이 논문에서는 내진상세가 적용되지 않은 RC골조의 지진 거동 특성을 파악하였다. 해석 대상 건물은 내진 규준의 적용을 받지 않고 중력하중만을 고려하여 설계되었다. 원형철근이 주철근으로 사용되었으며, 부재는 낮은 수준의 전단력을 견딜 수 있는 최소한의 스터럽이 사용되어 코어 부분의 구속효과는 거의 없다. 평면비정형성을 가진 건물의 경우, 푸쉬오버 해석을 통해서는 비틀림으로 인한 평면상에서 연단부의 손상집중을 파악할 수 없으므로 비선형 동적해석을 사용하는 것이 바람직하다. 섬유요소를 이용한 비선형 동적해석은 양방향 지진하중과 비틀림 거동의 영향을 받는 RC골조의 거동을 성공적으로 예측할 수 있었다. 하지만, 보다 진보된 응답 예측을 위해서는 부착 미끄러짐과 같은 보-기둥 접합부의 국부거동을 정밀하게 나타내는 모델링 요소의 개발이 필요하다.
이 논문에서는 내진상세가 적용되지 않은 RC골조의 지진 거동 특성을 파악하였다. 해석 대상 건물은 내진 규준의 적용을 받지 않고 중력하중만을 고려하여 설계되었다. 원형철근이 주철근으로 사용되었으며, 부재는 낮은 수준의 전단력을 견딜 수 있는 최소한의 스터럽이 사용되어 코어 부분의 구속효과는 거의 없다. 평면비정형성을 가진 건물의 경우, 푸쉬오버 해석을 통해서는 비틀림으로 인한 평면상에서 연단부의 손상집중을 파악할 수 없으므로 비선형 동적해석을 사용하는 것이 바람직하다. 섬유요소를 이용한 비선형 동적해석은 양방향 지진하중과 비틀림 거동의 영향을 받는 RC골조의 거동을 성공적으로 예측할 수 있었다. 하지만, 보다 진보된 응답 예측을 위해서는 부착 미끄러짐과 같은 보-기둥 접합부의 국부거동을 정밀하게 나타내는 모델링 요소의 개발이 필요하다.
In this study, characteristics of the seismic response of the non-earthquake resistant reinforced concrete (RC) frame were identified. The test building is designed to withstand only gravity loads and not in compliance with modern seismic codes. Smooth bars were utilized for the reinforcement. Membe...
In this study, characteristics of the seismic response of the non-earthquake resistant reinforced concrete (RC) frame were identified. The test building is designed to withstand only gravity loads and not in compliance with modern seismic codes. Smooth bars were utilized for the reinforcement. Members are provided with minimal amount of stirrups to withstand low levels of shear forces and the core concrete is virtually not confined. Columns are slender and more flexible than beams, and beam-column connections were built without stirrups. Through the modeling of an example RC frame, the feasibility of the fiber elementbased 3D nonlinear analysis method was investigated. Since the torsion is governed by the fundamental mode shape of the structure under dynamic loading, pushover analysis cannot predict torsional response accurately. Hence, dynamic response history analysis is a more appropriate analysis method to estimate the response of an asymmetric building. The latter method was shown to be accurate in representing global responses by the comparison of the analytical and experimental results. Analytical models without rigid links provided a good estimation of reduced stiffness and strength of the test structure due to bond-slip, by forming plastic hinges closer to the column ends. However, the absence of a proper model to represent the bond-slip poased the limitations on the current inelastic analysis schemes for the seismic analysis of buildings especially for those with round steel reinforcements. Thus, development of the appropriate bond-slip model is in need to achieve more accurate analysis.
