[논문]비틀림 비정형 건물의 내진설계를 위한 우발편심 비틀림 증폭계수 검증

이광호; 정성훈

doi:10.5000/eesk.2010.14.6.067

비틀림 비정형 건물의 내진설계를 위한 우발편심 비틀림 증폭계수 검증
Verification of the Torsional Amplification Factor for the Seismic Design of Torsionally Imbalanced Buildings 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.14 no.6 = no.76, 2010년, pp.67 - 74

초록
AI-Helper

건물의 실제 편심은 일반적으로 계산된 값과 상당히 다르며, 정형 건물도 비틀림의 영향을 받는다. 질량분포의 비대칭성과 수직축에 대한 지반의 회전요소와 같은 요인들의 영향을 고려하고, 비틀림 비정형 건물의 취약성을 줄이기 위하여 내진설계규준에서는 우발편심과 비틀림 증폭계수를 도입하였다. 본 연구에서는 정형건물의 다양한 형상비와 평면중심으로부터의 부재위치에 따른 비틀림 증폭계수의 영향 및 이 계수에 영향을 미치는 요인을 확인하였고 보통암 지반에 위치한 다양한 편심과 형상비를 갖는 비선형 철근콘크리트 단층모델을 이용하여 비틀림 증폭계수를 검증하였다. 비선형 정적해석과 시간이력해석을 이용하여 구한 연약단부의 최대 정적변위와 동적변위는 비교적 일치하였으나 최대 정적비틀림과 동적비틀림의 차이는 편심크기가 작을수록 크게 나타났다. 1차 설계편심에 비틀림 증폭계수 적용유.무에 따라 연약단부 부재의 밑면전단력 증가가 미비하여 최대 정적변위의 증가비가 크지 않다.

Abstract ▼ AI-Helper

Because of the difference between the actual and computed eccentricity of buildings, symmetrical buildings will be affected by torsion. In provisions, accidental eccentricity is intended to cover the effect of several factors, such as unfavorable distributions of dead- and live-load masses and the rotational component of ground motion about a vertical axis. The torsional amplification factor is introduced to reduce the vulnerability of torsionally imbalanced buildings. The effect of the torsional amplification factor is observed for a symmetric rectangular building with various aspect ratios, where the seismic-force-resisting elements are positioned at a variable distance from the geometrical center in each direction. For verifying the torsional amplification factor in provisions, nonlinear reinforced concrete models with various eccentricities and aspect ratios are used in rock. The difference between the maximum displacements of the flexible edge obtained between using nonlinear static and time-history analysis is very small but the difference between the maximum torsional angles is large.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

은 많이 진행되어 왔으며 비틀림 증폭계수 검증에 대한 연구는 거의 없다. 본 연구에서는 비틀림 비정형 건물의 비틀림 증폭계수를 검증하는 것을 목표로 한다.

가설 설정

표 3과 같이 예제 건물들은 보통암지반에 위치하고 있으며 내진설계범주 “C”로 분류되었다고 가정하였다.

