국내 필로티 저층 RC건물들의 대부분은 수직비정형성과 수평비정형성을 동시에 가지고 있다. 수직비정형성을 가진 건물은 상층부와 강도 및 강성의 차이가 발생하며, 특히 수평비정형성을 가진 건물은 편심 코어벽체의 배치로 인해 비틀림 응답이 발생하여 지진과 같은 수평하중이 발생하였을 때, 저층 필로티층과 더불어 건물 전체에까지 심각한 손상을 발생시킬 수 있다. 이에 국내 건축물 내진설계기준에서 제시하고 있는 각 조건 및 조항에 따라 수직비정형을 가지는 건물 설계시 특별지진하중을 적용하도록 하고 있으며, 수평비정형을 가지는 건물은 비틀림증폭계수를 고려하여 설계하도록 하고 있다. 하지만 이러한 설계영향계수를 동시에 적용되는 경우를 고려하지 않고 독자적으로 도입되었으며, 이에 대한 근거와 관련 연구가 부족한 실정이다. 따라서 수직비정형과 수평비정형을 동시에 가지는 국내 RC건물의 내진설계 과정에서 특별지진하중과 비틀림증폭계수가 필로티층의 내진성능에 미치는 영향을 파악할 필요가 있다.
본 연구에서는 수직비정형과 수평비정형을 동시에 가지는 건물을 설계할 때 특별지진하중의 적용 유무에 따른 필로티 저층 RC건물의 내진성능을 진동대 실험을 통하여 평가하는 것을 목적으로 한다.
진동대 실험은 편심 코어벽체를 가지는 필로티 저층 RC건물에 특별지진하중이 아닌 일반적인 내진설계만 적용하여 설계한 실험체와 특별지진하중을 적용하여 설계한 실험체를 대상으로 실제 포항지진파를 적용하여 수행하였다. 진동대 실험을 수행하여 내진성능을 평가하고 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 일반적인 내진설계만 적용한 실험체는 최종 단계에서 코어벽체와 가장 멀리 떨어져 있는 기둥 주각부와 주두부에서 비틀림으로 인한 파괴가 발생하였고, 특별지진하중을 적용한 실험체는 파괴나 붕괴는 발생하지 않았으며 균열이 다소 증가하는 수준을 보였다.
(2) 공진주파수 탐색실험에서, 비틀림모드로 추정되는 1차모드에서 일반적인 내진설계만 적용한 실험체는 장변방향 4.5Hz(0.22초), 단변방향 4.25Hz(0.24초)로, 특별지진하중을 적용한 실험체는 장변, 단변 방향 8.25Hz(0.12초)로 분석되어 일반적인 내진설계만 적용한 실험체에 비해 비틀림 참여율이 다소 작게 나타났다.
(3) 가속도 응답에서, 특별지진하중을 적용한 실험체의 입력 가속도에 대한 옥상층 최대 응답 가속도가 일반적인 내진설계만 적용한 실험체에 비해 비교적 크게 나타났다.
(4) 계측 위치별 변위 응답에서, 코어벽체와 가장 멀리 떨어져 있는 기둥이 다른 기둥에 비해 변위비가 일반적인 내진설계만 적용한 실험체는 약 3 ~ 5배, 특별지진하중을 적용한 실험체는 약 2배 정도 발생하여 일반적인 내진설계만 적용한 실험체가 특별지진하중을 적용한 실험체보다 비틀림 거동이 탁월함을 확인할 수 있었다.
(5) 층전단력-층간변형각 관계에서, 가진 최종 단계에서 일반적인 내진설계만 적용한 실험체는 층간변형각이 각 방향별 최대 0.80% 이내, 특별지진하중을 적용한 실험체는 각 방향별 최대 0.40% 이내로 발생하였다. 또한, 특별지진하중을 적용한 실험체가 일반적인 내진설계만 적용한 실험체에 비해 더 큰 전단력이 작용하였음에도 불구하고 층간변형각이 약 50% 감소하였음을 볼 때, 특별지진하중을 적용한 실험체가 더 큰 강성을 가지기 때문에 수평하중에 대한 변형거동이 작게 발생한 것으로 판단된다.
(6) 비틀림모멘트-비틀림회전각 관계에서, 최대 비틀림모멘트 작용시 일반적인 내진설계만 적용한 실험체는 회전각이 0.55%, 특별지진하중을 적용한 실험체는 0.06% 발생하였다. 또한, 특별지진하중을 적용한 실험체가 일반적인 내진설계만 적용한 실험체에 비해 가진 단계별 비틀림회전각이 약 50% 감소하여, 특별지진하중만을 적용하여 설계하더라도 비교적 비틀림 거동이 어느 정도 제어됨을 확인할 수 있었다.
(7) 주요 부재의 철근 변형률에서, 일반적인 내진설계만 적용한 실험체는 최종 단계 가진 전에 C1, C2, C4 기둥의 주근이 항복하였으며, 이를 제외한 C3기둥의 주근과 전단보강근은 모두 탄성상태에 머물렀다. 특별지진하중을 적용한 실험체는 모든 부재의 철근이 최종 단계에서까지 탄성상태에 머물렀다.
(8) 코어벽체의 전단거동에서, 일반적인 내진설계만 적용한 실험체는 최종 단계에서 최대 전단변형각이 W1벽체 0.16%, W2벽체 0.13%이며, 특별지진하중을 적용한 실험체 는 W1벽체 0.09%, W2벽체 0.13%로 나타났다. 하지만 코어벽체의 파괴 양상 등을 추가로 고려하여 볼 때, 두 실험체 모두 코어벽체의 전단거동은 비교적 탁월하지 않는 것으로 판단된다.
(9) 수직부재의 전단력 분담률에서, 두 실험체 모두 수직강성이 비교적 큰 C3기둥과 코어벽체에서 높은 분담률이 나타났다.
위와 같은 분석결과 내용을 종합하면 본 연구에서는 특별지진하중을 적용하지 않고 일반적인 내진설계만 적용하여 설계한 경우, 실제 포항지진파 가속도의 2.5배에 해당하는 지진파 가진시 코어벽체에서 가장 멀리 떨어진 약측단부 기둥에서 비틀림으로 인한 파괴가 발생하는 등 비틀림 거동이 비교적 탁월함을 확인하였다. 반면 특별지진하중을 적용하여 설계하는 경우에는 필로티층의 기둥과 같이 비탄성 변형이 집중될 것으로 예상되는 부재를 탄성상태에서 지진하중을 전달하도록 설계하여 특별지진하중만을 적용하더라도 비틀림 응답이 감소하는 효과가 나타났다. 따라서 수직 및 수평 비정형 건물이라도 특별지진하중을 적용하여 설계한 경우에 필로티층의 강도 및 강성이 충분히 확보되어 비틀림 거동을 제어할 수 있는 것을 확인하였으며, 추후 비틀림증폭계수의 적용 유무 따른 필로티 RC건물의 내진성능을 추가적으로 평가할 필요가 있을 것으로 판단된다.