이 연구에서는 평면, 입면 및 구조적 특성이 다양한 철근 콘크리트 고층 아파트 건물의 고유주기를 예측할 수 있는 새로운 식을 제안하였다. 제안식은 벽체의 진동이론과 지진시 계측된 건물들의 고유주기로부터 개발 되었으며, 평면에서 다양한 방향으로 설계된 전단벽의 구조적 특성을 적절히 반영할 수 있다. 제안식의 검증을 위해 신축 중인 국내 아파트 건물 10개동의 고유주기를 측정하였으며, 측정된 고유주기는 제안식 및 KBC 2009, ASCE 7-10과 같은 기준식들과 비교 하였다. 비교 결과, 제안식은 기준식에 비해 최근의 철근콘크리트 전단벽 건물 특성을 합리적으로 반영함으로써 고유주기를 보다 정확하게 예측하는 것으로 나타났다.
이 연구에서는 평면, 입면 및 구조적 특성이 다양한 철근 콘크리트 고층 아파트 건물의 고유주기를 예측할 수 있는 새로운 식을 제안하였다. 제안식은 벽체의 진동이론과 지진시 계측된 건물들의 고유주기로부터 개발 되었으며, 평면에서 다양한 방향으로 설계된 전단벽의 구조적 특성을 적절히 반영할 수 있다. 제안식의 검증을 위해 신축 중인 국내 아파트 건물 10개동의 고유주기를 측정하였으며, 측정된 고유주기는 제안식 및 KBC 2009, ASCE 7-10과 같은 기준식들과 비교 하였다. 비교 결과, 제안식은 기준식에 비해 최근의 철근콘크리트 전단벽 건물 특성을 합리적으로 반영함으로써 고유주기를 보다 정확하게 예측하는 것으로 나타났다.
A new formula is proposed for the fundamental period of high-rise residential concrete shear-wall (SW) buildings. This formula, developed on the basis of dynamics with the recorded fundamental period during the recent earthquakes, can consider the wall stiffness with respect to any direction. To ver...
A new formula is proposed for the fundamental period of high-rise residential concrete shear-wall (SW) buildings. This formula, developed on the basis of dynamics with the recorded fundamental period during the recent earthquakes, can consider the wall stiffness with respect to any direction. To verify the proposed formula, the fundamental period of 10 sample buildings, measured during construction, is compared with the predicted fundamental period. Furthermore, the empirical formulas presented in the building codes KBC 2009 and ASCE 7-10, are also compared with the proposed formula to show a rationality of the proposed formula. The comparison results show that the proposed formula not only can rationally consider the characteristics of each shear-wall, but that it also accurately predicts the fundamental period of the buildings.
A new formula is proposed for the fundamental period of high-rise residential concrete shear-wall (SW) buildings. This formula, developed on the basis of dynamics with the recorded fundamental period during the recent earthquakes, can consider the wall stiffness with respect to any direction. To verify the proposed formula, the fundamental period of 10 sample buildings, measured during construction, is compared with the predicted fundamental period. Furthermore, the empirical formulas presented in the building codes KBC 2009 and ASCE 7-10, are also compared with the proposed formula to show a rationality of the proposed formula. The comparison results show that the proposed formula not only can rationally consider the characteristics of each shear-wall, but that it also accurately predicts the fundamental period of the buildings.
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문제 정의
따라서 이 연구에서는 이러한 철근콘크리트 전단벽 구조 건물에 적합한 고유주기 산정식의 개발을 목표로 하였다. 이를 위해 최근에 건설된 국내 아파트 10개동의 상시진동 고유주기가 측정되었으며, 측정된 고유주기는 본 연구에서 벽체의 진동 이론으로부터 개발된 고유주기 산정 제안식의 검증을 위해 사용되었다.
이 연구는 다양한 형태를 갖는 철근 콘크리트 전단벽 구조 건물의 고유주기를 합리적으로 예측하기 위해 수행되었으며, 연구에서 제안된 고유주기 산정식은 신축 중인 국내 아파트 건물의 고유주기 계측 결과를 통해 비교 및 검증 되었다. 본 연구의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
가설 설정
∙ 벽량이 작은 전단벽 구조 건물(101,103동 약축방향) :고유주기를 높게 산정함.
