[논문]붕괴스펙트럼을 활용한 용접철골모멘트골조의 비선형 동적 연쇄붕괴 근사해석

이철호; 김선웅; 이경구; 한규홍

붕괴스펙트럼을 활용한 용접철골모멘트골조의 비선형 동적 연쇄붕괴 근사해석
Simplified Nonlinear Dynamic Progressive Collapse Analysis of Welded Steel Moment Frames Using Collapse Spectrum 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.21 no.3 = no.100, 2009년, pp.267 - 275

이철호 (서울대학교 건축학과) , 김선웅 (서울대학교 건축학과) , 이경구 (서울대학교 건축학과) , 한규홍 (서울대학교 건축학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 기둥이 손실된 철골모멘트골조의 2경간 보의 동적거동 특성을 고찰하고 철골모멘트골조의 연쇄붕괴 예비평가를 위한 비선형 동적 근사해석법을 제안하였다. 기둥이 손실된 2경간 부분골조 모델의 동적거동의 분석을 통하여, 2경간 보의 중력하중과 보스팬-대-보춤 비가 최대 동적 변형요구의 지배적인 요소임을 확인하였다. 이를 토대로 2경간 보의 중력하중 변수와 최대 현회전각과의 관계를 기술하는 붕괴스펙트럼 개념을 새로이 제안하고 이의 활용법을 예시하였다. 3차원 비선형 동적 유한요소해석결과와 비교하여, 본 연구에서 제안한 방안이 용접 철골모멘트골조의 비선형 연쇄붕괴거동을 신속히 평가하는데 정확하면서도 매우 효율적임을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the behavior of column-removed double-span beams in welded steel moment frames and proposes a simplified nonlinear dynamic analysis method for the preliminary evaluation of progressive collapse potential. The nonlinear finite element analysis and the associated analytical study showed that the column gravity load and the beam span-to-depth ratio govern the maximum dynamic deformation demand of the double-span beams. Based on these results, the concept of a collapse spectrum, which describes the relationship between the gravity load parameter and the maximum chord rotation of the double-span beams, was newly proposed. A procedure for the application of the collapse spectrum to multi-story welded steel moment frames was then suggested. The inelastic dynamic finite element analysis results showed that the proposed method gives satisfactory prediction of the nonlinear progressive collapse behavior of welded steel moment frames.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 절에서는 그림 1에서와 같이 중력하중을 받고 있는 철골 모멘트 골조의 내부기등이 손실된 경우 구조물의 연쇄 붕괴 거동을 파악하기 위하여. 우선 기등이 손실된 2경간 부분골조를 기본모델로 정하고 거동과 관련된 주요변수를 살펴보고자 한다.
이 절에서는 기등이 손실된 2경간 보를 유효질량(M3과 수직 변위(u)만을 가진 단자유도계로 단순화하여 동적거동을 살펴보고자 한다. 2경간 보의 단자유도계의 운동방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

가설 설정

기둥제거 시나리오를 따라서 그림 10과 같이 건물 외곽부 1층 내부기둥 하나가 손실된 것으로 가정하였다 중력 하중은 고정하중의 100%와 적재하중의 25%를 고려하여 산정하였다(GSA, 2003). Case A의 경우 모든 층에서 적재하중은 2.
1 절의 두 개의 골조에 대한 비선형 동적 연쇄붕괴 유한요소해석을 수행하였다 (그림 11 참조). 모든 기등과 보 모델링에 4절점의 쉘요소 (S4R)를 적용하였고, ASTM A992 강재로 가정하였다. 재료 물성은 3.
(a) 와 (b)에 각각 나타내었다. 모든 보와 기등은 ASTM A992 강재(항복강도 Fy= 384.7 MPa)로 가정하였다. Khandelwal과 El-Tawil(200的은 수치해석을 통하여 연쇄 붕괴 시에 직각방향 보의 효과가 작음을 밝힌바 있다.
연구의 주안점이 보의 휨거동과 현 수작용을 파악하기 위한 것이므로, 부분골조모델의 소성변형을 보에 국한하기 위해서 기둥 및 패널존의 강성고! 강도를 충분히 크게 입력하였다. 보의 강종은 ASTM A992로 가정하고. 탄성계수 E= 2.