제안 방법

예제 건물의 질량은 평면에 균일하게 분포되어 있으며 질량중심(Center of Mass, CM)은 평면 중심에 위치하고 있다. 각 건물의 평면상 편심이 전체 길이의 0%, 10%, 20%에 해당하도록 기둥의 크기와 철근량을 변화시켜 강성중심(Center of Rigidity, CR) 위치를 조절하였으며, 건물의 2차원적인 주기와 강도는 변함이 없도록 하였다. 그림 5로부터 예제 건물의 편심크기는 다르더라도 건물의 2차원 능력곡선은 서로 일치함을 확인할 수 있다.
그림 6과 같이 총 8가지의 하중경우에 대하여 예제 건물들의 질량중심에서의 변위가 목표변위와 일치할 때 양단부의 정적변위를 구하였다. 각 하중단계에서의 양단부의 정적변위를 이용하여 총 8개의 비틀림 증폭계수를 구하였으며, 8개의 값 가운데 최대값을 최대 비틀림 증폭계수(Max. A_x)로 결정하였다. 예제 건물들에 1차 설계편심 적용시 연약단부의 변형이 증가하며 2차 설계편심을 적용하면 강측단부의 변형이 커진다.
예제 건물들의 비선형 동적해석으로 구한 질량중심의 최대변위를 정적해석의 목표변위(Target Displacement)로 정의하였다. 그림 6과 같이 총 8가지의 하중경우에 대하여 예제 건물들의 질량중심에서의 변위가 목표변위와 일치할 때 양단부의 정적변위를 구하였다. 각 하중단계에서의 양단부의 정적변위를 이용하여 총 8개의 비틀림 증폭계수를 구하였으며, 8개의 값 가운데 최대값을 최대 비틀림 증폭계수(Max.
비틀림 증폭계수를 검증하기 위하여 다양한 형상비 및 편 심의 크기를 가지는 단층건물에 대하여 비선형 정적해석 및 동적해석을 수행하였다. 표 3과 같이 예제 건물들은 보통암지반에 위치하고 있으며 내진설계범주 “C”로 분류되었다고 가정하였다.
정형건물의 형상비와 평면중심으로부터의 횡하중 저항부재 위치가 비틀림 증폭계수에 미치는 영향을 검증하기 위하여 shear-beam모델을 이용하여 정적 탄성해석이 수행되었다. 예제 건물들의 비선형 정적해석 및 동적해석이 수행되었다. 형상비와 편심비가 정규화된 최대응답 변위와 최대응답 비틀림에 주는 영향을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이 사용되었다. 이 프로그램은 fiber 모델을 이용하여 소성 거동의 부재 길이방향으로의 진행과 3차원 상호작용(M-M-N Interaction)을 정밀하게 예측할 수 있다. 따라서 면외거동을 보이는 비정형 평면을 가진 골조 건물 해석에 적합하다.

대상 데이터

^(4),(22) 유연한 격막⁽²²⁾이란 최대 격막변형이 수직부재 평균변형의 2배 이상인 경우이다. 국내의 내진설계규준⁽⁴⁾에서 정의하는 평면 비정형 유형은 총 5가지(비틀림 비정형, 요철형 평면, 격막의 불연속, 면외 어긋남, 비평행 시스템)이며 본 연구의 대상은 비틀림 비정형이다. 비틀림 비정형은 그림 1에서 보듯이 어떤 축에 직교하는 구조물의 한 단부에서 우발편심을 고려한 최대 층변위가 양단부 층변위 평균값의 1.
본 연구의 범위는 내진설계범주가 “C” 또는 “D”로 분류되고 보통암 지반에 위치하고 있는 단층 철근 콘크리트 건물로 제한된다.
다양한 형상비 및 평면중심으로부터의 횡하중 저항부재 위치(여기서는 α로 정의)에 따른 비틀림 증폭계수의 영향을 관찰하기 위하여 Shear-beam 모델을 이용하여 정적･탄성해석을 수행하였다. 본 예제모델은 단층 정형건물이며 질량중심은 평면의 중심에 위치하고 있다. 그림 3에서 알 수 있듯이 α가 0.
예제 건물들은 2×2베이(형상비 1)와 2×4베이(형상비 2) 철근 콘크리트 골조로 구성된 단층 건물들이다.
예제 건물은 일방향 비대칭 건물이므로 4방향(D1~D4)의 지진파가 사용되어 예제건물에 적용된 인공 지진파의 갯수는 총 20개(5set×4방향)이다.

이론/모형

다양한 형상비 및 평면중심으로부터의 횡하중 저항부재 위치(여기서는 α로 정의)에 따른 비틀림 증폭계수의 영향을 관찰하기 위하여 Shear-beam 모델을 이용하여 정적･탄성해석을 수행하였다.
예제 건물의 해석을 위하여 비선형 유한요소 해석 프로그램인 ZEUS-NL⁽²⁸⁾이 사용되었다. 이 프로그램은 fiber 모델을 이용하여 소성 거동의 부재 길이방향으로의 진행과 3차원 상호작용(M-M-N Interaction)을 정밀하게 예측할 수 있다.
정형건물의 형상비와 평면중심으로부터의 횡하중 저항부재 위치가 비틀림 증폭계수에 미치는 영향을 검증하기 위하여 shear-beam모델을 이용하여 정적 탄성해석이 수행되었다. 예제 건물들의 비선형 정적해석 및 동적해석이 수행되었다.

