[논문]5층 철근콘크리트 중간모멘트골조의 반응수정계수에 관한 연구

강석봉; 임병진

doi:10.5000/eesk.2012.16.5.013

5층 철근콘크리트 중간모멘트골조의 반응수정계수에 관한 연구
A Study on the Response Modification Factor for a 5-Story Reinforced Concrete IMRF 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.16 no.5 = no.87, 2012년, pp.13 - 21

초록
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본 논문에서는 푸쉬오버해석을 통해 철근콘크리트 중간모멘트골조의 반응수정계수를 확인하기 위하여 5층 구조물을 KBC2009에 맞게 구조설계 하였다. 보 및 기둥 부재의 휨모멘트-곡률 관계는 화이버 모델로 확인하였으며 보-기둥 접합부 모멘트-회전각 관계는 Simple and Unified Joint Shear Behavior Model과 보-기둥 접합부 모멘트 평형관계를 이용하여 확인하였다. 푸쉬오버해석 결과 보-기둥 접합부 비탄성 전단거동을 무시하는 경우 구조물의 강도가 과대평가 되었다. 반응수정계수는 내진설계범주 C에 대하여 설계한 경우 평균 7.78, 내진설계범주 D에 대하여 설계한 경우 평균 3.64로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the response modification factor for a RC IMRF is evaluated via pushover analysis, where 5-story structures were designed in accordance with KBC2009. The bending moment-curvature relationship for beams and columns was identified with a fiber model, and the bending moment-rotation relationship for beam-column joints was calculated using a simple and unified joint shear behavior model and the moment equilibrium relationship for the joint. The results of the pushover analysis showed that the strength of the structure was overestimated with negligence of the inelastic shear behavior of the beam-column joint, and that the average response modification factor for category C was 7.78 and the factor for category D was 3.64.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 내진설계범주 C 및 D의 철근콘크리트 중간모멘트골조에 대한 보-기둥 접합부 및 횡하중 수직분포가 구조물 거동에 미치는 영향을 푸쉬오버해석을 통해 확인하고 해석 결과를 활용하여 반응수정계수를 확인하는데 목적이 있다.
본 연구에서는 내진설계범주 C 및 D에 대한 철근콘크리트 중간모멘트골조를 KBC2009에 맞게 설계하고 비탄성 정적해석인 푸쉬오버해석을 실시하여 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 비탄성 전단거동과 횡하중 수직분포가 구조물 거동에 미치는 영향을 살펴보고 해석결과를 활용하여 예제구조물의 반응수정계수를 확인 할 것이다. 비탄성 정적해석 결과 분석을 통해 실무에서 참고 할 수 있는 기초자료를 제시하고자 한다.
KBC2009에서는 내진설계범주 D의 철근콘크리트 중간모멘트골조에 대해 시스템과 높이 제한 없이 반응수정계수 5로 허용하고 있으나 IBC2000에서는 시스템 적용을 제한하고 있다. 본 연구에서는 지반종류 S_B 내진설계범주 C와 지반종류 S_D 내진설계범주 D의 두 가지 5층 철근콘크리트 중간모멘트골조에 대해 반응수정계수를 확인하고 보-기둥 접합부의 비탄성 전단거동과 고차모드를 고려한 횡하중 수직분포 형태가 구조물에 미치는 영향을 살펴보기 위해 푸쉬 오버해석을 수행하였다. 그에 따른 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 내진설계범주 C 및 D에 대한 철근콘크리트 중간모멘트골조를 KBC2009에 맞게 설계하고 비탄성 정적해석인 푸쉬오버해석을 실시하여 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 비탄성 전단거동과 횡하중 수직분포가 구조물 거동에 미치는 영향을 살펴보고 해석결과를 활용하여 예제구조물의 반응수정계수를 확인 할 것이다. 비탄성 정적해석 결과 분석을 통해 실무에서 참고 할 수 있는 기초자료를 제시하고자 한다.

가설 설정

부재 비탄성 강성도 행렬은 단부와 변곡점 사이에서 부재 강성도가 선형으로 분포한다고 가정하는 유연도 선형분포 모델을 이용하여 유도하였다. 부재의 요소 개수는 선행연구 (1) 를 통해 확인한 적절한 개수를 적용하여 오차 및 해석시간을 줄였다.

