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R&D최종보고서

연구과제 상세정보
과제고유번호 202121CTAP-C152050-03
연구사업명 국토교통기술촉진연구사업
연구과제명 지반의 영향을 고려한 필로티형 공동주택의 내진보강기법 개발
총 연구기간 2019-04-19 ~ 2021-12-31
연구책임자 김성진
당해년도
참여 연구원수
6명 총 연구기간
참여 연구원수
18명
당해년도
연구비
정부 : 331,000,000 원
기업 : 111,000,000 원
계 : 442,000,000 원
총연구비 정부 : 600,000,000 원
기업 : 201,000,000 원
계 : 801,000,000 원
연구기관명 (주)유경시스템
등록 발간번호 -
ISBN -
주요 내용 ○ 지진 위험도 증가
● 지난 몇 년 동안 우리나라 주변국가에서 지진으로 인한 대규모의 인명피해가 발생하였으며, 국내에서도 최근 경주 및 포항에서 규모 5.8 및 5.4의 지진이 발생하여 많은 구조물들의 피해가 발생함. 그 동안 우리나라는 지진 안전지대로 평가되어 왔으나, 최근 발생한 경주 지진을 계기로 우리나라에서도 구조물에 치명적인 손상을 줄 수 있는 강진의 발생이 우려되고 있음.
● 그러나 국내에는 내진설계가 되지 않은 많은 건물이 존재하며, 비내진 건물의 보강대책이 시급히 필요함. 작년 기준으로 조사된 지역별 내진성능 확보현황에 따르면 서울, 부산 등 대도시의 건축물 내진성능 확보율은 20%에도 미치지 못하는 것으로 나타남.
● 액상화현상은 지진으로 인하여 사질 지반의 간극수가 솟아오르며 흙의 입자간 접착력이 감소하여 지반이 순간적으로 약화되는 현상이며, 작년에 발생한 포항지진을 통하여 국내에서도 액상화현상이 관찰됨.

○ 필로티형 공동주택의 지진 취약성
● 규모 5.4 포항지진 당시 많은 비정형 필로티형 공동주택의 기둥 및 전단벽에 손상이 발생하여 지진에 특히 취약한 것으로 나타남. 현재 비정형 필로티구조로 건립된 도시형 생활주택은 전국에 25만 동 이상 존재하며, 현재도 많이 건설되고 있어. 그 수는 더욱 증가할 것으로 예상됨.
● 최근 정부에서는 필로티형 공동주택 등 민간건물의 내진보강 방안을 도출하기 위하여 정책성 연구과제를 발주한 상태이나, 소요 예산 및 관련 법규의 미비로 인하여 실현이 불분명한 상태임.
○ 필로티형 건물의 내진 보강장치 개발
- 기존 필로티형 구조에 적용할 수 있는 최적화된 내진 보강장치 개발
- 차량 및 거주자의 출입을 방해하지 않는 설치형상 개발
- 구조실험을 통한 내진성능 검증
○ 필로티형 건물 내진 보강설계기법 개발
- 개발된 댐퍼의 비선형 해석모델 개발
- 평면 비정형구조 최적 설치위치 결정기법 개발
- 연약지반의 효과를 고려한 내진보강 설계기법 개발

[최종목표]
본 연구에서는 지반의 영향을 고려한 필로티형 공동주택의 내진보강기법을 개발하고 성능기반 설계법 제시를 목표로 함.

● 연약지반 모델링기법 개발
● 필로티형 공동주택에 특화된 내진보강기법 개발
● 개발된 보강장치의 해석모델 및 최적화기법 개발
● 구조물 접합상세 및 시공 매뉴얼개발한 필로티형 공동주택의 내진보강기법을 개발하고 성능기반 설계법 제시를 목표로 함.
● 필로티형 공동주택의 내진보강 기법 제시
● 필로티건물 내진보강에 미치는 연약지반의 효과 정량화
● 개발된 시스템의 해석모델 및 최적설계기법 개발
● 기존 구조물에 대한 설치 상세 및 시공 가이드라인 제시
● 최적화를 통하여 기존 공법 대비 공사비 20% 절감

