. 예제건물은 서울시에 위치하고 있는 것으로 가정하여 지역계수 0.22의 80%인 0.176 g를 적용하였으며, 지반조건은 SC(보통암까지 깊이 20 m이하)를 적용하였다. 중요도는 교육시설이며 지진 후 피해복구에 필요한 중요시설을 갖춘 긴급 대피수용시설로 지정되지 않았다고 가정하여 내진등급 1, 이에 따른 중요도계수는 1.
- 예제건물의 기둥의 크기는 400 mm x 400 mm이며 주철근은 8-D19로 배근되었으며, 보조철근은 직경 10 mm인 철근 간격 300 mm로 배근되어 있다. 기둥의 크기와 배근상세는 모든 기둥에 동일하게 적용하였다.
- 2에 나타내었다. 대상건축물의 재료강도는 설계도서가 존재하지 않아 매뉴얼에서 제시하고 있는 건설연도별 재료의 기본값을 사용하였다. 대상건축물은 1977년에 준공된 건물이므로 매뉴얼[3]에 따른 콘크리트 압축강도의 하한값과 평균값은 각각 15 MPa, 18 MPa 이다.
- 대상건축물의 재료강도는 설계도서가 존재하지 않아 매뉴얼에서 제시하고 있는 건설연도별 재료의 기본값을 사용하였다. 대상건축물은 1977년에 준공된 건물이므로 매뉴얼[3]에 따른 콘크리트 압축강도의 하한값과 평균값은 각각 15 MPa, 18 MPa 이다. 철근의 항복강도는 매뉴얼에 따른 건설연도별 기본값을 적용하면 하한 값은 240 MPa이다.
- 구조해석 시 구조체와 밀착되어 하중을 전달하는 조적 채움벽과 허리벽을 고려하였다. 대상건물의 조적채움벽은 장변방향으로 건물전면에 2층 제외한 각 층에 길이 4.5m인 채움벽이 2개씩 위치하고 있으며, 단변방향으로는 계단실, 교실의 칸막이벽 등으로 이루어져 있으며 각 층에 길이 7.5 m인 채움벽이 10개씩 위치해있다. 허리벽은 장변방향으로 대부분의 기둥사이에 위치해있다.
- 횡강성기여도는 각층의 전단력에 대한 각 수직부재의 전단력의 합을 나타낸다. 대상건물은 무보강 조적채움벽이 있는 철근콘크리트 모멘트골조로서 매뉴얼[5]에 따라 모멘트골조와 채움벽골조로 분류하였다. 모멘트골조의 횡강성기여도는 조적허리벽과 기둥이 받는 전단력의 합으로 산정하였으며 채움벽골조는 조적채움벽의 단부기둥과 조적채움벽이 받는 전단력의 합으로 산정하였다.
- 48(LCB3)로 내진성능을 만족하지 못하며, 구조보강이 필요한 것으로 판정하였다. 대상건물은 1977년에 준공된 건물로, 부재의 재료강도가 낮으며, 구조설계시 내진설계가 이루어지지 않았다. 따라서 본 내진성능평가 결과는 타당한 것으로 사료된다.
- 에서 제시하는 선형구조해석법을 따라 내진성능평가를 실시해보았다. 대상건물은 1970년대 후반 준공된 건물로서 조적채움벽과 모멘트골조가 횡력에 대해 저항하는 무보강 조적채움벽이 있는 구조다. 매뉴얼에 따라 성능평가한 결과 대상건물은 내진성능목표를 만족하지 못하는 것으로 확인되었다.
이론/모형
- 지진하중은 KBC2016[6]에 따라 산정하였다. 예제건물은 서울시에 위치하고 있는 것으로 가정하여 지역계수 0.
- 해석모델은 범용 구조해석 프로그램인 Midas Gen[7]을 사용하였으며 이를 이용하여 작성한 3차원 구조해석모델을 Fig. 2에 나타내었다. 대상건축물의 재료강도는 설계도서가 존재하지 않아 매뉴얼에서 제시하고 있는 건설연도별 재료의 기본값을 사용하였다.
- 선형해석평가를 위해 보, 기둥, 조적채움벽의 부재강도를 산정하였다. 부재의 강도산정시 강도감소계수는 KBC2016[6]을 따라 적용하였다. 보의 경우 일반적으로 사용되는 방법으로 보 양단의 모멘트강도와 전단강도를 산정하였다.
- 본 연구는 매뉴얼[5]에 따라 선형구조해석평가방법을 사용하여 내진성능평가를 실시하였다. 평가시에는 하중조합별 보유성능지수를 산정하며 이 중 최소값이 예제건물의 최종 보유성능지수로 판정하였다.
성능/효과
- 대상건물에서 각 방향별 가장 지배되는 하중조합의 층별 평균강도비를 평가하였다. X방향에 대한결과는 하중조합 LCB2에서 가장 지배적이며, Y방향에 대한 결과는 하중조합 LCB3에서 가장 지배적으로 평가되었다. Table 8와 Table 9은 각각 LCB2와 LCB3의 층평균강도비를 산정한 표이다.
- 두 결과를 통해 알 수 있듯이, X방향은 모든층에서 1.0미만의 층평균강도비를 보유하고 있는 것으로 평가되었으며, Y방향은 맨 윗층인 4층을 제외한 모든 층에서 1.0미만의 층 평균강도비를 보유하고 있는 것으로 평가되었다.
- 0105\(h\)로 평가하였다. 검토 결과 본 구조물은 허용 층간변위를 만족하는 것으로 나타났다.
- 대상건물은 1970년대 후반 준공된 건물로서 조적채움벽과 모멘트골조가 횡력에 대해 저항하는 무보강 조적채움벽이 있는 구조다. 매뉴얼에 따라 성능평가한 결과 대상건물은 내진성능목표를 만족하지 못하는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 대상건물이 노후됨에 따라 재료강도가 낮으며 전단벽과 같은 큰 횡력을 저항할 수 있는 부재가 없고 골조가 모든 횡력을 부담하기 때문으로 사료된다.
- 대상건물의 내진성능목표를 만족하는지 여부를 판단하는 보유성능지수에 대한 결과에 대해 살펴보자면, 층평균강도비를 산정하는 과정에서 모멘트골조가 모두 보에 의해 지배되는 결과가 나타났다. 이와 같은 원인은 보가 중력하중을 견디기에 단면성능이 부족한 것으로 판단된다.
후속연구
- 교육부는 선형구조해석을 이용한 학교시설의 내진성능평가 방법을 통해 다수의 학교시설들을 짧은 시간 안에 평가할 수 있을 거라는 기대를 가지고 있다. 또한, 기술적으로 난이도가 높은 비선형해석평가 결과를 검증하는 비교대상으로 사용하며 보강전략과 설계에서 활용하는 등의 다양한 측면에서 장점을 기대한다. 본 논문에서는 매뉴얼[5]에서 제시하고 있는 선형구조해석절차를 사용하여 1970년대 후반에 준공된 학교건물의 내진성능평가를 실시하였다.
- 따라서 실제 모멘트골조에서는 기둥의 강도비가 지배적일 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 비선형해석과의 비교 및 설계계수의 조절 등의 연구가 추가적으로 필요할 것으로 사료된다.
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