제안 방법

KBC2009에 맞게 설계 된 예제구조물에 대하여 자체개발한 비탄성 정적 및 동적 구조해석 프로그램을 활용하여 푸쉬오버해석을 실시하였다. 보 및 기둥 부재의 휨모멘트-곡률 관계는 화이버 모델을 이용하고 보-기둥 접합부의 전단 응력-전단변형률 관계는 Simple and Unified Joint Shear Behavior Model을 이용하여 확인하였다.
지반종류 S_B 내진설계범주 C와 지반종류 S_D 내진설계범주 D의 두 가지 중간모멘트골조로 구조설계를 실시하였다. 구조설계는 MIDAS Gen을 이용하였으며 결과는 표 1, 2에 나타내었다.
본 연구에서는 선행연구 (1),(2) 의 보-기둥 접합부 해석모델을 이용하였다. 그림 4와 같이 등가 모멘트-회전각 관계의 회전 스프링을 기둥 중심선 양쪽에 위치시키고 보-기둥 접합면에서 발생하는 양단 합 모멘트를 추적하여 동일한 회전각이 발생하도록 하고 접합부 내 강체 요소로 전단변형을 제외한 추가적인 변형이 발생하지 않도록 하였다.
보 및 기둥 부재의 한계변형은 그림 2의 휨모멘트-곡률 관계에서 급격한 강도저하가 발생하는 곡률이며 보-기둥 접합부는 Simple and Unified Joint Shear Behavior Model의 최대전단변형을 한계변형으로 설정하였다.
전단응력-전단변형률 관계에서 보-기둥 접합부의 대각균열(A), 횡방향 철근의 항복(B), 최대강도(C)와 최대 전단변형(D)을 확인할 수 있다. 보-기둥 접합부 전단응력-전단변형률 관계를 삼선형 해석모델로 단순화하여 해석에 적용하였다. 그림 3에 Simple and unified joint shear behavior model을 이용하여 X2열 외부 보-기둥 접합부에 대한 전단응력-전단변형률 관계를 나타내었다.
구조물 한계상태는 구조물의 최대변위, 층간변위, 부재의 변형 등 다양한 방법으로 규정할 수 있다. 본 연구에서는 FEMA-356에서 제시한 철근콘크리트 골조구조물의 붕괴방지 성능 수준인 최대층간변위 4%와 부재 및 보-기둥 접합부의 한계 변형을 고려한 최대변위 중 작은 값이 발생하는 경우를 구조물 한계상태로 정의하였다.
본 연구에서는 그림 14와 같이 구조물 한계상태까지의 밑면전단력-지붕층변위 관계를 등가에너지 개념을 적용해 이선형으로 이상화하여 강도계수(Rs)와 연성계수(Rμ)를 산정하였다.
지진력저항시스템은 모멘트-저항골조시스템 중 내진설계범주 D에서 KBC2009의 경우 사용 가능한 철근콘크리트 중간모멘트골조를 선정하였으며 반응수정계수는 5이다. 지반종류 S_B 내진설계범주 C와 지반종류 S_D 내진설계범주 D의 두 가지 중간모멘트골조로 구조설계를 실시하였다. 구조설계는 MIDAS Gen을 이용하였으며 결과는 표 1, 2에 나타내었다.
철근콘크리트 중간모멘트골조에 대한 보-기둥 접합부 및 횡하중 수직분포의 영향을 고려한 푸쉬오버해석을 실시하여 강성도, 강도, 층간변위, 소성힌지 분포와 반응수정계수 등에 대한 구조물 내진성능을 평가하였다.
푸쉬오버해석 과정에서 강체 다이어프램 거동을 고려하여 그림 5와 같이 X1열∼X6열을 연결한 연결골조에 대해서 구조해석을 실시하였다.

대상 데이터

지진력저항시스템은 모멘트-저항골조시스템 중 내진설계범주 D에서 KBC2009의 경우 사용 가능한 철근콘크리트 중간모멘트골조를 선정하였으며 반응수정계수는 5이다. 지반종류 S_B 내진설계범주 C와 지반종류 S_D 내진설계범주 D의 두 가지 중간모멘트골조로 구조설계를 실시하였다.

