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건물이 지진규모 얼마까지 견딜 수 있을까요?

철근콘크리트구조 분석사례를 소개합니다.




용도 : 업무시설

규모 : 지상7층 / 지하2층

연면적 : 지상 : 9,069.44㎡ (2,743.23py)

            지하 : 6,285.75㎡ (1,903.33py)

            합계 : 15,355.19㎡ (4,644.95py)

건폐율 : 30.54%

용적율 : 120.19%

높이 : 38.6m


2016년 9월 12일 규모 5.8의 경주지진이 발생시, 이 건물은 골조공사 마무리단계인 옥탑층 콘크리트를 타설중이었습니다. 

해당 현장은 진앙지에서 185km 거리였지만, 현장에서는 심한 진동을 느꼈다고 합니다.

이 건물은 내진1등급을 충족할 뿐만 아니라, 내진특등급을 상회하는 내진성능을 보유하고 있음을 건축주(발주처)도 파악하고 있었지만, 더욱 구체적이고 신뢰할 수 있는 정보(건물이 견디는 리히터규모 값)를 확인하고자 건물지진규모분석연구서비스│BMTARS에 분석을 의뢰했습니다.



구조설계적용기준 : KBC2009

구조 : 철근콘크리트 중간모멘트골조+보통전단벽

중요도 : 중요도(1) / 내진1등급

중요도계수 IE=1.2

내진설계범주 : D

구조해석법 : 동적해석법

지반등급 : SC

건물유효중량 : 169,442KN

반응수정계수 : Rx=Ry=5.0

초과강도계수 : Ωoxoy=3.0

변위증폭계수 : Cdx=Cdy=4.5

최대층간변위 : Δxmax=29.3mm, Δymax=33.4mm

특별지진하중 : 비적용대상

기초 : MAT (하부 JSP공법 적용)

허용지내력 : 350kN/㎡

지하수위 : GL.-2.2m

부력대응 : 영구배수공법채택

콘크리트 fck=27MPa

철근 fy=500MPa(D16이상), fy=400MPa(D13이하)

철골 fy=235MPa(SM400)


먼저 시공중 변경된 부분까지 정리된 '건축도면'과 '구조도면', '구조계산서'와 지질조사보고서' 그리고 '구조안전및내진설계확인서' 등 설계도서를 검토합니다.




건물 지진규모 초기 분석에서는 기존의 내진설계 절차 중 일부를 준용합니다.

건물의 내진성능 즉 지진에 견디는 한계층간허용변위까지의 수용할 수 있는 건물의 힘을 구하는 것인데요. 

통상의 내진설계 절차의 일부를 역순으로 진행하고, 보다 상세한 설명은 기술보호를 의해 생략합니다만, 내진설계에 능숙한 구조기술자라면 이 '내진설계 절차의 역순'으로 건물의 요구 내진력 즉, 강성력과 감쇠력을 구할 수 있다는 개념은 이해하실 겁니다.




건물의 구조정보 분석을 통한 한계 내진력은 두 개의 값으로 추출됩니다.

FEMA273기준에 의한 L.S.(Life Safety) Level과 I.O.(Immediate Occupancy) Level값의 한계를 충족하는 값입니다.


지반정보의 분석 가장 중요합니다.

건물이 위치한 지반의 상태와, 건물 지반에서부터 다양한 반경거리의 진앙거리와 진원깊이에서 지진이 발생할 때 전달되는 유효지반가속도를 전달하는 매질로서의 지반에 대한 정보입니다.

건물의 지진규모 분석에서 핵심이 되는 기술로서 최소 1100회 이상의 연산을 반복하는 알고리즘 기반입니다.

첫째, 건물 지반의 상태가 어떻게 되고, 여기에 건물의 고유진동주기와 어떤 지반가속도가 도달되는지에 따라 진동이 어떻게 증폭되는지 그 효과를 고려합니다. 이 지반증폭효과까지도 구조기술자라면 이해를 하실 겁니다.



둘째, 얼마 규모의 지진이 건물로부터 얼마나 멀리 이격된 거리에서 발생할 때, 건물 지반까지 도달하는 유효지반가속도는 어떻게 되는가를 분석합니다. 



내진설계는 미리 주어진 하나의 유효지반가속도(지진구역계수 또는 KBC2016 FIG.0306.3.1)에 대해 건물이 안전하도록 설계하고 평가하는 것이지만, 지진규모분석은 건물의 고유한 내진력을 분석하여 지진규모 얼마까지 '인명피해를 예방'할 수 있는지와, 보수·보강없이 '즉시 거주'가 가능한지를 리히터 값으로 확인하는 것입니다. 

즉, 단일 유효지반가속도가 아니라, M0.1부터 M10.0까지 규모 0.1간격을 100개의 발생지진을 진앙거리 0km부터 최소 100km까지 11개의 반경거리마다 모두 발생 가정하여 건물의 반응을 분석하는 것을 특징으로 합니다.

이 모든 가정 상황에 대한 광대역의 유효지반가속도 각각의 감쇠(ATTENUATION OF PEAK EFFICTIVE GROUND ACCELERATION)·보정·변환 프로세스는 BMTARS 분석시스템의 큰 축입니다.




분석 결과는 아래와 같습니다.



건물의 위치를 중심으로 반경 얼마 이내의 진앙거리에서 어떤 규모의 지진까지 견딜 수 있는지 나타내는 결과차트입니다. 

이 건물은 가장 불리한 조건으로 건물 바로 밑 지하 10km(진원깊이)에서 규모 7.2 이하 지진발생에 대해 인명안전이 가능하고, 구조체에 주요한 손상이 발생되지만, 일부 또는 전체의 붕괴에 대해서는 약간의 여유를 보유합니다. 구조피해가 절박한 붕괴위협은 아니지만, 구조체의 보수·보강 후 재사용이 가능한 수준이 됩니다

그리고 건물 바로 밑 지하 10km에서 규모 6.6 이하 지진발생에 대해 지진 후 즉시거주가 가능하고, 매우 제한적인 구조적 손상은 발생할 수 있고지만, 중력하중과 수평하중에 저항하는 건물 구조시스템 능력이 지진 이후에도 그 이전의 상태와 거의 같은 강도와 강성을 유지합니다.

그러나 이경우 규모 6.6이상의 지진을 경험한 건물은 강도와 강성의 저하가 발생하여 상기 분석된 능력값은 하향 조정될 것입니다. 건물 주요구조부에 발생한 균열 및 변형 등의 손상 정도를 파악하면 이또한 분석이 가능합니다.

건물에 피해가 있는 것으로 의심된다면, 적법한 자(건축구조기술사 또는 안전진단전문기관)에게 안전진단(구조진단)을 의뢰하여 받은 보고서를 당사에 분석의뢰 참조 자료로 제공하시면 됩니다.



진앙거리 0km(진원거리 10km)를 기준으로 건물 층마다 견디는 지진규모 값을 나타내는 결과차트입니다.

이 건물은 2층 내력벽이 타층보다 상당하고, 질량중심과 강성중심의 이격이 상대적으로 작아서, 비교적 더 큰 지진규모까지 견딜 수 있습니다. 그러나 직하 또는 이하 층의 규모값에 지재를 받습니다. 결국 1층과 4층의 규모 7.2까지 저항하는 능력이 건물전체의 내진성능이 됩니다.

추후 1층과 4층의 내진보강을 통해 건물 전체의 지진저항능력을 높일 수 있음을 보여줍니다.  끝.


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