Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.6 pp.70-77
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.6.070

Seismic Performance Assessment of Non-seismically Middle and Low-rise Buildings with Corewall

Lee Sun-Ki1,Kim Dae-Jin2,Lee Taek-Hyun3,Choi Ki-Bong4,Kim Sun-Hee5
1Korea Rail Network Authority, Seoul, Korea
2The master’ course, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seongnam-si, Korea
3Master, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seongnam-si, Korea
4Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seongnam-si, Korea
5Assistant Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seongnam-si, Korea
Corresponding author: Kim, Sun-Hee Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seongnam-si, 13120, Korea. Tel: +82-31-750-4718 Fax: +82-31-757-5837, E-mail: shkim@gachon.ac.kr
October 28, 2019 November 14, 2019 November 14, 2019

Abstract


In this study, the middle and low-rise buildings of RC rahmen + core wall structure type designed before 1988 were selected, seismic performance level of current buildings was confirmed through seismic performance assessment, The performance of each method was compared. The seismic performance of the middle corewall structure and the side core structure with no retrofit were both collapse prevention levels, but the performance of the two structures improved to immediate occupancy level, which is the target seismic performance level. As a result of comparing the performance by retrofit methods, wall retrofit method showed the best performance in the case of the middle corewall structure, and brace retrofit was the best in the case of the side corewall structure.



중저층 비내진 철근콘크리트 건축물의 내진성능평가에 대한 연구

이선기1,김대진2,이택현3,최기봉4,김선희5
한국철도시설공단1, 가천대학교 건축공학과 석사과정2, 가천대학교 건축공학과 석사3, 가천대학교 건축공학과 교수4, 가천대학교 건축공학과 조교수5

초록


본 연구에서는 1988년 이전에 설계된 RC라멘+코어월 구조형식의 비내진 건축물을 선정하여 내진성능평가를 통해 현 재 건축물들의 내진성능수준을 파악하고, 목표 내진성능수준에 적합하도록 보강 방안을 제시하였고, 보강방법별 성능을 비교하 였다. 보강 전 중앙코어 건축물과 측면코어 건축물의 내진성능수준은 모두 붕괴방지수준이었지만 보강 후에는 두 건축물 모두 목표 내진성능수준인 거주가능수준으로 성능이 향상되는 것으로 나타났다. 보강방법별 성능을 비교한 결과 중앙코어 건축물의 경우 벽체보강방법이 가장 성능이 우수한 것으로 나타났으며, 측면코어 건축물의 경우 가새보강방법이 가장 성능이 우수한 것 으로 나타났다.



    1. 서 론

    1970년부터 지진에 대한 계기관측을 시작한 이래, 홍성지진, 영월지진 등 중소규모의 지진이 빈번히 관측되었으며, 최근 경주, 포항에서 발생한 지진을 통해 더 이상 한반도는 지진에 대해 안전한 곳이 아 니다. 또한, 국내에서 진도 5.0이상의 지진발생 건수 는 최근 포항지진을 포함하여 총 10회 발생하여 지 속적으로 증가 추세를 보이고 있다.

    국내 건축물 내진설계 의무화가 도입(1988년)된 이후 최근 소규모 건축물까지 내진설계 의무화 대상 을 확대하고 있는 실정이다. 그러나, 1990년대 초 내 진설계기준 적용전에 건설된 건축물이나 저층 철근 콘크리트 건축물은 비내진 상세에 따라 건설되어 지 진 위험도에 따라 적절히 내진상세를 가진 건축물과 다른 지진 응답 및 피해양상을 보이고 있다.

    국토교통부에서 2015년에 조사한 자료에 의하면 내진대상 건축물 144만개 가운데 내진설계가 적용된 건축물은 47만개로 약 6.8%에 불과하다. 우리나라에 서는 1988년부터 6층 이상의 건물에 대한 내진설계 가 의무화되고 있으나, 기존 대부분의 학교시설물 및 일반건축물이 내진설계가 의무화되기 이전에 건 설된 것이 대다수이고, 내진성능평가 및 사용목표 수명의 정량적인 판단이 아직 확립되지 못한 상황이 다(Lee, 2014). 따라서, 경주지진과 같이 대규모 지진 이 발생하였을 때 기존 건축물의 내진설계에 대한 보강이 필요하다(Kwon et al., 2016).

