강한 지진에 대한 필로티형 고층 철근콘크리트 건물의 거동을 묘사하기 위한 해석기법의 개발과 성능평가를 위해, 상부벽식 하부 골조형식인 필로티형 건물에 대한 1/12축소 진동대 실험결과와 OpenSees를 이용하여 실험모델에 대한 비선형 시간이력해석을 수행한 결과를 비교하였다. 하부골조 형식은 모두 골조로 이루어진 형태(BF)와 전단벽이 한쪽 외부골조에 치우쳐 비틀림이 발생하는 형태(ESW)의 실험체에 대해 해석연구를 수행하였다. 철근과 콘크리트의 응력-변형률관계를 정의한 후 이를 단면에 이식시킨 섬유모델을 통해 비선형거동을 나타내도록 하였으며, 벽체는 MVLEM모델을 이용하였다. 해석결과 본 논문에서 제시한 비선형 모델은 필로티층의 거동(예를 들면 필로티층의 항복강도와 강성 상부구조물의 흔들림, 거동, 그리고 축력의 변화에 따른 축강성과 전단강성의 변화)을 비교적 정확하게 묘사하였다. 그러나 MVLEM으로 벽체의 비선형거동을 구성한 결과 거시거동은 실제 모델을 잘 따랐으나, 비틀림이 주된 진동주기일 때 발생하는 벽체 횡강성의 급격한 증가와 Warping현상으로 인해 코너기둥에 발생하는 과도한 인장력은 제대로 반영하지 못하였다. 비선형 해석으로 설계부재력을 구할 경우 실제보다 약 $20{\sim}30%$ 작게 나타났는데, 이는 실험과 해석방법의 차이때문에 발생한 것으로 보이며, 비선형 거동이 과도하게 발생한 수준의 지진에 대해서는 필로티형 건물의 거동특성을 충실히 나타내었다.
강한 지진에 대한 필로티형 고층 철근콘크리트 건물의 거동을 묘사하기 위한 해석기법의 개발과 성능평가를 위해, 상부벽식 하부 골조형식인 필로티형 건물에 대한 1/12축소 진동대 실험결과와 OpenSees를 이용하여 실험모델에 대한 비선형 시간이력해석을 수행한 결과를 비교하였다. 하부골조 형식은 모두 골조로 이루어진 형태(BF)와 전단벽이 한쪽 외부골조에 치우쳐 비틀림이 발생하는 형태(ESW)의 실험체에 대해 해석연구를 수행하였다. 철근과 콘크리트의 응력-변형률관계를 정의한 후 이를 단면에 이식시킨 섬유모델을 통해 비선형거동을 나타내도록 하였으며, 벽체는 MVLEM모델을 이용하였다. 해석결과 본 논문에서 제시한 비선형 모델은 필로티층의 거동(예를 들면 필로티층의 항복강도와 강성 상부구조물의 흔들림, 거동, 그리고 축력의 변화에 따른 축강성과 전단강성의 변화)을 비교적 정확하게 묘사하였다. 그러나 MVLEM으로 벽체의 비선형거동을 구성한 결과 거시거동은 실제 모델을 잘 따랐으나, 비틀림이 주된 진동주기일 때 발생하는 벽체 횡강성의 급격한 증가와 Warping현상으로 인해 코너기둥에 발생하는 과도한 인장력은 제대로 반영하지 못하였다. 비선형 해석으로 설계부재력을 구할 경우 실제보다 약 $20{\sim}30%$ 작게 나타났는데, 이는 실험과 해석방법의 차이때문에 발생한 것으로 보이며, 비선형 거동이 과도하게 발생한 수준의 지진에 대해서는 필로티형 건물의 거동특성을 충실히 나타내었다.
Two types of piloti-type high-rise RC building structures having irregularity in the lower two stories were selected as prototypes, and nonlinear time history analysis was performed using OpenSees to verify the analysis technique and to investigate the seismic capacity of those buildings. One of the...
