표제지

국문요지

ABSTRACT

목차

제1장 서론 20

1.1. 연구의 배경 및 목적 20

1.1.1. 연구의 배경 20

1.1.2. 연구의 목적 23

1.2. 연구의 내용 및 방법 23

1.2.1. 연구의 내용 23

1.2.2. 연구의 방법 24

1.3. 연구의 구성 및 흐름 25

1.3.1. 연구의 구성 25

1.3.2. 연구의 흐름 25

제2장 기존 연구 현황 26

2.1. 일반사항 26

2.2. 보통모멘트골조의 Pushover해석을 이용한 내진성능평가에 관한 연구 26

2.3. 이력모델에 따른 표준학교건물의 비탄성거동 연구 30

2.4. 비연립 Pushover해석법에 의한 비선형 지진응답의 특성 33

2.5. 구조물의 비선형 지진응답 산정을 위한 스펙트럼 모드해석법 36

2.6. 에너지평형법에 의한 면진구조와 동적특성에 관한 해석적 연구 40

2.7. 3차원 비대칭 철근콘크리트 구조물의 비선형 지진응답해석 43

제3장 비선형 등가정적해석 46

3.1. 일반사항 46

3.1.1. 해석대상 구조물 46

3.1.2. Midas Gen 프로그램 48

3.2. 해석모델 49

3.2.1. RC-2F 구조물 52

3.2.2. RC-12F 구조물 53

3.2.3. RC-20F 구조물 54

3.3. 비선형 등가정적해석 결과 56

3.3.1. RC-2F 구조물 56

3.3.2. RC-12F 구조물 58

3.3.3. RC-20F 구조물 59

제4장 질점계 비선형 지진응답해석 61

4.1. 일반사항 61

4.1.1. Ruaumoko 2D 프로그램 62

4.1.2. 이력모델 63

4.1.3. 입력지진파 64

4.2. 해석모델 70

4.2.1. RC-2F 구조물 70

4.2.2. RC-12F 구조물 70

4.2.3. RC-20F 구조물 71

4.3. 질점계 비선형 지진응답해석 결과 72

4.3.1. RC-2F 구조물 73

4.3.2. RC-12F 구조물 76

4.3.3. RC-20F 구조물 78

제5장 3차원 비선형 지진응답해석 83

5.1. 일반사항 83

5.1.1. Etabs 2016 프로그램 83

5.1.2. 시간이력해석법 83

5.1.3. 역량스펙트럼법(Capacity Spectrum Method) 85

5.1.4. 비선형 해석법 87

5.1.5. P-Delta 해석 94

5.1.6. 경계비선형 시간이력해석 96

5.1.7. 부재별 모델링파라메터 및 허용기준 97

5.1.8. 입력지진파 103

5.2. 해석모델 103

5.2.1. RC-2F 구조물 105

5.2.2. RC-12F 구조물 105

5.2.3. RC-20F 구조물 105

5.3. 3차원 비선형 지진응답해석 결과 106

5.3.1. RC-2F 구조물 106

5.3.2. RC-12F 구조물 110

5.3.3. RC-20F 구조물 115

제6장 해석결과의 비교·분석 122

6.1. 역량스펙트럼 최소값의 비교·분석 122

6.2. 역량스펙트럼 최대값의 비교·분석 126

6.3. 역량스펙트럼 평균값의 비교·분석 130

6.4. 모드참여율 비교·분석 134

제7장 요약 및 결론 136

7.1. 요약 136

7.2. 결론 138

참고문헌 139

부록 12

[부록 1] 기존 연구 현황 144

[부록 2] 학술지 논문 157

[부록 3] 학술발표 자료 및 논문 초록 165

표 1.1. 국내 지진 통계 21

표 1.2. 경주지진(M5.8) 관련 규모 2.0 이상의 여진 발생 횟수 22

표 2.1. 기둥부재 27

표 2.2. 적용 하중 28

표 2.3. 외국 지진 가속도의 특성 31

표 2.4. 해석모델의 구조조건 34

표 2.5. 약진 37

표 2.6. 중진 38

표 2.7. 강진 38

표 2.8. 강성곡선 변수값 39

표 2.9. 입력지진파의 제원 41

표 2.10. 철근콘크리트와 철골의 재료물성치 44

표 2.11. 고유 진동수의 비교 45

표 3.1. 대상구조물 개요 47

표 3.2. 모델 일람표 48

표 3.3. 지진구역계수 50

표 3.4. 위험도계수 50

표 3.5. 지반의 종류 및 지반계수 51

표 3.6. 반응수정계수 51

표 3.7. RC-2F 구조물의 벽 단면특성 52

표 3.8. RC-2F 구조물의 기둥 단면특성 52

표 3.9. RC-12F 구조물의 벽 단면특성 53

표 3.10. RC-12F 구조물의 기둥 단면특성 54

표 3.11. RC-20F 구조물의 벽 단면특성 55

표 3.12. RC-20F 구조물의 기둥 단면특성 55

표 4.1. FEMA P695의 사용 지진파 67

표 4.2. 재현주기별 설계스펙트럼 작성을 위한 제원 68

표 4.3. RC-2F 구조물의 층강성 70

표 4.4. RC-12F 구조물의 층강성 70

표 4.5. RC-20F 구조물의 층강성 71

표 4.6. 해석대상 건축물의 주기 72

표 5.1. 철근콘크리트 보의 모델링파라메터 및 허용기준 99

표 5.2. 철근콘크리트 기둥의 모델링파라메터 및 허용기준 100

표 5.3. 철근콘크리트 전단벽의 모델링파라메터 및 허용기준 101

표 5.4. 철골 부재의 모델링파라메터 및 허용기준 102

표 5.5. 해석모델 보의 모델링파라메터 및 허용기준 104

표 5.6. 해석모델 기둥의 모델링파라메터 및 허용기준 104

표 5.7. 해석모델 전단벽의 모델링파라메터 및 허용기준 104

표 5.8. RC-2F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.1) 106

표 5.9. RC-2F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.15) 107

표 5.10. RC-2F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.2) 107

