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ISSN : 1226-525X(Print)
ISSN : 2234-1099(Online)
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea Vol.22 No.1 pp.33-43
DOI : https://doi.org/10.5000/EESK.2018.22.1.033

Seismic Performance Evaluation of Steel Moment Frame Factory Building with Slender Braces

Dong Yeon Kim1), Jae Chul Cho1), Sunwoo Hwang1), Taejin Kim1)*, Jong Ho Kim1)
1)Chang Minwoo Structural Consultants
Corresponding author: Kim, Taejin taejin@minwoo21.com
20170830 20171201 20171219

Abstract

‘Seismic Performance Evaluation Method for Existing Buildings (2013)’ developed in accordance with the overseas guidelines ASCE 41 - 06 is the most widely used procedure among domestic seismic performance evaluation guidelines in Korea. However, unlike ASCE 41 - 06, it stipulates that the final performance should be derived as the gravity load distribution ratio of the lateral force resistance system in the guideline. Therefore, in the case of a dual steel structure system with slender braces, where the internal moment frame is mostly responsible for the gravity load, the evaluation of slender braces based on gravity load distribution ratio is difficult to be achieved. In this research, we propose an objective evaluation process for such system by evaluating seismic performance for large-scale factory facilities as an example.


세장한 가새가 사용된 철골모멘트골조 공장시설물의 내진 성능평가

김동연1), 조재철1), 황선우1), 김태진1)*, 김종호1)
1)(주)창민우구조컨설탄트

초록


    1.서 론

    1.1.연구배경

    그 동안 국내 내진성능평가 대상은 학교 그리고 공공기관 건물이 주를 이루었지만 지진발생 빈도가 증가함에 따라 평가 대상의 범주가 공장과 같 은 민간 시설까지 확대되고 있다. 기존 내진성능평가의 경우, 국내 엔지니 어들은 상당 부분, 2013년 시설안전공단에서 개발된 요령인 ‘기존 시설물 (건축물) 내진성능 평가 및 향상요령’(이하 요령) [1]에 따라 내진 성능을 평가해 왔다. 요령 상, 대부분의 건물에 대해 내진성능평가가 가능하지만 이중철골조시스템에 적용할 경우, 이를 분류하는 명확한 기준이 나와 있지 않아 내진성능평가시에 평가자의 주관적인 판단이 개입하게 된다. 또한 국 내외 이중철골조시스템에 대한 기존 내진성능평가는 비선형정적해석에 대 한 결과만으로 평가결과를 제시하는데 이는 필연적으로 비선형 해석 변수 가 다양하고 모델링이 복잡하여 평가자의 판단에 따라 매우 상이한 결과를 얻게 된다. 이러한 경우, 해석결과에 대해서는 평가자의 판단을 전적으로 신뢰할 수 밖에 없다.

    이에 대한 대안은 탄성해석을 통한 내진성능평가 혹은 실제 사례 등 객 관성을 확보할 수 있는 추가적인 연구를 진행하여 평가의 객관적, 공학적 근 거를 확보하는 것이다. 본 연구에서는 요령을 기반으로 세장한 가새를 갖는 이중철골조시스템의 내진성능평가 시, 객관적이고 합리적인 내진성능평 가 결과를 제시하기 위한 평가 프로세스를 제안하였다. 또한 대규모 공장시 설물을 대상으로 제안된 프로세스에 따라 내진성능평가를 수행하였다.

    1.2.기존 시설물(건축물) 내진성능 평가 및 향상요령

    국내에서 기존 시설물에 대한 내진성능평가 진행 시, 참고되는 지침 및 요령은 크게 3가지가 존재한다. 한국교육개발원에서 개발된 ‘학교시설 내 진성능평가 및 내진보강 가이드라인’ [2], 한국시설안전공단에서 개발된 ‘기 존 시설물(건축물) 내진성능 평가 및 향상 요령’, 소방방재청에서 개발된 ‘건축물 내진성능 평가 가이드라인’ [3]으로 본 절에서는 국내에서 가장 많 이 활용되는 ‘기존 시설물(건축물) 내진성능 평가 및 향상 요령’에 대한 내 진성능평가 프로세스와 그 특징을 분석하였다.

    1.2.1.철골조의 평가 프로세스에 관한 고찰

    ‘기존 시설물(건축물) 내진성능 평가요령(2013)’에서는 KBC2009 [4]를 따라 내진성능 목표 및 평가 방법을 기술하고 있다. Table 1은 ‘KBC2009’ 에서의 시설물 내진등급에 따른 내진성능 목표이다.

    요령에서의 내진성능평가 단계는 간단한 약산식으로 평가하는 예비평 가, 탄성해석을 기반으로 하는 1단계 내진성능 상세평가, 비선형정적해석 (Pushover)을 이용하는 2단계 내진성능 상세평가, 총 3단계로 구성되었다.

    Fig. 1은 기존 철골조 건물의 내진성능평가를 진행할 시, 요령상에서의 프로세스를 제시하고 있다. 요령에 따라 세장한 가새를 사용한 이중철골조 건물의 내진성능평가를 진행할 경우, 구조시스템 분류, 가새의 평가방법 등, 평가자가 판단해야 할 사항이 존재한다. 요령에서의 철골조 횡력저항시 스템은 횡력에 대하여 모두 모멘트골조가 받아주는 ‘철골모멘트골조’와 가 새가 모두 부담하는 ‘가새가 있는 철골골조’로 분류된다. 하지만 횡력저항 시스템으로 철골모멘트골조와 가새가 혼용된 이중철골조건물의 경우, 요 령에 따라 구조시스템을 분류하는데 어려움이 있다. 또한 세장한 가새가 사 용된 철골모멘트골조의 경우, 세장한 가새는 압축력을 분담하기 어렵고 철 골모멘트골조가 중력하중을 부담하는 역할을 갖기 때문에 가새만의 연직 하중분담률로써의 내진성능평가가 어려운 부분이 있다.

