[내진성능평가 및 보강설계]내진성능평가시 비내력벽체의 고려유무
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以聽得心2023-09-22 11:39
일반적인 구조설계(탄성설계 혹은 선형설계)와 재료의 비선형 속성까지 고려하는 내진성능평가는
그 출발점이 다르다고 생각하시면 될거 같습니다.
많은 구조설계자들이 내진성능평가를 하면서 드는 의문 중에 하나는 위에서 언급하신 것과 같이,
신축구조설계할 때에는 하중으로 고려하는 비구조요소들(RC 벽체, 조적벽체등)을 왜 고려해야 되는가?
적절하게 내진설계가 된 건축물이 내진성능평가 결과 성능이 만족 되지 않는다는 것은 평가의 과정이나
절차상 문제가 있는 것이 아닌가?
본인의 구조설계 경험에 미루어 볼 때, 이렇게 적은(혹은 너무많은) 보강방안으로써 적절한 내진보강이
이루어 진 것이라고 판단할 수 있는 것인가?
내진보강을 한다면 좌우 또는 상하 대칭으로 보강해야 하는 것이 아닌가?
그밖에도 많겠지만, 주로 이와같은 정도로 추려질 수는 있을 거 같습니다.
재료의 탄성범주내에서 설계하는 구조설계의 과정에서 보면 보나 기둥 혹은 벽체에 가해지는 하중이
사라지게 되면 발생 되었던 변위도 함께 사라지고 부재가 원위치로 복원이 됩니다. 하지만 하중이
더 가해지면서 탄성구간을 넘어선 재료의 비선형구간까지 변형이 확대되면 하중이 사라지더라도
변형은 그대로 남아 있을 수 있고 이러한 재료의 비선형 속성과 더불어 풍하중이나 지진하중과 같은
횡하중의 특성에 의해 구조부재의 성능수준이 결정이 됩니다. 즉, 하중이 사라지면 변형도 사라지는
정하중과 달리 풍하중과 지진하중 같은 횡하중은 하중이 사라진 뒤에도 변형이 남아있는 특성을 가지고 있습니다.
가령, 바람이 휙~하고 불면 나뭇가지가 흔들릴 수 있는데 바람이라는 하중이 사라진 뒤에도 여전히 나뭇가지가
한동안 흔들리는 특성을 보게 되면 하중이 사라지면 변형도 사라진다는 탄성설계의 정하중
개념과 다른 특징이 있다고 할수 있습니다.
위에서 말씀드린 재료의 비선형 속성과 동하중의 특성을 고려하는 내진성능평가의 일련의 과정들에서
그렇다면 비구조요소는 왜 고려해야 되는가? 하중이 사라진뒤에(즉, 바람이 휙~하고 지나간뒤에~),
지진에 의한 충격으로 건물이 계속 흔들릴 수 있는데(이것은 바람이 지나간 뒤에 흔들리는 나뭇가지를
연상하시면 되겠습니다.) 구조물에서 가장 중요한 것은 진동의 주기입니다.
고유치해석결과 구조물의 주기가 결정되면 응답스펙트럼에서 그에 대응하는 지진하중의 크기가 결정되고
구조물의 응답 최대 변위가 결정 됩니다. 이러한 주기는 구조물의 주요구조부재의 강성에 따라,
혹은 조적채움벽과 조적허리벽의 강성에 따라, 그밖에도 전단벽체의 배치나 그 크기에 따라,
그리고 보, 기둥, 벽체의 유효강성에 따라 달라질 수밖에 없습니다. 따라서, 내진성능평가 과정에서는 이렇듯
구조물의 주기에 영향을 끼치는 여러 가지 인자 요인들을 얼마나 정확하게 고려하는지에 따라
지진이 발생했을 때 구조물의 응답을 정확하게 모사할 수 있을 것이라 생각합니다.
물론, 비선형정적절차 또는 비선형시간이력해석과 같은 동적절차에 따라 그 정확한 모사는 달라질 수도 있겠습니다.
