[논문]학교 건축물의 내진 보강을 위한 가새 - 높이비에 관한 연구

이화정; 변대근; 윤성기

doi:10.11112/jksmi.2020.24.4.10

학교 건축물의 내진 보강을 위한 가새 - 높이비에 관한 연구
A Study on Brace-height Ratio for Seismic Retrofit of School Building 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.4, 2020년, pp.10 - 17

이화정 (동인구조진단(주)) , 변대근 (동인구조진단(주)) , 윤성기 (부산대학교 건축공학과)

초록
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최근 국내에 발생한 지진으로 인해 많은 학교 건물들에 크고 작은 피해가 발생하였다. 학교 건축물은 재난 발생시 대피소로 사용되는 중요 건물로서 비내진 건축물일 경우 여러 방법으로 내진 보강이 진행 중이다. 내진보강 공법 중 내부 철골가새골조형 공법은 비교적 시공이 용이하고 성능이 우수하여 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 기존 철근콘크리트 학교 건물에 철골 가새 골조를 적용하여 수평반복가력해석을 수행하여 최대전단력 및 변위를 비교검토 하였다. 그 결과로 해석 모델의 적정성을 확인하였고, 기존 학교 건축물의 1경간에 대한 가새- 높이비에 따른 효과를 비교 검토하였다. 가새- 높이비 0.3의 모델에서 최대 전단내력과 변위관계에서의 적정성을 확인할 수 있었다. 또한, 실제 비 내진 철근콘크리트 학교 건축물에 철골가새를 적용시켜 가새- 높이비에 따른 비선형정적해석을 수행하여 내진 성능을 검토하였다. 그 결과, 가새- 높이비 0.3에서 부재의 붕괴가 없는 적절한 내진효과를 보이고 있다. 가새 높이의 증가는 최대전단력과 인명안전 수준의 성능점에서 최대 하중을 증가시키는 효과를 나타내고 있으나, 횡강성의 증가로 인한 가새 골조 주변 부재의 붕괴가 발생하므로, 적정한 가새 높이에 따른 내진 보강이 필요하다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 기존 학교건축물의 가새 골조의 내진보강 설계에 있어서 가새 높이에 따른 보강해석을 고려한 후 가새 높이를 선정하고 적절한 보강 개수와 보강위치를 정하는 것이 필요한 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The recent earthquake in Korea caused large and small damages to many school building. School building is an important building that is used as a shelter in the event of disaster. Among the seismic retrofit methods, the internal steel braced frame type method is used for its relatively easy construction and excellent performance. In this study, the maximum shear force and displacement were compared and examined by applying the brace frame to existing concrete school buildings. As a result, we verified the adequacy of the analytical model and compared and examined the effect of brace-height ratio on the span of the existing school buildings. The adequacy of the maximum shear force and displacement relationship can be confirmed in the model with a length of 0.3. In addition, seismic frame was applied to the actual non-seismic reinforced concrete school building, and the seismic performance was evaluated by nonlinear static analysis(Push-over analysis) according to the ratio of brace-height. As a result, the increase of the brace-height according to the brace-height ratio has the effect of increasing the maximum shear force and maximum load at the performance point. But the collapse of the braced frame due to the increase in the lateral stiffness occurred, indicating that seismic retrofit according to the proper brace-height is necessary. Therefore, in the seismic retrofit design of brace frame of existing school building, it is necessary to select the proper brace-height after retrofit analysis according to the brace-height ratio.

주제어

표/그림 (24)

그림 Fig. 1 Reinforcement detail of RC frame and H-beam frame
그림 Fig. 2 Sophisticated model CA7
그림 Fig. 3 Cross-peak trilinear/bilinear model, CP3
표 Table 1 Hysteresis parameter of RC member
그림 Fig. 4 Bilinear model(SS3) of stress-strain relation
그림 Fig. 5 Comparison of load-displacement between experiment and static analysis of bare frame
그림 Fig. 6 Comparison of load-displacement between experiment and static analysis of H-beam frame
표 Table 2 Maximum shear force of experiment and analysis
그림 Fig. 7 Model
그림 Fig. 8 Steel brace Frame
그림 Fig. 9 Load - displacement curve
그림 Fig. 10 Comparison of skeleton curves for each model
표 Table 3 Model name according to brace-height ratio
그림 Fig. 11 Comparison of models according to brace height ratio
그림 Fig. 12 Push-over analysis model
표 Table 4 Maximum shear force and displacement according to brace height ratio
그림 Fig. 13 Performance curve according to brace height ratio
그림 Fig. 14 Member Performance
표 Table 5 Seismic design parameter
표 Table 6 Maximum shear force and displacement for each model
표 Table 7 Shear force and displacement at performance point (LS)
그림 Fig. 15 Comparison of models according to brace height ratio (V - max: Maximum shear force, V - p.p.: shear force at performance point D - max: Maximum displacement, D - p.p.: displacement at performance point)
그림 Fig. 16 Maximum shear force ratio according to brace height ratio
표 Table 8 Member collapse at performance point (LS)