    이중철골조시스템의 내진성능에 관한 기존연구 [5]에서는 이중철골조 시스템은 모멘트골조와 가새의 횡력저항시스템 성능이 중첩되어 전체시스 템의 내진성능이 발휘되는 것을 확인하였다. 하지만 세장한 가새를 갖는 이 중철골조시스템의 경우, 세장한 가새가 횡력저항시스템 요소가 아닌 시스 템의 사용성과 안정성을 위해 시공된 경우가 있기 때문에 지진력을 적용할 시, 세장한 가새가 붕괴될 수 있음을 고려해야 한다.

    비선형정적해석을 이용하는 2단계 내진성능 상세평가 시, 기존연구 [6] 에서는 평가자의 주관적 판단을 통해 비선형 속성이 어떻게 적용되는지에 따라 해석 결과에 큰 차이를 보이고 있음을 확인하였다. 따라서 2단계 내진 성능 상세평가를 진행할 시, 평가자는 해석 결과에 대한 객관성을 확보하기 위한 추가적인 연구를 진행하여야 한다.

    본 연구에서는 이러한 고려사항을 반영하여 요령을 기반으로 세장한 가 새를 사용한 이중철골조시스템의 내진성능평가 프로세스를 제안하였다. 또한 제안된 프로세스에 따라 세장한 가새가 사용된 대규모 공장시설물의 내진성능평가를 수행하였고 객관적이고 합리적인 평가 결과를 제시하기 위해 추가적인 사례연구와 상용 프로그램 간의 교차검토를 진행하였다.

    1.3.대상 시설물의 개요

    1.3.1.대상 시설물의 개요 및 특징

    일반적인 공장 시설물의 특징은 정형적이고 대칭적인 대공간 형태를 가 지며 시설물 내부에는 복잡한 설비시스템과 대형의 중량장비들이 존재하 는 것이다(Fig. 2). 따라서 평가자는 이러한 용도에 따른 특징 및 중요성 등 을 충분히 고려하여 내진성능평가에 대한 방향 및 계획을 결정하여야 한다.

    공장 시설물의 현 상태에 대한 내진성능평가를 진행한 이후, 보강 안을 선정할 시에도 엔지니어는 공장 시설물의 구조적 특징뿐만 아니라 여러 환 경적 요인을 충분히 고려하여야 한다. 공장 시설물의 상시 가동 여부, 기존 설비들의 위치, Loading Dock과 같은 입면에 대한 변경 여부 등 구조 외적 사항을 고려하여 보강 안을 선정하여야 한다.

    대상 시설물은 연면적 52,852 m2의 공장 시설물로써 지상 4층(중층포 함), 최고 높이 23.1 m의 대공간 철골 구조물이다. 준공년도는 1990년으로 당시 내진설계 대상 건물이 아니었기 때문에 대상시설물은 내진설계가 적 용되지 않은 상태이다. 대상 시설물의 기준층 평면도는 Fig. 3과 같다.

    요령에 따라 대상 시설물은 내진 Ⅱ등급 시설물로 분류되고 이에 따라 내진성능평가 시, 2400년 재현주기의 2/3 크기 지진에 대한 성능목표는 붕 괴방지(CP) 수준이다.

    대상 시설물은 외형적으로 철골모멘트골조와 철골중심가새가 함께 존 재하는 건물 시스템의 특징을 보여준다. 철골모멘트골조의 보-기둥의 접합 부는 Bracket Bolting Type으로 모멘트 접합이 되어 있다. 가새에 대한 기 존연구 [7]에서는 일반적인 X, V, K자형의 강관 가새에 대한 실험적, 해석 적 평가를 진행하였다. 하지만 대상시설물 가새는 풍하중에 대한 시스템의 안정성을 위해 시공된 것으로 분석되며 단면은 2L-90×90×10 (1층), 2L- 75×75×9 (2층), L-75×75×9 (3층)의 세장한 부재로 주변 프레임에 용접된 가 셋 플레이트와 고장력 볼트로 전단 접합되어 있다.

    대상시설물은 180 m길이의 건물 중앙에는 25 mm의 신축이음(Expansion Joint)이 존재한다. 이는 대상건물에 지진 발생시, 건물의 충돌(Pounding Effect)을 유발시킬 수 있기 때문에 내진성능평가 시, 반드시 충돌가 능성을 고려해야 한다(Fig. 4).

    1.3.2.세장한 가새를 사용한 이중철골조시스템의 내진성능평가

    ‘기존 시설물(건축물) 내진성능 평가요령(2013)’에서는 횡력저항시스 템을 구성하는 요소의 중력방향 하중(1.0 DL+0.25 LL)에 대한 연직하중 분담률로써 대상 시설물의 최종적인 성능을 평가하게 된다.

    세장한 가새를 사용한 이중철골조시스템의 내진성능평가를 진행할 시, 연직하중분담률로써의 성능평가를 위해서는 지진력에 대한 세장한 가새의 강도측면에서의 분석이 반드시 필요하다. 내진설계가 되어있지 않은 경우 라도 철골구조물에서의 세장한 가새는 시스템 강성에 많은 부분 기여한다. 하지만 횡력저항시스템의 요소가 아닌 구조물의 안정성이나 사용성등을 위해 시공되기 때문에 지진력에 대한 세장한 가새의 붕괴여부 검토를 위해 강도측면의 평가가 반드시 필요하다.

    대상 시설물의 횡력저항시스템은 외관상으로 철골모멘트골조와 세장 한 가새로 구성된 이중철골조시스템이다. 따라서 요령을 기반으로 대상 시 설물의 내진성능평가를 진행할 경우, 아래와 같은 사항들을 고려해야한다.

    • 1) 대상 시설물을 ‘철골모멘트골조’의 구조시스템만으로 분류할 경우, 가 새의 영향력을 배제하기 때문에 철골모멘트골조에 대한 과도한 보강을 필요로 할 수 있고 내진성능 상세평가 시, 철골모멘트골조만의 파괴 메커니즘 이 세장한 가새가 존재하는 상황과는 차이를 보일 수 있다.