비선형시간이력해석과 같은 해석법을 적용하는 것이 가장 정확하겠지만, 닭 잡는데 소잡는 칼을 사용하는
어리석은 우를 범하는지도 모르겠다는 생각이 들어서, 이부분은 설계자들이 각자 고민해봐야 할 부분인거 같고
비선형시간이력해석의 입력 지진파는 어떤 의미로 보면 우리가 구조설계할 때 적용하는 설계하중과 같은
가정하중인데, 과연 비선형정적절차보다 비선형시간이력해석이 좀더 정확한 구조물의 응답을 모사한다고
할수 있을지 모르겠습니다.
그리고 몇 년전 M사의 프로그램을 한국에서 사용하는 버전과 일본에서 사용하는 버전을 비교할 기회가 있었는데,
고유치해석결과 질량참여율이 다르게 나오는 것을 보고 개인적으로 충격을 받았던 경험이 있습니다.
역학의 결과가 사용하는 국가에 따라 다를 수도 있구나.....이렇게 수긍할 수 있는 설계자가 대한민국에 아니
전세계에 몇이나 있을 수 있겠습니까. 지금은 수정되서 제대로 나오는지 어쩌는지 모르겠습니다.
개인적으로 저의 경우는 신축구조물 설계시에 CMQ와 기둥의 Axial Force Summation을 항상 직접계산 해서
M사의 프로그램 결과와 비교하는 것이 습관처럼 되어 버렸는데, 할 때마다 충격을 받습니다.
구조역학과 다른 결과들.... 차라리 직접 손으로 계산하는 것이 구조물의 안전에 더 도움이 되지 않을까
저는 개인적으로 그렇게 생각하고 있습니다.
두서없이 말이 길어졌지만, 질문자님의 문의하신 부분에 대한 답변만 추리자면
첫째, 비내력벽체냐 또는 비구조요소냐에 상관없이 구조물의 주기에 영향을 끼치는 요소라면(심지어 슬래브조차도)
평가대상에 포함을 시켜서 하는 것이 바람직하다고 판단됩니다.
둘째, 안전하게 내진설계가 되었다손 치더라도, 재료의 비선형 속성을 고려하는 내진성능평가단계에서는
보강이 필요할 수도 있다고 판단됩니다.
단, 이것은 M사의 프로그램만을 의지했을 때 그렇다는 것이기 때문에 만약 몇해전 있었던 M사의 프로그램 오류와
같은 부분을 감안하게 되면 일정 부분 설계자의 판단도 필요하지 않나 생각합니다. 하지만, 대한민국 설계자들 중에
이부분을 동의해줄 사람이 많지 않을 거 같아서 이 또한 개인적인 의견에 지나지 않습니다.
때문에 저의 개인적인 의견에 반하는 의견은 언제든지 환영하지만 태클을 위한 태클은 정중하게 사양하겠습니다.
작성하다보니 말이 너무 많아져서 일기장에나 어울릴법한 중언부언이 많습니다.
넓은마음으로 이해해 주시길 부탁드립니다. 감사합니다.
그 출발점이 다르다고 생각하시면 될거 같습니다.
많은 구조설계자들이 내진성능평가를 하면서 드는 의문 중에 하나는 위에서 언급하신 것과 같이,
신축구조설계할 때에는 하중으로 고려하는 비구조요소들(RC 벽체, 조적벽체등)을 왜 고려해야 되는가?
적절하게 내진설계가 된 건축물이 내진성능평가 결과 성능이 만족 되지 않는다는 것은 평가의 과정이나
절차상 문제가 있는 것이 아닌가?
본인의 구조설계 경험에 미루어 볼 때, 이렇게 적은(혹은 너무많은) 보강방안으로써 적절한 내진보강이
이루어 진 것이라고 판단할 수 있는 것인가?
내진보강을 한다면 좌우 또는 상하 대칭으로 보강해야 하는 것이 아닌가?
