프리캐스트 보강블록 날개벽을 적용한 RC 건축물의 내진성능평가

Abstract

국 문 요 지

최근 국내에서는 2016년 경주 및 2017년 포항지진 이후 지진대책(내진보강)에 대한 중요성이 고조되고 있으며, 전단벽 신설공법, 철골브레이스 삽입법, 외부 골조 버트리스 신설법 등 기존 재래식 내진보강법 및 FRP (Fiber reinforced polymers) 시트 보강법 등 복합 신소재를 이용한 내진보강공법은 국내 비내진상세를 가지는 철근콘크리트 (이하, RC) 건물에 적용하기에는 많은 단점들을 내포하고 있다. 따라서 기존 RC 건축물에 적용되고 있는 다양한 보강법들의 단점을 개선하기 위한 PC 공법들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, PC 패널을 적용한 보강법의 경우, 내진보강용 PC unit의 중량이 10∼20 kN이상의 중량으로 현장시공시 대형 양중장비 필요하며 PC Unit이 일반적으로 일체로 제작되기에 PC Unit의 규격에 의해 차량 당 운반개수가 제한되어 현장 운송비용 증가하며, 기존 구조체와의 접합방법이 다소 복잡하고 접합부가 국부적으로 한정되어 공정의 비효율성 및 접합부 응력집중 등의 문제점들이 있는 실정이다.

본 연구에서는 기존 PC 패널 내진보강공법의 단점을 보완하고 극복할 수 있음과 동시에 기존 RC 건축물에 효과적으로 적용 가능한 PC 보강블록 날개벽 내진보강공법을 제안함과 동시에 PC 보강블록 날개벽 보강공법의 내진성능을 실물 2층 유사동적 골조실험 및 비선형해석을 통하여 평가하였다. 본 연구를 위하여 한양대학교 초대형 구조실험동에서 구축한 유사동적실험 시스템을 이용하여 기존 비내진상세를 가지는 RC 학교건축물을 바탕으로 한 실물 2층 골조 실험체를 대상으로 유사동적실험을 실시하여, PC 보강블록 날개벽의 기존 RC 건축물 적용 시의 내진보강효과, 즉 복원력 특성, 지진응답 제어능력을 검증함과 동시에 재료시험 및 유사동적실험 결과를 바탕으로 평가하였다.

무보강 골조는 Hachinohe.EW 200 cm/s2 입력지진동에서 전단파괴로 인한 붕괴수준의 피해를 나타내었지만, PCWW 내진보강을 적용한 골조는 무보강 골조 대비 약 62% 이상의 변위가 억제되었으며, 피해수준도 붕괴수준의 피해에서 소규모 피해로 억제됨을 확인하였다. PC 보강블록 날개벽 내진보강공법의 상세한 내진성능을 검토하기 위하여 비선형 해석을 위한 복원력 특성을 제안하였으며, 제안한 복원력 특성을 바탕으로 비선형 동적해석을 실시하여 유사동적실험 결과와 비교 및 분석하였다. 비교분석결과 유사동적실험 결과와 비선형동적해석결과의 최대하중 및 최대변위의 오차율은 약 10% 이내로 나타나 해석모델링의 타당성을 검증하였다. PC 보강블록 날개벽 내진보강공법의 국내 기준에서 제시한 설계스펙트럼에 대한 내진성능을 추가적으로 검토하기 위하여 검증된 해석모델링에 기반하여 국내 기준에서 제시하는 스펙트럼과 유사한 입력지진동 El Centro.NS 및 Taft.NS 200 cm/sec2, 300 cm/sec2 및 400 cm/sec2에 대한 해석을 수행하였으며, MCE (2400년 재현주기) 수준 300gal 및 4/3배인 400gal에서도 교육부 (2021)에서 제시하는 LS 수준의 내진성능을 만족한 것이 확인되어 내진성능의 효율성이 확인되었다. 유사동적실험 및 비선형 동적해석을 통해 검증된 PCWW 내진보강공법의 보강효과 재검증을 위한 유한요소 해석모델을 제안함과 동시에 제안한 유한요소 해석모델을 바탕으로 PCWW의 단면상세 및 지점조건의 변화에 따른 해석을 수행하였다. 단면 및 지점조건에 따른 해석 결과 내진성능이 개선됨을 통해 PCWW 내진보강공법에 대한 유효성을 검증하였다. PCWW 내진보강공법의 설계법을 제안하였으며, 구축된 복원력 특성을 기반으로 대상 비내진상세 건축물 전체의 비선형 해석 모델을 구축하였으며, 내진보강을 위한 내진보강량, 보강 개소 및 위치를 산정하였다. 보강 전·후의 건축물 전체에 대한 비선형동적해석을 수행하였고, 하중-변위 및 시간이력 곡선, 부재연성률 및 피해도 판정을 비교분석하여 PCWW 내진보강공법의 보강효과를 검증하였다.