Seismic Performance of Low-rise Piloti RC Buildings with Concentric Core

중심코어를 가지는 저층 철근콘크리트 필로티 건물의 내진성능

Abstract

In this study, the seismic performance of low - rise piloti buildings with concentric core (shear wall) position is analysed and reviewed based on KDS 41. The prototype is selected among the constructed low - rise piloti buildings with concentric core designed based on KBC 2005 which was used for many low - rise piloti buildings construction. The seismic performance of the building shows plastic behavior in X-direction and elastic behavior in Y-direction. The inter-story drift is lager than that of concentric core case and is under the maximum allowed drift ratio. The displacement ratio of first story is much lager the that of upper stories, and the frame structure in the first story is evaluated as vulnerable to lateral force. Therefore, low - rise piloti buildings with concentric core need the diminishment of lateral displacement and reinforcement of lateral resistance capacity in seismic design and seismic retrofit.

1. 서론

2016년 규모 5.8의 경주지진과 2017년 규모 5.5의 포항지진 발생으로 사상자는 없었지만 크고 작은 경제적 손실이 있었으며, 우리나라 지진 발생빈도의 중가와 함께 국민의 불안감이 증가하고 있는 실정이다. 특히, 포항지진 발생시 필로티구조의 다세대건물에서 기둥 파괴 등의 피해가 발생하여 내진안전성에 문제가 제기되고 있다[1, 2, 3].

2000년대 주차장법 개정으로 2005년 이후 1층은 주차장, 2∼4층은 주택으로 사용되는 다가구 주택이 대량으로 건설되었다. 저층 필로티 다가구 건물은 1층은 기둥과 보로 구성된 라멘조의 골조가 형성되고 2층∼4층은 주거에 적합한 벽식 구조로 골조가 형성되는 전이구조로, 지진 횡력에 취약한 형태이지만, 주차공간의 확보가 용이 하고 1층 통행에 유리하다는 장점으로 2000년대에 많이 건축되고 있는 주거 구조형식 중 하나이다[4].

본 논문에서는 중심코아를 가지는 저층 필로티 건물의 내진거동을 해석하고 결과를 분석하여 저층 필로티 건물의 내진설계 및 내진보강의 기초자료를 제시하고자 한다.

2. 해석 모델

본 논문에서는 KBC 2005 기준에 준하여 설계된 중심코어를 가지는 저층 필로티 건물의 시공사례를 분석하여, 대표적인 중심 필로티 건물을 프로토타입을 선정하고 현행 KDS 41 기준[5]에 준하여 내진거동을 해석하고 결과를 분석하였다. 일반적으로 저층 필로티 주거건물은 지상 4층에 연면적 1,000제곱미터의 규모를 가지며, 중심코어는 건물의 중앙에 위치한다.

2.1.1 건물의 개요

대지위치 :　경상남도 S시

규 모 :　지상 4층 (최고높이 12.8M）

연 면 적 : 997.49 ㎡

구조계획 :　중간모멘트골조 및 보통 전단벽 구조

2.1.2 구조재료의 규격 및 기준강도

1) 콘크리트 : Fck = 24MPa (240㎏f/㎠)

2) 철근 : Fy = 400MPa SD400 (4,000㎏f/㎠)

2.1.3 필로티 건물의 내진성능평가를 위한 하중조건

1) 하중조건(KDS 41)[5]

① 연직하중 : Dead Load : 7.04 kN/m2, Live Load : 2.0kN/m2

② 수평하중 - 지진 하중

a. 지진구역 : Ⅰ

b. 지역계수 : Z = 0.11

c. 건물의 중요도 : 1

d. 중요도 계수 : I= 1.2

e. 지반 종류 : S3

f. 내진설계범주 : D

g. 건물의 기본진동주기

• 장변 방향 : \(Tx = 0.0466 h_{ n }^ {0.9}\)
• 단변 방향 : \(Tx = 0.0488 h_{ n }^ {0.75}\)

h. 반응 수정 계수 : R = 4

I. 시스템초과 강도계수 : \(\Omega_0\) = 2.5

j. 변위증폭계수 : Cd = 4

k. 암반 위치 : G.L –20 m

Fig. 1 3D model of piloti building

Table 1. Properties of column

Table 2. Properties of girders and beams

Table 3. Properties of wall

Fig. 2 1st floor plan

Fig. 3 2nd and 3rd floor plan

Fig. 4 4th floor plan

2) 하중 조합

본 연구대상 건물의 국내 규준에 따른 내진성능평가에 사용된 하중조합은 KDS 41[5]에 따라 아래에 제시된 하중계수와 조합을 모두 검토하였다.