그밖에도 많겠지만, 주로 이와같은 정도로 추려질 수는 있을 거 같습니다.
재료의 탄성범주내에서 설계하는 구조설계의 과정에서 보면 보나 기둥 혹은 벽체에 가해지는 하중이
사라지게 되면 발생 되었던 변위도 함께 사라지고 부재가 원위치로 복원이 됩니다. 하지만 하중이
더 가해지면서 탄성구간을 넘어선 재료의 비선형구간까지 변형이 확대되면 하중이 사라지더라도
변형은 그대로 남아 있을 수 있고 이러한 재료의 비선형 속성과 더불어 풍하중이나 지진하중과 같은
횡하중의 특성에 의해 구조부재의 성능수준이 결정이 됩니다. 즉, 하중이 사라지면 변형도 사라지는
정하중과 달리 풍하중과 지진하중 같은 횡하중은 하중이 사라진 뒤에도 변형이 남아있는 특성을 가지고 있습니다.
가령, 바람이 휙~하고 불면 나뭇가지가 흔들릴 수 있는데 바람이라는 하중이 사라진 뒤에도 여전히 나뭇가지가
한동안 흔들리는 특성을 보게 되면 하중이 사라지면 변형도 사라진다는 탄성설계의 정하중
개념과 다른 특징이 있다고 할수 있습니다.
위에서 말씀드린 재료의 비선형 속성과 동하중의 특성을 고려하는 내진성능평가의 일련의 과정들에서
그렇다면 비구조요소는 왜 고려해야 되는가? 하중이 사라진뒤에(즉, 바람이 휙~하고 지나간뒤에~),
지진에 의한 충격으로 건물이 계속 흔들릴 수 있는데(이것은 바람이 지나간 뒤에 흔들리는 나뭇가지를
연상하시면 되겠습니다.) 구조물에서 가장 중요한 것은 진동의 주기입니다.
고유치해석결과 구조물의 주기가 결정되면 응답스펙트럼에서 그에 대응하는 지진하중의 크기가 결정되고
구조물의 응답 최대 변위가 결정 됩니다. 이러한 주기는 구조물의 주요구조부재의 강성에 따라,
혹은 조적채움벽과 조적허리벽의 강성에 따라, 그밖에도 전단벽체의 배치나 그 크기에 따라,
그리고 보, 기둥, 벽체의 유효강성에 따라 달라질 수밖에 없습니다. 따라서, 내진성능평가 과정에서는 이렇듯
구조물의 주기에 영향을 끼치는 여러 가지 인자 요인들을 얼마나 정확하게 고려하는지에 따라
지진이 발생했을 때 구조물의 응답을 정확하게 모사할 수 있을 것이라 생각합니다.
물론, 비선형정적절차 또는 비선형시간이력해석과 같은 동적절차에 따라 그 정확한 모사는 달라질 수도 있겠습니다.
비선형시간이력해석과 같은 해석법을 적용하는 것이 가장 정확하겠지만, 닭 잡는데 소잡는 칼을 사용하는
어리석은 우를 범하는지도 모르겠다는 생각이 들어서, 이부분은 설계자들이 각자 고민해봐야 할 부분인거 같고
비선형시간이력해석의 입력 지진파는 어떤 의미로 보면 우리가 구조설계할 때 적용하는 설계하중과 같은
가정하중인데, 과연 비선형정적절차보다 비선형시간이력해석이 좀더 정확한 구조물의 응답을 모사한다고
할수 있을지 모르겠습니다.
그리고 몇 년전 M사의 프로그램을 한국에서 사용하는 버전과 일본에서 사용하는 버전을 비교할 기회가 있었는데,
고유치해석결과 질량참여율이 다르게 나오는 것을 보고 개인적으로 충격을 받았던 경험이 있습니다.