성능/효과

1. 예제 건물들의 연약단부에서의 정규화된 최대응답 변위를 비교한 결과 예제 건물들의 최대 정적변위와 동적변위가 비교적 일치하는 것으로 확인하였다. 이는 편심비가 20%로 상당히 큰 예제 건물에서도 마찬가지로 관찰되었다.
2. 최대응답 비틀림은 형상비 및 편심비에 관계없이 동적해석일 때 더 크게 나타났다. 이는 비선형 정적해석의 경우 목표변위에 도달할 때 양단부의 변위는 최대값이고 같은 방향이지만 동적해석의 경우 양단부 변위의 방향이 서로 반대가 되거나 연약단부의 변위가 최대값일 때 강측단부의 변위는 최대값이 되지 않는 경우가 많기 때문이다.
3. 1차 설계편심에 비틀림 증폭계수 적용 시 목표변위에서의 밑면전단력이 감소하였다. 이는 1차 설계편심에 비틀림 증폭계수 적용 시 강측단부의 밑면전단력의 감소폭은 크고 연약단부의 증가폭은 작기 때문이다.
은 내진규준에 명시되어 있는 우발비틀림모멘트(Accidental Torsion)의 타당성을 연구하였다. 강성 불확실성에 의한 구조물 변형의 증가는 규준에서 명시하고 있는 5%의 우발편심보다 작으며^(12),(13), 기초의 회전에 의한 우발비틀림모멘트는 비정형 건물보다 정형 건물이 크다는 결론을 도출하였다.^(12),(14) 건물의 동적해석과 정적해석의 차이를 보완하기 위하여 정적편심에 따른 증폭 계수(Magnification Factor)는 1969년에 최초로 정의되었다.
비틀림 증폭계수를 적용한 예제 건물의 목표변위에서의 밑면전단력은 이 계수를 적용하지 않은 예제 건물의 밑면전단력보다 작은 것을 확인하였다. 비틀림 증폭계수를 1차 설계편심에 적용시 강측단부 밑면전단력의 감소폭은 크고 연약단부 밑면전단력의 증가폭은 작아 연약단부의 최대 정적 변위의 차이는 크지 않다.
이는 비선형 정적해석 결과와 일치하는 경향을 보여주고 있다. 최대응답 비틀림은 편심비가 증가할수록 증가하였으나 형상비에 큰 영향을 받지 않는 것을 관찰되었다. 이는 형상비 2인 건물이 1인 건물보다 비틀림모멘트가 크다고 하더라도 비틀림 강성 또한 크기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우발편심이 발생하는 요인은?	구조물의 완벽한 대칭은 이상적이며 현실의 모든 구조물에는 크고 작은 편심이 존재한다. 대칭으로 설계된 구조물에서도 건설단계와 하중 분포의 현실적인 불완전성과 지반운동의 회전요소로 인해서 우발편심이 존재하는 것이 일반적인 가정이다. 따라서 지진동 발생시 비정형 건물들은 일반적으로 횡방향 거동뿐만 아니라 비틀림 거동을 경험하게 된다.
	지진동 발생시 비정형 건물에서 비틀림 거동이 발생하는 이유는?	따라서 지진동 발생시 비정형 건물들은 일반적으로 횡방향 거동뿐만 아니라 비틀림 거동을 경험하게 된다. 이러한 비틀림 거동의 주요한 원인은 비대칭적 질량 분포 또는 평면상 횡하중에 저항하는 부재의 비대칭성 때문이다. 횡하중에 저항하는 부재의 저항능력 손실 또는 부재의 비탄성 거동으로 인하여 비틀림 거동이 발생하기도 한다. 내진설계규준(1-4)에서 정의하는 설계편심은 정적편심(Static Eccentricity, es)과 우발편심(Accidental Eccentricity, ea)으로 구성되어지며 그 예로서 건축구조설계기준(KBC 2009)(4)에서 정의하는 설계편심은 식 (1)과 같다.
	정적편심이란?	내진설계규준(1-4)에서 정의하는 설계편심은 정적편심(Static Eccentricity, es)과 우발편심(Accidental Eccentricity, ea)으로 구성되어지며 그 예로서 건축구조설계기준(KBC 2009)(4)에서 정의하는 설계편심은 식 (1)과 같다. 정적편심은 강성중심(Center of Rigidity)과 질량중심(Center of Mass) 사이의 거리이다. 우발편심은 기준에서 명확하게 고려되지 않은 요인들의 영향을 보완하기 위하여 도입되었고 일반적으로 지진력 작용방향에 직각인 평면치수의 5 퍼센트에 해당하는 거리이다.

