[논문]초고층 철골대각가새골조의 내진성능평가

김선웅

초고층 철골대각가새골조의 내진성능평가
Seismic Performance Evaluation of Highrise Steel Diagrid Frames 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.24 no.3, 2011년, pp.307 - 317

김선웅 ((주)창민우구조 컨설탄트 부설건설기술연구소)

초록
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본 논문은 강풍대이면서 약진대에 위치하는 내풍설계된 초고층건물이 경험할 수 있는 잠재적 지진에 대한 내진성능평가를 통해서 탄성내진설계의 가능성을 검토하는 것이다. 최근에 가장 각광받고 있는 구조시스템인 초고층 철골대각가새골조를 내풍설계하고, 내풍설계과정에서 상당한 시스템초과강도가 유입됨을 확인하였다. 초고층 철골대각가새골조에 대하여 다양한 지반조건에 따른 응답스펙트럼해석과 내진성능평가를 수행하였다. 우리나라와 같이 강풍대에 위치하면서 약진대에 속하는 환경하에서 세장비 5.2이상의 초고층 철골대각가새골조는 500년 재현주기 지진동에 대해서는 탄성저항할 수 있음을 보여주었고, 세장비 6.9의 초고층 철골대각가새골조는 2400년 재현주기 지진동에 대해서도 탄성설계가 가능함을 확인하였다. 500년 재현주기 지진동에 대해서 초고층 철골대각가새골조는 부재수준에서 지반조건에 관계없이, 2400년 재현주기 지진동에 대해서도 $S_E$지반을 제외하고는 세장비 5.2이상의 모델에서 모두 "즉시거주" 수준을 나타내었다. 시스템수준에서 초고층 철골대각가새골조는 500년 재현주기 지진동에 대해서 세장비 5.2이상의 모델은 $S_A$와 $S_B$지반에서는 즉시거주, $S_C{\sim}S_E$ 지반에서는 "인명안전" 수준을 나타내었다. 2400년 재현주기 지진동에 대해서는 500년 재현주기보다 한 단계 낮은 내진성능수준을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is to investigate the possibility of the elastic seismic design for highrise buildings through seismic performance evaluation for potential earthquakes that wind-designed highrise buildings located in strong wind zone and low seismicity can be experienced. Highrise steel diagrid frames which is the most loved structural system in recent years were wind-designed and the substantial system overstrength due to wind design procedure is verified, For the highrise steel diagrid frames, the response spectrum analysis and the seismic performance evaluation by various soil sites were conducted. It was showed that highrise steel diagrid frames with slenderness of greater than 5.2 under strong wind and low seismic zones such as Korea peninsula can resist elastically for the 500 year return period earthquake and have the possibility of seismic design for the 2400 year return period earthquake. In the member level, highrise steel diagrid frames with slenderness of greater than 5.2 all presented the immediate occupancy level regardless of soil sites for the 500 year return earthquake and excluding the $S_E$ soil site for the even 2400 year return period earthquake. In the system level, highrise steel diagrid frames with slenderness of greater than 5.2 showed the immediate occupancy level for $S_A$ and $S_B$ soil sites and the life safety for $S_C$ to $S_E$ soil site in the 500 year return period. The seismic performance level of highrise steel diagrid frames for the 2400 year return period earthquake displayed one step lower than the 500 year return period earthquake.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 관점들을 종합하여 볼 때, Lee 등(2007)이 주장한 바와 같이, 초고층건물은 내풍설계 뿐만 아니라 내진설계에 대해서도 탄성설계를 하여야 한다는 것이 저자의 생각이며, 이것이 경제성 등을 감안할 때 채택하기 어렵다면 한정연성설계법(limited ductility design)에 근거한 내진설계가 이루어지도록 하는 것이 바람직한 초고층건물의 내진설계라고 판단한다. 따라서 본 논문을 통하여 초고층성(tallness)의 증가에 따른 초고층건물의 탄성내진설계가능성을 확인하고자 한다. 아울러 초고층건물은 다양한 지반 조건하에서 세워질 것이고, 지반조건에 따라 설계스펙트럼가 속도의 크기가 달라지므로 본 연구에서는 다양한 지반조건하에서 초고층건물의 내진성능평가를 수행하고자 한다.
이처럼 MCE를 제외한 초고층건물의 내진설계를 위한 지진재해 수준은 아직까지 합의되지 않고 있다. 본 연구에서는 FEMA 356(FEMA, 2000)의 지진재해 수준에 의하여 초고층건물의 내진성능을 평가하고자 한다. 세장비 5.
본 연구에서는 하절기에 태풍의 내습이 빈번한 강풍대이면서 중/약진대에 속하는 국내의 지진환경하에서 내풍설계된 초고층 철골대각가새골조의 탄성내진설계의 가능성 및 성능기반 설계법에 근거한 내진성능평가 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 절에서는 초고층 철골대각가새골조에 대하여 다양한 지반조건에 따른 내진성능평가를 하기 위해 KBC2009(대한건축학회, 2009)에 근거한 표 1의 풍하중 산정조건을 적용하여 내풍설계를 하였다. 설계기본풍속은 서울지역을 대상으로 30m/sec를 채용하였다.
따라서 본 논문을 통하여 초고층성(tallness)의 증가에 따른 초고층건물의 탄성내진설계가능성을 확인하고자 한다. 아울러 초고층건물은 다양한 지반 조건하에서 세워질 것이고, 지반조건에 따라 설계스펙트럼가 속도의 크기가 달라지므로 본 연구에서는 다양한 지반조건하에서 초고층건물의 내진성능평가를 수행하고자 한다.