    • 2) 대상 시설물을 ‘가새가 있는 철골골조’의 구조시스템만으로 분류할 경우, 요령상의 ‘가새가 있는 철골골조‘ 구조시스템은 횡력에 대하여 가새가 100% 분담하는 구조시스템을 의미한다. 하지만 대상시설물 은 내부에 중력하중과 횡하중을 함께 분담하는 철골모멘트골조가 존 재하기 때문에 위와 같은 가정은 맞지 않다. 또한 ‘가새가 있는 철골골 조’의 경우는 철골가새만의 연직하중분담력을 통해 내진성능이 평가 되어야 하는데 대상시설물은 중력하중에 대해 철골모멘트골조가 분 담하도록 설계되어 있어 가새만의 연직하중분담률로써의 평가가 의 미를 갖기 어려울 것으로 판단되었다.

    • 3) 대상시설물에 대하여 2단계 내진성능 상세평가로 평가를 진행할 경우, 비선형정적해석(Pushover)을 수행하기 때문에 상용프로그램 상의 비 선형 해석 결과에 대한 객관성을 확보하여야 한다. 또한 비선형해석을 위한 부재의 비선형속성(Nonlinear Hinge Properties)이 많아질수 록 상용프로그램상에 미치는 환경적 영향이 커지는 것을 고려해야 한다. 비선형해석을 통해 내진성능을 평가하는 만큼 탄성해석을 이용한 1 단계 내진성능 상세평가보다 해석 결과에 대한 신뢰성을 보장하기 어 려운 부분이 있다. 따라서 2단계 내진성능 상세평가를 수행할 경우, 해석 결과 및 평가 결과의 신뢰성 확보를 위한 방안을 마련해야 한다.

    2.대상시설물의 내진성능평가 프로세스 제안

    2.1.이중철골조시스템의 내진성능평가 프로세스 계획 및 제안

    본 연구에서는 기존 시설물(건축물) 내진성능 평가요령(2013)’을 기반 으로 하여 세장한 가새를 사용한 이중철골조시스템에 대한 내진성능평가 프로세스를 제안하였다.

    대상 시설물은 요령상의 ‘가새가 있는 철골골조’ 혹은 ‘철골모멘트골조’ 의 구조시스템으로는 분류되지 않고 내진설계가 되어 있지 않은 점을 고려 하여 강도측면의 탄성해석 평가인 1단계 내진성능 상세평가 위주의 보수적 인 평가 프로세스를 계획하였다(Fig. 5). 현장조사를 통한 안전진단 이후, 대상 시설물의 기존 상태에 대한 1단계 내진성능 상세평가에서는 철골모멘 트골조와 철골모멘트골조+세장한 가새의 모델에 대하여 각각 철골모멘트 프레임의 연직하중분담률과 가새의 강도측면에서의 평가를 진행하고 종합 하여 현재 내진성능 수준 평가 및 파괴 메커니즘을 분석한다.

    만약 목표성능을 만족하지 못한 경우, 보강안을 선정하고 1단계 내진성 능 상세평가를 다시 진행하여 강도측면에서 평가 목표를 만족시킨다(Fig. 6). 현재 상태의 내진성능을 평가하는 프로세스와 마찬가지로 보강 이후, 철골모멘트프레임의 연직하중분담률에 대한 평가를 진행하고 보강안에 대 하여 강도측면에서의 평가를 진행한다.

    2단계 내진성능 상세평가를 필요로 할 경우, 상용 프로그램을 이용한 비 선형정적해석 결과에 대한 객관성을 확보하고 주관적, 환경적 요소를 최소 화하기 위해 추가적인 연구를 진행한다. 추가적인 연구는 2단계 내진성능 상세평가의 객관성 확보를 위한 단계이기 때문에 평가자의 판단 하에 객관 성을 확보할 목적으로 실시할 수 있으며 진행된 연구를 2단계 내진성능 상 세평가에 반영한다. 본 연구에서는 2단계 내진성능 상세평가 결과에 대한 객관성을 확보하기 위해 3가지 사례연구를 진행하고 이를 반영하여 평가를 진행하였다.

    또한 1단계, 2단계 내진성능 상세평가 결과의 객관성을 높이기 위해 2가 지 구조해석 상용프로그램을 이용하여 각각 평가를 수행하고 결과에 대한 교차검토를 진행하였다.

    3.대상 시설물의 내진성능평가

    3.1.상용 프로그램 간의 반력 및 고유치 분석

    대상 시설물의 현재 상태에 대한 내진성능 상세평가를 진행하기 이전, 두 가지 상용 프로그램을 사용하여 교차검토를 통한 내진성능평가를 진행 하기 위해 각 프로그램 별로 현재 상태에 대한 모델링을 진행 후(Fig. 7), 중 력하중에 대한 반력과 고유치를 비교 분석 하였다.

    두 가지 상용 프로그램에 대하여 비교하였을 때, 중력하중에 대한 반력 으로는 고정하중(D.L.)에 대해서만 약 2%정도의 미미한 차이가 나고 활하 중(L.L.)과 장비하중(F.L.)에 대해서는 일치하는 것을 확인하여 반력에 있 어 동일하다고 분석하였다(Table 2).

    가새를 제외한 철골모멘트골조의 고유치 비교에서는 질량참여율이 대 체적으로 동일하게 나타났지만 주기에서는 미미한 차이가 존재하였다.

    3가지 모드에 대한 질량참여율은 대력적으로 3%미만의 미미한차이가 존재하였고 주기에 있어서는 약 5%의 차이를 보이고 있었다(Table 3). 두 가지 상용프로그램의 반력 및 고유치에서 미미한 차이를 보이는 이유는 슬 래브 모델링의 유/무, 보 모델링 유/무 등 모델링 기법 차이에 의해 나타나는 차이로 분석되었다.

