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ISSN : 1226-525X(Print)
ISSN : 2234-1099(Online)
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea Vol.20 No.4 pp.269-276
DOI : https://doi.org/10.5000/EESK.2016.20.4.269

Computerized Modules for Seismic Performance Evaluation of Existing Buildings

Sunwoo Hwang1) , Taejin Kim1)* , Jong-Ho Kim1)
1)Chang Minwoo Structural Consultants
Corresponding author: Kim, Taejin taejin@minwoo21.com
December 18, 2015 March 24, 2016 May 30, 2016

Abstract

Seismic performance evaluation of existing building usually needs much time and man power, especially in case of nonlinear analysis. Many data interaction steps for model transfer are needed and engineers should spend much time with simple works like data entry. Those time-consuming steps could be reduced by applying computerized and automated modules. In this study, computational platform for seismic performance evaluation was made with several computerized modules. StrAuto and floor load transfer module offers a path that can transfer most linear model data to nonlinear analysis model so that engineers can avoid a lot of repetitive work for input information for the nonlinear analysis model. And the new nonlinear property generator also helps to get the nonlinear data easily by importing data from structural design program. To evaluate the effect of developed modules on each stages, seismic performance evaluation of example building was carried out and the lead time was used for the quantitative evaluation.


기존건축물 내진성능평가를 위한 전산시스템 모듈 개발

황 선우1) , 김 태진1)* , 김 종호1)
1)(주)창민우구조컨설탄트

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    15AUDP-B066083-03

    1서 론

    1.1연구배경

    국내에는 1988년 내진설계 의무화 이전에 설계되어 지진 위험에 노출되 어 있는 기존건축물들이 다수 존재한다. 하지만, 2015년 현재 기존건축물 의 내진보강을 강제할 수 있는 법적 규정은 없다. 대부분의 경우 내진성능평 가 및 보강에 따른 비용 부담과 보강 시 가동 중단에 따른 경제적 손실 등을 이유로 내진보강에 소극적이다.

    또한, 기존건축물의 내진성능평가 프로세스는 건물의 규모가 커질수록 혹은 건물의 비정형성이 커질수록 건물의 부재 그룹이 늘어나 기존건축물 의 내진성능평가에 투입되는 시간의 절대량은 급격히 증가하게 된다. 특히 비선형 해석의 경우, 처리해야 하는 입력정보의 양이 방대하며 비선형특성 산정을 위한 검증된 상용 프로그램이 부재해 더 많은 노력과 시간이 요구된 다. 검증된 비선형특성 계산 모듈이 상용 해석 프로그램에 탑재되지 않아 엔 지니어가 직접 비선형 특성을 구해 프로그램에 직접 입력하는 단순 업무가 많으며, 이처럼 에러가 발생할 수 있는 수동 입력 방식은 해석의 신뢰도 및 작업의 효율성을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다.

    안전이 사회적 화두로 점차 강조됨에 따라 해석의 정확성을 향상시킴과 동시에 기존 내진성능평가 절차에 투입되는 시간을 효과적으로 단축할 수 있는 내진성능평가 프로세스 전산화에 대한 요구가 증대되고 있다.

    1.2연구방법

    국내의 경우 한국시설안전공단[1], 교육개발원[2], 소방방재청[3] 등 복수의 기관에서 FEMA273 등을 기반으로 기존건축물의 내진성능평가 관련 가이드라인을 제공하고 있다. 이 기관들이 제시한 가이드라인을 보면 각각의 프로세스는 유사하나 각 기관별로 대상으로 하는 건축물이 상이하 여, 대상으로 하는 건축물에 비교적 특화되어 있다.

    본 연구에서는 미국에서 주로 쓰이는 ASCE의 Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings[4](이하 ASCE 41-13)의 Tier 3를 기반으 로 내진성능평가 절차를 정리하고 전산·자동화가 가능한 작업군을 선별해 이를 모듈화 함으로써 평가의 정확성과 신속성을 향상시키기 위한 전산시 스템을 구축하였다. 전산시스템을 실제 기존건축물의 내진성능평가에 적 용하고, 기존의 평가 프로세스와 구축된 전산시스템을 적용한 경우와의 투 입시간을 비교함으로써 그 경제성을 평가하였다.

