Seismic Performance Assessment of Unreinforced Masonry Structures using Nonlinear Detailed Analysis = 비선형 상세해석을 이용한 비보강 조적조의 내진성능평가

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The 2016 Gyeongju and 2017 Pohang earthquakes served as a stark reminder of the seismic vulnerability of South Korea's existing building stock, particularly its unreinforced masonry (URM) structures. As a predominant typology for low-rise buildings, URM structures are characterized by their stacked-unit construction, which offers inherently limited resistance to lateral forces. This vulnerability is critically compounded by the fact that a vast majority of these buildings were constructed without modern seismic design codes and now face material degradation from aging.
To mitigate this seismic risk, South Korea's national disaster management framework relies on fragility functions to quantitatively assess potential earthquake damage. However, existing fragility models for URM buildings have largely been derived from simplified macro-element models that fail to accurately capture the complex, nonlinear behavior and progressive failure mechanisms inherent to masonry, such as joint sliding and tension cracking.
To address these limitations, this study presents a refined analytical approach using the Applied Element Method (AEM), implemented via the Extreme Loading for Structures (ELS) software. AEM is particularly well-suited for this purpose as it models brick units as rigid bodies connected by nonlinear springs, effectively capturing the joint-driven failure modes typical of masonry. This method offers a more accurate simulation of complex nonlinear behavior and collapse mechanisms compared to conventional methods. To ensure the reliability of this numerical approach, the analysis model was first rigorously validated against existing experimental data from material-level (prism) and component-level (wall) tests. This crucial step confirmed the model's ability to accurately reproduce the capacity curves and failure modes of masonry components.
To ensure the analysis is representative of the domestic building inventory, 42 prototype URM models were established based on a review of typical design practices in Korea. Nonlinear static analyses were conducted on these models to derive seismic capacity curves. From these results, the building's capacity at the 'Life Safety' (LS) limit state was defined. Based on this, a new, singular seismic fragility function based on effective Peak Ground Acceleration (PGA) is proposed.
The validity of the newly proposed AEM-based fragility function was confirmed through comparison with the fragility curves of previous studies. In particular, the results were similar to the existing "Slight (S)" level curve, whose validity was confirmed through damage verification in the Pohang earthquake. This confirms the ability to conservatively yet reliably assess the vulnerability of actual structures. This AEM-based fragility function was used to assess the current seismic vulnerability of unreinforced masonry buildings in Korea and to estimate the expected damage extent in key areas under the Design Base Earthquake (DBE) and Maximum Considered Earthquake (MCE) scenarios. The results of this study provide a reliable tool based on physical behavior, enabling more sophisticated seismic risk assessment than previously possible. The proposed fragility function quantitatively confirms the urgency of reinforcing policies for the most vulnerable structures in Korea.

국문 초록 (Abstract)

