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철근콘크리트 골조와 강재댐퍼의 강성비 및 내력비에 따른 내진보강 성능

Performance of Seismic Retrofit According to the Stiffness and Strength Ratios of Steel Damper to Reinforced Concrete Frame

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.17 no.4 = no.92, 2013년, pp.171 - 180  

백은림 (부산대학교 건축공학과) ,  오상훈 (부산대학교 건축공학과) ,  이상호 (부산대학교 건축공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The purpose of this study is to evaluate the effectiveness of the seismic retrofit performance for a reinforced concrete structure with steel damper. The nonlinear static analysis of the RC frame specimens with and without retrofit using the steel damper was conducted and the reliability of the anal...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 11과 같이 800 mm 높이의 허리벽이 설치되어 있으며, 허리벽이 기둥의 하부를 구속함에 따라 전단스팬이 짧아져 전단 강도에 비하여 상대적으로 휨강도가 커지게 되어 휨항복과 전단항복이 거의 동시에 발생하는 전단지배형 골조로 평가된다. 강재댐퍼를 이용한 내진보강 공법은 골조가 충분한 변형능력이 있는 경우 더욱 유리한 것으로 알려져 있어, 본 연구에서는 전단형 기준 골조에서 허리벽을 제외한 휨지배형 골조를 가정하여 골조의 파괴유형에 따른 내진성능의 영향을 검토하고자 하였다. 따라서 해석의 변수는 Table 4 ~ Table 7에 나타낸 바와 같이 골조의 파괴유형과 3 경간 골조에 대한 댐퍼의 강성비 및 내력비로 설정하였다.
  • 또한 댐퍼에 의한 보강내력이 결정되었더라도, 보강내력을 집중시킬 것인지, 분산시킬 것인지에 따라 편심 또는 내력 불균형 등이 발생하여 에너지 흡수효율에 영향을 미칠 수 있으며, 이러한 점을 고려하여 댐퍼의 배치를 구성하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 강재댐퍼를 이용한 내진보강 공법을 RC 골조에 효율적으로 적용하기 위하여 RC 골조와 댐퍼 간 강성비 및 내력비를 변수로 설정하고 비선형 정적해석을 수행하여 에너지 흡수효율을 비교하였다.
  • 본 연구에서는 RC 부분골조에 강재댐퍼를 이용한 내진보강공법을 효율적으로 적용하기 위하여 비선형 해석 모델 및 방법을 제시하고, 댐퍼의 강성비 및 내력비에 따른 변수별 비선형 정적해석을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
  • 본 연구에서는 선행연구[7]에서 제안된 강재댐퍼시스템 및 이의 적용 유무에 따른 RC 골조의 비선형 해석을 수행하여 해석결과와 실험결과의 비교・분석을 통한 해석의 신뢰성을 검증한 다음, 이를 바탕으로 실제 학교 건축물의 보강 골조를 가정하여 RC 골조와 댐퍼의 강성비 및 내력비에 따른 이력거동과 항복강도, 에너지흡수능력 및 골조의 손상비율 등의 경향을 파악하는 것을 주된 목적으로 한다.
  • 이와 같은 해석결과에 따라, 적용된 비선형 해석모델 및 방법은 강재댐퍼시스템 및 이를 적용한 RC 골조의 거동을 비교적 잘 모사할 수 있는 것으로 판단되며, 이를 이용하여 강재댐퍼와 골조의 강성비 및 내력비에 따른 실제 RC조 보강골조의 거동을 파악하고자 한다.