가설 설정

작은보와 큰보는 모두 압연 H형강을 사용한 합성보로서 가정하였다. 아울러 대각가새의 접합부를 비롯한 모든 접합부는 단순접합으로 처리하여 접합비용을 최소화하는 것으로 가정하였다. 철골대각가새골조는 일반적으로 내진성능과 관련하여 뛰어난 비탄성변형능력을 요구하지 않는 보통중심가새골조로 분류되므로 대각가새 및 중력기둥의 강재는 모두 SM490으로, 보 부재는 모두 SS400 강재로 설계하였다.
자세한 내용은 지면관계상 생략하니 참고문헌(Moon 등, 2007)을 참조하기 바란다. 작은보와 큰보는 모두 압연 H형강을 사용한 합성보로서 가정하였다. 아울러 대각가새의 접합부를 비롯한 모든 접합부는 단순접합으로 처리하여 접합비용을 최소화하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

본 절에서는 앞의 2장에서 내풍설계된 초고층 철골 대각가새골조에 대하여 500년 및 2400년 재현주기 지진동에 대한 주저항요소인 대각가새부재의 탄성저항 가능성 및 내진성능을 응답스펙트럼해석을 통해 평가하였다. Lee 등(2007)이 주장한 바와 같이, 선형동적해석에 의한 초고층건물의 응답은 선형시간이력해석에 의한 결과보다 응답스펙트럼을 통해 얻어진 결과가 상대적으로 보수적인 결과를 나타내므로 본 연구에서도 FEMA 356에 근거하여 직교하는 두 방향 지진동의 직교효과(orthogonal effect)를 100:30의 비율로 고려한 응답스펙트럼해석에 의해 초고층 철골조 대각가새시스템의 내진성능을 평가하였다.
내풍설계과정에서 사용성설계에 대한 지붕층 횡변위는 식 (1)과 식 (2)의 대각가새부재의 단면적을 산정하는 과정에서 NBCC2005(NBCC, 2005)에서 제시하고 있는 H/500(=α)이내가 되도록 설계하였다(표 2와 표 3참조).
본 연구에서도 이러한 주장에 근거하여 대각가새의 경사각(Θ)이 대략 69°가 되도록 대각가새골조의 8개층을 1개의 단위골조(tier)로 묶어서 설계하였다. 대각가새부재와 중력기둥은 뛰어난 휨강성을 가지면서도 비틀림에 대해서도 우수한 성능을 발휘하는 조립각형강관부재로서 설계하였다. 웨브골조와 플랜지골조의 대각가새부재의 단면적은 Moon이 제시한 아래의 식 (1)과 식 (2)를 사용하여 각각 산정하였다.
대부분의 중저층 건물을 대상으로 하는 정적과정(static procedure), 건물의 높이가 120m이상의 초고층 건물이거나 세장한(slender)한 건물을 대상으로 하는 동적과정(dynamic procedure), 그리고 모든 건물에 적용가능한 풍동실험(wind-tunnel test) 등이다. 본 연구에서는 대상모델의 건물높이가 120m를 모두 초과하므로 NBCC2005에서 제시하고 있는 동적과정에 따라 1시간 평균풍속의 10년 재현주기 기대풍속에 대하여 초고층건물에 바람이 유발하는 아래의 식 (3)의 풍방향과 식 (4)의 풍직각방향 진동가속도를 산정하였다.