1. 1.4(D + F + Hv)
2. 1.2(D + F + T) + 1.6(L + ɑHHv + ɑHHv : 토피의 두께에 따른 연직방향 하중 Hv에 대한 보정계수) +0.5(Lr 또는 S 또는 R)
3. 1.2D + 1.6(Lr 또는 S 또는 R) + (1.0L 또는 0.65W)
4. 1.2D + 1.3W + 1.0L + 0.5(Lr 또는S 또는 R)
5. 1.2D + 1.0E + 1.0L + 0.2S
6. 1.2(D + F + T) + 1.6(L + ɑHHv)+ 0.8Hh + 0.5(Lr 또는 S 또는 R)
7. 0.9D + 1.3W + 1.6(ɑHHv + Hh)
8. 0.9D + 1.0E + 1.6(ɑHHv + Hh)

3) 국내 규준에 따른 내진성능 평가 모델링

본 연구대상 건물은 3차원 해석 프로그램인 MIDAS IT사의 MODS, MIDAS-GEN 프로그램[7] 을 이용하여 내진 성능 평가 해석을 실시하였으 며, PUSH OVER 해석시 하중-변위 관계곡선을 나타낼 때는 국내 기준에서 제시한 층간변위 0.02hsx에 도달하면 한계상태에 다다른 것으로 가정하였다[8].

본 해석에서 콘크리트의 비선형 특성은 Kent-Park 콘크리트 모델의 응력 변형률 곡선을 이용한다.

이 때에 비구속 콘크리트의 K값, ε50U값, ε는 1, 0.0036, 0.00468이다. 이때에 FU를 산 point,c 정하기 위한 비구속 콘크리트의 K값은 1을 사용하여 기대강도와 같도록 하였다 철근콘크리트 건축구조물의 성능기반 내진설계 지침[9]에서 제시한 기대강도(\(f_{ck}\))를 참조하였다.

콘크리트와 철근의 비선형 재료모델은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5 Nonlinear material models

3. 대상 철근콘크리트 건물의 내진성능평가

3.1 성능곡선 확인[6]

Fig. 6과 7은 Push Over 해석시 X방향과 Y방향 성능곡선을 나타낸 것이다.

Fig. 6 Performance curve of X direction

Fig. 7 Performance curve of Y direction

X방향 정적재하시 초기 탄성거동 이후 일부 부재의 항복이 발생하면서 밑면전단력 1450kN에서 필로티 기둥의 소성힌지 발생에 의하여 강성이 저하되고 이후 강성증대에 따라 최대 밑면전단력은2060kN에 도달하는 것으로 나타난다.

Y방향 정적재하시 초기 탄성거동의 강성이 매우 크고 이후 밑면전단력 3890kN에서 필로티 기둥의 소성힌지 발생에 의하여 강성이 완만히 저하되고 이후 강성감소에 따라 밑면전단력은 3790kN에 도달하고 소성힌지의 추가 발생에 따라 강성이 급격적으로 감소하는 것으로 나타난다.

Y방향의 초기 탄성강성이 X방향에 비하여 매우큰 것은 Y방향 전단벽의 길이와 벽량이 X방향보다 크기 때문으로 분석된다.

3.2 성능점 확인

Push Over 해석시 X방향과 Y방향 성능점(Fig. 8, 9)은 X방향 정적재하시 구조물의 탄성거동 범위내에 존재하고 유효주기 \(T_{eff}\)는 0.1198초, 유효감쇠율 \(D_{eff}\)는 5%로 나타났다. 중심코어의 코어벽체강성이 매우 커서 1층 필로티 기둥의 지진하중 부담률이 적고 벽체가 하중 부담률이 크게 나타났다.

Fig. 8 Performance point of X direction

Fig. 9 Performance point of Y direction

Y방향 정적재하시 성능점은 초기 탄성거동시 형성되는 것으로 나타났고 성능점에서 유효주기 \(T_{eff}\)는 0.112초, 유효감쇠율 \(D_{eff}\)는 5%로 나타났다.

3.3 필로티 건물의 층간 변위 검토

필로티 건물의 설계기준에 따른 안전성을 검토하기 위하여 최대 층간변위를 정리하였다.

건물 장변과 단변의 층간변위비는 0.001∼ 0.0095으로 나타나 허용기준 이내이며, 단변의 1층 층간변위비가 가장 커서 0.0095이나, 허용기준인 0.02의 절반수준으로 나타났다.

