RC 골조의 내진성능평가를 위한 외부 보-기둥 접합부의 전단응력-변형률 관계 예측 = Prediction of Shear Stress–Strain Relationship of Exterior Beam–Column Joints for Seismic Performance Evaluation of RC Frames

국문 초록 (Abstract)

중국 쓰촨성 대지진(2008), 튀르키예∙시리아 지진(2023) 등의 지진피해 사례에서 철근콘크리트(이하, RC) 구조물의 외부 보-기둥 접합부의 전단변형으로 인하여 전체 구조물의 붕괴로 이어졌다. 이처럼 외부 보-기둥 접합부는 전체 구조물의 층간변위에 영향을 미치는 중요한 구조부재이므로 구조물의 성능평가 시 이에 대한 내력을 정확히 파악할 필요가 있다. 그러나 기존의 해석방법과 같이 보-기둥 접합부를 강체로 가정하여 해석할 경우, 이에 대한 실제 비선형 거동을 예측할 수 없을 뿐만 아니라 구조물의 강성을 과대평가할 가능성이 있다. 또한, 기존의 해석모델은 다수의 전단스프링 적용으로 인한 복잡한 모델링 과정, 모델의 낮은 수렴성 등의 한계로 구조물의 성능평가 시 활용도가 낮다.
본 연구에서는 외부 보-기둥 접합부의 실제 비선형 거동을 기존 모델 대비 더욱 간략하게 예측할 수 있도록 최소한의 전단스프링이 적용된 해석모델과 전단응력-변형률 예측식을 제안한다. 기존 문헌을 통해 접합부 파괴를 경험한 외부 보-기둥 접합부 실험체를 선정하고 이에 대한 하중-변위 데이터를 구축하였다. 제안된 해석모델을 적용하여 외부 보-기둥 접합부의 해석을 수행하고 실험데이터와의 비교를 통해 전단스프링 매개변수의 보정과정을 수행하였다. 보정된 매개변수를 활용하여 해석한 결과, 최대모멘트 및 초기강성 예측에서 실험결과 대비 87~97% 수준으로 나타나 해당 매개변수를 전단응력-변형률 관계 예측식 제안에서 종속변수로 활용하였다.
ASCE 41-23에 따라 외부 접합부 실험체를 연성 및 비연성 접합부로 구분하고 이에 대한 전단응력-변형률 관계 예측식을 각각 제안하였다. 단계적 회귀분석을 통해 외부 접합부의 전단거동과 관련되어지는 물리적 매개변수를 선정하고, 도출된 회귀계수를 활용하여 예측식을 도출하였다. 제안된 연성 접합부 예측식은 기존모델 대비 실험결과를 안정적으로 예측하였지만, 비연성 접합부의 경우 초기강성을 과소평가하는 경향을 나타내었다.
구조물의 성능평가 시 외부 보-기둥 접합부의 전단거동 예측의 중요성을 평가하기 위하여 외부 접합부의 전단거동 반영 유무에 따른 RC 골조의 지진취약도 곡선을 도출하여 비교하였다. 라퀼라 지진 당시 외부 접합부의 손상을 경험한 구조물을 기반으로 비내진 상세 및 내진 상세 골조를 선정하였다. 각 골조에 대하여 제안된 외부 접합부 해석모델과 예측식을 적용한 전단모델과 외부 접합부를 강체로 가정한 강체모델을 각각 구축하였다. 구축된 모델을 활용하여 고유치 해석, 비선형 정적해석, 비선형 시간이력해석을 수행하였으며, 도출된 비선형 시간이력해석 결과를 바탕으로 지진취약도 곡선을 도출하여 비교∙분석하였다. 모든 한계상태에서 전단모델 대비 강체모델의 손상수준 초과확률이 더욱 낮게 평가되었으며, 심각한 수준으로 갈수록 두 모델 간 초과확률 차이가 더욱 크게 나타났다. 이러한 결과는 외부 보–기둥 접합부의 전단변형이 심각한 손상수준에서 구조물의 전체 응답에 지배적인 영향을 미침을 의미하며, 접합부의 전단거동을 고려하지 않을 경우 구조물의 실제 취약성을 적절히 반영하지 못할 수 있음을 시사한다. 따라서, 신뢰도 높은 구조물의 성능평가를 위하여 외부 보–기둥 접합부의 전단거동을 합리적으로 예측할 수 있는 해석모델의 적용이 필수적이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Post-earthquake reconnaissance, such as that following the 2008 Sichuan earthquake and the 2023 Turkey–Syria earthquake, has demonstrated that shear failure of exterior beam–column joints in reinforced concrete (RC) structures can precipitate the collapse of entire structural systems. As critical structural components significantly influencing the interstory drift, the load-carrying capacity of these joints should be accurately represented in structural performance evaluations.
However, conventional analytical approaches frequently assume beam–column joints to be rigid. This simplification precludes the accurate prediction of nonlinear behavior and often results in an overestimation of the global structural stiffness. In addition, existing analytical models that employ multiple shear springs are characterized by complex modeling procedures and poor numerical convergence, limiting their practical applicability in structural performance assessment.