AI 본문요약
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문제 정의

5까지 변화시키며 적용한다. 기둥 순길이에 대하여 반복가력방식으로 , 가새-높이비(H/L)에 따른 내진보강의 효과를 비교 분석하고자 한다. 반복가력에 대한 힘-변형 곡선은 Fig.
기존의 실험 해석 모델의 거동특성과 반복가력해석 결과를 비교하여 해석 모델의 적정성을 확인하고, 제안한 모델의 가새- 높이비에 대한 최대전단력 및 변위의 변화에 대해 비교 분석하고자 한다. 또한 가새를 설치한 끼움가새골조를 실제 학교 건축물에 적용하고 비선형 정적 해석(Push-over)을 통하여 가새-높이비에 따른 내진성능을 평가 수행하여 이에 따른 끼움가새골조의 적절한 가새높이비에 대해 비교 검토하고자 한다.
본 연구에서는 무보강 철근콘크리트 골조와 H형강으로 보강된 철근콘크리트 골조의 실험 결과 및 해석 결과를 비교 검토하였다. 가새를 설치한 골조의 가새-높이비에 따른 전단력을 분석하고, 해석 결과를 토대로 비내진 학교 건축물에 가새높이비에 따른 철골 가새를 보강하여 내진성능평가를 수행하였으며 결과는 다음과 같다.
건물의 전단보강으로는 단면증설, 강판보강, 섬유복합체 보강 등이 있으나 개소수가 많아지면 시공성과 경제성이 떨어져 적용 사례는 많지 않고 주로 전단벽, 날개벽, 골조신설, 끼움골조, 철골 가새 등의 시스템 보강 공법이 주로 내진보강에 적용되고 있다. 본 연구에서는 여러 보강 공법 중에서도 내부 보강형으로 내부에 끼움가새골조 설치로 보강한 철근 콘크리트 골조의 가새-높이비에 따른 내진성능에 대한 평가를 하고자 한다. 기존의 실험 해석 모델의 거동특성과 반복가력해석 결과를 비교하여 해석 모델의 적정성을 확인하고, 제안한 모델의 가새- 높이비에 대한 최대전단력 및 변위의 변화에 대해 비교 분석하고자 한다.

가설 설정

휨이력거동은 JBDPA(2017) 기준에 의해 계산된 균열강도와 항복강도를 이용하였다. 무보강 기둥 부재인 철근콘크리트 부재는 기둥의 양단부에 축력과 휨거동을 하는 것으로 가정하고 이력 모델은 Fig.2에 나타나는 것과 같이 강성저하, 강도저하, 핀칭현상을 고려하여 해석되는 모델 CA7 모델을 사용하였다. 보부재는 축력에 대해 고려하지 않으며 휨거동은 균열강도와 항복강도를 이용하여 비선형 거동을 하는 CP3 모델을 사용하였다.
비선형 동적 거동을 해석할 수 있는 CANNY 프로그램에 적용하기 위하여 기존 구조체를 부재의 중앙과 양단에 비선형 거동을 위한 스프링을 가지는 선형부재로 가정한다. 보부재는 양단부에서 휨스프링에 의해 비선형 휨거동을 하고, 기둥부재는 부재 양단부의 휨스프링에 의해 휨거동을 하며 부재 중앙부의 축스프링에 의해 거동이 표현된다.
사용된 H형강 재료 의 응력-변형 관계는 Fig.4와 같으며 각 부재는 비선형 이력 거동을 나타낼 수 있는 요소로 β = 0.01로 가정하여 모델화하고, 철근콘크리트 구조체와 보강부재의 접합은 단부 스프링요소로 치환하였다.