Two types of piloti-type high-rise RC building structures having irregularity in the lower two stories were selected as prototypes, and nonlinear time history analysis was performed using OpenSees to verify the analysis technique and to investigate the seismic capacity of those buildings. One of the buildings studied had a symmetrical moment-resisting frame (BF), while the other had an infilled shear wall in only one of the exterior frames (ESW). A fiber model, consisting of concrete and reinforcing bar represented from the stress-strain relationship, was adapted and used to simulate the nonlinearity of members, and MVLEM (Multi Vertical Linear Element Model) was used to simulate the behavior of the wall. The analytical results simulate the behavior of piloti-type high-rise RC building structures well, including the stiffness and yield force of piloti stories, the rocking behavior of the upper structure and the variation of the axial stiffness of the column due to variation in loading condition. However, MVLEM has a limitation in simulating the abrupt increasing lateral stiffness of a wall, due to the torsional mode behavior of the building. The design force obtained from a nonlinear time history analysis was shown to be about $20{\sim}30%$ smaller than that obtained in the experiment. For this reason, further research is required to match the analytical results with real structures, in order to use nonlinear time history analysis in designing a piloti-type high-rise RC building.
Two types of piloti-type high-rise RC building structures having irregularity in the lower two stories were selected as prototypes, and nonlinear time history analysis was performed using OpenSees to verify the analysis technique and to investigate the seismic capacity of those buildings. One of the buildings studied had a symmetrical moment-resisting frame (BF), while the other had an infilled shear wall in only one of the exterior frames (ESW). A fiber model, consisting of concrete and reinforcing bar represented from the stress-strain relationship, was adapted and used to simulate the nonlinearity of members, and MVLEM (Multi Vertical Linear Element Model) was used to simulate the behavior of the wall. The analytical results simulate the behavior of piloti-type high-rise RC building structures well, including the stiffness and yield force of piloti stories, the rocking behavior of the upper structure and the variation of the axial stiffness of the column due to variation in loading condition. However, MVLEM has a limitation in simulating the abrupt increasing lateral stiffness of a wall, due to the torsional mode behavior of the building. The design force obtained from a nonlinear time history analysis was shown to be about $20{\sim}30%$ smaller than that obtained in the experiment. For this reason, further research is required to match the analytical results with real structures, in order to use nonlinear time history analysis in designing a piloti-type high-rise RC building.
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문제 정의
8g인 Taft080은 강진지역에서도 드물게 발생하는 지진수준에 해당한다. 본 연구에서는 비탄성거동이 뚜렷하게 나타나는 Taft080의 해석과 실험 결과를 위주로 정리하였다.
시간이력 해석의 특성상 어떤 지진파를 선택하였는가에 따라서도 차이가 발생하여 기준에서는 이와 같은 규정을 두고 있다. 본 연구에서는 해석모델이 실험결과 나타난 비선형 거동특성을 얼마나 정확히 묘사하는지 확인하기 위한 것이 목적이므로, TaftN21E파에 대한 해석결과와 실험결과 나타난 최대값을 비교함으로써 해석과 실험의 오차를 파악하였다. 표 1에서 BF와 ESW의 진동대 실험과 비선형 시간이력해석 결과 나타난 층변위와 밑면전단력의 최대값을 비교하였다.
를 이용하여 진동대 실험이 수행되었던 건물에 대한 비선형 시간이력해석을 수행한 후, 비선형 시간이력해석 결과와 진동대실험 결과를 비교하였다. 이 과정을 통해 필로티형 RC 건물의 비선형 해석모델의 수립방법을 검증하고, 이와 같은 해석모델의 한계와 문제점을 밝히고자 한다.
제안 방법
(1-4) 필로티형 건물을 선정하여 1/12축소 진동대 실험을 수행함으로써 지진발생 시 이와 같은 유형을 갖는 건물의 전체적인 거동특성과 중요부재의 거동특성을 파악하였으며, 비선형 정적해석 연구에서는 실험에서 나타난 전체적인 거동양상과 비선형 정적해석 결과를 비교함으로써 해석방법을 검증하고, 해석결과를 바탕으로 건물의 연성, 초과강도 및 파괴양상을 비교하였다. 지금까지 대부분의 기준 또는 지침에서는 탄성해석을 통하여 건물을 설계한 후 비선형 정적해석을 이용하여 설계된 건물의 성능을 평가하여왔다.