역학의 결과가 사용하는 국가에 따라 다를 수도 있구나.....이렇게 수긍할 수 있는 설계자가 대한민국에 아니
전세계에 몇이나 있을 수 있겠습니까. 지금은 수정되서 제대로 나오는지 어쩌는지 모르겠습니다.
개인적으로 저의 경우는 신축구조물 설계시에 CMQ와 기둥의 Axial Force Summation을 항상 직접계산 해서
M사의 프로그램 결과와 비교하는 것이 습관처럼 되어 버렸는데, 할 때마다 충격을 받습니다.
구조역학과 다른 결과들.... 차라리 직접 손으로 계산하는 것이 구조물의 안전에 더 도움이 되지 않을까
저는 개인적으로 그렇게 생각하고 있습니다.
두서없이 말이 길어졌지만, 질문자님의 문의하신 부분에 대한 답변만 추리자면
첫째, 비내력벽체냐 또는 비구조요소냐에 상관없이 구조물의 주기에 영향을 끼치는 요소라면(심지어 슬래브조차도)
평가대상에 포함을 시켜서 하는 것이 바람직하다고 판단됩니다.
둘째, 안전하게 내진설계가 되었다손 치더라도, 재료의 비선형 속성을 고려하는 내진성능평가단계에서는
보강이 필요할 수도 있다고 판단됩니다.
단, 이것은 M사의 프로그램만을 의지했을 때 그렇다는 것이기 때문에 만약 몇해전 있었던 M사의 프로그램 오류와
같은 부분을 감안하게 되면 일정 부분 설계자의 판단도 필요하지 않나 생각합니다. 하지만, 대한민국 설계자들 중에
이부분을 동의해줄 사람이 많지 않을 거 같아서 이 또한 개인적인 의견에 지나지 않습니다.
때문에 저의 개인적인 의견에 반하는 의견은 언제든지 환영하지만 태클을 위한 태클은 정중하게 사양하겠습니다.
작성하다보니 말이 너무 많아져서 일기장에나 어울릴법한 중언부언이 많습니다.
넓은마음으로 이해해 주시길 부탁드립니다. 감사합니다.
以聽得心2023-10-13 10:32
@구린이
추가로 문의하신 내용이 있었는데, 확인이 늦어졌네요.
내진성능평가를 진행하면서 슬래브의 효과를 고려하시겠다고 하면 두가지 측면에서 생각해볼 필요가 있겠습니다.
첫째, M사 프로그램을 이용하여 슬래브에 대해서 Plate등으로 해석에 반영한 경우에는 슬래브 면외강성은
실제 슬래브의 배근등을 고려하게 되면 대략 10%전후로 보는게 맞을 거 같습니다. 그러나, 오래전 준공된 건축물은
지금과 달리 슬래브의 두께가 120~135mm에 지나지 않는 경우가 많기 때문에 반드시 응력을 확인할 필요가
있을거 같습니다. 사실 실제 공사현장의 여건을 감안하게 되면 면외강성 10%도 너무 크게 고려하는 것이 아닌가
싶을때가 있습니다. 반면, 면내강성의 경우 무한강성을 가진 다이아프램 역할을 기대해야 한다는 측면에서 보면
균열강성을 고려하는게 맞는지 모르겠지만, 일방향의 휨재 역할을 하는 보와 달리 2-Way Action을 고려해서
50% 의 면내강성을 고려하는 것은 적정하다고 생각됩니다.
그러나 이에대한 기준이 없기 때문에 논란의 여지가 될수도 있을 것 같습니다.
두 번째, 보와 기둥, 벽체로만 이루어진 골조모델링에서 다이아프램을 고려하고 슬래브의 효과를 추가로 고려하는
방법이 있을수 있겠습니다. 가량 T형보나 반T형보의 단면이차모멘트 I를 계산해보면 통상적으로
T형보는 구형보의 2배, 반T형보는 구형보의 1.5배 정도 됩니다. 물론 이것은 슬래브와 보의 구획에 따라
다를수도 있겠지만, 통상적으로 이러한 T형보, 반T형보 효과를 고려해서 보의 유효강성을
0.35EI 대신에 T형보는 0.7EI를 반T형보는 0.525EI 를 적용하게 되면 기둥의 대한 보의 상대강성이 커지면서
기둥의 휨에대한 부담이 줄어들 수가 있겠습니다. 그러면 아무래도 기둥의 휨항복 전에 전단파괴가 선행하는
보수적인 결과가 도출될 수도 있을 듯 합니다.