표 5.11. RC-2F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.25) 108

표 5.12. RC-2F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.3) 108

표 5.13. RC-12F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.1) 110

표 5.14. RC-12F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.15) 111

표 5.15. RC-12F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.2) 112

표 5.16. RC-12F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.25) 113

표 5.17. RC-20F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.1) 115

표 5.18. RC-20F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.15) 116

표 5.19. RC-20F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.2) 117

표 5.20. RC-20F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.25) 118

표 5.21. RC-20F 구조물의 변위 및 층가속도(PGA＝0.3) 119

표 6.1. 해석대상 건축물의 층별 모드참여율 134

그림 1.1. 국내 지진 발생 추이 20

그림 1.2. 연구 흐름도 25

그림 2.1. 구조도면 27

그림 2.2. 층고비가 1.0인 경우 결과값 28

그림 2.3. 층고비가 1.5인 경우 결과값 29

그림 2.4. 층고비가 2.0인 경우 결과값 29

그림 2.5. 이력모델 31

그림 2.6. 층전단력(외국 지진 가속도 사용 시) 32

그림 2.7. 층간변위비(외국 지진 가속도 사용 시) 32

그림 2.8. 층전단력(인공 지진 가속도 사용 시) 32

그림 2.9. 층간변위비(인공 지진 가속도 사용 시) 33

그림 2.10. 최상층과 2층의 변위 34

그림 2.11. 최상층과 2층의 층간변위 35

그림 2.12. 최상층과 2층의 처짐각 35

그림 2.13. 최상층과 2층의 전단력 35

그림 2.14. 최상층과 2층의 휨모멘트 35

그림 2.15. 시험체 형상 및 부재 리스트 37

그림 2.16. 모드별 응답특성 39

그림 2.17. 질점 질량계 모델 40

그림 2.18. 층별 최대응답가속도 및 최대응답층간변위 42

그림 2.19. 내진구조와 면진구조의 응답가속도스펙트럼의 비교 42

그림 2.20. 철근콘크리트 구조물의 유한요소 모델 44

그림 2.21. 모드별 형상 45

그림 3.1. RC-2F 구조물의 평면도 46

그림 3.2. RC-12F 구조물의 평면도 46

그림 3.3. RC-20F 구조물의 평면도 47

그림 3.4. RC-2F 구조물의 해석모델 53

그림 3.5. RC-12F 구조물의 해석모델 54

그림 3.6. RC-20F 구조물의 해석모델 56

그림 3.7. RC-2F 구조물의 변위-전단력 그래프 57

그림 3.8. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과 57

그림 3.9. RC-12F 구조물의 변위-전단력 그래프 58

그림 3.10. RC-12F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과 59

그림 3.11. RC-20F 구조물의 변위-전단력 그래프 60

그림 3.12. RC-20F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과 60

그림 4.1. 등가정적·지진응답해석에 의한 역량스펙트럼 작성방법 62

그림 4.2. 해석 대상 건물의 강도분포식 62

그림 4.3. 수정 다케다형(Modified Takeda) 이력모델 64

그림 4.4. FEMA P695의 가속도 응답 스펙트럼(1-10번 지진파) 65

그림 4.5. FEMA P695의 가속도 응답 스펙트럼(11-20번 지진파) 65

그림 4.6. FEMA P695의 가속도 응답 스펙트럼(21-30번 지진파) 66

그림 4.7. FEMA P695의 가속도 응답 스펙트럼(31-40번 지진파) 66

그림 4.8. 재현주기 2475년에 대한 설계 스펙트럼 및 평균 스펙트럼 69

그림 4.9. RC-2F 구조물의 변위-시간 그래프(Kobe, 2F) 73

그림 4.10. RC-2F 구조물의 가속도-시간 그래프(Kobe, 2F) 74

그림 4.11. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼(X방향, MDF) 75

그림 4.12. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼(Y방향, MDF) 75

그림 4.13. RC-12F 구조물의 변위-시간 그래프(Kobe, 12F) 76

그림 4.14. RC-12F 구조물의 가속도-시간 그래프(Kobe, 12F) 77

그림 4.15. RC-12F 구조물의 역량스펙트럼(X방향, MDF) 77

그림 4.16. RC-12F 구조물의 역량스펙트럼(Y방향, MDF) 78

그림 4.17. RC-20F 구조물의 변위-시간 그래프(Kobe, 20F) 79

그림 4.18. RC-20F 구조물의 변위-시간 그래프(Kobe, 10F) 79

그림 4.19. RC-20F 구조물의 변위-시간 그래프(Kobe, 12F) 80

그림 4.20. RC-20F 구조물의 가속도-시간 그래프(Kobe, 20F) 80

그림 4.21. RC-20F 구조물의 역량스펙트럼(X방향, MDF) 81

그림 4.22. RC-20F 구조물의 역량스펙트럼(Y방향, MDF) 81

