국내에서의 내진설계 의무규정은 1988년도에 처음 도입되어 꾸준히 개정되고 있으며 현재 사용되는 성능기반설계법은 미국 연방비상관리국(Federal Emergency Management, 이하 FEMA)에서 정의한 성능기반의 설계규정에 근거하고 있다. 하지만 FEMA의 설계규정은 국내 아파트 건물의 부재상세 및 이력특성을 근거로 하고 있지 않기 때문에 실제 아파트 건물의 성능평가 및 설계를 위해서는 적절한 실험결과를 근거로 한 평가가 요망된다. 따라서 본 연구에서는 철근콘크리트 연결보를 중점으로 현재 성능설계에서 활용되고 있는 FEMA 273의 해석 임계값에 대한 적절성을 평가하고, 국내 연결보 실험체의 실험결과 분석을 통해 국내에 적합한 비선형 해석 시 해석 임계값을 제안하고자 하였다. 또한 철근콘크리트 특수전단벽 아파트 건물에 연결보의 이력특성이 반영되어 제안한 해석 임계값을 적용하였을 경우와 FEMA 273의 해석 임계값을 적용하였을 경우, 연결보가 실제 건물에 미치는 영향을 비선형 해석을 통해 건물의 응답 차이를 비교하고자 한다. 특히 연결보가 실제 건물에 미치는 영향을 확인하기 위해서 연결보가 전단벽에 실제 접합 된 상황을 묘사한 모델과 전단벽과 연결보를 PIN접합으로 설정하여 연결보의 이력특성이 반영되지 않게 묘사한 모델을 비교하였다. 해석 모델이 단일부재로 거동하는 것을 방지하기 위해 모델링 양쪽에 전단벽을 PIN접합하여 추가로 고려하였다.
FEMA 273의 해석 임계값의 적절성을 평가하기 위해 국내의 연결보 실험체의 실험결과와 FEMA 273의 해석 임계값을 분석하고 비선형 정적해석을 수행하였으며, 실제 실험결과와 하중변형곡선의 이력거동과 에너지소산면적의 유사성을 평가하였다.
FEMA 273의 해석 임계값 분석결과 대각철근 연결보의 경우 FEMA 273은 부재 단면 상세에 관계없이 일정한 소성회전각을 제시하고 있으며, 수평철근 연결보의 경우 작용전단력이 증가함에 따라 감소하는 소성회전각을 제시하고 있다. 즉 유효강성계수는 0.5로 하고 에너지 감소를 결정하기 위한 에너지 감소계수는 정의하지 않고 있다. 이와 같은 FEMA 273의 조건으로 비선형 정적해석을 수행한 결과 연결보의 최대하중까지 이력거동과 탄성계수에 의한 초기강성 기울기는 기존 실험결과와 유사하게 묘사되지 않고 연결보 실험체의 에너지소산면적에서 최대하중 이후에서는 에너지가 다소 큰 차이를 보였다. 또한 실험결과의 에너지소산과 비선형 해석결과의 에너지소산의 비율을 비교하였을 때 항복이후부터 최대하중 이전까지의 에너지소산은 평균 34% ~ 67%로 비교적 낮은 유사성을 보였다. 따라서 FEMA 273의 해석 임계값은 부재의 성능을 과대평가하고 있으며, 부재의 성능을 유사하게 묘사할 수 있는 해석 임계값의 정의가 필요한 것으로 판단된다.
실험결과에 대한 연결보 소성회전각의 회귀분석결과, 수평철근 연결보는 전체적으로 작용전단응력이 증가하면서 소성회전각이 감소하는 결과를 보였다. 소성회전각 d(최대하중까지의 변형)의 경우 FEMA 273이 실험결과보다 과소평가 되고 있으며, 소성회전각 e(파괴시의 변형)의 경우 FEMA 273이 실험결과보다 과대평가 되었다. 그러나 대각철근 연결보 실험체의 경우 실제 실험결과에서 변형구간의 편차가 심하게 나타났으며, 실험결과에 따른 소성회전각을 정의하기 위해서는 더 많은 표본 실험체의 추가 보강 및 분석이 필요할 것으로 사료된다.
