1. 서 론

최근 세계 각국에서 지진의 발생이 급증하고, 우리나라도 2016년9월에 발생한 경주지진과 2017년 포항지진이 발생한 후로 크고 작은 지진들로 인해 건물 피해가 발생되고 있다. 그 중에서도 재난이 발생 했을 때 중요한 역할을 하는 공공기관 및 학교 건물은 내진성능 평가에 따라 내진 보강이 중요해졌다(KMA 2018). 현재 학교 건물에 대한 보강들이 내부보강형, 외부보강형, 제진공법 등으로 활발히 이루어지고 있다. 기존의 학교 건물들은 지진 발생시 어떠한 피해가 발생할지 알 수가 없으므로 정확한 내진성능 평가를 통해 부족한 내진성능을 파악한 후 적절한 보강방안을 선정해야 할 것이다. 기존 철근콘크리트 건물의 내진보강공법으로 강도 보강공법, 변형능력향상법, 면진장치, 제진장치를 이용한 많은 공법들이 제안되고 있다(FEMA 2000; JBPDA 2017).⁽³⁾ 국내 비내진 상세를 가지는 전단파괴형 중･저층 철근콘크리트 건물의 내진성능 향상으로 강도 증진법이 보다 효율적인 내진보강방법으로 연구되어왔다 (Lee et al , 2002). 건물의 전단보강으로는 단면증설, 강판보강, 섬유복합체 보강 등이 있으나 개소수가 많아지면 시공성과 경제성이 떨어져 적용 사례는 많지 않고 주로 전단벽, 날개벽, 골조신설, 끼움골조, 철골 가새 등의 시스템 보강 공법이 주로 내진보강에 적용되고 있다. 본 연구에서는 여러 보강 공법 중에서도 내부 보강형으로 내부에 끼움가새골조 설치로 보강한 철근 콘크리트 골조의 가새-높이비에 따른 내진성능에 대한 평가를 하고자 한다. 기존의 실험 해석 모델의 거동특성과 반복가력해석 결과를 비교하여 해석 모델의 적정성을 확인하고, 제안한 모델의 가새- 높이비에 대한 최대전단력 및 변위의 변화에 대해 비교 분석하고자 한다. 또한 가새를 설치한 끼움가새골조를 실제 학교 건축물에 적용하고 비선형 정적 해석(Push-over)을 통하여 가새- 높이비에 따른 내진성능을 평가 수행하여 이에 따른 끼움가새골조의 적절한 가새-높이비에 대해 비교 검토하고자 한다.

2. 철골 가새골조의 해석 모델

3. 철골 가새골조의 가새-높이비에 따른 보강효과

기존의 학교 건물에 적용하여 가새-높이비에 따른 철골 가새골조의 보강효과를 밝혀낸다. 대상건축물은 1980년대 건축된 표준적인 학교건물로써, 일자형 철근콘크리트 보통 모멘트 골조이다. 콘크리트의 설계기준강도는 21 MPa, 철근의 항복강도 240 MPa이며 층고 3.3 m이다 (Lee et al, 2002). Fig. 7의 1층 1경간에 대하여 Fig. 8과 같은 철골끼움 가새골조로써 보강하고 CANNY를 이용하여 비선형해석을 수행한다.

끼움가새골조는 Table 3과 같이 가새-높이비를 0.1 ~ 0.5까지 변화시키며 적용한다. 기둥 순길이에 대하여 반복가력방식으로 , 가새-높이비(H/L)에 따른 내진보강의 효과를 비교 분석하고자 한다. 반복가력에 대한 힘-변형 곡선은 Fig. 9(a) ~ (d)와 같다. Fig. 9(a)는 무가새의 철골보강골조의 이력곡선으로 최대 전단력은 정가력 213.56 kN으로 무보강 철근콘크리트 골조에 비해 약 2.9배의 최대전단력을 나타내고 있으나 변형에서 차이를 나타내는 것을 알 수 있다. Fig. 9(b)는 Model - 1(H/L = 0.1) 에 대한 이력곡선으로 최대전단력 정가력시 264.85 kN 으로 최대변형이 410mm로 나타난다.

