제3장 구조물의 지진 피해
목차
3.1 구조물 파괴
3.1.1 강성/강도와 연성
내진성능 평가요령(국토안전관리원, 2021)에 따르면 지진 시 모든 부재의 거동은 다음과 같이 힘지배거동과 변형지배거동으로 분류한다.
1) '힘지배거동(force controlled action)'은 취성적 특성을 가지는 부재의 거동으로, 지진력 저항 시 항복이 수반되지 않거나 항복 후 저항력을 기대할 수 없는 부재의 거동이다. 힘지배거동은 최대 하중 이후 변형능력이 없는 취성적인 거동이다. 따라서 힘지배거동이 지배적인 구조물인 경우 급격한 붕괴가 발생할 수 있다.
2) '변형지배거동(deformation controlled action)'은 지진력 저항 시 항복이 수반되고 항복 후 저항력을 기대할 수 있는 부재의 거동이다. 휨거동이 대표적이며 부재의 종류에 따라 휨 이외에 전단거동이 포함될 수 있다.
말하자면 힘지배거동 구조물은 지진력이 수평강도를 초과하지 않으면 붕괴하지 않고, 변형지배거동 구조물은 지진 시 수평변형이 한계변형을 초과하지 않으면 붕괴하지 않는다. 따라서 구조물의 붕괴방지 또는 인명안전을 성능목표로 설계를 한다면 구조물을 힘지배거동 그리고/또는 변형지배거동으로 설계를 해야 한다.
지반진동에 견디는 구조물의 성능은 다음 2가지에 의존한다.
1) 구조물을 구성하는 부재의 수평강도 ~ 힘지배거동
2) 항복 후 수평변형능력(즉, 연성) ~ 변형지배거동
변형능력이 작은(즉, 힘지배거동을 하는) 구조물은 높은 강도를 확보해야 하고, 변형능력이 큰(즉, 변형지배거동을 하는) 구조물은 강도가 작더라도 큰 소성변형까지 붕괴하지 않는 연성을 확보해야 한다.
일반적으로 수평내력(강성과 강도; stiffness and strength)이 큰 구조물은 수평내력이 작은 구조물에 비하여 지진 시 변형이 적으므로 (구조물이 붕괴할 때의 변형능력에 관계없이) 구조물의 손상도 적다. 따라서 원자력발전소 구조물과 같이 큰 지진에 대하여 고도의 성능(예: 방사능 누출을 방지하기 위해 균열이 발생되지 않을 수준의 성능)을 요구하는 구조물에서는 최소한의 수평내력을 확보하여야 한다.
다음 그림은 고베 지진으로 한 층이 붕괴된 공동주택을 나타낸다. 이 건물은 구조물 부재의 수평내력(강성과 강도)만을 확보하는 내진기준에 따라 설계되었다. 말하자면 힘지배거동만을 만족하는 내진설계기준에 따라 설계되었다. 따라서 지진 시에 기둥에 작용하는 전단력이 전단강도에 도달하면 작은 변형에서도 취성적으로 전단파괴되어 수평하중과 수직하중에 저항하는 구조능력을 상실하였다. 우연히 한 개의 기둥이 전단파괴되어 수평하중을 부담할 수 없다면, 이 기둥에 작용하고 있는 수평력을 다른 기둥이 부담해야 하기 때문에 동일한 전단강도를 갖는 다른 기둥도 연쇄적으로 전단파괴된다. 이와 같이 동일한 층에서 기둥이 연쇄적으로 전단파괴가 되어 층 전체가 붕괴되었다.
그림 3.1.1 고베 지진($M_w$ 6.9, 1995) 시 3층 하부가 붕괴된 공동주택
3.1.2 연층/약층
수평내력(강성 및 강도)이 다른 층에 비하여 아주 작은 층을 '약층(弱層, weak story)'이라고 한다. 내진설계기준에서는 강성이 작은 경우를 '연층(軟層, soft story)'이라고 하고, 강도가 약한 경우를 약층(弱層, weak story)으로 구분한다(참조: 수직 비정형성). 구조물이 지진운동을 받으면 이러한 약층에 큰 변형이 집중된다. 특히 약층의 기둥이 연성능력이 작아 적은 변형에서도 취성파괴를 하면 이 층에서 붕괴가 발생한다.
중고층 공동주택의 경우 1층을 상업시설 또는 주차장으로 이용하기 위해 흔히 '필로티 구조물(piloti structure)'로 설계한다. 1층은 벽체가 없거나 적고 기둥으로 수직하중을 지지한다. 상층에 비해 1층은 수평내력이 작고 큰 변형이 발생하기 쉽다. 필로티 구조물이 강한 지진운동을 받으면 1층의 기둥에는 건물 전체에 작용하는 큰 수평력(층전단력)이 작용하고 큰 수평변형이 발생한다. 이러한 기둥이 전단보강철근으로 충분한 연성이 확보되어 있지 않거나 큰 축력을 받는 경우, 기둥은 큰 변형을 수용하지 못하고 취성파괴된다. 또한 건물의 외측 기둥은 작용하는 수평력에 따라 전도모멘트에 의해 큰 변동축력을 받으므로, 이러한 부가적인 축력에 의해 기둥의 변형능력이 저감된다.