제안 방법
측정된 고유주기는 기준식들과 비교되었으며, 당시의 기준식들은 대상 건물의 고유주기를 적절히 예측하지 못하는 것으로 평가되었다. 이에 따라 연구에서는 높이와 벽량을 변수로 한 식 (1)을 철근콘크리트 전단벽 구조 건물의 고유주기 산정식으로 제안하였다.
에서는 내진설계가 적용된 철근 콘크리트 장방형 아파트의 사용성 설계용 고유주기 산정식을 제안하였다. 이를 위해 1988년 이후에 건립된 서울시 소재의 민영아파트 22개동에 대한 상시 미진동 고유주기가 측정 되었으며, 측정 결과의 분석을 통해 단변과 장변에 대해 각각 높이에 비례하는 사용성 고유주기식인 식 (5),(6)을 제안하였다.
이에 따라 연구(2)에서는 이론적으로 적합한 새로운 형태의 주기식을 개발하기 위해 벽체의 휨과 전단 거동에 대한 고유주기 식을 SRSS(Square Root of Sum of Squares) 조합하였으며, 조합한 이론식을 측정된 고유주기에 맞추어 식 (7),(8)과 같은 고유주기 하한과 상한 산정식을 제안하였다.
Goel and Chopra(2)의 전단벽 구조 이론과는 달리 수직부재에 대한 슬래브의 강성 크기에 따라 휨 거동을 두 가지로 구분하였다. 즉, 그림 1과 같이 건물의 거동을 크게 전단과 휨 거동으로 구분하였으며, 휨 거동의 경우 다시 슬래브의 커플링 정도에 따라 개별 부재의 휨 거동과 건물 전체의 휨 거동으로 구분하였다. 특히, 건물 전체의 휨 거동은 부재의 축 변형 효과까지 포함된 거동 특성을 나타낸다.
이 연구에서는 건물을 손상시키지 않으며 비교적 쉽게 데이터를 취득하기 위해 상시 미진동에 대한 고유주기를 측정한 후, 인력을 이용하여 측정된 진폭의 공진여부를 판단하여 취득한 데이터가 건물의 고유 진동수임을 확인하는 방법으로 건물의 고유주기를 결정하였다.
각 건물의 고유주기는 그림 2의 대상건물 평면 정보에서 제시된 X와 Y, 두 방향으로 각각 측정되었으며, 측정된 두 방향의 고유주기 결과 중 작은 값을 강축방향 고유주기, 큰 값을 약축방향 고유주기로 결정하였다. 이러한 결과는 표 1에 정리되어 있다.
본 절에서는 2절에서 언급한 현행 기준 및 기존 연구의 고유주기 산정식인 식 (1)-(6)을 표 1에 제시된 고유주기 측정결과를 통해 분석 및 검증하였다. 식 (7),(8)은 ASCE 7-10의 기준식인 식 (2)에 포함 되었기에 검증대상에서 제외하였다.
앞에서 제시한 방법들을 종합하여 다음과 같은 철근콘크리트 전단벽 구조 건물의 고유주기 산정식을 제안한다.
2. ASCE 7-10에서 제시하는 철근콘크리트 전단벽 구조의 고유주기 기준식을 근거로 여러 방향으로 나열된 전단벽의 강성을 고려할 수 있는 주기 산정식을 제안하였다. 이제안식은 벽량이 일정 범위내에 속하는 전단벽 구조 건물의 고유주기만을 정확히 예측하는 결과를 보였기에 제안식이 유효한 벽량 범위가 결정되었다.