본 연구에서도 이러한 주장에 근거하여 대각가새의 경사각(Θ)이 대략 69°가 되도록 대각가새골조의 8개층을 1개의 단위골조(tier)로 묶어서 설계하였다.
본 절에서는 앞의 2장에서 내풍설계된 초고층 철골 대각가새골조에 대하여 500년 및 2400년 재현주기 지진동에 대한 주저항요소인 대각가새부재의 탄성저항 가능성 및 내진성능을 응답스펙트럼해석을 통해 평가하였다. Lee 등(2007)이 주장한 바와 같이, 선형동적해석에 의한 초고층건물의 응답은 선형시간이력해석에 의한 결과보다 응답스펙트럼을 통해 얻어진 결과가 상대적으로 보수적인 결과를 나타내므로 본 연구에서도 FEMA 356에 근거하여 직교하는 두 방향 지진동의 직교효과(orthogonal effect)를 100:30의 비율로 고려한 응답스펙트럼해석에 의해 초고층 철골조 대각가새시스템의 내진성능을 평가하였다.
초고층 철골대각가새골조는 강재의 성능한계 판 두께를 고려하여 세장비[건물의 높이(H)/건물의 폭(d)]가 5.2(187.2m, 48층)∼6.9(249.6m, 64층) 범위를 갖도록 한계상태설계법을 적용하여 내풍설계를 하였다(그림 1참조).

대상 데이터

아울러 건물의 풍하중산정에 필요한 건물의 1차고유진동수 및 건축물의 풍 방향 1차감쇠정수는 KBC2009(대한건축학회, 2009)에서 소개하고 있는 평면형상이 정형이고 유연건물일 경우에 적용할 수 있는 Ellis의 근사식과 철골조 건축물에 대한 감쇠정수를 사용하였다. 고정하중 및 적재하중은 일반적인 철골조 사무소건물을 대상으로 하여 5.5kN/m², 2.5kN/m²을 각각 사용하였다. 초고층 철골대각가새골조는 강재의 성능한계 판 두께를 고려하여 세장비[건물의 높이(H)/건물의 폭(d)]가 5.
본 절에서는 초고층 철골대각가새골조에 대하여 다양한 지반조건에 따른 내진성능평가를 하기 위해 KBC2009(대한건축학회, 2009)에 근거한 표 1의 풍하중 산정조건을 적용하여 내풍설계를 하였다. 설계기본풍속은 서울지역을 대상으로 30m/sec를 채용하였다. 국내의 설계기본풍속은 100년 재현 주기의 풍속으로서 노풍도 C, 지상높이 10m에서 10분간의 평균풍속을 나타낸 값이다.
아울러 대각가새의 접합부를 비롯한 모든 접합부는 단순접합으로 처리하여 접합비용을 최소화하는 것으로 가정하였다. 철골대각가새골조는 일반적으로 내진성능과 관련하여 뛰어난 비탄성변형능력을 요구하지 않는 보통중심가새골조로 분류되므로 대각가새 및 중력기둥의 강재는 모두 SM490으로, 보 부재는 모두 SS400 강재로 설계하였다.