그림 3.1.2a 산페르난도(San Fernando) 지진($M_w$ 6.6, $M_s$ 6.5, 1971) 시 Olive View 병원 피해
그림 3.1.2b 고베 지진($M_w$ 6.9, 1995)으로 1층 하부가 붕괴된 주택
다음 사진은 2024년 대만 화롄지진의 진앙에서 17km 떨어진 화롄시 중심가 건물의 붕괴 전후 사진이다. 약층 외에도 삼각형 평면을 가진 평면 비정형성을 포함한 구조계획 등 구조적으로 주의를 기울여 볼 것이 있다. 특히, 오래된 건물로 보임에도 붕괴 충격에 외장 마감재(비구조요소) 탈락이 거의 없는 것을 볼 수 있다.
그림 3.1.2c 화롄 지진($M_w$ 7.4, 2024, 대만)으로 1층이 붕괴된 건물의 붕괴 전과 후
내진벽체의 거동은 '면내거동(in-plane behavior)'과 '면외거동(out-of-plane behavior)'으로 구분한다.
그림 3.1.2d 내진벽체의 거동
3.1.3 편심
'질량중심(CM, center of mass; 즉, 관성력이 작용하는 평면의 중심)'과 '강성중심(CR, center of stiffness; 즉, 수평강성의 중심)'의 위치가 서로 다른 경우, 즉, '편심(eccentricity)'이 있는 경우, 지진 시 강성중심을 통과하는 수직축에 대하여 회전운동이 발생시켜 강성중심에서 먼 부재에 큰 변형과 이에 따른 손상이 발생한다.
그림 3.1.3a 바닥슬래브는 격막(다이아프램)이라고 불리는 강성이 큰 수평요소며, 실제 거동은 강체로서 보와 기둥의 상부에 특정 운동을 부과한다.
다음 사진에 보인 건물의 좌측에는 계단실과 내진벽이 있지만 우측 1층에는 기둥뿐이므로 건물의 좌측 강성에 비하여 우측 강성이 과하게 작다. 따라서 지진 시 건물의 좌측을 중심으로 하는 회전운동을 발생시켜 건물의 우측 기둥에 큰 수평변형이 발생한다. 이러한 건물을 보강할 경우에는 질량중심과 강성중심의 위치를 고려하여 우발적인(accidental) 회전운동에 대해서도 충분한 내력을 확보함과 동시에 큰 변형을 견딜 수 있도록 부재의 연성을 확보해야 한다.
그림 3.1.3b 미야기현 지진($M_s$ 7.7, 1978) 시 (강성이 큰) 건물의 1층 좌측부에 비해 (강성이 작은) 건물의 1층 우측부에 큰 피해가 발생
3.1.4 격막(다이아프램)
수평력을 전달하는 바닥슬래브를 '격막(다이아프램, diaphragm)'이라 한다. (수평방향 강성이 매우 큰) 격막은 골조, 벽체 및 기둥과 같은 (격막에 접합된) 모든 수직 요소가 강성 비율로 지진 시 발생한 수평 전단력을 공유하도록 강제한다. 즉, 격막은 지진 시 (격막 상부구조물에서 발생한) 관성력을 (격막에 접합된) 모든 지진력저항부재에 전달한다. 따라서 격막이 손상되면 바닥에 작용하는 관성력이 주요 지진력저항부재에 전달되지 않는다.
그림 3.1.4a 개구부를 갖는 격막
1994년 노스리지 지진은 지진 시 유연한 목재 지붕 격막의 벽체 정착(anchorage)에 대한 (1976년 이후 개정된) UBC 내진설계 조항의 첫 번째 시험이었다. 지붕 격막의 부적절한 벽체 정착으로 인해 수백 개의 건물이 심각하게 손상되었다. 1973년 이전의 UBC 조항으로 설계된 '틸트업(tilt-up; 주: 기중기 따위로 조립용 콘크리트 판을 들어 올려서 지붕, 벽체, 바닥 등을 맞추어 건물을 짓는 방법)' 또는 프리캐스트(precast) 건물의 열악한 내진성능은 예상했으나, 1976년 개정된 기준으로 내진설계된 건물의 손상 규모는 예상하지 못했다.
그림 3.1.4b 노스리지 지진($M_w$ 6.7, 1994) 시 벽체 정착 유실로 인한 틸트업 콘크리트 건물 손상
3.1.5 2차 부재
구조부재는 지진력(즉, 횡하중)을 저항하는지에 따라 1차 부재와 2차 부재로 구분한다.
1) '1차 부재(primary component)'는 지진력(연직하중 포함)을 저항하도록 요구되는 부재로서 주로 지진력저항시스템 내의 부재이다.
2) '2차 부재(secondary component)'는 연직하중만을 저항하도록 요구되는 부재이다. 횡하중 저항능력이 요구되지는 않으나, 지진 시 발생한 횡변위가 발생하여도 연직하중 지지능력을 유지하여야 한다. 이것을 '변형적합조건(deformation compatibility)'라고 한다.