In this study, an analytical model incorporating a minimal number of shear springs is proposed to capture the nonlinear behavior of exterior beam–column joints more efficiently than existing complex models, together with predictive equations for the shear stress–strain relationship. Exterior beam–column joint specimens that experienced joint failure were collected from the literature, and corresponding load–displacement datasets were compiled. Nonlinear analyses of the exterior beam–column joints were conducted using the proposed analytical model, and shear spring parameters were calibrated against experimental data.
Analytical results using calibrated parameters demonstrated high correlation with experimental data, showing prediction accuracies of approximately 87–97% regarding maximum moment and initial stiffness. Accordingly, these calibrated parameters served as dependent variables for the development of predictive equations for the shear stress–strain relationship.
In accordance with ASCE 41-23, exterior beam–column joint specimens were classified into ductile and non-ductile joints, and separate predictive equations for the shear stress–strain relationship were proposed for each category. Physical parameters associated with the shear behavior of exterior joints were identified through stepwise regression analysis, and the predictive equations were derived using the resulting regression coefficients. The proposed predictive equations for ductile joints exhibited a high degree of correlation with experimental data, offering improved stability and accuracy compared to conventional models; however, for non-ductile joints, the initial stiffness tended to be underestimated.
To evaluate the significance of joint shear behavior in structural performance assessment, seismic fragility curves of RC frames were derived. Based on structures that experienced exterior joint damage during the L’Aquila earthquake, RC frames with and without seismic details were selected. For each frame, two analytical models were developed: a shear model incorporating the proposed exterior joint analytical model and predictive equations, and a rigid model assuming the exterior joints to be rigid.
Using these models, eigenvalue analysis, nonlinear static analysis, and nonlinear time-history analysis were performed. Seismic fragility curves were then constructed and compared based on the results of the nonlinear time-history analyses. The results indicated that, for all limit states, the rigid model consistently yielded lower probabilities of damage exceedance compared to the shear model. This discrepancy becomes increasingly significant at severe damage levels. These findings imply that shear deformation of exterior beam–column joints plays a dominant role in governing the global structural response at severe damage states, and that neglecting joint shear behavior may lead to an inadequate representation of the actual structural vulnerability. Therefore, the application of analytical models capable of rationally predicting shear behavior is essential for reliable structural performance assessment.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 내용 5
• 1.3 논문의 구성 6
• 제 2 장 연구 동향 및 설계기준 8
• 2.1 개요 8
• 2.2 연구 동향 9
• 2.2.1 보-기둥 접합부 해석모델 9
• 2.2.2 전단응력 및 변형률 모델 15
• 2.3 국내외 설계기준 22
• 2.3.1 KDS 41 20 80(2021) 22
• 2.3.2 ACI 318-19 23
• 2.3.3 ACI 352R-02 24
• 2.3.4 FEMA 356 26
• 2.3.5 ASCE 41-23 27
• 2.4 소결 28
• 제 3 장 외부 보-기둥 접합부 비선형 해석모델 29
• 3.1 개요 29
• 3.2 외부 보-기둥 접합부 실험 데이터베이스 30
• 3.3 외부 보-기둥 접합부 해석모델 31
• 3.3.1 보-기둥 비탄성 모델 32
• 3.3.2 전단스프링 33
• 3.3.2.1 뼈대곡선 매개변수 34
• 3.3.2.2 핀칭 매개변수, 강도 및 강성 저감 매개변수 36
• 3.4 해석 결과 37
• 3.5 소결 39
• 제 4 장 외부 보-기둥 접합부 전단응력-변형률 모델 40
• 4.1 개요 40
• 4.2 접합부의 구분 41
• 4.3 전단거동과 관련된 물리적 매개변수 수집 42
• 4.4 단계적 회귀분석을 통한 예측식 제안 45
• 4.4.1 연성 접합부 전단응력 및 변형률 예측식 47
• 4.4.1.1 전단응력 예측식 47
• 4.4.1.2 전단변형률 예측식 49
• 4.4.2 비연성 접합부 전단응력 및 변형률 예측식 55
• 4.4.2.1 전단응력 예측식 55
• 4.4.2.2 전단변형률 예측식 57
• 4.5 검증 63
• 4.6 소결 67
• 제 5 장 RC 골조를 활용한 성능평가 68
• 5.1 개요 68
• 5.2 비내진 상세가 적용된 RC 골조의 비선형 해석 69
• 5.2.1 RC 골조 정보 및 해석모델 69
• 5.2.2 고유치 해석 72
• 5.2.3 비선형 정적해석 81
• 5.2.4 비선형 시간이력해석 84
• 5.2.5 지진취약도 곡선 86
• 5.3 내진 상세가 적용된 RC 골조의 비선형 해석 89
• 5.3.1 RC 골조 정보 및 해석모델 89
• 5.3.2 고유치 해석 90
• 5.3.3 비선형 정적해석 98
• 5.3.4 비선형 시간이력해석 100
• 5.3.5 지진취약도 곡선 101
• 5.4 소결 103
• 제 6 장 결론 104
• 참고문헌 107
• 부록 114
• 영문초록 137
• 국문초록 142