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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.17 No.4 pp.115-122
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2017.17.4.115

Performance Based Seismic Design of Apartment Houses by Applying Seismic Rebar

Min-Joo Jo*, Seong-Yong Yu**, Ji-Yeon Kang***, Hyung-Geun Kim****
*Structure Engineering Group, I’ST Corporation
**Structure Engineering Group, I’ST Corporation
***SH Urban Research Center, Seoul Housing & Communities Corporation
****SH Urban Research Center, Seoul Housing & Communities Corporation
02-3410-851002-3410-8529hgkim@i-sh.co.kr
20171103 20171116 20171116

Abstract

In this study, performance based seismic design was performed on the shear wall structural system and the beam-column system as a variable general rebar and seismic rebar, and comparing the capacity of the two models of each system. From nonlinear analyses, the capacity of the shear wall structural system applying seismic rebar has shown a stable behavior after the maximum strength, but there is little difference. Furthermore, both models showed similar capacity between story drift and story shear force and capacity of members. These results are attributed to the fact that the seismic rebar, which is highly ductile under the seismic load applied to the target structure, does not render sufficient capacity.


공동주택의 성능기반설계 시 내진철근의 영향평가

조민주*, 유성용**, 강지연***, 김형근****
*주저자, 정회원, ㈜아이스트 부사장, 공학박사
**공동저자, 정회원, ㈜아이스트 차장
***공동저자, 정회원, 서울주택도시공사 SH도시연구원 책임연구원, 공학박사
****교신저자, 정회원, 서울주택도시공사 SH도시연구원 연구위원, 공학박사

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    17RERP-B082173-04

    1.서론

    건축구조기준(KBC2016_0520.1.5.)1)에서는 지진력 에 저항하는 부재의 철근(이하 내진철근)을 규정하 고 지진력을 받는 특수모멘트골조나 특수전단벽의 경계요소에는 내진철근을 사용하도록 규정하고 있 다. 내진철근이란 항복강도가 공칭항복강도를 120MPa 이상 초과하지 않도록 제한하여 강도편차 를 최소화하고 인장강도비(극한인장강도/항복강도) 를 1.25 이상으로 제한하여 비탄성 변형능력을 강화 시킨 철근이다. 이외에도 불순물원소(P, S)를 규제 하고 굽힘성능을 향상시킨 것이 특징이다<Fig. 1>. 이렇듯 내진철근을 규정하는 이유는 설계 시 가정 된 강도보다 현저히 높은 강도의 철근을 사용하게 될 경우 항복모멘트 발생 시보다 높은 전단력과 부 착응력이 초래되어 취성파괴에 이르게 되는 것을 방지하고, 지진발생 시 구조부재에 큰 비탄성 회전 능력을 기대하고자 함이다. 다만 이러한 내진철근은 구조적으로 신뢰성이 큰 건축 재료임에도 불구하고 탄성해석을 기반으로 하는 일반적인 구조설계 시에 는 항복비에 대한 규정이 없고, 안전율이나 경제적 인 측면에서도 내진철근 사용에 따른 장점을 부각 시킬 수가 없기 때문에 아직까지는 건설시장에서 사용이 저조한 실정이다. 그러나 최근 경주지진을 계기로 우리나라도 더 이상 지진으로부터 안전지대 가 아니라는 것이 확인됨에 따라 이제 사회안전을 위한 내진설계와 이를 뒷받침하기 위한 엄선된 구 조재료의 적용이 필요한 때라는 목소리가 높아지면 서 일각에서는 내진철근의 사용을 적극 도입하고 있는 추세이다<Fig. 2>. 따라서 본 연구에서는 공동 주택을 대상으로 내진철근 사용에 따른 성능기반 내진설계를 수행하고, 일반철근 사용 대비 구조물의 거동 특성 변화를 평가해보고자 한다.