In this study, characteristics of the seismic response of the non-earthquake resistant reinforced concrete (RC) frame were identified. The test building is designed to withstand only gravity loads and not in compliance with modern seismic codes. Smooth bars were utilized for the reinforcement. Members are provided with minimal amount of stirrups to withstand low levels of shear forces and the core concrete is virtually not confined. Columns are slender and more flexible than beams, and beam-column connections were built without stirrups. Through the modeling of an example RC frame, the feasibility of the fiber elementbased 3D nonlinear analysis method was investigated. Since the torsion is governed by the fundamental mode shape of the structure under dynamic loading, pushover analysis cannot predict torsional response accurately. Hence, dynamic response history analysis is a more appropriate analysis method to estimate the response of an asymmetric building. The latter method was shown to be accurate in representing global responses by the comparison of the analytical and experimental results. Analytical models without rigid links provided a good estimation of reduced stiffness and strength of the test structure due to bond-slip, by forming plastic hinges closer to the column ends. However, the absence of a proper model to represent the bond-slip poased the limitations on the current inelastic analysis schemes for the seismic analysis of buildings especially for those with round steel reinforcements. Thus, development of the appropriate bond-slip model is in need to achieve more accurate analysis.
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문제 정의
기존 건물의 내진 내력(강성, 강도, 연성)증대를 위해서는 각종 보강 방법을 적절히 사용할 수 있도록 비내진 상세 건물의 정밀한 해석방법 개발과 검증이 선행되어야 하며 이러한 노력의 중요성은 이전 연구1,2)에서도 강조되어 왔다. 이 연구는 내진 규정이 적용되지 않은 RC골조 건물을 해석 대상으로하여 그 지진하중에 대한 구조적 특성을 파악하고, 비선형 동적 해석 모델링 방법의 적합성과 한계점을 고찰하는 것을 목표로 한다. 이를 바탕으로 보다 진보된 해석 방법에 대한 논의를 제공한다.
이 연구에서는 내진 상세가 적용되지 않은 RC 골조의 지진 거동 특성을 파악하고, 그 응답을 예측할 수 있는 해석 방법에 대해 논의하였다. 대상 건물의 해석과 실험 결과의 분석을 통해 관찰된 비내진 상세 RC골조의 지진 거동 특성은 다음과 같이 정리될 수 있다.
이 연구는 내진 규정이 적용되지 않은 RC골조 건물을 해석 대상으로하여 그 지진하중에 대한 구조적 특성을 파악하고, 비선형 동적 해석 모델링 방법의 적합성과 한계점을 고찰하는 것을 목표로 한다. 이를 바탕으로 보다 진보된 해석 방법에 대한 논의를 제공한다.
가설 설정
해석 대상 건물은 bare frame으로 가정되어 동적 거동 중에 부재들 간의 마찰과 같은 에너지 손실의 요인이 매우 적으므로 점성 감쇠(viscous damping)의 영향은 해석 모델링에서 무시하였다. 부재의 소성변형에 의한 이력 감쇠(hysteretic damping)의 영향은 재료의 비선형 모델을 통해 반영된다.
제안 방법
해석 모델의 보-기둥 연결부 패널존은 rigid 요소 사용 여부에 따라 두 가지로 모델링 되었다. Model #1에서는 소성힌지가 기둥면과 기둥의 중심선 사이에 발생하는 것을 방지하기 위하여 기둥의 중심선과 만나는 보의 양 끝에 rigid 요소를 사용하였고, 마찬가지 원리로 기둥의 양 끝에도 rigid 요소를 사용하였다(Fig. 4(a)).
7과 8에 나타나 있다. 건물의 한계상태를 정확히 예측하는 것은 매우 힘든 일이며 이와 관련된 불확실성을 고려하여 이 연구에서는 여러 가지 자료를 바탕으로 국부한계상태와 전체한계상태에 대해 각각 3개씩의 한계상태를 설정한다. 국부한계상태는 각 부재의 항복과 파괴에 이르는 상태를 재료(철근과 콘크리트)의 이론적인 한계상태를 기준으로 하였고, 전체한계상태는 기존의 연구 결과를 바탕으로 설정하였다.
건물의 한계상태를 정확히 예측하는 것은 매우 힘든 일이며 이와 관련된 불확실성을 고려하여 이 연구에서는 여러 가지 자료를 바탕으로 국부한계상태와 전체한계상태에 대해 각각 3개씩의 한계상태를 설정한다. 국부한계상태는 각 부재의 항복과 파괴에 이르는 상태를 재료(철근과 콘크리트)의 이론적인 한계상태를 기준으로 하였고, 전체한계상태는 기존의 연구 결과를 바탕으로 설정하였다. Figs.