일부 주요 부재(예: 건물의 외측에 설치된 큰 기둥)만을 1차 부재로 설계되고, 대부분의 부재가 횡하중을 저항하는 능력이 요구되지 않는 2차 부재로 설계되는 경우가 있다. 그러나 2차 부재로 설계되었다고 할지라도 지진 시 발생하는 구조물의 수평변위를 받으므로, 수평변형에도 연직하중 지지능력을 유지할 수 있도록 배근을 하여야 한다.
그림 3.1.5a 연직하중과 수평하중에 인내할 수 있는 벽체를 '내력벽(耐力壁, bearing wall)'이라 한다.
6.2 지진력저항시스템의 정의
6.2.3 건물골조시스템
(1) 건물골조시스템은 수직하중은 보, 슬래브, 기둥으로 구성된 골조가 저항하고 지진하중은 전단벽이나 가새골조 등이 저항하는 지진력저항시스템이다.
[해설] 6.2.3 건물골조시스템
연성모멘트골조(특수모멘트골조 혹은 중간모멘트골조)가 전체 설계지진력의 25% 이상을 저항하지 못하여 이중골조 시스템의 요건에 부합하지 않은 경우, 건물골조시스템에 해당한다. 건물골조시스템으로 설계 시 연성모멘트골조를 적용할 경우에는 전단벽이나 가새골조가 지진하중의 100%를 저항하도록 설계할 필요는 없으며, 골조가 지진하중의 일부를 부담하도록 설계할 수 있다. 다만, 건물골조시스템에서 보통모멘트골조로 설계하는 경우에는 설계지진력의 100%를 횡력시스템이 저항하도록 설계한다.
6.6 내진설계범주 'D'에 대한 시스템 제한
6.6.2 변형의 적합성
(1) 고려하는 방향의 지진력저항시스템에 포함되지 않은 모든 구조요소는 7.2.7.1에 따라 결정된 설계층간변위에 의하여 발생하는 모멘트와 전단력뿐만 아니라 수직하중에 저항할 수 있는 연성능력을 발휘하도록 설계한다. 허용응력설계법을 사용할 경우, 하중계수 0.7을 곱하지 않은 지진력에 대해 산정한다. 고려하는 방향의 지진력저항시스템에 포함되지 않은 부재에 발생되는 모멘트와 전단력은 인접한 강한 구조 및 비구조요소에 의한 강성 증가 효과를 포함하여 산정한다.
[해설] 6.6.2 변형의 적합성
각 부재의 비탄성변형 적합성에 대한 검토는 설계층간변위에 대한 각 보와 기둥의 소성힌지 변형능력이 요구변형보다 크다는 것을 입증하면 된다. 강기둥-약보의 경우에는 보의 양단에 소성힌지가 발생하는 것으로 가정하여 요구변형을 근사적으로 구할 수 있으며, 약기둥-강보의 경우에는 기둥 양단의 소성힌지를 검토한다. 변형능력은 실험결과에 의존하거나 ASCE 41, 공동주택 성능기반 내진설계 지침(2016) 등과 같은 지침을 이용하여 연성상세에 따라 결정한다. 만약 소성힌지의 변형능력이 요구변형보다 작다면 전체구조시스템의 강성과 강도를 증가시켜서 소성힌지에 큰 변형이 요구되지 않도록 조절한다.
이때 부재의 설계전단력은 설계지진하중에 대한 구조해석으로 산출한 값이 아닌 부재의 소성휨모멘트에 근거하여 산출한 값이어야 한다. (KDS 41 30 00 건축물 콘크리트구조 설계기준 참조) 또한 수직하중에 의한 부가적 2차효과를 고려하도록 설계하여야 한다(7.2.8.2 참조).
위의 요건을 고려할 때 내진설계범주 D에 해당되는 구조물은 중간모멘트골조 이상의 연성상세를 갖도록 설계하는 것이 바람직하다.
[질문]
1) 6.2.3절은 국내 기준에서 건물골조시스템을 적용 시 연성모멘트골조를 적용하면, 변형적합을 고려하지 않아도 된다는 해설 내용이다.
2) 6.6.2절은 변형의 적합성을 따로 검토하지 않을 경우 상세를 제시하는 것으로 보인다.
3) 상기 2가지 내용이 중복되면서도 미묘한 내용차이가 있으므로 기준을 정리할 필요가 있다.
그림 3.1.5b 변형의 적합성과 관련된 요건
3.1.6 비구조요소
'비구조요소(nonstructural component)'는 차양, 장식탑, 비내력벽, 기타 이와 유사한 것으로서 횡력저항에 영향을 미치지 않는 건축물의 구성부재이다. '조적채움벽(masonry infill wall)'의 경우 비구조부재로 설계되나 구조물의 횡력저항능력에 미치는 영향이 크므로 구조물의 내진성능평가 시 해석모델에 포함하여야 한다.
