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[국내논문] 이중골조시스템으로 설계된 복강판-모듈러 구조물의 반응수정계수에 관한 연구
Study on the Response Modification Factor for a Lightweight Steel Panel-Modular Structure Designed as a Dual Frame System 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.15 no.1 = no.77, 2011년, pp.39 - 48  

이어진 (서울대학교 건축학과) ,  홍성걸 (서울대학교 건축학과)

초록
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본 연구에서는 복강판-모듈러 시스템과 같이 구조 기준에 명시되지 않은 새로운 시스템의 반응수정계수를 산정하는 절차를 제안하였다. 기본 개념은 구조성능 실험결과를 바탕으로 모델링 된 시스템의 비선형 정적 해석 곡선으로부터 세부 구성요소인 초과강도계수와 연성계수의 도출하고, 단자유도 시스템으로 간주하고 평가된 반응수정계수를 다자유도 동적 거동을 고려한 다자유도 밑면전단 수정계수로 수정하여 시스템의 최종적인 반응수정계수를 결정하는 것이다. 제안한 절차에 따라 이중골조시스템으로 설계된 2층부터 5층까지의 복강판-모듈러 시스템에 대해 평가한 결과, 최종적인 반응수정계수는 5층(층고 4m기준)을 복강판-모듈러 시스템의 적용 가능한 층수의 상한으로 하여 4로 결정하는 것이 타당할 것으로 판단하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this present study, a response modification factor for a lightweight steel panel-modular system which is not clarified in a current building code was proposed. As a component of the response modification factor, an over-strength factor and a ductility factor were drawn from the nonlinear static a...

주제어

#반응수정계수   #초과강도계수   #연성계수   #복강판 합성 전단벽   #모듈러 구조물   #다자유도 시스템  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 복강판-모듈러 시스템과 같은 새로운 시스템의 반응수정계수를 결정하기 위해, 시스템의 구조성능 실험 결과(4)를 바탕으로 구조물을 모델링하고, 이것을 이용하여 비선형 정적해석을 수행한 후 반응수정계수의 구성 요소들을 도출하였다. 특히, 외부 골조 없는 단일한 적층식 복강판-모듈러 시스템은 상기한 시스템적 취약성으로 인해 고층 시스템 보다 주로 중･저층 구조물에 적합할 것으로 판단하여 본 연구에서는 2층부터 5층까지의 복강판-모듈러 시스템을 평가 대상 구조물로 고려하였다.
  • (1) 본 연구의 모듈러 구조물에는 단일한 강판을 롤포밍(Roll–forming) 라인에서 다단계로 연속 성형한 후, 접합 부위를 자동 용접기로 용접하는 방식으로 생산한 신형상보(MCO Beam)가 적용되었다(그림 1). 또한, 본 연구의 선행 연구로서 기존의 적층 방식인 하부 모듈과 상부 모듈의 기둥간 볼트 연결에 의한 횡력 전달의 취약성을 보완하기 위해, 바닥보-천정보 일체화 설계를 위한 상세 및 설계법이 개발되었고, 휨 성능 실험을 수행하여 제시한 설계 방안에 의한 모듈러 구조물의 강성 및 강도 증가를 확인하였다.(2)
  • 본 연구에서는 복강판-모듈러 시스템과 같이 기준에 명시되지 않은 새로운 시스템의 반응수정계수를 결정하는 절차를 제안하고, 중･저층 복강판-모듈러 시스템을 대상으로 다자유도 동적 반응수정계수를 산정한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
  • 이것은 복강판 합성 전단벽의 소성 힌지 발생 부분인 외부 강판의 국부 좌굴의 영향에 기인하는 것이며, 이로 인해 후 좌굴 영역의 강도감소 현상(Strength Degradation Effect)이 두드러지게 된다. 본 연구에서는 이 두 현상을 복강판 합성 전단벽 모델링에 가장 중요한 요소로 고려하였다. 본 연구에서는 OpenSees 비선형 프로그램(12)의 내장 함수인 Pinching 4모델을 사용하여 이력거동에 따른 강도 및 강성의 변화, 핀칭 효과 등을 고려하고 실험결과를 토대로 복강판 합성 전단벽을 모델링(13)하였다.
  • 이때, 이 과정으로부터 도출된 반응수정계수 Rstatic 는 해석대상 시스템을 단자유도 시스템으로 고려하고 이에 대한 정적 해석으로 도출된 변위 응답과 밑면 전단력에 의해 결정된 것으로, 실제 다층 복강판-모듈러 시스템에 대해 단자유도 정적 반응수정계수 Rstatic 가 직접적으로 사용되기 위해서는 시스템의 다양한 다자유도 동적 거동(MDOF Dynamic Effect)을 고려하여 안전성을 확보할 필요가 있다. 이에 대해 본 연구에서는 Nassar와 Krawinkler(5)에 의해 연구된 다자유도 밑면전단력수정계수개념을 도입하여 다자유도 동적 효과를 고려한 복강판-모듈러 시스템의 최종적인 반응수정계수 Rdynamic 를 결정하고, 단일한 적층식 구조물로서 개발된 복강판-모듈러 시스템에 대한 적용 가능한 높이를 제안하였다.