참고문헌 (29)

Federal Emergency Management Agency, NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures : Part 2 Commentary, Report FEMA 303, Washington D.C., 98, 1997.
British Standards Institution, Eurocode 8 : Design of Structures for Earthquake Resistance-Park 1: General rules, seismic actions and rules for buildings, EN 1998-1:2004, BSI, London, 54, 2004.
대한건축학회, 건축구조설계기준 및 해설, 대한건축학회, 121, 2006.
대한건축학회, 건축구조설계기준, 대한건축학회, 106, 2009.
Structural Engineers Association of California, Recommended lateral force requirements and commentary, San Francisco, 15; 38; 68-69, 1967.
Newmark, N. M., "Torsion in symmetrical buildings," Proceeding of fourth world conference on earthquake engineering, Santiago, Chile, A3-19-A3-32, 1969.
International conference of Building Officials, Uniform Building Code 1697 Edition, Pasadena, p124, 1967.
Newmark, N. M., and Rosenblueth, E., Fundamental of earthquake engineering, Prentice-Hall, 495, 1971
Duan, X. N., and Chandler, A. M., "Torsional coupling effects in the inelastic seismic response of structures in Europe," Proceedings of 9th european conference earthquake engineering, Moscow, I, 162-171, 1990.
Tso, W. K., and Ying, H., "Additional seismic inelastic deformation caused by structural asymmetry," Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 19, No. 2, 243-258, 1990.

상세보기
Chandler, A. M., and Duan, X. N., "Evaluation of factors influencing the inelastic seismic performance of torsionally asymmetric buildings," Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 20, No. 8, 87-95, 1991.

상세보기
De la Llera, J. C., and Chopra, A. K., Accidental and natural torsion in earthquake response and design of buildings, Report No. UCB/EERC-94/07, Earthquake engineering research center, University of California at Berkeley, 21; 63, 1994.
De la Llera, J. C., and Chopra, A. K., "Accidental torsion in buildings due to stiffness uncertainty," Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 23, No. 2, 117-136, 1994.

상세보기
De la Llera, J. C., and Chopra, A. K., "Accidental torsion in buildings due to base rotational excitation," Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 23, No. 9, 1003-1021, 1994.

상세보기
Rosenblueth, E., and Elorduy, J., "Response of linear systems to certain transient disturbances," Proceeding of fourth world conference on earthquake engineering, Santiago, Chile, A1-185-A1-196, 1969.
Tso, W. K., and Dempsey, K. M., "Seismic torsion provision for dynamic eccentricity," Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 8, No. 3, 275-289, 1980.

상세보기
Dempsey, K. M., and Tso, W. K., "An alternative path to seismic torsional provision," Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 1, No. 1, 3-10, 1982.
Chandler, A. M., and Hutchinson, G. L., "Evaluation of code torsional provisions by a time history approach," Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 15, No. 4, 491-516, 1987.

상세보기
Stefano, M. D., and Rutenberg, A., "A comparison of the present SEAOC/UBC torsional provisions with the old ones," Engineering Structures, Vol. 19, No. 8, 655-664, 1997.

상세보기
Structural Engineers Association of California, Recommended lateral force requirements and commentary, San Francisco, 13; 112; 121, 1999.
Federal Emergency Management Agency, NEHRP recommended Seismic provisions for new buildings and other structures, Report FEMA P-750, Washington D.C., 130, 2009.
ASCE/SEI 7-05, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers, 214; 130, 2006.
Federal Emergency Management Agency, NEHRP guidelines for the seismic rehabilitation of buildings, Report FEMA 273, Washington D.C., 3-2, 1997.
Federal Emergency Management Agency, Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings, Report FEMA 356, Washington D.C., 3-3, 2000.
Federal Emergency Management Agency, NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures, Report FEMA 302, Washington D.C., 66, 1997.
Federal Emergency Management Agency, NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures, Report FEMA 368, Washington D.C., 76, 2000.
Federal Emergency Management Agency, NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures, Report FEMA 450, Washington D.C., 90, 2003.
Elnashai AS, Papanikolaou, V. and Lee, D.H., ZEUS-NL User Manual, University of Illinois at Urbana-Champaign /Mid-America Earthquake Center, 2002.
Federal Emergency Management Agency, NEHRP recommended provisions : Design examples, Report FEMA 451, Washington D.C., 3-22, 2006.

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