그림 3.1.6a 조적채움 파괴모드 — (a) 모서리 압괴(corner crushing, CC), 대각압축파괴(diagonal compression, DC) / (b) 가로줄눈파괴(sliding shear, SS), 대각균열파괴(diagonal cracking, DK), 골조손상(frame failure, FF)
일반적으로 구조설계에서는 비구조요소를 배제하고 구조해석을 수행하고 구조부재를 설계한다. 그러나 실제로는 조적채움벽과 같이 비구조요소라고 하더라도 역학적으로는 무시할 수 없는 것이 있다. 즉, 비구조요소가 존재하는 경우 인접하는 구조부재에 작용하는 부재력이 달라질 수 있다. 이러한 비구조요소는 골조에 큰 강성을 부여하며, 이러한 부가강성을 무시하면 구조물에 대한 예상치 못한 나쁜 영향을 미칠 수 있다.
그림 3.1.6b 단주효과 개념도
그림 3.1.6c 조적채움벽의 강성 모델링 — (a) 등가스트럿 모델 / (b) 가력 초기 단계에서 골조와 일체화된 거동을 하다가 분리된 이후에는 압축 스트럿이 형성되는 거동
학교건물의 특성상 기둥을 구속하고 있는 조적벽으로 인하여 기둥의 길이가 짧아지는 단주효과로 인하여 기둥에 피해가 집중되었다.
그림 3.1.6d 도카치 해역(十勝沖) 지진($M_j$ 7.9, 1968) 시 미사와상고(三沢商高) 단주의 전단파괴 (전단철근 간격 200mm)
수벽(垂壁) 등이 기둥에 접하면 기둥에 단주효과가 발생한다. 단주가 장주보다 강성은 크지만, 동일한 층의 수직부재들은 동일한 층변위를 가지므로, 단주가 장주보다 더 큰 변위각이 발생하면서 X자 전단균열이 발생하면서 먼저 파괴된다. 이후 파괴된 부재가 분담하는 하중이 다른 부재들에 가중되고, 그 부재들의 여유력이 부족하면 순차적으로 취약한 부재들부터 연속파괴되면서 건물전체의 붕괴가 발생할 수 있다.
그림 3.1.6e 단주효과 개념도
비구조요소의 내진설계가 필요한 대표적인 이유를 열거하면 다음과 같다.
1) 건축물의 기능유지
중소지진에 있어서 건축물의 기능유지는 중요한 성능목표이다. 건축물의 기능을 유지하기 위해서는 구조물의 비구조요소도 충분한 성능을 확보해야 한다. 경험에 따르면 건물의 거주자는 칸막이, 창문, 문, 기계설비 등의 비구조요소의 손상으로 공포를 느낀다. 이러한 경우 비구조요소의 손상이 복구되거나 교체될 때까지 건물을 사용할 수가 없다.
2) 건축물의 보수비
건물의 보수비용은 구조부재의 보수비에 따라 결정되는 경우가 많으므로 건물 소유자의 경제적인 부담을 줄여주기 위해서도 비구조요소를 손상시키지 않도록 보호해야 한다. 통계적으로 건축물 복구 공사비용에서 구조요소가 20%, 비구조요소를 포함한 그 외 요소가 80%를 차지한다(참조: 제8장 [내진설계] 비구조요소).
3) 피난 경로 확보
손상된 요소가 낙하하여 건물 안 또는 건물에서 피난하고자 하는 사람들의 위에서 낙하하면 극히 위험하다. 경우에 따라 손상된 비구조요소가 피난로를 막아버릴 수 있으므로 구조물의 큰 변형에 의해 문과 같은 비구조요소가 지진 후에 열리도록 구조물의 수평강성을 높게 하거나 비구조요소가 변형을 수용할 수 있도록 주변에 부드러운 완충재를 사용하는 것이 좋다.
그림 3.1.6f 고베 지진($M_w$ 6.9, 1995)으로 인한 비구조요소의 파괴 — (a) 입구 문의 피해와 콘크리트 사이 칸막이 벽 파괴 / (b) 프리캐스트 콘크리트 커튼월 낙하
3.1.7 기둥
기존 건축물의 내진성능을 판단하는 경우에는 구조도면만으로 조사하는 것은 불충분하다. 다음 사진은 1948년 후쿠이 지진(福井地震)에 의한 다이와 백화점(大和百貨店)의 붕괴사진이다. 1945년 7월 제2차 세계대전 당시 후쿠이 공습으로 인한 화재, 지진 시 지반운동으로 인한 남쪽지반의 부등침하, 그리고 철근콘크리트구조물의 배근불량이 붕괴 원인으로 지목되었다.
그림 3.1.7a 후쿠이 지진($M_w$ 6.8, 1948)의 다이와 백화점의 붕괴
횡방향 지진하중으로 인하여 횡방향 변위가 발생한다. 기둥 상단은 고정된 하단에 비해 횡방향 상대변형이 발생한다. 장주는 단주에 비해 변형이 더 자유롭다. 단주는 장주와 동일한 횡방향 변위를 가져야 하므로 장주에 비해 더 큰 부재력이 발생하고 파괴가 발생한다.
