기존 철근콘크리트 구조물 내진성능의 효과적인 예비 및 상세평가법 제안

국문 초록 (Abstract)

최근 들어 전 세계적으로 지진의 규모와 발생빈도가 높아져가고 있다. 우리나라는 환태평양 지진대에 위치하는 주변국보다 비교적 안전한 지역으로 인식되었으나, 최근 지진발생 빈도가 높고 진원지가 수도권 내륙인 경우도 있어 지진재해에 대한 우려가 고조되고 있다. 특히, 내진설계되지 않은 비율이 80% 이상인 학교건축물과 공동주택은 대규모의 인명피해를 집중적으로 유발시킬 수 있어 이에 대한 내진보강의 필요성이 대두되고 있다. 따라서 내진설계되지 않은 기존 건축물의 내진성능을 정확히 평가할 수 있는 내진성능평가법의 개발 및 이를 바탕으로 한 효과적인 내진보강 기법이 요구된다.
본 논문에서는 다수의 건축물의 내진성능평가를 효율적으로 수행하기 위해 건설연도, 부재형상, 조적채움벽의 높이 등의 건축물의 개략적인 정보만을 사용하는 예비평가 방법을 제안하였다. 이를 위해 연도별 기본 재료강도를 제시하였고, FEMA, ACI, 일본 등의 기둥 강도 산정식을 비교하여 국내 기존 RC 건축물의 내진성능평가에 사용하기 적절한 기둥유효전단응력값을 제안하였다. 예제구조물에 대한 예비평가법 적용 결과 제안 목적에 적합하게 비교적 보수적이면서도 정확한 평가결과를 보여, 비용과 시간이 많이 소요되는 상세한 비선형 해석 수행 전에 제안된 연도별 재료강도와 설계도서만을 통해 합리적이고 간략한 평가가 가능하다.
상세하고 정확한 내진성능평가를 위해 사용되는 비선형정적해석의 원리와 절차에 대해 설명하고, 구조부재 모델링에 사용되는 소성힌지설정의 영향요소를 파악하였다. 기둥의 모멘트힌지 설정 시 축력의 영향을 파악하였으며, 전단힌지와 모멘트힌지가 동시에 고려되는 경우 선행되는 파괴모드에 따른 거동을 보이는 것을 확인하였다. 따라서, 전단항복강도를 정확하게 산정하여 입력해야 하며, 소성힌지에 사용되는 관계는 양단부의 회전각이 아닌 층간변형을 부재길이로 나눈 이므로, FEMA356에서 제안하는 모델링 변수 중 소성회전각의 정확한 산정이 중요함을 확인하였다. 양단에 보가 걸려있는 벽체의 경우, 보의 전단력에 의한 커플모멘트로 인해 벽체에 걸리는 모멘트를 감소시켜 실제 벽체가 지지할 수 있는 모멘트를 증가시키는 효과가 있으며, 조적끼움벽은 대각압축부재로 작용하여, 구조물의 강성과 극한하중을 증가시키나 취성파괴의 경향을 보이며, 허리벽의 경우 기둥의 단주효과를 가져올 수 있어 이의 영향을 내진성능평가에 반드시 고려해야 함을 확인하였다.
이러한 영향요소에 따른 골조의 거동을 고려하여 부재 별 소성힌지 모델링 기법을 제안한 후, 3층 RC골조 구조물의 실물실험 결과와 비교하여 유효성을 평가하였다. 평가결과, 구조물의 이력거동에 의한 콘크리트 탄성계수의 저감에 따른 강성저하를 고려할 경우 구조물의 비선형 거동을 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다. 최종적으로, 제안된 예비평가방법과 비선형정적 해석을 사용하여 기존 학교건축물의 내진성능을 평가하고 조적채움벽의 영향, 기둥의 파괴모드 등을 분석하였다.