가설 설정

  • Fig. 10과 같이 비내진으로 설계된 실제 학교 건축물을 대상으로 장변방향 1층의 3연속 골조(Fig. 10의 박스부분, Table 3 참조)를 연구대상으로 설정하였으며, 내진보강 공법으로 선행연구에서 제안된 강재댐퍼시스템을 가운데 골조에 적용한 보강 골조를 가정하여 해석 대상으로 설정하였다. 연구 대상의 기준 골조는 Fig.
  • RC 골조의 보는 축력을 고려하지 않았으며, 전단은 탄성거동하는 것으로 가정하였다. 휨 이력거동은 Fig.
  • 보강 RC 골조의 경우, 강재댐퍼시스템의 외곽프레임이 RC 골조에 중첩되어 강성 및 내력이 증가되는 것으로 가정하였으며, 하부 지지기둥 및 슬릿댐퍼는 각각 하나의 선형부재로 단순화하여 골조의 중앙에 배치하였다.
  • 1절에서 전술한 모델과 동일하며, 휨강도 및 전단강도[14]는 식 (4) 및 식 (5)로 산정하였다. 보강 골조에서 강재댐퍼시스템의 경우, 횡하중에 의한 전단력에만 저항하도록 설계하므로 전단 스프링으로 모델화하였으며, 슬릿댐퍼 지지기둥의 강성은 강재댐퍼시스템의 전체 강성에 영향을 미치지 않도록 충분히 강성을 확보하여 Rigid한 것으로 가정하였다.
  • 3과 같이 철골부재의 항복강도 및 인장강도에 의한 전소성모멘트를 특성점으로 하는 Tri-linear형의 골격곡선을 가지며, 반복 가력시 변형경화에 의해 하중이 증가하는 특성을 잘 반영할 수 있는 Ramberg-Osgood curve를 나타내는 이력모델을 적용하였다. 슬릿 댐퍼의 경우, 전체 구조체에 대하여 전단력에 저항하는 장치이므로 식 (1) ~ 식 (3)에 의하여 휨항복에 의한 전단력과 항복변형, 초기강성의 특성점(Table 1 참조)을 가지는 전단 스프링만 가지는 것으로 가정하였으며, 강성 저감 및 이력룰에 관한 특성값은 Fig. 4에 나타낸 강재댐퍼시스템의 정적가력실험에 의한 슬릿댐퍼의 하중-변위 관계 및 Fig. 5에 나타낸 골격곡선에서 결정하였다.
  • 또한 기둥-보 접합부는 균열이 발생한 실험 결과를 고려하여 부재의 위험단면 위치에서 1/4D(D:부재의 깊이)만큼 제외한 강역(Rigid Zone)으로 설정하였다. 허리벽의 경우, 양측 기둥 하부의 변형을 구속하지만 하중 저항능력은 없는 것으로 가정하여 기둥 하부에 강역으로 설정하였다[13].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전 세계적으로 대규모 지진이 발생하여 많은 인명피해 및 재산피해가 발생하였는데, 피해의 원인은 무엇인가? 최근 전 세계적으로 대규모 지진이 발생하여 많은 인명피해 및 재산피해가 발생하였으며, 이들 피해의 원인은 대부분 내진성능이 부족한 건축물의 붕괴인 것으로 조사되었다[1,2]. 특히, 2008년 중국 쓰촨성 지진에서는 약 7,000여 동의 학교 건축물이 붕괴되어 많은 학생 및 교사들의 인명피해가 발생하였으며, 재난민의 수용시설 부족 및 교육의 지속 불가 등 많은 2차적 문제를 야기시켰다[2].
2008년 중국 쓰촨성 지진의 특징은 무엇인가? 최근 전 세계적으로 대규모 지진이 발생하여 많은 인명피해 및 재산피해가 발생하였으며, 이들 피해의 원인은 대부분 내진성능이 부족한 건축물의 붕괴인 것으로 조사되었다[1,2]. 특히, 2008년 중국 쓰촨성 지진에서는 약 7,000여 동의 학교 건축물이 붕괴되어 많은 학생 및 교사들의 인명피해가 발생하였으며, 재난민의 수용시설 부족 및 교육의 지속 불가 등 많은 2차적 문제를 야기시켰다[2]. 쓰촨성 지진에서 붕괴된 학교 건축물은 비보강 조적 벽체 및 허리벽으로 기둥의 하부가 구속된 RC 단주 등의 구조적 특징을 가지고 있으며, 이러한 특징은 지진에 매우 취약함이 여러 연구[3-5]를 통해 밝혀졌다.
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참고문헌 (15)

  1. Miyamoto. L'aquila Italy Earthquake Field Investigation Report. Global Risk Miyamoto. c2009. 

  2. Miyamoto. Sichuan China Earthquake Field Investigation Report. Global Risk Miyamoto. c2008. 

  3. Stavridis A, Koutromanos I, Shing PB. Shaked-table tests of a three-story reinforced concrete frame with masonry infill walls. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 2012 May;41(6):1089-1108. 

  4. Alqatamin A, Talposi A. The action of short columns at reinforced concrete building constructions. Bulletin of th Transilvania University of Brasov. 2009;2:357-360. 

  5. Vahidi EK, Malekabadi MM. Conceptual Investigation of short-columns and masonry infill frames effect in the earthquakes. World Academy of Science Engineering and Technology. 2009 Nov;59:119-124. 

  6. National Emergency Management Agency. Development of technologies for improvement of seismic performance on the existing low-rise buildings. National Emergency Management Agency. c2011. 

  7. Lee SH, Oh SH, Baek EL. The proposal of steel damper system to improve the seismic performance of reinforced concrete frame. Journal of the Architectural Institute of Korea Structure and Construction. 2011 Sep;27(9):21-28. 

  8. Oh SH, Kim YJ. Hysteretic behavior of beam-to-column connections with slit plate dampers. Journal of the Architectural Institute of Korea Structure and Construction. 2005 Dec;21(12):101-108. 

  9. Oh SH, Rhu HS, Moon TS. Study for fabricable and adhesive seismic retrofit method using the steel members. Journal of the Architectural Institute of Korea Structure and Construction. 2005 Nov; 21(11):51-58. 

  10. Kang Ninig Li. CANNY manual. c2009. 

  11. Oh SH. Seismic design of energy dissipating multi-story frame with flexible-stiff mixed type connection. Ph.D. thesis. Tokyo University. 1998. 

  12. Architectural Institute of Korea. Korean Building Code and Commentary. Architectural Institute of Korea. c2009. 

  13. Arima Momoko, Shioya Shinichi. Evaluation for the displacement of R/C columns in bending failure with spandrel wall. Proceedings of the Japan Concrete Institute. 2008;30(3):205-210. 

  14. Architectural Institute of Japan. AIJ standard for structural calculation of reinforced concrete structures. Architectural Institute of Japan. c2010. 

  15. The Japan Building Disaster Prevention Association. Seismic Retrofit Applications of Existing Reinforced Concrete Buildings and many others. c2001. 

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