국내 기존 중·저층 철근콘크리트 건물의 내진성능평가법 및 지진위험도 평가에 관한 연구

Abstract

Recently, many earthquakes of magnitude 5 or higher have occurred around the world, and Asia like Japan, China, and Taiwan, which are adjacent to Korea, have also experienced large-scale earthquake damage. Even in Korea, which has relatively little experience in earthquake damage, the 2016 Gyeongju earthquake and the 2017 Pohang earthquake occurred, which caused serious earthquake damage and huge losses of both life and property, especially to buildings. Since the intensity and frequency of earthquakes occurring in Korea is increasing, in order to minimize the damage to life and property due to the collapse of buildings in the event of a large-scale earthquake, it is necessary to predict the seismic damage and provide effective earthquake countermeasures for future earthquakes. For this purpose, it is very important to evaluate the earthquake risk of existing domestic buildings. Specifically, it is essential to develop a methodology for estimating the seismic performance and vulnerability of buildings and predicting potential losses due to earthquakes. In Korea, due to the lack of experience with earthquakes, mandatory seismic design regulations were introduced in 1988, and studies related to seismic performance evaluation of existing buildings are mainly proposed by modifying the procedures and main contents of FEMA310 of the United States and JBDPA of Japan. However, since the overseas seismic performance evaluation method is a standard proposed in consideration of the characteristics of each country's existing R/C buildings, it is necessary to review whether it can properly reflect the domestic situation, and research and basic data are insufficient. In addition, The design of seismic reinforcement for existing buildings does not take into account the characteristics of existing buildings in Korea, as well as there is no clear standard. Also, when it is being designed, it is a trial and error method that relies on computer programs related to nonlinear dynamic analysis without reasonably calculating the amount of earthquake resistance by theoretical calculations.

Therefore, the purpose of this study is to propose a method for evaluating the seismic capacity of existing R/C buildings in Korea based on the actual Korean member test results and the details of Korean buildings by reviewing the applicability of the Japanese standard as well as to estimate the structural damage ratios of Korean buildings from the probabilistic point of view. The details of this study for this purpose are as follows.

Chapter 1 describes the background and purpose of this study on the seismic performance evaluation method of existing middle- and low- rise R/C buildings in Korea, as well as the organization and direction of the study.

Chapter 2 briefly explains the current domestic and overseas seismic performance evaluation methods. In addition, an overview of the Japanese seismic diagnosis method, which is the main subject of this study, is described in general.

Chapter 3 provides basic information on non-seismic R/C buildings in Korea and reviews the seismic performance of existing buildings in Korea through seismic performance evaluation according to Japanese standards. Korean earthquake vulnerability is confirmed through the relationship with the performance. In addition, problems are identified in the applicability of Japanese standards to domestic buildings.

Chapter 4 compares and analyzes actual Korean R/C members’ experimental data and theoretical values ​​to propose a seismic performance evaluation method that considers the domestic situation through analysis of the application problems of domestic non-seismic R/C buildings according to Japanese standards. Ultimate flexural and shear strength equations are proposed, and the average shear stress is proposed to reflect structural characteristics by statistical analysis based on the drawing data of many existing R/C buildings in Korea. By comparing the results with the Japanese standards and the proposed strength equation and actual experimental results, the reliability of the proposed equations is verified. Consequently, a seismic evaluation method considering the characteristics of domestic buildings is proposed. The validity of the proposed method is verified by re-evaluating the investigated buildings in Chapter 3 by the proposed method for actual domestic buildings and comparing them with the seismic capacity as results according to Japanese standards.

Chapter 5 describes the method of estimating the earthquake damage ratio by the probabilistic method, and through this, the earthquake risk of the existing R/C building in Korea calculated through the proposed method in Chapter 4 is estimated. Based on the assumed earthquake damage ratio, the relation for the required seismic performance is derived and proposed through the correlation of the structure by the input earthquake motion, which can be used for quantitatively calculating the amount of seismic reinforcement.

In Chapter 6, the conclusions about the seismic performance evaluation method and earthquake risk estimation proposed in consideration of the characteristics of existing low-rise and mid- R/C buildings are drawn as follows.

(1) As a result of evaluating the existing R/C buildings in Korea and Japan based on the Japanese standard, it is expected that the existing R/C buildings in Korea will suffer serious damage in the event of an earthquake of similar scale to the earthquake that caused serious earthquake damage in Japan before experienced.

(2) Most of the domestic buildings investigated in this study have a ductility index F between 1.8 and 2.6, but the shear reinforcement spacing of domestic R/C columns is wider than 30 cm. This suggests the need to review the calculation formula of the basic structural index according to the Japanese standards because there is a possibility that the ductility ability according to the Japanese standards may be overestimated and the actual seismic capacity of a domestic building in Korea is likely to be much lower than the results by the Japanese standards.