    2.기존연구 분석

    내진철근에 대한 연구사례는 많지 않으며, 기존 연구로는 2017년 남숭현 등이 지상 28층 탑상형 공 동주택을 대상으로 일반철근과 내진철근을 사용한 성능기반 내진설계 사례연구를 보고한 바 있다2). 이 논문에서는 철근의 비선형 재료모델의 항복강도 및 인장강도를 KS D 3504에서 제시하는 하한값을 적 용하여 성능을 평가하고, 내진용 철근을 적용한 결 과 일정부분에서 내진성능이 증가되는 것을 제시하 였다. 또한 LH토지주택연구원에서는 성능기반설계 법의 도입을 위한 부재별 비선형 이력모델 개발에 관한 연구를 수행하고, 고성능 내진철근의 사용에 따른 영향을 실험 및 해석적으로 평가한 바 있다3). 이 연구에서는 내진철근의 사용이 벽체의 변형능력 에 크게 영향을 미치는 것을 실험적으로 확인하고, 벽체에 대한 비선형 이력모델의 구축을 위하여 레 이어모델을 사용하는 비선형 해석프로그램의 입력 을 위한 이력변수들을 제안하였다.

    3.연구내용

    성능기반 내진설계방법은 규정적(Prescriptive) 내 진설계의 핵심인 반응수정계수(R)에 기반한 기존의 탄성 내진설계에 비하여, 엔지니어의 합리적인 공학 적 판단과 비선형 정밀해석에 근거하여 보다 명확 한 내진성능의 확보가 가능하다. 일반적으로 국내에 서는 성능설계를 위한 비선형 구조해석은 대한건축 학회 “공동주택 성능기반 내진설계지침4)”(이하 지침) 에 따라, 기둥, 보 등의 선부재는 주로 부재 비선형 이력모델을 적용하고, 내력벽 등의 면부재는 화이버 (분포비탄성) 요소를 주로 적용한다. 지침의 재료 비선형 모델의 재료강도는 설계기준강도에 기대강 도계수를 곱한 기대강도 적용을 규정하고 있다. 특 히 철근의 기대강도계수는 한국콘크리트학회의 연 구보고서인 “콘크리트 구조물에 대한 고장력 철근 의 적용성 연구5)”에 기초하여 기대강도계수를 결정 하였다. 그러나 지침에서는 최근 개발된 인장강도비 를 1.25 이상으로 제한하여 비탄성변형성능을 향상 시킨 내진용 철근의 기대강도계수를 제시하고 있지 않다. 따라서 실무에서는 내진용 철근의 적용 시, 기대강도를 보수적으로 평가하여 적용하고 있다.

    이에 본 연구에서는 KS D 3504의 재료강도를 적 용한 선행연구와 다르게 D사의 내진용 철근에 대한 소재 시험결과와 LH연구보고서에서 제안하는 입력 변수에 기초하여, 실제 시험결과와 유사한 Multilinear 모델을 적용하여 비선형 정적 및 동적해석을 수행하였다.

    해석 대상 모델은 내력벽시스템과 보-기둥시스템 으로 총 2개동이며, 각각의 모델에 대해 일반철근과 내진철근을 변수로 하여 성능기반설계를 수행하고 일반철근 대비 내진설근의 성능평가를 실시하였다. 대상모델의 개요는 <Table 1>에 나타내었고 해석 대상 모델에 대한 기준층 평면도는 <Fig. 3>에 나타 내었다.