    2내진성능평가 프로세스 분석

    기존건축물의 내진보강 필요여부를 판단하기 위해 수행되는 내진성능 평가는 미국에서 일반적으로 ASCE 41의 절차를 따라 진행된다. 이 연구에 서는 2014년에 개정된 ASCE 41-13의 내진성능평가 프로세스를 기반으 로 전산시스템을 구성하기위해 먼저 그 절차를 분석하였다.

    프로세스는 체크리스트를 따라 수행하는 Tier 1(예비평가)과 Tier 1에 서 목표 수준을 만족시키지 못하거나(Noncompliant) 성능 파악이 어려운 경우(Unknown) 좀 더 상세한 해석을 수행하는 Tier 2(선형 해석), Tier 3 (비선형 해석)으로 구성된다.

    2.1ASCE 41-13 내진성능평가 프로세스 개요

    ASCE 41-13에 따른 내진성능평가 절차는 Fig. 1과 같이 도식화할 수 있다. 먼저 초기검토단계에서는 건축물의 목표성능 수준을 설정하고 준공 (As-built)도면, 구조설계모델 등 건축물에 대한 기존 자료를 토대로 Tier 1 을 수행한다. ASCE 41-13에서 제시하는 목표성능수준은 ASCE 41-13에 서는 Fig. 2와 같이 지진위험도 수준과 목표성능수준의 조합에 따라 16개 의 보강목표를 제시해 설정하도록 한다. 일반적인 건축물은 기본 목표 성능 수준인 BPOE(Basic Performance Objective for Existing Buildings)를 보강 목표로 설정하며, 이는 225년 재현주기 지진(BSE-1E 수준)에 대해 인명안전(Life Safety)수준, 975년 재현주기 지진(BSE-2E 수준)에 대해 붕괴방지(Collapse Prevention) 수준을 만족하는 수준을 의미한다. 기존 건축물의 경우 공사 당시의 기록이 제대로 보관되지 못한 경우가 많은데 특 히 1980년대 이전에 지어진 건물의 경우 2D도면조차 구할 수 없는 경우도 빈번하다. 이 경우 주요 부재들의 현장실측을 통해 도면을 작성하고 비파괴 검사 혹은 재료실험 등을 통해 데이터 확보를 한 뒤 평가를 수행하게 된다. 하지만 이런 과정들은 본 연구에서 제시하고자하는 전산시스템의 범주에 서 벗어나기 때문에 최소한 건축물의 CD도면 수준의 정보는 확보하고 있 다는 가정 하에 성능평가 프로세스를 구성하였다.

    일반적으로 Tier 1의 수행결과, 목표성능평가 수준을 만족시키지 못하 는 부재가 존재하거나(Noncompliant) 정확한 부재의 상태 파악이 어려울 경우(Unknown) 상세평가(Tier 2, Tier 3)를 진행하게 되는데 기준이 보수 적일 뿐만 아니라 많은 초기 정보를 요구하기 때문에 정형적이고 정보가 충 분한 소형 건축물을 제외하고는 대부분 Tier 2 또는 Tier 3으로 평가가 이 어지게 된다.