제안 방법

(2) 비선형 동적 유한요소해석결과를 바탕으로 2경간 보의 중력 하중 비와 최대 현회전각의 관계를 규명하는 붕괴스펙트럼 개념을 새로이 제안하였다.
(a) 참조). 2단계 해석에서는 급작한기둥손설을 모사하기 위하여 기둥반력이 급작히(suddenly) 제거되는 조건의 비선형 동적 시간이력해석을 수행하였다(그림 8, (b) 참조). 2.
기둥이 손실된 2경간 보의 동적거동을 정확히 묘사하기 위하여 2단계해석을 수행하였다. 1단계 해석에서는 기둥 손실 이전의 상태를 모사하기 위하여 중앙기둥 상단과 하단에 각각 중력하중과 기둥반력을 동시에 작용시키고.
1 절에 기술한 내용과 동일하다. 기등의 분담면적에 상응하는 중력하중과 2.2절에서 정의한 유효질량을 각 기둥에 작용한 후 3.1 절에 기술된 2단계 해석을 수행하였다.
기등이 손실된 2경간 보의 동적 응답을 얻기 위하여 비선형 동적 유한요소해석을 수행하였다. 그림 8에서와 같이 2 경간 부분골조를 모델링하고, 표 1에 정리된 9개의 다른 단면을 갖는 H형강 보를 대상으로 L/Di 각각 10.
바닥 슬래브 및 인접골조가 제공하는 수평방향의 횡구속효과를 반영하기 위해서 2경간보 외측 기등의 양단부를 인위적으로 구속하였다. 모델의 질량은 2.2절에서 정의한 유효질량(곧 기등의 분담면적에 속하는 질량)을 적용하였다. 본 연구의 유한요소 모델링기법으 타당성은 중앙부 집중하중을 받는 단순보의 기존실험결고와 비교를 통해 검증된 바 있다(이철호 등, 2007).
4 MPa를 사용하였다(Iwankw 등, 2002). 바닥 슬래브 및 인접골조가 제공하는 수평방향의 횡구속효과를 반영하기 위해서 2경간보 외측 기등의 양단부를 인위적으로 구속하였다. 모델의 질량은 2.
본 연구에서 제안한 붕괴스펙트럼을 활용한 비선형 동적 연쇄 붕괴 해석절차1, 다음의 두 가지 철골모멘트골조를 사례로 醐 예시하고 龍의 타당성을 입증하迎 한다.
그러나 실무차원에서 구조기 술자들이 완전한 비선형 동적 해석을 수행하는 것은 아직 용이한 작업이 아니다. 본 연구에서는 현 수작용과 동적 하중저항 메커니즘을 반영하면서 실무적 간편성을 지닌 붕괴스펙트럼 (collapse spectrum)을 새롭게 개발하고 이의 활용방안을 제시한 후 방안의 타당성을 입증하였다.
파악하기 위하여. 우선 기등이 손실된 2경간 부분골조를 기본모델로 정하고 거동과 관련된 주요변수를 살펴보고자 한다.

대상 데이터

7 MPa. 그리고 인장강도 E, = 505.4 MPa를 사용하였다(Iwankw 등, 2002). 바닥 슬래브 및 인접골조가 제공하는 수평방향의 횡구속효과를 반영하기 위해서 2경간보 외측 기등의 양단부를 인위적으로 구속하였다.

데이터처리

본 연구에서 제안한 방안의 타당성을 살펴보기 위하여, ABAQUS(HKS. 2006)를 사용하여 4.1 절의 두 개의 골조에 대한 비선형 동적 연쇄붕괴 유한요소해석을 수행하였다 (그림 11 참조). 모든 기등과 보 모델링에 4절점의 쉘요소 (S4R)를 적용하였고, ASTM A992 강재로 가정하였다.

이론/모형

유한요소해석을 수행하기 위해서 범용 프로그램인 ABAQUS (HKS, 2006)를 사용하였고, 유한요소로 4절점의 쉘요소S4R) 를 적용하였다. 연구의 주안점이 보의 휨거동과 현 수작용을 파악하기 위한 것이므로, 부분골조모델의 소성변형을 보에 국한하기 위해서 기둥 및 패널존의 강성고! 강도를 충분히 크게 입력하였다.
일시진동의 최대응답에 미치는 감쇠의 영향은 미미하므로 해석과정에서 감쇠 효과 틀 고려하지 않았다. 해석알고리즘으로 Newmark법 (Newmark. 1959)보다 안정성과 정확도가 향상된 HHT (Hilber Huges-Taylor) Implicit 적분법 (Hilberg 1977)을사용하였다

성능/효과

(1) 기등이 손실된 철골모멘트골조의 2경간 보의 동적 거동의 특성을 고려하고 운동방정식의 단순화를 통해서, 2 경간 보의 동적거동의 지배적인 요소는 중력하중 비 (Po/Pp) 및 보스팬-대-보춤 비 Q/D)임을 확인하였다.
(3) 붕괴스펙트럼을 이용한 다층 철골모멘트골조의 동적 연쇄 붕괴 근사해석법을 제시하고 비선영 동적 유한요소해석 결과와의 비교를 통해서 제안한 방안의 타당성을 검증하였다.
비교결과를 살펴보면, 3층 철골모멘트골조(Case A)의 경우에는 붕괴스펙트럼을 활용한 근사해석 결과가 비선형 동적 유한요소해석결과와 매우 잘 일치함을 알 수 있다. 9층 철골모멘트골조(Case B)의 경우에는 약간의 오차가 있지만 본 연구에서 제안한 방안의 간편성을 고려한다면 전체적으로 만족스러운 결과라고 판단된다.