    4.비선형 모델의 수립

    철근에 대한 재료모델은 내진철근의 사용에 따른 영향을 명확하게 알기위해 D사의 내진 및 일반 철 근에 대한 소재 시험결과로부터 강도를 적용하고 LH연구보고서3)에서 제안하는 입력변수에 기초하 여, 실제 시험결과와 유사한 Multi-linear 모델을 작 성하였다. 벽체에 대한 콘크리트 재료모델은 비횡구 속 압축거동으로 고려하였으며 인장영역은 무시하 였다. 벽체의 경우 인장, 압축 거동은 재료 비선형 모델이 적용된 화이버(분포비탄성)요소를 적용하였 으며, 전단모델은 ASCE 41-136)의 RC Shear Wall (controlled by shear) Parameter를 적용하였고, 이 외 부재(보, 기둥)의 비선형 모델들은 지침을 준용 하였다. 일반 및 특수철근에 대한 대표 재료 비선형 모델과 벽체에 대한 비탄성전단모델을 <Fig. 4>와 <Fig. 5>에 각각 나타내었으며, 대상모델에 대한 모 델링을 <Fig. 6>에 나타내었다.

    해석모델의 모델링은 비선형 요소를 자유롭게 정 의하여 모사하여 해석이 가능한 PERFORM-3D를 사용하였다.

    5.비선형 정적해석 결과

    5.1.모델1_내력벽시스템

    모델1의 경우, Y방향의 성능곡선은 붕괴방지수준 (이하 CP)이후에도 일반철근과 내진철근 모두 안정 적인 거동을 보였으며, 철근의 종류에 따른 성능의 차이는 거의 나타나지 않았다. 다만, X방향은 초과 강도가 기준의 최소치(1.5)에 도달하기는 하나 최대 강도 이후 성능이 현저히 저하되는 것으로 나타났 는데, 이는 Y방향과는 달리 지진에 저항할 수 있는 내진벽량이 작은 것에 기인된 결과로 사료된다. 또 한 이러한 X방향 거동을 보면 철근 재료 특성에 따 라 큰 차이가 보이지는 않으나 내진철근을 사용한 경우 일반철근을 사용한 경우보다 종국 시까지 비 교적 안정적인 거동을 보이는 것으로 나타났다. 이 는 상대적으로 벽량이 적을 경우 구조물의 층간변 형각이 커짐에 따라 비탄성 변형능력이 우수한 내 진철근의 능력이 일정 부분 발현된 것으로 사료된 다. 모델1의 성능곡선과 성능검토결과는 <Fig. 7>과 <Table 2>에 나타내었다.

    5.2.모델2_보-기둥시스템

    모델2의 경우, 시스템 초과강도는 양방향에서 기 준의 최소치를 충분히 상회하는 것으로 나타났으나, 철근의 종류에 따른 성능의 차이는 거의 나타나 지 않았다. 이는 구조물의 전체적인 거동 면에서 볼 때 변형능력이 우수한 보-기둥시스템의 특성 대비 철근의 재료특성에 따른 영향정도가 미미함에 기인 된 것으로 사료된다. 모델2의 성능곡선과 성능검토 결과는 <Fig. 8>과 <Table 3>에 나타내었다.

    6.비선형 동적해석 결과

    6.1.모델1_내력벽시스템

    내력벽시스템의 일반철근모델과 내진철근모델에 대해 최대고려지진(이하 MCE) 수준의 지진파를 적 용하고 시간이력해석을 수행하여 평균 층간변위를 산정하였다. 그 결과 두 모델 모두 층간변위는 허용 치 2% 이내인 것으로 검토되었으나, 두 모델 간의 차이는 미미한 것으로 나타났다<Table 4>. 층간변 위 측정위치는 <Fig. 9>와 같고, 두 모델 간 평균값 을 비교한 그래프는 <Fig. 10>과 같다. 각 모델에 대한 평균 층전단력을 산정하고 두 모델 간 평균값 을 비교하여 <Fig. 11>에 나타내었다. 그림에서와 같이 두 모델의 평균 층전단력은 거의 동일한 것으 로 나타났다. 벽체의 축 변형률과 회전각, 전단강도 를 검토하고 일반철근과 내진철근을 비교하여 <Fig. 12> 에 나타내었으며 모두 허용기준을 만족하는 것으로 검토되었다. 두 모델 간 성능의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.