[연구내용 및 범위]
○ 연구개발의 필요성
● 포항지진 이후 손상된 부재에 대한 보수와 함께 강재 슬릿댐퍼, 전단벽 신설 등 다양한 보강기법이 적용되었으나, 보강설계가 지반조건, 비정형성 및 목표 성능수준에 대한 정확한 검토 없이 이루어져, 불확실하고 비효율적인 보강에 의한 예산의 낭비 및 내진 안전성 문제가 우려됨.
● 현재 국내에서 주로 적용되는 내진보강기법, 특히 감쇠장치를 이용한 보강기법들은 주로 감쇠장치 유닛의 성능실험 결과를 토대로 내진보강효과를 검증하고 있으나, 지진에 대한 안전성 및 실무 적용성을 판단하기 위해서는 보강 전후 골조 실험이 필수적임.
● 비정형구조의 경우 지반조건 및 보강재 설치 위치에 따라 보강성능이 달라질 수 있으므로, 지반의 영향을 고려하고 최소 비용으로 필로티건물에 요구되는 성능목표를 만족시킬 수 있는 최적 보강위치 및 보강물량 산정기법의 개발이 필요함.
● 따라서 건물의 규모 및 동적 특성, 지반조건, 등 다양한 설계변수를 고려하여 필로티구조의 최적 내진보강기법을 최적 위치에 적용함으로써, 기존 보강기법의 단점을 보완하고 장점을 극대화할 수 있는 고효율 저비용 보강기법에 관한 연구가 필요함.

○ 지반의 영향을 고려한 필로티형 공동주택의 내진성능평가기법

● 암반노두에서 측정된 지진기록의 지반조건에 의한 증폭률을 계산
● 부지응답해석으로 도출된 지진파에 대하여 설계응답프펙트럼에 부합하는 지반운동을 생성
● 기초와 지반, 파일과 지반과의 상호 작용을 실용적인 해석기법을 사용하여 비선형 정적 및 동적 해석
● 비정형성 및 지반특성에 따른 내진성능평가

○ 필로티구조에 특화된 내진보강기법

● 감쇠특성, 제작단가, 설치형상 등을 고려한 댐퍼의 선정
● 기둥 측면설치 슬릿 강판벽 형상개발
● 슬릿 강판벽 비선형 해석모델 개발
● 성능목표를 만족하기 위한 보강설계기법 개발
● 성능목표를 만족하기 위한 강재/PC 프레임 형상 및 보강설계기법 개발
● 강재/PC 프레임 설치상세 개발
● 모서리 댐퍼 형상 및 해석모델 개발
● 에너지 소산량을 극대화하기 위한 댐퍼 형상개발

○ 내진보강의 최적화기법

● 강성과 감쇠력 등 설계변수의 최적화 알고리즘 개발
● 평면비정형 구조의 최적 보강위치 및 보강량 선정
● 에너지소산량을 극대화할 수 있는 감쇠장치 최적형상 결정
● 개발된 장치의 최적설계를 위하여 복잡한 최적화 과정을 원스탑으로 처리 가능한 소프트웨어 개발
● 개발된 최적화 알고리즘을 이용한 각 설계변수의 중요도/기여도 파악 내진보강 설계 예제 작성 및 공사비 산정

○ 보강장치 및 보강기법의 실험을 통한 성능검증

● 슬릿 강판벽 반복하중실험
● 필로티형 건물의 특성을 반영한 RC 실험체 제작
● 슬릿 강판벽, 설치 전후 실험체의 내진성능실험
● 강재/PC 프레임이 설치된 구조물의 내진성능실험
● 모서리 마찰댐퍼 성능실험
● 보강 전후 실험결과를 바탕으로 해석모델 검증

○ 개발된 내진보강장치의 시공/설치기법

● 슬릿 강판벽과 기존 구조체 연결상세 개발
● 강재/PC 프레임과 기존 구조체 연결상세 개발
● 모서리댐퍼의 접합상세 및 시공매뉴얼 개발
● 개발된 제품의 공사비용 산정 및 사업성 검토
색인어 한글 내진보강 필로티구조 감쇠장치 성능설계 연약지반
영문 Seismic Retrofit Piloti Structure Damping Device Performance Design Soft Ground
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