[논문]공동 주택의 구조벽과 비내력벽의 일체화 효과에 따른 내진 성능 분석

김은서; 최병훈; 이정한; 이기학

doi:10.9712/kass.2019.19.3.85

공동 주택의 구조벽과 비내력벽의 일체화 효과에 따른 내진 성능 분석
Seismic Evaluation of an Apartment House With a Coupling Effect of Structural and Non-Structural Walls 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.19 no.3, 2019년, pp.85 - 92

김은서 (세종대학교 건축공학과) , 최병훈 (세종대학교 건축공학과) , 이정한 (국립재난안전연구원) , 이기학 (세종대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was carried out to examine the effect of the presence of non-structural walls in apartment buildings subjected to an earthquake. It was believed that the presence of non-structural walls, which has not been considered in the structural design process, was usually built together with structural walls and this led to significant damages to the apartment buildings in Pohang earthquake, 2017. In this study, a 22-story apartment building was selected and modeled to simulate the seismic behavior due to earthquakes. The story drift, performance point, and compressive strain in the walls were the main parameters to evaluate the seismic performance with the presence of non-structural walls.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 국내의 전형적인 아파트 평면을 갖는 22층의 공동 주택 건축물을 선정하여 비내력벽 유무에 따른 내진 성능을 분석하고 구조벽과 비내력벽의 일체화(Coupling) 효과에 대해 연구하고자 한다.
대부분의 벽체 관련 연구는 전단벽 및 구조물 전체의 내진 성능 확보를 위한 보강재로서만 수행되었다. 본 연구는 수벽 및 날개벽과 같은 비내력벽에 대한 내진 성능 확보, 균열 하자 및 탈락 방지 등 비내력벽의 피해로 인한 구조물의 구조 요소 손상을 방지할 수 있는 기술로서 기존 연구와 비교하여 차별성이 뚜렷하다. 본 연구와 유사한 끼움벽, 개구부가 있는 조적조 내진 보강 연구가 있지만 전체 시스템에서의 내진 성능 향상을 중점으로 연구가 수행된 점이 다르다고 할 수 있다.
본 논문에서는 국내의 전형적인 아파트 평면을 갖는 22층의 공동 주택 건축물을 선정하여 비내력벽 유무에 따른 비선형 정적 해석과 비선형 동적 해석을 실시하였다. 이를 통해 구조물의 지진 거동을 더욱 명확히 예측하고 내진 성능을 평가하여 구조벽과 비내력벽의 일체화 효과에 대해 연구하였다. 본 연구로부터 도출된 결론은 다음과 같다.
최종 산정된 성능점에서의 최대 허용 층간 변위비가 범위 내에 존재하는지 여부를 검증하였다. 목표 성능 수준은 내진Ⅰ등급을 고려하여 해당 최대 허용 층간 변위비가 0.