    6.2.모델2_보-기둥시스템

    보-기둥시스템의 일반철근모델과 내진철근모델에 대해서 내력벽시스템과 동일한 방법으로 시간이력 해석을 수행하고 평균 층간변위를 비교한 결과 모 두 허용치를 만족하는 것으로 검토되었으며, 두 모 델 간의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다<Table 5>. 층간변위 측정위치와 두 모델 간 평균값에 대한 비 교 그래프는 각각 <Fig. 13>과 <Fig. 14>에 나타내 었다. 두 모델에 대한 평균 층전단력을 비교하여 <Fig. 15>에 나타내었으며 결과는 두 모델이 거의 유사한 것으로 나타났다. 각각의 부재성능을 비교하 여 <Fig. 16>에 나타내었으며, 일반철근과 내진철근 모델 모두 축 변형률과 회전각, 전단변형률에 대해 허용기준을 만족하는 것으로 검토되었고, 두 모델 간 성능의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.

    7.결론

    본 연구에서는 내력벽시스템과 보-기둥시스템에 대해 일반철근과 내진철근을 변수로 성능기반 내진 설계를 수행하고, 각 시스템별 두 모델의 성능을 비 교하였다.

    비선형 정적해석 결과, 내력벽시스템에서는 상대 적으로 벽량이 작은 X방향의 경우 내진철근을 적용 했을 때 일반철근대비 종국 시에 다소 안정적인 거 동을 보이기는 하였으나 그 차이는 크지 않았으며, Y방향에서는 거동이 거의 유사한 것으로 나타났다. 또한 비선형 동적해석 결과에도 일반철근과 내진철 근 두 모델의 층간변위와 층전단력, 부재성능이 거의 유 사한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 <Fig. 12 (a)>, <Fig. 16 (a)>에서 벽체의 최대 인장 축변형률이 0.25% 수준이고 철근의 항복이 0.3%임을 고려할 때, 대상구조물에 가해진 지진하중 하에서는 연성능 력이 우수한 내진철근이 항복 이후의 보유 성능을 충분히 발현하지 못한 것에 기인한 것으로 추정된다.

    따라서 추후 지진하중의 크기나 가정단면의 철근 양 등을 변수로 추가연구를 수행하여 철근이 항복 한 이후의 거동이 구현되는 조건에서의 일반철근과 내진철근의 성능을 객관적으로 평가해 볼 필요가 있을 것으로 사료된다.

    감사의 글

    본 논문은 2017년도 국토교통부 주거환경연구사업 의 지원을 받아 수행된 연구 결과의 일부임 (과제번호 : 17RERP-B082173-04).

    Figure

    KASS-17-115_F1.gif

    Re-bar for earthquake-proof

    KASS-17-115_F2.gif

    Gyeongju earthquake damage case

    KASS-17-115_F3.gif

    Standard floor plan for object models

    KASS-17-115_F4.gif

    Non-linear model of re-bar

    KASS-17-115_F5.gif

    Inelastic shear model of wall

    KASS-17-115_F6.gif

    Analysis modeling for object models

    KASS-17-115_F7.gif

    Pushover curve of model 1

    KASS-17-115_F8.gif

    Pushover curve of model 1

    KASS-17-115_F9.gif

    Measured point of story drift

    KASS-17-115_F10.gif

    Mean story drift compare

    KASS-17-115_F11.gif

    Mean story shear force compare

    KASS-17-115_F12.gif

    Member capacity evaluation

    KASS-17-115_F13.gif

    Measured point of story drift

    KASS-17-115_F14.gif

    Mean story drift compare

    KASS-17-115_F15.gif

    Mean story shear force compare

    KASS-17-115_F16.gif

    Member capacity evaluation

    Table

    Analysis object models

    Pushover in CP level of model 1

    Pushover in CP level of model 2

    THA drift results of model 1

    THA drift results of model 2

    Reference

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