비좌굴 수평적층 마찰댐퍼를 적용한 기존 RC 건축물의 내진성능평가에 관한 연구

Abstract

국 문 요 지

국내에서는 2016년 경주 및 2017년 포항에 발생한 지진으로 인해 많은 건축구조물들이 피해를 받았으며, 따라서 건축구조물들의 지진피해를 방지하기 위한 내진보강의 중요성은 한층 더 고조되고 있다. 이러한 내진보강을 위한 방법으로는 전단벽 신설공법, 철골브레이스 삽입 공법, 외부 골조 버트레스 공법, 그리고 신소재를 이용한 FRP(Fiber reinforced polymers) 시트 보강법 등 여러 가지 공법이 사용되고 있다. 그러나 기존에 사용되고 있는 공법들과 복합 신소재를 이용한 내진보강공법은 지진에 대비한 내진설계가 반영되지 않은(비내진상세) 철근콘크리트(RC) 건축물에 적용하기에는 많은 단점들을 내포하고 있다. 또한 지진에 대비하여 국내 건축구조물에 적용되고 있는 내진설계와 함께 지진에 대한 대응능력이 비교적 뛰어난 제진시스템은 주로 신축 건축구조물의 설계 단계에서부터 반영되어 공사 현장에서 설치되는 것이 일반적이다.

제진시스템의 경우 이미 시공되어 사용되고 있는 비내진 상세 철근콘크리트 건축물에 내진보강을 위해 추후 시공하기가 용이하지 않으며, 현재 사용되고 있는 제진시스템 시공 시 매우 큰 보강비용과, 예상되는 지진하중의 수준에 대해서 제진장치의 시공오차, 좌굴발생 등으로 인하여 지진피해에 대한 대비 효과에는 일부 문제점이 있는 것으로 보여지고 있다. 따라서 비내진 상세 철근콘크리트 건축물에 내진보강을 위한 제진시스템의 설치 목적이 상실되어 건축물의 제어기능을 제대로 발휘하지 못하는 문제점, 설치 시 건축물의 외관의 심미적 기능저하, 또한 철골조 건축물에 비하여 상대적으로 변형 능력이 적은 RC 건축물의 내진보강에 적용하기 어려운 문제점 등이 있는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 현재 사용되고 있는 제진시스템의 단점들을 보완하고 해결할 수 있는 기존의 비내진 상세 RC 건축물에 효과적으로 적용 가능한 비좌굴 수평적층 마찰댐퍼 내진보강공법 제안과 마찰댐퍼 제진시스템의 내진성능 확인을 위해 마찰 댐퍼의 부재실험, 또한 비내진 상세를 가지는 철근콘크리트 실물 2층을 대상으로 유사동적 골조실험 및 비선형해석을 진행하였다. 본 연구를 위해 제작된 2층 실물실험체들(기존 비내진상세를 가지는 RC 학교건축물을 바탕으로 한 실물 2층 골조 : 무보강 실험체 1개, 수평마찰댐퍼가 보강 프레임 하부에 1개 설치되는 V형태와 보강프레임 상하부에 1나씩 설치되는 마름모형태를 가지는 두 가지 형태의 비좌굴 수평적층 마찰댐퍼를 적용한 실험체 2개)에 대한 실험은 한양대학교 초대형 구조실험동에 구축되어 있는 유사 동적(Pseudo-Dynamic)실험 시스템을 이용하여 실험을 실시하였다. 마찰댐퍼에 사용된 재료시험 및 마찰댐퍼의 부재실험, 그리고 유사동적실험 결과를 바탕으로 비좌굴 수평적층 마찰댐퍼 시스템의 기존 비내진 상세를 가지는 RC 건축물 적용 시의 내진보강효과들(복원력 특성, 에너지소산능력, 지진응답 제어능력 등)을 검증함과 동시에 각각의 영향을 평가하였다.

실험결과 및 분석 결과 무보강 골조는 Hachinohe.EW 200 cm/s2 입력지진동에서 기둥의 전단파괴로 인한 붕괴수준의 피해를 나타내었고, 비좌굴 수평적층 마찰댐퍼 내진보강을 적용한 골조 실험체의 경우에는 무보강 골조 대비 V형태로 설치된 실험체는 약 86%이상 그리고 D형태로 설치된 실험체에서도 약 86%로 변위가 억제되었으며, 피해수준 또한 붕괴수준의 피해에서 소규모 피해로 제어됨을 확인하였다.

비좌굴 수평적층 마찰댐퍼를 적용한 내진보강공법의 상세한 내진성능을 검토하기 위하여 비선형 해석을 위한 복원력 특성을 제안하였다. 제안한 복원력 특성을 바탕으로 실시한 비선형 동적해석결과 값들은 유사동적실험 결과 값들과 최대하중 및 최대변위의 오차율은 약 10% 이내로 나타나 제안한 해석모델링의 타당성을 검증하였다.