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문제 정의
- 또한 주기에 따라 반응수정계수가 변동하는 구간에 위치하는 3층 및 4층 모델에 대해 재료강도를 낮추어 선정결과를 검토하고자 하였다. 이를 위해 Table A1의 조사결과에 따라 재료강도가 가장 낮게 평가된 fck=15 MPa, fy=240 MPa을 3층 및 4층 모델에 적용하였다.
가설 설정
- 2) Linear interpolation with respect to Tn is applied between the values.
- 3) Seismic force using R shall not be lower than 85% of the equivalent lateral force based on approximate fundamental period.
- 단, 2층 모델의 경우 조사 자료가 충분치 않은 점을 고려하여 3층 학교시설의 부재 속성을 활용하였다. 학교시설은 대부분 표준도면에 가깝게 건설되었으므로 각 모델의 경간 크기와 수량은 동일하게 가정하였다. 이 가운데 3층 모델의 예시를 Fig.
제안 방법
- 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)의 지반증폭계수를 적용하여 제안된 반응수정계수를 검토하고자 Fig. 13(a)에 KBC 2016과 KDS 41 17 00(안)에 따른 설계스펙트럼을 비교하였다. 비교결과 S2(=SC,20 m미만), S3(= SD,20 m미만) 및 S4(=SD,20 m이상) 지반의 경우 기존 KBC2016의 설계스펙트럼과 동일한 결과를 나타내었다.
- 3차원모델의 내진성능평가로부터 선정된 반응수정계수의 전반적인 경향을 파악하기 위해 해석조건별 강도기반(①) 및 변형기반(②) 평가에서 각각 보수적으로 선정되는 반응수정계수를 나타내었다.
- 본 연구에서는 학교시설 내진성능평가 및 보강 매뉴얼의 선형해석평가법과 비선형정적해석법을 3차원 해석모델에 적용하고 그 결과를 비교하여 조적허리벽이 있는 비내진 철근콘크리트모멘트골조의 적정 반응수정계수를 제안하였다. 건물의 고유주기와 전단지배형 기둥의 비율 및 전단강도 수준에 따라 분류된 다양한 해석조건을 적용하였다. 이 연구의 주요 결론은 다 음과 같이 요약할 수 있다.
- 조적채움벽 및 허리벽은 선형해석의 경우 가새가 인장 및 압축에 모두 저항하므로 압축에만 저항하는 스트럿과 유사한 강성을 나타내도록 스트 럿의 강성을 1/2로 낮추어 모델링하였다[2]. 그러나 비선형해석의 경우 강성을 낮추지 않고 압축에만 저항하는 가새로 모델링하였다.
- 6 kN/m3 을 적용하였다. 등가스트럿 모델의 경우 압축만 저항할 수 있으나 단일 모델을 사용하여 다양한 하중조합에 대한 평가를 수행하기 위하여 학교 시설 매뉴얼에 따라 양방향 가새를 사용하여 모델링하였다. 조적허리벽으로 인한 단주의 순길이 hn는 일반 기둥길이 ho의 2/3정도로 파악되어 이를 반영하였다.
- ↓지반의 설계스펙트럼 범위 밖에 있는 건물 중에서 모서리주기(가속도 일정구간과 속도 일정 구간의 경계)와 가장 근사한 주기를 갖는 모델로 선정하였다. 따라서 S1, S4 및 S5 지반에 대해 3층, 4층 및 5층 모델을 검토하였다. 비록 S2지반은 설계스펙트럼이 SB지반 및 SD,20 m↓지반의 설계스펙트럼 범위 내에 있어서 제안된 반응수정계수에 큰 변화가 없을 것으로 예상되나 모서리주기에 가장 근사한 주기를 갖는 3층 모델을 선정하여 검토하였다.
- 5와 동일하 기 때문에 철근콘크리트 모멘트골조가 병존하는 구조물에서 지나치게 보수적인 값이다. 따라서 이를 검토하기 위해 2층 및 3층의 반응수정계수를 재평가하였으며, 이 때 전단지배형 기둥의 모델링을 Fig. 9와 같이 조정하였다. 조정 방안은 기존의 정점 후 강도 상실 모델(Model 2)에서 변형연화 (strain softening) 모델(Model 1)로 조정하여 급격한 하중감소를 방지한 것으로서 실제로 전단파괴가 발생한 기둥의 실험결과를 참조 시 전단파괴 후급격하게 강도가 감소되기 보다는 완만하게 감소함이 알려져 있다[14].
