Novel Steel Frame 외부접합공법으로 보강한 2층 R/C 실물골조의 내진보강효과에 관한 연구

Abstract

최근 세계 각국에서 대규모 지진발생에 따른 각종 시설물, 특히 건축물 지진피해 사례가 급증하고 있다. 인접국가인 일본, 중국에서 대규모 지진 발생에 의해서 지진피해가 급증하고 있다. 2016년 경주지진 때에는 진앙 주변에 있는 학교시설과 주택을 포함한 일부 건축물 기둥 등의 피해를 제외한 구조물의 지진피해 규모는 크지 않았지만, 2017년 발생한 포항지진에서는 비내진상세를 가지는 학교시설을 포함한 새롭게 신축된 필로티 및 공동주택(아파트)등에 심각한 지진피해가 발생하였다. 본 연구에서는 기존 강도증진형 내진보강법의 단점을 보완ㆍ개선할 수 있는 새로운 개념의 내진보강법인 NSF(Novel Steel Frame) 외부접합형 내진보강공법을 제안하였다. NSF 내진보강공법은 거주자의 공간활용에 제약이 발생하지 않은 상태로 내진보강 공사를 실시할 수가 있으며, 접합부 시공성이 탁월하다. 특히 필요 내진보강량 산정이 간편한 강도증진형 내진보강법으로서, 전단파괴가 지배적인 비내진상세를 가지는 국내 R/C 건물에서는 내력확보가 용이한 내진보강공법이다. 본 연구에서 제안한 NSF 외부접합형 공법의 유용성을 검증할 목적으로 기존 비내진상세를 가지는 R/C 학교건물을 바탕으로 한 실물 2층 골조 실험체를 대상으로 유사동적실험을 실시하여 검증함과 동시에 내진보강효과를 검토하였다. 유사동적실험 결과를 토대로 파괴모드, 하중-변위관계 및 시간이력곡선를 비교 및 분석을 실시하여 내진성능을 검증하였다. 유사동적실험 결과는 RC-FR 실험체의 Hachinohe.EW(200cm/s2) 지진동에서는 233.1 kN(변위: 70.5 mm)의 지진응답내력을 나타내었으며, 최종적으로 1층 주각부에서 휨 및 전단균열이 발생하여 대규모 수준의 피해가 나타났다. PD-NSF 실험체의 Hachinohe.EW(200cm/s2)인 경우는 466.1 kN(변위: 21.4 mm)의 최대 지진응답을 나타내었다. NSF 실험체는 동일 입력지진동에서 2.0배의 내력향상 및 응답변위는 70% 억제되었다. 또한, 유사동적실험 결과를 바탕으로 NSF 내진보강 골조의 비선형해석을 위한 각 부재의 이력 및 접합부 모델을 제안함과 동시에 제안한 모델의 타당성을 검증할 목적으로 비선형동적해석을 실시하였다. 유사동적실험 결과와 비교 및 분석한 결과, 실험결과 대비 해석결과의 오차범위가 20% 이내로 거의 일치하는 것을 확인하였으며, 본 연구에서 구축한 해석모델은 공학적으로 타당성을 가진다고 사료된다. 최종적으로 NSF 내진보강공법의 실용화를 위하여 NSF 내진보강공법으로 내진보강 한 R/C 건축물을 대상으로 국내 내진설계기준에서 규정한 지진규모를 이용한 비선형동적해석을 실시하여 내진보강 전·후의 지진응답변위 및 피해정도를 비교 및 검토하여 내진보강 효과를 검증하였다. 비선형동적해석 결과 무보강 건물의 최종 지진피해 정도는 대규모 피해를 나타내었으며, NSF 내지보강 건축물의 최종 지진피해 정도는 소규모 피해가 발생하여 본 연구에서 개발한 NSF 내진보강공법은 국내에서 발생가능한 지진에 대해서 LS수준을 만족하는 등 내진보강효과의 신뢰성을 확보하였다고 판단된다.| Recently, there has been a surge in cases of earthquake damage in various facilities, especially buildings, caused by massive earthquakes in countries around the world. Earthquake damage is increasing rapidly due to large-scale earthquakes in neighboring countries such as Japan, China, and it has been confirmed that Korea is also directly affected by earthquakes. During the 2016 Gyeongju earthquake, the magnitude of damage to structures other than the damage to school facilities and some building pillars around the epicenter was not significant, but the 2017 Pohang earthquake caused serious earthquake damage to newly built piloti and apartments including school facilities with non-seismic details. The NSF (Novel Steel Frame) methodology was proposed for seismic strengthening of existing medium-and low-rise reinforced concrete buildings in this study. The external connection technique was developed considering the structural integral behavior between existing frame and strengthening member. The NSF technique, proposed in this study, is capable of carrying out the seismic rehabilitation construction while residents can live inside structures. The method is one of the strength design approach by retrofitting that can easily increase the ultimate lateral load capacity of reinforced concrete buildings controlled by shear. Two full-size two-story reinforced concrete frames based on the existing school building without seismic details in Korea were designed and fabricated for the structural test. The pseudo-dynamic test was carried out to verify the seismic strengthening effects of the proposed method in terms of the maximum load carrying capacity and ductility. Test results revealed that the proposed NSF strengthening method, externally applied to the R/C frame, effectively increased the lateral ultimate strength, resulting in reduced response displacement of R/C structures under large scale earthquake conditions. The seismic strengthening effects in terms of strength and deformability as well as energy dissipation capacity before and after applying the developed NSF method were investigated. In addition, a nonlinear dynamic analysis was conducted using a nonlinear hysteresis model proposed based on resits of the pseud-dynamic test. The analysis results were compared with those of the pseudo-dynamic test. The test results can reasonably compared to those of the non-linear pseudo-dynamic analysis. Nonlinear dynamic analysis of the whole reinforced concrete building was performed using the proposed reinforcement hysterics model. The investigation results revealed that the NSF system developed in this study effectively dissipated the earthquake energy, showing considerable resilience under large-scale earthquake conditions.