이 섬유모델을 통해 각 트러스의 축강성이(kn)이 정의되어 벽체의 축강성과 휨강성을 나타낸다. 그리고 벽체 중간높이에 벽체의 전단변형을 묘사하는 전단스프링(kh)을 두었는데, 이 강성은 기존 실험연구(13)에서 나타난 전단벽의 횡하중-전단변형의 관계로부터 벽체의 항복 전과 후의 전단강성, 그리고 전단연성을 추정하여 적용하였다. 이로부터 구한 전단스프링의 전단력-전단변형의 관계는 그림 3 (b)와 같다.
그림 2에 나타난 콘크리트와 철근의 물성을 섬유모델에 적용함으로써 비선형 거동을 묘사하도록 하였다. 기둥부재의 경우 1개층 기둥을 비선형섬유가 이식된 5개의 비선형 요소로 모델링 하였으며, 보부재는 양단에 비선형거동을 묘사하는 섬유모델을 적용하였다.
그림 2에 나타난 콘크리트와 철근의 물성을 섬유모델에 적용함으로써 비선형 거동을 묘사하도록 하였다. 기둥부재의 경우 1개층 기둥을 비선형섬유가 이식된 5개의 비선형 요소로 모델링 하였으며, 보부재는 양단에 비선형거동을 묘사하는 섬유모델을 적용하였다. 특히, 기둥의 경우 구속효과를 나타내기 위하여 기둥 코어부분에 대해서는 Paulay와 Priestley가 제안한 방법(11)에 따라 구속된 콘크리트의 응력-변형률관계로 정의된 콘크리트 요소를 섬유모델에 적용하였다.
따라서, 본 연구에서는 OpenSees(7)를 이용하여 진동대 실험이 수행되었던 건물에 대한 비선형 시간이력해석을 수행한 후, 비선형 시간이력해석 결과와 진동대실험 결과를 비교하였다. 이 과정을 통해 필로티형 RC 건물의 비선형 해석모델의 수립방법을 검증하고, 이와 같은 해석모델의 한계와 문제점을 밝히고자 한다.
이미 수행된 1/12축소 진동대 실험결과와 OpenSees를 이용하여 비선형 시간이력해석 결과를 비교함으로써, 해석 모델 수립방법의 적절성과 설계에 적용했을 때 발생할 수 있는 문제점에 대해 정리하여 내린 결론은 다음과 같다.
96kN/m2를 적용하였다. 지진하중에 대해서는 우리나라의 하중기준에 따라 아래와 같이 등가정적해석법에 의한 밑면전단력을 구하여 해석을 수행하고, 이때 우발편심은 5%를 적용하였다.
대상건물에 대해 MIDAS GEN(9)을 사용하여 해석을 수행하고, 우리나라 하중기준(10)에 따라 설계 하였다. 하부골조의 보와 기둥은 보요소를, 상부벽 부분은 벽요소를 사용하였으며, 부재의 단면특성은 전단면을 무균열 상태의 단면으로 보고 프로그램에서 자체적으로 계산된 값을 사용하였다. 고정하중은 대상건물의 골조에 대한 자중만 적용하고, 활하중은 1.
이로부터 구한 전단스프링의 전단력-전단변형의 관계는 그림 3 (b)와 같다. 해석에서 발생할지 모르는 오류와 해석시간을 줄이기 위하여 하부골조 부분은 상세히 모델링한 반면, 상부 벽체 부분을 나타내는 부분은 하부골조부분보다 강성이 10배 큰 강체 골조로 모델링하였다. 보와 기둥이 만나는 접합부의 경우도, 상세하게 해석모델을 수립할 경우, 오히려 해석상 오류가 발생할 것으로 예상되어 보-기둥 접합부는 강체로 해석모델을 수립하였다.