일반적으로 패널존의 거동을 해석모델에 반영하기 위해서 비선형 스프링 요소가 널리 사용되고 있으나, 이 연구의 대상 구조물과 같이 원형 철근으로 구성된 패널 존은 그 거동에 대한 연구 성과가 매우 부족하여, 스프링 요소의 강성과 강도를 결정할 근거가 없는 실정이다. 따라서 보 요소를 부재 중심선의 교차점까지 연장하여 사용함으로써 패널 존의 추가적인 연성을 반영하였다. 이는 소성힌지가 보의 면에서 가까운 곳에 발생하도록 함으로써 원형철근의 사용으로 인한 부착 미끄러짐을 반영하기에 유리한 모델로 판단된다(Fig.
이상의 비선형 정적 해석방법은 건물의 취약부위 파악, 부재손상의 진행과정 및 전체적인 강성과 강도를 조사하는데 유용하게 이용될 수 있지만, 비정형 평면을 가진 건물의 비틀림 거동을 분석하는 데는 분명한 한계점이 있다. 이를 확인하기 위해 해석 대상 건물에 재현주기가 975년(Acc. 975)인 인공지진을 사용하여 동적해석을 수행하였다. Fig.
최대밑면전단력, 취약층, 약축 등과 같은 해석 대상 건물의 기본적인 비선형 거동 특성을 조사하기 위하여 Model #1을 대상으로 푸쉬오버(pushover) 해석을 실행하였다. 각 층에 작용하는 횡하중(lateral force)은 해당 층의 무게와 1차 모드형태(mode shape)에 비례하도록 결정되었다(식 (1)).
6). 평면상에서 기둥 C6의 약축과 강축의 방향을 각각 x방향과 y방향으로 설정하였다.
대상 데이터
이 연구에 사용된 해석 대상 건물(Fig. 1)은 평면 비대칭성을 가진 3층-2 × 2 배이 RC 골조구조로서 실물크기의 유사동적(pseudo-dynamic) 실험이 실시되었던 구조물이다.
해석 대상 건물은 비선형 유한요소 해석 프로그램인 ZEUS-NL3)을 사용하였다. 이 프로그램은 섬유(fiber) 모델을 이용하여 소성 거동의 부재 길이 방향으로의 진행과 3차원 상호작용(M-M-N interaction)을 정밀하게 예측할 수 있으므로 비틀림과 양방향 지진하중의 영향을 고려해야 하는 비정형 평면을 가진 건물의 해석에 적합하다.
해석 대상 건물의 동적해석 및 실험에 사용된 지진하중은 Montenegro(1979) 지진 당시 Herceg-Novi 계측소에서 측정된 양방향 지진 데이터이며, 0.15 g의 최대 지반 가속도(PGA: peak ground acceleration)를 갖도록 비례 조정하여 양방향에서 동시에 가력하였다.
데이터처리
비선형 모델링을 통한 동적해석 결과를 검증하기 위해 실물 크기의 유사동적(pseudo-dynamic) 실험 결과와 비교하였다. 이 실험은 European Laboratory for Structural Assessment(ELSA)에서 실시되었으며 그 실험 결과는 Figs.
성능/효과
1) 중력하중만을 고려한 구조설계로 인해 기둥의 단면적과 강성이 보에 비해 작아서 강-보 약-기둥(strong-beam weak-column)으로 인한 취약층(weak story) 발생의 가능성이 크다.
3) 스터럽의 단면적과 간격이 중력하중에 의해 발생하는 부재 전단력을 바탕으로 산정되어 부재 코어의 구속효과 부족으로 적절한 연성확보가 불가능하다.
4) 부재의 주철근으로 원형 철근이 사용되어 지진하중과 같은 극한의 횡하중이 가해졌을 경우 부재 내부 주철근의 부착 미끄러짐(bond-slip)이 발생한다.
을 사용하였다. 이 프로그램은 섬유(fiber) 모델을 이용하여 소성 거동의 부재 길이 방향으로의 진행과 3차원 상호작용(M-M-N interaction)을 정밀하게 예측할 수 있으므로 비틀림과 양방향 지진하중의 영향을 고려해야 하는 비정형 평면을 가진 건물의 해석에 적합하다.
