지진 하중을 받는 평면 비정형 건물의 편심과 손상도의 상관관계에 대한 연구 A Study on the Relationship between the Eccentricity and the Level of Damage in the Seismic Response of Buildings with Plan Irregularities원문보기
비정형 평면을 가진 건물의 추가적인 손상의 원인이 되는 비틀림과 비정형성의 척도인 편심과의 관계에 대한 많은 연구들이 진행되어 왔으나 손상도와 편심의 직접적인 관계에 대한 연구는 수행된 적이 거의 없다. 본 연구에서는 비정형 평면을 가진 건물의 복잡한 지진 응답에 적용할 수 있는 3차원 손상도 계수를 이용하여 건물의 손상도와 편심에 대한 정량적인 관계를 분석하였다. 이를 통해 건물의 편심이 커지면 최대변위는 줄어들지만 비틀림 거동이 증가하여, 손상의 집중으로 인해 전반적인 손상도 계수가 증가함이 관찰되었다. 또한, 2차원 주기가 비슷한 경우에는, 건물의 길이가 최대변위와 최대 비틀림에 미치는 영향이 작으며 이로 인해 전체 손상도 계수에도 그 영향이 미미한 것으로 관찰되었다. 해석 결과를 바탕으로 중약진 지역에서 편심의 크기가 10%, 20%, 30%인 단층 건물은 편심이 없는 건물에 비해서 각각 평균 3~5%, 13~18%, 33~47% 정도의 손상도 증가가 있을 것으로 분석하였다. 이와 같은 편심-손상도 관계는비정형 평면을 가진 건물의 내진 설계에 있어서 기본 구조 계획 수립과 내진 성능 평가에 유용한 자료가 될 것으로 생각된다.
비정형 평면을 가진 건물의 추가적인 손상의 원인이 되는 비틀림과 비정형성의 척도인 편심과의 관계에 대한 많은 연구들이 진행되어 왔으나 손상도와 편심의 직접적인 관계에 대한 연구는 수행된 적이 거의 없다. 본 연구에서는 비정형 평면을 가진 건물의 복잡한 지진 응답에 적용할 수 있는 3차원 손상도 계수를 이용하여 건물의 손상도와 편심에 대한 정량적인 관계를 분석하였다. 이를 통해 건물의 편심이 커지면 최대변위는 줄어들지만 비틀림 거동이 증가하여, 손상의 집중으로 인해 전반적인 손상도 계수가 증가함이 관찰되었다. 또한, 2차원 주기가 비슷한 경우에는, 건물의 길이가 최대변위와 최대 비틀림에 미치는 영향이 작으며 이로 인해 전체 손상도 계수에도 그 영향이 미미한 것으로 관찰되었다. 해석 결과를 바탕으로 중약진 지역에서 편심의 크기가 10%, 20%, 30%인 단층 건물은 편심이 없는 건물에 비해서 각각 평균 3~5%, 13~18%, 33~47% 정도의 손상도 증가가 있을 것으로 분석하였다. 이와 같은 편심-손상도 관계는비정형 평면을 가진 건물의 내진 설계에 있어서 기본 구조 계획 수립과 내진 성능 평가에 유용한 자료가 될 것으로 생각된다.
Most previous research on the seismic response of structures with plan irregularities have focused on the relationship between the eccentricity and the amount of torsion. This approach cannot provide the direct relationship between the irregularity and the damage. Therefore, an investigation on the ...
Most previous research on the seismic response of structures with plan irregularities have focused on the relationship between the eccentricity and the amount of torsion. This approach cannot provide the direct relationship between the irregularity and the damage. Therefore, an investigation on the relationship between the eccentricities of buildings with plan irregularities and the damage index was performed. Inelastic dynamic time-history analyses were performed on one-story buildings with various eccentricities. For the damage assessment, a 3D damage index was adopted to reflect the effect of the bi-directional response and torsion. Based on the analysis results, buildings with eccentricities of 10%, 20% and 30% will suffer 3~5%, 13~18%, and 33~47% more damage than their regular counterparts, respectively.
Most previous research on the seismic response of structures with plan irregularities have focused on the relationship between the eccentricity and the amount of torsion. This approach cannot provide the direct relationship between the irregularity and the damage. Therefore, an investigation on the relationship between the eccentricities of buildings with plan irregularities and the damage index was performed. Inelastic dynamic time-history analyses were performed on one-story buildings with various eccentricities. For the damage assessment, a 3D damage index was adopted to reflect the effect of the bi-directional response and torsion. Based on the analysis results, buildings with eccentricities of 10%, 20% and 30% will suffer 3~5%, 13~18%, and 33~47% more damage than their regular counterparts, respectively.