대상 데이터
해석에서 사용한 지진파는 실험에서 사용한 것과 동일한 TaftN21E파로서 최대지반 가속도를 0.11g부터 시작하여 0.22g, 0.3g, 0.4g, 0.6g, 0.8g로 서서히 증가시키면서 진동대 실험을 수행하였다. 실험체의 무게를 요구중량의 1/2로 줄였기 때문에 상사성의 원리에 따라 최대가속도가 0.
현재 우리나라에서 건설되고 있는 주상복합 건물에 대한 사례를 조사한 후(8), 하부골조는 양방향 2층 2경간으로 구성되고 상부 벽식부분은 15층으로 이루어진 건축물을 대상 건물로 선정하였다. 대상건물에 대해 MIDAS GEN(9)을 사용하여 해석을 수행하고, 우리나라 하중기준(10)에 따라 설계 하였다.
데이터처리
본 연구에서는 해석모델이 실험결과 나타난 비선형 거동특성을 얼마나 정확히 묘사하는지 확인하기 위한 것이 목적이므로, TaftN21E파에 대한 해석결과와 실험결과 나타난 최대값을 비교함으로써 해석과 실험의 오차를 파악하였다. 표 1에서 BF와 ESW의 진동대 실험과 비선형 시간이력해석 결과 나타난 층변위와 밑면전단력의 최대값을 비교하였다.
이론/모형
, 하부골조는 양방향 2층 2경간으로 구성되고 상부 벽식부분은 15층으로 이루어진 건축물을 대상 건물로 선정하였다. 대상건물에 대해 MIDAS GEN(9)을 사용하여 해석을 수행하고, 우리나라 하중기준(10)에 따라 설계 하였다. 하부골조의 보와 기둥은 보요소를, 상부벽 부분은 벽요소를 사용하였으며, 부재의 단면특성은 전단면을 무균열 상태의 단면으로 보고 프로그램에서 자체적으로 계산된 값을 사용하였다.
6배 크게 조정하였다. 벽체는 최근 벽체의 이력모델로 많이 제안되고 있는 MVLEM(Multiple Vertical Line Element)(12)을 적용하였다. MVLEM에서 벽체를 이루는 각각의 수직 트러스 요소는 그림 3 (a)에서 보듯이 벽체의 각 부분을 철근과 비구속콘크리트로 이루어진 섬유모델로 이루어진다.
048이다. 비선형 시간이력해석을 수행하기 위한 프로그램으로는 비선형 정적 해석을 수행한 프로그램과 동일한 OpenSees(7)를 사용하였다.
기둥부재의 경우 1개층 기둥을 비선형섬유가 이식된 5개의 비선형 요소로 모델링 하였으며, 보부재는 양단에 비선형거동을 묘사하는 섬유모델을 적용하였다. 특히, 기둥의 경우 구속효과를 나타내기 위하여 기둥 코어부분에 대해서는 Paulay와 Priestley가 제안한 방법(11)에 따라 구속된 콘크리트의 응력-변형률관계로 정의된 콘크리트 요소를 섬유모델에 적용하였다. 단, BF의 경우 진동대 실험 이전에 갑작스런 진동대의 오작동으로 인해 실험체에 손상이 가해져서 Taft030 직전에 측정한 고유주기에 근접하도록 철근의 탄성계수를 1/2로 낮추고, 최대 응력 시점과 파괴 시점에서 콘크리트의 변형률을 각각 1.
성능/효과
그런데 해석결과는 강한골조의 코너기둥의 경우 압축방향일때 하중이 크게 나타나는 편향현상은 발생하였으나 실험에서와 같이 인장력만 발생하는 것은 아니었다. 그리고 내부 골조의 두 기둥과 코너기둥의 축력도 압축력은 해석결과가 실험결과를 충실히 따랐으나, 인장력을 모사하는데 있어 해석결과가 실험결과보다 작은 경향을 띠어, 해석결과를 바탕으로 설계할 경우 연약골조 코너기둥의 인장력을 과소평가 할 수 있음을 알 수 있다.
