[논문]고층 철근콘크리트 건축구조모델의 지진응답에 대한 해석적 모사

이한선; 이정재; 정동욱

doi:10.5000/eesk.2008.12.5.001

고층 철근콘크리트 건축구조모델의 지진응답에 대한 해석적 모사
Analytical Simulation of the Seismic Response of a High-Rise RC Building Model 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.12 no.5 = no.63, 2008년, pp.1 - 10

이한선 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 이정재 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 정동욱 (고려대학교 건축사회환경공학과)

초록
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Taft N21E 지진파를 사용하여 1:12 축소된 모델로 여러번의 진동대 실험을 저층부 2개층에 비틀림과 연층을 가지는 17층 고층 철근콘크리트 건물에 대해 지진 거동을 조사하기 위해 수행했었다. 이 거동의 주요 특징은 (1) 연약 골조가 거대한 비탄성 변형을 받은 후 변형이나 비틀림에서 비틀림 모드까지 현저한 진동의 갑작스런 변화, (2) 이러한 모드 변화에 따른 비틀림 강성의 갑작스런 증가, (3) 비틀림 모드에서 월의 요곡(warping) 거동, 그리고 (4) 진동대 거동의 반대 방향에만 생기는 전도모멘트 양상을 보여주었다. 본 연구에서는 이러한 성과를 Perform3D라는 비선형 해석 프로그램을 사용하여 위 특성을 모사하기 위해 노력하였다. 이 소프트웨어에서 가용한 비선형 모델과 함께 그의 장점과 단점을 해석 및 실험 결과의 비교를 통해 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A series of shaking table tests were conducted on a 1:12 scale model using scaled Taft N21E earthquake records to investigate the seismic performance of a 17-story high-rise reinforced concrete building structure with a high degree of torsional eccentricity and soft-story irregularities in the bottom two stories. The main characteristics of the behaviors were: (1) a sudden change of the predominant vibration mode from the mode of translation and torsion to the torsional mode after the flexible side underwent a substantial inelastic deformation; (2) an abrupt increase in the torsional stiffness during this change of modes; (3) a warping behavior of the wall in the torsional mode; and (4) a unilateral overturning moment in the transverse direction to the table excitations. In this study, efforts were made to simulate the above characteristics using a nonlinear analysis program, Perform3D. The advantages and limitations are presented with the nonlinear models available in this software, as they are related to the correlation between analysis and test results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 따라 요구되는 성능 또는 취약 부위의 파악을 위해 비선형 해석을 수행하여야 할 경우가 많아지게 되었다. 따라서 본 연구의 목적은 기 수행한 진동대 실험 결과와 비선형 해석프로그램을 이용한 해석 결과를 비교함으로써 해석 프로그램의 신뢰성을 검토하는 것이다.
13초였다. 본 논문에서는 강진 지역에서의 설계지진으로 볼 수 있는 Taft080 지진파에 대한 실험과 해석결과를 주로 비교하였으며, 필요에 따라 Taft030 지진파에 대해서 언급하고자 한다.
본 논문의 목적은 성능 기반 내진 설계에 필수적으로 요구되고 있는 비선형 해석 프로그램의 신뢰성을 검증하는 것이다. 이러한 목적을 이루고자 기 수행되었던 1:12 축소 진동대 실험 결과에 비추어 비선형 해석 프로그램 Perform3D를 사용한 해석 결과를 비교 관찰하였다.

가설 설정

7. 밑면 전단력-비틀림 그래프는 붕괴에 이르는 진동 지배모드를 확인하는데 유용하다. 진동 지배 모드는 그래프에서 커브의 기울기를 관찰함으로써 알수있는데 병진-비틀림 조합 모드에서는 낮은 양의 기울기를 보여주다가 비틀림 모드에서 상당히 큰 음의 기울기로 전환하는 현상을 해석에서 잘 모사하였다.
먼저 우리나라에서 현재 건설되고 있는 주상복합 건물에 대한 사례를 조사하여 하부 골조는 양방향, 2층 2경간으로 구성되고 상부 벽식부분은, 15층으로 이루어진 건축물을 대상건물로 선정하였다. 이 대상 구조물이 한국의 일반적인 주상복합 건물이라 가정하였고, 건축물 하중 기준 및 해설(대한건축학회, 2000)⁽³⁾에 따라 설계하였으며 지진력은 등가횡력법에 따라 결정하였으며, 그 값은 아래와 같다.