그림 5.1. 역량스펙트럼법(Capacity Spectrum) 85

그림 5.2. 재료 비선형 해석에 사용되는 응력-변형도 관계 87

그림 5.3. 구조물의 대변형에 따른 강성의 변화 88

그림 5.4. 변형에 따른 부가 하중의 발생 88

그림 5.5. 대변형에 의한 기하학적 비선형성 89

그림 5.6. Newton-Raphson 반복법 90

그림 5.7. Snap-throgh 91

그림 5.8. Snap-back 92

그림 5.9. Arc-length Method의 개념도 92

그림 5.10. 기둥부재에 인장력과 횡력이 동시에 작용하는 경우 94

그림 5.11. 기둥부재에 압축력과 횡력이 동시에 작용하는 경우 95

그림 5.12. 경계비선형 해석의 해석방법 97

그림 5.13. 소성힌지 특성 모델(변형량) 98

그림 5.14. 소성힌지 특성 모델(변형비) 98

그림 5.15. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과... 109

그림 5.16. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과... 109

그림 5.17. RC-12F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과... 114

그림 5.18. RC-12F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과... 114

그림 5.19. RC-20F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과... 120

그림 5.20. RC-20F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과... 120

그림 6.1. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(X방향, min) 122

그림 6.2. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(Y방향, min) 123

그림 6.3. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과... 123

그림 6.4. RC-12F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(X방향, min) 124

그림 6.5. RC-12F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(Y방향, min) 124

그림 6.6. RC-20F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(X방향, min) 125

그림 6.7. RC-20F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(Y방향, min) 125

그림 6.8. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(X방향, max) 126

그림 6.9. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(Y방향, max) 127

그림 6.10. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과... 127

그림 6.11. RC-12F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(X방향, max) 128

그림 6.12. RC-12F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(Y방향, max) 128

그림 6.13. RC-20F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(X방향, max) 129

그림 6.14. RC-20F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(Y방향, max) 129

그림 6.15. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(X방향, avg) 130

그림 6.16. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(Y방향, avg) 131

그림 6.17. RC-2F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과... 131

그림 6.18. RC-12F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(X방향, avg) 132

그림 6.19. RC-12F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(Y방향, avg) 132

그림 6.20. RC-20F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(X방향, avg) 133

그림 6.21. RC-20F 구조물의 역량스펙트럼 산출 결과(Y방향, avg) 133

그림 6.22. 해석대상 건축물의 층별 1차모드와 2차모드의 모드참여율 135

 우리나라는 지진관측 통계자료를 볼 때 1990년대 초반 이후 우리나라의 지진발생 횟수 및 규모가 증가하는 상황이다. 1978년 홍성에서 발생한 규모 5.0의 지진, 최근의 2004년 5월 29일 경북 울진 동쪽 해역에서 규모 5.2의 강진이 발생한 것으로 미루어 보아 한반도는 더 이상 지진 안전지대로 보기 어려운 상황이다. 2016년 9월 12일 경주에서 규모 5.8의 지진이 발생하였고, 규모 2.0 이상의 여진이 총 158회 발생하였다. 이와 같이 우리나라에서도 건축물에 상당한 피해를 입힐 수 있는 지진이 발생할 가능성이 높기 때문에 지진에 대한 대책이 필요한 실정이다.

