콘크리트 건축물의 내진설계 및 평가

내진설계 및 성능평가

1. 건축물의 내진설계

2. 내진성능평가

3. 내진보강

1. 건축물의 내진설계

 

1.1 내진설계의 기본개념

■ 내진설계 목표 및 필요요소 ­ 내진설계의 목표는 구조물이나 시설물을 강하게 설계, 건설하여 지진재해시 구조물이나 시설물이 원래 기능을 유지하거나 붕괴되지 않도록 하는 것.

­ 내진설계의 목표를 달성하기 위해서는 지진하중의 정량화 선행 필요 ­ 지진에 대비한 시설물 설계 및 건설을 위한 설계성능목표 결정 필요

 ■ 내진설계의 기본원칙 및 수준 ­ 지진발생시 인명 손실의 최소화, 사회 기본기능의 유지, 지진수습 후 단시간내 사회 본래기능의 신속한 회복 등을 목표로 사회의 각종 구조물과 시설물을 설계하는 것이 최근의 내진설계의 기본원칙임. ­ 구조물과 시설물의 중요도와 기능에 따른 내진설계 수준의 차별화 필요.

■ 지진하중에 대한 변형과 응력상태의 해석 및 내진성능 요구조건 분석 ­ 지진하중이 주어지면 구조물의 수학적 모델을 만들어서 설계지진이 작용할 때 구조물에 발생하는 변형과 응력 상태를 해석함. ­ 비탄성 거동을 하는 구조물의 경우 그 지진응답을 탄성 해석법에 의해서 근사적으로 평가하는 방법이 현재 널리 쓰이고 있음. ­ 이 결과로서 구조물의 소요내진역량과 보유내진역량이 계산됨. ­ 설계된 구조물의 내진역량이 지진해석을 통하여 얻은 소요역량보다 충분히 초과하는지의 여부에 의해서 내진성능 요구조건의 만족 여부를 판단.

■ 상세설계의 실시 ­ 지진응답해석 결과가 만족스럽다고 판단되면 최종 구조물의 치수를 확정짓고 연결부 등의 상세설계를 시행하게 됨. 내진설계의 성공여부는 사실상 상세설계에 있다고 하여도 지나치지 않음. ­ 내진설계가 지진하중작용하에서 구조물이 비탄성거동하는 것을 전제하고 있다면, 연결부 등에서 취성파괴가 일어나지 않고 구조시스템 및 부재가 소기의 연성거동을 할 수 있도록 상세설계에 주의를 기울여야 함.

■ 구조물의 건설 ­ 지진시 구조물의 거동 특성을 관찰하여 보면, 시공이 정밀하게 이루어지지 않으면 내진성능이 대폭 저하된다는 것을 알 수 있음. ­ 따라서 지진에 대한 안전성을 확보하기 위해서는 설계뿐 아니라 시공의 마지막 단계에 이르기까지 품질관리에 충실하여야 함.

 

1.2 중약진지역에서의 내진설계

■ 중약진지역에서의 시설물의 지진하중에 대한 거동 - 철골구조, 철근콘크리트 구조 등과 같이 횡하중에 의한 모멘트에 저항역량을 보유한 구조물은 비록 내진상세가 제공되지 않았더라도 상당한 지진하중에 대하여 어느 정도 연성거동을 보여 급격한 구조물의 파괴는 적을 것임. - 반면에 비보강 조적구조와 같이 횡하중에 의한 모멘트에 저항능력이 매우 낮은 구조체에서는 낮은 수준의 지진하중 하에서도 손상이 발생하기 쉽고 좀더 높은 세기의 지진하중 하에서는 파편으로 파괴될 가능성이 매우 높음.

■ 중약진지역에서의 내진설계 방법 - 이러한 측면에서, 중약진 지역에서는 조적구조와 같은 구조물에 연성도를 증진시키는 방법을 채택하는 것이 합리적

 

1.3 내진성능향상

■ 현재 우리나라에서 건설되고 있거나, 이미 건설되어 있는 시설 중에는 강진 시 파괴되거나, 손상되어 그 결과로서 인명손실을 초래하거나, 사회-경제적 큰 지장을 가져올 수 있는 시설들이 많이 있음.

■ 기존 시설물에 대해서는 지진에 대한 내진성능을 평가하고 부족할 시에는 그 성능을 향상시켜야 할 필요가 있음.

■ 그러나 모든 기존 시설물의 내진성능을 신설 시설물 수준으로 향상시키는 것은 현실적이 아니므로, 기존 시설물의 내진성능향상에 있어서 먼저 중요도에 따라서 우선순위를 결정하고 타당한 내진성능향상수준을 먼저 결정하여야 함

■ 그 다음 실제 구조물의 내진역량을 전문가가 정확하게 평가하고 그 결과에 따라서 경제적이고도 최적합한 성능향상방법을 선정하여야 함.

