[논문]국내 저층 철골 모멘트골조의 내진설계

김태완

doi:10.5000/eesk.2011.15.1.011

국내 저층 철골 모멘트골조의 내진설계
Seismic Design of Low-rise Steel Moment Frames in Korea 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.15 no.1 = no.77, 2011년, pp.11 - 18

초록
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현재 국내 철골 모멘트골조 접합부는 대부분 공장제작으로 품질관리가 잘 이루어져 연성능력이 상당한 수준이다. 문헌에 의하면 국내 접합부는 미국 철강협회에서 철골 중간모멘트골조에 대해 제시한 성능 기준을 충분히 만족하고 있다. 그런데 이전 설계기준인 KBC2005에서는 철골모멘트골조에 연성모멘트골조 하나만을 제공하였으나 현 KBC2009 기준은 보통, 중간, 특수모멘트골조로 다양하게 제공하고 있다. 여기서 국내 접합부 형식을 그대로 사용했을 때 어떤 시스템이 적합한지 조사할 필요성이 있다. 따라서 본 연구에서는 KBC2005의 연성모멘트골조와 KBC2009의 중간모멘트골조의 거동을 비교하여 국내에 적합한 설계 방법을 찾고자 하였다. 연구 결과 기존 연성모멘트골조의 설계 계수를 따르더라도 성능목표를 충분히 만족하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The connection type of steel moment frames in the country is mostly fabricated in factories so that it is fairly ductile due to good quality control. Based on references, the domestic connection satisfies the performance limit for steel intermediate moment frames specified by the AISC. However, the current KBC2009 building code specifies various systems for steel moment frames such as ordinary, intermediate, and special moment frames while the former KBC2005 only did so for a ductile moment frame. This induces the necessity of investigating which system is appropriate in the country when the domestic connection is applied. Therefore, this study was aimed at finding a proper design method by comparing the ductile moment frame in KBC2005 and the intermediate moment frames in KBC2009. The results showed that seismic design parameters for the ductile moment frames can be reasonable for satisfying the performance objective.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

국내 철골모멘트골조의 특성에 대해 접합부상세와 골조 구성의 측면에서 살펴보겠다. 전통적으로 국내 철골모멘트 골조의 접합부는 공장 제작되며 현장에서 보 및 기둥 부재에 스플라이스를 통해 연결한다.
또한 본 연구에서는 비선형정적 푸시오버 해석만을 수행하여 철골모멘트골조의 특성을 조사하였다. 하지만 실제 지진이 발생했을 때 건물은 비선형동적거동을 하므로 비선형 동적해석도 필요하다.
의 접합부 형식이 국내의 설계 및 제작 특성을 완벽하게 대표한다고 볼 수 없다. 하지만 현재 다양한 변수를 적용하여 전통적인 국내 철골 접합부 형식을 실험한 자료가 많지 않으므로 앞서 언급한 문헌의 결과만을 바탕으로 본 연구를 진행하였다. 국내 접합부는 대부분 패널존 보강을 실시하지 않으므로 언급한 문헌들에 의하면 이 점은 접합부 성능이 증가하는 방향으로 작용할 수 있다.

가설 설정

에서 이미 사용된 것이며, 2장에서 기술한대로 장변 방향으로 4개의 골조가 모두 강접합으로 횡력에 대해 모멘트로 저항한다. 단변 방향은 양쪽 최외각 골조에 가새나 철근콘크리트 전단벽과 같은 횡력저항시스템이 존재하는 것으로 가정하여 본 연구의 논의에서 제외한다. 따라서 본 연구에서는 장변방향의 모멘트골조만을 대상으로 설계한 후 비선형해석을 수행하 였으며, 그림 2(a)에서 점선으로 표시된 골조만을 대상으로 2차원 해석을 수행하였다.
국내 접합부는 대부분 패널존 보강을 실시하지 않으므로 언급한 문헌들에 의하면 이 점은 접합부 성능이 증가하는 방향으로 작용할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 국내의 일반적인 모멘트골조 접합부가 ANSI/AISC341의 중간모멘트골조 기준을 충족하는 것으로 가정하고 연구를 진행하였다.