Table 4. Story drift

4. PUSH OVER 해석 검토결과

4.1 X방향 연직하중 분담비율 결과

Step 1에서는 전체 구조물이 탄성거동을 하고 있으며, 소성힌지의 발생이 없는 상태이고, Step 5 에서 필로티 기둥의 일부에서 항복이 발생하기 시작하며 2층 일부 보가 CP수준 힌지상태에 이른다.

Step 10에서는 전이층 큰보 일부에서 소성힌지가 발생하여 부재붕괴수준에 이르고, Step 15에서는 필로티 기둥의 LS소성힌지가 점증하고 있으며 상층부의 일부 보에 항복이 발생하고, Step 20에서 소성힌지의 발생이 증가하며 CP수준 힌지의 발생이 기둥에 증가하고 있다.

검토 결과, 부재별 성능수준이 목표성능을 만족하 고. 층간변위비의 성능수준이 목표성능을 만족하며, 전체 구조물의 성능수준이 목표성능을 만족한다.

4.2 Y방향 연직하중 분담비율 결과

Y방향 푸쉬오버해석 결과 Step 1에서는 전체 구조물과 모든 부재가 탄성거동을 하고 있으며, 기둥과 코어벽체가 탄성강성에 따라 하중을 분담하고 있다. Step 5에서 코어 반대쪽의 필로티 기둥에서 IO소성힌지의 발생이 시작하며, 코어 벽체 주변의 기둥은 탄성영역의 거동을 하고 있다.

Step 10에서는 건물 중앙측에 있는 필로티 기둥의 일부에서 소성힌지가 발생하였다.

Step 15에서는 코어가 있는 쪽의 필로티 기둥에서도 소성힌지가 추가로 발생하고, Step 20에서이미 발생된 소성힌지의 소성변형과 더불어 필로티 기둥의 항복이 증가하고 있다.

검토 결과, 부재별 성능수준이 목표성능을 만족하고. 층간변위비의 성능수준이 목표성능을 만족하며, 전체 구조물의 성능수준이 목표성능을 만족한다.

Fig. 10 Distribution ratio of X direction

4.3 층간 변형각 검토 결과

해석결과의 층간 변형각 및 층간 변위를 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11 Distribution ratio of X direction

Fig. 12 Behavior of X direction

층간변위와 층간변위비는 골조로 이루어진 필로티 부분에서 크게 나타나며, 벽식 구조인 2, 3, 4 층에서는 매우 작게 나타났다.

즉, 1층에 필로티를 가지는 건물은 지진하중과 같은 수평하중 작용시 수평변위의 대부분은 연약층인 필로티층에서 발생하고, 벽식구조의 상층부는 수평강성이 매우 커서 수평변위 발생량이 절대적으로 작다는 것을 알 수 있다.

5. 결론

본 논문에서는 중심코아를 가지는 저층 필로티건물을 대상으로 국내의 내진성능평가 규준을 적용하여 PUSH OVER해석을 통하여 내진거동을 해석하고 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 내릴수 있었다.

Fig. 13. Behavior of Y direction

1) 코어가 평면 중심에 위치한 경우 X방향과 Y 방향 지진하중에 대하여 구조체는 탄성거동을 하는 것으로 평가되었다. 따라서, 층간변위비는 모두 법적 규준 이내인 것으로 평가 되었다.

2) 연구대상 건물의 층간 변위를 확인한 결과필로티 구조인 1층에서 최대층간변위 δ=24.7mm, 최대 층간변위비 0.78%로 매우크게 나타났으며 코어가 평면 중심에 위치하여 비틀림모드가 제한되어 1층 기둥의 소성거동은 제한적인 것으로 평가되었다.

3) 전단벽식 구조인 2∼4층의 층간변위는 0.1982 mm, 층간변위비는 0.0068%로 벽체의 강성이 매우 커서 층간변위는 미소하게 나타났으며 벽체는 탄성거동을 보여 구조안전성이 확보된다. 따라서, 저층 필로티 건물의 내진설계 및 내진보강시 강성중심을 질량중심과 일치시켜 비틀림에 의한 기둥의 하중부담과 변형을 감소시키는 설계가 필요하다.

KBC 2005 기준에 따라 설계된 대표적인 중심코아를 가지는 저층 필로티 건물의 내진거동을 KDS 41기준에 준하여 분석한 결과 붕괴방지에 충분한 내진성능을 가지고 있는 것으로 분석되었다. 다만, 중심코어벽체가 대부분의 지진하중을 부담하므로 벽체의 내진설계와 고품질시공이 건물의 구조안전성에 가장 중요한 요소로 사료된다.

감사의 글

이 논문은 2021∼2022년도 창원대학교 자율연구과제 연구비 지원으로 수행된 결과임.