지진피해를 받은 철근콘크리트 건축물의 잔존내진성능저감계수 제안

Abstract

1. 서론 지진피해 건축물 위험도 평가의 의미는 지진으로 인하여 건축물의 지진피해가 발생한 경우 여진 등으로 인한 2차 피해를 방지하기 위해 건축물의 사용가능 여부 등에 대한 위험도를 평가하는 것이다. 국내에서는 2016년 경주 및 2017년 포항 지진을 포함하여 국내 지진 발생 빈도가 꾸준히 증가됨에 따라 2차 피해 확산 방지와 지진피해 건축물 위험도 평가에 대한 중요성이 고조되었다. 기존 연구 문헌에서는 국내 철근콘크리트 (이하, R/C) 기둥 특성을 반영한 손상도 평가 핵심사항인 잔존내진성능저감계수를 제안하기 위하여 경주 및 포항지진시 많은 피해를 입었던 R/C 건축물을 대상으로 실험 대상을 선정하였다. 1980년대 표준 도면에 기초한 학교 건축물, 국내 필로티 건축물을 포함하여 현행 내진설계기준을 반영한 R/C 기둥을 대상으로 반복가력 및 유사동적실험을 실시하여 잔존내진성능에 대하여 검토하였다. 그러나, R/C 부재의 지진에 대한 동적거동은 입력지진파의 응답 특성에 따라 균열폭과 잔존내진성능 및 파괴양상이 다양하게 나타난다. 기존연구에서는 중·저층 R/C 건축물에 대하여 큰 응답을 나타나는 Hachinohe (EW)와 평균적인 응답을 나타내는 El centro (NS), 2가지 경우에 대해서만 실험을 실시하여 잔존내진성능저감계수를 제안하였다. 본 연구에서는 상기와 같이 기존연구3)에서의 국소적인 입력지진파에 대한 잔존내진성능저감계수의 한계를 극복하고, 다양한 지진파를 고려한 지진피해 건축물 위험도 평가에 중요한 위치를 차지하는 지진피해 R/C 건축물의 잔존내진성능저감계수를 제시하고자 유사동적실험을 포함한 유한요소해석을 실시하였다. 최종적으로 해석 및 실험 결과를 바탕으로 실용화가 가능한 최적화된 잔존내진성능저감계수를 제안하고자 한다.

2. 기존 연구 분석 및 연구내용

2.1 국내 내진성능평가법 손상도 평가의 경우 Table 1.1에 나타낸 것처럼, 총 5단계로 구성되어 층간 변형률과 최대 잔류 균열폭으로 손상 정도를 분류한다. 5단계는 미세한 휨균열, 휨/전단 균열, 콘크리트 일부 박락/탈락, 콘크리트 압괴, 큰 전단 어긋남 및 철근 좌굴로 손상 상태를 분류하여 구성되어 있다. 이 중 제시된 부재의 최대잔존균열폭에 따른 손상도 평가는 일본건축방재협회(이하, JBDPA)의 손상도 평가 기준에 의하여 제시된 기준에서 이후 국내 내진특성을 반영한 철근콘크리트의 정적실험을 바탕으로 제시된 연구 기준이다.

2.2 기존 연구 연구문헌의 경우, 국내 지진피해 건축물에 대하여 응답 특성과 손상도 평가의 실험적 기초자료를 확보하고자 실시한 연구이다. 본 연구는 포항 지진 당시 큰 지진피해가 발생한 학교 건축물, 필로티 건축물의 기둥 및 내진설계기준을 반영한 기둥의 유형에 대하여 연구를 진행하였다. 반복가력실험을 포함하여, 실제 지진 거동시의 기둥의 특성을 파악하고자 유사동적실험을 실시하였다. 유사동적실험의 경우 지진응답 스펙트럼 중 일반적인 응답특성을 나타내는 El centro (NS)와 중저층 R/C 건축물에 큰 지진응답 특성을 나타내는 Hachinohe (EW)를 선정하였다.

(1) 학교 기둥 RC-S 경주 및 포항 지진 당시 대한건축학회 보고서6)에 따르면 진앙지에 가까운 H 초등학교를 포함하여 많은 비내진상세를 가지는 1988년도 표준 다형 학교 건축물에서 피해를 입은 것을 고려하여 기둥의 상세를 선정하였다. (2) 필로티 기둥 RC-P 필로티 기둥 또한 학교 기둥과 동일하게 대한건축학회 보고서6)에 의하면 포항시 장성동 일대의 필로티 건축물에 대하여 많은 피해가 일어나, 해당 131개동에 대하여 통계분석을 실시하게 기둥의 상세를 선정하였다. (3) 휨 기둥 RC-F 현행 내진설계 기둥은 필로티 기둥의 동일한 단면 400*600(mm*mm) 사이즈에 내진설계 기준을 반영하여 설계하였다. 전단 보강근에는 135°갈고리근을 반영하여 100mm 간격으로 배근하였다.