제안 방법

본 해석에서는 끼움 판넬 요소를 해당 기둥 사이에 부가함으로써 벽체를 모델링하였다. 해당 모델이 그림 11에 나타나 있으며, 완전 탄소성 모델(Elastic Perfectly Plastic Model)을 사용하였으며, 벽체에 대한 강성은 기존 실험 연구결과⁽¹³⁾에 나타난 하중 변위관계로부터 구하였으며, 계산 결과 초기 탄성 강성은 40kN/mm이고, 항복 강도는 80kN, 최대 변형은 5mm로 정의하였다.
이 연구에 선행한 진동대 실험에서 골조의 경우 강성 저하 현상이 매우 뚜렷하였기 때문에 이 해석 연구에서는 이러한 현상을 모델하기 위해 해당 입력 자료를 표 7과 같이 주어서 해석을 수행하였다. 입력 수치에 대한 근거는 사실상 시행 및 오류에 의해 가장 실험 결과에 근접한 결과를 나타낸 것이며, 진동대 실험에 의한 실험 값은 콘크리트 고유특성의 강성 감소이므로 적용할 수 없었다.
본 논문의 목적은 성능 기반 내진 설계에 필수적으로 요구되고 있는 비선형 해석 프로그램의 신뢰성을 검증하는 것이다. 이러한 목적을 이루고자 기 수행되었던 1:12 축소 진동대 실험 결과에 비추어 비선형 해석 프로그램 Perform3D를 사용한 해석 결과를 비교 관찰하였다.
해석에 사용한 입력 지진의 총 시간은 78초이며, Taft030부터 Taft120까지 진동대 가속도 이력을 연속하여 해석을 수행하였다. 이전 지진파에 의한 관성 거동이 완전히 소멸된 후, 즉 정적상태에서 다음 지진파에 의한 거동이 일어나도록 해석을 수행하였다. 이렇게 함으로써 이전 해석에서 받은 손상이 그 다음 해석에서 고려되도록 하였다.
접합부와 관련해서는 단부 영역의 강성을 중앙 부위 강성의 10배로 모델하였다.
지진 해석 이전에 중력 하중에 대한 해석을 우선 수행하여 중력 하중의 영향이 고려되도록 하였다.
본 해석에서는 끼움 판넬 요소를 해당 기둥 사이에 부가함으로써 벽체를 모델링하였다. 해당 모델이 그림 11에 나타나 있으며, 완전 탄소성 모델(Elastic Perfectly Plastic Model)을 사용하였으며, 벽체에 대한 강성은 기존 실험 연구결과⁽¹³⁾에 나타난 하중 변위관계로부터 구하였으며, 계산 결과 초기 탄성 강성은 40kN/mm이고, 항복 강도는 80kN, 최대 변형은 5mm로 정의하였다.
해석에 사용한 입력 지진의 총 시간은 78초이며, Taft030부터 Taft120까지 진동대 가속도 이력을 연속하여 해석을 수행하였다. 이전 지진파에 의한 관성 거동이 완전히 소멸된 후, 즉 정적상태에서 다음 지진파에 의한 거동이 일어나도록 해석을 수행하였다.

대상 데이터

먼저 우리나라에서 현재 건설되고 있는 주상복합 건물에 대한 사례를 조사하여 하부 골조는 양방향, 2층 2경간으로 구성되고 상부 벽식부분은, 15층으로 이루어진 건축물을 대상건물로 선정하였다. 이 대상 구조물이 한국의 일반적인 주상복합 건물이라 가정하였고, 건축물 하중 기준 및 해설(대한건축학회, 2000)⁽³⁾에 따라 설계하였으며 지진력은 등가횡력법에 따라 결정하였으며, 그 값은 아래와 같다.
본 해석 모델에서는 Y, U, 및 X로 이루어진 3선 모델을 사용하였으며 L과 R은 적용하지 않았다. U,L,R은 때로는1, 2, 3으로 본 프로그램에서 정의되었다.
지진모의 실험에 사용된 지진파는 Taft N21E 성분이며, 입력지진파의 최대 가속도 크기는 해당 지진의 수준에 따라 달리 적용하여 회의 실험을 수행하였고 표3에 나타나있다. 시간축은 상사성의 원리⁽⁴⁾에 따라 #로 압축하였으며, 그림 3에는 첫번째 실험을 제외한 나머지 5개 실험에서 실제 진동대에서 계측된 가속도 시간이력을 보이고 있고, 이를 해석에도 동일하게 사용하였다.