데이터처리

내풍설계된 초고층 철골조 대각가새시스템의 주저항요소인 대각가새부재의 탄성 및 비탄성거동은 응답스펙트럼해석을 통해 얻어진 결과를 사용하여 FEMA 356에서 제시하고 있고, 식 (6)의 DCR(Demand-to-Capacity Ratio)을 통해 판별하였다. 대각가새부재에 대한 요구강도(strength demand)는 응답스펙트럼해석 결과를 통해 얻어진 SRSS값을 채택하였다. 표 2에서 보여준 대각가새부재의 보유강도(strength capacity)는 강구조 한계상태설계법(대한건축학회, 2009)의 휨압축재 강도산정식에 의해 얻을 수 있고, 강도산정식에 사용된 강도저감계수(strength reduction factor)는 모두 1.

이론/모형

그림 2에 도시한 점들은 풍하중에 의한 밑면전단력계수를 표시한 것으로서 설계풍하중을 건물의 총중량으로 나눈 값이다. 각 세장비별 기본진동주기는 MIDAS Genw(MIDASIT, 2010)의 3차원 고유치해석 결과를 통해 얻었다. 참고로, FEMA 356(FEMA, 2000)에서는 건축물 설계의 기본안전지진동(basic safety earthquake, 이하 BSE)으로 2개의 지진재해수준을 정하고 있다.
내풍설계된 초고층 철골조 대각가새시스템의 주저항요소인 대각가새부재의 탄성 및 비탄성거동은 응답스펙트럼해석을 통해 얻어진 결과를 사용하여 FEMA 356에서 제시하고 있고, 식 (6)의 DCR(Demand-to-Capacity Ratio)을 통해 판별하였다. 대각가새부재에 대한 요구강도(strength demand)는 응답스펙트럼해석 결과를 통해 얻어진 SRSS값을 채택하였다.
1을 채택하였다. 아울러 건물의 풍하중산정에 필요한 건물의 1차고유진동수 및 건축물의 풍 방향 1차감쇠정수는 KBC2009(대한건축학회, 2009)에서 소개하고 있는 평면형상이 정형이고 유연건물일 경우에 적용할 수 있는 Ellis의 근사식과 철골조 건축물에 대한 감쇠정수를 사용하였다. 고정하중 및 적재하중은 일반적인 철골조 사무소건물을 대상으로 하여 5.
0을 적용하였다. 아울러 대각가새부재의 보유강도산정에 필요한 예상항복강도(expected yield strength)는 KBC2009(대한건축학회, 2009)에 근거하여 SM490의 공칭항복강도 (F_y)에 재료초과강도계수(R_y) 1.2를 곱한 R_yF_y를 적용하였다. 이와 같이 산정한 식 (6)의 DCR을 만족하는 부재는 탄성 영역에, 식 (6)을 만족하지 못하고 1을 초과하는 부재는 비탄성 영역에 있는 것이다.
대각가새부재에 대한 요구강도(strength demand)는 응답스펙트럼해석 결과를 통해 얻어진 SRSS값을 채택하였다. 표 2에서 보여준 대각가새부재의 보유강도(strength capacity)는 강구조 한계상태설계법(대한건축학회, 2009)의 휨압축재 강도산정식에 의해 얻을 수 있고, 강도산정식에 사용된 강도저감계수(strength reduction factor)는 모두 1.0을 적용하였다. 아울러 대각가새부재의 보유강도산정에 필요한 예상항복강도(expected yield strength)는 KBC2009(대한건축학회, 2009)에 근거하여 SM490의 공칭항복강도 (F_y)에 재료초과강도계수(R_y) 1.
81m/sec²), β_W는 풍직각방향의 임계감쇠계수이다. 풍진동가속도 산정에 필요한 10년 재현주기 풍속 V_H는 기상청에서 제공한 자료(대한건축학회, 2000)를 바탕으로 아래의 식 (5)의 Gumbel 분포식을 이용하여 얻었다.