이제안식은 벽량이 일정 범위내에 속하는 전단벽 구조 건물의 고유주기만을 정확히 예측하는 결과를 보였기에 제안식이 유효한 벽량 범위가 결정되었다. 이러한 벽량 범위를 벗어나는 건물의 고유 주기 산정식은 벽량이 큰 건물과 작은 건물로 구분하고 각각의 거동 특성을 고려하여 제안하였다. 또한, 내부가 기둥으로 구성된 전단벽 구조 건물은 특수한 전단벽 구조 건물로 구분하여 이에 적합한 기본 진동 주기식을 제안하였다.
이러한 벽량 범위를 벗어나는 건물의 고유 주기 산정식은 벽량이 큰 건물과 작은 건물로 구분하고 각각의 거동 특성을 고려하여 제안하였다. 또한, 내부가 기둥으로 구성된 전단벽 구조 건물은 특수한 전단벽 구조 건물로 구분하여 이에 적합한 기본 진동 주기식을 제안하였다. 제안된 식들은 최근의 철근콘크리트 전단벽 구조 건물의 구조적인 특성을 보다 합리적으로 반영할 수 있으며, 현행 기준식과 비교할 때 측정주기를 보다 정확히 예측하는 것으로 평가되었다.
대상 데이터
따라서 이 연구에서는 이러한 철근콘크리트 전단벽 구조 건물에 적합한 고유주기 산정식의 개발을 목표로 하였다. 이를 위해 최근에 건설된 국내 아파트 10개동의 상시진동 고유주기가 측정되었으며, 측정된 고유주기는 본 연구에서 벽체의 진동 이론으로부터 개발된 고유주기 산정 제안식의 검증을 위해 사용되었다.
고유주기 측정대상 건물은 성남 판교지구에 신축중인 아파트로 하였으며, 건물의 형태, 높이 및 구조형식을 고려하여 그림 2와 같이 10개동을 선정하였다(7). 각 건물의 세부적인 정보는 표 1에 정리되어 있다.
데이터처리
본 연구에서 제안한 고유주기 산정식의 검증을 위해 표 2와 같이 고유주기 측정값에 대하여 제안식에 의한 예측 결과를 비교 하였다. 전체적인 일치성은 그림 6으로부터 확인할 수 있다.
이론/모형
따라서 측정된 상시진동 고유주기를 설계용 고유주기 산정식의 개발에 활용하기 위해서는 상시진동 고유주기와 지진계측 고유주기와의 적절한 상관관계가 가정되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 상관관계의 적용을 위해 Marshall의 연구결과(8)를 활용하였으며, Marshall의 연구결과에 따라 측정된 상시진동 고유주기의 125%를 실제 지진에 의한 건물의 고유주기로 결정하였다. 한편, Marshall 의 연구에서는 1989년 로마 프리에타(Loma Prieta) 지진시계측된 건물의 고유주기와 상시 미진동에 의한 고유주기와의 상관관계를 다루었으며, 연구에서의 주기 측정대상 건물이었던 California State University Administration Building (61m)과 Pacific Park Plaza Building(94m)은 철근콘크리트 골조와 전단벽이 혼합된 구조로서 높이와 구조형식이 본 연구에서의 대상건물과 유사하여 연구에서 제시한 상관관계를 활용하였다.
성능/효과
에서는 철근콘크리트 전단벽 구조 건물의 고유주기 산정식을 개발하기 위해 1998년 3월부터 1999년 4월까지 국내 아파트 건물 50개동의 상시 미진동 고유주기를 측정하였다. 측정된 고유주기는 기준식들과 비교되었으며, 당시의 기준식들은 대상 건물의 고유주기를 적절히 예측하지 못하는 것으로 평가되었다. 이에 따라 연구에서는 높이와 벽량을 변수로 한 식 (1)을 철근콘크리트 전단벽 구조 건물의 고유주기 산정식으로 제안하였다.
