유사동적실험 및 비선형 해석에 의한 CFT-MF을 적용한 기존 R/C 건물의 내진보강효과

Abstract

Among the numerous natural disasters around the world, seism occurs at unpredictable places and times, and there is not enough time for the active response in the case of sudden seism due to its short-time persistence as one of the seism characteristics. Furthermore, since most of the seismic damage would directly affect the general construction structures, as well as seismic energy is transmitted through the ground, it would cause the collapse, damage of social indirect facilities which are the source of maintaining social function, and secondary damage as known as economic and social loss with human costs by paralyzing regular functions. In fact, the situation of damage by extensive seism in abroad can be easily figured out anywhere through the development of media. In Korea, the occurrence of seism has been steadily increasing since seism observation began in 1978, and, especially, there was an instance of direct human and material loss to public and private reinforced concrete buildings through extensive seism like ‘2016 Kyeung Ju’ and ‘2018 Po Hang’ seism. As the solutions for unpredictable seismic damage, these statistics and cases would be sufficient to recognize the importance of preparatory measures such as seismic retrofit, research & development, information transfer, and effective disaster management system. According with above these, for the preparatory measure by seism in Korea, the seismic design standards were established in 1988 at first, and the applicable target was expanded through five-time revisions. However, in reality, the seismic design standard was not applied to aged buildings (more than 30 years after construction) because these buildings were built before 1988, and the buildings which were built after 1988 applied the seismic design standard with only some buildings. This means that the buildings without the application of seismic design would have the catastrophic situation of inseparable damage if there occurred the extensive seism mentioned above. Therefore, in this study, we propose the concreted filled tube-modular frame (CFT-MF) seismic resistance which is improved and supplemented the limitations of existing seismic retrofitted method for the fundamental countermeasure to the reinforced concrete buildings with non-seismic details and performed experimental and analytical studies for the verification of its reinforcement effect and effectiveness. So, the overall conception of the study is as follows:

In chapter 1, there is the recognition about the need of preparatory measures for seism in advance based on the current status of domestic and foreign seism, a study of mechanical characteristic of reinforced concrete buildings with domestic non-seismic design, and the current status of domestic seismic design and aged building. In addition, there is the detailed description about the purpose, direction, and research methods.

In chapter 2, there is the review about the existing seismic retrofitted method, and there is the proposal about the CFT-MF seismic retrofitted method which is developed by improving and supplementing the problems of the existing retrofitted method. Moreover, there is the detailed description about the outline, components, and sequence of the applicable construction method

In chapter 3, there is the detailed description about the whole planning with manufacturing process of the specimens which is made for the existing reinforced concrete school buildings with domestic non-seismic design to verify the retrofit effect by proposed retrofitted method. Furthermore, there is the write about the selection process of experimental method which can accurately more verify the retrofit effect about the seismic load of its retrofitted method through the review of the existing experimental method of structure.

In chapter 4, there is the individual and comparative analysis about the result of the pseudo-dynamic experiment to the manufactured specimens. In addition, the comparative group is non-retrofitted specimen, and the experimental group is retrofitted specimen. The composition of the comparative analysis would mainly consist of the change in initial stiffness and reduction rate of stiffness, improvement of seismic damage, force-displacement curve, time history curve, the failure shape of structure.

In chapter 5, the non-linear analysis was performed on the experimental frame for the establishment of a modeling method to verify the reliability of pseudo-dynamic experiment and the non-linear analysis of the target school building. For the non-linear analysis of seismic reinforcement structure through CFT-MF, it proposed the non-linear analysis model of each existing member and joint, and CFT-MF seismic retrofitted method and the modeling method of target school building with reinforced concrete was verified through the comparison between the results of pseudo-dynamic test and non-linear analysis.

In chapter 6, a non-linear analysis model of the entire target building would be built based on the established analysis modeling method, and seismic capacity evaluation about the building before and after being retrofitted was conducted by the performance of non-linear dynamic analysis. In this chapter, the modeling method of equivalent compression strut for more accurate seismic capacity evaluation, the appropriate seismic retrofit amount, the number of reinforcement point, and the selection of its location are described in detail.

In chapter 7, the consequence of this experimental and analytic study performed on reinforced concrete building with domestic non-seismic design to verify the retrofit effect and effectiveness of the CFT-MF seismic retrofitted method is described in detail, and the contents are as follows:

1) A specimen was manufactured for a school building with domestic non-seismic design, and total 3 manufactured specimens, consisting of that one is non-retrofitted specimen (PD-RC-FR), one is internal retrofitted specimen (PD-CFT-I), one is external retrofitted specimen (PD-CFT-E), are performed on pseudo-dynamic test.