후속연구

(4) 본 연구의 방법에 의해 예측된 최대현회전각은 설계 가이드라인의 접합부 회전능력의 한계값과 즉시 비교 가능하므로 연쇄붕괴저항능력의 예비평가에 유용하게 활용될 수 있다.
(5) 아울러 본 연구의 방안은 좀 더 정확한 그러나 막대한 계산 노력이 수반되는 해석(가령 완전한 비선형 동적 유한요소해석)의 필요성 유무를 판단하는 예비해석으로도 유용하다.
본 연구에서 제시한 붕괴스펙트럼은 다층 철골 모멘트 골조의 연쇄 붕괴 근사해석에 활용될 수 있다. 그 이유는 기등이 손실된 다층골조 2경간 보의 상층부에 위치한 중앙기등이 제공하는 수직방향의 운동구속(vertical kinematic restraint) 효과가 존재하기 때문이다.

참고문헌 (18)

이철호, 김선웅(2007) 철골모멘트골조이 비선형 정적 연쇄붕괴 근사해석, 한국강구조학회 논문집, 한국강구조학회, 제19권, 제4호, pp. 383 -393
American Institute of Steel Construction (AISC)(2004) Facts for Steel Buildings: Blast and Progressive Collapse, AISC
American Institute of Steel Construction(2004) Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, Draft of ANSI/AISC 341-05
Department of Defense(2005) Design of Buildings to Resist Progressive Collapse, Unified Facilities Criteria (UFC) 4-023-03, approved for public release, distribution unlimited
General Services Administration(2003) Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Projects, Washington, D.C
Guo, W. and Gilsanz, R.(2003) Simple Nonlinear Static Analysis Procedure for Progressive Collapse Evaluation, Proceedings of Blast and Progressive Collapse Symposium, AISC, pp. 97-106
Gupta, A., and Krawinkler, H.(1999) Seismic Demands for Performance Evaluation of Steel Moment Resisting Frame Structures, John A. Blume Earthquake Engrg, Ctr, Report No. 132, Dept. of Civ. Engrg., Stanford University, Stanford, Calif
Hamburger, R.O. and Whittaker, A.S.(2004) Design of Steel Structures for Blast-Related Progressive Collapse Resistance, March 2004, Modern Steel Construction, pp. 45-51
Hilber, H.M., Hughes, T.J.R., and Taylor, R.L.(1977) Improved Numerical Dissipation for Time Integration Algorithms in Structural Dynamics, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 5, pp. 283-292

상세보기
HKS(2006) ABAQUS/Standard User's Manual version 6.6, Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc., Pawtucket, Rhode Island
Iwankiw, N. and Zoruba, S.(2002) Steel Moment Frames: Resolution of Recent Seismic Detailing and Material Shape Issues, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 58, No. 5, pp. 495-510

상세보기
Khandelwal, K. and El-Tawil, S.(2007) Collapse Behavior of Steel Special Moment Resisting Frame Connections, Journal of Structural Engineering, Vol. 133, No. 5, pp. 646-655

상세보기
Longinow, A. and Alfawakhiri, F.(2003) Blast Resistant Design with Structural Steel, Modern Steel Construction, pp. 61-66
Marjanishvili, S.(2004) Progressive Analysis Procedure for Porgressivfe Collapse, Journal of Performance of Constructed Facilities, ASCE, pp. 79-85
Marjanishvili, S. and Agnew, E.(2006) Comparison of Various Procedures for Progressive Collapse Analysis, Journal of Performance of Constructed Facilities, ASCE, pp. 365-374

상세보기
Newmark, N.M.(1959) A Method of Computation for Structural Dynamics, Journal of the Engineerin Mechanics, pp. 67-94
Powell, G.(2003) Collapse Analysis Made Easy (More or Less), Proceedings of Los Angeles Tall Buildings Structural Design Council Annual Meeting, Los Angeles, USA
Powell, G.(2005) Progressive Collapse: Case Studies using Nonlinear Analysis, Proceedings of the 2005 ASCE Structures Congress, ASCE, New York, USA

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증