지진피해 철근콘크리트 건축물의 잔존 내진성능 기반 손상도 평가 방법

Abstract

2016년 및 2017년에 발생한 경주 및 포항지진 등 2번의 지진은 계기 관측 이래 첫 번째, 두 번째로 큰 규모의 지진으로 지진에 의한 시설물의 파괴 등 직접 피해(1차 피해)보다 여진에 의한 2차 피해 규모가 크게 나타났다. 2차 피해 규모의 최소화를 위해서는 지진피해를 본 건축물에 대한 즉각적인 붕괴위험도 평가 및 지진재해 대응체계가 필요하다. 지진피해 시설물 평가란 지진으로 피해가 발생한 건축물에 대하여 재난관리 단계별 건축물의 구조적 위험성 평가 및 이에 따른 관련 정보 제공을 통하여 지진피해가 발생한 건축물 및 지역의 안전을 확보하고 피해 확대 방지와 빠른 복구를 위하여 실시하는 것을 말한다. 국내의 경우, 포항 지진 발생 이후 수행된 지진피해조사는 다음과 같다.지진피해를 받은 철근콘크리트 학교 건축물의 경우, 지진피해도 판정기준(일본 건축방재협회, 2001)을 참조로 교육부 및 교육시설재난공제회에서 작성한 『철근콘크리트 학교건축물의 지진피해도 판정조사표』에 의해 건축물의 지진피해 평가를 진행하였으며 필로티 건축물의 경우, 포항시 북구 장성동에 위치하는 필로티 건축물 중 지진피해가 집중되어 나타난 지역의 건축물 131개동을 대상으로 지진 직후의 응급조사를 일본에서 제안된 철근콘크리트 건축물의 조사시트를 채용하여 필로티층의 부재별 손상도 평가는 소방방재청(2012)의 ‘지진피해 건축물 손상도 평가 및 붕괴위험도 검증을 위한 구조실험’ 및 일본 내진성능평가지침(2004)에서 제안된 수법을 참고하였다4). 일본에서 제시한 잔류 균열폭에 따른 부재의 손상도는 축소모델 및 해석을 통해 제안된 기준으로 국내 철근콘크리트 기둥 특성을 반영하지 않은 기준으로 국내 시설물의 안전성을 평가를 진행하였기 때문에 지진피해를 받은 국내 철근콘크리트 건물의 지진피해정도를 정량적으로 평가할 필요성이 대두되었다. 이에 따라, 국내 긴급 위험도 평가법의 개선을 통해 2차적인 인명피해 및 복구지연에 의한 경제적 손실을 방지하기 위한 국내 건축물 지진피해 유형에 맞는 잔존내진성능 기반 정량적 평가법의 제안이 필요한 실정이다.

본 연구는 국내 철근콘크리트 기둥 구조부재의 잔존내진성능을 비교 및 분석해 구조적 특성을 반영한 손상도 기준을 제시하여 지진 발생 직후 여진에 대한 건축물의 위험 여부를 정량적으로 평가하고 신뢰할 수 있는 긴급위험도 평가법을 제안하는 것을 목적으로 하며, 이를 달성하기 위한 전체적인 구성은 아래와 같다.

제1장에서는 연구를 수행하게 된 배경으로 긴급 위험도 평가에 대한 정량적인 평가법의 필요성을 소개하고 연구목적을 달성하기 위한 논문의 전체 구성에 관하여 기술하였다.

제2장에서는 국내·외의 긴급위험도 평가법 및 손상도 기준에 대하여 분석하였으며, 이러한 기존 현행 체계 분석을 바탕으로 본 연구의 세부적인 방향을 결정하였다.

제3장에서는 국내 철근콘크리트 기둥 유형을 조사하여 실험체를 계획하고 이를 대상으로 수행한 실험 계획 및 방법에 관해 기술하였다. 계획한 기둥 실험체를 대상으로 반복가력 및 유사동적실험에 앞서 철근 인장시험 및 콘크리트 압축강도실험을 실시하였으며, 그 결과를 분석하였다.

제 4장에서는 앞서 3장에서 계획하였던 반복가력 및 유사동적실험에 따른 실험체의 실험결과를 분석하여 기술하였다. 3장에서 대상 실험체는 지진피해 주요 피해유형 건축물을 반영하여 계획하였으며 계획한 실험방법을 기술하였다. 기술된 계획에 따라 수행된 실험결과를 분석하기 위해 반복가력실험 및 유사동적실험을 구분하여 실험결과를 분석하였다.