일반적인 구조물의 손상도 평가는 비선형 등가정적해석을 통하여 역량스펙트럼을 도출하고, 역량스펙트럼과 요구스펙트럼의 교차점을 성능점으로 평가하고 있다. 등가정적해석은 지진의 영향을 등가의 정적하중으로 환산한 후 이를 이용하여 정적해석을 수행함으로써 구조물의 지진에 의한 거동을 예측하는 방법이다. 이 방법은 지진하중을 건물의 중량과 응답계수만으로 산정한다. 응답계수는 가속도계수와 중요도계수, 반응수정계수, 고유주기를 고려하여 산정된다. 또한 등가정적해석은 각층을 변위제어로 가력하여 각층의 강성에 의한 복원력만으로 산출되기 때문에 지진파와 같은 동적하중에 대한 동적거동을 파악하는 것은 곤란하며, 또한 고차모드 및 층별 동특성의 영향을 고려할 수 없다.

일부 연구자들은 층별 동특성의 영향을 고려한 비선형 응답을 보다 간편하게 산정하는 약산법으로 비연립 모드해석법을 사용하고 있다. 비연립 모드해석법은 비선형계의 응답을 모드별로 분리하여 가정하고 그에 따른 각 모드별 응답들을 조합하여 비선형 최대응답을 산정하는 방법이다. 비연립 모드해석법에는 비연립 모드중첩법(UMS), 비연립 응답스펙트럼법(URS), 비연립 Push-over법(UPA) 등이 있다. 그러나 이 방법으로 단면력을 산정할 경우, 비선형 시간이력법(NRH)과 비교하여 오차가 발생된다. 또한, 선형해석과는 달리 고려한 모드 수에 따라 오차가 불규칙하고 뚜렷한 경향성이 나타나지 않는다.

본 논문에서는 고차모드에 의한 동특성의 영향을 고려하기 위하여 질점계 비선형 지진응답해석을 사용하였다. 질점계 비선형 지진응답해석은 구조물 각층의 강성을 하나의 강성으로 표현하고 층질량을 하나의 점으로 설정하여 간단히 구조물의 응답상성을 파악할 수 있는 방법이다.

질점계 비선형 지진응답해석의 정밀도를 분석하기 위하여 비교 대상으로 비선형 등가정적해석과 3차원 비선형 지진응답해석을 수행하였다. 해석대상 건축물은 2층, 12층, 20층의 철근콘크리트 구조의 건축물로 비선형 등가정적해석은 Midas Gen프로그램으로, 3차원 비선형 지진응답해석은 Etabs2016프로그램으로 해석대상 건축물을 모델링 한 후, 비선형 등가정적해석과 3차원 비선형 지진응답 해석을 수행하였다.

이력모델은 일반적으로 비선형인 시스템의 입력ㆍ응답이나 점탄성체의 동적인 응력ㆍ변형 곡선이 그리는 폐곡선적인 이력곡선을 나타내는 모델로 시스템의 감쇠성능의 크기, 즉 에너지 소산능력을 나타낸다. 비선형 이력모델은 지진하중과 같은 반복하중을 받는 경우, 항복강도, 강성 및 강도의 저감정도가 어떠한 방식으로 변화하였는지를 평가하는 것으로 정의할 수 있다. 하중과 변형에 대한 이동경로를 지정하기 위하여 일반적으로 하중의 재하(Loading), 제하(Unloading), 재재하(Reloading)의 상태를 고려한다. 본 논문에서는 수정 다케다형 이력모델(Modified Takeda Model)을 사용하여 해석하였다.

해석에서 사용된 지진파는 FEMA P695에서 사용한 지진기록 중 20개의 원거리 지진파로 각 지진파는 평면상에 서로 직교하는 2개의 수평방향 지진파로 이루어져 총 40개의 지진파를 대상으로 하였다. 가속도 응답스펙트럼에 의하면 입력 지진파의 고유주기는 0.2 ~ 0.9초까지 고루 분포되어 있다. 그러나 입력지진파의 지반 및 지진의 강도 등의 여건은 국내의 여건과 상이하기 때문에 KBC2009에서 제시하는 설계가속도스펙트럼(Design Based Earthquake Spectrum, DBE Spectrum)을 목표가속도스펙트럼으로 고려하여 보정하였다.

해석대상 건축물을 대상으로 비선형 등가정적해석을 수행하여 고유주기, 층강성을 도출하였다. 그리고 그 주기와 층강성을 바탕으로 질점계 비선형 지진응답해석을 수행하여 역량스펙트럼을 도출하였다. 도출된 역량스펙트럼을 비선형 등가정적해석과 3차원 비선형 지진응답해석에 의해 산출된 역량스펙트럼과 비교 · 분석하여 질점계 비선형 지진응답해석이 기존의 비선형 등가정적해석(Push-over)보다 약산적으로 건축물의 고차모드를 더욱 정확하게 파악할 수 있는 방법임을 알았다.