(3) Based on the strength ratio (experimental value/theoretical value) using the test results of domestic R/C members and the Japanese standard strength calculation formula for columns and walls, it was confirmed that the ultimate flexural strength formula can be applied without modification. The ultimate shear strength equation is modified based on the experimental results according to the same procedure as the Japanese standard. Through this, the ultimate average shear stress values usable for the 1st level procedure is proposed based on statistics on the structural characteristics of existing R/C buildings in Korea.

(4) As a result of comparing and analyzing the results of the Japanese standard and the seismic diagnosis method proposed in this study, the proposed method showed 20 % lower values ​​for the 1st level procedure and 15 % for the 2nd level procedure compared to the Japanese standards, and the ductility index is also rated lower than the results based on the Japanese standards. It is judged that the proposed method in this study reflects the characteristics of non-seismic R/C buildings in Korea to predict the seismic performance of the safety side.

(5) As a result of estimating the earthquake damage rate by applying a probabilistic approach to predict the potential damage caused by earthquakes in domestic R/C buildings, the earthquake acceleration 0.1 g, 0.13 g, 0.15 g, 0.18 g, 0.2 g, 0.23 The damage ratio was estimated to be 7%, 17%, 27%, 44%, 55%, and 70%, respectively. Through this, a regression analysis equation is proposed by deriving a correlation with the target seismic performance for the safety of the structure against the input earthquake.

Overall, through the seismic evaluation method considering the existing Korean R/C characteristics proposed in this study and the result of estimating the earthquake damage ratio, it is possible to evaluate the seismic performance of Korean building as a safety side and predict potential earthquake damage. Therefore, It is expected to be useful as basic data for reducing earthquake damage and providing effective seismic countermeasures for future earthquakes.

|최근 전 세계적으로 규모(M) 5 이상의 지진이 다수 발생하였고 우리나라와 인접 국가인 일본, 중국, 대만에서 역시 대규모 지진피해를 경험한 바 있다. 상대적으로 지진피해의 경험이 적은 국내에도 2016 경주지진 및 2017 포항지진이 발생하여 인명 및 재산피해 특히, 건축물에 심각한 지진피해를 초래하였으며 국내 건축물의 내진취약성과 안전성에 경각심을 갖게 된 계기가 되었다. 이와 같이 우리나라에서 발생하는 지진의 강도와 빈도가 증가하고 있는 시점에서 대규모 지진 발생 시 건축물의 붕괴로 인한 인적·물적 피해를 최소화하기 위해서 지진 피해를 완화하고 향후 지진에 대비한 효과적인 지진 대책을 제공하기 위해서는 기존 국내 건물의 지진 위험을 평가하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 건물의 내진성능과 내진취약성을 추정하고 지진으로 인한 잠재적 손실을 예측하는 방법론을 개발하는 것이 필수적이다. 우리나라는 지진에 대한 경험적 부족으로 인해 내진설계 의무규정은 1988년에 도입되었으며 기존 건축물에 대한 내진성능평가 관련 연구는 주로 미국의 FEMA310과 일본의 내진진단법의 절차와 주요 내용을 일부 수정하여 제안하거나 그대로 적용한 것이 대부분이다. 하지만, 해외의 내진성능평가법은 각국의 기존 R/C 건축물의 특성을 고려하여 제안한 기준이기 때문에 국내의 실정을 제대로 반영할 수 있는지 검토가 필요하며 이에 따른 연구와 기본자료가 부족한 상태이다. 또한, 기존 건축물에 대한 내진보강 역시 국내 기존 건축물의 특성을 고려하지 않고 명확한 기준이 존재하지 않으며 이론적 계산에 의한 합리적으로 내진보강량을 산정하지 않고 비선형 동적해석 관련 전산 프로그램에 의존한 시행 착오적인 방법을 통해 설계되고 있는 실정이다.

따라서 본 연구는 국내 기존 비내진 중·저층 철근 콘크리트 건물의 내진성능 평가를 위한 일본 내진진단기준의 적용 가능성을 검토하여 국내 기존 R/C 건물의 특성을 고려한 내진성능 평가법을 제안함과 동시에 잠재적인 미래지진피해 대책을 위한 국내 기존 건물의 지진피해율 추정을 목적으로 하며, 이를 위한 연구의 전체적인 구성은 다음과 같다. 제 1장에서는 국내 기존 중·저층 철근 콘크리트 건물의 내진성능 평가법에 대한 연구 배경 및 목적, 연구내용의 구성과 진행방향에 대하여 기술하였다.

제 2장에서는 현재 적용되고 있는 국내·외의 내진성능 평가법에 대하여 간략하게 설명하였다. 또한, 본 연구에서 주요 대상인 일본 내진진단법의 개요를 전반적으로 기술하였다.