    Tier 1이 비교적 보수적인 기준을 적용해 내진보강이 필요하지 않은 구 조물을 신속히 솎아내기 위한 절차였다면 Tier 2와 Tier 3 프로세스는 좀 더 상세한 건물 정보를 해석모델로 구현해 정밀한 내진성능평가를 수행하는 단계이다. 상세평가 단계에서는 선형 모델로부터 비정형성에 대한 판단과 고차모드의 영향 등을 종합적으로 검토하여, 대상건물에 적절한 해석 방법 을 선택하고 그에 맞는 해석 절차를 진행하게 된다. Tier 2의 선형해석을 수 행하고 목표성능수준을 만족하지 못할 경우 보강을 수행하거나 Tier 3의 비선형해석을 수행하는 것이 일반적인 진행 절차이나 ASCE 41-13은 경 제적이고 정확도 높은 내진성능평가를 위해 Tier 1, 2를 건너뛰고 바로 Tier 3의 비선형 정적해석 또는 비선형 시간이력해석을 수행하는 것을 허용하고 있다. 하지만 Tier 3의 비선형 해석 모델 역시 선형 모델을 기반으로 구축되 기 때문에 Tier 2 프로세스를 건너뜀에 따른 시간 단축 효과가 크지 않다. 따 라서 선형 모델 정보를 최대한 손실 없이 비선형 모델과 연동시켜 중복된 모 델링 작업을 최소화하고 내진성능평가 프로세스 적재적소에 전산화·자동 화 모듈을 개발 및 적용함으로써 해석에 소요되는 시간을 절감하고 해석의 정확성 향상을 위한 “기존건축물 내진성능평가 프로세스 전산화”에 대한 요구가 증대되고 있다.

    2.2해석프로그램의 특성 분석

    내진성능평가 방법이 결정되면 해석 수행이 가능한 프로그램을 선택해 야한다. 비선형해석 수행이 가능한 대표적인 해석 프로그램들의 기능과 특 징을 비교·정리해보면 Table 1과 같다. 각 프로그램 별 특징과 프로그램 간 연동의 용이성 등을 고려해서 프로그램을 선택하게 되며 평가를 수행하는 엔지니어의 작업 숙련도가 해석 수준에 큰 영향을 주기 때문에 엔지니어의 프로그램 선호도 역시 영향을 미친다. Perform 3D와 같이 비선형해석을 통한 내진성능평가에 특화된 프로그램도 있으며 일반 구조설계 프로그램 이면서 비선형 해석 기능을 탑재하고 있는 프로그램도 있다. 부재의 비선형 특성을 자동으로 계산 및 입력해주는 자동 힌지(Auto Hinge) 기능을 제공 하는 프로그램도 있으나 계산된 비선형 특성 값의 신뢰도에 대한 검증 연구 는 아직 부족하다. 본 연구에서는 비선형 특성의 경우 ASCE41-13에 따라 직접 계산하는 것을 원칙으로 한다.

    2.3프로그램 간 데이터 연동 여부 조사

    비선형해석을 위한 해석 프로그램이 결정되면 모델링 작업을 수행하게 된다. 바로 비선형해석을 수행하는 경우라 하더라도 Perform 3D처럼 비선 형해석에 특화된 프로그램은 모델링을 위한 인터페이스가 비교적 불편하 기 때문에 건물 형상이 복잡할 경우 모델링이 용이한 프로그램으로 선형 모 델링 후 변환하는 것이 해석 시간 단축에 효과적이다. 또한 ASCE 41-13에 따라 부재의 비선형특성을 계산할 때 여러 가지 하중조합에 대한 부재 내력 정보가 필요하기 때문에 선형해석 모델 작업을 먼저 수행하는 것이 유리하 다. 선형모델은 보통 MIDAS Gen이나 ETABS처럼 편리한 모델링 인터페 이스를 제공하는 일반 구조설계 프로그램으로 생성되기 때문에 선택한 비 선형해석 프로그램으로 비선형해석 모델을 구현하려면 위치정보와 선형특 성 등에 대한 중복작업이 요구된다. 이러한 중복작업을 최소화하기 위해 프 로그램 간 연동 관계에 대한 조사를 실시하였다. 일반적으로 널리 쓰이는 상 용 구조설계 프로그램인 SAP2000, MIDAS Gen, ETABS의 프로그램 간 연동정보를 Table 2와 같이 조사하였다.