2.3 연구내용 및 범위 본 연구에서는 2.2장에 나타난 실험을 기반으로 유한요소해석을 실시하고 실험결과와 유한요소해석 결과를 비교하였다. 또한 이러한 결과를 바탕으로 유한요소해석에 따른 지진피해 R/C 기둥의 잔존내진성능저감계수를 최종적으로 제안하였다.

3. 유한요소해석 및 결과

3.1 유한요소해석 계획 Fig. 3.1에서 알 수 있듯이 기존 연구에서는 실험체의 성능을 확인하기 위하여 축하중가 역대칭 모멘트를 동시에 받도록 계획하였다. 실험체 중앙에서 모멘트가 ‘0’이 되도록 계획하기 위해서 가력 프레임 양 옆에 수평유지장치를 설치하였다. 해석에서 이와 동일하게 반영하기 위하여 해석 모델링의 중앙에서 모멘트가 ‘0’이 되도록 동일하게 계획하였다. 실험의 경우 실험체의 미끄러짐과 변위를 방지하기 위하여 상하부 스터브 (Stub) 양 옆에 스토퍼 (Stopper)를 설치하여 고정하였다. 해석 또한 이와 동일한 효과를 위하여 해석 모델의 하부 스터브 (Stub)에 힌지 (Hinge)를 설치하여 미끄러짐과 변위를 방지하였다. 실험에서는 실험체의 물리적 손상을 방지하고 정확한 가력을 위하여 로딩 프레임 (Loading frame)을 설치하여 가력하였다. 해석상의 로딩 프레임의 경우 강체(Rigid)로 설정하여 로딩 프레임에서의 변형이 생기지 않도록 계획하였다.

3.2 유한요소해석 모델

(1) 콘크리트 재료 모델 콘크리트 압축 모델의 경우 Popovics(1973)가 제안한 식을 해석에 적용하였다. 다음과 같은 식에 의하여 콘크리트 압축 응력을 산출하게 되며, 콘크리트의 최대 1축 압축강도에 따라 거동 특성이 다르게 나타난다. 콘크리트 인장모델의 경우 최대 인장응력에 도달하기 전에는 선형으로 거동하다, 이후에 Yamamoto (1999)의 비선형 관계식에 의하여 거동되도록 모델을 선정하였다. (2) 철근 재료 모델 철근 모델의 경우 Seckin(1981)을 사용하였다. 이 모델의 경우 Bauschinger effect를 포함하는 특성이 있다. P(Strain-hardening)에 따라 최대 변형률 도달하는 거동이 달라지며, 본 모델의 관계식은 Ramberg-Osgood 모델에 기반하여 나타난다.

3.2 해석 방법

(1) 비선형정적해석 기존 연구에서는 ACI 374.1-05의 기준에 맞추어 특정 반복 하중을 가함으로 실험체의 이력거동, 연성능력, 에너지소산능력을 파악했다.해당 변위에 대하여 3 cycle씩 점진 반복가력을 하였다. 유한요소해석에서는 VecTor2의 유한요소해석 프로그램 한계로 인하여 ACI 와 완전히 동일하게 이력은 불가하였다. VecTor2 유한요소해석 프로그램에서는 점진 반복가력은 가능하나, 각 Cycle간의 증분 조건을 별도로 지정하는 것이 불가하다. 따라서 각 기둥별 파괴 특성을 고려하여 가력을 실시하였다. (2) 비선형동적해석 부재의 비탄성 지진응답을 예측, 평가하기 위해서 사용되는 동적실험의 경우 진동대실험 (Shaking table Test), 준정적실험 (Quasi-static Test), 유사동적실험 (Pseudo-Dynamic Test)이 있다. 기존 연구에서는 진동대실험시 축소모델사용의 불가피, 준정적실험의 시간별 동적 특성 파악 어려움 등의 문제를 고려하여 유사동적실험으로 실험체의 내진성능평가를 실시하였다. 본 연구에서는 유사동적실험과 비선형동적 유한요소해석의 방법이 Newmark β 이론을 바탕으로 실험체와 모델의 복원력을 산정한다는 점을 고려하여 실험과 해석을 비교해보고자 한다. 입력 지진파의 경우 기존 연구와 동일하게 입력을 하였다. 주기 0.3-0.5(sec)에서 높은 응답을 나타내는 Hachinohe (EW)를 포함하여 지진파 중에서 일반적인 응답을 나타내는 El centro (NS)를 선정하였다. 해당 지진파의 크기는 기존 연구와 같은 크기로 입력하여 해석을 진행하였다. 실험체별 입력지진파에 대한 정보는 Table 3.1과 같다.

