[논문]비탄성 정적해석을 이용한 격자강판 전단벽 보강 RC구조물의 내진성능평가

박정우; 이재욱; 박진영; 이영학; 김희철

doi:10.7734/coseik.2013.26.6.455

비탄성 정적해석을 이용한 격자강판 전단벽 보강 RC구조물의 내진성능평가
Seismic Performance Evaluation of RC Structure Strengthened by Steel Grid Shear Wall using Nonlinear Static Analysis 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.26 no.6, 2013년, pp.455 - 462

박정우 (유니슨이테크(주) 기술연구소) , 이재욱 (유니슨이테크(주) 기술연구소) , 박진영 (유니슨이테크(주) 기술연구소) , 이영학 (경희대학교 건축공학과) , 김희철 (경희대학교 건축공학과)

초록
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최근에 지어진 건축물의 경우 지진에 대한 안전성을 확보하고 있지만, 내진설계 도입 이전의 건축물은 지진에 대해 매우 취약하다. 본 연구에서는 내진성능이 부족한 기존 저층 RC구조물의 지진 발생 시 안전성 확보를 위한 내진보강 방안으로 격자강판 전단벽을 제안하고 내진성능평가를 수행하였다. 횡력저항요소로 사용된 격자강판 전단벽의 탄소성 이력특성값은 실험결과를 토대로 횡력저항 기여도등을 평가하여 작성된 이선형곡선을 적용하였다. 비탄성 정적해석을 통해 대상구조물의 성능점을 찾아내어 적용 지진하중에 대한 응답과 성능수준을 평가하였다. 격자강판 전단벽을 적용한 경우, 보강 전에 비하여 응답변위가 약 42% 저감되는 것을 확인할 수 있었으며, 성능점에서 거의 탄성거동을 보여주고 있어 목표성능인 인명안전수준을 만족시켰다. 또한 반응수정계수를 산정하여 내진보강 효과를 검증하였으며, 보강 전과 후에 각각 2.17에서 3.25로 증가하여 설계기준을 초과하였다. 따라서 격자강판 전단벽에 의해 대상 구조물의 강도 및 강성보강이 적절히 수행된 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of earthquakes can be devastating especially to existing structures that are not based on earthquake resistant design. This study proposes a steel grid shear wall that can provide a sufficient lateral resistance and can be used as a seismic retrofit method. The pushover analysis was performed on RC structure with and without the proposed steel grid shear wall. Obtain the performance point that the target structure for seismic loads applied to evaluate the response and performance levels. The capacity spectrum at performance point is nearly elastic range, so satisfied the performance objectives(LS level). And response modification factor(R factor) were calculated from the pushover analysis. The R factor approach is currently implemented to reflect inelastic ductile behavior of the structures and to reduce elastic spectral demands from earthquakes to the design level. The R factor increases from 2.17 to 3.25 was higher than the design criteria. As a result, according to reinforcement by steel grid shear wall, strength, stiffness, and ductility of the low-rise RC structure has been appropriately improved.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

내진보강 목표성능을 설정하는데 대상 구조물이 각 지진 지반운동 후에 어떠한 상태에 있는지가 기본적인 요소이며, 미국의 FEMA-273에서 손상상태 기준을 4단계(기능유지, 즉시거주, 인명안전, 붕괴방지)로 구분하여 설명하고 있다(ATC-40, 1996, FEMA-273, 1997). 본 연구에서 구조물의 목표성능은 현행 설계 지진하중에 대하여 인명안전수준(LS, Life Safety Level)으로 정하였다. 해석대상 저층 RC구조물은 교육시설물로써 지진구역 1, 내진등급 Ⅰ, 그리고 지반종류는 S_C이다.
본 연구에서는 내진설계 도입 이전에 지어진 저층 RC구조물에 내진보강 요소로써 격자강판 전단벽을 적용하고, 비탄성 정적해석을 수행하여 내진성능을 평가하였다.
본 연구에서는 내진성능이 부족한 기존 RC구조물의 지진 발생 시 안전성 확보를 위한 내진보강 방안으로 격자강판 전단벽을 제안한다. 내진설계가 되어있지 않은 RC구조물을 대상으로 보강 전과 후를 구분하여 비탄성 정적해석을 수행하고, 성능점과 반응수정계수를 통해 내진성능을 평가하였다.