서술한 두가지 방법 모두, 기준 어디에도 없는 내용이라 기준에 따라 평가가 되었느냐는 잣대로만 본다면 분명
논란이 될수 있을거 같습니다. 하지만 “기준에 앞서 구조적인 엔지니어의 판단이 우선한다”고 보는
저의 개인적인 입장에서 생각하면 충분히 상대를 설득할수도 있지 않을까 생각하고 있습니다.
그간의 경험을 볼 때 저와 같은 생각을 가지신 엔지니어분들은 일정부분 동의하셨던거 같고
그렇지 않고 뭐랄까 기준을 더 우선시 하는 분들은 동의하기 어려운 부분이라고 보셨던 경우가
더 많았던거 같습니다.
가령, 학교기준에 따라 선형해석법에 따라 내진성능평가하는 방식을 신축건물의 내진설계에도
동일하게 적용하시는 분이 계실까요? 100명중에 1명이라도 있을까 싶습니다.
기준이라는 것이 이러한 맹점을 가지고 있는 것을 생각하면 기준을 만들어가는 과정에
경험많은 구조엔지니어분들의 적극적인 참여가 아쉽다는 생각을 가지고 있습니다.
써놓고 보니, 명쾌한 답변이 되지 못하고 역시 장황하네요. ^^
기술한 내용들은 회사의 방침이라기 보단, 저 개인의 생각이니까 그부분에 대한 오해는 하지 않으셨으면 좋겠습니다.
마지막으로 참고할만한 서적.... 마땅히 떠오르지 않습니다. 추후 구린이님 작업진행사항이 궁금해지네요.
벽체에 대한 부분, 슬래브에 대한 고려등등 추후에 기술적인 결론이나 방향을 더 알려주시면 좋겠습니다.
감사합니다.
내진성능평가를 진행하면서 슬래브의 효과를 고려하시겠다고 하면 두가지 측면에서 생각해볼 필요가 있겠습니다.
첫째, M사 프로그램을 이용하여 슬래브에 대해서 Plate등으로 해석에 반영한 경우에는 슬래브 면외강성은
실제 슬래브의 배근등을 고려하게 되면 대략 10%전후로 보는게 맞을 거 같습니다. 그러나, 오래전 준공된 건축물은
지금과 달리 슬래브의 두께가 120~135mm에 지나지 않는 경우가 많기 때문에 반드시 응력을 확인할 필요가
있을거 같습니다. 사실 실제 공사현장의 여건을 감안하게 되면 면외강성 10%도 너무 크게 고려하는 것이 아닌가
싶을때가 있습니다. 반면, 면내강성의 경우 무한강성을 가진 다이아프램 역할을 기대해야 한다는 측면에서 보면
균열강성을 고려하는게 맞는지 모르겠지만, 일방향의 휨재 역할을 하는 보와 달리 2-Way Action을 고려해서
50% 의 면내강성을 고려하는 것은 적정하다고 생각됩니다.
그러나 이에대한 기준이 없기 때문에 논란의 여지가 될수도 있을 것 같습니다.