제안 방법

OpenSees를 사용하여 비선형해석모델을 작성한 후 비선 형정적 푸시오버해석을 통해 각 건물의 성능곡선을 얻었다. 이를 역량스펙트럼법을 사용하여 성능점(Performance Point)을 산정하였다.
패널존을 가로는 기둥 깊이, 세로는 보 깊이로 구성하고 강체요소들은 힌지로 접합하되 한 곳은 그림 3과 같이 비탄성회전 스프링요소를 사용하여 패널존의 비선형거동을 모사하도록 한다. 기둥은 Fiber요소를 사용하여 축력과 모멘트가 함께 고려되도록 하였고 보는 대부분의 구간을 탄성체로 하고 양단부에 보 깊이의 1/2 만큼 소성힌지구간을 지정하여 접합부의 특성을 고려할 수 있게 하였다. 패널존을 포함한 3층 건물의 해석 모델 입면은 그림 4와 같다.
단변 방향은 양쪽 최외각 골조에 가새나 철근콘크리트 전단벽과 같은 횡력저항시스템이 존재하는 것으로 가정하여 본 연구의 논의에서 제외한다. 따라서 본 연구에서는 장변방향의 모멘트골조만을 대상으로 설계한 후 비선형해석을 수행하 였으며, 그림 2(a)에서 점선으로 표시된 골조만을 대상으로 2차원 해석을 수행하였다.
지반조건에 따른 설계 스펙트럴 가속도는 KBC2005와 KBC2009가 약간 차이가 있으므로 본 연구의 목적인 적절한 설계 계수값 결정을 위해 KBC2009로 통일하여 적용하였다. 따라서 층수 종류 2, 지반종류 4, 지진력저항시스템 2개로 총 16가지 건물을 설계하였다. 이 때 보 부재는 SS400, 기둥 부재는 SM490을 사용하였다.
역량스펙트럼법은 ATC-40⁽¹⁵⁾에서 처음 제시되어 오랜 기간 사용되었으나 많은 문제점이 지적되어 최근 FEMA440⁽¹⁶⁾에서 개선된 방식을 제시하였다. 본 연구에 서는 개선된 방식을 사용하여 성능점을 산정하였다. 요구스펙트럼은 KBC2009의 기준에 따라 각 지반조건에 맞는 스펙트럼을 사용하였다.
본 연구에서는 저층 철골모멘트골조를 KBC 기준에 따라 설계한 후 국내 접합부 형태에 대한 실험 결과를 토대로 접합부의 거동 특성을 고려한 해석 모델을 작성하여 비선형정적 푸시오버 해석을 수행하였다. 연구를 통해 얻는 결론은 다음과 같다.
성능점 위치에서 철골중간모멘트골조에 해당하는 한계수준을 만족하는지 검토하기 위해 앞서 구한 스펙트럼변위를 실제 지붕층변위로 변환하였다. 비선형정적 푸시오버 해석에 의한 성능곡선 상에서 이 지붕층변위에 해당하는 단계를 찾은 후 그 단계에서 각층의 층간변위율과 패널존 회전각을 구하였다. 각 건물별로 층간변위율과 패널존 회전각 중 최대값을 구하여 표 10과 표 11에 나타내었다.
성능점 위치에서 철골중간모멘트골조에 해당하는 한계수준을 만족하는지 검토하기 위해 앞서 구한 스펙트럼변위를 실제 지붕층변위로 변환하였다. 비선형정적 푸시오버 해석에 의한 성능곡선 상에서 이 지붕층변위에 해당하는 단계를 찾은 후 그 단계에서 각층의 층간변위율과 패널존 회전각을 구하였다.
지진력저항시 스템의 종류는 표 2에서 KBC2005에서 연성모멘트골조, KBC2009에서 중간모멘트골조를 선택하였다. 지반조건에 따른 설계 스펙트럴 가속도는 KBC2005와 KBC2009가 약간 차이가 있으므로 본 연구의 목적인 적절한 설계 계수값 결정을 위해 KBC2009로 통일하여 적용하였다. 따라서 층수 종류 2, 지반종류 4, 지진력저항시스템 2개로 총 16가지 건물을 설계하였다.
를 해석프로그 램으로 선택하였다. 철골모멘트골조의 각 구조요소들은 OpenSees에서 제공하는 요소들 중 각각의 거동특성을 가장 잘 표현할 수 있는 요소로 지정하였다. 보는 beamWithHinges, 기둥은 nonlinearBeamColumn, 패널존은 zeroLength 요소를 각각 사용하였다.
이 모델은 김태완 등⁽¹¹⁾에서 이미 사용되었다. 패널존을 가로는 기둥 깊이, 세로는 보 깊이로 구성하고 강체요소들은 힌지로 접합하되 한 곳은 그림 3과 같이 비탄성회전 스프링요소를 사용하여 패널존의 비선형거동을 모사하도록 한다. 기둥은 Fiber요소를 사용하여 축력과 모멘트가 함께 고려되도록 하였고 보는 대부분의 구간을 탄성체로 하고 양단부에 보 깊이의 1/2 만큼 소성힌지구간을 지정하여 접합부의 특성을 고려할 수 있게 하였다.