그림 3.1.7b 경사지반과 중이층(中二層, mezzanine)으로 인한 단주 파괴
3.1.8 구조물 충돌
인접하는 건물과 간격이 작으면, 지진 시에 수평변위에 의해 인접하는 건물과 충돌이 발생한다. 특히 인접건물의 바닥슬래브의 높이가 동일한 높이가 아닌 경우에는 피해가 크고, 낮은 건물의 슬래브 상면이 인접하는 건물의 기둥을 심하게 손상하는 경우가 있다. 다음 사진은 1985년 멕시코시티 지진 시 발생한 구조물 충돌의 예이다.
그림 3.1.8a 구조물 충돌 형태 — (a) Mid Column Pounding / (b) Taller Adjacent Building / (c) Heavier Adjacent Building / (d) End Building Pounding / (e) Torsional Pounding / (f) Structures with superficial brittle facades
그림 3.1.8b 멕시코시티 지진($M_w$ 8.0, 1985)의 인접 건물의 충돌로 인한 Hotel De Carlo의 층붕괴
3.1.9 팬케익 파괴
공간을 크게 확보하기 위하여 '무량판(無樑板; flat slab/plate)' 구조를 사용한다. 이 구조는 다음과 같은 이유로 '팬케익(pancake) 파괴'가 발생할 수 있다.
1) 보가 없기 때문에 수평강성이 적고 큰 수평변위가 크다.
2) 기둥이 바닥슬래브를 전단파손하여 슬래브에 작용하는 수직하중을 지지하지 못하고 슬래브가 낙하한다.
이러한 파괴는 보가 없기 때문에 상하층 슬래브가 직접 접촉하는 붕괴이며, 상하층 슬래브 사이에는 사람이 대피할 공간이 없다. 인명보호의 입장에서도 이러한 붕괴는 발생해서는 안된다. 깊은보 또는 허리벽을 사용한다면 건물이 붕괴한 이후에도 상하층 슬래브 사이에 사람이 대피할 공간이 생긴다.
그림 3.1.9a 슬래브의 종류 — (a) 일방향슬래브 / (b) 일방향슬래브 / (c) 이방향 슬래브 / (d) 무량판 슬래브(플랫 플레이트) / (e) 무량판 슬래브(플랫 슬래브) / (f) 와플(waffle) 슬래브
그림 3.1.9b 팬케익 붕괴 메커니즘
그림 3.1.9c 튀르기예 지진($M_w$ 7.8, 2023)으로 Kahramanmaras시에서 붕괴된 건물
3.1.10 기초
기초에서 손상이 발생하면 이에 대한 보수비용은 상부구조물에 비해 매우 크므로, 내진설계 시 기초는 상부구조물에 비해 보수적으로 내진설계한다. 지진 시 기초 파괴의 원인을 예로 들면 다음과 같다.
1) 지반의 액상화와 측방유동
2) 지반의 액상화에 의한 기초의 지지력 상실
3) 단층의 어긋남
4) 지반의 압밀
5) 절토와 매립토의 경계면에서의 부등침하
지반의 액상화는 말뚝기초에 큰 변형을 발생시킨다. 말뚝기초의 피해는 미야기현 지진($M_s$ 7.7, 1978) 및 고베 지진($M_w$ 6.9, 1995)에서 나타났다.
그림 3.1.10a 니카타 지진($M_w$ 7.6, 1964) 시 사질토 지반의 액상화에 의한 공동주택의 전도
그림 3.1.10b 멕시코시티 지진($M_w$ 8.0, 1985) 시 건물 침하
3.2 부재 파괴
3.2.1 기둥 휨파괴
- 기둥에서 종방향 철근의 위치를 확보하고 전단력에 저항하도록 정해진 간격으로 배근된 횡방향의 보강철근
그림 3.2.1a 기둥의 철근
- 보의 주근을 둘러싸고 이에 직각이 되게 또는 경사지게 배치한 복부 보강철근
- 전단력 및 비틀림모멘트에 저항하도록 배치한 보강철근
그림 3.2.1b 보의 스터럽 vs 기둥의 띠철근
휨을 받은 기둥의 횡변형능력은 다음 요인에 영향을 받는다.
1) 기둥에 작용하는 압축력의 크기 → 압축력이 클수록 횡변형능력은 감소한다.
2) 소성힌지영역의 횡보강철근량 → 철근량이 많을수록 횡변형능력은 증가한다.
일반적으로 기둥에 큰 압축력이 작용하면 휨모멘트와의 상승효과에 의해 콘크리트 기둥 단면이 팽창되는 압축파괴가 발생한다. 여기서 콘크리트 기둥에 단면의 팽창을 억제하는 횡방향 구속철근을 배근하면 콘크리트의 압축파괴를 지연시킬 수 있다.
외곽 기둥, 특히 모서리 기둥은 건물에 작용하는 전도모멘트에 따라 큰 변동축력을 받으며, 휨압축파괴가 발생한 이후에 축력을 유지할 수 없다. 일반적으로 기둥의 휨파괴는 기둥의 상단 및 하단에 발생하고, 콘크리트의 압축파괴를 동반하므로 전단압축파괴와 휨압축파괴를 구별하는 것은 어렵다.