두 번째, 보와 기둥, 벽체로만 이루어진 골조모델링에서 다이아프램을 고려하고 슬래브의 효과를 추가로 고려하는
방법이 있을수 있겠습니다. 가량 T형보나 반T형보의 단면이차모멘트 I를 계산해보면 통상적으로
T형보는 구형보의 2배, 반T형보는 구형보의 1.5배 정도 됩니다. 물론 이것은 슬래브와 보의 구획에 따라
다를수도 있겠지만, 통상적으로 이러한 T형보, 반T형보 효과를 고려해서 보의 유효강성을
0.35EI 대신에 T형보는 0.7EI를 반T형보는 0.525EI 를 적용하게 되면 기둥의 대한 보의 상대강성이 커지면서
기둥의 휨에대한 부담이 줄어들 수가 있겠습니다. 그러면 아무래도 기둥의 휨항복 전에 전단파괴가 선행하는
보수적인 결과가 도출될 수도 있을 듯 합니다.
서술한 두가지 방법 모두, 기준 어디에도 없는 내용이라 기준에 따라 평가가 되었느냐는 잣대로만 본다면 분명
논란이 될수 있을거 같습니다. 하지만 “기준에 앞서 구조적인 엔지니어의 판단이 우선한다”고 보는
저의 개인적인 입장에서 생각하면 충분히 상대를 설득할수도 있지 않을까 생각하고 있습니다.
그간의 경험을 볼 때 저와 같은 생각을 가지신 엔지니어분들은 일정부분 동의하셨던거 같고
그렇지 않고 뭐랄까 기준을 더 우선시 하는 분들은 동의하기 어려운 부분이라고 보셨던 경우가
더 많았던거 같습니다.
가령, 학교기준에 따라 선형해석법에 따라 내진성능평가하는 방식을 신축건물의 내진설계에도
동일하게 적용하시는 분이 계실까요? 100명중에 1명이라도 있을까 싶습니다.
기준이라는 것이 이러한 맹점을 가지고 있는 것을 생각하면 기준을 만들어가는 과정에
경험많은 구조엔지니어분들의 적극적인 참여가 아쉽다는 생각을 가지고 있습니다.
써놓고 보니, 명쾌한 답변이 되지 못하고 역시 장황하네요. ^^
기술한 내용들은 회사의 방침이라기 보단, 저 개인의 생각이니까 그부분에 대한 오해는 하지 않으셨으면 좋겠습니다.
마지막으로 참고할만한 서적.... 마땅히 떠오르지 않습니다. 추후 구린이님 작업진행사항이 궁금해지네요.
벽체에 대한 부분, 슬래브에 대한 고려등등 추후에 기술적인 결론이나 방향을 더 알려주시면 좋겠습니다.
감사합니다.
안녕하세요
궁금한게있어서 돌아다니다가 우연히 씨엠알에서 이런 유익한 정보공유 게시판을 운영하고계셔서 들어오게되었습니다.
다름이아니라 내진성능평가를 하고있는데요
사무실마다 다르겠지만 구조설계를 할 때에 코어 및 내력벽체는 당연히 해석에 포함시켜서
횡력을 저항하게 모델링 하지만
비내력벽체 T=150등의 벽체는 포함을 시키는 사무실도 있을것이고 하중으로만 고려하는 분들도 있습니다.
하지만 내진성능평가 시에는
구조체에 영향을 끼치는 모든 요소를 해석에 포함시켜서 해석해야되는게 기본철학으로 알고있습니다
(하물며 조적채움벽 까지도 강성계산해서 집어넣고 그벽체가 면외전도가 되냐안되냐도 평가를 하는데)
당연히 얇은(비내력) RC벽체가 있으면 비내력벽체또한 평가대상에 포함시켜서 진행해야 되는게 아닌가 생각되더라구요
그럼 구조설계시 문제가 없는 비내력벽체 T=150 RC벽체는 설계시에는 문제가 안되는데
평가시에는 붕괴가되는경우가 있어서.....
내진설계는 안전하게 되었지만 내진성능평가하면 보강해야된다?? 이게말이되는건가??
여태껏 얇은벽체를 하중으로만 태워서 해석했던 수많은 건물들 (저희회사 뿐만아니라 다른데도 많을거고..)은 그럼 내진성능평가하면 보강해야된다는건가??
이런 의문이 들더라구요
어떻게 생각하시는지 궁금합니다.