 

2. 내진성능 평가

 

2.1 내진성능평가의 절차 기존건축물에 대한 내진성능평가와 그에 따른 내진보강의 목표는 사용자의 안전과 지진피해의 저감을 통한 경제적인 효과에 있다. 건축물에 대한 합리적인 내진성능평가 및 보강을 위해 다음과 같은 사항을 고려한다. - 화재에 대한 대비 - 유해물질 유출의 경감 - 비상구의 폐쇄 방지책 - 용도의 변경 - 기능수행의 개선 - 건축물 시스템의 개선 - 역사적 건물의 보존

 

2.2 전문가의 자격 기존 건물의 내진평가와 그에 따른 내진성능보강을 위하여 전문가의 적절한 자격요건이 필수적이다. 대부분의 경우 건축가나 구조기술자를 책임자로 하는 평가팀을 구성하게 된다. 특히, 내진성능평가 및 내진성능보강과 관련하여 구조기술자에게 요구되는 주요 자격요건은 다음과 같다. - 지진지역에 위치한 건축물의 지진해석, 설계 및 보강등에 경험이 있을 것 - 내진역량(Capacity)에 근거한 내진공학 및 설계의 원칙에 대한 기본적인 이해 가능한 자 - 비탄성 해석과정에 대한 경험과 구조거동에 대한 완전한 이해 가능자 - 구조 동역학 및 강지진 등에 대한 구조물의 거동에 대한 이해 가능자

 

2.3 내진성능목표 내진평가팀은 건축물의 중요도를 고려하여 내진성능 목표를 설정하여, 이를 위해 내진성능에 대한 여러 가지 선택사양의 건축물의 용도 및 건축주의 의도를 파악하여야 한다. 즉, 건축물에 대한 지진의 영향을 다음과 같이 3가지 형태의 손실로 분류할 수 있다. - 인명에 대한 안전 : 건물 사용자와 인근 주민 및 주변 활동자에 대한 사망과 부상 - 재산상의 피해 : 건물 또는 그 내용물의 보수 또는 대체하기 위한 경비 - 기능수행 불가능 : 지진이후에 시설물이 통상적인 기능을 수행할 수 없으므로 인한 재정상의 손실 대체로 건물에 대한 성능목표는 최대지진(Maximum Earthquake)에 대해서는 인명에 대한 안전을 보장하며(Life Safety), 보통 자주 발생하는 지진(Serviceability Earthquake)에 대해서는 건물의 기능수행을 유지하는 것이다.

 

3. 건물물의 내진보강

 

3.1 건축물의 내진보강 총론

 

3.1.1 내진보강의 목적 건축물의 내진성능을 향상시키기 위해 수행되어지는 보수공사 및 보강공사를 합하여 내진보강이라 정의하며, 내진보강의 목적은 건축물의 내진평가를 통해 충분한 내진성능을 확보하고 있지 못한 것으로 평가된 건축물이 건축물의 존치 기간중에 경험할 수 있는 지진에 의한 붕괴로 인해 인명피해가 발생하지 않도록 건축물의 내진성능을 향상시키는 것이다.

 

3.1.2 내진보강의 적용범위 본 연구에서 다루어지는 내진보강은 일반적인 목적으로 사용되어지는 통상적 건축물에 대해서만 적용되는 것으로 하며, 군사시설등과 같은 특수한 목적의 건축물 및 병원, 소방서 등과 같은 주요시설물에 대한 내진보강은 적용대상에서 제외한다. 또한 고층 건축물과 장대스팬 건축물 및 특수한 구조형식을 사용한 건축물들은 각 건축물에 대한 개별적 연구를 통해 내진보강 방식을 선정하여 적용하여야 한다.

 

3.1.3 내진보강의 기본방향 건축물의 지진에 대한 안전성을 향상시키기 위해 고려되어질 수 있는 기본적인 방법은 다음의 세가지이다.

(1) 건축물의 형태상의 개선

(2) 건축물의 종국강도, 파괴형식 및 연성을 개선하여 건축물의 보유 내진성능의 향상

(3) 건축물의 손상복원

 

3.1.4 건축물의 내진보강설계 절차 내진보강설계는 내진성능조사결과 평가, 보강계획, 기본설계, 상세설계, 보강효과의 검토순으로 행하며, 행해진 내진보강 공사가 필요한 내진성능치를 만족시키지 못할 경우에는 내진진단결과 평가로부터 반복하여 한다.

 

3.1.5 내진보강 공법의 선정 내진보강에 적용되는 공법은 그 효과를 신뢰할 수 있으며, 필요한 내진성능치를 만족할 수 있도록 기존 건물의 구조특성을 고려하여, 강성분포의 개선, 연성의 향상, 지진내력의 증가 등에 적합한 공법을 선정한다.

1) 건축물의 형상의 개선 건축물 형상의 복잡성 및 강성의 불균등 분포를 개선하기 위해 면진 혹은 제진기구의 설치, 신축이음의 설치 등의 공법이 적용된다.

2) 건축물의 보유내진성능 향상 건축물의 보유내진성능을 향상시키는 기본적 방식으로는 보강공사를 통해 (1) 강도저항형 건물로 하는 것,

(2) 연성저항형 건물로 하는 것,

(3) (1), (2)의 중간형 건물로 하는 것들 중 하나가 되며, (1)의 경우에는 취성파괴 기둥과 전단파괴기둥이 생기지 않도록 유의해야 하며, (2)의 경우에는 지진후 다수의 균열과 잔류변형이 남는다는 점을 유의해서, 건물의 전체중량을 상당히 증가시키지 않는 공법을 사용하여야 한다.

 

3.1.5 건축물의 손상복원 건축물의 시간경과에 따라 변형, 노후화 등의 구조적 결함이 발생하여 건축물의 내진성능을 저하시켜 적절한 보강조치를 통해서도 필요한 내진성능치를 만족하기 어려울 수도 있다. 따라서, 화재나 부동침하 등의 손상을 입은 건축물이나, 20년 이상된 건축물은 주요 구조부재의 성능을 복원시키는 공법을 적용해야한다.