2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진은 국내 기존 건축물, 특히 비보강 조적조(URM) 구조물의 내진취약성을 명확히 보여주었다. 저층 건물의 대표적인 유형인 URM 구조물은 개별 단위를 쌓아올리는 시공 방식으로 인해 횡력에 대한 저항 성능이 본질적으로 매우 제한적이다. 국내 현존하는 비보강 조적조 건물 대다수는 내진설계기준이 적용되기 이전에 지어졌으며, 현재 상당수가 노후화로 인한 재료 성능 저하 문제에 직면해 있어 이러한 취약성은 더욱 심화된다.
이러한 지진 위험을 완화하기 위해, 국내 국가재난관리체계는 잠재적인 지진 피해를 정량적으로 평가하는 데 취약도함수를 활용하고 있다. 그러나 URM 건물에 대한 기존 취약도 모델은 대부분 단순화된 거시요소(macro-element) 모델에 기반하고 있어, 줄눈 미끄러짐 및 대각 균열과 같은 조적조 고유의 복잡한 비선형 거동과 점진적 파괴 메커니즘을 정확하게 모사하는 데 한계가 있다.
이러한 한계점을 해결하기 위해, 본 연구는 ELS(Extreme Loading for Structures) 소프트웨어를 통해 구현된 응용요소법(AEM)을 이용한 정밀 해석 기법을 제시한다. AEM은 조적 단위를 비선형 스프링으로 연결된 강체로 모델링하여 조적조의 전형적인 줄눈 기반 파괴 모드를 효과적으로 구현하므로, 본 연구 목적에 매우 적합하다. 이 방법은 기존 방식에 비해 복잡한 비선형 거동과 붕괴 메커니즘을 더 정확하게 모사할 수 있다. 이러한 수치해석적 접근법의 신뢰성을 확보하기 위해, 재료(프리즘) 및 부재(벽체) 수준의 기존 실험 데이터를 바탕으로 해석 모델에 대한 검증을 우선적으로 수행하였다. 이 핵심 과정을 통해, 해석 모델이 조적 부재의 내력곡선과 파괴 모드를 정확도 높게 재현할 수 있음을 확인하였다.
또한 국내 건축물의 현황을 대표하는 해석을 수행하기 위해, 일반적인 국내 설계 관행을 검토하여 42개의 URM 표준모델(prototype)을 구축하였다. 이 모델들에 대해 비선형 정적(푸시오버) 해석을 수행하여 내진성능곡선을 도출하였다. 이러한 결과로부터, '인명안전(Life Safety, LS)' 한계상태에서의 건물 내진성능을 정의하였다. 이를 바탕으로, 유효지반가속도(PGA)에 기반한 새로운 단일 내진취약도함수를 제안한다.
새롭게 제안된 AEM 기반 취약도함수는 기존 연구의 취약도 곡선과 비교를 통해 타당성을 확보하였다. 특히, 기존 연구에서 포항 지진 피해 검증을 통해 타당성이 확인된 기존의 '경미 손상(Slight, S)' 수준의 곡선과 유사한 결과를 보여, 실제 구조물의 취약성을 보수적이면서도 신뢰도 높게 평가할 수 있음을 확인하였다. 이 AEM 기반 취약도함수는 국내 비보강 조적조 건물의 현재 내진취약성을 평가하는 데 활용되었으며, 설계기준지진(DBE) 및 최대고려지진(MCE) 시나리오에 대한 주요 지역의 예상 피해 규모를 추정하였다. 본 연구의 결과는 물리적 거동에 기반한 신뢰도 높은 도구를 제공함으로써, 기존에 가능했던 것보다 더 정교한 지진위험도 평가를 가능하게 한다. 본 연구에서 제안하는 취약도 함수는 국내 가장 취약한 구조물에 대한 보강 정책의 시급성을 정량적으로 확인시켜 준다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Scope and Objectives 5
• 1.3 Outline of the Master’s Thesis 7
• Chapter 2. Literature Review 9
• 2.1 Domestic standards 9
• 2.1.1 KDS 41 17 00 9
• 2.1.2 Guideline for seismic performance evaluation of existing facilities 11
• 2.2 International standards 15
• 2.2.1 US standards : FEMA 356 & ASCE 41-17 15
• 2.2.2 European standard : Eurocode 8 (EN 1998) 17
• 2.3 Review of research 19
• 2.3.1 NDMI(National Disaster Management Research Institue) et al. (2008) 19
• 2.3.2 NDMI et al. (2021) 22
• 2.3.3 Kim et al. (2001) 24
• 2.3.4 Ahn et al. (2023) 27
• 2.4 Failure modes of masonry walls 31
• Chapter 3. Evaluation of Unreinforced Masonry by AEM 33
• 3.1 Introduction 33
• 3.2 AEM analysis methodology and masonry modeling 36
• 3.3 Masonry prism material test evaluation 39
• 3.3.1 Compression prism analysis 40
• 3.3.2 Diagonal shear prism analysis 41
• 3.3.3 Analysis of material test results 42
• 3.4 Masonry wall test evaluation 42
• 3.4.1 Analysis of URM wall without opening 43
• 3.4.2 Analysis of URM wall with opening 46
• 3.4.3 Comprehensive analysis and verification 49
• Chapter 4. Pushover analysis for Unreinforced Masonry Structures 52
• 4.1 Introduction 52
• 4.2 URM drawing information 53
• 4.2.1 Review of existing domestic URM drawings in Korea 54
• 4.2.2 Utilization of URM structural drawings 57
• 4.3 Modeling & Evaluation Method 58
• 4.3.1 Modeling details 58
• 4.3.2 Performance evaluation 61
• 4.4 Analysis results 62
• Chapter 5. Seismic Performance of Unreinforced Masonry Structures 71
• 5.1 Introduction 71
• 5.2 Seismic fragility function 72
• 5.3 Lognormal standard deviation correction 74
• 5.4 Seismic fragility evaluation 76
• 5.5 Discussion 80
• Chapter 6. Conclusion 85
• References 89
• Appendix A : URM pushover analysis results 92
• 초 록 108