    내진설계에 대한 보강을 위해 Kang (2011)은 철 근콘크리트 내력벽식 공동주택에 대하여 내·외부 내 력벽보강에 따른 내진성능 평가와 pushover 해석을 수행하였다. 연구결과 외부에 내력벽으로 보강하는 것보다 내부에 내력벽으로 보강하였을 때 내진성능 이 더 향상되는 것으로 확인되었다.

    Song et al. (2011)은 내진설계가 되지 않은 저층 으로 이루어진 학교시설물에 대해 5가지 내진보강기 법(내진벽, 내부 철골가새, 기둥보강, 외부 버트레스, 외부 철골가새)에 따른 3차원 동적 구조해석을 수행 하였다. 연구결과 내진성능보강효과는 내부에 내진 벽을 보강하였을 때 내진성능이 가장 향상되는 것으 로 확인되었다.

    이 연구에서는 내진설계가 되지 않은 기존 건축 물의 성능평가를 통하여 내진상태를 확인하고 지진 에 안전한 건축물을 유지하고자 내진설계가 적용되 지 않은 1988년 이전에 설계된 RC라멘과 코어월 구 조의 비내진 건축물 2개동을 샘플로 선정하여 내진 성능평가를 유한요소해석을 통해 실시하고 내진보강 방안을 제시하였다.

    2. 내진성능평가

    내진성능평가는 KISC (2011)을 이용하여 Fig. 1의순 서로 진행하는 것이 일반적이나 상위단계의 평가를 바로 수행할 경우 하위단계의 평가절차를 생략할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 2단계 상세평가를 바로 수행하였다. 2단계 상세평가는 각 보강방법에 대하 여 비선형 정적해석인 Push-over 해석을 통하여 각 재현주기의 목표성능 및 성능점을 찾아낸 뒤 부재별 성능파악과 목표성능의 층간 변위비를 판단하였다.

    구조물의 성능수행수준은 즉시거주, 인명안전, 붕 괴방지의 세 단계로 나눌수 있다. Fig. 2와 같이 즉 시 거주는 구조물에 지진이 발생하여도 건물 본래의 강성과 대부분의 강도를 유지하지만 붕괴방지에서는 건물이 극심한 피해를 입게 된다. 인명안전은 측면 변형이 일정 수준을 넘어서게 되었을 때 구조물의 강성이 저하되지만 붕괴가 발생하기 전까지 많은 변 형을 일으킬 수 있다(Lee, 2014).

    내진성능평가 방법으로는 선형해석법, 비선형해 석법이 있으며 대표적인 비선형 해석법으로는 시간 이력해석법, 정적증분해석(Push-over)법 등이 있다.

    2.1 보강전 내진성능평가 대상건축물의 개요

    내진보강이 되지 않은 대상건축물의 평면도는 Fig. 4 와 같으며 내진설계가 되어 있지 않은 철근콘크리트 조의 건축물로 각각 중앙코어와 측면코어가 있는 건 축물이며 대상건축물의 개요는 Table 1에 정리하였다.

    대상건축물의 콘크리트 강도는 18MPa이고, 철근 항복강도는 300MPa, 구조물의 부재 사이즈 및 철근 배근은 구조도면과 일람표에 의거하였다. 지반 종류 는 S4 를 적용하였고, 지진구역계수는 지진구역 1에 해당되어 0.22를 적용하였고 위험도계수는 평균재현 주기 2400년을 고려하여 2.0을 적용하였다.

    2.2 보강전 내진성능평가

    2.2.1 1단계 상세평가 결과

    중앙코어 건축물의 2단계 상세평가를 수행한 결과 보유내력의 부족으로 인해 성능점이 산정되지 못하 였다. 이로 인해 중앙코어 건축물의 경우 1단계 상 세평가를 진행하여 성능수준을 산정하였다. 중앙코 어 건축물의 1단계 상세평가 결과 인명안전 수준의 만족여부를 판단하였을 때 Table 2에서 나타낸바와 같이 연직하중 분담율이 77%로 인명안전 수준을 만 족하지 못하였고, 붕괴방지 수준은 만족하였다.