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문제 정의
이 논문에서는 비정형 평면을 가진 건물의 복잡한 지진응답에 적용할 수 있는 3차원 손상도 계수를 이용하여 건물의 손상도와 편심에 대한 정량적인 관계를 분석하는 것을 연구의 목표로 한다.
지진발생 후 현장 탐사와 여러 연구자들의 분석을 통해서 비정형 평면을 가진 건물이 정형 건물에 비해서 지진에 의한 피해를 더 많이 입는다는 것이 알려져 왔다. 이러한 현상을 정량적으로 분석하기 위해서 본 논문에서는 양방향 거동과 비틀림의 영향을 동시에 반영할 수 있는 3차원 손상도계수를 사용하여 다양한 크기의 편심을 가진 건물의 손상도를 분석하였다.
가설 설정
(b) Case B : 영향면적 (A1)은 두 가지 경우 (Case A와Case C)사이에서 보간법으로 결정되어진다. A1의 값은해당 평면골조의 손상도에 따라 분포면적 (A1,min ; CaseA)과 붕괴면적 (A1,max ; Case C)사이의 값으로 정해지며 다음과 같이 표현된다.
비정형 평면을 가진 건물의 3차원 지진 응답을 바탕으로손상도를 분석하고 편심과의 관계를 조사하기 위하여 비선형 동적 시간이력 해석이 수행되었다. 각 건물에 15개의 지진파 (표 2)를 적용하였으며, 예제 건물의 편심이 정의되는 방향에 직각인 Y방향 (그림 5)을 지진파의 진행 방향으로 가정하였다.
이를 고려하기 위하여 이 연구에서는 3차원 건물을 골조선을 따라 평면적으로 분해하여 손상도 분석을 수행하는 방법을 적용하였다. 건물의 횡저항 구조요소의 기본 단위를 평면 골조로 가정하여, 그림 1과 같이 전체 구조물을 분해하였다. 여기서, 평면 골조 분해는 원래 구조물을 물리적으로 분리하는 것이 아니라 손상도 측정을 위한 기초 관찰 범위를 횡저항 요소의 기본 단위인 평면 골조로 한정하는 방법이다.
는 각각 분포면적과 붕괴면적이다. 붕괴에 이르는 최대 손상도 계수 Dmax는 1.0이며, 경미한 손상수준은Dm=0으로 가정한다.
제안 방법
예제 구조물들의 질량은 평면에 균일하게 분포되어 있어서 질량 중심은 평면의 중심에 위치하고 있다. 각 건물의 평면상 편심이 전체 넓이의 0% (대칭), 10%, 20%, 30%에 해당하도록 기둥의 크기와 철근량을 변화시켜 강성 중심의 위치를 조절하였다. 이때 건물의 2차원적인 주기와 강도에는 변함이 없도록 하였는데, 그림 6으로부터 예제 건물들의 편심 크기가 달라도 건물의 2차원 능력곡선이 서로 일치함을확인할 수 있다.
비정형 평면을 가진 건물의 3차원 지진 응답을 바탕으로손상도를 분석하고 편심과의 관계를 조사하기 위하여 비선형 동적 시간이력 해석이 수행되었다. 각 건물에 15개의 지진파 (표 2)를 적용하였으며, 예제 건물의 편심이 정의되는 방향에 직각인 Y방향 (그림 5)을 지진파의 진행 방향으로 가정하였다.
이 논문의 2절에서 설명된 절차를 예제 건물들의 비선형동적 해석 결과에 적용하여 3차원 손상도 계수를 산정하였다. 각 예제 건물의 연약단부의 손상도 및 전체 손상도의 평균값을 편심과 지진동의 크기에 대해 정리한 결과가 그림10과 그림 11에 각각 나타나 있다.
이 사용되었다. 이 프로그램은 fiber 모델을 이용하여 소성 거동의 부재 길이 방향으로의 진행과 3차원 상호작용 (M-M-N Interaction)을 정밀하게 예측할 수있다. 따라서 면외 거동을 보이는 비정형 평면을 가진 골조건물의 해석에 적합하다.
비틀림의 영향으로 인하여 부재 손상의 정도가 평면상의 위치에 따라 다르다. 이를 고려하기 위하여 이 연구에서는 3차원 건물을 골조선을 따라 평면적으로 분해하여 손상도 분석을 수행하는 방법을 적용하였다. 건물의 횡저항 구조요소의 기본 단위를 평면 골조로 가정하여, 그림 1과 같이 전체 구조물을 분해하였다.
지진동 크기의 영향을 조사하기 위하여 각 지진파의 최대지반가속도 (PGA)를 0.1g에서 0.4g까지 0.1g 간격으로 조절하여 사용하였다. 해석에 사용한 지진파들의 최대지반가속도가 0.