2) As a result of the pseudo-dynamic test, non-retrofitted specimen (PD-RC-FR) showed the seismic damage as collapse level due to shear failure of the column at Hachinohe. EW 200cm/s2, and this would be the significant data to prove the need for seismic retrofit of 1980’s school building with non-seismic design.

3) At the same level of acceleration, there are expected seismic damage such as strength increase around 1.7 times, displacement suppression around 80%, and slight flexural cracks on internal retrofitted specimen (PD-CFT-I). In addition, there are also expected seismic damage such as strength increase around 1.85 times, displacement suppression around 65%, and slight flexural cracks on external retrofitted specimen (PD-CFT-E).

4) According with the above-mentioned Strength increase, capacity of displacement suppression, and the improvement of seismic damage level, and the result of the change of initial stiffness and stiffness reduction rate mentioned in chapter 4, it is judged that the reinforcement effect of the CFT-MF seismic retrofitted method would be experimentally verified.

5) To establish a modeling method for the verification of the verification of the reliability of pseudo-dynamic test and the non-linear analysis of the target school building, a non-linear analysis was conducted on the experimental frame. For the non-linear analysis of the CFT-MF seismic retrofitted frame, non-linear hysteresis model was proposed on each existing member and joint, and the maximum seismic response load and displacement of non-linear retrofitted and internal linear retrofitted specimen showed an error rate of about 10% comparing with the test of result, and external linear retrofitted specimen also showed an error rate of about 15%. In this study, it is judged that the validity of the modeling method about proposed CFT-MF seismic retrofitted method and the target school building with reinforced concrete frame.

6) As a result of the non-linear dynamic analysis for the target school building with non-seismic design applied with the seismic wave which is Hachinohe. EW 200cm/s2, the non-retrofitted building showed the maximum response displacement of 37.0mm and the maximum response load of 1801.7kN. On the other hand, in the case of the building applied with the CFT-MF internal retrofitted method, the strength increased around 1.26 times and the displacement was suppressed around 61% comparing with the non-retrofitted building, and, in the case of the building applied with CFT-MR external retrofitted method, the strength increased around 1.33 times and displacement was suppressed around 54% comparing with non-retrofitted building.

7) As a result of the non-linear dynamic analysis of the target school building with non-seismic design applied with the seismic wave which is Hachinohe. EW 200cm/s2, there is occurred shear failure (damage-IV or higher) at 7 columns on first floor of the non-retrofitted building, so it can be expected more than extensive seismic damage. In addition, there is occurred the seismic damage less than the level of shear and flexural cracks (damage-II below) at all columns of the internal or external retrofitted building, so it can be expected less than slight seismic damage consequently.