    결과적으로 두 가지 사용프로그램의 결과에서 미미한 차이가 존재하였 지만 탄성해석 상의 부재력이 거의 동일하게 나타나 반력과 고유치가 동일 하다고 판단하였고 제안된 프로세스에 따라 이중철골조시스템에 대하여 각 프로그램 별로 내진성능평가를 수행하며 교차검토를 진행하였다.

    3.2.대상시설물의 1단계 내진성능 상세평가

    본 연구에서 대상시설물의 가새는 지진력에 대한 횡력저항시스템이 아 닌 전체 시스템의 안정성, 사용성등을 위해 설계된 것으로 판단되었다. 따 라서 세장한 가새의 횡력저항시스템 기여도 분석을 위해 2가지 모델에 대 한 내진성능평가를 진행하였다. 첫 번째는 철골모멘트골조만의 1단계 내진 성능평가를 진행(Fig. 8)하고 두 번째는 철골모멘트골조에 기존 철골가새 를 적용하고(Fig. 9) 평가하여 대상 시설물의 현재 성능수준을 분석하였다.

    각 프로그램을 사용한 모델링의 고유치와 중력하중에 대한 반력이 동일 하고 1단계 내진성능 상세평가가 탄성해석을 기반으로 진행되기 때문에 동 일한 부재력이 나타나는 것으로 확인되었다. 결론적으로 각 프로그램에서 동일한 부재, 동일한 부재력에 따라 각각의 1단계 내진성능 상세평가의 성 능 결과가 동일하게 도출되었다. 이에 따른 1단계 내진성능 상세평가 결과 는 이하 본문과 같다.

    3.2.1.철골모멘트골조(비가새)

    대상시설물의 철골모멘트골조에 대해 1단계 내진성능 상세평가를 진행 하였다. 연직하중분담률에 대한 평가 결과는 수평부재에 대해서 모두 즉시 거주(IO) 수준으로 나타났고(Table 5) 수직부재의 경우, 1층은 붕괴위험 (Collapse), 2층은 붕괴방지(CP), 3층은 즉시거주(IO) 수준으로 나타났다 (Table 4). 내진설계가 되어있지 않기 때문에 전체적으로 약기둥 강보의 구 조를 가지고 있는 것으로 판단되었다. 최종적으로 기존 철골모멘트골조만 의 전체 시스템 성능은 붕괴위험(Collapse)로 평가되었다.

    철골모멘트골조의 1단계 내진성능 상세평가 결과에 따르면 골조 자체 가 횡하중을 부담하고는 있지만 목표성능인 붕괴방지(CP) 수준을 초과하 는 것으로 평가되었다. 2,3층은 모두 목표 성능을 만족시키지만 1층의 경우, 연직하중분담률의 목표성능인 붕괴방지(CP) 수준 이내로 들어오는 부재 들이 대략 50% 정도인 것으로 나타났다. 따라서 철골모멘트골조만의 1단 계 내진성능 상세평가 결과는 붕괴위험(Collapse) 수준으로 평가되었다.

    3.2.2.철골모멘트골조+세장한 가새

    대상 시설물의 철골모멘트골조에 가새를 적용하여 1단계 내진성능 상 세평가를 진행하였다. 기존 철골가새는 주변 프레임에 비하여 세장하기 때 문에 모델링에 있어서 인장력에 대해서만 부담하도록 계획하였다. 이에 따 라 실제 형태는 ‘X’자 형태이지만 모델링 상에서는 인장력에 대한 보수적 평가를 위해 한쪽방향 가새 형태로 적용하여 진행하였다.

    기존 가새를 적용한 1단계 내진성능 상세평가에서는 가새의 성능 수평 부재와 수직부재의 연직하중분담률은 모두 즉시거주(IO) 수준으로 평가되 었다(Tables 6, 7). 이는 내진성능평가 프로세스를 계획하는 단계에서 예상 한 대로 세장한 가새라도 시스템 강성에는 많은 영향을 가지는 것으로 분석 된다. 하지만 이러한 결과는 기존 세장한 가새의 성능평가 시, 가새의 붕괴 여부에 따라 평가 결과로써의 적용이 불가할 수 있다.

    기존 구조물에 작용하는 중력하중은 철골모멘트골조가 부담하기 때문 에 세장한 가새의 연직하중분담률로써의 평가는 의미가 없다고 볼 수 있다. 이에 따라 면외방향에 대한 횡하중을 고려하지 않은 8개의 하중조합에 대 해 평가한 결과, 기존 가새는 2층 붕괴방지(CP), 3층 인명안전(LS) 수준으 로 목표성능을 만족하였지만 1층의 경우, 붕괴위험(Collapse)평가되었다 (Table 8). 1층 가새는 목표성능인 붕괴방지(CP) 수준에 대한 DCR값이 최 대 3으로, 목표성능을 크게 초과하고 있다. 따라서 가새는 설계지진하중에 대해 저항능력을 발휘하지 못하는 것으로 평가되었다.

    철골모멘트골조 +세장한 가새의 평가 결과에 따라, 가새가 존재할 경우, 내부 철골모멘트프레임은 즉시거주(IO) 수준의 연직하중분담률을 보여주 고 있다. 이는 프로세스 계획 초기에 예상한대로 기존 가새가 세장하지만 시 스템 강성에 대해 기여도가 높다는 것을 알 수 있다. 하지만 가새가 모든 하 중조합에 대해 붕괴위험(Collapse)으로 평가되기 때문에 실제 지진하중이 적용될 경우, 기존 가새의 붕괴 후, 철골모멘트골조만의 내진성능이 발휘될 것으로 분석되었다.

    3.2.3.층간변형률 검토

    대상 시설물은 1988년 제정된 내진설계 범주에 해당되지 않아 내진설계 가 적용되지 않은 시설물이다. 또한 철골구조물로 층고(1층: H=7.2 m, 그 외: H=6.8 m)가 높고 가새가 세장하기 때문에 1단계 내진성능 상세평가 층간 변형률 검토 시, 목표성능의 허용기준을 만족하기 어려울 것으로 예상되었다.