    2.2.2 2단계 상세평가 결과

    측면코어 건축물의 2단계 상세평가를 수행한 결과 건축물 1층에서의 성능수준이 가장 불리하였다. 그 중에서도 Y방향의 경우 연직하중분담비율 조건(80% 이상)이 모든 성능에서 만족하지만 X방향에 경우 연 직하중분담비율 조건(80% 이상)이 붕괴방지에서만 만족하고 건축물의 성능수준은 각 방향 중 불리한 방향의 성능수준을 건축물의 성능수준으로 산정하기 때문에 측면코어 건축물의 성능수준은 붕괴방지로 판단된다. Table 3과 Table 4는 측면코어 건축물 1층 에서의 X방향 및 Y방향 2단계 상세평가 결과이다.

    3. 내진보강방안

    대상건축물을 내진보강하여 내진성능평가를 수행하였 다. 내진해석에는 범용 구조해석 프로그램인 ‘MIDASGEN’ 을 이용하였고, 지진하중은 일반적으로 사용하 는 내진설계기준인 KDS 17 10 00에서 제공하는 응 답스펙트럼을 이용하였다.

    3.1 내진보강방법 및 위치

    중앙코어 건축물에서 벽체보강의 경우 X방향의 성 능수준이 상당히 부족하여 Fig. 4(b)와 같이 X방향 좌측하단에 두께 200mm의 철근콘크리트 내진벽을 설치하여 건물의 정형성을 유지할 수 있도록 모델링 하였다. 기둥보강의 경우 Fig. 4(a)와 같이 기둥 전층 의 단면적을 1.2배 증가시켜 모델링하였고, 가새보강 의 경우 Fig. 4(c)와 같이 철근콘크리트 내진벽과 같 은 위치에 H-250×250×9×14를 사용하여 철골가새를 설치하는 것으로 Fig. 4와 같이 모델링 하였다.

    측면코어 건축물에서는 벽체보강의 경우 코어의 위치가 왼쪽으로 치우쳐 있는 편심코어 이기 때문에 오른쪽에 상단에 Fig. 5(b)와 같이 두께 200mm의 철 근콘크리트 내진벽을 설치하여 모델링 하였다. 기둥 보강의 경우 Fig. 5(a)와 같이 기둥의 단면적을 1.2배 증가시켜 모델링하였고, 가새보강의 경우 Fig. 5(c)와 같이 철근콘크리트 내진벽과 같은 위치에 H-250×250 ×9×14를 사용하여 철골가새를 설치하는 것으로 모델 링 하였다.

    Table 5와 Table 6은 중앙코어 건축물과 측면코어 건축물의 내진보강방법과 위치를 나타낸 표이다.

    3.2 내진보강 후 내진성능평가

    3.2.1 중앙코어 건축물

    중앙코어 건축물의 경우 보강전 성능점이 잡히지 않 아 2단계 상세평가 수행이 불가능하였다. 이에 따라 내진보강을 실시한 후 보강방법별 2단계 상세평가를 수행하였다. 첫 번째로 가새보강 후 2단계 상세평가 결과는 거주가능 성능수준을 만족하는 부재의 연직 하중 분담비율은 X방향에서 88%, Y방향에서 91%로 목표로 했던 거주가능 성능수준을 만족하였다.

    두 번째로 벽체보강의 경우 가새를 설치한 위치 와 동일하게 철근콘크리트 내진벽을 설치하여 2단계 상세평가를 수행하였다. 그 결과 X방향이 Y방향에 비해 전체적으로 성능이 뛰어나게 나타났고, 거주가 능 수준에서의 연직하중 분담율이 80%이상으로 거 주가능 수준을 만족하였다.

