2.2.1 상세평가 과정

일반적으로 내진성능 평가요령^{(KALIS, 2021)}에 준하여 예비평가를 한 후 내진성능상 문제가 없는 것으로 판정되어도 상세평가를 수행한다. 내진성능 상세평가는 선형정적절차, 선형동적절차, 비선형 정적절차, 비선형 동적절차 4종류이며 Fig. 1의 평가절차 선택과정을 거쳐 결정된다.

전체 구조시스템의 성능목표 만족 여부는 내진성능 평가요령에 따라 성능목표에 해당하는 허용 층간 변형각 및 중력하중 저항능력 모두를 만족할 경우 그 성능 목표를 만족하는 것으로 한다.

2.2.2 층간변위각

Table 5는 내진설계된 구조물의 성능 수준별 허용 층간 변위각을 나타내며 대상 건축물의 방향별 및 층별로 만족여부를 검토한다. 내진설계되지 아니한 건축물의 허용 층간 변형각은 Table 5에 규정된 값들의 70%로 제한한다. 내진설계되지 아니한 건축물의 경우 내진보강이 이루졌다 하더라도 변형능력의 제한적인 부재들이 다수 남게 되므로 내진보강 이전과 이후의 허용 층간 변형각 중 불리한 값을 적용한다.

2.2.3 성능수준별 중력하중 저항능력

이에 대한 만족여부는 각 방향별 및 층별, 그리고 수직 부재와 수평 부재로 나누어 평가하며 부재별 연직하중 분담능력은 수직부재의 경우 축하중, 수평 부재의 경우 양단 전단력의 크기를 기준으로 한다.

(1) 거주가능

모든 부재가 붕괴방지를 만족하며, 거주가능을 만족하는 부재가 부담하는 중력하중의 합이 전체 중력하중의 80% 이상, 혹은 건물의 내진성능 목표가 기능수행인 경우 모든 부재가 붕괴방지를 만족하며 거주가능을 만족하지 못하는 부재의 손상이 전체 건물의 기능수행을 방해하지 않음을 확인하는 경우

(2) 인명안전

모든 부재가 붕괴방지를 만족하며, 인명안전과 거주가능을 만족하는 부재가 부담하는 중력하중의 합이 전체 중력하중의 80% 이상

(3) 붕괴방지

모든 부재가 붕괴방지를 만족

조적 벽체의 주요 파괴모드는 강체회전, 가로줄눈 파괴, 양단부 압괴파괴, 대각인장파괴로 나눌 수 있으며 각 파괴모드별 공칭 전단강도식은 다음과 같다.

(1) 강체회전 시의 평균전단강도

(2) 가로줄눈 파괴시의 평균전단강도

(3) 양단부 압괴파괴 시의 공칭전단강도

(4) 대각인장 파괴 시의 공칭전단강도

4.2.1 내진성능 예비평가

(1) 기본사항

건축물명 : 조적조 단독주택

건축물 규모 : 지상 2층(지하 없음)

건설연도(경과년수) : 10년 미만

경과년수에 따른 강도보정계수 : 1.0

재료상태에 따른 강도보정계수 : 1.0

지반종류 : S4 지진구역 : Ⅰ 지반구역계수 : 0.11g

재현주기에 따른 위험도 계수

재현주기 2400년 :I= 2.0 , 재현주기 1000년 : I=1.4

유효지반가속도(국가 지진 위험 지도 이용)

재현주기 2400년 : S=0.18 , 재현주기 1000년 : S=0.13

단주기 지반 증폭계수

재현주기 2400년 : Fa=1.44 , 재현주기 1000년 : Fa=1.54

단주기 스펙트럼 가속도(Sxs)

재현주기 2400년 : Sxs=0.648

재현주기 1000년 : Sxs=0.5005

(2) 층별 요구량 산정

평가층의 위치 : 1층 벽체방향 : X방향

전체 바닥면적($\Sigma A_{i}$) : 152.6m²

총중량 (W) : 전체 바닥면적 ×13 kN/m² = 1983.8 kN

층 전단력 분포계수 ($\gamma_{i}$) : 1

평가층 요구량 (Demand) = 0.648×1983.8×1 = 1285.5 = 0.5005×1983.8×1 = 993.88

조적 벽체 전단강도의 합

X방향 784.7 kN , Y방향 628.9 kN

(3) 성능등급 결정

조적조 성능수준 판정을 위한 DCR 기준

X방향 조적 벽체(1층)

$DCR_{i}=\dfrac{Dem{and}_{{i}}}{C a p a c y_{i}}=\dfrac{S_{xs}· W·\gamma_{i}}{(0.8)\Sigma V_{i}}=\dfrac{1285.5}{784.7}$

Y방향 조적 벽체(1층)

$DCR_{i}=\dfrac{Dem{and}_{{i}}}{C a p a c y_{i}}=\dfrac{S_{xs}· W·\gamma_{i}}{(0.8)\Sigma V_{i}}=\dfrac{1285.5}{628.9}$

1층의 X방향 및 Y방향 조적벽체의 DCR 값은 각각 1.64 및 2.04로 모두 1.0을 초과하므로 최종 성능 수준은 붕괴위험으로 판단되었다.

