개구부 위치 및 면적에 따른 저형상비 RC 벽체의 지진취약도 분석
Seismic Fragility Analysis of Squat RC Walls with Opening Parameters
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초록
철근콘크리트(Reinforced Concrete, 이하 RC) 벽체는 높은 강성과 우수한 횡하중 저항능력으로 인해 저층은 물론 중/고층 건물에 이르기까지 폭넓게 사용되고 있다. RC 벽체의 파괴 메커니즘은 형상비에 따라서도 달라지지만 개구부의 영향에 의해서도 크게 좌우된다. ASCE 41-17에 따르면 형상비가 3 이상이면 휨지배, 1.5 이하이면 전단지배, 그 사이는 휨-전단지배로 구분하고 있다. 개구부가 형성되는 경우 벽기둥(Wall-Piers)과 벽보(Wall-Spandrels)의 형성으로 인해 응력 집중 및 강성과 강도의 저하가 일어나는 것으로 지진 피해사례 및 기존연구에서 밝혀진 바 있다. 이러한 파괴 메커니즘은 개구부 주변에서 전단파괴 형태로 나타나 이는 구조물의 연성 및 에너지 소산 능력을 저하시키고, 국부적인 붕괴로 이어질 수 있다. 그럼에도 불구하고 국내에서는 휨지배 또는 고형상비 벽체에 대한 연구가 주를 이루고 있으며, 저형상비 벽체 중에서도 전단 비탄성 거동을 보이는 구조물, 특히 개구부를 포함한 벽체에 대한 체계적인 해석과 검토는 아직 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 개구부를 가지는 저형상비 RC 벽체에 대하여 개구부의 위치 및 비율을 변수로 설정하고, 이에 따른 구조 응답 및 지진취약도를 평가하였다. 해석은 비탄성전단 벽체요소를 사용하여 증분동적해석을 통해 수행되었으며, 변수별 파괴 양상 및 취약 부재의 분포 특성을 고찰하고 변수별로 지진취약도를 분석함으로써 저층 구조물에 흔히 적용되는 RC 전단벽체의 실질적 내진성능 평가 및 성능기반 내진설계를 위한 기초자료를 제시하였다.
Abstract
Reinforced concrete (RC) walls are widely used in low-, mid-, and high-rise buildings due to their high stiffness and excellent lateral load resistance. The failure mechanism of RC shear walls is governed not only by their aspect ratio but also significantly influenced by the presence and configuration of openings. According to ASCE 41-17, walls with an aspect ratio greater than 3 are classified as flexure-controlled, those with a ratio less than 1.5 as shear-controlled, and those in between as flexure–shear controlled. When openings are introduced, wall-piers and wall-spandrels are formed, which cause stress concentrations and reduce both stiffness and strength. Previous earthquake damage reports and experimental studies have shown that these changes frequently result in shear failure mechanisms around openings, reducing the ductility and energy dissipation capacity of the structure and potentially leading to localized collapse. Despite this, most domestic studies in Korea have focused on flexure-controlled RC walls, while systematic studies of inelastic shear behavior in squat RC walls particularly those with openings remain insufficient. This lack of research presents limitations in assessing the realistic seismic performance of RC walls commonly applied in low-rise buildings. To address this gap, this study investigates the seismic response and fragility of squat RC walls with various opening locations and area ratios. Nonlinear time history analysis using inelastic shear wall elements was conducted, along with incremental dynamic analyses, to evaluate the damage distribution and failure patterns for each parameter. The results aim to provide essential data for performance-based seismic design and practical seismic assessment of RC wall systems in low-rise structures.