    마지막으로 기둥보강한 건축물의 상세평가 결과 는 기둥보강 후 거주가능 성능수준을 만족하는 부재 의 연직하중 분담비율은 X방향에서 89%, Y방향에서 95%로 X방향이 Y방향보다 성능이 불리하였으나 거 주가능 수준은 만족하였다. Table 7는 중앙코어 건축 물의 보강방법 별 건축물 성능평가 결과이다.

    3.2.2 측면코어 건축물

    측면코어 건축물의 경우 KISC (2011)의 평가방식으 로 보강전 내진성능평가를 진행한 결과 목표성능수 준인 거주가능 수준을 만족하지 못하였다. 따라서, 목표성능 수준인 거주가능 수준을 만족할 수 있을 정도로 보강량을 산정하였다. 이에 따라 내진보강을 실시한 후 보강방법별 2단계 상세평가를 수행하였 다. 첫 번째로 철골 가새보강 후 2단계 상세평가를 수행한 결과 거주가능 성능수준을 만족하는 부재의 연직하중 분담비율은 X방향에서 92%, Y방향에서 89%로 목표로 했던 거주가능 성능수준을 만족하였다.

    두 번째로 벽체보강의 경우 대상건축물의 코어위 치가 왼쪽으로 치우쳐 있는 편심코어 건축물이기 때 문에 벽체보강을 오른쪽 기둥사이에 두께 200mm의 철근콘크리트 내진벽을 설치하여 모델링하였다. 모 델링을 바탕으로 2단계 상세평가를 진행한 결과 철 근콘크리트 내진벽 보강 후 거주가능 성능수준을 만 족하는 부재의 연직하중 분담비율은 X방향에서 94%, Y방향에서 100%로 목표로 했던 거주가능 성능수준 을 만족하였다.

    기둥보강한 건축물의 상세평가 결과는 기둥보강 후 거주가능 성능수준을 만족하는 부재의 연직하중 분담비율은 X방향에서 100%, Y방향에서 91%로 목 표로 했던 거주가능 성능수준을 만족하였다. Table 8 는 측면코어 건축물의 보강방법 별 건축물 성능평가 결과이다.

    3.3 내진보강 후 성능비교

    3.3.1 내진보강방법에 따른 주기 비교

    중앙코어 건축물과 측면코어 건축물에 대한 내진보 강방법에 따른 주기 해석결과를 살펴보면, Fig. 6과 Fig. 7에 나타낸 것과 같이 1~4차모드에서는 내진보 강 기법에 따라 건물의 주기가 다소 큰 차이를 보였 다. 그러나 5차 모드 이후 내진보강 기법에 따른 주 기의 차이는 거의 발생하지 않았다.

    중앙코어 건축물의 경우 보강전의 건축물에 비해 벽체보강, 가새보강, 기둥보강을 하였을 때 구조물에 발생하는 고유주기가 작아짐을 확인하였다. 또한, Fig. 7의 측면코어 건축물의 해석결과 중앙코어 건축 물에 대한 해석결과와 비슷한 양상을 보였다. 이러 한 이유는 건축물의 내진보강으로 인하여 구조물의 강성이 커져 구조물의 고유주기가 감소함을 확인하 였다.

    3.3.2 내진보강방법에 따른 층간변위비 비교

    Fig. 8과 Fig. 9는 Push-over해석을 수행한 후, 성능점 에서의 질량중심에서의 층간변위비를 나타낸 것이다.

    중앙코어 건물의 경우에는 보강전의 성능점이 산 정되지 않아 보강후의 층간변위비만을 비교하였다. 최대 층간변위비는 벽체보강을 하였을 때 0.004313, 가새보강을 하였을 때 0.005859, 기둥 보강을 하였을 때 0.005038로 나타났다. 가새보강과 벽체보강은 1층 에서 급격히 층간변위비가 증가하였고, 기둥보강의 경우는 비교적 선형의 형태를 나타냈다. 측면코어 건물의 경우 최대층간변위비로 봤을 때, 벽체보강, 기둥보강, 가새보강의 순으로 나타났다.

