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[국내논문] 특수모멘트골조를 가진 이중골조시스템을 위한 부재소성변형 평가
Evaluation of Member Plastic Deformation Demands for Dual Systems with Special Moment Frames 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.14 no.5 = no.75, 2010년, pp.41 - 51  

엄태성 (대구가톨릭대학교 건축학부) ,  김재요 (광운대학교 건축학부)

초록
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안전한 내진설계를 위해서는 부재에 요구되는 소성변형을 평가하여야 한다. 본 연구에서는 복잡한 비선형해석없이 탄성 해석결과에 근거하여 이중골조의 부재소성변형을 평가할 수 있는 빠르고 간편한 방법을 개발하였다. 보, 기둥, 벽체 등의 소성변형은 부재강성, 층간변위비, 모멘트 재분배, 단면치수 및 소성힌지 위치의 함수로 결정된다. 벽체와 보가 모멘트 접합된 경우에는 벽체의 소성변형에 의한 로킹효과를 고려하여 증가된 소성변형을 구한다. 8층 이중골조에 대하여 제안된 방법을 적용하였고, 비선형해석을 통하여 제안된 방법의 정확성을 검증하였다. 제안된 방법은 단순계산으로 부재소성변형을 합리적으로 예측하지만, 정확한 부재소성변형 평가를 위해서는 비탄성 층간변위비의 정확한 예측이 필요한 것으로 나타났다. 제안된 방법은 향후 성능중심 내진설계에 활용할 수 있을 뿐만 아니라 기존 건물의 성능평가에도 활용될 수 있을 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

For safe seismic evaluation and design, it is necessary to predict the plastic deformation demands of members. In the present study, a quick and reasonable method for the evaluation of member plastic deformations of dual systems was developed on the basis of results of elastic analysis, without usin...

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 특수모멘트골조를 가진 이중골조시스템(Dual Systems)에 대하여 보, 기둥, 벽체 등 부재에 요구되는 소성변형을 빠르고 간편하게 평가할 수 있는 방법을 개발하였다. 내진평가 및 설계 실무에 쉽게 활용될 수 있도록, 제안된 방법은 복잡한 비선형해석을 사용하지 않고 선형탄성해석을 사용하여 모멘트재분배, 로킹효과(Rocking Effect)등 비선형거동을 고려하여 부재의 소성변형을 예측하는 것에 초점을 두었다.
  • 본 연구에서는 복잡한 비선형해석없이 탄성해석결과에 근거하여 특수모멘트골조를 가진 이중골조시스템의 부재소성변형을 빠르고 간편하게 평가하는 방법을 개발하였다. 개발한 방법은 탄성해석 결과를 근거로 모멘트재분배, 부재강성, 기둥 단면치수 및 보 소성힌지 이동 등을 고려하여 부재의 소성변형요구량을 직접적으로 예측한다.

