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실측 및 해석모델에 의한 철근콘크리트조 주상복합건물의 모드특성
Modal Properties of a Tall Reinforced Concrete Building Based on the Field Measurement and Analytical Models 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.22 no.3, 2009년, pp.289 - 296  

김지영 ((주)대우건설 기술연구원) ,  김주연 ((주)대우건설 기술연구원) ,  김미진 (한양대학교 건축공학부) ,  유은종 (한양대학교 건축공학부) ,  김대영 ((주) 대우건설 기술연구원)

초록
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건축구조물고유진동수는 지진하중 혹은 풍하중의 크기를 결정하고 바람에 의한 진동을 예측하여 사용성조건을 검토하기 위해 반드시 필요하다. 본 논문에서는 철근콘크리트조 주상복합건물을 대상으로 현장계측을 통해 얻은 데이터와 시스템 식별기법을 사용하여 얻은 고유진동수와 모드형상을 해석모델에 의한 결과와 비교하였다. 해석모델은 실무에 일반적으로 사용되어지는 PC기반의 유한요소해석 프로그램을 사용하여 작성하였으며, 골조만을 모델링한 기본모델로부터 계측당시 구조물의 강성에 영향을 미칠 것으로 판단되는 요소들을 단계적으로 포함시켜 가면서 그 결과를 계측치에서 얻은 값과 비교하였다. 기본모델로부터 수정된 사항은 1) 콘크리트 배합강도를 고려한 탄성계수의 보정, 2) 바닥 슬래브의 휨강성, 3) 비구조벽이다. 이와 같은 요소를 모두 포함한 해석모델은 실제 계측치로부터 얻은 고유진동수, 모드형상과 가장 유사한 결과를 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Natural frequency is a key parameter to determine the seismic and wind loading of tall flexible structures, and to assess the wind-induced vibration for serviceability check. In this study, natural frequencies and associated mode shapes were obtained from measured acceleration data and system identi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 먼저 실무에서 흔히 이루어지고 있는 것과 같이 구조도면에 나타나있는 기본골조만을 모델링한 초기 해석모델을 작성하였다. 그러나 이 해석모델을 통해 구한 고유진동수는 계측치를 통해 구한 고유진동수와 상당한 차이를 보였으므로, 이러한 차이를 줄이기 위해 초기 해석모델에 전체강성에 영향을 줄만한 여러 요소들을 추가해 가면서 계측된 고유진동수와 최대한 가까운 고유진동수를 가지는 해석모델을 얻고자 하였다. 이때 층질량은 구조체의 자중 및 계측당시 설치된 마감재의 질량을 최대한 정확하게 산정하여 모델링에 반영하였고 모든 해석모델에서 동일하다.
  • 본 연구에서는 최근에 많이 건설되고 있는 철근 콘크리트조 주상복합건물을 대상으로 현장계측을 통해 얻은 데이터에 구조물식별기법을 적용하여 고유진동수를 분석하였다. 계측 당시 구조물의 조건을 고려하여 모델링방법 및 범위를 변화 시키면서 계측치와 유사한 고유진동수를 갖는 해석모델을 구하고 고차모드를 포함한 모드특성을 계측치에서 구한 값과 비교하였다.