그림 3.2.1c 교각의 변형, 휨모멘트 및 곡률 분포 — (a) 캔틸레버 거동 / (b) 라멘(골조) 거동
다음 사진은 100mm의 좁은 간격으로 띠철근이 배근된 기둥의 파괴를 보여준다. 띠철근이 가장 외부만 배근되어 있으므로 내부 콘크리트가 압축되어 밖으로 팽창할 때 이를 충분히 구속할 수 없었다.
그림 3.2.1d 고베 지진($M_w$ 6.9, 1995) 시 휨압축파괴된 기둥
그림 3.2.1e 라퀼라 지진($M_w$ 6.3, 2009) 시 기둥의 압축휨파괴 — (a) 띠철근 부족으로 인한 휨파괴 / (b) 축력과 휨모멘트에 의한 파괴
건물이 대변형 이후에 $P-\Delta$효과로 파괴되는 것은 매우 드물다. 이러한 파괴는 기둥부재가 가늘고 변형능력이 큰 기둥의 휨항복파괴인 경우에 발생한다. 다음 사진은 구조물에 큰 수평변형이 발생하여 기둥상부에서 기둥의 주근이 보-기둥 접합부에서 뽑혀서 발생한 파괴를 보여준다.
그림 3.2.1f 카이엔(Qayen) 지진($M_w$ 7.3, 1997, 이란) 시 큰 수평변형으로 기둥의 휨파괴가 발생되어 붕괴된 골조
3.2.2 기둥 전단파괴
전단파괴는 가장 취성적인 부재의 파괴이다. 철근콘크리트 기둥에 작용하는 전단응력은 45° 인장응력과 45° 압축응력으로 변환하여 나타낼 수 있다. 일단 전단균열이 발생하면 콘크리트는 인장응력에 저항하지 못하고 45° 사인장파괴가 발생한다.
그림 3.2.2a 전단응력에 의한 '사인장 균열(diagonal tension crack)'
부재축에 거의 45° 방향으로 발생하는 전단균열을 적어도 1개 이상의 전단보강철근이 가로지르도록 해야 한다. 큰 전단력을 받는 부재에서는 콘크리트가 부담하고 있는 인장력을 전단보강철근이 함께 부담하도록 해야하고, 큰 압축력을 받는 콘크리트를 구속하여 변형능력을 증가시키기 위하여 전단보강철근의 간격을 충분히 좁게 해야 한다.
그림 3.2.2b 전단균열과 전단철근
전단파괴는 '횡보강철근(transverse reinforcement)'(즉, 전단보강철근의 직경, 간격, 강도 등)이 부족하여 발생한다. 다음 사진은 전단보강철근의 직경이 작고 간격이 넓어 발생한 전단파괴를 보여준다.
그림 3.2.2c 루손(Luzon, 필리핀) 지진($M_w$ 7.7, 1990) 시 발생한 기둥의 전단파괴
그림 3.2.2d 멕시코시티 지진($M_w$ 8.0, 1985) 시 Lazaro Cardenas 학교 건물 기둥의 전단파괴
장방향 횡보강철근의 단부는 135° '갈고리(hook)'로 절곡하여 콘크리트 코아 내부에 정착되어야 한다. 다음 사진은 횡보강철근의 단부가 135° 갈고리로 절곡되지 않아, 전단보강철근에 작용하는 인장력에 의해 횡보강철근의 정착부분이 풀려 발생한 기둥의 전단파괴 사례이다.
그림 3.2.2e 고베 지진($M_w$ 6.9, 1995) 시 90° 절곡한 횡보강철근이 풀려서 발생한 기둥의 전단파괴
다음 그림은 지진 시 횡보강철근 절곡부의 파단을 나타낸다. 지진 시 횡보강철근의 절곡부에서는 소성변형이 발생하며, 파괴 전까지 소성변형을 견딜 수 있어야 한다.
그림 3.2.2f 고베 지진($M_w$ 6.9, 1995) 시 기둥 횡보강철근 절곡부의 파괴
다음 사진은 콘크리트 비구조벽이 기둥의 변형길이를 짧게 하여 발생한 단주효과에 의한 기둥의 전단파괴를 나타낸다.
그림 3.2.2g 미야기현 지진($M_s$ 7.7, 1978) 시 철근콘크리트 철도학원 건축물 기둥의 전단파괴
그림 3.2.2h 라퀼라 지진($M_w$ 6.3, 2009) 시 기둥의 전단파괴 — (a) 허리벽(partial infilling wall)에 의한 파괴 / (b) 계단의 높이 차이에 의한 단주 파괴
3.2.3 부착할렬파괴
이형철근의 인장은 '부착응력(附着應力; bond stress)'에 의해 철근 주변 콘크리트에 인장응력을 발생시킨다. 부재의 휨모멘트가 큰 경우 부재에 휨부착응력도 크게 발생한다. 다음과 같은 경우에 주철근을 따라 '할렬(割裂, splitting/cleavage)' 균열이 발생한다. 이러한 할렬균열에 의해 주철근 부착응력이 상실되어 기둥의 내력을 저하시켜 구조물의 붕괴에 이르는 경우도 있다.
