초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 연구의 최종 목표는 건축물의 내진성능을 객관적인 지표로 정의하기 위해 취약도-손실모듈을 통한 내진성능평가기법을 개발하는데 있다. 세부목표로 3가지 핵심기술을 구성하였으며, 1) 관측데이터를 활용한 한계상태기반 취약도평가, 2) 베이지안-메타모델기반 손실모듈 개발, 3) 취약성-손실모듈을 통한 내진성능평가기법 개발이다. 구조손상과 지진손실을 고려한 내진성능평가를 통해 공공건축물의 내진보강우선순위를 합리적으로 결정함으로써, 국가적 차원에서의 재난대응력강화에 기여하고자 한다.

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 연구의 최종 목표는 건축물의 내진성능을 객관적인 지표로 정의하기 위해 취약도-손실모듈을 통한 내진성능평가기법을 개발하는데 있다. 세부목표로 3가지 핵심기술을 구성하였으며, 1) 관측데이터를 활용한 한계상태기반 취약도평가, 2) 베이지안-메타모델기반 손실모듈 개발, 3) 취약성-손실모듈을 통한 내진성능평가기법 개발이다. 구조손상과 지진손실을 고려한 내진성능평가를 통해 공공건축물의 내진보강우선순위를 합리적으로 결정함으로써, 국가적 차원에서의 재난대응력강화에 기여하고자 한다.

○ 전체 내용
내진성능은 손상과 손실의 불확실성을 고려할 수 있는 데이터기반 업데이트를 통해 현실적으로 평가할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 불확실한 구조손상 및 수리비용을 고려할 수 있는 메타모델이 탑재된 취약성-손실모듈을 통한 내진성능평가기법을 개발한다. 세부 연구내용으로는 i) 한계상태 기반 취약도 평가, ii) 메타모델이 탑재된 손실모듈 개발, iii) 취약성-손실모듈 내진성능평가기법 개발로 나눠지고, 다음과 같이 단계별(연차별)로 수행된다.
1단계: 시스템레벨 한계상태기반 지진취약도 평가
- 휨-전단파괴를 고려한 프로토타입모델 개발
- 관측데이터 수집 및 통계분석을 통한 확률밀도함수 정의
- 층간변위비 한계상태기반 지진취약도 평가
2단계: 메타모델 업데이트기법을 통한 현실적 지진손실평가
- 실험데이터를 활용한 층간변위비 한계상태 업데이트
- 베이지안-메타모델기반 손실확률밀도함수 업데이트
- 구조적 한계상태에 따른 현실적 지진손실평가
3단계: 취약도-손실을 고려한 내진성능평가기법 개발
- 취약도함수를 통한 구조적/비구조적 손상확률 평가
- 손실함수를 통한 구조적/비구조적 수리비용 평가
- 취약도-손실함수가 결합된 내진성능평가기법 개발
4단계: 메타모델기반 응답계수예측 프레임웍 개발
- 지배거동에 따른 시스템레벨 구조특성 분석
- 메타모델기반 층별 응답계수분포예측 프레임웍 구축
- 영상기반센서를 활용한 예측된 응답계수분포 검증
5단계: 취약도-손실 모듈화를 통한 내진성능평가기법 개발
- 손상과 손실이 고려된 내진성능 지표화
- 지진강도와 구조특성에 대한 응답계수기반 취약성-손실함수 모듈화
- 취약도-손실모듈을 이용한 내진성능평가기법 개발
경주지진과 포항지진으로 지진피해가 크게 발생한 학교건축물과 필로티건축물을 대상으로 내진성능을 평가할 것이며, 향후 이는 타 건축물의 내진성능 평가에 대한 연구로 확장 가능할 것이다. 구조손상평가는 지배거동에 따라 휨, 전단, 휨-전단지배로 분류 한 후, 한계상태에 따른 취약도 분석을 통해 손상확률로 평가한다. 지진손실평가는 구조손상과 비구조손상의 수리비용을 의미하며, 구조요소와 비구조요소의 한계상태를 고려하여 평가한다. 손상과 손실을 지진강도에 따른 한계상태를 기준으로 다항분포로 결합함으로써, 확률론에 근거한 정량적인 내진성능평가기법을 개발할 것이다. 또한 구조손상과 지진손실의 불확실성을 실제 관측데이터를 이용한 메타모델로 한계상태와 수리비용을 업데이트하여, 평가기법의 신뢰도를 높일 것이다. 최종적으로, 메타모델로 업데이트된 구조손상과 지진손실을 지진강도에 따라 취약도
-손실관계로 모듈화함으로써, 신속하고 정확한 내진성능평가를 가능케 할 것이다.

