국내 필로티형 저층 RC 건물들은 1층의 골조와 상층의 벽식 구조로 구성되어 있다. 따라서 1층과 상층부 사이에 강도 비정형이 생기며 이것을 수직비정형이라고 한다. 수직비정형을 가지는 건물은 과도한 비탄성 변형을 필로티층에 유도하여 건물 전체가 붕괴될 수 있는 위험이 있다. 한편, 1층의 코어 역할을 하는 벽체와 기둥의 평면 배치가 비대칭적인 건물의 경우 질량중심과 강성중심의 위치가 일치하지 않아 수평하중이 작용하였을 때 비틀림 응답이 발생하여 구조물에 심각한 손상을 발생시킬 수 있다. 이를 비틀림비정형이라고 한다. 수직비정형과 비틀림비정형을 갖는 구조물의 설계영향계수에 대해 국내, 외에서 많은 연구가 진행되었다. 선행연구들은 수직비정형과 비틀림비정형에 대해 기존의 설계방법을 평가하거나 합리적인 새로운 설계방안을 제시하였다. 그러나 수직비정형과 비틀림비정형을 동시에 가져, 비틀림증폭계수와 특별지진하중이 동시에 적용된 구조물의 내진성능에 대한 연구는 진행된 바가 적다. 본 연구에서는 저층 RC 필로티형 건물의 비틀림비정형, 수직비정형 설계 과정에서 증가된 내진성능을 평가하여 각 설계 변수가 구조물의 내진성능에 미치는 영향을 파악하는 것을 목적으로 한다.
해석 대상 건물은 2017년 포항에서 발생한 지진으로 피해를 본 건물 중에서 비틀림 파괴를 보인 건물을 선정한다. 연구대상 건물은 2011년 준공된 내진설계 대상 구조물이며, 특별지진하중 적용 대상 건물이다. 대상 건물을 실측도면대로 유한요소해석 프로그램 MIDAS를 이용하여 재현한다. 이 모델을 Model 1이라고 한다. Model 1에 비틀림증폭계수를 적용한 Model 2와 특별지진하중을 적용한 Model 3을 설계한다. 마지막으로 두 계수를 모두 적용한 Model 4를 설계한다. 각 모델에 적용된 특별지진하중과 비틀림증폭계수 고려 유무에 따른 해석모델의 밑면전단력, 수평비틀림모멘트, BST Diagram 등을 비교하여 각 구조물의 내진성능을 비교 평가하고 특별지진하중과 비틀림증폭계수가 건물의 비틀림내력과 전단내력에 대한 내진성능에 미치는 영향을 파악한다.
대상 모델에 대한 지진응답특성을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 특별지진하중과 비틀림증폭계수를 적용하지 않은 대상건물에 설계지진하중을 적용하였을 때 비틀림으로 인한 붕괴수준의 피해를 보였으며, 특히 편심이 큰 장변방향으로 지진하중을 입력하였을 때 큰 비틀림 거동을 보였다.
(2) 특별지진하중을 적용하지 않고 설계한 저층 RC 필로티형 건물이 비틀림비정형을 가지는 경우, 비틀림증폭계수를 설계에 적용하였을 때 건물의 층간변위, 비틀림거동이 감소하고 이에 따라 연약단부의 손상이 줄어들었다.
(3) 특별지진하중을 설계에 반영하는 경우 대상건물은 탄성에 머물렀으며, 강측단부와 연약단부의 층간변형각이 유사하게 발생하였다. 비틀림비정형으로 인해 비틀림내력의 약 12%에 해당하는 비틀림모멘트가 발생하였다.
(4) 특별지진하중과 비틀림증폭계수를 모두 고려하여 설계한 경우는 특별지진하중만 고려하여 설계한 경우와 비교하였을 때, 비틀림비정형으로 인해 발생하는 필로티층의 모멘트가 약 5% 증가하였으나, 설계비틀림내력이 약 21% 증가하여, 최종적으로 비틀림내력에 대한 외력의 비는 약 13%에서 약 10%로 감소하였다.
본 연구에서는 특별지진하중과 비틀림증폭계수를 설계에 적용하지 않은 국내 저층 RC 필로티형 건물 1개동에 대하여 특별지진하중과 비틀림증폭계수가 건물의 내진성능에 미치는 영향에 대하여 파악하였다, 대상건물에 비틀림증폭계수를 적용하여 재설계하였을 때 건물의 내진성능이 목표수준에 미달하지만, 비틀림에 의한 피해가 감소함을 확인하였다. 특별지진하중만을 적용하여 재설계한 경우, 비틀림비정형으로 판정되어 비틀림모멘트가 작용하는 경우에도 특별지진하중과 비틀림증폭계수를 함께 적용하여 설계한 모델과 유사한 거동특성을 보였다. 따라서, 연구의 대상이 된 건물은, 특별지진하중이 적용되지 않았을 때는 비틀림증폭계수가 내진성능에 큰 영향을 미쳤으며, 특별지진하중과 비틀림증폭계수를 함께 적용하여 재설계하는 경우 과다설계의 가능성이 있을 것이라고 판단하였다.
본 연구는 특정한 건물을 대상으로 진행된 연구이며, 향후 수직비정형과 수평비정형을 동시에 가지는 일반적인 건물의 내진성능에 특별지진하중과 비틀림증폭계수가 미치는 영향에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 생각된다.