국내 건축물의 내진설계는 1988년도 제정 이후 건축법 시행령 등 관련법 규정에 따라 시행되어왔으며, 당시 의무적용 대상은 중요도가 높은 국가주요시설 또는 대형건축물에 한해 제한적으로 적용되었다. 해당 건축물들은 현재까지 약 30여 년이 경과 된 노후 건축물로 지진 발생 시 대규모 피해가 예상되므로 각별한 예의주시가 필요하다. 본 논문에서는 기존 내진설계기준에 따라 설계된 철근콘크리트 모멘트 저항골조를 비선형 정적해석 방법을 적용하여 내진성능평가를 실시하여 안전성을 고찰하였다.
내진설계 대상 지진력은 2005년 건축구조기준 이전에는 50년 재현주기에 10% 초과 확률을 갖는 약 500년 재현주기의 지반가속도를 대상으로 설계하였으나, 이후에는 50년 재현주기의 2% 초과 확률을 갖는 약 2,400년 재현주기의 2/3수준으로 설계 지진력이 대폭 강화되었다. 기존 지진해석법은 등가정적해석 방법으로 구조물의 평면 및 수직 형상이 정형인 단순한 구조물에 경우 실제 응답과 유사한 결과를 나타내 합리적이고 경제적인 방법이라고 할 수 있지만, 지진에 의해 횡 방향 진동 및 비틀림 진동이 동시에 발생하며 동적 거동하는 건축물에서는 해석의 신뢰성이 떨어진다. 또한, 기존 구조설계방식에서 주로 하중으로 고려되어온 비내력벽은, 지진 시 골조와 상호작용하며 강성과 강도, 에너지 소산량을 발휘해 지진 응답에 상당한 영향을 주므로 내진설계 시 특별한 고려가 필요하다.
본 연구에서는 기존 내진설계방법인 등가정적해석법과 500년 재현주기의 설계지반가속도를 적용하여 예제모델을 작성하였으며, 예제건물을 KBC2016 내진기준을 토대로 재현주기별(500년, 1,000년, 2,400년) 설계지반가속도 및 조적 채움벽의 유무에 따라 세분화하여 사례모델을 구축하였다. 성능평가방법은 교육부에서 제시한 "학교시설 내진성능평가 및 보강메뉴얼, 2017"에 준하여 비선형 정적해석을 적용해 실시하였으며, FEMA-440의 Procedure-A방법을 이용해 구조물의 능력스펙트럼과 지진하중에 의한 요구스펙트럼이 교차하는 성능점을 산정하여 평가하였다. 이러한 내용을 바탕으로 다음과 같은 결론에 도달하였다.
예제건물은 조적 벽체를 고려하지 않았을 때, 장변 방향(X-dir)에서 500년 재현주기 지진력에 대해 목표성능이 확보되지만, 조적 벽체를 고려했을 때는 500년 재현주기 지진력에 대해서도 목표성능이 미달 된다. 단변 방향(Y-dir)에서는 조적벽체 미고려 시 모든 재현주기 지진력의 성능수준을 만족하지만, 조적벽체 고려 시 2,400년 재현주기 지진력의 1.5배 수준에서 최종 붕괴로 평가되었다.
500년 재현주기의 지진 응답을 선형해석결과와 비교해보면 선형해석 시 반응수정계수(R:4.5)로 나누지 않은 순수 밑면전단력은 6,354kN, 비선형 정적해석에 의한 성능점에서의 밑면전단력은 5,299kN으로 확인된다. 선형탄성 해석 시 실제 응답 지진하중에 약 120% 수준으로 내진설계에 반영되었음을 알 수 있다. 선형탄성 해석을 이용하는 기존의 내진설계에서 반응수정계수 사용은 불확실한 특성을 갖는 특정 계수를 일률적으로 사용한다는 점에서 신뢰성이 떨어지며 강도의 단순 비교만으로 실제 구조물의 거동을 파악하기에 한계가 있음을 알 수 있다.
조적벽체를 고려한 예제모델의 특성을 확인해보면, 층간변위 평가 시 조적벽체의 가새효과로 변형을 구속하며 최대변위가 감소 되지만, 기준상 층간 변형각 평가항목에서 조적벽체를 고려했을 때의 기준이 더 보수적이므로 성능을 낮게 평가하게 된다. 예제모델에서 성능을 만족하지 못하는 사례는 대부분 조적벽체를 고려한 경우로 비내력 조적 벽체가 지진해석 시 항상 건물에 유리하게 작용하지는 않으며 경우에 따라 건물의 내진성능을 저해하는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서 사례모델로 선정한 예제의 경우 기존설계 방식으로 내진설계가 적용되었다 하더라도, 현행 내진 기준에서 제시하는 목표성능을 확보하지 못할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 대상 구조물의 중요도 및 노후도를 감안하여 적절한 목표성능을 확보할 수 있도록 후속 사례연구 등이 필요할 것으로 판단된다.