철근콘크리트 전단벽 비선형 구조해석모델의 고찰 및 실험체 검증

Abstract

철근콘크리트 전단벽은 지진하중, 풍하중과 같은 횡력에 대한 저항능력이 우수해 다양한 구조물에서 주요 구조부재로 사용되고 있다. 그러나 지진피해조사 결과, 내진설계가 이루어진 구조물에서조차 전단벽의 피해 사례가 많이 발생하고 있는 것으로 보고되고 있다. 국내에서 많이 건설되고 있는 공동주택의 내력벽시스템은 전단벽이 대부분의 횡력에 저항하므로 전단벽에 대한 정확한 내진성능 평가가 필요한 시점이다. 정확한 내진성능 평가를 위해선 비선형 구조해석 시 사용하는 해석모델에 대한 정확한 이해를 바탕으로 해석모델에 대한 신뢰도를 확보해야 한다. 그러므로 본 연구에서는 전단벽에 대한 비선형 구조해석모델 제시와 실험체 검증을 통한 해석모델 검증을 실시하였다. 현재 실무기술자 및 연구자들의 사용빈도가 높은 상용프로그램(Perform-3D, ETABS, MIDAS)와 본 연구실에서 개발한 비선형 정적 및 동적 구조해석 프로그램인 ISAAC-3D(Inelastic Seismic Advanced Analysis Computer-software)의 해석모델에 대한 설명과 비교, 분석을 실시 하였다. 실무기술자 및 연구자들이 주로 사용하는 상용프로그램의 전단벽 해석모델은 모두 MVLEM model을 기반으로 만들어진 해석모델이지만, 프로그램 별 매개변수 설정법 및 모델링 방법 등 해석결과에 영향을 미칠만한 다양한 차이점이 있다. 상용프로그램과 ISAAC-3D 해석모델의 가장 두드러진 차이점은 휨거동을 모사하는데 있다. 휨거동 모사 시 두 해석모델 모두 Fiber model을 이용하지만 ISAAC-3D는 구조해석 준비과정에서 Fiber model 결과인 모멘트-곡률관계를 삼선형으로 변환 후 휨스프링에 적용하며 구조해석 과정에서 직선보간법을 이용해 가변축력을 고려한다. 반면, 상용프로그램은 전단벽을 구성하는 재료인 수직요소(Fiber 요소)의 응력-변형률관계를 이용해 구조해석 과정에서 전단벽의 휨-압축 등을 모사한다. 이러한 차이점이 이력거동 모사의 차이를 유발하므로 두 해석모델에 대한 신뢰도를 확인하기 위한 실험체 검증을 실시하였다. 실험체 검증 시 검증결과에 대한 신뢰도를 높이기 위해 다양한 전단벽 실험결과를 이용하였다. 단일벽체(Rectangular & Barbell type)와 이형벽체(Flanged wall type)으로 분류해 총 34개의 실험체에 대한 검증을 실시하였다. 검증결과 ISAAC-3D는 단일벽체의 경우 종횡비에 상관없이 모든 실험체의 최대강도 및 최대변위를 잘 모사하였으나, 이형벽체의 경우 H type, C type만 거동모사가 가능한 것을 확인하였다. 상용프로그램은 ETABS와 MIDAS의 경우 비선형 구조해석 시 발생하는 오류로 인해 해석결과에 대한 신뢰도가 매우 떨어지는 것으로 판단되며, Perform-3D는 ISAAC-3D와 마찬가지로 단일벽체 거동모사는 종횡비에 상관없이 큰 어려움이 없으나 이형벽체의 경우 H type만 거동모사가 가능한 것으로 판단된다.