    1단계 내진성능 상세평가 결과, 대상 시설물은 ‘기존 시설물(건축물) 내 진성능 평가요령 (2013)’의 구조시스템 분류(Table 9)에 명시된 ‘철골골 조’와 ‘가새가 있는 철골골조(횡하중에 대하여 대부분 가새요소가 부담하 는 구조로 가새요소만으로 전체 시스템 성능수준을 결정)’와는 구조적인 차이를 보였다. 하지만 본 연구에서는 ‘기존 시설물(건축물) 내진성능 평가 요령(2013)’을 따르고 보수적인 평가를 위해 ‘내진설계가 되지 않은 경우’ 의 ‘가새가 있는 철골골조’의 층간변형률 허용기준을 따라 철골모멘트골조 와 세장한 가새가 적용된 철골모멘트골조의 층간변형률에 대하여 각각 평 가를 진행하였다.

    철골모멘트골조와 세장한가새를 적용한 철골모멘트골조에 대하여 각 각 1단계 내진성능 상세평가 층간변형률 검토를 진행하였다. 철골모멘트골 조의 경우, 기존 세장한 가새의 영향이 배제되었기 때문에 Y방향 3층을 제 외한 모든 층이 목표성능인 붕괴방지(CP) 수준을 만족하지 못하였다. 특히 1층의 층간변형률은 X방향, Y방향 각각 12.682%, 7.823%로 붕괴방지 (CP) 수준의 허용조건인 1.6%를 크게 초과하고 있다(Table 10).

    두 번째로 세장한 가새가 적용된 철골모멘트골조의 경우, 앞서 설명한 철골모멘트골조만의 층간변형률에 비하여 상당부분 감소하였다. 하지만 X 방향에 대하여 1층 3.367%, 2층 1.888%, 3층 1.268%로 1층과 2층에 대하 여 성능목표 허용기준인 1.6%를 초과하고 있다 Y방향 또한 1층 4.159%, 2 층 1.501%, 3층 1.040%로 2층과 3층은 성능목표 허용기준인 1.6%를 만 족하지만 Y방향 또한 X방향과 동일하게 1층에 대해서는 기준을 크게 초과 하는 것으로 평가되었다(Table 11).

    3.3.결과 분석

    철골모멘트골조만의 강도측면에서의 1단계 내진성능 상세평가 결과에 따르면 2층과 3층에 대해서는 목표성능인 붕괴방지(CP) 수준을 만족시키 지만 1층의 경우, 수직부재가 붕괴위험(Collapse) 수준을 나타내고 있어 시스템 수준에서의 성능은 붕괴위험(Collapse) 수준으로 평가되었다.

    철골모멘트골조와 세장한 가새의 강도측면에서의 1단계 내진성능 상세 평가에서는 철골모멘트골조만의 평가 결과와는 달리, 가새가 횡력을 함께 분담하기 때문에 수평부재 뿐만 아니라 대부분의 수직부재들은 연직하중 분담률에 대해 즉시거주(IO) 수준을 나타내는 것으로 평가되었다. 하지만 세장한 철골 가새는 1단계 내진성능 상세평가의 모든 하중조합에서 붕괴위 험(Collapse) 수준으로 평가되었다. 기존 세장한 철골가새가 존재함으로 전체 시스템 강성에 많은 영향을 미치고 있지만 모든 하중조합에서 붕괴되 는 결과로써 횡력저항요소로 설계되지 않은 것을 확인할 수 있다.

    두 가지 경우의 평가 결과를 종합하였을 때 철골모멘트골조 자체가 연직 하중분담률에서 목표성능수준을 보이기 위해 필요한 전제는 지진하중에 있어 철골가새가 붕괴되지 않아야 한다는 것으로 분석할 수 있다. 가새가 붕 괴될 경우, 앞서 평가한 가새를 제외한 철골모멘트골조만의 성능인 붕괴위 험(Collapse) 수준으로 나타나기 때문에 가새가 전체 하중조합에 대해서 붕괴방지(CP) 수준을 반드시 만족해야 철골모멘트골조의 연직하중분담률 또한 목표성능을 만족할 수 있다고 분석되었다. 따라서 대상 시설물의 기존 내진성능은 붕괴위험(Collapse) 수준으로 목표성능을 만족하기 위해서는 보강안 적용이 필요할 것으로 분석되었다.

    층간변형률 검토 결과, 세장한 가새의 유/무에 따라 층간변형률이 큰 차 이를 나타내고 있다. 이는 가새가 지진에 대한 층간변형률 허용기준은 만족 시키지 못하지만 전체시스템의 강성을 증가시켜 안정성과 사용성에 많은 영향을 미치는 것으로 분석된다. 두가지 경우 모두 ‘가새가 있는 철골골조’ 의 붕괴방지(CP)의 허용기준인 1.6%에 크게 초과하는 것으로 평가되었고 ‘철골골조’의 붕괴방지(CP) 허용기준인 4% 또한 초과하고 있는 것으로 분 석되었다. 특히 1층의 경우, X방향, Y방향 모두 허용기준을 크게 초과하고 있어 층간변형률에 있어서도 보강안 적용이 필요한 것으로 분석되었다.

    대상 시설물의 기존 상태가 붕괴위험(Collapse) 수준으로 평가되었기 때문에 제안된 이중철골조시스템 내진성능평가 프로세스에 따라서 보강안 선정을 진행하였다. 대상시설물이 내진설계가 되어있지 않았다는 점과 목 표성능을 만족하기 위해서 가새가 붕괴되지 않아야 한다는 평가 결과를 토 대로 대상시설물의 보강안을 선정하여 적용하고 보수적인 1단계 내진성능 상세평가를 만족시키는 것을 목표로 진행하였다.