성능/효과

1. 전체 구조물의 밑면 ,전단력 전도, 모멘트 그리고 비틀림 모멘트는 매우 유사하게 모사되었으나, 지진 가력 방향의 수직 방향 골조에 의한 비틀림은 실험에서는 전체 비틀림의 50~100%까지 기여하였지만 해석에서는 거의 무시할 만큼 작게 나타났다.
2. 강성 골조와 연약 골조의 밑면 전단력은 탄성 및 비탄성영역에서 해석시 신뢰성을 가지고 모사되었다. 대체적으로 강성 골조에서의 밑면전단력의 값은 실험값보다 해석값이 더 크게 나왔다.
3. 전체 구조물의 변형은 저층 골조에서 강성 및 연약 골조의 전단변형 ,전도 ,변형 그리고 비틀림 변형으로써 모사할 수 있었다. 해석은 전체 변형에 대해 실험 결과와 대체로 잘 일치하지만, 해석에서 변형의 양은 실험값보다 작은 경향을 보였다.
4. 실험에서 저층 연약 골조 상부에서의 밑면 전단력과 횡변위 사이의 이력 관계는 큰 비탄성 변형과 강성 저감 현상을 보여주었다. 이러한 현상을 해석이 적절하게 모사하고 있다.
5. 진동 지배 모드에 관계 없이 시간에 따른 강성 골조의 전단변형(θ_1,stiff은전도 변형)(θ²⁾과 같이 공조함을 보이고 연약 골조의 전단 변형,(θ_1,flex 은 비틀림 변형)(θ₃⁾과공조 현상을 보였다 지배 진동 모드는 전도 변형.(θ₂⁾과 비틀림 변형(θ₃⁾의 공조관계를 관찰함으로써 알수있으며, 해석에서는 강성골조의 전단 변형과 전도 변형의 관계와 연약 골조의 전단 변형과 비틀림 변형 사이의 관계뿐만아니라 지배모드의 변화도매우 잘 모사하고 있다.
6. 전체 응답에 걸쳐 지배되는 모드의 변화는 비틀림 강성의 변화를 야기하였다. 이러한 현상을 해석이 잘 모사하고있다.
8. 지진 가력 방향의 직각방향의 전도 모멘트는 실험에서 한쪽으로 치우치는 편향성을 보여주었지만, 해석에서는 이러한 편향성을 나타내지 못하고 있다.
실험에 의하면 연약 골조는 지진파의 세기가 커질수록 큰소성 변형을 겪은 후 강성이 저하되는 현상을 보여주고 있다. 해석 결과도 이러한 현상을 매우 잘 묘사하고 있다.
그림 23은 실험과 해석 결과 얻은 비틀림 모멘트와 비틀림 변형의 이력 상관도를 보여 주고 있다. 초기 및 후반부차 모드일 때의 강성에 비추어 중반부 23차 모드 즉 비틀림모드일 때의 강성이 배정도 증가하는 현상을 보여주고 있다.
전체 구조물의 변형은 저층 골조에서 강성 및 연약 골조의 전단변형 ,전도 ,변형 그리고 비틀림 변형으로써 모사할 수 있었다. 해석은 전체 변형에 대해 실험 결과와 대체로 잘 일치하지만, 해석에서 변형의 양은 실험값보다 작은 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진 공학의 발전에 의해, 성능 기반 설계가 정착 단계에 이르게 된 결과, 어떤 경우가 많아졌는가?	근래 세계적으로 지진 공학의 발전에 의해 성능 기반 설계가 정착 단계에 이르게 되었다. 이에 따라 요구되는 성능또는 취약 부위의 파악을 위해 비선형 해석을 수행하여야할경우가많아지게되었다. 따라서본연구의목적은기수행한 진동대 실험 결과와 비선형 해석프로그램을 이용한 해석 결과를 비교함으로써 해석 프로그램의 신뢰성을 검토하는 것이다.
	Perform3D란 무엇인가?	이러한 제반 기준 및 비선형 해석시의 지침에 대한 기술이 확립됨에 따라 실무자들의 비선형 해석 프로그램의 사용이 보다 빈번해지게 되었으며, 실제로 이러한 기준에 의해내진 보수보강이 이루어지게 되었다. 이에 부흥하여 일반에게 무상으로 사용이 허용되었던 기존의 Drain･2DX(10)와OPENSEES(11) 프로그램을 보다 더 FEMA 356 등 기준에적합한 해석 결과를 주도록 보완하고, 해석 데이터의 입력과 출력시 보다 사용자 친화적이 되도록 시각적인 효과를극대화한 상용 프로그램이 Perform3D이다.
	본 논문에서 Taft N21E 지진파를 사용하여 1:12 축소된 모델로 여러 번의 진동대 실험을 통해 알게 된, 저층부 2개층에 비틀림과 연층을 가지는 17층 고층 철근콘크리트 건물에 대해 지진 거동의 주요 특징은 무엇인가?	Taft N21E 지진파를 사용하여 1:12 축소된 모델로 여러번의 진동대 실험을 저층부 2개층에 비틀림과 연층을 가지는 17층 고층 철근콘크리트 건물에 대해 지진 거동을 조사하기 위해 수행했었다. 이 거동의 주요 특징은 (1) 연약 골조가 거대한 비탄성 변형을 받은 후 변형이나 비틀림에서 비틀림 모드까지 현저한 진동의 갑작스런 변화, (2) 이러한 모드 변화에 따른 비틀림 강성의 갑작스런 증가, (3) 비틀림 모드에서 월의 요곡(warping) 거동, 그리고 (4) 진동대 거동의 반대 방향에만 생기는 전도모멘트 양상을 보여주었다. 본 연구에서는 이러한 성과를 Perform3D라는 비선형 해석 프로그램을 사용하여 위 특성을 모사하기 위해 노력하였다.