가설 설정

  • 뿐만 아니라, 강성은 설계 기준의 하중분배에 의한 각각의 시스템의 1차 모드 주기가 KBC 2009에 의해 주어지는 주기 Ta=CThn3/4와 동일하도록 조절된다. 여기서 hn은 골조 전체의 높이이며, CT는 철골편심 가새골조의 계수 값 0.73으로 가정한다. 결과적으로, 복강판-모듈러 모델에 대한 1차 변형 모드 형상은 직선에 가깝게 된다.
  • 개발된 복강판-모듈러 시스템을 외부 골조 없는 단일한 적층식 구조체로 고려하고 층수에 따른 반응수정계수를 산정하여, 단독 구조체로서 안전한 거동을 보장할 수 있는 시스템의 반응수정계수와 층수를 평가하기 위해, 경간 6m, 전층 층고 4m인 1경간 2층부터 5층까지의 중･저층 복강판-모듈러 골조를 설계하였다. 지진하중 산정 시 설계 조건으로는 중･약진대 지반조건을 가정하여 국내 건축 구조기준에 따라 지역계수는 0.11, 지반 조건은 보통암 지반 Sb으로 하였다. 주어진 조건에 따른 설계 스펙트럼은 그림 6과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
모듈러 구조물은 어디에 적용되는가? 2003년 이후 국내에서 학교, 군 막사, 오피스텔 등 다양한 구조물에 적용되고 있는 모듈러 구조물은 인건비 및 자재 비용 상승, 숙련공 부족 등으로 인해 공기 단축의 필요성이 증대되고 있는 최근 건설 산업 현장에서 인력과 공사비를 절감시킬 수 있는 적절한 대안으로 평가 받고 있다.(1) 본 연구의 모듈러 구조물에는 단일한 강판을 롤포밍(Roll–forming) 라인에서 다단계로 연속 성형한 후, 접합 부위를 자동 용접기로 용접하는 방식으로 생산한 신형상보(MCO Beam)가 적용되었다(그림 1).
모듈러 구조물은 어떻게 평가받는가? 2003년 이후 국내에서 학교, 군 막사, 오피스텔 등 다양한 구조물에 적용되고 있는 모듈러 구조물은 인건비 및 자재 비용 상승, 숙련공 부족 등으로 인해 공기 단축의 필요성이 증대되고 있는 최근 건설 산업 현장에서 인력과 공사비를 절감시킬 수 있는 적절한 대안으로 평가 받고 있다.(1) 본 연구의 모듈러 구조물에는 단일한 강판을 롤포밍(Roll–forming) 라인에서 다단계로 연속 성형한 후, 접합 부위를 자동 용접기로 용접하는 방식으로 생산한 신형상보(MCO Beam)가 적용되었다(그림 1).
복강판-모듈러 시스템의 초과강도계수를 평가하기 위해 IBC에서 제시한 세가지 구성요소는? 본 연구에서는 복강판-모듈러 시스템의 초과강도계수를 평가하기 위해 IBC(International Building Code)(9)에서 제시한 다음과 같은 세 가지 초과강도 구성요소를 적용한다. 즉, 초과강도를 부재 단면 산정 시 여유 강도, 설계 시 최소 철근비, 횡변위 제어를 위한 처짐 제한 등의 영향으로 발생하는 설계초과강도 RD(Design Over -strength), 부재설계 시의 강도감소계수와 변형 경화 에 의한 재료초과강도 RM(Material Over-strength), 부재 항복 이후의 소성거동에 의한 시스템 초과강도 RS(System Over-strength)로 구분하고 각각 의 기여도의 곱으로 구조물의 초과강도를 평가한다. 그림 3은 이러한 초과강도의 구성 요소들을 나타낸 것이고, 식 (2)-(4)는 각각의 초과강도계수 산정식이며, 최종적인 초과강도계수는 식 (5)와 같이 표현된다.
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참고문헌 (17)