○ 1단계
● 연구 목표
건축물의 실제 지진손상 및 손실에 대한 불확실성을 시뮬레이션모델에 반영할 수 있는 메타모델 업데이트기법을 통해, 지진취약도를 결정하는 건축물의 한계상태와 수리비용을 현실적으로 추정함으로써, 지진취약도와 지진손실이 고려된 내진성능평가기법의 개발

● 연구 내용
[1차년도: 한계상태기반 지진취약도]. 첫째, 휨-전단파괴를 고려한 구조요소모델을 통해 프로토타입모델을 정의. 기둥의 지진에 의한 거동을 휨지배와 전단지배, 또는 이들의 복합작용에 의한 휨-전단지배로 분류하여 파괴모드가 고려된 프로토타입모델을 정의. 둘째, 손상과 손실에 대한 관측데이터로부터 확률밀도함수를 정의. 손상에 대한 한계상태와 손실에 대한 수리비용을 관측데이터로 업데이트하기 위해, 공공자료조사를 통해 학교건축물과 필로티건축물의 경주지진과 포항지진에 대한 데이터를 수집한 후, 각 데이터를 최우도법으로 분석하여 업데이트에 필요한 확률밀도함수로 정의. 셋째, 한계상태에 따른 지진취약도를 분석. 기존 층간변위비기반 한계상태를 평가하기 위해, 증분동적해석을 통해 층간변위비와 변형률에 대한 한계상태로 지진취약도를 평가하고, 각 한계상태로 얻어진 지진취약도함수로부터 손상확률차이를 분석.
[2차년도: 현실적 지진손실평가]. 첫째, 실험을 통해 층간변위비 한계상태를 업데이트. 실험으로 얻어진 층간변위비와 변형률데이터로부터 각 한계상태에 따른 손상확률을 도출하여, 이를 해석으로 얻어진 손상확률과 비교함으로써, 손상확률에 근거한 한계상태를 업데이트. 둘째, 베이지안-메타모델 기반 손실확률밀도함수를 업데이트. 해석으로 얻어진 손실확률밀도함수를 사전함수, 1차년도에 정의된 손실확률밀도함수를 이용하여 우도함수로 정의함으로써, 베이지안-메타모델을 통해 손실확률밀도함수를 업데이트 함. 셋째, 구조적 한계상태에 따른 지진손실을 평가. 지진강도에 따라 구조적 층간변위비와 비구조재의 수리비용이 고려된 지진손실간의 매핑을 통해, 층간변위비에 대한 지진손실평가가 가능.
[3차년도: 취약도-손실함수 내진성능평가]. 첫째, 취약도함수를 통한 손상 확률을 평가. 지진응답해석을 통해 얻어진 층간변위비와 층가속도를 기준으로 구조재와 비구조재에 대한 취약도함수를 구성하여, 구조재와 비구조재에 대한 확률기반 손상평가를 수행. 둘째, 손실함수를 통한 수리비용을 평가.
지진응답계수와 2차년도에 업데이트된 손실확률밀도함수로부터, 구조재와 비구조재의 수리비용이 고려된 손실함수를 정의함으로써, 구조재와 비구조재에 대한 확률기반 손실평가를 수행. 셋째, 취약도-손실함수가 결합된 내진성능평가기법을 개발. 취약도함수와 손실함수는 각각 손상과 수리비용에 대한 확률을 포함하기 때문에, 다수의 확률변수를 고려할 수 있는 다항분포로 결합함으로써, 확률론에 근거한 정량적인 내진성능평가기법을 개발.