    각 프로그램의 내보내기(Export), 가져오기(Import) 기능이 제공하는 파일 포맷에 따라 변환될 수 있는 정보의 수준이 다르게 나타났다. 비선형해 석에 특화된 Perform 3D로 연동이 가장 용이한 프로그램은 SAP2000으 로 나타났으며, 국내에서 일반적으로 사용되고 있는 구조해석 프로그램인  MIDAS Gen은 다른 조사대상 프로그램과 지오메트리 정보만을 연동할 수 있어, 다른 프로그램들과 비교해 상대적으로 모델 변환에 대한 연동성이 낮 은 것으로 나타났다. 전체적으로 위치정보 교환은 원활한 편이지만 단면정 보와 재료정보 그리고 하중정보는 제한적으로만 연동이 가능하거나 아예 호환되지 않는 것으로 나타났으며 각 프로그램에서 입력한 비선형 특성의 연동은 불가능한 것으로 조사되었다. 변환이 불가능하거나 일부만 가능한 경우 선·후처리 작업을 통해 일부 보완될 수 있으나 이 작업의 양이 방대해 질 경우, 역시 경제적이지 못해 바로 비선형 모델링을 하는 경우보다 시간이 더 소요되는 경우가 생기며 선·후처리 작업 시 오류가 발생할 수 있다.

    3전산시스템을 위한 모듈

    이 연구에서 제안하는 모델변환 프로세스를 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3 에는 국내에서 널리 사용되고 있는 MIDAS Gen의 선형모델을 비선형 전 문 해석프로그램인 Perform 3D로 변환하여 비선형 시간이력해석을 수행 하는 과정에서 전산시스템을 활용한 프로세스를 소개하고자 한다.

    전체 프로세스에 적용되는 단위모듈은 총 4개 이다. 우선, 선형모델을 비 선형모델로 변환하는 과정에서 구조모델의 기본 지오메트리 정보, 단면정 보, 재료정보 등을 연동시켜주는 StrAuto와, 바닥하중에 대한 정보를 치환 해 주는 바닥하중 변환 모듈이 있다. 또 비선형모델 변환 후, 각 부재의 비선 형 특성을 자동생성해주는 모듈과, 비선형 시간이력해석을 수행하기 위해 필요한 지진파에 대한 검토 모듈로 구성된다.

    3.1StrAuto를 이용한 모델 변환

    Table 1에서 알 수 있듯이 비선형 시간이력해석을 수행하기 위해서는 Perform 3D나 SAP2000으로의 변환이 요구된다. Perform 3D의 변환은 앞에서 언급한 것처럼 SAP2000을 통해서만 가능하기 때문에 SAP2000 모델화는 필수적이다. MIDAS Gen모델을 SAP2000으로 변환하기 위해 직접적으로 사용할 수 있는 것은 dxf 포맷을 통하는 방법이다. 하지만 dxf 파일은 위치정보만 담고 있기 때문에 그 외의 하중, 부재 정보 등은 모두 다 시 작업해주어야 하는 번거로움이 있다. StrAuto는 Grasshopper상에서 구 동되는 모듈로 MIDAS Gen과 SAP2000간의 부재 정보 간 연결고리를 제 공한다. 두 프로그램의 연동을 위한 모듈이기 때문에 Table 3에 명시된 단 면정보, 노드 하중 정보 등의 전달이 가능해 중복작업을 줄일 수 있다.

    3.2바닥하중 변환 모듈

    StrAuto는 현재 하중 변환의 경우 노드 하중만 변환 가능하며 일반적으 로 사용되는 바닥하중이나 부재에 걸리는 하중은 변환할 수 없다. 게다가 Perform 3D 프로그램 자체가 바닥하중을 구현하지 못하기 때문에 이를 변 환하기 위한 모듈이 필요하다. 이 경우 크게 두 가지 방법을 적용할 수 있다.