    4.보강안을 적용한 대상 시설물의 내진성능평가

    4.1.대상 시설물의 보강안 선정

    대상 시설물은 중앙부 E/J로 분리되어 있다. 실제 시설물에 횡하중이 작 용할 시, 건물 간의 충돌(Pounding Effect)가능성이 존재하여 건물의 일체 거동을 위해 E/J를 연결하는 보강이 필요하다(Fig. 10).

    1단계 내진성능 상세평가 결과, 목표성능을 만족하기 위해서는 모든 하 중조합에서 붕괴방지(CP) 성능수준을 만족할 수 있도록 철골모멘트골조 에 대한 보강 또는 철골가새에 대한 보강이 필요하다.

    철골모멘트골조만의 1단계 내진성능 상세평가 결과에 의하면 붕괴방지 (CP) 수준을 만족하는 연직하중분담률은 48%로 내부 골조 보강으로써 목 표성능의 기준인 80%를 만족하기 위해서는 상당한 물량의 골조 보강이 필 요하다. 또한 공장시설물 내부는 상시가동을 필요로 하기 때문에 내부의 골 조 보강이 이뤄질 경우 공장 가동에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 모멘트 골 조에 대한 보강보다는 외각 철골 가새를 보강함으로써 보강 물량을 절감하 고 공장 가동에 대한 영향을 최소화할 수 있도록 계획하였다.

    E/J를 연결하여 보강하였을 경우, 온도하중에 대해 문제가 없는 것으로 검토되었다. 또한 1층 보강 가새는 X방향으로 H-200×204×12×1 16개소, Y방향으로 H-300×300×10×15 4개소를 가셋 플레이트에 용접하여 전단 접합을 계획하였다(Figs. 11, 12). 보강 가새의 위치는 입면을 고려하여 선 정하였고 10 m이상의 장스팬으로 압축 내력이 미미하여 인장력에 대한 보 수적인 평가를 위해 한쪽방향 가새 보강안을 적용하였다.

    4.2.보강 후, 대상시설물의 1단계 내진성능 상세평가

    보강된 가새는 모두 하중조합에 대해서 붕괴방지(CP) 수준을 만족하였 다(Table 14). 이에 따라서 연직하중분담률에 있어 철골모멘트골조는 즉시 거주(IO) 수준을 만족하여(Tables 12, 13) 내진 Ⅱ등급 시설물의 성능목표 인 붕괴방지(CP) 수준을 만족하였다.

    대상 시설물의 현재 상태에 대한 1단계 내진성능 상세평가를 진행한 결 과, 가새의 붕괴여부에 따라 연직하중분담률에서 큰 차이를 보이고 있음을 확인하였다. 가새가 붕괴될 경우, 철골모멘트골조만이 지진하중을 부담하 게 되며 연직하중을 받아줄 수직부재가 상당부분 붕괴되는 것으로 분석되 었다. 보강 안을 적용할 경우, 보강된 H형강 가새가 지진하중조합에 대해 붕괴방지(CP) 수준을 나타냄으로써 모멘트골조가 연직하중분담률에 있어 즉시거주(IO) 수준까지 부담할 수 있는 것으로 분석되었다.

    4.3.보강 후, 층간변형률 검토

    선정한 보강안을 적용하여 층간변형률을 검토해본 결과, X방향은 성능 목표 허용기준을 모두 만족하였지만 Y방향 1층의 층간변형률은 2.126% 로 허용기준인 1.6%를 초과하는 것으로 나타났다(Table 15).

    4.4.보강 후, 1단계 내진성능 상세평가 결과 분석

    붕괴위험(Collpase) 수준으로 평가된 대상 시설물에 보강안을 적용하 여 1단계 내진성능 상세평가를 진행하였다. 보강된 가새가 최소 붕괴방지 (CP) 수준의 성능을 보임으로써 내부 모멘트골조의 연직하중분담률이 목 표성능을 만족하는 것을 목표로 하였다.

    보강된 가새는 단면에 비하여 장스팬을 갖고 있기 때문에 인장내력에 비 하여 압축내력이 미미하다. 따라서 인장력에 대해 면외방향 하중을 제외한 8개 하중조합에 대해서 평가한 결과, 모두 붕괴방지(CP) 수준을 만족시켰 고 이에 따라 내부 모멘트 골조의 연직하중분담률이 목표성능인 붕괴방지 (CP) 수준을 만족하는 것으로 평가되었다.

    보강안을 적용함으로써 강도측면의 목표성능을 만족시켰지만 층간변 형률에 대해서는 Y방향 1층에서 목표성능의 허용기준(1.6%)을 초과하는 것으로 분석되었다. 이는 대상 시설물의 층고가 높고 철골 구조물인 점 등에 의해 나타나는 결과일 것으로 분석되었다. 건물의 입면을 고려하였을 때, 더 이상의 1층 Y방향에 대한 보강은 불가하여 2단계 내진성능 상세평가를 통해 층간변형률에 대한 추가 검토를 진행하였다.

    4.5.2단계 내진성능 상세평가(Pushover)

    탄성해석을 기반으로 한 1단계 내진성능 상세평가와는 달리, 2단계 내 진성능 상세평가에서는 구조요소 모델링, 비선형속성 적용을 위한 부재들 의 그룹화, 수직부재의 모멘트 강도 산정을 위한 축력 고려, 성능점 산정 방 법 선정 등을 비롯하여 비선형 해석을 위한 주관적, 환경적 요소가 해석결과 에 영향을 미치게 된다.

    1단계 내진성능 상세평가를 통해 대상 시설물은 1층에서 가장 취약하고 철골모멘트 골조보다 가새가 먼저 항복하는 파괴 매커니즘을 갖는 것을 확 인하였다. 이러한 결과를 참고하고 외적 요소를 최소화하기 위해 2단계 내 진성능 상세평가 진행 이전, 추가적인 사례연구를 진행하였다. 사례 연구 및 2단계 내진성능 상세평가 시, 부재에 대한 비선형 속성 모델링은 요령 및 ASCE41-06 [8]에 따라 진행하였다.