성능/효과

(1) 초고층건물은 내풍설계 과정에서(특히 전도모멘트를 분담하는 플랜지골조의 상층부에서) 탄성설계의 가능성을 증대시키는 요인으로 작용하는 상당한 시스템초과강도가 유입됨을 알 수 있었다.
(2) 우리나라와 같은 강풍대에 위치하면서 약진대 속하는 환경하에서 초고층 철골대각가새골조는 탄성설계, 즉 반응수정계수를 1로서 간주하는 내진설계가 가능함을 확인하였다.
(3) 세장비 5.2∼6.9 범위를 갖는 내풍설계된 초고층 철골대각가새골조는 500년 재현주기 지진동에 대해서는 다양한 지반조건하에서 모두 탄성저항할 수 있음을 보여주었다.
(4) 성능기반설계법에 기초한 FEMA 356의 부재수준의 내진성능평가기준에 의할 때, 500년 재현주기 지진동에 대해서는 세장비 5.2이상의 모델이 모두 다양한 지반조건에 대해서 “즉시거주”수준을 나타내었다.
(5) FEMA 356의 시스템수준의 내진성능평가기준에 의할 때, 500년 재현주기 지진동에 대해서 세장비 5.2이상의 초고층 철골대각가새골조는 대체적으로 SA와 SB지반에서는 즉시거주, SC∼SE지반조건에서는 인명안전의 내진성능수준을 나타내었다.
2이상의 초고층 철골대각가새골조는 대체적으로 S_A와 S_B지반에서는 즉시거주, S_C∼S_E지반조건에서는 인명안전의 내진성능수준을 나타내었다. 2400년 재현주기 지진동에 대해서는 본 연구의 해석모델들이 모두 500년 재현주기 지진동보다는 한 단계 낮은 수준의 내진성능수준을 보였다.
BSE-1에 대해서 본 연구의 세장비 5.2 및 6.1 모델들은 SA와 SB 지반조건에서 모두 0.5% 미만의 층간변위를 보이므로 “즉시거주”, SC∼SE 지반조건에서는 1.5% 미만의 층간변위를 보이므로 “인명안전”의 내진성능수준을 만족시키고 있다.
에서의 BSE-1과 BSE-2를 입력지진동으로 하는 응답스펙트럼해석을 통해 얻어진 DCR의 분포를 각각 도시한 것이다. BSE-1에 대해서는 본 연구의 해석모델들은 지반조건에 상관없이 모두 탄성저항할 수 있음을 보여준다. BSE-2에 대해서는 세장비 5.
표 4는 식 (3)과 식 (4)에 의하여 산정한 본 연구의 대상 모델들에 대한 풍진동가속도를 정리한 것이다. 본 연구에서 내풍설계한 철골조 대각가새골조시스템은 풍방향 및 풍직각 방향 풍진동가속도에 대한 NBCC2005의 사용성기준을 모두 만족하고 있음을 알 수 있다. 표 4의 풍진동가속도 값을 살펴보면 한계값에 비해 상당히 보수적인 결과를 도출하고 있는데, 이는 내풍설계과정에서 초래된 부재단면적의 증가 때문이다.
9 모델은 S_E지반에서 웨브골조의 상층부만이 약간의 소성화가 예상되나, BSE-2에 대해서는 탄성설계의 구현이 가능함을 보여주고 있다. 전반적으로 본 연구의 해석모델들의 DCR값은 전도모멘트를 분담하는 플랜지골조보다는 전단력을 분담하는 웨브골조가 뚜렷하게 큼을 알 수 있다. 따라서 모델들의 소성화 정도도 웨브골조가 더 큼을 알 수 있다.