이론/모형

KBC2009에 맞게 설계 된 예제구조물에 대하여 자체개발한 비탄성 정적 및 동적 구조해석 프로그램을 활용하여 푸쉬오버해석을 실시하였다. 보 및 기둥 부재의 휨모멘트-곡률 관계는 화이버 모델을 이용하고 보-기둥 접합부의 전단 응력-전단변형률 관계는 Simple and Unified Joint Shear Behavior Model을 이용하여 확인하였다. 횡하중 수직분포는 KBC2009 등가정적해석법 횡하중과 Kim⁽³⁾과 Freeman⁽⁶⁾이 각각 제시한 방법으로 고려하였다.
본 연구에서는 선행연구 (1),(2) 의 보-기둥 접합부 해석모델을 이용하였다. 그림 4와 같이 등가 모멘트-회전각 관계의 회전 스프링을 기둥 중심선 양쪽에 위치시키고 보-기둥 접합면에서 발생하는 양단 합 모멘트를 추적하여 동일한 회전각이 발생하도록 하고 접합부 내 강체 요소로 전단변형을 제외한 추가적인 변형이 발생하지 않도록 하였다.
철근콘크리트 보 및 기둥 단면의 휨모멘트-곡률 관계는 화이버 모델을 이용하여 확인하였다. 외부콘크리트에 Modified Hognestad Model⁽⁹⁾과 내부콘크리트에는 Hoshikuma Model⁽¹⁰⁾을 적용하여 횡방향 철근의 구속효과를 고려하였다. 화이버 모델에서 구한 비선형 거동은 오버슈팅 문제가 발생하며 기하비선형 고려시 반복법을 사용해야 하므로 그림 2와 같이 삼선형 해석모델을 이용하여 단순화 하였다.
철근콘크리트 보 및 기둥 단면의 휨모멘트-곡률 관계는 화이버 모델을 이용하여 확인하였다. 외부콘크리트에 Modified Hognestad Model⁽⁹⁾과 내부콘크리트에는 Hoshikuma Model⁽¹⁰⁾을 적용하여 횡방향 철근의 구속효과를 고려하였다.
외부콘크리트에 Modified Hognestad Model⁽⁹⁾과 내부콘크리트에는 Hoshikuma Model⁽¹⁰⁾을 적용하여 횡방향 철근의 구속효과를 고려하였다. 화이버 모델에서 구한 비선형 거동은 오버슈팅 문제가 발생하며 기하비선형 고려시 반복법을 사용해야 하므로 그림 2와 같이 삼선형 해석모델을 이용하여 단순화 하였다. 화이버 모델에서 급격한 강도 저하가 발생하는 곡률을 한계상태로 그림 2에 나타내었다.
보 및 기둥 부재의 휨모멘트-곡률 관계는 화이버 모델을 이용하고 보-기둥 접합부의 전단 응력-전단변형률 관계는 Simple and Unified Joint Shear Behavior Model을 이용하여 확인하였다. 횡하중 수직분포는 KBC2009 등가정적해석법 횡하중과 Kim⁽³⁾과 Freeman⁽⁶⁾이 각각 제시한 방법으로 고려하였다.

성능/효과

1. 비탄성 보-기둥 접합부의 경우 횡하중이 설계밑면전단력에 도달하기 전에 접합부 비탄성 변형이 발생하였으며 강체 접합부의 경우에 비해 내진설계범주 D 구조물에서 비탄성 변형은 보 및 기둥에서 감소하고 접합부에 집중되는 반면 내진설계범주 C 구조물에서는 보 및 기둥에서 변화가 없었다. 구조물 비탄성 변형은 내진설계범주 C 경우 보다 내진설계범주 D 경우에 하부 층에 집중되었다.
2. 보-기둥 접합부 비탄성 전단거동에 관계없이 구조물 비탄성 변형은 KBC2009 및 Kim의 경우 보다 Freeman 횡하중 수직분포에서 하부층에 집중되어 연성계수와 반응수정계수가 가장 작게 평가 되었다.
84배 적었다. 3가지 횡하중에 대하여 내진설계범주 D의 강도는 C에 비해 평균 1.16배 컸다. 5.
비탄성 보-기둥 접합부의 경우 KBC2009와 Kim 횡하중 수직분포 형태에 대하여 구조물의 강성도 및 강도가 비슷하였다. KBC2009 횡하중 보다 Freeman 횡하중에 대한 구조물의 강도는 평균 1.14배 크며 최대지붕층변위는 평균 0.84배 적었다. 3가지 횡하중에 대하여 내진설계범주 D의 강도는 C에 비해 평균 1.
표 4와 그림 15에 강도계수, 연성계수와 반응수정계수를 나타내었다. 비탄성 보-기둥 접합부에 대한 구조물의 강도계수 및 연성계수는 강체 접합부에 대하여 평균 90%, 110%로 평가되었다.
D-R에서는 기둥에 소성힌지가 다수 발생하며 D-I에서는 보-기둥 접합부에서 균열 및 항복이 다수 발생하였다. 소성힌지 분포에서 보-기둥 접합부 비탄성 전단거동이 구조물에 미치는 영향은 내진설계범주 C 구조물 보다 D 구조물에서 크게 나타났다. 내진설계범주 D 구조물에서 비탄성 변형이 하부 층에 집중되어 내진설계범주 C 구조물 보다 D 구조물이 취성거동을 보였다.