본 연구의 결과를 활용하여 기존건축물의 내진성능평가를 보다 빠르고 정확하게 수행할 수 있고, 이에 기초하여 내진보강 대상 건축물 및 보강량을 정확하게 결정할 수 있을 것으로 사료된다. 추후 국내 기존건축물에 많이 존재하는 T형, L형 등 비정형 벽체와 슬래브 등의 효과를 고려할 수 있는 보다 상세한 내진성능평가 기법의 개발이 요구된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, seismic damages of RC buildings have been frequently reported all over the world. Also, the number and magnitude of earthquakes have increased steadily in Korea. The seismic provision, however, had not been included in Korea Building Code before 1988, and most existing school buildings and apartment house are supposed to be very vulnerable to any small earthquake. As well, since the school buildings can be used as a shelter place when an earthquake occurs, it should be noted that the seismic evaluation and retrofitting of the existing school buildings are very important.
In this study, preliminary evaluation method of seismic performance of the existing RC structures using the rough information on such as construction year, member shape, and elevation of the masonry infill walls, was presented. To this end, first, the default values of the material strength according to construction year were proposed, which could be used for preliminary evaluation before detailed field investigation on material properties. And the shear and flexural strengths of a RC column were evaluated by using Japanese code, ACI 318, and FEMA 356. The column failure modes according to the clear length were identified and the effective shear strength was presented. By multiplying the effective shear strength and the column area, the seismic capacity could be easily estimated in the preliminary evaluation stage.
The parametric nonlinear static (push-over) analyses were performed for the detailed seismic performance evaluation. First, the effect of the plastic hinge properties on plastic behaviors of the structure was analytically evaluated. The effects of the axial force, masonry infill on the column strength and nonlinear behavior was studied and the interaction between the frame and wall was investigated. Also, the modeling methods for the walls with H-shape section were proposed and it was presented that the increases of strength and stiffness due to the flange wall section should be considered for the accurate seismic capacity evaluation of existing RC building structures.
Finally. the effectiveness of the proposed preliminary and detailed evaluation methods was verified by conducting both numerical analyses and experimental tests. A school building was chosen as a numerical example, and the results form forced test on actual three story apartment structure was used. Both numerical and experimental results indicated that the proposed method could exactly estimate the seismic behaviors of the existing RC buildings.
Further researches on the effects of atypical wall and slab are required for more detailed and accurate evaluation of seismic performance of the existing RC buildings.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구배경 1
• 2. 기존 연구 동향 5
• 3. 연구목적 및 내용 8
• Ⅱ. 내진성능 예비평가 및 부재강도 산정 9
• 1. 예비평가법의 개요 9
• 2. 기본 재료강도의 제안 11
• 3. 기둥의 휨강도와 전단강도 14
• 3.1 휨강도 14
• 3.2 전단강도 16
• 4. 전단벽체 강도 23
• 4.1 일반사항 23
• 4.2 기타 요소 24
• 4.3 벽체 강도 산정 24
• 5. 보-기둥 접합부 강도 26
• 6. 소결 27
• Ⅲ. 비선형 정적해석 28
• 1. 비선형 정적해석 28
• 1.1 구조물의 모델링 29
• 1.2 지진의 특성화 30
• 1.3 비선형 정적해석 절차 31
• 2. 구조요소의 모델링 35
• 3. 소성힌지 모델링의 영향요소 39
• 3.1 축력과 모멘트의 관계 39
• 3.2 소성힌지 설정에 따른 파괴모드 41
• 3.3 소성힌지 설정 시 관계 44
• 3.4 전단벽체-골조의 상호작용 효과 48
• 3.5 조적벽체의 유무에 따른 영향 54
• 3.6 H형상 벽체의 해석 59
• 4. 소성힌지 모델링 설정 66
• 5. 소결 70
• Ⅳ. PUSHOVER 해석의 유효성 평가 71
• 1. 구조물의 실물실험 71
• 1.1 실험 개요 71
• 1.2 실험 계획 75
• 1.3 실험 결과 77
• 2. pushover 해석의 유효성 83
• 3. 기존 건축물의 내진성능평가 86
• 3.1 예비 평가 86
• 3.2 pushover 해석 88
• 4. 기존 학교건축물의 내진성능평가 90
• 4.1 대상구조물 90
• 4.2 예비평가 91
• 4.3 pushover 해석 93
• 5. 소결 96
• Ⅴ. 결 론 97
• 참고문헌 98
• 영문요약 100