초록

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최근 공동주택 거주자의 공간변화 욕구에 대응하기 위하여 가변성 평면이 가능한 구조시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 따라 건식벽체 구조시스템, 복합 무량 벽체 구조시스템, 격간벽 시스템 등 구조적으로 안정성이 확보되면서 공간가변성이 뛰어난 구조시스템이 대안으로 제시되었다. 본 연구에서는 격간벽 시스템의 지진해석을 통해 내진성능을 평가하였다. 비선형 정적해석 및 동적해석 결과 격간벽 시스템은 벽식 구조시스템에 비하여 초과강도가 작고, 연성이 다소 감소하지만 FEMA-356에서 정하는 붕괴 방지 수준을 만족하여 충분한 내진성능을 보유한 것으로 나타났다.

최근 공동주택 거주자의 공간변화 욕구에 대응하기 위하여 가변성 평면이 가능한 구조시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 따라 건식벽체 구조시스템, 복합 무량 벽체 구조시스템, 격간벽 시스템 등 구조적으로 안정성이 확보되면서 공간가변성이 뛰어난 구조시스템이 대안으로 제시되었다. 본 연구에서는 격간벽 시스템의 지진해석을 통해 내진성능을 평가하였다. 비선형 정적해석 및 동적해석 결과 격간벽 시스템은 벽식 구조시스템에 비하여 초과강도가 작고, 연성이 다소 감소하지만 FEMA-356에서 정하는 붕괴 방지 수준을 만족하여 충분한 내진성능을 보유한 것으로 나타났다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 격간벽 구조시스템은 주요 구조부재의 일부분이 격층으로 제거된 방식이므로 하중전달 경로에 변화가 발생하며 횡력에 대한 저항능력이 다른 구조시스템에 비해 취약할 것으로 예상되므로, 내진 안전성에 대하여 보다 엄정한 검증이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 설계하중 수준에 맞는 지진기록을 이용하여 시간이력해석을 수행함으로써 내진 안전성을 평가하였다.
• 본 연구에서는 비탄성 정적 및 동적 해석을 통하여 격간벽 아파트의 지진에 대한 거동을 파악하고, 같은 평면을 갖는 벽식구조의 내진 거동과 비교하였다. 해석 결과에 따르면 벽식구조 아파트가 격간벽구조에 비해 연성 능력이 더욱 우수하지만, 격간벽 구조의 변위 응답 또한 주어진 설계기준을 만족하므로 충분한 내진성능을 보유하고 있는 것으로 나타났다.

가설 설정

• 대상 구조물의 설계는 건축구조설계기준(대한건축학회, 2005)과 콘크리트 구조설계기준(한국콘크리트학회, 2007)을 바탕으로 범용프로그램인 MIDAS GEN을 이용하여 수행하였다. 대상 구조물의 지반조건은 보통 암 지반(S_b)으로 설계하였고 지역계수는 0.22로 가정하였다. 반응수정계수는 철근콘크리트 전단벽 시스템에 해당하는 4.
• fiber 모델은 축력과 모멘트는 세분화된 fiber에 의해 분담하여 저항하고, 면내 전단력은 그림 8에 나타낸 W스프링이, 면외 전단력은 C1과 C2 스프링이 저항하는 모델이다. 예제 구조물의 비선형 해석 시 발생하는 수렴 오차를 줄이기 위하여 모든 구조물의 슬래브를 면내강성만을 고려한 강막(diaphragm)으로 가정하여 모델링하였다.
• Kent, 1971)을 따랐다. 철근은 항복 후 강성비를 초기 강성의 2%로 가정한 이선형 이력모델을 사용하였다.

제안 방법

• 해석에 사용된 콘크리트와 철근의 비선형 이력모델은 그림 3과 같다. 기둥과 벽체의 코어부분의 경우 횡철근에 의한 구속효과를 고려하기 위해 구속콘크리트의 물성을 적용하였다. 구속콘크리트의 응력-변형율 관계는 Kent와 Park의 방법(D.
• 그 중 격간벽시스템은 전단벽을 한 층 걸러 설치함으로써 재료비를 절감하고 평면 가변성을 높이는 장점이 있으나, 횡력에 저항하는 전단벽이 불연속 되어 지진에 대한 안전성을 검토할 필요가 있다. 본 연구에서는 국내 전형적인 판상형 공동주택 평면을 선정하여 일부의 전단벽을 격간벽으로 바꾸고, 비선형해석을 이용하여 내진성능을 검토하였다.
• 현행 내진설계기준에서는 7개 이상의 지진기록을 사용하여 해석할 경우 응답의 평균값을 사용하도록 규정하고 있다. 이를 고려하여 SAC Phase Ⅱ Program(Somerville, 1997) 에서 제시한 7개의 LA지역 지진기록을 사용하여 비선형 시간이력해석을 수행하였으며, 구조물의 감쇠는 1차 모드와 2차 모드의 감쇠비가 5%가 되도록 Rayleigh 감쇠를 적용하였다. 그림 4의 (c)와 (d)는 해석 모델의 장변 및 단변 방향으로 비선형 시간이력해석 결과 얻어진 층간 변위의 평균값을 나타낸다.
• 최상층 변위가 구조물 전체 높이의 5%가 될 때까지 횡하중을 증가시키며 해석 모델의 하중-변위 관계를 나타내었고 하중-변위 곡선에 FEMA-356 기준에서 정하는 성능수준에 따라 인명안전(Life Safety, Δls) 수준과 붕괴방지(Collapse Prevention, Δcp) 성능수준에 해당하는 층간변위를 표시하였다.