1) 보 또는 기둥의 주철근이 밀실하게 배근된 전단철근으로 지지되지 않은 경우
2) 콘크리트 강도가 약한 경우
3) 고강도의 대구경 주철근을 사용하는 경우
4) 이형철근의 피복콘크리트 두께가 얇은 경우
그림 3.2.3a 철근과 부착응력
그림 3.2.3b 뽑힘부착파괴와 쪼깸부착파괴
다음 그림은 콘크리트의 강도가 낮고 골재의 품질불량으로 발생한 기둥의 주근을 따라 발생한 부착할렬파괴를 보여준다.
그림 3.2.3c 동해 중부 지진($M_w$ 7.8, 1983) 시 나미오카 병원(浪岡病院)에서 기둥 이형철근의 주근을 따라 발생한 부착할렬파괴
3.2.4 주철근 겹이음 파괴
공장에서 생산되어 건설현장까지 운반되는 철근의 길이에는 약 8m 정도이므로, 철근의 길이가 충분하지 않으면 현장에서 '철근이음(bar splice)'을 하여 사용한다. 이러한 이음은 철근의 인장응력이 작은 영역에서 하여야 한다. 그러나 시공 시 이해 부족으로 인장응력이 큰 부분에서 겹이음을 설치한 경우도 있다.
그림 3.2.4a 겹침이음 가능 위치 — (a) 보(중간모멘트골조 및 특수모멘트골조 제외) / (b) 기둥(중간모멘트골조 및 특수모멘트골조 제외)
다음 그림은 '용접이음(welded splice)'과 '겹침이음(lap splice)'의 파괴를 보여준다. 용접이음은 철근단부를 가스로 가열하여 녹여서 압접하는 것으로 시공관리가 나쁘면 지진 시 압접부에서 파단될 수 있다.
그림 3.2.4b 고베 지진($M_w$ 6.9, 1995) 시 발생한 철근의 용접이음 파단
그림 3.2.4c 루손(Luzon, 필리핀) 지진($M_w$ 7.7, 1990) 시 발생한 철근의 겹침이음 파단
3.2.5 정착 파괴
보 또는 기둥의 응력은 보-기둥 접합부에서 철근의 '정착(anchorage)'을 통해 전달된다.
그림 3.2.5a 보-기둥 접합부에서 인장철근의 정착길이 — (a) 인접보에 정착하는 경우 / (b) 단부기둥에 정착하는 경우
다음 그림은 다음 두 가지 이유로 발생한 파괴를 보여준다.
1) 횡보강철근으로 배근되지 않는 보-기둥 접합부의 경우, 주근의 정착부에서 주근을 따라 부착할렬파괴가 발생하여 외측의 콘크리트가 박리된다.
2) 보-기둥 접합부에 완전하게 정착되지 못한 주근은 접합부에서 빠질 수 있다. '정착길이(development length)'의 부족은 보의 인장철근이 보-기둥 접합부에 밖으로 정착되어 있지 않는 경우에 나타난다.
그림 3.2.5b 거더 접합부에 횡보강근이 배근되지 않았기에, 주철근을 따라 발생한 부착할렬균열로 인한 콘크리트의 박락
3.2.6 보-기둥 접합부 파괴
'보-기둥 접합부(beam-column joint/connection)'의 파괴형태는 1) J 파괴(joint failure), 2) BJ 파괴(beam-joint failure), 3) B 파괴(beam failure ~ 강기둥-약보)로 구분할 수 있다. 여기서 강기둥-약보로 거동하기 위해 보-기둥 접합부의 강성이 보와 기둥의 강성보다 커야 한다.
그림 3.2.6a 보-기둥 접합부 전단파괴 형태
그림 3.2.6b 3가지 접합부 전단파괴 형태 — (a) J1 / (b) BJ1 / (c) BJ2 / (d) BJ3 / (e) B1
그림 3.2.6c 보-기둥 접합부의 배근
그림 3.2.6d $\sum M_{nc} / \sum M_{nb}$에 따른 보-기둥 접합부 '강역(rigid zone)'의 모델링
보-기둥 내부접합부의 파괴에 의해 구조물의 붕괴는 나타나지 않는다. 그러나 보-기둥 외부접합부에서는 손상이 현저해져 콘크리트 기둥의 압축파괴에 의해 수직하중을 지지할 수 없게 되어, 보-기둥 외부접합부의 파괴로 건물이 붕괴되는 경우가 있다.
그림 3.2.6e 보-기둥 내부접합부와 외부접합부 — (a) 직교보를 갖는 내부접합부 / (b) 직교보가 없는 내부접합부 / (c) 직교보를 갖는 외부접합부 / (d) 직교보가 없는 외부접합부 / (e) 최상층 외부접합부
골조가 '강기둥-약보(strong column-weak beam, SC-WB)'로 설계되면, 보가 항복한 후, 보-기둥 접합부에 응력이 증가하여 보-기둥 접합부에서 경사균열(즉, 전단균열)이 발생한다. 이 전단균열에 의해 골조의 강성은 저하되고, 보단부에는 보의 주근이 보-기둥 접합부에서 빠지면서 휨균열이 발생한다.