가설 설정

여기서 복원 에너지는 비례한도까지의 변형에너지(내력에 의한 에너지)이며, 완전탄소성거동으로 이상화하였으므로 비례한도는 항복점으로 정하였다. 또한, 내부 격자강판의 항복변위는 항상 비보강 실험체보다 작을 것으로 판단되어 불리한 조건으로 비보강 실험체와 동일하게 가정하였다.
여기서 최대변위는 실험결과로 가정하여 적용하였다. 최대 변위를 제외한 탄소성 이력특성값이 실험결과와 유사한 이유는 내부 웨브판의 수량이 감소하여 내력이 저감된 만큼 격자강판의 크기가 증가한 것에 기인된 것으로 판단된다.

제안 방법

격자강판 전단벽 내진보강 전과 후로 구분하여 구조물의 한계상태까지의 밑면전단력지붕층변위 관계를 등가에너지개념을 적용해 이선형으로 이상화하여 강도계수, 연성계수, 반응수정계수를 산정하였다(Fig. 17~19).
본 연구에서는 내진성능이 부족한 기존 RC구조물의 지진 발생 시 안전성 확보를 위한 내진보강 방안으로 격자강판 전단벽을 제안한다. 내진설계가 되어있지 않은 RC구조물을 대상으로 보강 전과 후를 구분하여 비탄성 정적해석을 수행하고, 성능점과 반응수정계수를 통해 내진성능을 평가하였다.
내진설계가 되어있지 않은 저층 RC구조물을 대상으로 보강 전과 후를 구분하여 비탄성 정적해석인 푸쉬오버해석(pushover analysis)을 수행하였다. 구조물의 부정정성을 해석에 반영하여 구조물에 작용하는 횡력을 서서히 증가시켜 구조부재에 발생하는 항복, 소성힌지, 그리고 파괴모드 등을 확인할 수 있다.
대상 RC구조물의 목표성능은 인명안전수준에 대한 최대 층간변위비 1.5%를 만족하도록 설계하는 것이며, 따라서 최대변위의 산정은 푸쉬오버해석 결과 층간변위비 1.5%를 발생시키는 시점으로 최대변위를 산정하였다(Bertero et al., 2012). 내진보강 전에는 현행 설계기준에서 제시하고 있는 반응수정계수 3(철근콘크리트 보통모멘트골조)을 만족시키지 못하고 있는데 이는 내진상세 부족과 노후화 등으로 인한 것으로 판단된다(건축구조기준, 2009).
그리고 능력스펙트럼과 동일하게 응답변위와 가속도의 형태로 치환하여 구한다(건축구조기준, 2009). 대상 저층 RC구조물을 격자강판 전단벽 보강 전과 후로 구분하여 능력스펙트럼과 요구스펙트럼을 작성하여 성능점을 표기하였다(Fig. 9~11).
현행 설계 지진하중에 대한 성능점을 산정하여 구조물의 응답과 성능수준을 평가하였다. 또한 지진력 저항요소인 격자강판 전단벽의 보강여부에 따라 대상 구조물의 거동특성을 평가하기 위하여 강도계수, 연성계수, 그리고 반응수정계수를 산정하여 비교․분석하였다(ATC-19, 1995, ATC-40, 1996).
79kN이다. 상기와 같이 격자 강판 전단벽의 접합부를 포함한 모든 시스템에서 웨브판의 설계전단강도가 가장 작은 내력을 발휘할 수 있도록 설계하였다.
순수 내부 격자강판 만의 항복강도 및 항복강성을 에너지의 원리로 평가하였다. Fig.
능력스펙트럼은 푸쉬오버해석을 통해 밑면전단력과 최상층 변위곡선의 관계를 산정하고 이를 단자유도계에 의한 응답변위와 가속도로 변환하여 구한다. 요구스펙트럼은 현행 지진하중(2,400년 재현주기의 2/3 수준)으로 탄성설계스펙트럼을 구하고, 비탄성거동에 따른 감쇠의 증가를 고려한 유효감쇠비를 이용하여 산정하였다. 그리고 능력스펙트럼과 동일하게 응답변위와 가속도의 형태로 치환하여 구한다(건축구조기준, 2009).
35kN이다. 용접부 설계는 웨브판에 접합되는 면은 모살용접으로 사이즈는 5mm이고, 플랜지 간의 접합면 용접사이즈 15mm로 설계하였다. 각각의 용접부 설계강도는 411.
현행 설계 지진하중에 대한 성능점을 산정하여 구조물의 응답과 성능수준을 평가하였다. 또한 지진력 저항요소인 격자강판 전단벽의 보강여부에 따라 대상 구조물의 거동특성을 평가하기 위하여 강도계수, 연성계수, 그리고 반응수정계수를 산정하여 비교․분석하였다(ATC-19, 1995, ATC-40, 1996).