제안 방법

4개의 지반 운동에 대한 최대값을 사용하여 대상 건축물의 X방향과 Y방향의 층간 변위를 검토하였다. W/O NBW X방향으로는 22층에서 최대 변위비 0.
Perform-3D 프로그램을 이용하여 비내력벽이 있는 해석 모델(W/ Non Bearing Wall 이하 W/NBW)을 구현하였다. [Fig.
본 연구에서는 4개의 지반 운동을 사용하였다. [Fig. 8]과 같이 총 4개의 지반 운동을 KDS의 스펙트럼에 맞게 Second Match 컴퓨터 응용 프로그램을 사용하여 스케일링 후 비선형 동적 해석을 실시하였다. 스케일링 방법을 통한 4개 지반 운동은 [Table 6]에 나타나 있으며, 해석에 사용된 지진 하중 조건은 [Table 7]에 나타나있다.
RC 전단벽으로 대표되는 공동 주택은 층간 변위비와 함께 벽체의 압축 변형률이 내진 성능에 중요한 영향을 미친다. 벽체 단부의 수직 방향 변형률 응답이 가장 클 것으로 예상되는 최외각에 위치한 벽체에서 압축 변형률 검토를 수행하였다. 해당 벽체는 [Fig.
본 논문에서는 국내의 전형적인 아파트 평면을 갖는 22층의 공동 주택 건축물을 선정하여 비내력벽 유무에 따른 비선형 정적 해석과 비선형 동적 해석을 실시하였다. 이를 통해 구조물의 지진 거동을 더욱 명확히 예측하고 내진 성능을 평가하여 구조벽과 비내력벽의 일체화 효과에 대해 연구하였다.
본 연구에서 적용된 22층의 공동 주택 해석 모델을 검증하기 위하여 비선형 정적 해석을 실시하였다.
3개의 지반 운동을 이용하여 해석할 경우 최대 응답을 사용해야 하며, 7개 이상의 지반 운동을 이용하여 해석할 경우 평균 응답을 사용할 수있다¹¹⁾. 본 연구에서는 4개의 지반 운동을 사용하였다. [Fig.
비내력벽 유무에 따른 Pushover curve를 검토하였다. 밑면 전단력을 비교한 결과, X방향의 W/NBW Model은 25.
비내력벽이 없는 건축물은 (W/O Non Bearing Wall 이하 W/O NBW) 전단벽과 연결보로 구성된 22층 공동 주택 건축물이다. 연결보, 보 및 전단벽에 대한 물성치는 FEMA의 이력 곡선 값을 통한 요소 모델링을 하였다.
해당 건축물은 General wall로 비내력벽 모델링을 고려하였고 이를 연결보로 대체하여 모델링하였다. 연결보의 물성치는 FEMA의 이력 곡선 값을 통한 요소 모델링하였다. FEMA의 이력 곡선은 비선형 정적 및 동적 해석을 위한 구성 요소 모델을 개발하기 위한 기초로 지진 설계 표준에 사용된다⁴⁾.
지반 조건을 고려하여 KDS 스펙트럼에 맞게 스케일링된 4개의 지반 운동을 적용하여 비선형 동적 해석을 실시하였다.
반면 General wall은 수직 및 수평축-휨 거동 모두 Inelastic fiber section을 이용하여 비탄성 거동을 적용할 수 있으며, 대각 압축 거동도 모사할 수 있는 옵션이 있다³⁾. 해당 건축물은 General wall로 비내력벽 모델링을 고려하였고 이를 연결보로 대체하여 모델링하였다. 연결보의 물성치는 FEMA의 이력 곡선 값을 통한 요소 모델링하였다.

대상 데이터

해석 모델은 비선형 해석 프로그램인 Perform-3D 프로그램을 이용하여 비내력벽 유무에 따라 모델링되었다. 비내력벽이 없는 건축물은 (W/O Non Bearing Wall 이하 W/O NBW) 전단벽과 연결보로 구성된 22층 공동 주택 건축물이다. 연결보, 보 및 전단벽에 대한 물성치는 FEMA의 이력 곡선 값을 통한 요소 모델링을 하였다.

이론/모형

시간 이력 해석은 지반 조건에 상응하는 지반 운동 기록을 최소 3개 이상 사용하여 실시해야 한다. KBC2016의 0306.7.4.에 따라 개별 지반 운동의 성분별로 5% 감쇠비의 응답 스펙트럼을 작성한다. 주기별로 제곱합 제곱근(SRSS)을 취하여 제곱합 제곱근 스펙트럼을 산정하며, 스펙트럼의 평균값이 설계 대상 구조물 기본 진동 주기의 0.
성능점을 산정하기 위해서는 역량 스펙트럼법(Capacity spectrum method)과 변위계수법(Displacement coefficient method)을 사용한다. 본 연구에서는 역량 스펙트럼법을 사용하였다⁶⁾.
비선형 정적 해석에 의한 공동 주택 성능 수준은 최대 층간 변위비와 부재별 및 전체 구조물의 성능 수준에 의해 판별되며 성능점에서 판정된다. 성능점을 산정하기 위해서는 역량 스펙트럼법(Capacity spectrum method)과 변위계수법(Displacement coefficient method)을 사용한다. 본 연구에서는 역량 스펙트럼법을 사용하였다⁶⁾.
해석 모델은 비선형 해석 프로그램인 Perform-3D 프로그램을 이용하여 비내력벽 유무에 따라 모델링되었다. 비내력벽이 없는 건축물은 (W/O Non Bearing Wall 이하 W/O NBW) 전단벽과 연결보로 구성된 22층 공동 주택 건축물이다.