Based on the result of the above-mentioned pseudo dynamic test with its specimen and non-linear dynamic analysis of the target school building, it is judged that the reinforcement effect and effectiveness of the proposed CFT-MF seismic retrofitted method would be experimentally and analytically verified as the final purpose of this study. This can be used in the seismic retrofit of reinforced concrete buildings like public facilities or apartment in the future for the prevention of social and economic losses against unpredictable extensive seism and can be applied as the part of process establishing the disaster management system for seism.| 전 세계적으로 발생하는 수많은 자연재해 중 지진은 다른 재해들과 달리 예측 불가능한 장소 및 시간에 발생하고, 짧은 시간 동안 지속되는 특성으로 인해 갑작스런 지진 발생 시에는 적극적인 대처를 하기 위한 시간적인 여유가 부족하다. 또한 지진에너지는 지반을 통해서 전달되기 때문에 지진으로 인한 피해는 대부분 건설 구조물의 직접적인 영향을 미치기 때문에 사회기능 유지의 근원이 되는 사회 간접 시설물들의 붕괴 및 손상을 유발하고, 정상적인 기능을 마비시켜 사회적∙경제적 손실 및 인명피해라는 2차적인 피해를 발생시킨다. 실제로 해외의 대규모 지진으로 인한 피해 상황은 미디어의 발전으로 어렵지 않게 접할 수 있다. 국내에서도 지진 관측을 시작한 1978년부터 지진 발생이 꾸준히 증가하고 있는 경향을 나타내고 있으며, 특히 ‘2016 경주지진’ 및 ‘2018 포항지진’과 같은 대규모의 지진으로 인해 민간 및 공동 철근콘트리트(Reinforced Concret, 이하 R/C) 건축물에 직접적인 인적·물적 손실이 발생한 사레가 있었다. 이러한 통계 및 사례들은 예측 불가능한 지진 피해에 대한 해결책으로 내진보강, 연구개발, 정보전달, 실효적인 재난관리시스템 정비 등과 같은 사전 대비의 중요성을 각인시키기 충분하였다. 이에 따라 국내에서도 지진에 대한 사전 대비을 위하여 1988년에 최초로 내진설계기준울 재정하였으며, 이 후 5번의 개정을 통하여 적용 대상을 확대하였다. 하지만 실제로 노후화 건축물(준공 이후 30년 이상)은 1988년 이전에 지어진 건축물이기 때문에 내진설계기준이 적용되지 않았으며, 1988년 이후의 건축물 또한 일부분의 건축물에만 적용되었다. 이는 내진설계가 적용되지 않은 건축물들이 상기 언급한 대규모 지진을 경험한다면 재난적 피해 상황은 불가분하다는 것을 의미한다. 이에 본 연구에서는 비내진 상세를 가지는 R/C 건물에 대한 근본적인 대책을 위해 기존 내진보강법의 한계점을 개선 및 보완한 획기적인 콘크리트 충진강관 모듈프레임(Concrete Filled Tube-Modular Frame, 이하 CFT-MF) 내진보강법을 제안하고, 해당 공법의 보강효과 및 실효성을 검증하기 위하여 실험적 및 해석적 연구를 진행하였으며, 연구의 전체적인 구상은 아래와 같다

제 1장에서는 국내∙외 지진 발생 현황, 국내 비내진 상세를 가지는 R/C 건물의 역학적 특성에 대한 고찰, 국내내진설계 기준 및 노후화 건물의 현황을 바탕으로 지진 발생에 대한 사전 대비의 필요성을 인지하고 본 연구의 목적 및 방향성과 연구 방법에 대해 상세히 기술하였다.

제 2장에서는 기존에 사용되고 있는 내진보강법에 대한 고찰을 하였으며, 기존 보강법의 문제점을 개선 및 보완하여 개발한 CFT-MF 내진보강법을 제안하였다. 해당 공법의 개요, 구성요소 및 시공 순서 대해 상세히 기술하였다.

제 3장에서는 제안한 보강법의 보강효과를 검증하기 위해서 국내 비내진 상세를 가지는 기존 R/C 학교 건물을 대상으로 제작한 실험체의 계획 및 제작의 전 과정을 상세히 기술하였다. 또한 기존 구조 실험 방법에 대한 고찰을 통하여 내진보강법의 지진하중에 대한 보강효과를 보다 정확히 검증 가능할 수 있는 실험 방법의 선정 과정에 대하여 기술하였다.

제 4장에서는 제작된 실험체를 대상으로 수행한 유사동적실험의 결과를 개별 및 비교 분석하였으며, 비교군은 무보강 실험체가 해당되고 실험군에는 보강 실험체가 해당한다. 비교 분석의 구성 내용은 골조의 파괴형상, 시간이력 곡선, 하중-변위 곡선, 지진피해도 개선, 초기강성 및 강성 저하율의 변화를 중점적으로 분석하였다.

제 5장에서는 유사동적실험의 신뢰성 검증 및 대상 학교 건물의 비선형 해석을 위한 모델링 방법을 구축하기 위해서 실험 골조를 대상으로 비선형 해석을 수행하였다. CFT-MF 내진보강 골조의 비선형 해석을 위한 각 기존 부재 및 접합부의 비선형 이력 모델을 제안하였으며, 비선형 해석 결과와 유사동적실험 결과를 비교 분석하여 CFT-MF 내진보강법과 대상 학교 건물의 R/C 골조에 대한 모델링 방법의 타당성을 검증하였다.

제 6장에서는 정립된 해석 모델링 방법을 바탕으로 대상 건물 전체의 비선형 해석 모델을 구축하였으며, 비선형동적해석을 수행하여 보강 전∙후의 건물에 대한 내진성능평가를 실시하였다. 본 장에서는 보다 정확한 내진성능평가를 하기 위한 등가압축스트럿 모델링 방법, 적절한 내진보강량, 보강 개소 및 위치 선정을 위한 과정을 상세히 기술하였다.