제 5장에서는 실험결과를 바탕으로 기존의 국내·외 손상도 기준과의 비교 및 검토를 통해 국내 기둥 특성을 반영한 손상도 기준 및 이에 따른 구조부재의 위험 수준을 제안하였다. 제안한 손상도 기준을 타당성을 검증하기 위해 국내·외 지진피해 분석자료를 기초로 하여 제안한 손상도 분류로 치환하여 분석하였다.

제 6장에서는 각 장에서의 소결을 종합하여 본 연구의 결과를 아래와 같이 도출하였다.

(1) 반복가력실험에 따른 기둥 실험체는 휨지배형 기둥을 제외 모두 최종 전단파괴를 나타내었으며, 학교 기둥 실험체는 다른 실험체 대비 동일한 층간변형각 1.0%에서 급격한 내진성능이 저하하는 경향을 확인하였다.

(2) 국외 기준에서 제시한 잔류 균열폭에 따른 잔존내진성능을 파괴모드별로 비교 및 검토한 결과, 휨-전단지배형 및 휨지배형 부재의 경우 대체로 제안된 기준은 구조 부재의 내진성능을 안전측으로 평가하고 있으나 전단지배형의 경우 잔류 균열폭 1mm 이하에서 기준 대비 낮은 잔존내진성능과 이후 부재가 전단파괴가 발생하는 것을 확인하였다.

(3) 국내 기준에서 제시한 잔류 균열폭에 따른 잔존내진성능을 비교 및 검토한 결과, 국외 기준 대비 내진성능을 전체적으로 보수적으로 평가하고 있으며 해당 기준은 국외 기준과 동일하게 전단지배형의 경우 잔류 균열폭 0.2mm 이하에서 잔존내진성능을 과대평가하고 있다. 잔류 층간 변형각에 따른 잔존내진성능을 비교 및 검토한 결과, 전단 및 휨-전단 지배형의 경우 잔류 층간변형각의 값이 미미하여 해당 기준을 파괴모드별로 제시해야 할 것이 바람직할 것으로 판단된다.

(4) 이를 바탕으로 정량적인 손상도 기준에 있어서 잔류 균열폭을 통한 잔존내진성능을 제시하고자 하였으며 기존의 손상도 5단계에서 손상도 (하·중·상) 3단계로 축소하여 제안하였으며 전단지배형 부재의 손상도 ‘하’에 해당하는 내진성능 저감계수의 값을 안전측으로 평가하고자 하였다. 제안한 손상도 기준의 타당성 검토를 위해 기존 지진피해 분석자료를 제안한 기준으로 치환하여 분석한 결과, 실제 대비 보수적인 결과가 도출되어 제안한 손상도 기준의 타당성을 검증하였다.

이상의 연구결과를 통해 제안한 손상도 및 위험수준 평가기준은 안전측으로 건축물의 위험도를 평가하여 타당성을 검증하였다. 본 연구에서 수행된 실험을 통해 국내 구조적 특성을 반영한 손상도 기준 및 이에 따른 위험수준을 제안하였으며, 지진피해를 받은 건축물의 지진피해정도를 정량적으로 평가할 수 있는 기반을 확보할 수 있었다. 이와 관련된 연구 및 국내 철근콘크리트 기둥 해석 시 유용하게 활용될 것으로 판단된다|Research to quantitatively evaluate the degree of earthquake damage has been recently required in Korea due to RC buildings affected by the 2016 Gyeongju and 2017 Pohang earthquakes. In this study, a total of 12 specimens, targeted to Korean RC columns, that controlled by shear, flexure, and flexural-shear were designed and manufactured. The cycling loading and pseudo-dynamic tests were conducted to investigate the characteristics of earthquake damage, including crack pattern, crack width, residual inter-story drift ratio, and residual seismic performance. Based on the experimental results, the relationships between the damage class represented by residual crack widths and the seismic capacity reduction factor corresponding to residual seismic capacity for columns were derived experimentally. Therefore, the factor η corresponding to each damage class of the reinforced concrete column was proposed. Accordingly, based on the analysis data of domestic and foreign earthquake damage, the existing damage degree was replaced with the proposed damage level classification in this study and analyzed. Conservative results compared to actual earthquake damage class were confirmed, and risk level evaluation standard for post-earthquake evaluation methodology was newly proposed.