성능/효과

1) Pushover curve를 통하여 밑면 전단력을 비교한 결과, X방향의 W/ NBW Model은 25.1% 증가하였고, Y방향의 W/ NBW Model은 28.7% 증가하였다.
1) 비내력벽 유무에 따른 최대 층간 변위비를 계산한 결과, X방향 W/ NBW Model의 층간 변위비가 58.3% 감소하였다. Y방향 W/ NBW Model의 층간 변위비는 12.
2) 성능점 검토 결과, X방향과 Y방향의 성능점에서 밑면 전단력은 각각 17,780kN, 23,650kN이며 변위는 각각 1.638mm과 1.327mm로 확인되었다.
2) 압축 변형률에 대한 검증을 실시한 결과, W/O NBW에 대해서 4개 지진파 중 최대값은 0.0009 (Q1)으로 나타났고, W/ NBW에 대해서 4개 지진파 중 최대값은 0.0016 (Q1)으로 허용 기준을 만족하는 것으로 평가되었다.
3) 비내력벽 유무에 따른 최대 층간 변위비를 계산한 결과, X방향 W/ NBW Model의 층간 변위비가 56.4% 감소하였고, Y방향 W/ NBW Model의 층간 변위비가 75.4% 감소하였다.
0035(Q3)으로 나타났다. W/ NBW 및 W/O NBW의 최대 변위비 모두 허용 층간 변위비인 0.015를 초과하지 않아 목표 성능을 만족하는 것으로 판단되었다.
비내력벽 유무에 따른 Pushover curve를 검토하였다. 밑면 전단력을 비교한 결과, X방향의 W/NBW Model은 25.1% 증가하였고, Y방향의 W/NBW Model은 28.7% 증가하였다.
비내력벽 유무에 따른 최대 층간 변위비를 계산한 결과, X방향 W/ NBW Model의 층간 변위비가 56.4% 감소하였고, Y방향 W/ NBW Model의 층간 변위비가 75.4% 감소하였다. 비내력벽의 존재로 구조벽이 일체화되고, 강성과 강도의 증가로 전체 구조물의 층간 변위비가 감소하였다.
비내력벽 유무에 따른 최대 층간 변위비를 계산한 결과, 비내력벽이 X방향으로 포함되어 X방향의 W/ NBW Model의 층간 변위비가 58.3% 감소하였다. Y방향의 W/ NBW Model의 층간 변위비가 12.
4% 감소하였다. 비내력벽의 존재로 구조벽이 일체화되고, 강성과 강도의 증가로 전체 구조물의 층간 변위비가 감소하였다.
015를 초과하지 않아야 한다⁸⁾. 성능점에서 층간 변위비를 검토한 결과, 목표 성능을 만족하는 것으로 나타났다. [Fig 7]에 X방향의 최대 층간 변위비를 나타내었다.

후속연구

또한 의도치 않게 비구조벽의 지진력의 에너지 소산을 일정 부분 담당하여 손상이 발생할 수 있다. 이러한 효과에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	역량 스펙트럼법이란?	역량 스펙트럼법은 비선형 정적 해석으로 얻을 수 있는 대상 구조물 전체의 밑면 전단력-최상층 변위 역량 곡선(Capacity curve)과 구조물의 고려하는 지진에 대한 요구를 응답 스펙트럼으로 나타낸다. 이 두 그래프를 동일한 그래프 상에서 표현함으로써 요구와 역량의 상호 관계를 동시에 나타낼 수 있다.
	시공 현장에서는 비내력벽의 경우 수벽 및 날개벽에 최소 철근으로 배근하여 전단벽과 일체화시켜 동일하게 콘크리트 타설을 진행하여 생기는 문제는?	그러나 시공 현장에서는 비내력벽의 경우 수벽 및 날개벽에 최소 철근으로 배근하여 전단벽과 일체화시켜 동일하게 콘크리트 타설을 진행한다. 수벽과 날개벽 등 비내력벽이 설계 시 의도한 바와는 다르게 일정 정도 이상의 강성을 가지게 되고 지진 하중 발생 시 내력을 분담하여 예상하지 못한 큰 균열 손상과 부재의 취성 파괴를 유발하게 된다. 이로 인해 비교적 최신 건축물로 내진 설계가 이루어진 [Fig.
	비선형 정적 해석이란?	비선형 정적 해석은 구조물이 항복한 이후의 동적 거동과 하중의 재분배를 고려한 시스템의 안정 한계 상태를 효과적으로 파악할 수 있는 가장 간단하면서도 일반적인 해석 방법이다5). 비선형 정적 해석에 의한 공동 주택 성능 수준은 최대 층간 변위비와 부재별 및 전체 구조물의 성능 수준에 의해 판별되며 성능점에서 판정된다.

참고문헌 (12)

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10.5000/EESK.2012.16.6.037 Moon, K. H., Jeon, Y. R., Lee, C. S., & Han, S. H., “Evaluation of Performance of Korean Existing School Buildings with Masonry Infilled Walls Against Earthquakes”, Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, Vol.16, No.6, pp.37~46, 2012

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SH Corporation Urban Research Institute, “Architectural Design Guidelines for SH Construction Apartment Housing”, 2014
Architectural Institute of Korea, “Architectural Structural Design Criteria and Explanation”, 2016
ASCE/SEI 41-06, “Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings”, American Society of Civil Engineers, 2006

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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