실험에서는 탄성거동을 하는 Taft030에서도 직각 방향 전도모멘트는 (+)방향으로 일방향성을 나타내었는데, 비선형 해석에서도 일방향성 거동을 하였다. 단, 실험에서는 (+)방향 전도모멘트가 발생하는 3.05초에서 전도모멘트가 가장 큰 것으로 나타났으나, 해석에서 나타난 전도모멘트는 거의 무시할 정도였다. 그러나 (-)방향에 대해서는 실험과 해석결과가 거의 비슷하였다.
또한, 대상건물의 경우, 고층건물이기는 하지만 하부층의 강성이 상부층보다 크게 떨어지므로, 각방향으로 1차모드가 거의 지배할 것으로 예상되었다. 따라서, 구조물의 시간이력해석 시 큰 영향을 미치는 감쇠율은 통상 비선형거동을 하는 철근콘크리트 건물에 적용하는 것과 동일하게 모든 진동모드에 대해 5%를 적용 하였다.
보와 기둥이 만나는 접합부의 경우도, 상세하게 해석모델을 수립할 경우, 오히려 해석상 오류가 발생할 것으로 예상되어 보-기둥 접합부는 강체로 해석모델을 수립하였다. 또한, 대상건물의 경우, 고층건물이기는 하지만 하부층의 강성이 상부층보다 크게 떨어지므로, 각방향으로 1차모드가 거의 지배할 것으로 예상되었다. 따라서, 구조물의 시간이력해석 시 큰 영향을 미치는 감쇠율은 통상 비선형거동을 하는 철근콘크리트 건물에 적용하는 것과 동일하게 모든 진동모드에 대해 5%를 적용 하였다.
그 외에도 강한 지진 시 구조물에서 발생하는 흔들림거동도 비선형 해석에서는 정확하게 묘사하였다. 벽체의 경우 MVLEM을 채택하였는데, 휨과 축력에 대한 비선형거동을 묘사하는 트러스 요소를 비선형 섬유모델로 모델링한 결과 전체적인 거동은 비교적 실험결과와 유사하게 나타났다. 그러나 비틀림 비정형인 건물에서 구조물이 손상을 입음에 따라 구조물의 지배 진동주기가 비틀림 모드로 변하는데 이때 발생하는 벽체의 복곡률거동이라든가 Warping현상에 의해 코너기둥에 발생하는 큰 인장력 등은 제대로 묘사하지 못하였다.
그림 12는 ESW의 해석과 실험결과 나타난 ESW의 전도 변형각과 2층벽체 바닥의 회전각의 시간이력을 비교하고 있다. 실험결과는 전도변형각과 벽체 2층바닥의 회전각이 건물을 지배하는 진동모드가 병진-비틀림 연계모드일 때는 동일한 위상을 보이다가 비틀림모드가 지배하는 진동모드에서는 반대의 위상을 나타내었다. 반면, 해석결과는 실험에서와 같은 진동모드의 변화에 따른 벽체 거동의 변화를 찾을 수 없었다.
그림 9는 ESW에서 Taft080에 대한 실험과 해석결과 나타난 각 기둥의 축력의 시간이력을 비교하고 있다. 실험에서 나타난 축력반응의 특징은 비틀림거동에 의한 Warping 현상과 지진에 직각방향으로 작용하는 전도모멘트로 인해 연약골조의 코너기둥에서 큰 인장력이 발생하고, 강한골조의 독립된 기둥에서는 지속적으로 압축력만 발생하였다. 그런데 해석결과는 강한골조의 코너기둥의 경우 압축방향일때 하중이 크게 나타나는 편향현상은 발생하였으나 실험에서와 같이 인장력만 발생하는 것은 아니었다.
진동대 실험결과가 실제구조물 거동을 나타내는 것이라고 가정한다면, 비선형 시간이력해석결과 나타난 결과는 실제 구조물의 거동의 약 70~80% 정도의 값으로 나타났다. 이와 같은 오차는 실험체는 실험의 경우 약한 지진부터 중간 지진 강한 지진을 거치는 동안 어느 정도 손상이 발생한 상태인 반면, 해석은 강한 지진만 작용하였기 때문인 것으로 보인다.