- 그러나 통상적으로 조적허리벽 위의 단주기둥 부분에 손상이 집중되고 그 외 부분은 상대적으로 손상이 적다. 따라서 해석의 간편성을 위해 허리벽 밑부분 기둥과 허리벽을 제외하고 평가를 수행하였다
- 8에 재정리하였다. 또한 선정경향을 토대로 주기 T 및 rsc에 따른 반응수정계수 제안식을 도출하였다.
- 지반조건의 경우 비교적 단단한 지반과 상대적으로 연약한 지반을 하나씩 선정하여 검토하였다. 또한 연성능력에 따라 판정결과가 상이하게 나타날 것으로 판단되어 전단지배형 기둥의 전단 강도Vn1,sc 및 비율rsc 등을 해석조건으로 반영하였다.
- 19 MPa를 적용하였다. 보와 기둥은 학교시설 매뉴얼에 따라 유효강성을 적용하여 모델링하였으며 비선형해석모델의 경우에 지배거동의 분류에 따라서 학교시설 매뉴얼에 제시된 모델링 변수 및 허용기준을 적용하여 모델링하였다. 조적채움벽 및 허리벽은 선형해석의 경우 가새가 인장 및 압축에 모두 저항하므로 압축에만 저항하는 스트럿과 유사한 강성을 나타내도록 스트 럿의 강성을 1/2로 낮추어 모델링하였다[2].
- 본 연구에서는 학교시설 내진성능평가 및 보강 매뉴얼의 선형해석평가법과 비선형정적해석법을 3차원 해석모델에 적용하고 그 결과를 비교하여 조적허리벽이 있는 비내진 철근콘크리트모멘트골조의 적정 반응수정계수를 제안하였다. 건물의 고유주기와 전단지배형 기둥의 비율 및 전단강도 수준에 따라 분류된 다양한 해석조건을 적용하였다.
- 앞서 4장에서 적용한 지반의 분류 및 증폭계수는 KBC 2016의 대표적인 지반을 선정하여 검토하였다. 여기서는 행정안전부 내진설계기준 공통적용사항에 따라 건축물 내진설계기준 제정안에 도입 예정인 지반증폭계수를 적용하여 제안된 반응수정계수가 적절한지 확인한다
- 앞서 4장에서 적용한 지반의 분류 및 증폭계수는 KBC 2016의 대표적인 지반을 선정하여 검토하였다. 여기서는 행정안전부 내진설계기준 공통적용사항에 따라 건축물 내진설계기준 제정안에 도입 예정인 지반증폭계수를 적용하여 제안된 반응수정계수가 적절한지 확인한다
- 다만 김범석 등[13]은 평면골조의 선형 및 비선형 내진성능 평가결과를 비교하여 조적허리벽이 있는 중저층 비내진 철근콘크리트 모멘트골조의 반응수정계수를 제시하였다. 이 연구에서는 3층 평면골조의 경우 전단지배형 기둥이 차지하는 비중이 10% 미만 및 이상인 경우에 대하여 각각 R = 2.0 및 1.5를 제안하였고, 5층의 경우 전단지배형 기둥이 차지하는 비중이 55% 미만 및 이상인 경우에 대하여 각각 R = 2.5 및 2.0을 제안하였다
- 이 연구에서는 선행연구[13]의 한계를 극복하기 위하여 3차원 골조해석 을 수행하고 건물의 층수와 지반조건 및 부재 모델링 측면에서 확장된 해석 조건을 고려하여 다양한 선형 및 비선형 해석을 수행하고 반응수정계수에 영향을 주는 요인을 도출하였으며, 최종적으로 학교시설 매뉴얼의 선형해석 평가법에 적용하기 위한 ‘내진설계에 반영되지 않은 허리벽이 있는 철근 콘크리트모멘트골조’의 반응수정계수를 제안하였다.
- 재료강도는 학교시설 매뉴얼에 제시된 ‘양호’의 값을 적용하 여 설계기준 압축강도ffm 및 전단강도fvi에 대해 각각 6.2 MPa 및 0.19 MPa를 적용하였다.
- 보와 기둥은 학교시설 매뉴얼에 따라 유효강성을 적용하여 모델링하였으며 비선형해석모델의 경우에 지배거동의 분류에 따라서 학교시설 매뉴얼에 제시된 모델링 변수 및 허용기준을 적용하여 모델링하였다. 조적채움벽 및 허리벽은 선형해석의 경우 가새가 인장 및 압축에 모두 저항하므로 압축에만 저항하는 스트럿과 유사한 강성을 나타내도록 스트 럿의 강성을 1/2로 낮추어 모델링하였다[2]. 그러나 비선형해석의 경우 강성을 낮추지 않고 압축에만 저항하는 가새로 모델링하였다.