제안 방법

1) 기존 동적해석 프로그램인 CANNY의 모델링 방법의 신뢰성을 검증하기 위해 반복가력실험에 의한 결과와 해석결과를 검토하였다. 무보강 구조물의 경우에 정가력시 실험 결과와 해석 결과가 약 6%의 차이가 나타났고 H형강으로 보강된 모델의 경우에는 실험 결과와 해석 결과가 약 7% 정도의 차이를 보이고 있다.
3) 표준적인 비내진 학교건축물을 가새보강 골조로 보강하여 가새-높이비에 따른 보강효과를 검토하였다. 내진보강용 가새 골조의 가새-높이비가 커질수록 가새 보강된 부재의 최대내력과 강성이 커지지만 다른 부재에서의 변형 및 붕괴가 나타났다.
MIDAS-GEN을 사용하여 비선형정적해석을 수행하고 ‘학교시설 내진성능평가 및 보강(교육부 2019)’에 따라서 상세평가를 한다.
본 연구에서는 무보강 철근콘크리트 골조와 H형강으로 보강된 철근콘크리트 골조의 실험 결과 및 해석 결과를 비교 검토하였다. 가새를 설치한 골조의 가새-높이비에 따른 전단력을 분석하고, 해석 결과를 토대로 비내진 학교 건축물에 가새높이비에 따른 철골 가새를 보강하여 내진성능평가를 수행하였으며 결과는 다음과 같다.
보부재는 양단부에서 휨스프링에 의해 비선형 휨거동을 하고, 기둥부재는 부재 양단부의 휨스프링에 의해 휨거동을 하며 부재 중앙부의 축스프링에 의해 거동이 표현된다. 기둥의 휨변형은 Tri-linear 복원력 모델을 이용하여 최대강도 이후의 강성저하, 강도저하와 핀칭현상을 고려하도록 하였다.
본 연구에서는 여러 보강 공법 중에서도 내부 보강형으로 내부에 끼움가새골조 설치로 보강한 철근 콘크리트 골조의 가새-높이비에 따른 내진성능에 대한 평가를 하고자 한다. 기존의 실험 해석 모델의 거동특성과 반복가력해석 결과를 비교하여 해석 모델의 적정성을 확인하고, 제안한 모델의 가새- 높이비에 대한 최대전단력 및 변위의 변화에 대해 비교 분석하고자 한다. 또한 가새를 설치한 끼움가새골조를 실제 학교 건축물에 적용하고 비선형 정적 해석(Push-over)을 통하여 가새-높이비에 따른 내진성능을 평가 수행하여 이에 따른 끼움가새골조의 적절한 가새높이비에 대해 비교 검토하고자 한다.
기존의 학교 건물에 적용하여 가새-높이비에 따른 철골 가새골조의 보강효과를 밝혀낸다. 대상건축물은 1980년대 건축된 표준적인 학교건물로써, 일자형 철근콘크리트 보통 모멘트 골조이다.
내진설계가 되지 않은 보통모멘트 골조인 학교건물의 1층 1경간에 대한 실험 (Lee et al , 2013) 과 CANNY(2010)를 이용한 비선형해석의 결과를 비교하여 정확성을 검증한다. 실험 모델은 실제 크기의 1/2 크기 실험체이며 실험은 일정한 축력이 가해진 상태에서 변위제어로 수평반복하중을 각 변위별로 3cycle씩 반복하며 기둥 높이에 대한 횡변위비인 Drift ratio 8%까지 반복 가력 방식으로 실험하였다.
MIDAS-GEN을 사용하여 비선형정적해석을 수행하고 ‘학교시설 내진성능평가 및 보강(교육부 2019)’에 따라서 상세평가를 한다. 무보강골조 대비 내진보강 골조의 순수보강효과를 확인하기 위하여 조적조 허리벽이 없는 모멘트골조로 Y1열과 Y3열에 가새를 보강하여 Fig.12과 같이 모델링하였다. 해석에 사용된 지진설계변수는 Table 5와 같다.
2 MPa이며 기둥 및 보의 주근은 모두 지름 13 mm 철근, 띠철근은 지름 10 mm를 사용하였고 H형강 프레임에 사용된 강재는 SS400이다. 본 연구에서는 기존의 실험과 동일하게 기둥 높이에 대한 횡 변위비인 Drift ratio 8%까지 변위를 가하는 것으로 반복하중을 가하여 변위로 제어하는 비선형해석을 수행하였다.
내진설계가 되지 않은 보통모멘트 골조인 학교건물의 1층 1경간에 대한 실험 (Lee et al , 2013) 과 CANNY(2010)를 이용한 비선형해석의 결과를 비교하여 정확성을 검증한다. 실험 모델은 실제 크기의 1/2 크기 실험체이며 실험은 일정한 축력이 가해진 상태에서 변위제어로 수평반복하중을 각 변위별로 3cycle씩 반복하며 기둥 높이에 대한 횡변위비인 Drift ratio 8%까지 반복 가력 방식으로 실험하였다. 실험체는 Fig.