후속연구

(6) 비탄성거동이 예측되는 초고층건물은 탄성해석을 통해서는 정확한 내진성능을 검토할 수 없을 뿐만 아니라 초고층건물의 상징성을 고려한다면, 정확한 초고층건물의 내진성능평가를 위해서는 추가적인 비선형 해석이 반드시 필요하며 추후 연구를 통해 검토하고자 한다.
(7) 본 연구의 초고층 철골대각가새골조의 내풍설계는 경제성측면에서 제안된 최적설계에 기초한 것으로서 추후 연구를 통하여 지진하중에 대한 골조의 기여도를 합리적으로 분배할 수 있는 초고층 철골대각가새골조의 최적화된 내진설계 방안을 제시하고자 한다.
앞에서 밝힌 바와 같이, 현행 기준에서 제시하고 있는 소위 구조시스템이라고 하는 것은 중/저층구조시스템을 대상으로 하는 것으로 초고층건물은 하나의 “비정의시스템(undefined system)”이기 때문에 현행 기준에서 제시하고 있는 반응수정계수를 초고층건물에 그대로 적용하여 지진하중을 산정하고 이를 토대로 내진설계를 하는 것은 문제가 있다. 아울러 초고층건물이 갖고 있는 상징성, 기념성과 중요성을 감안한다면 구조설계 엔지니어는 설계기준에서 제시하고 있는 크기의 지진동만을 검토할 것이 아니라, 내풍설계된 초고층건물이 경험할 수 있는 잠재적 지진에 대해서도 합리적인 성능평가가 반드시 수행되어야만 할 것이다. 현재 널리 사용되고 있는 성능기반설계법은 Structural Engineers Association of California Blue Book(SEAOC, 1997)의 내진철학을 그대로 받아들이고 있으며, 구조물의 연성설계에 기초하여 지진재해수준에 따른 구조물의 성능수준을 정하고 있다.
SE 지반조건에서는 다른 모델들과 마찬가지로 예상되는 비탄성거동으로 인하여 정확한 내진성능수준을 평가할 수 없다. 이들에 대해서는 비선형정적해석 또는 비선형동적해석 등의 후속연구를 통하여 좀 더 면밀한 검토해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철골대각가새골조와 같은 대각가새골조는 어떤 시스템인가?	6m, 64층) 범위를 갖도록 한계상태설계법을 적용하여 내풍설계를 하였다(그림 1참조). 대각가새골조는 수직기둥없이 대각가새만으로 중력하중과 횡력을 동시에 저항하는 시스템으로서(Moon 등, 2007), 최근의 초고층건물의 비정형성을 가장 능동적으로 반영하고 있는 시스템이다. 바람에 의해 건물에 가해지는 전단력과 전도모멘트는 횡력방향과 평행한 건물의 웨브골조와 횡력방향과 직교한 건물의 플랜지골조가 휨압축재로서 각각 분담하게 된다(그림 1참조).
	고층건물만을 대상으로 하는 내진설계기준안의 대표적인 예시는?	내진설계기준을 채용하고 있는 전세계 주요국들은 일반 내진설계기준과는 별도로 고층건물만을 대상으로 하는 내진설계기준안을 제시하고 있다. 그 대표적인 예로서는 미국의 세계초고층위원회(CTBUH)가 제시하고 있는 내진설계권고안(CTBUH, 2008)과 LA 고층건축구조설계위원회(LATBSDC)의 LATBSDC 대체기준안(LATBSDC, 2008)이 있다.
	내진설계기준을 채용하고 있는 전 세계 주요국은 일반 및 고층 건물을 대상으로 어떻게 내진설계 기준안을 제시하고 있는가?	게다가 Lee 등(2007)에 의해 강풍을 동반하는 중/약진지역에서의 초고층건물의 내진설계방안이 제시되기도 하였으나 현재의 내진설계기준은 일반 중/저층건물을 대상으로 하고 있으며, 고층건물에 대해서는 적합하지 않다. 내진설계기준을 채용하고 있는 전세계 주요국들은 일반 내진설계기준과는 별도로 고층건물만을 대상으로 하는 내진설계기준안을 제시하고 있다. 그 대표적인 예로서는 미국의 세계초고층위원회(CTBUH)가 제시하고 있는 내진설계권고안(CTBUH, 2008)과 LA 고층건축구조설계위원회(LATBSDC)의 LATBSDC 대체기준안(LATBSDC, 2008)이 있다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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MIDAS Genw (2010) General Structure Design System for Windows, MIDASIT.
Ministry of Construction of the People's Republic of China(MCPRC) (2001) GB 50011- 2001 Code for Seismic Design of Buildings, Beijing, MCPRC.
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Structural Engineers Association of California (SEAOC) (1997) Recommended Lateral Force Requirements and Commentary, SEAOC.

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].

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