학교시설물 내진성능에 영향을 미치는 조적벽 및 기둥 비탄성해석모델

Abstract

Recently, the Gyeongju and Pohang earthquakes occurred. So, there a lot of focus on the seismic performance of school facilities. School facilities, which are public facilities, are designated as evacuation facilities in the event of a disaster. Therefore, school facilities should have sufficient seismic performance. However, most of the school facilities were built before the seismic design standards were introduced and are expected to be brittle in case of an earthquake. Since non-seismic school facilities were designed only for gravity loads, only the minimum transverse reinforcement presented in the standard were used without seismic details when designing the columns. un-reinforced masonry walls were classified as non-structural and considered only as loads in design. However, when an earthquake occurred recently, the masonry walls resisted the lateral forces, resulting in cracks. And, in the case of the longitudinal direction, there are many cases of shear failure of the columns due to short-column effect in the upper column of the partial masonry infills. The masonry infill has a significant effect on the behavior of the structure, and the lateral resistance capacity of vertical members such as columns influences the seismic performance of the building, so in the seismic performance evaluation, the effect should be reflected and analyzed. in this study, an inelastic analytical model of masonry walls and columns was proposed for accurate seismic performance evaluation of school facilities. the reliability of the analytical model was verified by comparing it with the experimental results through nonlinear analysis. Seismic performance evaluation standards and guidelines include “Seismic performance evaluation and retrofit manual for school facilities” announced by the Ministry of Education in 2018, and overseas standards such as ASCE 41-13 and FEMA 356. The columns suggest different effective flexural stiffness in all three criteria, but the effect of reducing shear stiffness is not considered. However, the shear fracture-type column with a large contribution to the shear force, cannot ignore the effect of shear stiffness reduction due to shear cracking as the lateral force increases. Therefore, an analytical model was proposed to consider the reduction in shear stiffness of the column. Various material property equations have been proposed for masonry walls through standards, guidelines, and research. Material properties include prism compressive strength, modulus of elasticity, and shear strength, and these are the main equations for estimating the strength and stiffness of the masonry wall analytical model. However, the deviation of various material property values is quite large, and it is highly likely to cause the short-column effect of the column and change the behavior of the structure. Therefore, understanding of the masonry wall material property equation and reliability of the analytical model are needed. In this study, the test specimens of columns and masonry walls were verified using the MIDAS Gen commercial program. The reliability of the column and masonry wall analytical models was confirmed through nonlinear static analysis. Through nonlinear dynamic analysis, parameters were selected to reflect the characteristics of hysteresis behavior that may occur during earthquakes.|최근 경주 및 포항지진이 발생함에 따라 학교시설물 내진성능에 대해 많은 이목이 집중되고 있다. 공공시설물인 학교시설물은 재난 발생 시 피난시설로 지정되어있기 때문에 충분한 내진성능을 보유하고 있어야한다. 하지만, 대부분의 학교시설물은 내진설계기준이 도입되기 이전인 1988년 이전에 지어진 건물로서 지진발생 시 취약할 것으로 예상된다. 이러한 비내진 학교시설물은 중력하중에 대해서만 설계되었기 때문에 기둥과 같은 구조부재의 설계 시 내진상세없이 기준에서 제시하는 최소 횡보강근만 사용되었고, 조적채움벽 및 허리벽은 비구조체로 분류되어 설계 시 하중으로만 고려되었다. 하지만, 최근 국내의 지진이 발생하였을 때 조적벽이 횡력에 저항하여 균열이 발생하였으며, 장변방향의 경우 조적허리벽의 상부기둥에서 단주효과로 인한 기둥의 전단파괴가 다수 발생한 사례들이 있다. 이처럼, 조적벽은 구조물 거동에 상당한 영향을 미치며 기둥과 같은 수직부재의 횡력 저항능력은 건물의 내진성능을 좌우하기 때문에, 내진성능평가 시 이에 대한 영향을 반영하여 해석하여야한다. 따라서, 본 연구에서는 학교시설물의 정확한 내진성능평가를 위해 조적벽과 기둥의 비탄성거동을 반영할 수 있는 해석모델을 제안하고, 비선형 해석을 통해 실험결과와 비교함으로써, 해석모델에 대한 신뢰성을 확인하였다. 현재 내진성능평가 기준 및 지침은 2018년 교육부에서 고시된 “학교시설물 내진성능평가 및 보강 매뉴얼”과 해외기준인 ASCE 41-13, FEMA 356등 이 있다. 기둥은 세기준 모두 각기 다른 유효 휨강성을 제시하고 있지만, 전단강성감소효과는 고려하지 않는다. 하지만, 전단력에 기여가 큰 전단파괴형 기둥은 횡력이 증가함에 따라 전단균열로 인한 전단강성감소효과를 무시할 수 없다. 따라서, 기둥의 전단강성감소를 고려하기 위한 해석모델을 제안하였다. 전단강성감소계수와 다양한 매개변수의 영향을 분석하여 축방향 하중비율을 변수로 하는 전단강성감소계수 식을 제안하였다. 조적벽은 기준 및 지침, 연구를 통해 다양한 재료특성 식들이 제안되었다. 재료특성은 프리즘 압축강도 및 탄성계수, 전단강도 등이 있으며, 조적벽 해석모델의 강도 및 강성을 산정하는 주요 식이다. 하지만, 다양한 재료특성식에 따른 값의 편차가 상당히 크게 나타나며, 이로인한 기둥의 단주효과 유발 및 구조물의 거동이 달라질 가능성이 높다. 따라서, 조적벽 재료특성식에 따른 해석결과의 차이를 비교, 분석함으로써 조적벽 파괴강도 예측 및 인접부재에 미치는 영향을 살펴보았다. 본 연구에서는 MIDAS Gen상용프로그램을 사용하여 기둥 및 조적벽 실험체에 대한 검증을 실시하였다. 기둥은 축력비 30%이하의 전단파괴가 발생한 37개 실험체, 조적벽은 국내 비보강 조적벽을 대상으로 한 6개 실험체를 선정하였다. 단조가력해석을 통해 기둥 및 조적벽 해석모델의 신뢰도를 확인하였으며, 반복가력해석을 통해 지진력 작용 시 발생할 수 있는 이력거동 특성을 반영하기 위한 매개변수를 선정하였다. 검증결과 기둥은 강성 및 항복변위 등 실험체 거동을 상당히 잘 모사하여 제안한 해석모델의 신뢰성을 입증하였다. 조적벽은 Analysis Case 2(프리즘 압축강도 : FEMA 356, 탄성계수 : 이원호 등, 전단강도 : FEMA 356)의 경우 강도 및 강성을 과소평가하는 경향을 보이는 반면, Analysis Case 1(프리즘 압축강도 : 이원호 등, 탄성계수 : FEMA 356, 전단강도 : 이원호 등)은 최대내력 및 강성을 상당히 잘 모사하는 것으로 나타났다.