    첫 번째 방법은 각 층만 남겨놓은 상태에서 바닥하중에 의해 나타나는 노드의 반력을 측정해 이를 각 노드에 포인트 하중으로 입력하는 방법으로 포인트 하중으로 대체되기 때문에 굳이 SAP2000을 거치지 않더라도 Perform 3D의 가져오기 기능을 통해 입력이 가능하다는 장점이 있다. 두 번째 방법은 바닥하중을 등가의 부재하중(선 하중)으로 치환한 후 SAP2000에서 불러오기 위한 Excel 포맷으로 변환해 연동하는 방법이다 (Fig. 4). 두 가지 방법 모두 바닥하중을 적절하게 치환해 구현하지만 후자 가 좀 더 정확한 값을 구현하며 변환에 걸리는 시간도 경제적이다.

    3.3해석용 지진파 검토 모듈

    비선형 동적해석을 위해서는 KBC2009[6]에 따라 최소 3개 이상의 지 진파가 필요하다. 일반적으로 PEER에서 제공하는 Ground Motion Database 에서 설계 스펙트럼을 입력한 후 오차(MSE : Mean Square Error)가 적은 순으로 필요한 지진동을 얻고 해석 프로그램에 입력할 수 있는 포맷으로 변 환한다. ASCE7-10[7] 16장에는 선보정된 지진파를 검토하는 사항이 명 시되어 있다. 선정된 지진동의 X, Y방향 스펙트럼 가속도의 제곱합의 제곱 근(SRSS)을 취했을 때 평균값이 건물의 주기와 인접한 범위(0.2T~1.5T) 에서의 설계 스펙트럼 값의 1.3배의 90%보다 커야 한다. 따라서 이 연구에 서는 조건에 따라 지진파의 적합성을 신속히 판단하기 위한 검토모듈을 개 발해 적용하였다.

    개발된 모듈을 검증하기 위하여 대상 건물의 비선형 동적해석에 적용된 지진파를 Fig. 5와 같이 설계 스펙트럼과의 비교를 통해 적합성을 판단하였 다. 예제 구조물이 위치한 서울지역의 지진위험도를 적용해 보정된 지진동 7개를 추출하였다. 해석용 지진파 검토 모듈을 통해 지진동의 적합성을 알 아본 결과 검토 범위의 스펙트럼 값 중 조건을 만족시키지 않는 범위는 3.76%로 해당 조건을 만족하였다.

    3.4부재 비선형특성 자동생성 모듈

    ASCE41-13 5~8장에 걸쳐서 철골, 콘크리트, 조적, 목재 등에 대한 부 재별 비선형특성이 정리되어 있다. 해석대상건물의 규모가 커지거나 비정 형성이 큰 건물일수록 독립된 비선형특성을 갖는 구조부재가 수백, 수천개 에 육박하기도 한다. 각 부재의 비선형특성을 각각 산정하고 이 데이터를 해 석프로그램에 입력시키기 위해서는 많은 시간을 요한다. 또한, 단순/반복 작업량이 많아 오입력으로 인한 해석결과의 신뢰도를 떨어트릴 위험이 있 다. 이 때문에 이 연구에서는 각 부재의 비선형특성을 ASCE41-13에 의거 하여 자동으로 생성해 주고 Perform 3D 의 부재특성 입력방식에 특화된 정 보를 제공하는 모듈을 개발하였다. Fig. 6과 Fig. 7에 부재의 비선형특성 그래프와 개발 모듈의 비선형특성 표현 방식을 나타내었다.

    3.5전산시스템 모듈 적용 효율성

    기존의 내진성능평가 프로세스와의 정량적 비교를 통하여 개발된 전산 시스템 모듈의 효율성을 비교하였다. Fig. 8은 내진성능평가 절차에 따라 개발된 4개의 전산시스템 모듈이 기존의 방식과 비교해 어느 정도의 효율 성을 보이는지 정량적으로 나타내었다. 효율성에 대한 비교는 내진성능평 가 절차에 따른 누적시간으로 산정하였고, 비교 결과 개발된 전산시스템 모 듈을 사용한 방법은 기존의 방식대비 5배 이상의 효율을 가지는 것으로 평 가되었다. 이는 대상건물의 규모가 커지면 커질수록 각 단계별 효율성은 극 대화 될 수 있을 것으로 판단된다.

