면외변형억제 강재슬릿댐퍼를 적용한 기존 RC 건축물의 내진성능평가에 관한 연구

Abstract

최근 국내에서는 2016년 경주 및 2017년 포항지진 이후 지진대책(내진보강)에 대한 중요성이 고조되고 있으며, 전단벽 신설공법, 철골브레이스 삽입법, 외부 골조 버트리스 신설법 등 기존 재래식 내진보강법 및 FRP(Fiber reinforced polymers) 시트 보강법 등 복합 신소재를 이용한 내진보강공법은 국내 비내진상세를 가지는 철근콘크리트(이하, RC) 건물에 적용하기에는 많은 단점들을 내포하고 있다. 또한 기존 개발 된 제진시스템의 경우 주로 건물의 시공 단계에서 설치되는 것이 일반적이다.

따라서 기존에 시공되어 있는 건축물에 내진보강을 위해 추후 시공하기가 용이하지 않아 제진시스템의 시공 시 비용이 과도하게 소요되고, 예상되는 지진하중의 수준에 대해서 제진장치의 시공오차, 좌굴발생 등으로 인하여 효과적으로 제진보강 효과가 나타나지 않아, 건축물의 제진시스템의 설치 의도가 상실되어 건축물의 제어기능을 제대로 발휘하지 못하는 문제점, 심미적인 기능을 요구하는 건축물의 외관설계에 대한 대응성 부족, 또한 철골조 건축물에 비하여 상대적으로 변형 능력이 적은 RC 건축물의 내진보강에 적용하기 어려운 문제점 등이 있는 실정이다.

본 연구에서는 기존 제진시스템의 단점을 보완하고 극복할 수 있는 기존 RC 건축물에 효과적으로 적용 가능한 면외변형억제 강재슬릿댐퍼 내진보강공법을 제안함과 동시에 슬릿댐퍼 제진시스템의 내진성능을 부재실험, 실물 2층 유사동적 골조실험 및 비선형해석을 통하여 평가하였다.

본 연구를 위하여 한양대학교 초대형 구조실험동에서 구축한 유사동적실험 시스템을 이용하여 기존 비내진상세를 가지는 RC 학교건축물을 바탕으로 한 실물 2층 골조 실험체를 대상으로 유사동적실험을 실시하여, 상기 면외변형억제 강재슬릿댐퍼 시스템의 기존 RC 건축물 적용 시의 내진보강효과, 즉 복원력 특성, 에너지소산능력, 지진응답 제어능력을 검증함과 동시에 재료시험 및 유사동적실험 결과를 바탕으로 평가하였다. 무보강 골조는 Hachinohe.EW 200 cm/s2 입력지진동에서 전단파괴로 인한 붕괴수준의 피해를 나타내었지만, 면외변형억제 강재슬릿댐퍼 내진보강을 적용한 골조는 무보강 골조 대비 약 73%이상의 변위가 억제되었으며, 피해수준도 붕괴수준의 피해에서 소규모 피해로 억제됨을 확인하였다.

면외변형억제 강재슬릿댐퍼 내진보강공법의 상세한 내진성능을 검토하기 위하여 비선형 해석을 위한 복원력 특성을 제안하였으며, 제안한 복원력 특성을 바탕으로 비선형 동적해석을 실시하여 유사동적실험 결과와 비교 및 분석하였다. 비교분석결과 유사동적실험 결과와 비선형동적해석결과의 최대하중 및 최대변위의 오차율은 약 10% 이내로 나타나 해석모델링의 타당성을 검증하였다.

면외변형억제 강재슬릿댐퍼 내진보강공법의 실용화를 위해서 에너지 평형기반 내진보강설계법을 제안하였으며, 제안된 설계법을 기존 비내진상세를 가지는 RC 건축물을 대상으로 비선형동적해석을 실시하여 내진보강 전과 후의 지진응답하중 및 변위특성, 에너지 소산능력, 댐퍼의 하중 및 변위응답, 부재 연성률 및 면외변형억제 강재슬릿댐퍼 내진보강시스템 기여율 등을 검토하여 내진보강 효과를 검증하였다.

연구결과, 국내 내진설계용 지진수준인 200 cm/s2 지진규모에서 비내진상세를 가지는 RC 건축물은 전단파괴로 인한 붕괴수준의 피해를 나타내었지만, 면외변형억제 강재슬릿댐퍼 내진보강공법으로 내진보강 한 건축물은 경미한 지진피해가 예상되었으며, 국내에서 발생 가능한 최대 지진규모(300 cm/s2)를 상정한 경우에도 소규모 이하의 지진피해가 예상되어 본 연구에서 새롭게 개발한 면외변형억제 강재슬릿댐퍼 내진보강공법의 유효성이 검증되었다고 판단되며, 본 연구에서 개발한 면외변형억제 강재슬릿댐퍼 제진시스템은 상용화가 가능한 새로운 내진보강공법이라고 사료된다.