  1. 이철호, 김정재, 홍성걸, 조봉호, 김홍진, “모듈러 공법 적용을 위한 신형상 냉간성형 철골보의 휨거동,” 대한건축 학회 학술발표대회, 제26권, 제 1호, 277-280, 2006. 

  2. 이철호, 김정재, 홍성걸, 조봉호, 김홍진, 한규홍, “실대형 구조 실험에 의한 신형상보 모듈러 건축물의 내진/내풍성능 평가,” 대한건축학회 학술발표대회, 제 27권, 제 1호, 29-32, 2007. 

  3. 정경수, 정진안, 조봉호, 홍성걸, 정종현, “반복 횡하중을 받는 복강판 패널의 구조성능에 대한 실험적 연구,”대한 건축학회 논문집, 제 24권, 제 2호, 35-42, 2008. 

    상세보기

  4. 정경수, 정진안, 조봉호, 홍성걸, 정종현, “반복휨전단을 받는 복강판 패널의 구조성능평가,”대한건축학회 학술발표 대회, 제 27권, 제 1호, 41-44, 2007. 

  5. Nassar, A. A., Krawinkler, H., “Seismic Demands for SDOF and MDOF Systems,” John A. Blume, Earthquake Engineering Center, Report, No. 95, Stanford University, Stanford, California,1991. 

  6. ATC, Structural Response Modification Factors, ATC -19 Report, ATC, Redwood City, California, 1995. 

  7. ATC, A Critical Review of Current Approaches to Earthquake-Resistant Design, ATC-34 Report, ATC, Redwood City, California, 1995. 

  8. ATC, Quantification of Building Seismic Performance Factors, ATC-63 Project, FEMA 695, Washington. D.C., 2009. 

  9. International code council, 2009 International Building Code, International Code Council, INC. 2009. 

  10. 박용구, 고현, 이동근, “ RC 모멘트저항골조의 초과강도 평가,” 한국지진공학회 학술발표대회, 제 12권, 321-328, 2008. 

  11. FEMA, Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA-356, Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C., 2000. 

  12. Silvia, M., et al., OpenSees Command Language Manual, 2007. 

  13. Moon, J. H., “Experimental Study on Lightweight Steel Panels Subjected to Cyclic Loading,” Master's Thesis, Seoul National University, 2009. 

  14. Lee, E. J., “Seismic Behavior and Response Modification Factors for Lightweight Steel Panel-Modular Systems,” Master's Thesis, Seoul National University, 2010. 

  15. 대한건축학회, 건축구조설계기준, KBC 2009, 2009. 

  16. Somerville, P., Smith, N., Punnyamurthula, S., Sun, J., “Development of Ground Motion Time Histories for Phase 2 of the FEMA/SAC Steel Project,” SAC Joint Venture, Report, No. SAC/BD-97/04, 1997. 

  17. Chopra, A. K., Dynamic of Structures, Prentice-Hall, New Jersey, 257-304, 1995. 

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