4.2.2 내진성능 상세평가

지진하중에 의해 각 조적 벽체에 발생되는 응력을 산출하여 내진성능 상세 평가를 수행하였다. 이를 위해 midas Gen 프로그램을 이용하였으며 재료시험을 별도로 하지 아니하였으므로 조적 벽체의 설계기준 압축강도는 4.1(MPa), 전단강도는 0.055(MPa)로 하였다. 탄성계수 Em=200f `m (MPa), 전단탄성계수 Gm=0.4Em (MPa)으로 하였으며 벽체 모델링은 두께 150의 철근콘크리트 구조로 하였다. 선형 동적해석을 통하여 개별 조적 벽체에 발생되는 응력은 산출하여 이를 내진성능 상세평가 규정에 적용시켜 벽체의 성능수준을 평가하였다. 구조해석 결과 산출된 개별 조적 벽체를 내진성능 평가 규정에 따라 상세 평가를 한 결과 Table 7과 같다.

비보강 조적 벽체의 주요 파괴모드는 강체회전, 가로줄눈 파괴, 양단부 압괴파괴, 대각인장파괴로 분류되며 이에 따른 각 파괴모드별 공칭 전단강도를 산정하여 성능 판정을 하였다. 그 결과 개별 조적 벽체 19개 중 약57.9% 정도인 11개 벽체가 붕괴되는 것으로 나타났다. 해석 모델 건축물의 1층 19개의 조적 벽체 중 벽량은 X방향이 약 62.7%이며 Y방향이 약 37.3%로 구성되어 있다. 붕괴되는 것으로 판단되는 11개 벽체 중 X방향 벽체는 3개로 약 27.3%이며 Y방향 벽체는 8개로 약 72.7%인 것으로 나타났다. 또한 내부 벽체가 4개로 약 36.4%이며 외부 벽체가 7개로 약 63.6%인 것으로 나타났다.

비보강 조적조 건축물 상세평가에서 X방향 벽체보다 Y방향 벽체가 더 많이(2.67배) 발생되는 것으로 나타났다. 비보강 조적조 건축물에 지진하중이 작용할 경우 내진성능 상세 평가에서 붕괴되는 것으로 판정된 11개소 벽체 중 X방향 벽체는 3개소이며 Y방향 벽체는 8개소로 Y방향 벽체가 2.67배 높게 발생되는 것으로 나타났다.

비보강 조적조 건축물에 지진하중이 작용할 경우 내진성능 상세 평가에서 붕괴되는 것으로 판정된 11개소 벽체 중 내부 벽체는 4개소이며 외부 벽체는 7개소로 외부 벽체가 1.75배 높게 발생되는 것으로 나타났다.

4.3.1 철골 보-기둥 프레임 보강 후 내진성능 평가

구조보강 전 조적조 건축물의 내진성능 예비평가 결과를 토대로 내진 성능 판정 결과에 따라 조적 벽체의 붕괴방지를 위한 방안으로 건축물 외부에 철골구조물을 보강하여 구조해석을 수행하였다. 보강 구조의 형태는 2장에서 선정한 해석 모델에 대하여 건축물 외부에 각형강관 보-기둥 프레임을 Fig. 4와 같이 보강하였다. 철골 기둥의 최하부는 기존 기초 위에 고정하여 옥상 바닥 슬래브까지 도달하는 것으로 하였으며 철골 보는 2층 및 옥상 바닥 슬래브에 설치하여 기존 바닥 슬래브나 인방 보에 고정하는 것으로 하였다.

철골 보-기둥 프레임과 기존 바닥 슬래브를 지진하중 저항 시스템으로 하여 비선형 구조해석을 수행하였다. midas Gen 프로그램을 이용하여 보강 철골 구조와 조적 벽체를 모델링하여 전체 구조물의 내진성능과 개별 조적 벽체의 성능판정을 하였으며 그 결과 붕괴되는 조적 벽체의 개수와 위치 및 파괴모드가 비보강 해석모델과 거의 유사한 것으로 나타났다. 이는 철골 보‒기둥 프레임이 지진하중에 대한 저항 능력이 떨어져 조적 벽체가 지진하중을 부담하는 결과로 보여진다.

4.3.2 철골 보-기둥+가새 프레임 보강 후 내진성능 평가

구조보강 전 조적조 건축물에 각형강관 보-기둥 프레임을 보강하였으나 일부 조적 벽체에 붕괴 위험이 발생되어 횡력 저항 능력이 우수한 가새 구조물을 보강하여 조적 벽체의 안전성 여부를 검토하였다. 가새 구조물은 Fig. 5에서 보는 바와 같이 횡력이 작용하였을 때 전체 구조물의 비틀림을 최소화할 수 있는 위치를 선정하여 ㅅ자 형태로 평면상 4개소 일층 및 이층 총 8개소에 설치하였다.

건축물 매스 중심에서의 X방향 및 Y방향 층간 변형각은 Table 8과 같이 산정되었다. X방향은 0.043%이며 Y방향은 0.047%이다. 이는 Table 5의 구조시스템 중 가새가 있는 철골조의 층간변형각 기준에 적합함을 알 수 있었다.

성능 수준별 중력하중 저항능력을 정리해 보면 Table 9와 같다. 모든 부재의 방향별(X, Y 방향) 및 층별(1층, 2층) 판정기준에 적합 여부를 검토한 결과 IO(거주가능)으로 판정되었다. 비선형 정적해석인 pushover 해석결과에 따라 구조물의 성능점을 정리해 보면 아래 Fig. 6과 같다.

철골 보강 구조물에 대한 안전성 여부를 확인한 후 개별 조적 벽체에 대한 지진력 안전 여부를 검토하였다. 상세평가 규정에 따라 검토한 결과 Table 11에서 보는 바와 같이 붕괴되는 조적 벽체는 없는 것으로 나타났다.