이러한 결과는 표 1에 정리되어 있다. 특히, 106동과 같이 두 방향으로의 평면 정보가 거의 유사한 건물의 경우 강축과 약축으로의 고유주기 역시 유사한 값으로 측정되었으며, 101, 307동과 같이 한쪽 방향의 평면 치수가 다른 방향보다 매우 긴 장방형 건물의 경우 전단벽이 주로 단변 방향으로 많이 배치되어 두 방향으로의 고유주기 값들은 큰 차이를 보이지 않았다. 한편, 504동의 경우 510동과 평면은 동일하지만 세 타워들의 층수가 각각 다른 이유로 각 방향별 고유주기가 510동에 비해 약 8-10% 짧게 측정 되었으며, 510동의 경우 높이와 평면이 911동과 유사함에도 불구하고 911동의 주기보다 약 18-27% 길게 측정되었다.
전체적인 일치성은 그림 6으로부터 확인할 수 있다. 표 2에 나타난 바와 같이 측정 결과에 대한 제안식의 오차는 평균 16.3%, 표준편차는 0.1467이며, 표 2에서 빗금친 경우와 같이 오차가 특히 큰 4가지 데이터를 제외하면 평균 오차율은 7.3%로서 제안식은 대체적으로 측정 주기를 보수적이면서도 정확히 예측하는 결과를 보였다. 다만, 오차가 다소 큰 4가지 경우에 관해서는 더 많은 고유주기 측정 실험을 통한 제안식의 검증이 추후 필요할 것으로 판단된다.
1. KBC 2009와 ASCE 7-10에서 제시하는 철근콘크리트 전단벽 구조의 고유주기 기준식은 측정된 대상 건물들의 고유주기를 낮게 평가하였으며, 모든 건물에 적용 가능한 고유주기 기준식은 높이만을 변수로서는 동일한 높이를 갖는 서로 다르게 측정된 대상건물의 고유주기 값을 적절히 예측하지 못하는 한계를 나타냈다. 한편, 상시 미진동 측정에 의한 기존 연구의 고유주기 제안식들은 검증 대상건물의 고유주기를 다소 높게 예측하였다.
ASCE 7-10에서 제시하는 철근콘크리트 전단벽 구조의 고유주기 기준식을 근거로 여러 방향으로 나열된 전단벽의 강성을 고려할 수 있는 주기 산정식을 제안하였다. 이제안식은 벽량이 일정 범위내에 속하는 전단벽 구조 건물의 고유주기만을 정확히 예측하는 결과를 보였기에 제안식이 유효한 벽량 범위가 결정되었다. 이러한 벽량 범위를 벗어나는 건물의 고유 주기 산정식은 벽량이 큰 건물과 작은 건물로 구분하고 각각의 거동 특성을 고려하여 제안하였다.
또한, 내부가 기둥으로 구성된 전단벽 구조 건물은 특수한 전단벽 구조 건물로 구분하여 이에 적합한 기본 진동 주기식을 제안하였다. 제안된 식들은 최근의 철근콘크리트 전단벽 구조 건물의 구조적인 특성을 보다 합리적으로 반영할 수 있으며, 현행 기준식과 비교할 때 측정주기를 보다 정확히 예측하는 것으로 평가되었다.
후속연구
3%로서 제안식은 대체적으로 측정 주기를 보수적이면서도 정확히 예측하는 결과를 보였다. 다만, 오차가 다소 큰 4가지 경우에 관해서는 더 많은 고유주기 측정 실험을 통한 제안식의 검증이 추후 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
타워형 아파트 건물이 갖는, 기존의 판상형 건물과 다른 구조적 특징은 무엇인가?
이러한 아파트 건물은 과거의 중 ·저층의 판상형에서 최근에는 고층의 타워형으로 변화하는 추세이다. 특히, 비정형 평면이 다수인 타워형 아파트 건물은 다양한 방향의 전단벽과 더불어 기둥과 같은 골조 구조까지 혼합되는 등 기존의 판상형 건물과는 다른 구조적 특성을 나타낸다. 그러나 이러한 타워형 아파트 건물의 고유주기 계측 결과 및 동적거동 특성에 관한 연구는 현재 미흡한 실정이다.
현행 국내 구조설계 기준인 KBC 2009에서 제시하고 있는 고유주기 산정 기준식은 무엇을 근거로 결정되었는가?