Fig. 9(c)는 Model-3 ( H/L = 0.3)에 대한 힘-변위 이력곡선으로 정가력시 508.02 kN 으로 나타내며 Fig. 9(d)는 Model-5 ( H/L = 0.5)에 대한 힘-변위 이력곡선으로 정가력시 636.56 kN으로 최대 전단력의 증가가 나타난다. 그러나, 무가새골조의 최대변위 340 mm에서 Model-5 ( H/L = 0.5)의 최대변위 60 mm로 크게 줄어 든다. 따라서, 가새 높이에 따른 최대 전단력의 증가는 변위에 영향을 주므로 적정한 가새의 높이비가 요구됨을 알 수 있다. Fig. 10은 가새-높이비에 대한 무가새골조, Model-1, Model-3 Model-5의 이력곡선에 대한 포락곡선으로 각 모델의 최대전단력과 최대변위의 관계를 나타내고 있다. 가새의 높이가 증가함에 따라 최대전단력의 증가가 확인되지만 변위에서 전단력이 증가함에 따라 변위량의 감소가 각 모델별로 보여 지고 있다. Table 4는 무보강 철근콘크리트 골조, 무가새 철골 보강골조, 가새-높이비에 대한 철골 가새골조의 Model –1~5의 최대 전단력 및 최대 변위와 무가새골조와의 각 모델에 대한 비교를 나타내고 있다. Fig. 11(a)는 최대전단력의 변화 곡선으로 가새-높이비 0.2~ 0.3사이에서 최대 전단력이 크게 증가하고 있다. Fig. 11(b)는 최대 변위의 감소가 가새비 0.3이상일 때 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다.

4. 철골 끼움가새골조의 적용성을 위한 구조 해석

대상건축물 Fig. 7을 철골끼움가새골조 Fig. 8로써 보강하여 내진성능을 비교 검토한다. MIDAS-GEN을 사용하여 비선형정적해석을 수행하고 ‘학교시설 내진성능평가 및 보강(교육부 2019)’에 따라서 상세평가를 한다. 무보강골조 대비 내진보강 골조의 순수보강효과를 확인하기 위하여 조적조 허리벽이 없는 모멘트골조로 Y1열과 Y3열에 가새를 보강하여 Fig. 12과 같이 모델링하였다. 해석에 사용된 지진설계변수는 Table 5와 같다. 무보강과 철골골조보강 및 철골가새골조보강에 대한 비선형정적해석으로 구한 최대전단력과 횡변위를 비교하면 Table 6과 같다.

가새 보강의 효과로 가새-높이비( H/L )가 커질수록 횡강성이 커지면서 최대 전단력이 증가하지만 변위는 감소하는 결과를 보이고 있으며 CANNY를 이용하여 해석한 1경간에 대한 비선형해석의 결과와 일치하는 것을 알 수 있다.

Fig. 13은 무보강 철근콘크리트 학교건축물과 무가새 철골골조 및 가새 철골골조의 성능곡선과 요구곡선에 따른 각각의 성능점을 확인할 수 있다. Table 7은 가새-높이비에 따른 성능점(LS)에서의 전단력과 횡변위의 비교이다. 가새-높이비가 커질수록 성능점에서 전단력이 증가하지만 가새-높이비 H/L=0.3일때 성능점에서 전단력이 감소되고 가새-높이비 H/L=0.5에서는 성능점이 형성되지 않는 결과를 보인다.

내진보강용 가새 골조의 내력과 강성이 커질수록 최대 전단력은 증가하고 최대 횡변위는 감소하지만, 주어진 지진에 대한 구조물의 응답을 의미하는 성능점은 가새-높이비 H/L=0.3일 때 최솟값으로 나타난다.