3.3 비선형정적해석 결과

(1) 균열 및 파괴 양상 비교 전단기둥(RC-S)의 반복가력실험의 경우 초기 0.2%에서 미세한 휨균열을 보이지만, 유한요소해석에서는 초기에서부터 전단균열을 보이고 있다. 사진에서 해석과 실험간의 균열 발생 위치, 균열 패턴 등을 비교 할 수 있다. 필로티 기둥(RC-P)실험과 해석결과 동일하게 초기 0.5%에서 미세한 휨균열을 나타내다, 그 이후 전단균열이 나타난 것을 확인 할 수 있다. 실험체의 1.5%에서 부착균열을 포함하여 최종 콘크리트의 압괴까지 해석상에서 파괴양상을 잘 나타내고 있는 것을 확인 할 수 있다. 휨 기둥(RC-F)의 실험에서는 2.0%에서부터 콘크리트의부착균열이 나타난 것을 확인 할 수 있지만, 해석에서는 보다 일찍 1.0%에서 부착균열 양상이 나타났다. 이외에 균열 패턴과 파괴 양상은 사진에서 알 수 있듯이 실험과 유사하게 진행하는 것을 확인 할 수 있다. (2) 하중-변위 곡선 유한요소해석에서 변위는 실험에서 LVDT를 사용하여 계측되는 변위 지점과 동일한 element를 선정하여 도출하였다. 최대 강도(Vmax)의 0.8에 해당하는 시점을 극한 변위(Δmax)로 정의하였으며, 항복 변위(Δy)와 항복 강도(Vy)도 동일하게 해석 상에서 인장철근이 항복하는 시점으로 산정하였다. 해당 결과값을 부재별로 표에 정리하였다. 전단 기둥(RC-S)의 경우 실험에서는 층간변형률 1.5% 일 때, 1cycle 후에 전단파괴가 일어났지만, 해석 상에서는 사진에서 하중-변위 곡선을 보면 알 수 있듯이 층간변형률 1.5%의 1cycle을 시작하기 전에 전단파괴가 나타난 것을 알 수 있다. 이에 본 연구에서는 전단 기둥의 Cyclic인 층간변형률.5%를 제외하고 최대 강도와 극한 변위를 비교하였다. (3) 누적소산에너지 비선형정적 유한요소해석 결과에서 나온 하중-변위 곡선에 대하여 각 사이클별 누적소산에너지을 산출하였다. 실험에서 얻어진 하중-변위 곡선의 전체 누적소산에너지비교하기에는 앞장 3.2에서 언급한 가력방법의 차이로 인하여, 실험 데이터에서는 유한요소해석과 동일한 가력 사이클에 대해서만 산출하였다. 산출 방법은 보이는 Fig 3.10과 같다. 각 실험-해석별 누적소산에너지 비교는 Fig 3.11와 같다. (4) 잔존내진성능저감계수 구조물의 손상도 평가 시 소산에너지 또는 잔류에너지를 확인하는 지표 중에 하나로, 내진성능저감계수(η)이다. 이는 하중-변위 곡선을 바탕으로 산출하게 된다. 각 실험체 별로 층간변형각-내진성능저감계수을 Fig 3.13에 비교하고 잔존내진성능을 Table 3.6에 정리하였다. 전단 기둥 FEA의 층간변형률 0.2(%)에 해당하는 값은 가력조건의 차이로 0.25(%)의 값을 기재하였다.