    4전산시스템을 활용한 기존 건축물의 내진성능평가

    대상건물에 대해서는 비선형 정적해석과 비선형 응답이력해석을 통해 내진성능평가를 실시하였으며, 3장에서 서술한 전산 모듈을 내진성능평가 프로세스에 적용하여 기존기술 대비 개발 전산 모듈의 효과를 검증하였다.

    4.1대상건물 및 내진성능평가 개요

    W빌딩은 서울시 강남구에 위치한 지상 4층, 지하 1층 규모의 RC조 건 물이다. 1989년에 준공된 관계로 전산화된 도면은 존재하지 않은 상태이기 때문에 활용하고자 하는 전산시스템의 범주를 벗어나지만 준공 당시의 문 서들과 실측을 통해 Fig. 9와 같이 전산화된 도면을 작성하였다. 횡저항 부 재인 전단벽은 계단실에만 Y방향으로 배치되어 있다.

    이 대상건물의 경우 비정형성이나 고차 모드의 영향이 크지 않은 비교적 저층이면서 정형에 가까운 건물이지만 전산모듈을 통한 투입시간 단축 효 과를 확인하기 위해 비선형 정적해석과 응답이력 해석을 수행하였으며 목 표 성능수준은 2장에서 제시된 바와 같이 BPOE(Basic Performance Objective for Existing Buildings)수준인 225년 재현주기 지진(BSE-1E 수준)에 대해 인명안전(Life Safety)수준, 975년 재현주기 지진(BSE-2E 수준)에 대해 붕괴방지(Collapse Prevention) 수준을 만족하는 수준을 만 족하도록 설정하였다.

    Fig. 10에 W빌딩의 3D구조해석모델을 나타내었다. 비선형 해석모델 의 보는 FEMA Beam 타입을, 기둥은 FEMA Column 타입을 적용하여 모 델링하였다. 해석을 단순화시키기 위해 이선형 타입 모델을 사용했고 응력 저감을 고려하였다. 전단벽은 Fiber 모델을 적용하였고 응력 변형률 모델 은 Kent&Park(1971)[5]의 콘크리트 비선형 모델을 적용하였다. 철근은 Elastic-Perfectly-Plastic 모델을 적용하였고 ASCE41에 따라 압축변형 율은 0.015, 인장변형율은 0.05를 기준으로 검토하였다.

    4.2비선형 모델 생성 및 변환

    기존 내진성능평가 프로세스에서는 비선형 해석모델을 생성함에 있어 비선형에 특화된 해석프로그램(Perform 3D)상에서 구조모델을 처음부터 재생성하거나 기존의 선형해석모델(MIDAS Gen) 정보에서 위치정보만 TEXT파일로 연동시키고 나머지 부재단면정보나 재료정보, 하중 및 비선 형특성에 대해서는 엔지니어가 직접 다시 입력해야하는 번거로움이 있었다.

    이 연구에서는 3장에 기술한 전산시스템을 위한 모듈을 내진성능평가 프로세스에 적용하여 보다 효율적으로 비선형 모델을 생성하는 방법을 시 도하였다. 선형해석 모델은 MIDAS Gen를 이용해 모델링하였으며 Perform 3D를 해석프로그램으로 선택하고 전산시스템에 따라 파일 변환 을 수행하였다. Fig. 11은 W빌딩의 MIDAS Gen 모델로부터 Perform 3D 모델로의 변환과정을 보여준다. 먼저 MIDAS Gen로 작업한 선형해석 모 델을 mgt파일 형식으로 내보내고 이를 StrAuto에서 mgt importer를 이용 하여 불러내어 SAP2000 포맷으로 변환한다. 이 변환 과정에서 지오메트 리정보, 부재단면정도, 재료정보, 하중정보(절점하중) 등을 SAP2000으로 변화시킬 수 있다. 그 후, 2.3절에 기술한 것과 같이 SAP2000과 Perform 3D 와의 데이터 연동을 통해 Perform 3D 모델로 변환한다.