편심과 손상도의 상호 관계를 분석하기 위하여 다양한 크기의 편심을 가지는 단층 건물에 대해 비선형 동적 해석을 수행하고 그 결과로부터 손상도 계수를 계산하였다. 예제 구조물은 2x2베이와 2x4베이 철근콘크리트 골조로 구성된 단층 건물들이며 그 형상과 해석 모델의 개요가 그림 5에 나타나 있다.
평면골조의 거동에 있어서 면외 응답의 영향을 분석하기위하여, 면외 변위의 크기 (Δy/Δx = 0; 0.5; 1.0)에 따른 평면 RC골조의 힘-변위 곡선의 변화를 분석하였다 (그림 2).
대상 데이터
편심과 손상도의 상호 관계를 분석하기 위하여 다양한 크기의 편심을 가지는 단층 건물에 대해 비선형 동적 해석을 수행하고 그 결과로부터 손상도 계수를 계산하였다. 예제 구조물은 2x2베이와 2x4베이 철근콘크리트 골조로 구성된 단층 건물들이며 그 형상과 해석 모델의 개요가 그림 5에 나타나 있다.
이론/모형
예제 건물의 해석을 위해서 비선형 유한요소 해석 프로그램인 ZEUS-NL(13)이 사용되었다. 이 프로그램은 fiber 모델을 이용하여 소성 거동의 부재 길이 방향으로의 진행과 3차원 상호작용 (M-M-N Interaction)을 정밀하게 예측할 수있다.
성능/효과
1. 건물의 편심이 커지면 최대변위는 줄어들지만 비틀림 거동이 증가하여, 손상의 집중으로 인해 전반적인 손상도계수가 증가함이 관찰되었다.
2. 2차원 거동에서 1차 모드의 고유 주기가 같은 경우에, 예제 건물들의 질량 중심에서의 최대 변위는 서로 차이가거의 없으나, 최대 비틀림은 2x2베이 건물이 2x4베이 건물보다 다소 큰 것으로 관찰되었다. 하지만, 2x2베이 건물은 질량 중심으로부터 연약 단부까지의 거리인 비틀림팔길이가 짧아서 연약 단부의 손상도 집중 현상이 줄어들게 된다.
3. 중약진 지역에서 편심의 크기가 10%, 20%, 30%인 단층건물은 편심이 없는 건물에 비해서 각각 평균 3~5%,13~18%, 33~47% 정도의 손상도 증가가 있을 것으로분석된다.
예제 건물인 2x2베이와 2x4베이 건물들의 질량 중심에서의최대 변위는 서로 차이가 거의 없으나, 최대 비틀림은 2x2베이 건물이 2x4베이 건물보다 다소 큰 것으로 관찰되었다. 하지만, 2x2베이 건물은 질량 중심으로부터 연약 단부까지의 거리인 비틀림 팔길이가 짧아서 연약 단부의 손상도 집중 현상이 줄어들게 된다.
즉, 편심의 크기가 10%인 단층 건물의 경우 손상도는 편심이 없는 건물에 비해서평균 3~5% 증가한다고 예상된다. 편심의 크기가 20%인 건물은 손상도가 평균 13~18% 정도 증가하며, 편심의 크기가30%인 건물은 평균 33~47% 정도의 손상도 증가를 보인다고 분석된다. 본 소절에서 관찰된 바와 마찬가지로 그림12-(a)와 12-(b)의 비교에서 알 수 있듯이 건물의 길이가 손상도의 증가에 미치는 영향은 매우 작다.
후속연구
건물의 편심 크기와 손상도 증가에 대한 정량적인 관계분석은 비정형 평면을 가진 건물의 내진 설계에 있어서 기본 구조 계획 수립과 내진 성능 평가에 유용한 자료가 될 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지진에 의한 피해 사례 조사 및 해석적인 연구를 통해 평면 비정형성을 가진 건물의 손상도에 관한 어떤 사실이 확인되어 왔는가?
지진에 의한 피해사례 조사 및 해석적인 연구를 통해서 평면 비정형성을 가진 건물이 유사한 조건의 정형 건물보다 더 높은 손상 정도를 보인다는 사실이 확인되어 왔다. 이를 설계에 반영하기 위해서, 여러 나라의 내진설계 규준에는 건물 평면의 비정형성을 제한하거나 비정형 건물에 대해서보다 정밀한 해석을 수행하도록 하는 조항들이 존재한다.
건물의 비틀림 거동에 손상이 집중되는 이유는 무엇인가?
평면 비정형성으로 인한 추가적인 손상의 원인은 다음과 같이 정리될 수 있다. 건물의 비틀림 거동은 평면상에서 횡강성이 상대적으로 낮은 부분의 횡변위를 증가시키게 되므로 이 부분에 손상이 집중된다. 이와 같은 지진 응답을 보이는 건물은 손상이 평면상에 고르게 분포된 건물에 비해서 구조적으로 불리하다.
참고문헌 (13)
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