실험결과를 적절하게 묘사할 수 있는 유효강성계수를 찾은 결과, 작용전단응력이 증가할수록 유효강성계수가 감소하는 것으로 나타났다. FEMA 273에서 정의하는 유효강성계수 보다 실험결과에 부합하는 유효강성계수가 전체적으로 낮은 분포를 보였으나 작용전단응력에 대하여 반비례하는 것으로 나타났다.
에너지 감소를 위한 계수는 각 실험체마다 실험결과의 싸이클 에너지소산과 유사하도록 싸이클 에너지 감소계수를 대각철근 연결보와 수평철근 연결보 모두 Y(0.2), U(0.15), L(0.15), R(0.15), X(0.1)로 제안한다. 그러나 반복하중으로 비선형 해석하였을 때 하중반전 후의 재하 시 나타나는 핀칭효과, 강성과 강도의 저하효과가 적절하게 묘사되지 못하였기에 향후 보완 연구가 필요한 것으로 사료된다.
제안한 해석 임계값을 적용한 연결보의 비선형 정적해석결과 FEMA 273의 해석 임계값을 적용 보다 연결보의 최대하중까지 이력거동이 대부분의 실험체에서 실험결과와 유사하게 예측 가능한 것으로 나타났다. 또한 탄성계수에 의한 초기강성의 기울기도 FEMA 273의 해석 임계값을 적용하였을 때 보다 유사하게 묘사되었다. 또한 연결보 실험체의 에너지소산면적에서 FEMA 273의 해석 임계값을 적용한 연결보 보다 제안한 해석 임계값을 적용한 연결보가 실험결과의 에너지소산과 비교적 유사하게 나타났으며 실험결과와 비선형 해석결과의 에너지소산 비율을 비교하였을 때 항복이후부터 최대하중 이전에서의 에너지소산은 평균 78% ~ 97%로 비교적으로 실험결과와 해석결과가 높은 유사성을 보였으며 FEMA 273의 해석 임계값을 적용했을 경우보다 실험결과와의 유사성이 약 30% 높게 나타났다. 따라서 제안한 해석 임계값을 사용할 경우, FEMA 273에서 제안한 임계값을 사용하는 경우에 비하여 연결보의 이력특성을 잘 묘사할 수 있을 것으로 판단된다.
연결보의 이력특성을 고려한 비선형 동적해석결과 전단벽과 수평철근 연결보를 PIN접합으로 설정하여 연결보의 이력특성이 반영되지 않게 고려한 모델이 연결보가 전단벽에 실제 접합 된 상황을 고려한 해석 모델보다 큰 응답을 나타내었다. 대각철근 연결보의 경우 FEMA의 해석 임계값 보다 높은 임계값을 적용한 해석 모델과 FEMA의 해석 임계값 보다 낮은 임계값을 적용한 해석 모델의 시간변위응답 결과 비슷한 응답을 보였으나 낮은 임계값을 적용한 해석 모델에서 동적해석 중 연결보의 파괴가 나타났다. 따라서 연결보의 이력특성에 따라 연결보가 파괴되는 정도를 판단할 수 있으며 추후 보다 많은 실험체 표본으로 추가적인 분석을 통해 정확한 해석 임계값의 정의가 필요한 것으로 판단된다. 또한 FEMA 273의 해석 임계값을 적용한 해석 모델링과 제안한 해석 임계값을 적용한 모델의 경우 FEMA 273의 해석 임계값을 적용한 모델의 주기가 더 짧게 나왔다. 이는 FEMA 273의 해석 임계값이 실제 연결보의 이력특성을 반영하지 않고 건물을 보다 과대평가하고 있으며, 실제 지진이 발생하였을 때 건물이 거동을 정확히 파악하기 어렵다고 사료된다.