- 조적채움벽 및 허리벽의 경우 등가스트럿 모델을 사용하여 Fig. 2와 같이 모델링하였으며, 해당 부재의 중량을 고려하기 위해 단위중량 19.6 kN/m3 을 적용하였다. 등가스트럿 모델의 경우 압축만 저항할 수 있으나 단일 모델을 사용하여 다양한 하중조합에 대한 평가를 수행하기 위하여 학교 시설 매뉴얼에 따라 양방향 가새를 사용하여 모델링하였다.
- 해석조건은 기본적으로 선행연구[13]와 동일하게 적용하였다. 지반조건의 경우 비교적 단단한 지반과 상대적으로 연약한 지반을 하나씩 선정하여 검토하였다. 또한 연성능력에 따라 판정결과가 상이하게 나타날 것으로 판단되어 전단지배형 기둥의 전단 강도Vn1,sc 및 비율rsc 등을 해석조건으로 반영하였다.
- 이 과정에서 학교시설의 특성을 고려하고 건축구조기준과의 일관성도 갖출 수 있도록 학교시설 내진설계기준[1]이 개정되고 학교시설 내진성능평가 및 보강 매뉴얼(이하 학교시설 매뉴얼)[2]이 개발되었다. 학교시설 내진성능평가 및 보강 매뉴얼은 일반 구조기술자들이 쉽게 습득하여 다수 학교시설의 내진성능을 신속하게 평가할 수 있도록 건축구조기준(Korean Building Code, KBC 2016)[3]에 기초한 선형해석 평가법을 새로 제시하였다.
대상 데이터
- KDS 41 17 00(안)의 지반증폭계수에 따라 기존 지반조건과 차이가 나타나는 S1 지반과 기존 조건에서 검토되지 않았던S2(=SC,20 m미만), S4(=SD,20 m이상) 및 S5 지반을 선정하였다.
- 각 지반조건별 검토 대상은 1차 모드에 해당되는 스펙트럼 가속도가 기 존 해석 조건인 SB지반 및 SD,20 m↓지반의 설계스펙트럼 범위 밖에 있는 건물 중에서 모서리주기(가속도 일정구간과 속도 일정 구간의 경계)와 가장 근사한 주기를 갖는 모델로 선정하였다.
- 기반암 깊이가 20 m 이상이고 평균전단파 속도가 360 m/s 이상으로 분류되어 규정된 지반증폭계수 Fv의 80%를 적용할 수 있는 S4 지반의 경우에 일반 S4 지반과 비교하기 위하여 동일한 4층 모델을 검토대상으로 선정하였다.
- 비록 S2지반은 설계스펙트럼이 SB지반 및 SD,20 m↓지반의 설계스펙트럼 범위 내에 있어서 제안된 반응수정계수에 큰 변화가 없을 것으로 예상되나 모서리주기에 가장 근사한 주기를 갖는 3층 모델을 선정하여 검토하였다.
- 또한 주기에 따라 반응수정계수가 변동하는 구간에 위치하는 3층 및 4층 모델에 대해 재료강도를 낮추어 선정결과를 검토하고자 하였다. 이를 위해 Table A1의 조사결과에 따라 재료강도가 가장 낮게 평가된 fck=15 MPa, fy=240 MPa을 3층 및 4층 모델에 적용하였다.
이론/모형
- 59 배에 해당하는 조정이 이루어졌다. 등가정적 지진하중 산정 시 적용된 주기 약산식은 KBC2016에서 기타골조에 해당하는 식을 적용하였다. 이 연구 에서는 KBC2016에서 허용되는 주기상한 계수를 이용하여 증가시키지 않은 원래의 약산식 주기를 적용하여 등가정적 지진하중을 산정하였음을 유의할 필요가 있다.
- 선형해석 평가법은 반응수정계수에 기초한 선형정적 또는 선형동적 해석법을 사용한다. 그러나 건축구조기준의 반응수정계수는 내진설계된 건물을 대상으로 하는 반면에 내진성능평가의 대상이 되는 기존 학교건물은 대부분 내진설계가 적용되지 않았고 건축구조기준에서 명확한 해석 및 설계법을 제시하고 있지 않은 무보강 조적채움벽 및 허리벽을 대부분 포함하고 있다.
- 이는 내진Ⅰ등급으로 분류되는 학교 시설을 인명안전수준에 대하여 평가하기 위함이다. 응답스펙트럼 해석법 을 사용하여 KBC2016에 따라 등가정적 지진하중의 85% 수준이 되도록 보정계수 cm을 적용하였다. 모든 지반조건에 대해 보정계수를 산정한 결과 2층 및 3층의 경우 각각 1.
