전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 중·저층 철근콘크리트 건물의 내진특성 및 내진성능 평가법

Abstract

최근 일본, 중국, 대만, 아이티, 이란 등 전 세계적으로 규모(M) 5이상의 지진이 다수 발생하여, 건축물 등에 대규모 지진피해를 입혔다. 국내에서도 2016 경주지진 및 2017 포항지진이 발생하여 건축물의 내진안전성에 경각심을 심어주었다. 지진피해는 대다수가 비내진상세를 가지며, 1초 이하의 단주기를 가지는 지진동과의 공진으로 인해 피해가 증폭될 것이라 판단되는 중·저층 철근콘크리트(이하 R/C) 건축물에 집중되어 발생하였다. 한편, 대다수의 기존 비내진상세를 가지는 중·저층 R/C 건축물의 경우 강성 및 강도는 높지만 소성영역에서 취성적인 파괴양상을 나타내는 전단벽, 허리벽, 수벽 등에 의해 기둥의 순높이가 감소하여 구성되는 단주 등의 전단파괴형 부재 및 비교적 강성 및 강도는 낮지만 변성능력이 탁월한 휨기둥 등의 다양한 파괴모드를 가지는 부재들로 구성되어지며, 이것들은 각기 다른 변위에서 파괴될 것으로 판단된다. 따라서, 전단 및 휨파괴형 부재와 같이 다른 성질의 역학적 특성을 가지는 내진요소로 혼합된 R/C 건물의 내진성능을 평가하기 위해서는, 각각의 부재의 내력과 변형능력이 건물전체의 내진성능에 어떻게 영향을 미치는가를 우선적으로 검토하는 것이 필요하다. 그러나 현존 R/C 건물 등의 내진성능을 평가하여 내진성능이 우수한 건물을 선별하는 대표적인 내진성능 평가법인 FEMA310 및 일본내진진단기준 등에서는 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 R/C 건물의 내진성능에 관해서는 충분히 검토가 되어있지 않는 것이 현재의 실정이다. FEMA310에서는 R/C 건물을 주로 Shear wall building이나 Moment frames로 구분을 하며, 각각의 구조형식에 대한 평가기준을 토대로 경험적인 판단을 근거로 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 R/C 건물의 내진성능을 평가한다. 반면, 일본내진진단기준은 전단 및 휨파괴형 부재의 성능을 선형 및 비선형 조합하여 평가하고 있으나, 전단파괴형 부재가 비교적 적은 건물의 내진성능을 과소평가하는 경향이 있다. 또한, 내진성능을 판정하는 내진판정지표는 과거 지진을 경험한 피해건물의 내진진단 결과를 토대로 설정한 경험적인 연구를 바탕으로 하고 있다. 따라서, 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 중·저층 R/C 건물의 각 파괴모드별 내력기여도, 강도와 변형능력 사이의 상관관계 및 복원력특성 등을 고려하여 내진성능을 정량적으로 평가할 수 있는 평가법이 필요한 실정이다. 본 연구는 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 기존 중·저층 R/C 건축물의 내진거동을 분석하여 복원력특성을 구축 및 타당성을 검증함과 동시에 이를 이용하여 건축물의 내진성능을 효과적으로 평가할 수 있는 내진성능 평가방법을 제안하는 것을 목적으로 하며, 이를 달성하기 위한 연구의 전체적인 구성은 아래와 같다. 제 1장에서는 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 수평저항시스템의 내진성능 평가법에 대한 제안 배경과 목적에 대하여 기술하였다. 또한 논문의 전체 구성에 대하여 기술하였다. 제 2장에서는 국내·외에서 적용되고 있는 내진성능 평가법에 대하여 설명하였으며, 이와 관련된 선행연구의 동향을 기술하였다. 선행연구는 크게 각 부재의 수평저항능력에 기반한 내진성능평가 및 혼합 파괴모드를 고려한 내진성능에 대하여 분석하였으며, 기존연구의 고찰을 바탕으로 본 연구의 상세한 진행방향을 결정하였다. 제 3장에서는 기존의 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 중·저층 R/C 건축물에 대한 내진성능 평가법의 단점을 보완하기 위해 정적 및 반복가력실험을 수행한 내용을 기술하였다. 또한, 실험결과를 바탕으로 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 R/C 수평저항시스템의 전단파괴 전·후 기여내력에 대한 새로운 메커니즘을 확인하였다. 제 4장에서는 혼합수평저항 R/C 시스템의 잔존 수평내력의 메커니즘에 대한 분석을 통해 전단부재 잔존 휨내력식을 제안하였으며, 이를 바탕으로 혼합수평저항 R/C 시스템의 복원력특성을 제안하였다. 전단부재의 잔존 내력에 대한 상관관계는 3장에서 수행했던 정적 및 반복가력실험 결과와의 비교를 통해 검증하였으며, 유한요소해석을 수행하여 신뢰성 확보, 전단부재 잔존 휨내력식의 제안 및 적합구간을 확장하였다. 