    4.5.1.2단계 내진성능 상세평가를 위한 사례연구

    4.5.1.1.비선형 속성 적용 부재에 따른 성능곡선 비교 분석

    모델링에 적용하는 비선형 속성이 많아질수록 2가지 문제점이 발생한 다. 첫 번째로 상용프로그램 상에서 해석 수렴도가 낮아지고 해석시간이 증 가하게 된다. 두 번째로 부재들의 그룹핑 작업에 따라 비선형정적해석 결과 가 상의하게 달라질 수 있다. 이러한 주관적, 환경적 요소를 최소화시키고 객관적인 결과를 얻기 위해서 파괴메커니즘을 분석하고 비선형 속성의 최 소화를 진행한다. 1단계 내진성능 상세평가 결과에 따르면 대상 시설물은 약기둥 강보의 구조를 가지고 있다. 기둥과 가새가 먼저 파괴되는 시스템이 기 때문에 본 사례연구에서는 기둥과 가새에 모두 FEMA hinge [9]를 적용 한 비선형정적해석 결과와 가새만 FEMA hinge를 적용한 비선형정적해석 결과를 비교 분석하였다.

    기둥과 가새에 모두 비선형속성을 적용한 결과, 초기 가새가 항복함에 따라 전체 시스템의 강성이 감소하여 진행된 이후, Sd=280 mm부터 기둥 이 점차 항복하며 강성이 추가적으로 감소하는 양상을 보였다. 그러나 가새 에 대해서만 비선형 속성을 적용시켰을 경우, 가새의 항복에 의한 초기 시스 템 강성의 변화 이후 강성변화 없이 진행되는 것을 확인하였다(Fig. 13). 즉, 두가지 경우에서 철골가새의 초기 항복 이전과 직후까지는 동일한 양상을 보이지만 가새의 항복이 진행된 이후에는 기둥의 항복으로 인해 거동의 차 이를 보임을 확인하였다.

    4.5.1.2.비선형 속성 적용 부재에 따른 성능점 비교 분석

    1단계 내진성능 상세평가 결과와 사례연구에 따르면 대상 시설물은 가 새가 먼저 붕괴되고 이후 기둥이 붕괴되는 메커니즘을 가지고 있는 것으로 분석되었다. 또한 가새와 기둥에 비선형 속성을 적용한 비선형정적해석 결 과와 가새에만 비선형속성을 적용한 비선형정적해석 결과가 기둥의 항복 에 의해 차이를 보이고 있음을 확인하였다. 본 사례연구에서는 각 경우에서 성능점의 차이를 분석해보기 위해 기둥과 가새에 비선형속성을 적용한 경 우와 가새에만 비선형 속성을 적용한 경우에 대해 FEMA440 [10]에서 제 안하는 방식으로 성능점(Performance Point)을 산출하여 비교를 진행하 였다(Table 16).

    기둥과 가새에 비선형속성을 적용하였을 때 가새를 제외한 모든 부재들 은 성능점에서 탄성상태임을 확인하였고 두가지 경우에서 성능점이 동일 한 위치에 산정되는 것을 확인하였다. 이는 대상 시설물의 성능점이 철골가 새 초기 항복 직후에 위치하기 때문에 나타나는 결과로 분석된다. 만약 초기 항복 직후가 아닌 기둥의 항복이 진행되는 곳에서 성능점이 나타난다면 두 가지 경우에 대한 성능점은 상당한 차이를 보일 것으로 예상되었다. 분석결 과를 토대로 본 대상 시설물에 대한 2단계 내진성능 상세평가는 비선형 해 석에 대한 단순화와 결과에 대한 객관성을 위해 가새에 대해서만 비선형속 성을 적용하여 진행하였다.

    4.5.1.3.상용프로그램 간의 비선형 해석 결과 비교분석

    ‘E’ 프로그램과 ‘M’ 프로그램을 통해 각각 대상시설물에 대해 비선형정 적해석(Pushover)를 수행하고 성능점에 대하여 교차검토를 진행하였다.

    두가지 상용 프로그램에서 모두 가새 부재에 비선형 속성을 적용하고 X, Y방향에서 성능점을 산출하였다(Figs. 14, 15). 그 결과, 두가지 상용 프로 그램에서 동일한 성능점이 산정되었고 이를 통해 프레임 구조에서의 성능 점 값은 두가지 프로그램이 동일하게 나타남을 확인하였다(Table 17).

    보강된 H형강 가새는 인장력에 대한 보수적인 평가를 위해 한쪽방향 가 새로써 평가를 진행하였다. 이와 반대로 압축거동을 포함할 수 있는 ‘X’형 가새를 적용할 경우, 시스템 강성의 증가로 성능곡선(Capacity Spectrum) 이 더 우수하게 도출되고 성능점 또한 탄성구간 혹은 탄성구간에 더 근접한 위치에 형성될 것으로 사료되었다.

    두가지 상용 프로그램에서 모두 가새 부재에 비선형 속성을 적용하고 X, Y방향에서 성능점을 산출하였다(Figs. 14, 15). 그 결과, 두가지 상용 프로 그램에서 동일한 성능점이 산정되었고 이를 통해 프레임 구조에서의 성능 점 값은 두가지 프로그램이 동일하게 나타남을 확인하였다(Table 17).

    4.5.2.보강 후, 2단계 내진성능 상세평가 층간변형률 검토

    1단계 내진성능 상세평가 시, 층간변형률이 목표성능 허용기준을 초과 하여 2단계 내진성능 상세평가를 수행하였고 성능점(Performance Point) 에서의 층간변형률을 분석하였다. 연직하중분담률 검토는 1단계 내진성능 상세평가에서 목표성능을 만족하였고 2단계 내진성능 상세평가를 위한 사 례연구 진행 결과, 성능점에서의 골조 부재들이 탄성상태에 있음을 확인함 으로써 제외하였다. Fig. 16은 각 방향 성능점에서의 거동을 보여주고 있다.