그림 10은 Taft080에 대한 해석결과 나타난 지붕과 전이보층에서 비틀림변형각의 시간이력을 실험결과와 비교한 그림이다. 해석결과 (-)방향 비틀림 변형각은 비교적 정확하게 묘사하고 있으나, (+)방향 비틀림 변형각은 전체적인 경향은 충실히 따르지만 최대값은 실험결과의 80% 수준으로 나타났다.
그림 6 (a)와 (b)는 각각 Taft080에 대한 BF와 ESW의 전이보층변위와 밑면전단력의 상관관계이다. 해석결과 밑면 전단력과 전이보층변위 각각의 최대값은 실험결과와 다소 차이가 발생하지만, 강성은 거의 일치하였다. BF의 경우, (+)방향에 대해서는 항복 후 거동도 해석에서는 거의 유사 하게 반영되었으나, (-)방향의 큰 지진하중에 대해 강성이 증가하는 현상을 묘사하지 못하였다.
후속연구
이와 같은 오차는 실험체는 실험의 경우 약한 지진부터 중간 지진 강한 지진을 거치는 동안 어느 정도 손상이 발생한 상태인 반면, 해석은 강한 지진만 작용하였기 때문인 것으로 보인다. 전세계적으로 비선형 시간이력해석이 건물의 설계에 도입되는 추세임을 감안할 때, 비선형 시간이력해석을 검증하고, 실제 거동과 최대한 비슷한 결과가 나오도록 하기 위한 노력이 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하부골조 형식은 어떤 실험체에 대해 해석연구를 수행하였는가?
강한 지진에 대한 필로티형 고층 철근콘크리트 건물의 거동을 묘사하기 위한 해석기법의 개발과 성능평가를 위해, 상부벽식 하부 골조형식인 필로티형 건물에 대한 1/12축소 진동대 실험결과와 OpenSees를 이용하여 실험모델에 대한 비선형 시간이력해석을 수행한 결과를 비교하였다. 하부골조 형식은 모두 골조로 이루어진 형태(BF)와 전단벽이 한쪽 외부골조에 치우쳐 비틀림이 발생하는 형태(ESW)의 실험체에 대해 해석연구를 수행하였다. 철근과 콘크리트의 응력-변형률관계를 정의한 후 이를 단면에 이식시킨 섬유모델을 통해 비선형거동을 나타내도록 하였으며, 벽체는 MVLEM모델을 이용하였다.
보와 기둥을 사용한 골조형식을 가진 건물은 어떤 문제가 있는가?
이와 같은 요구사항을 만족시키기 위해 저층부의 구조형식은 보와 기둥을 사용한 골조형식으로서, 주거용도로 활용하기 위한 내력벽 형식의 상층부와는 다른 구조시스템을 적용하고 있다. 이러한 구조형식을 가진 건물은 대체로 상층부 벽이 하층부에서 중단되면서 저층부에 연층(Soft Story)과 약층(Weak Story)을 가지는 수직 비정형에 해당하며, 하층부의 벽배치가 비대칭인 경우 큰 비틀림을 받게 된다.
실험에서 축력반응의 특징은 어떻게 나타났는가?
그림 9는 ESW에서 Taft080에 대한 실험과 해석결과 나타난 각 기둥의 축력의 시간이력을 비교하고 있다. 실험에서 나타난 축력반응의 특징은 비틀림거동에 의한 Warping 현상과 지진에 직각방향으로 작용하는 전도모멘트로 인해 연약골조의 코너기둥에서 큰 인장력이 발생하고, 강한골조의 독립된 기둥에서는 지속적으로 압축력만 발생하였다. 그런데 해석결과는 강한골조의 코너기둥의 경우 압축방향일때 하중이 크게 나타나는 편향현상은 발생하였으나 실험에서와 같이 인장력만 발생하는 것은 아니었다.
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