대상 데이터

대상 구조물에 적용된 격자강판 전단벽의 강종은 SS400이며, 내부 웨브판의 크기와 두께는 490mm×490mm×5mm이다.
또한 전산구조해석에 사용된 프로그램은 MIDAS Gen이다. 대상 구조물은 선행 검토를 통해 단변방향보다 장변방향의 구조성능이 부족하여 장변방향의 격자강판 전단벽을 적용한 내진보강을 대상으로 하였다.
본 연구에서 구조물의 목표성능은 현행 설계 지진하중에 대하여 인명안전수준(LS, Life Safety Level)으로 정하였다. 해석대상 저층 RC구조물은 교육시설물로써 지진구역 1, 내진등급 Ⅰ, 그리고 지반종류는 S_C이다. 또한 전산구조해석에 사용된 프로그램은 MIDAS Gen이다.

성능/효과

25로 증가하여 설계기준을 초과하였다. 격자강판 전단벽에 의해 대상 저층 RC구조물의 강도 및 강성보강이 적절히 수행된 것으로 평가되었으며 1층 내진보강만을 수행하여도 인명안전수준에 대한 최대 층간변위비를 만족하였다.
따라서 격자강판 전단벽에 의해 대상 저층 RC 구조물의 강도 및 강성보강이 적절히 수행된 것으로 평가되었다. 그러나 2층까지 격자강판 전단벽을 내진요소로 적용한 경우는 오히려 1층에만 보강한 것보다 반응수정계수가 약간 낮게 평가되었는데, 이는 강도계수 산정 시 고려되는 항복강도와 설계강도는 모두 1층 내진보강보다 각각 1.36배, 1.41배 크게 평가되었지만 강도계수는 항복강도와 설계강도의 비로 표현되므로 1층과 2층 내진보강 모두 항복강도와 설계강도가 유사한 비율로 증가한 이유로 사료된다.
대상 저층 RC구조물의 성능점에서의 거동특성을 평가한 결과, 현행 요구 지진하중에 대해 보강 전의 구조물은 능력 곡선의 접선기울기가 하향 감소되고 일정 변위를 일으킨 후에 성능점이 형성되어 목표성능인 인명안전수준을 넘어서고 있었으나, 격자강판 전단벽 보강이 된 구조물은 성능점에서 거의 탄성거동을 보여주고 있어 목표성능을 만족시켰다.
25로 증가하여 설계기준을 초과하였다. 따라서 격자강판 전단벽에 의해 대상 저층 RC 구조물의 강도 및 강성보강이 적절히 수행된 것으로 평가되었다. 그러나 2층까지 격자강판 전단벽을 내진요소로 적용한 경우는 오히려 1층에만 보강한 것보다 반응수정계수가 약간 낮게 평가되었는데, 이는 강도계수 산정 시 고려되는 항복강도와 설계강도는 모두 1층 내진보강보다 각각 1.
반응수정계수를 산정한 결과, 내진보강 전에는 건축구조기준에서 제시한 값을 만족시키지 못하는 것으로 평가되었다. 이는 예상한 지진력의 저감이 효과적으로 실제 구조물에 반영되지 않았음을 보여주었다.
실험체는 벤치마크 용도로 보-기둥으로 구성된 비보강실험체(BM-RC)와 격자강판 전단벽(SW-RC)을 대상으로 성능실험을 수행한 결과, 내부 웨브판이 순차적인 전단항복을 하며 Fig. 1과 같이 극한강도 이후에도 안정적인 연성거동을 나타내었다. 보강실험체는 비보강실험체 대비 항복강도가 정방향 기준으로 약 3.
성능점에서의 구조물의 응답 특성을 Table 2에 정리하여 나타내었으며, S_d , S_a는 각각 성능점에서의 응답변위와 응답가속도를 말하며, T_eff , D_eff는 성능점에서의 비탄성 유효주기와 유효감쇠를 나타낸다. 응답변위는 각각 보강 전에 비하여 1층 보강은 약 42%, 2층 보강은 약 52% 저감되었음을 알 수 있었다.
14에 나타내었다. 전체적으로 강기둥-약보의 개념과 같이 우선 보에서 힌지가 발생하다가 기둥으로 점차 퍼져나가고 있음을 확인하였으며, 격자강판 전단벽의 보강 층에서는 기둥에서 소성힌지는 발생되지 않았다.