제 3장에서는 국내 비내진 R/C 건물의 기본 정보를 제공하고 일본 기준에 의한 내진성능평가를 통해 국내 기존 건물의 내진성능을 검토함과 동시에 실제 지진에 의한 일본의 피해건물과 국내 건물의 내진성능과의 관계를 통해 국내 지진취약성을 확인하였다. 또한, 일본 기준의 국내 건물 적용성에 있어 문제점을 확인하였다.

제 4장에서는 일본 기준의 국내 비내진 R/C 건물의 적용 문제점에 대한 분석을 통해 국내 실정을 고려한 내진성능 평가법 제안을 위해 실제 국내 R/C 부재 실험데이터와 이론값을 비교분석하여 기둥과 벽체에 관한 휨 및 전단 종국강도식을 제안하였으며 국내 다수의 기존 R/C 건물의 도면자료를 근거로 통계·분석하여 구조적 특징을 반영하도록 평균전단응력도를 제안하였다. 이를 일본 기준과 제안한 강도식에 의한 결과와 실제 실험결과와 비교를 통해 신뢰성을 확보하여 최종적으로 국내 건물의 특성을 고려한 내진진단법을 제안하였다. 실제 국내 건물을 제안한 진단법에 의해 3장의 대상건물을 재평가하여 이를 일본기준에 의한 내진성능 결과와 비교하여 제안한 진단법의 타당성을 검증하였다.

제 5장에서는 확률론적 방법에 의한 지진피해율 상정 방법을 기술하였고, 이를 통해 4장의 제안된 진단법을 통해 산정된 국내 기존 R/C 건물의 지진위험도를 추정하였다. 상정한 지진피해율을 기반으로 정량적인 내진보강량 산정에 활용 가능한 입력 지진동에 의한 구조물의 목표보유성능과의 상관관계를 통해 목표보유성능 관계식을 도출하여 제안하였다.

제 6장에서는 국내 기존 중·저층 R/C 건물 특성을 고려하여 제안한 내진성능평가법과 지진위험도 추정에 대한 결론을 다음과 같이 도출하였다.

(1) 국내 및 일본 기존 R/C 건물을 일본 내진진단 기준에 의거하여 평가한 결과, 실제 심각한 지진피해를 일으킨 지진과 비슷한 강도의 지진 발생시 국내 기존 R/C 건물은 심각한 피해를 입을 것이라고 예상된다.

(2) 본 연구에서 조사된 국내 건물의 대다수는 1.8에서 2.6 사이의 연성지표 F를 가진 것으로 나타났으나, 국내 R/C 기둥 전단철근간격은 30 cm 이상으로 넓게 배치되어 있다. 이는 일본 기준에 의한 연성능력이 과대 평가될 우려가 있고 실제 국내 건물의 내진성능은 일본 기준에 의한 결과보다 훨씬 더 낮을 가능성이 있기 때문에 일본기준의 보유성능지표 산정법의 재검토가 이루어질 필요성을 시사한다.

(3) 국내 R/C 부재의 실험 결과와 일본 기준의 기둥 및 벽에 대한 강도 계산식을 이용하여 내력비(실험값/이론값)를 바탕으로 휨 종국강도식은 수정없이 적용 할 수 있음을 확인하였고, 전단 종국강도식은 일본 기준과 동일한 절차에 따라 실험 결과를 기반으로 수정하였다. 이를 통해 1차 진단에 활용가능한 전단응력도를 국내 기존 R/C 건물의 구조적 특성에 대한 통계를 기반으로 제안하였다.

(4) 일본 기준 및 본 연구의 제안한 내진진단법의 결과를 비교·분석한 결과, 제안한 방법이 일본기준 대비 1차 진단은 20 %, 2차 진단은 15 % 정도 낮은 값을 나타내었고, 연성지표 역시 낮게 평가되었다. 이는 본 연구에서 제안한 진단법이 국내 비내진 R/C 건물의 특성을 반영하여 안전측으로 내진성능을 예측 가능하다고 판단된다.

(5) 국내 R/C 건물의 지진에 의한 잠재적 피해를 예측하기 위해 확률론적 접근 방식을 적용하여 지진피해율을 상정한 결과, 지진가속도 0.1 g, 0.13 g, 0.15 g, 0.18 g, 0.2 g, 0.23 g로 인한 피해율은 각각 7 %, 17 %, 27 %, 44 %, 55 %, 70 %로 추정되었다. 이를 통해 입력지진동에 대하여 구조물이 안전하기 위한 목표보유성능과의 상관관계를 도출하여 회귀분석식을 제안하였다.

본 연구에서 제안한 국내 기존 R/C 특성을 고려한 내진진단법과 지진 피해율 상정 결과를 통해 국내 건물을 안전측으로 내진성능을 평가하고 잠재적인 지진피해를 예측할 수 있으며 제안한 목표보유성능 관계식은 정량적인 내진보강설계에 적용 가능하여 지진 피해 완화 및 향후 지진에 대한 효과적인 내진 대책을 제공하기 위한 기본자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.