    2단계 내진성능 상세평가에서는 성능점에서의 층간변형률이 X방향 최 대 0.712%, Y방향 최대 1.045%로 붕괴방지(CP)수준 뿐만 아니라 인명안 전(LS) 수준까지 만족하였다(Table 18). 따라서 보강안을 적용할 경우, 대 상 시설물의 최종성능은 인명안전(LS) 수준으로 평가되었다.

    5.결 론

    ‘기존 시설물(건축물) 내진성능 평가요령(2013)’은 국내의 내진성능평 가 지침 및 요령 중에서도 가장 많이 활용되는 요령으로 해외 지침인 ASCE41-06을 기반으로 개발되었다. 하지만 ASCE41-06과 달리 요령에 서는 횡력저항시스템의 연직하중분담률로써 최종적인 성능을 도출하도록 규정하고 있다. 따라서 장스팬의 세장한 가새를 가진 이중골조시스템의 경 우, 세장한 가새가 횡력저항시스템을 구성하고 있지만 중력하중에 대해서 는 내부 모멘트 골조가 분담하기 때문에 가새의 연직하중분담률로써의 평 가가 의미를 갖기 어렵다.

    본 연구에서는 내진설계가 되어있지 않고 세장한 철골가새가 존재하는 이중철골조 공장시설물을 대상으로 내진성능평가 시, 이러한 요령상의 한 계점, 상용프로그램 해석결과에 대한 신뢰성 등에 대해 공학적으로 해결할 수 있는 일련의 내진성능평가 프로세스를 제안하고 이에 따라 진행하였다.

    외관 상, 이중철골조시스템인 대상 시설물의 내진성능평가 시, 요령 적 용과 상용 프로그램 사용에 있어 몇 가지 고려사항이 존재하였다. 첫번째로 대상 시설물은 요령 상의 구조시스템 분류에 해당되지 않는 이중철골조시 스템이란 점이다. 두 번째로는 상용프로그램 적용에 있어 해석 결과에 대한 불확실성이 존재한다는 점이다. 세 번째로 대상 시설물은 내진설계가 되어 있지 않고 상시 가동 여부와 많은 인원이 근무하는 시설임을 고려하였을 때, 보수적인 평가가 필요하다는 점이다.

    이러한 사항들을 해결하기 위하여 본 연구에서는 세장한 가새가 사용된 이중철골조시스템에 대하여 요령을 기반으로 한 내진성능평가 프로세스를 제안하였다. 제안된 프로세스는 내진설계가 되지 않은 이중철골조시스템 을 대상으로 시설물의 중요도, 규모 등을 고려하여 1단계 내진성능 상세평 가를 만족시키는 것을 목표로 하였고 2단계 내진성능 상세평가를 진행할 시, 1단계 내진성능 상세평가를 활용하여 진행할 수 있도록 계획하였다. 또 한 2가지 상용프로그램을 이용하여 각각 내진성능평가를 진행하고 결과에 대한 교차 검토와 사례 연구를 통하여 대상 시설물에 대한 객관적인 내진성 능평가 결과를 제시하였다.

    국내의 다양한 내진성능평가 사례는 비선형정적해석(Pushover)결과만 이 평가 결과에 큰 비중을 차지하거나 상용 프로그램의 편의성만을 활용하 여 객관성이 확보되지 않은 평가결과를 제시하는 사례들이 다수 존재한다. 하지만 내진성능평가의 대상시설물이 다양해지고 복잡해짐에 따라 평가자 는 시설물에 대한 중요성, 용도, 크기, 사용빈도 등 여러 가지 사항에 대해 고 려하여 정확하고 객관적인 평가를 진행해야 할 의무가 커지고 있다. 또한 평 가자는 내진성능평가 요령을 활용하는 것 뿐만 아니라 내진성능평가 방법 에 대한 적절한 계획과 객관성을 확보할 수 있는 추가적인 연구를 계획함으 로써 합리적인 평가 결과 제시를 위해 노력하여야 한다.

    / 감사의 글 /

    본 논문은 국토교통부 도시건축연구 사업의 연구비 지원(과제번호 17AUDP-B066083-05)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

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    Seismic performance evaluation process About steel structure

    EESK-22-33_F2.gif

    Features of factory building

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    Standard floor plan of target facility

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    Structure features of target facility

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    Seismic performance evaluation process of current dual steel structure system

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    Seismic performance evaluation process dual steel structure system after reinforcement

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    Modeling in commercial programs

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    Steel moment frame modeling

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    Steel moment frame + brace modeling

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    Behavior of taget facility by expansion joint

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    Seismic retrofit of target facility

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    Steel moment frame + retrofit brace modeling

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    Pushover curve according to nonlinear hinge application

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    X-axis capacity curve of each commercial program

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    Y-axis capacity curve of each commercial program

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    Target facility behavior at performance point

    Table

    Basic performance objective for existing buildings

    Reaction force comparison

    Eigenvalue comparison

    1st seismic performance evaluation, vertical load distribution ratio (vertical elements)

    1st seismic performance evaluation, vertical load distribution ratio (horizontal elements)

    1st seismic performance evaluation, vertical load distribution ratio (vertical elements)

    1st seismic performance evaluation, vertical load distribution ratio (horizontal elements)

    1st seismic performance evaluation (brace)

    Story drift ratio criteria of the structure

    1st seismic performance evaluation, story drift ratio evaluation before seismic retrofit (steel moment frame)

    1st seismic performance evaluation, story drift ratio evaluation before seismic retrofit (steel moment frame with slender brace)

    1st seismic performance evaluation, vertical load distribution ratio (vertical elements)

    1st seismic performance evaluation, vertical load distribution ratio (horizontal elements)

    1st seismic performance evaluation (brace)

    1st seismic performance evaluation, story drift ratio evaluation after seismic retrofit

    Properties at performance point

    Properties at performance point

    2nd seismic performance evaluation, story drift ratio evaluation after seismic retrofit

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