대상 데이터

기존의 학교 건물에 적용하여 가새-높이비에 따른 철골 가새골조의 보강효과를 밝혀낸다. 대상건축물은 1980년대 건축된 표준적인 학교건물로써, 일자형 철근콘크리트 보통 모멘트 골조이다. 콘크리트의 설계기준강도는 21 MPa, 철근의 항복강도 240 MPa이며 층고 3.
실험 모델은 실제 크기의 1/2 크기 실험체이며 실험은 일정한 축력이 가해진 상태에서 변위제어로 수평반복하중을 각 변위별로 3cycle씩 반복하며 기둥 높이에 대한 횡변위비인 Drift ratio 8%까지 반복 가력 방식으로 실험하였다. 실험체는 Fig.1과 같으며 콘크리트 압축강도는 45.2 MPa이며 기둥 및 보의 주근은 모두 지름 13 mm 철근, 띠철근은 지름 10 mm를 사용하였고 H형강 프레임에 사용된 강재는 SS400이다. 본 연구에서는 기존의 실험과 동일하게 기둥 높이에 대한 횡 변위비인 Drift ratio 8%까지 변위를 가하는 것으로 반복하중을 가하여 변위로 제어하는 비선형해석을 수행하였다.

이론/모형

보강부재의 기둥부재는 강재 재료 특성이 반영되는 MS(Multi Axial-Spring)모델 이용하여 해석하였다. 사용된 H형강 재료 의 응력-변형 관계는 Fig.
2에 나타나는 것과 같이 강성저하, 강도저하, 핀칭현상을 고려하여 해석되는 모델 CA7 모델을 사용하였다. 보부재는 축력에 대해 고려하지 않으며 휨거동은 균열강도와 항복강도를 이용하여 비선형 거동을 하는 CP3 모델을 사용하였다.
휨이력거동은 JBDPA(2017) 기준에 의해 계산된 균열강도와 항복강도를 이용하였다. 무보강 기둥 부재인 철근콘크리트 부재는 기둥의 양단부에 축력과 휨거동을 하는 것으로 가정하고 이력 모델은 Fig.

성능/효과

Fig.9 (a)는 무가새의 철골보강골조의 이력곡선으로 최대 전단력은 정가력 213.56 kN으로 무보강 철근콘크리트 골조에 비해 약 2.9배의 최대전단력을 나타내고 있으나 변형에서 차이를 나타내는 것을 알 수 있다. Fig.
2) 1경간 골조에 대해 가새-높이비에 따른 수평반복가력 해석을 수행함으로써 H형강으로 보강된 구조물의 가새-높이비에 따른 최대 전단력의 증가와 변위의 감소를 알 수 있다. 가새- 높이비 증가에 따라 최대 전단력이 증가하나가새-높이비 H/L=0.
4) 비내진 학교 건축물에 대하여 적정한 높이와 횡강성을 갖는 가새를 이용하여 보강하는 것이 최선의 보강효과를 기대할 수 있다고 판단된다. 따라서, 내진보강에 있어서 가새-높이비에 따른 내진 성능의 차이를 고려하고, 보강 부재의 개수와 보강 위치에 대한 연구가 필요하다고 사료된다.
무보강과 철골골조보강 및 철골가새골조보강에 대한 비선형정적해석으로 구한 최대전단력과 횡변위를 비교하면 Table 6과 같다. 가새 보강의 효과로 가새-높이비( H/L )가 커질수록 횡강성이 커지면서 최대 전단력이 증가하지만 변위는 감소하는 결과를 보이고 있으며 CANNY를 이용하여 해석한 1경간에 대한 비선형해석의 결과와 일치하는 것을 알 수 있다.
무보강 구조물의 경우에 정가력시 실험 결과와 해석 결과가 약 6%의 차이가 나타났고 H형강으로 보강된 모델의 경우에는 실험 결과와 해석 결과가 약 7% 정도의 차이를 보이고 있다. 따라서 실험 결과와 유사한 거동 특성을 나타내어 해석 모델링 방법의 적합성을 확인 할 수 있다.
1) 기존 동적해석 프로그램인 CANNY의 모델링 방법의 신뢰성을 검증하기 위해 반복가력실험에 의한 결과와 해석결과를 검토하였다. 무보강 구조물의 경우에 정가력시 실험 결과와 해석 결과가 약 6%의 차이가 나타났고 H형강으로 보강된 모델의 경우에는 실험 결과와 해석 결과가 약 7% 정도의 차이를 보이고 있다. 따라서 실험 결과와 유사한 거동 특성을 나타내어 해석 모델링 방법의 적합성을 확인 할 수 있다.
실험결과는 최대내력 정가력시 137.80 kN, 부가력시 -134.68 kN이며 해석결과는 정가력시 129.41 kN, 부가력시 -129.41 kN으로 실험 결과와 해석 결과의 오차 비율은 6%, 4%로 유사한 결과를 보이고 있다. Fig.
실험결과는 최대내력 정가력시 305.76 kN, 부가력시 -304.83 kN이며 해석결과는 정가력시 284.30 kN, 부가력시 –285.02 kN으로 오차 비율 7%, 6%로 유사한 결과로 CANNY에 의한 해석결과의 신뢰성이 검증되었다고 할 수 있다.
실험에서의 무보강골조의 정,부 최대 전단력 137.80 kN 과 –134.68 kN으로 H형강 보강 골조의 정,부 최대 전단력 305.76 kN 과 -304.83 kN으로 약 2.2배 이상 증가하는 것을 볼 수 있다.
해석 결과에서는 H형강 보강 골조가 무보강 골조에서의 최대 전단력이 129.41kN 과 –129.41 kN으로 H형강 보강 골조의 정,부 최대 전단력 284.30 kN 과 -285.02 kN으로 약 2.19배 증가하는 것을 알 수 있다.