대상 데이터

보는 beamWithHinges, 기둥은 nonlinearBeamColumn, 패널존은 zeroLength 요소를 각각 사용하였다. 기둥에 적용된 nonlinearBeamColumn은 Fiber 요소로 구성되었으며 개별 Fiber 요소의 재료모델은 Steel01 을 사용하였다. 보와 패널존을 위한 재료모델은 Hysteretic 을 사용하였는데, 보의 경우는 그림 5와 같이 1% radian 소성회전각에 해당하는 곡률에서 강도가 저하하는 모델을 사용하였고 패널존은 Gupta and Krawinkler⁽¹³⁾ 의 모델을 따라 Tri-linear 형태를 사용하였다.
예제 건물은 3층 및 5층 철골모멘트골조 건물로서 그림 2(a)와 같은 평면 형태를 가진다. 3층 및 5층을 택한 이유는 국내에서 5층을 초과하는 대부분의 건물에 철근콘크리트 전단벽이 포함되기 때문이다.
예제 건물의 설계는 KBC2009를 따랐으며 지진구역은 I, 중요도계수는 1.0을 사용하였다. 지반 종류는 S_A 지반을 제외한 나머지 S_B에서 S_E까지 각각 적용하였다.
따라서 층수 종류 2, 지반종류 4, 지진력저항시스템 2개로 총 16가지 건물을 설계하였다. 이 때 보 부재는 SS400, 기둥 부재는 SM490을 사용하였다. 설계된 건물에서 기둥 부재 크기만을 표 3과 표 4에 나타내었다.

이론/모형

기둥에 적용된 nonlinearBeamColumn은 Fiber 요소로 구성되었으며 개별 Fiber 요소의 재료모델은 Steel01 을 사용하였다. 보와 패널존을 위한 재료모델은 Hysteretic 을 사용하였는데, 보의 경우는 그림 5와 같이 1% radian 소성회전각에 해당하는 곡률에서 강도가 저하하는 모델을 사용하였고 패널존은 Gupta and Krawinkler⁽¹³⁾ 의 모델을 따라 Tri-linear 형태를 사용하였다. 이들은 앞서 언급한대로각 구소요소의 특성을 잘 나타낼 수 있다.
비선형해석을 수행하기 위해 OpenSees⁽¹⁴⁾를 해석프로그 램으로 선택하였다. 철골모멘트골조의 각 구조요소들은 OpenSees에서 제공하는 요소들 중 각각의 거동특성을 가장 잘 표현할 수 있는 요소로 지정하였다.
본 연구에 서는 개선된 방식을 사용하여 성능점을 산정하였다. 요구스펙트럼은 KBC2009의 기준에 따라 각 지반조건에 맞는 스펙트럼을 사용하였다.
OpenSees를 사용하여 비선형해석모델을 작성한 후 비선 형정적 푸시오버해석을 통해 각 건물의 성능곡선을 얻었다. 이를 역량스펙트럼법을 사용하여 성능점(Performance Point)을 산정하였다. 역량스펙트럼법은 ATC-40⁽¹⁵⁾에서 처음 제시되어 오랜 기간 사용되었으나 많은 문제점이 지적되어 최근 FEMA440⁽¹⁶⁾에서 개선된 방식을 제시하였다.
앞서 기술한대로 국내 철골모멘트골조의 해석을 위해서는 패널존을 반드시 포함해야 한다. 패널존 모델은 Gupta and Krawinkler⁽¹³⁾의 패널존 모델을 차용하였다. 이 모델은 김태완 등⁽¹¹⁾에서 이미 사용되었다.

성능/효과

1. KBC 기준에 따라 저층 철골모멘트골조를 설계하면 건물 전체적으로 주로 힘에 의해 설계가 지배되고, 기둥에서는 축력비 보다 모멘트비가 더 크게 나타나며, 패널존-보 모멘트강도비 0.6 이하의 약한 패널존으로 설계된다.
2. 역량스펙트럼법에 의한 성능점 산정 결과 국내 철골중간 모멘트골조의 층간변위율은 보수적인 한계값인 2%보다도 매우 낮은 값을 보였다. 패널 회전각 또한 FEMA356 기준으로 인명안전 수준을 여유 있게 만족하는 것으로 나타났다.
3. 전통적인 국내 철골 모멘트골조는 기존 KBC2005의 연성모멘트골조로 설계하더라도 내진성능을 충분히 확보할 수도 있음을 알 수 있었다. 따라서 국내 철골 모멘트골조를 중간모멘트골조로 설계하되 KBC2009의 해당 반응수정계수 보다 큰 값을 사용할 있는 가능성을 확인하였다.
전통적인 국내 철골 모멘트골조는 기존 KBC2005의 연성모멘트골조로 설계하더라도 내진성능을 충분히 확보할 수도 있음을 알 수 있었다. 따라서 국내 철골 모멘트골조를 중간모멘트골조로 설계하되 KBC2009의 해당 반응수정계수 보다 큰 값을 사용할 있는 가능성을 확인하였다.
역량스펙트럼법에 의한 성능점 산정 결과 국내 철골중간 모멘트골조의 층간변위율은 보수적인 한계값인 2%보다도 매우 낮은 값을 보였다. 패널 회전각 또한 FEMA356 기준으로 인명안전 수준을 여유 있게 만족하는 것으로 나타났다.
64%를 만족해야 한다. 표에서와 같이 지반조건이 나빠질수록 패널회 전각이 증가하나 인명안전 수준을 만족하기에는 충분한 것으로 나타났다. 따라서 성능점에서 최대층간변위율과 최대 패널존 회전각을 검토했을 때 패널존이 붕괴방지 수준을 만족하는데 전혀 문제가 없다는 것을 알 수 있다.