○ 2단계
● 연구 목표
1단계 연구에서 구축된 정밀한 구조해석을 통한 데이터에 기반한 내진성능 평가기법을 모듈화함으로써, 건축물의 간단한 정보로부터 취약도-손실모듈에 기반한 내진성능평가기법의 개발

● 연구 내용
[4차년도: 메타모델 응답계수예측]. 첫째, 지배거동에 따른 시스템레벨 구조특성을 분석. 학교건축물의 조적채움벽/허리벽, 필로티건축물의 수직/수평 비정형과 같은 지배거동에 영향을 미치는 파라미터를 정의 한 후, 정적해석을 통해 파라미터에 대한 주기, 강도, 연성계수와 같은 구조특성을 분석. 둘째, 메타모델기반 응답계수분포 예측기법을 개발. 구조특성을 입력값으로 층별 응답계수인 최대층간변위비와 최대층가속도를 예측하기 위해, 메타모델기반 응답계수분포 예측기법을 정식화. 셋째, 영상기반센서를 활용한 예측된 응답계수분포를 검증 및 보완. 축소모형의 진동대를 이용한 가진실험을 통해, 예측기법으로 추정된 응답계수를 영상기반센서로 계측된 응답계수로 검증 및 보완 수행.
[5차년도: 취약도-손실모듈 내진성능평가]. 첫째, 층별 응답계수기반 취약성-손실모듈을 개발. 구조특성에 대한 층별 응답계수분포로부터 3차년도에 개발된 취약도-손실함수를 통해 구조재와 비구조재의 손상확률과 수리비용을 평가할 수 있는 취약성-손실모듈을 개발. 둘째, 손상과 손실이 고려된 내진성능을 지표화. 취약성-손실모듈을 이용하여 지진강도에 따른 구조특성에 대한 손상확률과 수리비용을 분석 한 후, 이를 층간변위비로 제시된 기존 코드의 성능목표와 비교함으로써, 코드를 준수하는 손상-비용에 대한 성능을 지표화. 셋째, 취약성-손실모듈기반 내진성능평가기법을 확립. 지진강도에 따른 취약성-손실모듈로 평가된 손상과 비용을 성능지표와 비교하여 신속한 내진성능평가기법을 개발.

□ 연구성과
[정량적 성과]
■ SCI논문 4건, KCI 논문 3건
■ 특허출원 2건, 국외학술 6건, 국내학술 9건
■ 우수논문발표상 2건, 언론보도 2건
[정성적 성과]
■ 수직비정형이 반영된 주거형 필로티건축물의 시뮬레이션을 위한 프로토 타입모델 1건
■ 2017포항지진에 의한 주거형 필로티건축물의 손상데이터 131건
■ 주거형 필로티건축물의 손상상태(damage state)를 판별하기 위한 한계 상태(limit state) 3건
■ 층간변위비 한계상태 업데이트틀 위한 층강성 평가 프레임웍 1건
■ 손실확률밀도함수 업데이트를 위한 point-based Bayesian method 1건
■ 서울에 위치한 필로티형 주거건축물의 준공연도, 위치, 층수 정보 5156건
■ 단주효과가 고려된 RC 학교건축물의 시뮬레이션을 위한 프로토타입모델 1건
■ 2016경주지진 및 2017포항지진에 의한 RC 학교건축물의 손실데이터 378건
■ 학교건축물의 내진보강 공법 및 금액에 대한 데이터 766건

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과
내진성능을 구조손상과 지진손실측면에서 다각도로 평가할 수 있는 기술이 개발된다면, 1) 내진보강이 시급히 필요한 공공건축물의 내진성능을 정량화된 수치로 평가하여 우선순위 의사결정을 합리적으로 가능케 하며, 2) 내진보강을 통한 내진안전성 확보, 3) 공공 및 민간 내진보강사업의 활성화, 3) 지진손실을 고려한 내진성능컨설팅과 같은 새로운 시장의 창출이 기대된다. 또한 연구목표 달성에 필요한 취약도-손실모듈은 재해예측모델에 원천기술로 활용이 가능하므로, 재해예측모델의 국산화를 통한 기술적 향상과 비용절감이 기대된다. 더 나아가 내진보강을 통한 구조물 유지관리, 국가 주요시설물 안전망 구축을 통한 건축물 안전분야에 활용이 가능할 것으로 판단된다.

(출처 : 요약문 2p)