성능/효과
- 1) 비선형해석결과에 상응하는 선형해석평가를 얻기 위한 조적허리벽이 있는 비내진 철근콘크리트모멘트골조의 반응수정계수는 층수가 높아질수록 증가하고 증가하는 경향이 나타났다. 이는 등가정적 지진하중에 기초한 지진하중의 보정계수가 커지기 때문인 것으로 나타났다.
- 2) 전단지배형 기둥의 비율이 높아질수록 반응수정계수가 낮아지는 경향이 나타났다. 반응수정계수의 변화가 나타나는 전단지배형 기둥의 비율은 전체의 약 30% 정도로 나타났으며, 이는 대략적으로 표준적인 평면의 학교건물에서 장변방향 한 면의 기둥이 모두 전단지배형인 경우에 가깝다.
- 3) 다수의 조건에 대한 선정결과를 바탕으로 반응수정계수를 주기가 0.6초 이상인 경우 모든 경우에 대해 2.5, 0.4초 이하인 경우 rsc가 30% 미만일 때 2.5, 이상일 때 2.0으로 제안하였다. 또한 주기가 0.
- 4) 일부 해석조건에 대하여 KDS 41 17 00(안)의 지반조건 및 주기약산식을 적용하여 반응수정계수를 검토한 결과 제안된 반응수정계수는 다소 안적측의 값임을 확인하였다.
- 4층 모델의 경우 기존해석결과와 동일하였으나 3층 모델의 경우 rsc≥ 30% 구간에서 반응수정계수가 기존 해석결과 대비 2.0으로 낮아진 것을 확인하였다.
- 5) 제안된 반응수정계수는 구조물의 고유주기 및 전단지배형 기둥의 비율을 고려하는 것이 특징이다. 이와 같이 추가적인 조건을 부여함으로서 학교시설의 구조적 특수성을 고려하되 지나치게 보수적인 평가가 이루어지지 않도록 하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
- KBC2016과 KDS 41 17 00의 기준으로 산정된 근사고유주기를 비교 한 결과 Table 5와 같이 층수가 낮아질수록 최대 15%까지 오차가 발생하는 것으로 나타났다. 이를 바탕으로 보정계수 Cm을 산정한 결과 Table 5와 같이 2층의 경우 1.
- 5가 적절한 것으로 판단된다. 그러나 상대적으로 단주기 모델인 2층 및 3층에 대해서는 전단지배형 기둥의 변형연화 모델(Model 1) 및 재료강도 등의 영향 등으로 인해 적정 반응수 정계수 및 반응수정계수가 감소하는 구간에 위치한 rsc의 값이 변동됨을 확인하였다. 따라서 이를 종합적으로 고려한 적정 반응수정계수는 주기 T 및 rsc에 따라 Fig.
- 4장의 선정결과 및 경향을 반영하여 Table 4와 같이 제안하였다. 제안 반응수정계수는 주기가 0.6초 이상인 경우 모든 경우에 대하여 2.5를 적용할 수 있으며, 주기가 0.4초 이하인 경우 rsc가 30% 미만일 때 2.5, 30% 이상일 때 2.0을 적용할 수 있다. 또한 주기가 0.
- 제안식으로 반응수정계수를 산정한 결과 상대적으로 짧은 주기를 갖는 학교시설의 경우 반응수정계수가 1.5까지 낮아지는 것으로 나타났다. 이는 KBC2016에서 제시한 무보강 조적전단벽의 반응수정계수 1.
후속연구
- 0을 단주효과에 의한 취성거동을 고려하여 낮춘 값이다. 그러나 단주효과에 의해 전단지배 거동을 하는 부재의 비중에 따라서 연성의 감소폭은 증가할 것으로 예상되므로 때문에 적절 한 반응수정계수에 대한 연구가 필요하다.
- 등가정적 지진하중 산정 시 적용된 주기 약산식은 KBC2016에서 기타골조에 해당하는 식을 적용하였다. 이 연구 에서는 KBC2016에서 허용되는 주기상한 계수를 이용하여 증가시키지 않은 원래의 약산식 주기를 적용하여 등가정적 지진하중을 산정하였음을 유의할 필요가 있다.
- 5) 제안된 반응수정계수는 구조물의 고유주기 및 전단지배형 기둥의 비율을 고려하는 것이 특징이다. 이와 같이 추가적인 조건을 부여함으로서 학교시설의 구조적 특수성을 고려하되 지나치게 보수적인 평가가 이루어지지 않도록 하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
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