또한, 검증된 잔존 내력에 대한 제안식을 반영한 혼합수평저항 R/C 시스템의 비선형동적해석을 위한 복원력특성을 제안하였다. 제 5장에서는 3장 및 4장에의 제안된 혼합수평저항 R/C 건축물의 복원력특성에 대한 타당성을 검증하고자 유사동적실험 및 제안된 복원력특성을 바탕으로 한 비선형동적해석을 수행하였으며, 이를 통하여 실험결과와 비교하여 제안된 복원력특성의 신뢰성을 검증하였다. 제 6장에서는 5장에서 검증된 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 중·저층 R/C 건축물의 복원력특성을 적용한 비선형 지진응답해석을 실시하였으며, 지진강도 수준에 대한 각 구조의 손상상태와 요구되는 성능사이의 상관관계를 바탕으로 혼합수평저항 R/C 건축물의 내진성능 평가법을 제안하였다. 제 7장에서는 실험 및 해석결과에 의해 제안된 혼합수평저항 R/C 건축물의 내진특성 및 내진성능 평가법에 대한 결론을 아래와 같이 도출하였다. (1) 정적 및 반복가력실험을 통해 나타난 실험결과 전단파괴형 부재는 1.3∼2.0 % 부재각에서 선행하여 붕괴하여 불연속적으로 내력이 저하하였다. 이후 휨파괴형 부재는 연성거동 후 양단부의 소성힌지 발생으로 종국상태를 나타내었다. 전단부재의 파괴에 의한 내력저하(Vsu)는 이론식과 유사하게 나타난 반면, 전단파괴 시점의 내력(Vsp) 및 휨파괴형 부재 최대내력(Vfu)은 각각 예측내력의 1.5∼1.8배와 1.5∼2.1배를 각각 나타내었으며, Vfu의 불일치는 전단부재는 붕괴 후 모든 내력을 상실한다는 기존이론과 상이하게 잔존하는 내력이 존재함을 의미하며, Vsp와 Vfu의 불일치 내력비율이 유사함을 통해 전단파괴 시점 내력의 불일치와 잔존내력 사이의 상관관계가 있음이 확인되었다. (2) 철근의 변형률 분포에 대한 분석 결과 전단부재가 붕괴를 나타낸 시점의 전단보강근은 항복하여 전단에 대한 저항성능을 상실하였지만, 동일 부재각에서 주근은 항복에 이르지 않아 전단파괴 이후에도 휨부재와 협력하여 휨내력에 기여하는 새로운 붕괴 메커니즘을 형성함을 확인하였다. (3) 전단파괴 시점 전·후의 기존 이론식 대비 초과 및 잔존내력이 유사함을 통해 파괴 이전의 강도기여는 전단부재의 전단내력과 휨내력의 강도비에 기인한다고 판단하였으며, 잔존내력은 실험결과를 통해 인장철근의 인장력에 기인함을 확인하여 두가지 요인에 대한 선형관계 예측식을 제안하였다. (4) 상관관계의 신뢰성 확보와 독립변수인 휨 여유도의 적용구간의 확보를 위해 유한요소해석 연구를 추가로 진행하였으며, 실험 및 해석결과에 의한 데이터는 선형관계 예측식 대비 낮은 값들을 나타내었다. 이는 전단부재 파괴 이후 주철근의 인장거동에 영향을 주는 콘크리트 균열 등의 손상에 기안하는 것으로 판단되며, 이를 보정한 제안식 및 복원력특성은 실험결과와 3∼5 % 이내의 오차를 나타내어 적적성이 확인되었다. (5) 제안된 복원력특성에 기반한 혼합수평저항 R/C 시스템의 지진응답에 대한 비선형동적해석 모델을 Deterioration-pinching model 및 Degrading Trilinear model를 적용하여 구축하였으며, 이를 반영한 병렬계 SDOF는 유사동적실험결과의 각 특성점의 내력, 전단부재의 파괴 이후 내력의 저하 및 이후 휨거동을 신뢰성 있게 예측하였다. (6) 신뢰성이 검증된 비선형해석모델에 기반한 전단력계수 0∼1.5로 가정한 내력분포 및 입력지진동 즉, 10개 지진동(0.1∼0.5g)에 따른 비선형동적해석 결과를 통해 특정연성율에 대한 내력관계를 도출하였으며, 지진피해도 구분판정법을 확장·적용하여 전단 및 휨부재의 내력비를 바탕으로 한 내진성능 평가법을 제안하였다. (7) 제안한 내진성능 평가법을 실제 지진피해 건축물과 비교 및 분석하였으며, 내진성능 평가법은 실제 지진에서 피해를 받은 R/C 건축물의 피해상황과 높은 상관관계를 나타내었다. 특히, 무피해, 경미 및 소규모 피해영역에 위치한 피해건물은 중규모이상의 피해를 받은 건물은 존재하지 않으며, 전단 및 휨파괴형 부재가 혼합된 건물의 내진성능를 과소평가하는 기존 내진성능평가법의 단점을 보완할 수 있는 새로운 내진성능평가법이라고 판단된다. 이상의 내용을 종합하면, 제안된 혼합수평저항 R/C 시스템의 복원력특성은 전단파괴 전·후의 초과내력 및 잔존 휨내력 기여분을 예측하여, 이력거동을 평가할 수 있으며, 이를 반영한 내진성능 평가법은 실제 지진피해 건축물의 피해상황과 높은 대응관계를 나타내었다. 또한, 본 연구에서 수행하였던 혼합수평저항 R/C 시스템의 복원력특성 및 비선형해석모델은 기존 내진성능 평가방법에 적용이 가능하며, 제안된 내진성능 평가법은 기존 R/C 건축물의 내진성능 및 피해수준을 간편하고 정량적으로 평가가 가능하여 이와 관련된 연구 및 내진성능 평가 시 유용하게 활용될 것으로 판단된다.