가설 설정

  • 또한 특수모멘트골조의 경우 연성확보를 위하여 큰 압축력을 받는 기둥보다는 휨재인 보에서 소성변형이 발생되도록 내진설계를 수행한다. 따라서 본 연구에서는 모멘트골조가 강기둥-약보 거동에 의하여 보-변형 메커니즘(Beam-Sway Mechanism) 보이는 것으로 가정하였다.
  • 그림 2는 보-변형 메커니즘을 보이는 모멘트골조의 전형적인 비탄성거동을 보여준다. 그림에서 지진하중은 오른쪽으로 작용하고, 보의 부모멘트 단부에서 먼저 휨항복이 발생하는 것으로 가정하였다. 그림 2(a)에 나타난 바와 같이, Beam I은 A점에서 보의 부모멘트단부(우측단부)에 휨항복이 먼저 발생되므로 #, AB 구간에서 정모멘트단부(좌측단부)로 모멘트 MR이 재분배된다.
  • 따라서 순수 모멘트골조와 마찬가지로 식 (1) ~ (3)을 사용하여 보의 소성변형을 구할 수 있다. 그러나 모멘트골조가 벽체에 직접 강접합으로 연결되어 지진하중에 저항하는 이중골조의 경우(그림 1(b)), 로킹효과에 의하여 벽체에 인접한 경간의 보에서 소성변형이 증가된다. 로킹효과에 의한 보 소성변형 θ DS-I과 DS-II의 설계지진하중으로 각각 VE = 1062 및 1613 kN의 밑면전단력을 사용하였다. KBC 20052)에서는 비선형의 층지진하중 분포를 제시하고 있지만, 본 연구에서는 근사적으로 층지진하중을 층높이에 비례하는 선형분포로 가정하였다.
  • 1장에서 설계한 이중골조 DS-I 및 DS-II에 대한 비선형해석을 수행하였다. 그림 6(b)와 7(b)에 나타낸 설계모멘트강도 Mn을 부재 단부 소성힌지의 항복강도로 사용하였고, 각 소성힌지는 완전 탄성-완전소성(항복 이후 강성 = 0) 모델을 가정하였다. 벽체는 등가의 기둥-무한강성보로 모델링하였다.
  • 9 하지만 본 연구에서는 이러한 동적거동의 영향을 배제하고, 정적지진하중에 의하여 발생되는 비탄성 층간변위비를 제안하였다. 또한 2장에서 가정한 바와 같이, 특수모멘트골조를 가진 이중골조시스템의 비탄성거동은 약층현상 없이 보-기둥 접합부에서 보-변형 메커니즘이 발생되는 것으로 가정하였다. 정적 비선형거동을 보이는 이중골조의 비탄성 층간변위비 δu는 다음의 두 가지 방법을 사용하여 구할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
안전한 내진설계를 하기 위해 무엇을 해야하는가? 안전한 내진설계를 위해서는 부재에 요구되는 소성변형을 평가하여야 한다. 본 연구에서는 복잡한 비선형해석없이 탄성 해석결과에 근거하여 이중골조의 부재소성변형을 평가할 수 있는 빠르고 간편한 방법을 개발하였다.
본 논문에서 개발한, 탄성 해석결과에 근거하여 이중골조의 부재소성변형을 평가하는 방법을 검증한 내용은 어떠한가? 8층 이중골조에 대하여 제안된 방법을 적용하였고, 비선형해석을 통하여 제안된 방법의 정확성을 검증하였다. 제안된 방법은 단순계산으로 부재소성변형을 합리적으로 예측하지만, 정확한 부재소성변형 평가를 위해서는 비탄성 층간변위비의 정확한 예측이 필요한 것으로 나타났다. 제안된 방법은 향후 성능중심 내진설계에 활용할 수 있을 뿐만 아니라 기존 건물의 성능평가에도 활용될 수 있을 것이다.
탄성해석에 근거한 내진설계법으로 어떤 방법을 사용하는가? 탄성해석에 근거한 내진설계법으로, IBC(1), KBC(2) 등 국내외에 내진설계기준에서는 등가정적방법을 사용하고 있다. 등가정적방법에서는 탄성해석에 의하여 계산된 항복변형에 변위연성도 또는 변위증폭계수를 곱하여 근사적으로 건물 전체의 비탄성변형을 예측한다.
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참고문헌 (9)

  1. International Code Council, 2009 International Building Code, International Code Council, INC. 2009. 

  2. 대한건축학회, 건축구조설계기준, KBC 2005, 2005. 

  3. American Society of Civil Engineers (ASCE), “Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings,” FEMA 356 report, Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C, 2000. 

  4. Paulay, T., Priestley, M.J.N., Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings. John Wiley and Sons, Inc, New York, USA, 1992, 744. 

  5. 엄태성, 박홍근, “지진하중을 받는 철근콘크리트 모멘트골조 의 모멘트재분배와 소성변형,” 한국콘크리트학회논문집, 21권 2호, 217-226, 2009. 

  6. 엄태성, 박홍근, “모멘트골조의 내진설계를 위한 부재 소성변형 요구량 예측,” 한국지진공학회 논문집, 13권 5호, 51-60, 2009. 

  7. American Concrete Institute, Building Code Requirements for Structural Concrete, ACI 318-08 and ACI 318R-08, Farmington Hills, Michigan, USA, 465, 2008. 

  8. Prakash, V., Powell, G. H., and Campbell, S., DRAIN-2DX Base Program Description and User Guide version 1.10. SEMM Report No. 93/17, Univ. of California, Berkeley, Calif., USA., 90, 1993. 

  9. Applied Technology Council (2005). “Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis Procedures,” FEMA 440 Report, Federal Emergency Management Agency, Washington D. C., 392. 

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