참고문헌 (13)

Computer and Structures Inc. (CSI). Perform3D Nonlinear Analysis and Performance Assessment for 3D Structures. Computer and Structures Inc.: Berkeley, CA, 2006
Lee, Han-Seon and Ko, Dong-Woo, "Shaking table tests on a high-rise RC building model having torsional eccentricity in soft lower storeys," Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 35, 2006, pp. 1425-1451

상세보기
대한건축학회, "건축물하중기준및해설," 대한건축학회, 2000
Hosoya, H., "Shaking Table Tests of Three- Dimensional scale Models of Reinforced Concrete High-Rise Frame Structures with Wall Columns," ACI Structural Journal, Vol. 92, No. 6, 1995, pp. 765-780
이한선, 고동우, 권기혁, 김병현, "1/12축소 철근콘크리트 상부벽식-하부골조 건축물의 진동대 실험," 한국지진공학회 추계학술발표회 논문집, 제 5권 2호, 2001, pp. 407-414
Lee, Han-Seon and Ko, Dong-Woo, "Shaking Table Tests of a High RC Bearing-Wall Structrure with Bottom Piloti Stories," Journal of Asian Architecture and Building Engineering, Vol. 1 No. 1, 2002, pp. 47-54

상세보기
FEMA 356, Prestandard and commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, prepared by the American Society of Civil Engineers for the Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C.(FEMA Publication No. 356), 2000
ASCE/SEI 41, Seismic Rehabilitation of Existing Buildings, American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia, 2007
FEMA 440, Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis Procedure, Federal Emergency Management Agency, 2005
Prakash, V., Powell, G. H., and Campbell, S., DRAIN-2DX: Base Program. Description And User Guide. Version 1.10. University of California at Berkeley, 1993
McKenna, F. and Fenves, G. L., The OpenSees Command Language Manual, Version 1.2, Pacific Earthquake Engineering Center, U.C. Berkeley, 2001
Sherif El-Tawil, Gregory G. Deierlein, "Nonlinear Analysis of Mixed Steel-Concrete Frames. II: Implement and Verification," Journal of Structural Engineering, Vol. 127, No. 6, 2001, pp. 656-665

상세보기
Ilita, R. and Bertero, V. V., Effects of amount and arrangement of wall-pannel reinforcement on hysteretic behavior of rei- nforcement on hysteretic behavior of reinforced concrete, Earthquake Engineering Research Center Report No. UCB/EERC-80-04, Feb. 1980

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