후속연구

표에서 알수 있듯이 S E 지반일 때 1%를 약간 초과하는 것을 제외하고 모두 1% 이하이다. 따라서 앞서 언급한대로 국내 중간모멘트골조의 한계 층간변위율을 2%로 본다면 이들의 설계에 반응수정계수 4.5 대신에 6.0을 사용할 수 있을 것이다.
특히, 중간모멘트골조는 패널존이 약하고, 약기둥-강보로 설계되기 때문에 패널존의 에너지 소산, 약층의 발생 등과 같은 비선형동적해석으로 파악할 수있는 문제들이 있다. 앞으로 본 연구의 성과를 참고하고 고려하지 못한 주제들에 대한 연구를 진행하여 국내 철골중간 모멘트골조의 적절한 내진설계계수를 제시할 계획이다.
의 실험체가 국내 모멘트골조 접합부를 완전히 대표한다고 볼 수없다. 하지만 불확실한 변수들을 고려해 매우 보수적으로 평가한다면 국내 접합부의 성능 한계를 층간변위율 2%로볼 수 있을 것이다. 이는 문헌들의 실험 결과가 약한 패널존일 때 강도 저하 없이 저항할 수 있는 층간변위율이 3%에서 4% 이상에 이르는 것으로 나타났기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 내진설계 기준의 변천은 어떻게 되는가?	국내 내진설계 기준은 1988년에 처음 제정된 이후 AIK2000 (1) , KBC2005 (2) 를 거쳐 현재 KBC2009 (3) 가 사용 되고 있다. AIK2000에서 KBC2005로 전환될 때 가장 큰변화는 지진위험도가 500년 재현주기에서 2400년 재현주 기로 높아졌다는 것이다.
	반응수정계수가 가장 높은 골조는?	설계자는 반응수정계수가 가장 높아 설계 횡력을 가장 많이 축소할 수 있는 특수모멘트골조를 선택하고 싶지만 위와 같은 이유로 보통 또는 중간모멘트골조로 선회할 가능성이 높다. 두 시스템 중 중간모멘트골조의 반응수정계수가 크기 때문에 중간모멘트골조가 선택될 가능성이 높다.
	모멘트골조의 내진설계에서 구조물이 가져야할 것은?	모멘트골조의 내진설계는 강도와 횡변위 기준을 모두 만족해야한다. 구조물은 중력하중과 지진에 따른 횡하중에 의 해 발생하는 힘에 저항하는 충분한 강도를 가져야 하고 그횡하중에 의한 층간변위가 설계기준 이하로 발생하도록 충분한 강성을 가져야 한다. 일반적으로 강진지역에 건설되는 모멘트골조는 중력에 비해 횡하중이 매우 크므로 강도보다는 층간변위 기준에 의해 부재 크기가 결정되는 경우가 많다.

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상세보기
한상환, 권건업, “WUF-B 접합부의 내진성능평가 (1) WUF-B 접합부의 반복가력 실험,” 대한건축학회논문집, 제19권, 제11호, 33-40, 2003.
한상환, 권건업, “WUF-B 접합부의 내진성능평가 (2) WUF-B 접합부의 성능 평가,” 대한건축학회논문집, 제19권, 제11호, 41-47, 2003.
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김태완, 은희창, 민광현, “강기둥-약보 적용이 모멘트 골조의 거동에 미치는 영향,” 2009년 학술발표회 논문집, 한국지진공학회, 287-294, 2009.
Kim, T.W., “Behavior of Steel Moment Resisting Frames Designed by Korean Building Code 2005,” 2009 ANCER Workshop, 2009.
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Mazzoni, S., McKenna, F., Scott, M. H., Fenves, G. L., et al., Open System for Earthquake Engineering Simulation, User Command-Language Manual, Pacific Earthquake Engineering Research Center, 2006. http://opensees.berkeley.edu.
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FEMA440, Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis Procedures, Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C., 2005.
FEMA356, Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C., 2000.

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].

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