    측면코어 건물의 보강전 최대 층간변위비는 0.00853, 벽체보강을 하였을 때는 0.002261, 가새보강 을 하였을 때는 0.001386, 기둥 보강을 하였을 때는 0.002604를 나타냈다. 전체적으로 층간변위비는 철골 가새보강이 가장 많이 감소하고, 벽체보강, 기둥보강 의 순으로 감소율이 크게 나타나 가새보강일 경우가 층간변위비 측면에서 가장 효과적으로 나타났다.

    3.3.3 내진보강방법에 따른 성능곡선 비교

    대상 건축물의 내진보강결과, 3가지 보강기법 에 따 른 설계가속도-변위 스펙트럼에 따른 성능곡선은 Fig. 10과 Fig. 11에 나타내었다.

    보강 전 중앙코어 건축물의 성능점에서의 스펙트 럼 가속도(Sa) 0.1631, 스펙트럼 변위는 0.04131로 나 타났다. 벽체보강을 하였을 경우의 성능점에서의 스 펙트럼 가속도(Sa) 0.5243로 가장 높았고, 가새보강의 경우는 0.3993, 기둥보강을 하였을 경우가 0.2563로 나타났다. 성능곡선을 비교한 결과, 벽체보강을 하였 을 경우가 가장 유리하였고, 가새보강, 기둥보강 순 으로 결과가 나타났다.

    측면코어 건축물의 내진보강결과, 보강전 대상건 물의 성능점에서의 스펙트럼 가속도(Sa) 0.2149, 스펙 트럼 변위는 0.05502로 나타났다. 가새 보강을 하였 을 경우의 성능점에서의 스펙트럼 가속도(Sa) 0.4835 로 가장 높았고, 벽체보강의 경우는 0.3229, 기둥보 강을 하였을 경우가 0.3049로 나타났다. 성능곡선을 비교한 결과 가새보강, RC내진벽 보강, 기둥보강 순 으로 성능점에서의 스펙트럼 가속도가 높음을 확인 하였다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 중저층 규모의 일반적인 평면형태를 가지는 건축물을 대상으로 한국시설안전공단의 평가 방식에 따른 내진성능평가를 수행하였다. 평가를 수 행한 후, 3가지 보강방법(벽체보강, 가새보강, 기둥보 강)에 따라 보강 후의 성능수준을 파악하기 위해서 2단계 상세평가를 다시 수행하였고, 원하는 건축물 의 성능수준에 만족하도록 하였다. 또한, 건축물의 주기, 층간변위비, 성능곡선을 비교하여 보강방식에 따른 성능의 차이를 비교하였다. 최종적으로 도출된 결론은 다음과 같다.

    • 1) 보강 전 2개의 대상건축물에 대해서 내진성능 평가를 수행한 결과 중앙코어 건축물과 측면 코어 건축물의 내진성능수준은 모두 붕괴방지 수준인 것으로 나타났다.

    • 2) 보강 후 중앙코어 건축물의 거주가능수준에서 의 연직하중분담율은 벽체로 보강할 경우 93%로 나타났다. 이는 건축물의 성능측면에서 가장 우수한 것으로 판단되며, 가새보강과 기 둥보강도 목표로 한 거주가능수준을 만족하는 것으로 나타났다. 보강 후 측면코어 건축물의 경우 거주가능수준에서 평가한 연직하중분담 율이 기둥보강을 하였을 때 93%, 로 가장 유 리한 것으로 나타났으며, 가새보강과 벽체보 강도 목표로 한 수준을 만족하는 것으로 나타 났다. 이에 따라 보강 후 두 건축물 성능은 모두 붕괴방지에서 거주가능으로 향상되는 것 으로 나타났다.

    • 3) 보강방법(벽체보강, 가새보강, 기둥보강)에 따 른 건축물의 주기, 최대 층간변위비, 성눙곡선 을 비교한 결과, 주기 측면에서는 중앙코어와 측면코어 건축물 모두 벽체보강을 하였을 때 건축물의 강성이 크게 향상되어 건축물의 주 기가 가장 크게 감소하였다. 최대 층간변위비 측면에서는 중앙코어 건축물의 경우 벽체보강 을 하였을 때 층간변위비가 가장 많이 감소하 였고, 측면코어 건축물의 경우 가새보강을 하 였을 때 가장 많이 감소하였다. 마지막으로 성능곡선 측면에서는 중앙코어 건축물은 벽체 보강에서, 측면코어 건축물은 가새보강에서 성능점에서 스펙트럼 가속도가 가장 크게 나 타났으며, 이는 지진에 대한 구조물의 저항력 이 큼을 알 수 있다.