후속연구
해석 Model #2의 경우 비선형 동적 해석과 실물 크기 실험 결과가 매우 가깝게 나타났는데 이는 섬유 요소를 이용한 3차원 비선형 골조 모델링 방법이 축력과 양방향 모멘트가 동시에 상호작용하는 복잡한 극한 하중조건에서도 구조물의 전반적인 거동을 정밀하게 예측할 수 있음을 의미한다. 또한, 해석 Model #1의 오차원인이 부착 미끄러짐이라는 점은 보다 진보된 비내진 RC 건물의 지진거동 예측을 위해서는 보-기둥 접합부의 국부 거동을 정밀하게 나타낼 수 있는 모델링 요소의 개발이 필요하다는 것을 보여준다.
이상의 비선형 정적 해석방법은 건물의 취약부위 파악, 부재손상의 진행과정 및 전체적인 강성과 강도를 조사하는데 유용하게 이용될 수 있지만, 비정형 평면을 가진 건물의 비틀림 거동을 분석하는 데는 분명한 한계점이 있다. 이를 확인하기 위해 해석 대상 건물에 재현주기가 975년(Acc.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비선형 동적 해석을 이용한 비내진 상세 RC 골조의 지진거동 특성 분석에 관한 본 논문에서 해석 대상 건물은 무엇만을 고려하여 설계되었는가?
이 논문에서는 내진상세가 적용되지 않은 RC골조의 지진 거동 특성을 파악하였다. 해석 대상 건물은 내진 규준의 적용을 받지 않고 중력하중만을 고려하여 설계되었다. 원형철근이 주철근으로 사용되었으며, 부재는 낮은 수준의 전단력을 견딜 수 있는 최소한의 스터럽이 사용되어 코어 부분의 구속효과는 거의 없다.
해석 대상 건물은 비선형 유한요소 해석 프로그램인 ZEUS-NL을 사용하였는데, 이 프로그램이 비정형 평면을 가진 건물의 해석에 적합한 이유는 무엇인가?
해석 대상 건물은 비선형 유한요소 해석 프로그램인 ZEUS-NL3)을 사용하였다. 이 프로그램은 섬유(fiber) 모델을 이용하여 소성 거동의 부재 길이 방향으로의 진행과 3차원 상호작용(M-M-N interaction)을 정밀하게 예측할 수 있으므로 비틀림과 양방향 지진하중의 영향을 고려해야 하는 비정형 평면을 가진 건물의 해석에 적합하다.
주철근으로 사용된 것은 무엇인가?
해석 대상 건물은 내진 규준의 적용을 받지 않고 중력하중만을 고려하여 설계되었다. 원형철근이 주철근으로 사용되었으며, 부재는 낮은 수준의 전단력을 견딜 수 있는 최소한의 스터럽이 사용되어 코어 부분의 구속효과는 거의 없다. 평면비정형성을 가진 건물의 경우, 푸쉬오버 해석을 통해서는 비틀림으로 인한 평면상에서 연단부의 손상집중을 파악할 수 없으므로 비선형 동적해석을 사용하는 것이 바람직하다.
참고문헌 (8)
한상환, 김인정, “지반특성과 지진지역에 따른 보통모멘트골조의 내진성능평가,” 대한건축학회논문집(구조계), 22권, 7호, 2006, pp. 19-25.
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Elnashai, A. S., Papanikolaou, V., and Lee, D. H., “ZEUSNL User Manual,” Mid-America Earthquake Center (MAE) Report, 2002, pp. 6-69.
Mander, J. B., Priestley, M. J. N., and Park, R., “Theoretical Stress-strain Model for Confined Concrete,” ASCE Journal of Structural Engineering, Vol. 114, No. 8, 1988, pp. 1804-1826.
Park, R., “State-of-the Art Report, Ductility Evaluation from Laboratory and Analytical Testing,” Proceedings 9th WCEE, Tokyo-Kyoto, Japan, Vol. VIII, 1988, pp. 605-616.
SEAOC, Performance Based Seismic Engineering of Buildings, Vision 2000 Committee, Structural Engineers Association of California, Sacramento, California, 1995, 115 pp.
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