그림 3.2.6f 이즈미트 지진($M_w$ 7.6, 1999) 시 보-기둥 접합부 J-파괴
다음 그림에 표시된 하부 접합부에서는 접합부 내에 띠철근이 사용되지 않고 보의 종방향 주철근은 접합부 내에서 이음되었다. 접합부의 성능저하가 발생하면 보 철근의 정착이 완전히 손실되고 보의 수직방향 하중저항능력이 온전하게 발휘되지 못한다.
상부 접합부에는 띠철근이 적절한 간격으로 사용되었기에, 이 건물에서 발견된 (띠철근이 사용된) 접합부의 손실은 이 곳뿐이었다.
접합부 근방에서 기둥의 대각균열이 관찰되었지만, 기둥 띠철근이 촘촘하게 사용되었기에 (기둥의 전단파괴가 아닌) 접합부의 파괴로 유도되었을 수도 있다.
그림 3.2.6g 이즈미트 지진($M_w$ 7.6, 1999) 시 보-기둥 접합부 J-파괴
3.2.7 PC와 PSC 부재 파괴
'프리캐스트(precast; PC) 콘크리트' 구조물의 지진피해의 사례은 적지만 프리캐스트 부재의 접합부(joint/connection)가 구조물의 약점이 되는 경우는 많다. 지금까지 강진지역에서 이러한 구조물의 내진성능에 대하여 충분한 배려하지 않고 프리캐스트 콘크리트 부재로 구성된 건축물을 건설하여 왔다. 1988년 아르메니아 지진에서는 내진안전성에 대한 검증이 수행되지 않은 기술을 사용함에 따라 프리캐스트 구조물에 큰 피해와 붕괴가 발생했다.
그림 3.2.7a 아르메니아 지진($M_w$ 6.8, 1988) 시 발생한 프리캐스트 콘크리트 건물의 붕괴 — (a) 건설중인 프리캐스트 건물의 붕괴 / (b) 현장치기 콘크리트 접합에 의한 벽식구조의 붕괴 / (c) 프리캐스트 콘크리트와 현장치기 조적벽 건물의 붕괴
1994년 노스리지 지진에서도 프리캐스트 콘크리트 구조물의 주차장 건물이 붕괴되었다. 수평저항요소의 부족에 의해 현장타설 표면콘크리트가 큰 응력을 받았다. 이 이외의 경우에도 기둥의 과대한 수평변형에 의해 기둥이 파손되고 건물 전체가 붕괴하였다. 만약 큰 변형이 발생한 경우라면 보가 지지대에서 탈락하는 경우도 있다. 예상되는 수평변형에 따른 접합부에 회전이 발생한 후에도, 보에 충분한 지지폭이 있다는 것을 확인하여야 한다.
그림 3.2.7b 노스리지 지진($M_w$ 6.7, 1994) 시 발생한 프리캐스트 콘크리트 주차건물의 붕괴
3.2.8 말뚝 파괴
기초는 건물에 작용하는 관성력을 견딜 수 있어야 한다. '말뚝(pile)' 상단에 작용하는 축력과 큰 휨모멘트의 조합에 의해 콘크리트 말뚝 기초의 압축파괴가 발생한다. 지진 후 이러한 기초 구조의 파괴를 발견하는 것은 어려우며, 기초 파괴의 결과로 발생하는 건물의 기울어짐으로 나타나는 경우가 많다.
그림 3.2.8a 말뚝 기초의 명칭 — (a) 깊은 기초의 말뚝 캡(pile cap) / (b) 말뚝 캡의 시공 전 말뚝 두부 커팅(pile head cutting)
그림 3.2.8b 지진 시 말뚝 기초의 거동과 말뚝의 휨모멘트
그림 3.2.8c 대형 지진 시 말뚝 기초의 파괴 — (a) 말뚝 두부와 말뚝 캡의 분리 / (b) 말뚝과 말뚝 캡의 연결부 파괴
그림 3.2.8d 고베 지진($M_w$ 6.9, 1995) 시 말뚝 파괴 — (a) 매립지에서의 말뚝 파괴 / (b) 액상화에 따른 측방 유동에 의한 말뚝 파괴
다음 사진은 2024년 노토반도 지진 시 와지마시 고시마야 빌딩(지상 7층, 지하 1층)의 붕괴 전후 사진이다. 와지마시의 연약지반이 건물 전도의 주요 원인 중의 하나로 추정된다. 각 기둥에 4~5개의 파일이 매입된 파일기초가 설치되었으나, 파일과 기초판과의 주두부 보강 불량으로 파일의 인발과 전단파괴, 지중보 파괴로 전도되었을 것으로 추정된다.
그림 3.2.8e 노토반도(能登半島) 지진($M_w$ 7.5, 2024) 시 말뚝 파괴