    • 4) 이에 따라 보강성능은 중앙코어 건축물의 경 우 벽체보강방법이 가장 유리하고, 측면코어 건축물은 가새보강방법이 가장 유리하게 나타 났다.

    감사의 글

    이 논문은 가천대학교의 연구활성화장학금 지원에 의 한 연구임.

    Figure

    KOSACS-10-6-70_F1.gif
    Performance Assessment Flowchart
    KOSACS-10-6-70_F2.gif
    Performance Assessment for Displacement of Brittle Structure
    KOSACS-10-6-70_F3.gif
    Floor plans
    KOSACS-10-6-70_F4.gif
    Modeling by Seismic Reinforcement Method of Middle Corewall
    KOSACS-10-6-70_F5.gif
    Modeling by Seismic Reinforcement Method of Side Corewall
    KOSACS-10-6-70_F6.gif
    Natural Period of Middle Corewall
    KOSACS-10-6-70_F7.gif
    Natural Period of Side Corewall
    KOSACS-10-6-70_F8.gif
    Story Drift Ratio of Middle Corewall
    KOSACS-10-6-70_F9.gif
    Story Drift Ratio of Side Corewall
    KOSACS-10-6-70_F10.gif
    Performance Curve of Middle Corewall
    KOSACS-10-6-70_F11.gif
    Performance Curve of Side Corewall

    Table

    Selected structures
    1st-level Detailed Assessment Result of Middle Corewall
    2nd-level Detailed Assessment Result of Side Corewall(X Direction)
    2nd-level Detailed Assessment Result of Side Corewall(Y Direction)
    Retrofit Method and Location of Middle Corewall
    Retrofit Method and Location of Side Corewall
    Performance Assesment of Middle Corewall
    Performance Assesment of Side Corewall

    Reference

    1. Kang, J. (2011), “Seismic Performance Evaluation According to Retrofit Techniques of Nonseismically Designed Shear Wall Type Apartment,” Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 11, No. 6, pp. 39-44 (in Korean)
    2. KDS 17 00 00 (2018), “Seismic Design Criteria,” Korean Design Standard, Korea (in Korean)
    3. Kim, M. H. (2013), Seismic Performance and Retrofit Evaluation of Neighborhood Living Facility Considering Deteroration, Master Thesis, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seongnam-si, Korea (in Korean)
    4. KISC (2011) “Seismic Assessment Methods of Existing Builings,” Korean Infrastructure Safety Corporation, Korea (in Korean)
    5. Kwon, K. H. , Shin, D. W. , and Park, B. T. (2016), “An Experimental Study on Seismic Resistance for Masonry Infilled Wall with RC, with Twisted Bar and Seismic Slit Applied,” Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 7, No, 4, pp. 30-39 (in Korean)
    6. Lee, T. H. (2014), Seismic Performance Evaluation and Retrofit of Middle and Low-rise Buildings with Core Wall, Master Thesis, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seongnam-si, Korea (in Korean)
    7. Lee, T. H. , Choi, K. B. , and Taher A. L. (2014), “Seismic Assessment of Non-Seismically Designed Reinforced Concrete Frame with Core Walls, American Journal of Applied Sciences, Vol. 11, No. 11, pp. 1892-1903.
    8. MIDAS IT (2012), Analysis Reference, MIDAS Information Technology Co., Ltd.
    9. Song, W. Y. , An, J. H. , and Park, C. S. (2011), “A Comparative Study on Seismic Retrofit Technique for Seismic Retrofit of Existing Low-Rise Building in University,” Journal of the Regional Association of Architectural Institute of Korea, Vol. 13, No 2, pp. 175-182 (in Korean)