후속연구

3. 비탄성 정적해석은 강도계수, 연성계수, 반응수정계수 등의 설계계수는 확인할 수 있으나 지진하중에 대한 구조물의 비탄성 동적특성을 파악하기에는 한계가 있어 비탄성 시간이력해석을 추가적으로 실시할 필요가 있다고 판단된다.
비탄성 정적해석인 푸쉬오버해석으로 강도계수, 연성계수와 반응수정계수 등의 설계계수를 확인할 수 있으나 실제 지진이 발생하였을 경우에 대한 구조물의 비탄성 동적 특성을 파악하는데 한계가 있어 수준별 최대지반가속도에 대한 비탄성 시간이력해석을 추가적으로 실시할 필요가 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내진설계의 중요성이 부각된 이유는?	최근 일본, 아이티 및 쓰찬성에서 발생한 강진으로 심각한 인명 및 재산피해가 발생하였다. 국내의 경우에도 잦은 지진 발생으로 우려의 목소리가 높아지고 있다. 어느 때 보다 내진설계의 중요성이 부각되어 KBC2009에서 내진설계 기준이 한층 강화되었다.
	철근콘크리트 골조구조물의 비탄성 구조해석의 경우 일반적으로 무엇을 고려하는가?	철근콘크리트 골조구조물의 비탄성 구조해석의 경우 일반적으로 보-기둥 접합부의 전단변형을 무시하고 보, 기둥 부재 등의 휨 거동만을 고려하는 것이 대부분이다. 하지만 철근콘크리트 골조구조물이 지진하중을 받으면 보-기둥 접합부는 전단변형이 발생하며 파괴될 경우 구조물 붕괴로 이어질 수 있다.
	철근콘크리트 골조구조물이 지진하중을 받으면 어떻게 되는가?	철근콘크리트 골조구조물의 비탄성 구조해석의 경우 일반적으로 보-기둥 접합부의 전단변형을 무시하고 보, 기둥 부재 등의 휨 거동만을 고려하는 것이 대부분이다. 하지만 철근콘크리트 골조구조물이 지진하중을 받으면 보-기둥 접합부는 전단변형이 발생하며 파괴될 경우 구조물 붕괴로 이어질 수 있다. 그러므로 보-기둥 접합부의 전단변형 및 파괴 메커니즘을 고려하여 비탄성 구조해석을 수행 할 필요가 있다.

참고문헌 (11)

김태용, 강석봉, "철근콘크리트 모멘트-저항골조 시스템을 위한 구조해석모델," 한국콘크리트학회 가을 학술대회 논문집, 제22권, 제2호, 307-308, 2010.
김태용, 강석봉, "철근콘크리트 보-기둥 접합부를 위한 해석모델," 한국콘크리트학회 가을 학술대회 논문집, 제22권, 제2호, 309-310, 2010.
김건우, 송진규, 정성진, 송영훈, 이승창, "비선형 정적해석을 통한 횡저항 시스템의 보유성능 평가 및 설계방안 연구," 한국지진공학회 논문집, 제10권, 제1호, 9-16, 2006.

원문보기 상세보기
대한건축학회, 건축구조기준, 2009.
한국콘크리트학회, 콘크리트구조설계기준, 2007.
Freeman, S., Sasaki, K., Paret, T., "Multi-mode pushover procedure(MMP) a method to identify the effects of higher modes in a pushover analysis," Proceedings of the 6th National Conference on Earthquake Engineering, EERI, Seattle, Washington, 1998.
Kim, J. and LaFave, J. M., Joint Shear Behavior of Reinforced Concrete Beam-Column Connections subjected to Seismic Lateral Loading, NSEL Report Series Report No. NSEL-020, 2009.
Ghobarah A. and Biddah, A., "Dynamic analysis of reinforced concrete frames including joint shear deformation," Engineering Structures, Vol. 21, 971-987, 1999.

상세보기
MacGregor, J. G. and Wight, J. K., Reinforced Concrete, 4th Ed, Pearson Prentice Hall, pp.71, 2005.
Hoshikuma, J. and Kawashima, K., "Stress-strain model for confined reinforced concrete in bridge piers," Journal of Structural Engineering, Vol. 123, No. 5, pp. 624-633, 1997.

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International Code Council, Inc., International Building Code, Falls Church, VA, 2000.

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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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