변형지배거동, 힘지배거동 구분

 일단 이것은 개별 부재가 소성능력이 있는지 없는지로 구분하는 개념으로서 파괴매커니즘에 하중과 변형 중 어느 값에 의해 지배되는지 판단 후 사용하는 내용이다. 과거에 내가 힘 기반 해석, 변위기반 해석 등에 대해 블로그에 글을 남긴적이 있는데, 해당 내용은 해석 방식에서 무엇을 기준으로 역산과 수렴을 하는지에 대한 내용이었고, 이것은 거동 특성에 대한 내용으로 완전히 다른 개념이라는 것을 먼저 얘기한다.

 

 일반적으로 실무자의 입장에서 해석방법은 자신이 사용하는 해석 프로그램의 설정값을 따르니 특수한 경우를 제외하고는 크게 고민하지 않는 부분이지만, 부재의 거동 특성에 따라 지배거동이 무엇인지 판단하는건 항상 해야하면서 중요한 내용이다. 선형해석에서야 거동에 대해 고민은 하지만 모델 파라미터에 입력하지 않지만, 비선형 해석에서는 모델 파라미터에 직접 입력하고 이에 따른 해석 값의 차이가 매우 크게 변하므로 신중하게 고민할 필요가 있다.

 

아래는 AIK-B-2021-001 '철근콘크리트 건축구조물의 성능기반 내진설계를 위한 비선형해석모델' 내용 중 일부를 바탕으로 작성한 내용이다. 제대로 된 내용을 확인하려면 해당 책을 살펴보길 바란다.

 

1. 변형지배 거동은 지진력 저항 시 연성능력이 수반되는 부재의 거동을 의미하며 휨거동이 대표적이다. (일반 설계에서 쉽게 적용할 일은 없지만, 개념적으로는 연성능력이 발현되는 상세라는게 증명된다면 전단거동도 변형 지배 거동이 될 수 있다. 신축에서는 전단벽의 전단 지배거동을 힘지배로 보지만 기존 건축물 평가시엔 변형지배로 본다.) 

2. 힘지배 거동은 취성적 특성을 가지는 부재의 거동으로 지진력 저항 시 비탄성 변형이 수반되지 않고 최대강도에 도달하며 그 이후에 저항력을 기대할 수 없는 부재의 거동을 의미한다. (보,기둥, 벽체의 전단거동이나 기둥, 벽체의 압축거동이 보통 이에 해당한다.)

 

 

1) 철근의 인장거동은 연성거동이고 콘크리트는 취성거동을 보인다. 따라서 철근 인장에 의해 강도가 지배되는 거동(휨거동)은 변형지배 거동으로 분류되고, 콘크리트 파괴에 의해 강도가 결정되는 거동(압축, 전단 거동)은 힘 거동으로 분류된다.

2) 내진설계시 변형능력을 향상하기 위해서는 힘지배거동의 강도가 변형지배거동의 강도보다 일정 수준 이상 크게 설계되어야 합당하다.

 

 

[1] 변형지배거동의 성능검증

1) 부재의 변형각(소성변형각) 또는 변위에 대해 평가.

2) Du <= φDn.e

 Du: 비선형동적해석의 최대응답(혹은 7쌍의 지진파 해석에 의한 평균 응답값), 비선형 정적해석의 성능점에 의해 결정되는 소요 변형량.   

 Dn.e: 재료 기대강도에 기초한 허용변형량  φ=1.0

3) 보다 엄격한 허용기준의 적용이 요구되는 구조물 (내진특등급) 을 비선형 동적해석에 의해 설계할 경우 개별 지반운동에 대해 붕괴방지 허용기준을 초과하면 안된다.

 

[2] 힘지배거동의 성능검증.

1) 작용 부재력을 기준으로 평가.

2) 신축건물의 성능기반 내진설계의 경우, 휨항복 이전에 힘지배 거동의 강도가 해당부재의 강도 또는 구조체의 강도를 결정하지 않아야 한다. (전단 내력이 휨강도에 도달할 수 있게 충분해야함)

3) 탄성으로 모델링 된 힘지배 겅동의 설계강도 φFn 에 대해

  Fns  + 1.2(Fs-Fns) <= φFn 

  Fs: 비선형동적해석의 최대응답(혹은 7쌍의 지진파 해석에 의한 평균 응답값), 비선형 정적해석의 성능점에 의해 결정되는 부재력.

  Fns: 지진하중 외의 하중에 의한 부재력.

  Fn.e: 재료의 설계강도에 기초한 공칭강도.  φ=1.0

 4) 보다 엄격한 허용기준의 적용이 요구되는 구조물(내진특등급)을 비선형 동적해석에 의해 설계할 경우 개별 지반운동에 대해 재료의 기대강도에 기초한 공칭강도를 초과할 수 없다.