Fig. 14는 인명안전 수준(LS) 성능점에서의 가새- 높이비에 따른 각각의 부재 성능을 보이고 있다. 횡강성이 작은 가새가 없는 철골 보강골조에서 철근콘크리트의 붕괴가 발생하며, 상대적으로 횡강성이 큰 가새 보강골조에서는 철골의 붕괴가 발생한다. 가새-높이비 H/L=0.4의 경우는 가새 상단부의 철골기둥 1개소가 붕괴되며, 가새-높이비 H/L=0.5의 경우는 가새 상단부의 철골기둥 양측에서 소성힌지가 발생하면서 성능점이 형성되지 않는 결과를 보인다. Table 8은 성능점에서의 붕괴되는 부재수를 나타내고 있으며 붕괴되는 부재가 없는 가새-높이비가 바람직한 내진보강설계인 것을 알 수 있다.

Fig. 15(a)는 가새-높이비에 따른 최대 전단력과 성능점에서의 전단력의 비교 곡선이며 (b)는 가새-높이비에 따른 최대 변위와 성능점에서의 변위의 비교곡선이다. 두 비교 곡선에서 가새-높이비 H/L=0.3일때 최대 전단력과 최대변위가 성능점에서의 전단력과 변위에서 차이가 최대로 나타나는 것을 알 수 있다. Fig. 16에서 1경간 골조와 전체 학교골조에 대하여 가새-높이비에 따른 최대 전단력을 비교하였다. 1경간의 경우 가새- 높이비에 따라서 최대 전단력의 증가비는 2.98이며, 학교 전체 비보강 골조와 가새- 높이비에 따른 최대 전단력의 증가비는 1.61로 나타났다.

5. 결 론

본 연구에서는 무보강 철근콘크리트 골조와 H형강으로 보강된 철근콘크리트 골조의 실험 결과 및 해석 결과를 비교 검토하였다. 가새를 설치한 골조의 가새-높이비에 따른 전단력을 분석하고, 해석 결과를 토대로 비내진 학교 건축물에 가새-높이비에 따른 철골 가새를 보강하여 내진성능평가를 수행하였으며 결과는 다음과 같다.

1) 기존 동적해석 프로그램인 CANNY의 모델링 방법의 신뢰성을 검증하기 위해 반복가력실험에 의한 결과와 해석결과를 검토하였다. 무보강 구조물의 경우에 정가력시 실험 결과와 해석 결과가 약 6%의 차이가 나타났고 H형강으로 보강된 모델의 경우에는 실험 결과와 해석 결과가 약 7% 정도 의 차이를 보이고 있다. 따라서 실험 결과와 유사한 거동 특성을 나타내어 해석 모델링 방법의 적합성을 확인 할 수 있다.

2) 1경간 골조에 대해 가새-높이비에 따른 수평반복가력 해석을 수행함으로써 H형강으로 보강된 구조물의 가새-높이비에 따른 최대 전단력의 증가와 변위의 감소를 알 수 있다. 가새- 높이비 증가에 따라 최대 전단력이 증가하나 가새-높이비 H/L=0.3 이후로는 최대 전단력의 증가량이 작아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 최대 변위의 변화에서도 가새-높이비 H/L=0.3 이후로는 최대 횡변위비가 줄어드는 것을 알 수 있다.

3) 표준적인 비내진 학교건축물을 가새보강 골조로 보강하여 가새-높이비에 따른 보강효과를 검토하였다. 내진보강용 가새 골조의 가새-높이비가 커질수록 가새 보강된 부재의 최대내력과 강성이 커지지만 다른 부재에서의 변형 및 붕괴가 나타났다. 가새-높이비 H/L=0.3일 때 인명안전수준(LS) 성능점에서 주변 부재의 붕괴가 보이지 않고 적정한 보강효과를 나타내고 있다.

4) 비내진 학교 건축물에 대하여 적정한 높이와 횡강성을 갖는 가새를 이용하여 보강하는 것이 최선의 보강효과를 기대할 수 있다고 판단된다. 따라서, 내진보강에 있어서 가새-높이비에 따른 내진 성능의 차이를 고려하고, 보강 부재의 개수와 보강 위치에 대한 연구가 필요하다고 사료된다.