    바닥하중의 경우, MIDAS Gen에서 하중 입력 시에 미리 선하중으로의 변환을 설정, 모든 하중을 점하중 또는 선하중으로 치환된 상태로 모델링한 다. 그 후, 자체 제작한 선하중 변환 시트를 통해 SAP2000으로 선하중을 입 력하면 Perform 3D로의 연동은 자동으로 진행된다. 이렇게 구조모델에 대 한 데이터 연동을 마친 후에는 ASCE 41-13 의 비선형 특성 테이블을 모듈 화한 “부재 비선형특성 자동생성 모듈”을 사용하여 각각의 부재 비선형특 성을 생성하고 이를 Perform 3D 에 반영한다.

    실제 실무에서는 복잡한 고층건물 혹은 비정형성이 큰 건물 일수록 모델 링 작업이 차지하는 업무비중이 높아, 이 연구에서 제시하고 있는 전산시스 템을 활용하면 기존 의 모델변환 방법에 비해 비선형 모델링 생성시간을 큰 폭으로 단축할 수 있다.

    4.3전산시스템의 정확성 검토

    개발된 전산시스템 모듈의 실무활용을 위하여 개발모듈의 신뢰성 검증 이 필요하다. 선형모델 및 비선형모델의 하중비교를 통하여 전산시스템 모 듈을 통해 모델링 변환이 정확하게 이루어졌는지 검토하였다. (Fig. 12) 검 토 결과 전산시스템 모듈을 통한 모델링 변환 및 하중 변환 등의 결과 값에 있어 차이가 없음을 확인하였다. 본 결과를 통해 내진성능평가프로세스에 있어 StrAuto 및 바닥하중 변환모듈 활용에 대한 신뢰성을 확인하였다.

    4.4전산시스템의 효율성 검토

    전산시스템 모듈의 효율성을 정량적으로 평가하기 위해 W빌딩을 대상 으로 각 모듈의 효율성을 평가하였다.(Fig. 13) 정량적 평가 기준은 동일한 내진성능평가 실무 엔지니어의 각 단계별 소요시간을 기준으로 평가하였 다. 예제건물인 W빌딩의 경우 각 층당 기둥 9개, 벽체 2개, 보 10개의 부재 수를 가지면서 총 119개의 비선형 속성의 입력이 이루어진 4층 규모의 건 물로써 저층건물에 해당된다. 예제건물에 대한 내진성능평가 결과 전산시 스템 활용결과 소요시간이 약 5배정도의 효율성을 보였다. 엔지니어의 숙 련도에 따른 개인차와 예제건물이 소규모 건축물임을 감안할 때 효율성은 더욱 증대될 수 있을 것으로 판단된다.

    4.5비선형 해석 결과

    Fig. 14에 비선형 정적해석 결과에 의한 대상건물의 성능점을 나타내었 다. 975년 재현주기 지진(BSE-2E 수준)에 대한 평가결과, 전단벽이 존재 하지 않아 상대적으로 더 취약할 것으로 예상되는 X방향의 성능점은 기둥 부재가 처음으로 CP레벨에 도달하는 지점에서 훨씬 못 미치는 시점에서 발 생하였으며, 성능목표를 만족하는 것으로 나타났다.

    Fig. 15에 비선형 동적해석 결과, 각 지진파에 대한 대상건물의 X방향에 대한 층간변형각 그래프를 나타내었다. 모든 지진파에 대한 각 층별 층간변 형각은 허용층간 변형각인 1.5%에 크게 못 미치는 것으로 나타났다.

    5소 결

    이 연구는 ASCE 41-13의 기존건축물 내진성능평가에 대해서 전산화 를 통해 시간 단축 및 작업의 효율성을 높일 수 있는 프로세스를 정리하고 해당 작업에 대한 전산 모듈을 개발하여 예제 건물인 W빌딩에 적용해봄으 로써 전산 모듈의 적용성 및 경제성에 대해 검토하였다.