3.4 비선형동적해석 결과

(1) 균열 및 파괴양상 비교 전단 기둥의 Hachinohe(EW) 150gal (RC-S-H)은 실험에서는 2.86(sec)에 실험에서는 미세한 휨균열, 이후에 전단 균열로 진행되었지만, 해석에서는 전단균열로 나타났다. El centro(NS) 250gal(RC-S-E)은 실험에서는 1.50(sec)에서 전단 균열로 진행이 되었으나, 해석에서는 1.41(sec)부터 전단 균열로 나타난 것을 확인 할 수 있다. 필로티 기둥의 Hachinohe(EW) 200gal (RC-P-H)은 실험에서는 3.21(sec)부터, 해석에서는 2.32(sec)부터 전단 균열로 나타났다. El centro(NS) 250gal (RC-P-E) 실험에서는 1.55(sec)에 미세한 전단 균열이, 해석에서는 전단 균열이 나타났다. 휨 기둥의 Hachinohe(EW) 250gal (RC-F-H)은 초기 0.61(sec)를 제외하고는 실험과 해석상의 균열의 위치 및 크기,방향을 비교하였을 때 유사한 것을 확인 할 수 있다. El centro(NS) 350gal (RC-F-E)은 유사한 양상으로 균열이 진행된 것을 확인 할 수 있었다. 각 부재, 지진파별 최종파괴양상은 사진과 같다. (2) 하중-변위 및 시간 이력 곡선 각 부재, 지진파에 따른 실험과 해석간의 하중-변위 및 시간-이력 곡선을 사진에 나타내었다. 전단기둥의 유사동적실험과 비선형동적 유한요소해석간의 비교에서는 Crack Point 이후에 하중이 비교적 정확하게 모사가 되지 않았으나, 강성과 변위에서 정확도가 높은 것을 확인 할 수 있다. 필로티와 휨 기둥의 경우 하중-변위를 포함하여 시간 이력에 따른 변위를 잘 모사하고 있음을 확인 할 수 있다. 실험과 해석 상에서 정가력, 부가력에 해당하는 최대 변위, 최대 내력을 각 부재, 지진파에 대하여 표에 정리하였다. (3) 추가 지진파 해석 반복가력실험 및 유사동적실험과 유한요소해석간의 비교로 해석의 어느정도 타당성과 실험에서의 이력거동을 모사하고 있다고 판단하여, 다양한 지진파에 대해 실험체의 응답을 확인하고자 추가적으로 해석을 실시하였다. 추가적인 해석에 사용한 지진파는 실험을 바탕으로 실시된 지진파 외의 수평 성분인 Hachinohe(NS)와 El centro(EW)를 해석에 사용하였다. Taft의 수평지진파 (EW, NS)를 포함하여, 본 연구의 목적에 맞추어 국내 지진에 대한 응답특성을 확인하고자 2018년 포항지진파의 수평지진파(EW, NS)를 사용하여 해석을 실시하였다. 0.1-0.6(sec) 주기에 대하여 고르게 분포하게 추가 지진파를 구성하였다. Hachiohe(NS)와 El centro(EW)의 경우 실험에서 실시하였던 동일 수평지진파와 동일한 지반가속도를 설정하였다. 필로티 기둥의 Hachinohe(NS), 휨 기둥의 두 지진파에 대하여 에너지 소산이 미비한 것으로 판단되어 추가 가력하여 실시하였다. 이외의 지진파의 경우 부재가 항복하기 직전까지 지반가속도를 설정하여 해석을 실시하였다.

4. 기준 검토 및 제안

철근콘크리트 기둥의 최대 잔류 균열폭에 따른 내진성능저감계수(Seismic Capacity Reduction Factor, η)에 대하여일본(JBDPA)와 국립재난안전원(NDMI)에서 제시한 기준을 파괴모드별 실험 및 해석 결과와 비교하였다. JBDPA의 경우 전단, 휨-전단, 휨 3가지 경우에 대하여 기준을 제시하였으며, NDMI의 경우 전단, 휨 2가지 경우에 제시하였다. 비교한 사진은 다음과 같으며, 기존에 제시된 기준과 실험 및 해석 결과를 바탕으로 본 연구에서 제시하는 기준은 다음 사진, 표와 같다.

5. 결론

본 연구에서는 포항지진시 피해를 입은 R/C 기둥에 대하여 실물크기의 반복가력 및 유사동적실험을 하였던 기존 연구를 바탕으로 비선형정적 및 비선형동적 유한요소해석을 실시하였다. 구축한 유한요소해석을 바탕으로 다양한 지진파에 따른 잔존내진성능을 비교 및 분석하여 잔존내진성능저감계수를 제안하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 반복가력실험-비선형정적해석 간의 비교를 한 결과 하중-변위, 에너지소산을, 유사동적실험-비선형동적해석 간의 비교를 한 결과 하중-변위, 시간 이력을 해석상에서 잘 모사하고 있음을 확인할 수 있었다. (2) 전단 부재의 경우 균열폭 1mm 이하(손상도 Ⅰ, Ⅱ)에서는 급격한 내진성능저하에 따른 기준 대비 낮은 잔존내진성능을 확인할 수 있었다. 휨-전단 부재의 경우 균열폭 0.2mm 초과 1mm 이하(손상도 Ⅱ)에서 급격한 내진성능저하로 인하여 0.2mm 초과 2mm 이하(손상도 Ⅲ)에서 기준 대비 낮은 잔존내진성능을 확인할 수 있었다. 휨기둥 JBDPA 기준의 경우 균열폭 0.2mm 초과시 전체적으로 큰 잔존내진성능을 제시하고 있음을 확인 할 수 있었다. (3) 실험과 다양한 지진파를 고려한 해석 결과를 고려하여 국내 철근콘크리트 기둥의 잔존내진성능저감계수를 제안하였다. (4) 본 연구에서 기존 연구에서 수행한 국내 R/C 기둥의 구조적 특성을 반영한 연구를 바탕으로 다양한 지진파를 고려하여 잔존내진성능저감계수를 제안하였다. 포항지진과 같은 국내 유사 지진 발생시, 본 연구를 바탕으로 빠른 대응과 원인파악을 할 수 있는 기술로서 충분히 활용할 수 있을 것이라고 판단된다.