현행 국내 구조설계 기준인 KBC 2009(1)에서 제시하고 있는 고유주기 산정 기준식은 1971년에 발생한 산 페르난도(San Fernando) 지진시 계측된 건물들의 고유주기값을 근거로 결정되었다.(2) 그러나 현재의 설계대상 건물들은 규모, 형태, 재료 및 구조 등이 변화하여 당시의 건물과는 다른 거동 특성을 나타낸다.
본 논문에서 다양한 형태를 갖는 철근 콘크리트 전단벽 구조 건물의 고유주기를 합리적으로 예측하기 위해 제안된 고유주기 산정식을 신축 중인 국내 아파트 건물의 고유주기 계측 결과를 통해 비교 및 검증하여 얻은 결론은 무엇인가?
1. KBC 2009와 ASCE 7-10에서 제시하는 철근콘크리트 전단벽 구조의 고유주기 기준식은 측정된 대상 건물들의 고유주기를 낮게 평가하였으며, 모든 건물에 적용 가능한 고유주기 기준식은 높이만을 변수로서는 동일한 높이를 갖는 서로 다르게 측정된 대상건물의 고유주기 값을 적절히 예측하지 못하는 한계를 나타냈다. 한편, 상시 미진동 측정에 의한 기존 연구의 고유주기 제안식들은 검증 대상건물의 고유주기를 다소 높게 예측하였다. 더욱이, 공통적으로 현행 기준식 및 기존 연구의 제안식들은 타워형 아파트 건물과 같이 전단벽이 여러방향으로 건물의 고유주기는 산정할 수 없는 한계를 나타냈다.
2. ASCE 7-10에서 제시하는 철근콘크리트 전단벽 구조의 고유주기 기준식을 근거로 여러 방향으로 나열된 전단벽의 강성을 고려할 수 있는 주기 산정식을 제안하였다. 이제안식은 벽량이 일정 범위내에 속하는 전단벽 구조 건물의 고유주기만을 정확히 예측하는 결과를 보였기에 제안식이 유효한 벽량 범위가 결정되었다. 이러한 벽량 범위를 벗어나는 건물의 고유 주기 산정식은 벽량이 큰 건물과 작은 건물로 구분하고 각각의 거동 특성을 고려하여 제안하였다. 또한, 내부가 기둥으로 구성된 전단벽 구조 건물은 특수한 전단벽 구조 건물로 구분하여 이에 적합한 기본 진동 주기식을 제안하였다. 제안된 식들은 최근의 철근콘크리트 전단벽 구조 건물의 구조적인 특성을 보다 합리적으로 반영할 수 있으며, 현행 기준식과 비교할 때 측정주기를 보다 정확히 예측하는 것으로 평가되었다.
참고문헌 (8)
대한건축학회, “건축구조기준”, 대한건축학회, 서울, 2009.
Goel, R.K., and Chopra, A.K., “Period Formula for Concrete Shear Wall Buildings,” Journal of Structural Engineering, Vol. 124, No. 4, 426-433, 1998.
Lee, L.H., Chang, K.K., and Chun, Y.S., “Experimental Formula for the Fundamental Period of RC Buildings with Shear-Wall Dominant Systems,” The Structural Design of Tall Buildings, Vol. 9, 295-307, 2000.
ASCE 7-10, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers, Virginia, 2009.
Zalka, K.A., “A Simplified Method for Calculation of the Natural Frequencies of Wall-Frame Buildings,” Engineering Structures, Vol. 23, 1544-1555, 2001.
대한건축학회, 한국지진공학회, 지진저항 시스템 정의 및 진동 주기 적용기준수립에 관한 연구, 대한주택공사, 서울, 2009.
Marshall, R.D., Phan, L.T., and Celebi, M., “Full Scale Measurement of Building Response to Ambient Vibration and the Loma Prieta Earthquake,” Proceedings of 5th U.S. National Conference on Earthquake Engineering, Earthquake Awareness and Mitigation Across the Nation, Vol. 11,
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