    StrAuto를 활용한 모델 변환, 해석용 지진파 검토 모듈, 부재 비선형특 성 자동 입력 모듈 등 여러 가지 단위 전산 모듈을 통해 기존 성능평가에 소 요되는 시간 대비 1/5~1/7 수준으로 절감하였고 자동 모듈의 활용으로 정 확도 측면에서도 매우 개선된 효과를 보이는 것으로 나타났다.

    예제건물의 내진성능평가에 전산시스템 모듈을 적용해 본 결과 상대적 으로 저층인 소규모 건축물임에도 소요시간이 20%까지 절감된 점을 고려 할 때, 대상건물이 더 큰 규모와 비정형성을 가질 때, 그에 따른 부재수의 증 가 및 비정형속성 입력수의 증가로 그 효과는 더욱 증대될 수 있을 것으로 보인다.

    2011년 5월, 건축물 대장정보에 등록된 서울시 소재 건축물 총 659,030 동에 대해 내진성능 확보 여부에 대한 조사를 실시한 결과, 약 7.04%에 해 당하는 46,367동만이 적절한 내진성능을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 내진설계 의무화 범주가 점차 확대되어 왔음에도 이러한 조사 결과가 나타 나는 원인 중 하나로 내진보강에 소요되는 경제적인 비용을 들 수 있다. 본 연구에서 제안한 전산시스템을 활용할 경우 기존에 평가에 소요되던 시간 을 약 1/5~1/7로 줄이게 되면 합리적인 성능평가비용이 형성되는데 도움 을 줄 수 있을 것으로 보인다.

    앞으로 개발될 전산화·자동화 모듈은 더욱 경제적이고 정확성을 높인 내진성능평가 작업을 가능하게 할 것이다. 하지만 무분별한 전산화는 초보 엔지니어가 빠른 시간 내에 신뢰도가 낮은 해석값을 도출하는 결과를 낳을 우려가 있다. 내진성능평가 프로세스는 프로세스 전반에 대한 이해와 경험 을 갖춘 엔지니어의 판단에 의해 해석의 질이 좌우되는 요소가 많이 존재하 기 때문에 단순 작업을 전산화해 시간 단축과 정확도 향상에 도움을 줄 수 있는 방향으로 발전해나가는 것이 바람직 할 것이다.

    / 감사의 글 /

    본 논문은 국토교통부 도시건축연구 사업의 연구비지원(과제번호 15AUDP-B066083-03)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

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    Flow of Seismic Evaluation of Existing Building

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    Performance Objectives

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    General Flow for Nonlinear Analysis Modeling

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    Interaction

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    Module for Evaluating Ground Motion

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    Generalized Force-Deformation Relation for Concrete Components

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    Module for Calculating Modeling Parameters

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    Effectiveness for Computational Module

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    Computerized Floor Plan

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    3D Analysis Model

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    Transformation Process from MIDAS Gen to Perform 3D

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    Axial Force Comparison of Column and Wall (DL)

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    Quantitative Comparisons of Seismic Performance Evaluation for Example Building

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    Performance Point (X-dir, BSE-2E Level)

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    Story Drift Ratio (X-dir, BSE-2E Level)

    Table

    Function of Several Nonlinear Analysis Programs

    *◎ : Good, Easy, ○ : Possible, Relatively easy, X : Impossible, Difficult

    Compatibility with Structural Analysis Programs

    Convertible Data by StrAuto

    Reference

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    2. KEDI (c2011) Guideline for Seismic Performance Evaluation & Seismic Retrofit of School Facilities , Korea Educational Development Institute,
    3. MPSS (c2011) Guideline for Seismic Performance Evaluation of Buildings , Ministry of Public Safety and Security,
    4. ASCE/SEI 41-13 (c2014) Seismic Rehabilitation of Existing Buildings, American Society of Civil Engineers,
    5. Kent DC , Park R (c1971) Flexural Members with Confined Concrete , Journal of Structural division, ASCE, ; pp.1969-1990V.97, ST-7
    6. AIKKBC 2009 (c2009) Korean Building Code, Architectural Institute of Korea,
    7. ASCE (c2010) Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE/SEI 7-10,