제 7장에서는 CFT-MF 내진보강법의 보강효과 및 실효성 검증을 위한 국내 비내진 상세를 가지는 R/C 건물을 대상으로 수행한 실험적∙해석적 연구에 대한 결론을 서술하였으며, 그 내용은 아래와 같다.

1) 국내 비내진 상세를 가지는 학교 건물을 대상으로 실험체를 제작하였으며, 제작된 실험체는 무보강 실험체(PD-RC-FR) 1체, 내부접합형 보강 실험체(PD-CFT-I) 1체, 외부접합형 보강 실험체(PD-CFT-E) 1체, 총 3체를 구성하여 유사동적실험을 진행하였다.

2) 유사동적실험 결과, 무보강 실험체는 Hachinohe.EW 200cm/s2에서 무보강 실험체(PD-RC-FR)는 기둥의 전단파괴로 인한 붕괴 수준의 지진피해를 나타냈으며, 이는 비내진 상세를 가지는 1980년대 학교 건물의 내진보강 필요성을 입증하는 중요한 자료라고 판단된다.

3) 동일가속도에서 내부접합 보강실험체(PD-CFT-I)는 약 1.7배의 강도 증가 및 약 80%정도의 변위 억제 효과와 휨균열에 의한 경미한 수준의 지진피해가 예상되며, 또한 외부접합 보강실험체(PD-CFT-E)는 1.85배의 강도 증가 및 약 65%정도 변위 억제 효과와 휨균열에 의한 경미한 수준의 지진피해가 예상된다.

4) 상기 언급한 내력 향상 및 변위 억제 능력, 지진피해도 개선과 제 4장에서 언급한 초기강성의 변화 및 강성저하율의 변화의 결과에 따라서 CFT-MF 내진보강법의 보강효과를 실험적으로 검증하였다고 판단된다.

5) 유사동적실험의 신뢰성 검증 및 대상 학교 건물의 비선형 해석을 위한 모델링 방법을 구축하기 위해서 실험 골조를 대상으로 비선형 해석을 수행하였다. CFT-MF 내진보강 골조의 비선형 해석을 위한 각 기존 부재 및 접합부의 비선형 이력 모델을 제안하였으며, 무보강 및 내부접합보강 실험체의 최대지진응답 하중 및 변위는 실험결과 대비 오차율 10%내외, 외부접합보강 실험체는 오차율 약 15%내외를 나타내어, 본 연구에서 제안한 CFT-MF 내진보강법과 대상 학교 건물의 R/C 골조에 대한 모델링 방법의 타당성을 검증하였다고 판단된다.

6) Hachinohe.EW 200cm/s2 지진파를 적용한 비내진 상세를 갖는 대상 학교 건물의 비선형동적해석 결과, 무보강 건물은 최대응답변위 37.0mm, 최대응답하중 1801.7kN을 나타내었다. 반면 CFT-MF 내부접합형 보강법이 적용된 건물의 경우 무보강 건물 대비 내력은 약 1.26배 증가, 변위는 약 61%까지 억제되었으며, CFT-MF 외부접합형 보강법이 적용된 건물의 경우 무보강 건물 대비 내력은 약 1.33배 증가, 변위는 약 54%까지 억제되었다.

7) Hachinohe.EW 200cm/s2 지진파를 적용한 비내진 상세를 갖는 대상 학교 건물의 비선형동적해석 결과, 무보강 건물은 1층 7개의 기둥에 전단파괴(Damage-Ⅳ 이상)가 발생하여 대규모 피해 이상이 예상되었고, 내부 및 외부 접합보강법이 적용된 건물은 모든 기둥 부재가 휨균열 및 전단균열 이하 (Damage-Ⅱ 이하)의 손상도를 나타내어 최종적으로 소규모 이하의 지진피해가 예상된다.

상기 언급한 유사동적실험 및 실험체와 대상 학교 건물의 비선형동적해석의 결과를 바탕으로 본 연구의 최종 목적인 제안한 CFT-MF 내진보강법의 보강효과와 실효성에 대하여 실험적 및 해석적으로 검증하였다고 판단된다. 이는 향후에 공공시설물 혹은 공동주택과 같은 R/C 구조물의 내진보강에 사용되어 예측 불가한 대규모의 지진으로 인한 사회적∙경제적 손실을 예방하고, 지진에 대한 방재 시스템을 구축하는 과정 중 일부분으로 적용될 수 있다고 판단된다.