후속연구

또한 격자강판의 격자크기, 웨브 및 플랜지의 두께 등을 추가적인 변수로 유한요소해석(finite element analysis)을 수행하여 조건에 따른 격자강판 전단벽의 구조성능을 추가적으로 비교·분석할 필요성이 있다.
비탄성정적해석으로 반응수정계수 등의 설계계수를 확인할 수 있으나 실제 지진이 발생하였을 경우에 구조물의 비탄성 동적특성을 파악하는 것은 한계가 있어 비탄성시간이력해석을 추가적으로 실시할 필요가 있다고 판단된다. 또한 격자강판의 격자크기, 웨브 및 플랜지의 두께를 변수로 유한요소해석을 수행하여 격자강판 전단벽의 구조성능을 추가적으로 비교․분석할 필요성이 있다.
본 연구에서와 같이 비탄성 정적해석으로 성능점의 산정과 설계계수(강도계수, 연성계수, 반응수정계수)를 확인할 수 있었으나 실제 지진하중에 대한 구조물의 비탄성 동적특성을 파악하기에는 한계점이 있으며 다양한 지반운동이력에 대한 비탄성 시간이력해석(nonlinear time history analysis)을 추가적으로 실시할 필요가 있다고 사료된다. 또한 격자강판의 격자크기, 웨브 및 플랜지의 두께 등을 추가적인 변수로 유한요소해석(finite element analysis)을 수행하여 조건에 따른 격자강판 전단벽의 구조성능을 추가적으로 비교·분석할 필요성이 있다.
비탄성정적해석으로 반응수정계수 등의 설계계수를 확인할 수 있으나 실제 지진이 발생하였을 경우에 구조물의 비탄성 동적특성을 파악하는 것은 한계가 있어 비탄성시간이력해석을 추가적으로 실시할 필요가 있다고 판단된다. 또한 격자강판의 격자크기, 웨브 및 플랜지의 두께를 변수로 유한요소해석을 수행하여 격자강판 전단벽의 구조성능을 추가적으로 비교․분석할 필요성이 있다.
또한 격자강판의 격자크기, 웨브 및 플랜지의 두께 등을 추가적인 변수로 유한요소해석(finite element analysis)을 수행하여 조건에 따른 격자강판 전단벽의 구조성능을 추가적으로 비교·분석할 필요성이 있다. 상기와 같이 구조물의 강도, 강성, 연성을 향상시키고 에너지소산능력이 뛰어난 격자강판 전단벽을 신축 또는 내진보강을 위한 보수·보강에 적용한다면 구조물의 내진성능향상에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내진설계 도입 이전의 건축물은 무엇에 취약한가?	최근에 지어진 건축물의 경우 지진에 대한 안전성을 확보하고 있지만, 내진설계 도입 이전의 건축물은 지진에 대해 매우 취약하다. 본 연구에서는 내진성능이 부족한 기존 저층 RC구조물의 지진 발생 시 안전성 확보를 위한 내진보강 방안으로 격자강판 전단벽을 제안하고 내진성능평가를 수행하였다.
	능력스펙트럼을 구하는 방법은?	능력스펙트럼은 푸쉬오버해석을 통해 밑면전단력과 최상층 변위곡선의 관계를 산정하고 이를 단자유도계에 의한 응답변위와 가속도로 변환하여 구한다. 요구스펙트럼은 현행 지진하중(2,400년 재현주기의 2/3 수준)으로 탄성설계스펙트럼을 구하고, 비탄성거동에 따른 감쇠의 증가를 고려한 유효감쇠비를 이용하여 산정하였다.
	성능점을 표기하기 위한 능력스펙트럼과 요구스펙트럼은 어떻게 구하는가?	능력스펙트럼은 푸쉬오버해석을 통해 밑면전단력과 최상층 변위곡선의 관계를 산정하고 이를 단자유도계에 의한 응답변위와 가속도로 변환하여 구한다. 요구스펙트럼은 현행 지진하중(2,400년 재현주기의 2/3 수준)으로 탄성설계스펙트럼을 구하고, 비탄성거동에 따른 감쇠의 증가를 고려한 유효감쇠비를 이용하여 산정하였다. 그리고 능력스펙트럼과 동일하게 응답변위와 가속도의 형태로 치환하여 구한다(건축구조기준, 2009). 대상 저층 RC구조물을 격자강판 전단벽 보강 전과 후로 구분하여 능력스펙트럼과 요구스펙트럼을 작성하여 성능점을 표기하였다(Fig.

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상세보기
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원문보기 상세보기
Sabelli, R., Bruneau, M. (2007) Steel plate shear walls(AISC design guide), American Institute of Steel Construction, Inc., Chicago, Ill.
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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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