가설 설정

  • 기본모델은 실무에서 지진하중에 대한 구조물 해석시와 같이 보, 기둥, 전단벽 등의 기본 골조만을 가지고 있으며 간막이벽같은 비구조부재가 횡강성에 영향을 주지 않는 것으로 가정하여 무시하였다. 건물의 질량은 층별로 집중되어 있다고 가정하였으며, 바닥 슬래브는 강막가정을 통해 한 층내 모든 절점의 횡방향 변위가 같다는 구속조건을 주었다. 이렇게 할 경우 면내방향으로는 강체와 같이 거동하지만 실제 바닥슬래브의 면외방향의 강성은 무시된다.
  • 기본모델은 실무에서 지진하중에 대한 구조물 해석시와 같이 보, 기둥, 전단벽 등의 기본 골조만을 가지고 있으며 간막이벽같은 비구조부재가 횡강성에 영향을 주지 않는 것으로 가정하여 무시하였다. 건물의 질량은 층별로 집중되어 있다고 가정하였으며, 바닥 슬래브는 강막가정을 통해 한 층내 모든 절점의 횡방향 변위가 같다는 구속조건을 주었다.
  • 부재의 휨강성은 콘크리트의 설계기준압축강도 fc′를 이용하여 ACI 식(ACI Committee 318, 2002)을 통해 구한 탄성계수(식 (1))와 부재에 균열이 없는 상태라고 가정한 비균열 단면 2차모멘트를 이용하여 구하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
건축구조물의 고유진동수는 왜 필요한가? 건축구조물의 고유진동수는 지진하중 혹은 풍하중의 크기를 결정하고 바람에 의한 진동을 예측하여 사용성조건을 검토하기 위해 반드시 필요하다. 본 논문에서는 철근콘크리트조 주상복합건물을 대상으로 현장계측을 통해 얻은 데이터와 시스템 식별기법을 사용하여 얻은 고유진동수와 모드형상을 해석모델에 의한 결과와 비교하였다.
고층건축물에서 중요한 것은? 구조물의 고유진동수는 구조물을 지진하중이나 풍하중과 같은 동적하중에 대하여 설계할 때 사용되는 중요한 특성치 중의 하나이다. 특히 고층건축물의 경우 풍하중에 의한 진동이 과다하지 않아야 한다는 사용성기준은 건물이 점차 세장해지고 고강도 재료의 사용에 의해 경량화됨에 따라 그 중요성이 점점 커지고 있다.2)구조부재의 강성과 질량의 배치가 결정되지 않은 초기 설계단계에서는 다수의 연구자들에 의해 실제건물에서 계측된 자료를 바탕으로 제안된 고유진동수 예측식을 사용하여 동적반응을 개략적으로 계산할 수 있으나 이들식은 건물의 높이만을 변수로 삼고 있는 경우가 많아 설계대상 구조물의 동적특성을 정확히 반영하고 있다고 볼 수 없다.
2~3차 모드까지의 고유진동수와 모드형상을 분석한 결과는? 기본 모델은 계측치와 비교할 때 최대 26%정도 고유진동를 낮게 평가하여 건물의 강성을 상당히 저평가하지만 탄성계수의 보정, 바닥슬래브의 휨강성고려, 비구조재의 고려함에 따라 점차 계측치와 유사한 고유진동수를 얻을 수 있었다. 강막가정 대신 바닥슬래브를 모델링하여 슬래브의 휨강성을 고려하였을 경우 고유진동수 증가가 가장 크게 나타났으며 특히 비틀림방향의 오차가 크게 개선되었다. 비구조벽을 고려할 경우 비구조재설치 방향의 고유진동수 오차가 크게 감소하여 각 방향의 고유진동수오차가 거의 같은 수준이 되었다. 또한 모드형상의 주변형방향도 계측치와 동일하게 변화하였다. 따라서 모드형상과 고유진동수를 포함하여 전체적으로 볼 때 최종단계의 해석모델은 계측당시 대상건물의 상태를 적절히 모델링하고 있는 것으로 판단된다.
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참고문헌 (19)

  1. 건축구조설계기준(Korean Building Code, KBC) (2005) 

  2. 김지영, 박재근, 김대영, 김상대 (2007) 풍응답을 이용한 구조물의 동특성 평가, 한국강구조학회 학술발표논문집, pp.125-128 

  3. 유은종, 김승남, 김지영, 김대영, 김유승, 장수혁 (2008) 초고층 주거복합 건물의 미진동 계측 및 구조물 식별, 한국지진공학회 춘계학술발표회 논문집, pp.371-378 

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  11. Eurocode ENV1991-2-4 (1994) EUROCODE 1:Basis of Design and Actions on Structures, Part 2.4: Wind Actions, CEN/TC 250/Sc1 

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  17. Su, R.K.L., Chandler, A.M., Sheikh, M.N., Lam, N.T.K. (2005) Influence of non-structural components on lateral stiffness of tall buildings, Structural Design of Tall and Special Buildings, 14(2), pp.143-164 

  18. Tamura, Y., Suda, K., Sasaki, A. (2000) Damping in buildings for wind resistant design, in:Proceedings of the International Symposium on Wind and Structures, Techno-Press, Korea, pp.115-130 

  19. Yu E, Taciroglu E, Wallace JW. (2007) Parameter identification of framed structures using an improved finite element model updating method-Part I: Formulation & validation, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 36, pp.619-639 

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