대상 데이터

• 그림 2에 나타낸 대상 구조물의 내진성능을 평가하기 위하여 비선형해석 프로그램인 CANNY(Li, Kang-Ning, 2004)를 이용하여 3차원 해석을 수행하였다. FEMA-356에 제시되어 있는 재료의 초과강도를 고려하여 콘크리트의 압축강도는 1.5배, 철근의 항복강도는 1.25배를 사용하였다. 해석에 사용된 콘크리트와 철근의 비선형 이력모델은 그림 3과 같다.
• 설계된 구조물의 설계밑면전단력(V_b)과 동적특성은 표 1과 같다. 또한, 풍하중은 설계풍속 30m/sec와 노풍도 B를 기준으로 산정하였으며 설계에 사용된 콘크리트의 강도는 1층부터 4층까지는 24 MPa, 그 이상 층은 21 MPa이고, 철근은 SD400을 사용하였다.
• 본 연구에서는 정확성을 높이기 위해 전단벽 부재는 fiber 모델을 사용하여 모델링하였다. fiber 모델은 축력과 모멘트는 세분화된 fiber에 의해 분담하여 저항하고, 면내 전단력은 그림 8에 나타낸 W스프링이, 면외 전단력은 C1과 C2 스프링이 저항하는 모델이다.

데이터처리

• 그림 2에 나타낸 대상 구조물의 내진성능을 평가하기 위하여 비선형해석 프로그램인 CANNY(Li, Kang-Ning, 2004)를 이용하여 3차원 해석을 수행하였다. FEMA-356에 제시되어 있는 재료의 초과강도를 고려하여 콘크리트의 압축강도는 1.

이론/모형

• 기둥과 벽체의 코어부분의 경우 횡철근에 의한 구속효과를 고려하기 위해 구속콘크리트의 물성을 적용하였다. 구속콘크리트의 응력-변형율 관계는 Kent와 Park의 방법(D. C. Kent, 1971)을 따랐다. 철근은 항복 후 강성비를 초기 강성의 2%로 가정한 이선형 이력모델을 사용하였다.
• 7m로 일정하다. 대상 구조물의 설계는 건축구조설계기준(대한건축학회, 2005)과 콘크리트 구조설계기준(한국콘크리트학회, 2007)을 바탕으로 범용프로그램인 MIDAS GEN을 이용하여 수행하였다. 대상 구조물의 지반조건은 보통 암 지반(S_b)으로 설계하였고 지역계수는 0.
• 5를 사용하였다. 설계기준에 따라 산정한 중력하중과 지진하중에 대하여 응답스펙트럼법을 이용하여 구조물의 설계를 수행하였다. 설계된 구조물의 설계밑면전단력(V_b)과 동적특성은 표 1과 같다.

성능/효과

• 그러나 국내 공동주택은 평균주택수명이 20년으로 평균 50년 이상인 선진국에 비해 매우 짧다. 따라서 구조물은 조기멸실을 피할 수 없게 되었고 자원 낭비와 건설 폐기물의 발생으로 환경을 파괴하는 결과로 이어지게 되었다. 따라서 1990년대 이후 구조물의 장수명화를 위한 리모델링의 필요성이 대두되었다.
• 본 연구에서는 비탄성 정적 및 동적 해석을 통하여 격간벽 아파트의 지진에 대한 거동을 파악하고, 같은 평면을 갖는 벽식구조의 내진 거동과 비교하였다. 해석 결과에 따르면 벽식구조 아파트가 격간벽구조에 비해 연성 능력이 더욱 우수하지만, 격간벽 구조의 변위 응답 또한 주어진 설계기준을 만족하므로 충분한 내진성능을 보유하고 있는 것으로 나타났다.

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