후속연구

현재 학교 건물에 대한 보강들이 내부보강형, 외부보강형, 제진공법 등으로 활발히 이루어지고 있다. 기존의 학교 건물들은 지진 발생시 어떠한 피해가 발생할지 알 수가 없으므로 정확한 내진성능 평가를 통해 부족한 내진성능을 파악한 후 적절한 보강방안을 선정해야 할 것이다. 기존 철근콘크리트 건물의 내진보강공법으로 강도 보강공법, 변형능력향상법, 면진장치, 제진장치를 이용한 많은 공법들이 제안되고 있다(FEMA 2000; JBPDA 2017).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진의 발생이 급증함에 따라 건물의 피해를 예방하기 위해 중요한 것은?	최근 세계 각국에서 지진의 발생이 급증하고, 우리나라도 2016년9월에 발생한 경주지진과 2017년 포항지진이 발생한 후로 크고 작은 지진들로 인해 건물 피해가 발생되고 있다. 그 중에서도 재난이 발생 했을 때 중요한 역할을 하는 공공기관 및 학교 건물은 내진성능 평가에 따라 내진 보강이 중요해졌다(KMA 2018). 현재 학교 건물에 대한 보강들이 내부보강형, 외부보강형, 제진공법 등으로 활발히 이루어지고 있다.
	기존 철근콘크리트 건물의 내진보강공법으로 제안되고 있는 것은?	기존의 학교 건물들은 지진 발생시 어떠한 피해가 발생할지 알 수가 없으므로 정확한 내진성능 평가를 통해 부족한 내진성능을 파악한 후 적절한 보강방안을 선정해야 할 것이다. 기존 철근콘크리트 건물의 내진보강공법으로 강도 보강공법, 변형능력향상법, 면진장치, 제진장치를 이용한 많은 공법들이 제안되고 있다(FEMA 2000; JBPDA 2017). 국내 비내진 상세를 가지는 전단파괴형 중･저층 철근콘크리트 건물의 내진성능 향상으로 강도 증진법이 보다 효율적인 내진보강방법으로 연구되어왔다 (Lee et al , 2002).
	내진보강 공법으로 많이 사용되고 있는 공법과 장점은?	학교 건축물은 재난 발생시 대피소로 사용되는 중요 건물로서 비내진 건축물일 경우 여러 방법으로 내진 보강이 진행 중이다. 내진보강 공법 중 내부 철골가새골조형 공법은 비교적 시공이 용이하고 성능이 우수하여 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 기존 철근콘크리트 학교 건물에 철골 가새 골조를 적용하여 수평반복가력해석을 수행하여 최대전단력 및 변위를 비교검토 하였다.

참고문헌 (11)

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Seismic Capacity Evaluation and Retrofit (Ministry of Education 2019)
MIDAS-2020 Program, MIDAS Information Technology Co., LTD.

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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