[논문]스카이브릿지의 안전성확보를 위한 FPS 설계방법에 대한 연구

김현수

doi:10.5762/kais.2013.14.7.3502

스카이브릿지의 안전성확보를 위한 FPS 설계방법에 대한 연구
Study of Structural Design Method of Friction Pendulum System for Fail Safe of a Sky-Bridge 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.7, 2013년, pp.3502 - 3507

초록
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스카이브릿지가 연결되는 건물에 강접합될 경우에는 비정형성이 크게 되어 지진하중에 매우 불리하게 거동할 수 있다. 따라서, 마찰진자베어링(FPS)이나 납고무베어링(LRB)와 같은 연결시스템을 사용하여 스카이브릿지와 구조물을 연결하게 된다. 이러한 연결시스템은 큰 지진하중이 발생하였을 때 스카이브릿지가 연결된 건물에서 분리되어 낙교하지 않도록 신중하게 설계되어야 한다. 본 논문에서는 수직방향 인장력에대해서 저항성이 없는 마찰진자감쇠기를 이용한 연결시스템을 설계하는 과정에서 반드시 검토해야할 사항을 분석하였다. 이를 위하여 실제 시공된 누리꿈 스퀘어를 예제구조물로 선택하였고 예상되는 지진하중이 가해졌을 때 스카이브릿지 연결시스템에서 발생하는 응답을 분석하여 낙교를 방지할 수 있는 설계 프로세스를 정립하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

If a sky-bridge is rigidly connected to adjacent buildings, the irregularity of the connected structures is increased resulting in providing a worse seismic behavior. Therefore, a friction pendulum system (FPS) or lead rubber bearing (LRB) is frequently used for the connection system between a sky-bridge and building structures. These connection systems should be carefully designed to prevent a skyfall of a sky-bridge subjected to severe seismic loads. In this paper, the inevitable structural design procedures for a sky-bridge connection system using a friction pendulum system without uplift resistance capacity have been investigated. To this end, Nuri Dream Square building structure is used as a example structure. The structural design process of a friction pendulum system for fail safe of a sky-bridge has been proposed in this paper by evaluating structural responses of the sky-bridge and building structures subjected to earthquake loads.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

N 빌딩의 IT 비즈니스 센터 및 R&D 센터와 IT 캡슐이 연결되는 연결부에 사용될 4개의 FPS에서 발생하는 지진응답을 줄이는 것이 본 논문의 목적이다.
일반적으로 사용되는 FPS는 수직방향 인장력에 대해서 저항력이 없으므로 지진하중이 가해져서 FPS가 설치된 스카이브릿지에 수직방향 인장력이 작용한다면 낙교의 위험성이 커지게 되고 이는 경제적 피해 및 치명적인 인명손실로 이어질 수 있으므로 이를 방지할 수 있는 체계적인 FPS 구조설계방법이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 지진하중을 받는 구조물에 FPS 베어링을 사용하여 연결된 스카이브릿지의 낙교를 방지하고 안전성을 확보할 수 있는 설계과정을 정립하고자 한다.
본 논문에서는 N 빌딩의 IT 캡슐에 사용될 적절한 FPS를 설계하기 위하여 다양한 주기를 가지는 FPS를 사용하여 경계비선형 시간이력해석을 수행하였다. 본 연구에서 사용한 FPS의 주기와 그 때의 FPS의 반지름 및 횡방향 강성을 Table 1에 나타내었다.
본 논문에서는 예제구조물로 선택한 N 빌딩에 설치될 스카이브릿지의 FPS에 대해서 설계방법을 살펴보고 성능을 검토하였다. 이를 위하여 FPS의 마찰계수 8%사용 하여 고유진동주기를 1초에서 6초까지 변화시켜 베어링의 응답을 분석하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
11을 사용하였고 지반종류는 SD를 사용하였다. 본 논문에서는 인공지진을 사용하여 경계비선형 시간이력해석을 수행하였다. 각각의 지진하중은 앞에서 설명한 설계응답스펙트럼을 기준으로 Scaling하여 사용하였다.

제안 방법

1초에서 6초까지의 주기를 가지도록 설계한 6가지 종류의 FPS를 모형화하여 IT 캡슐과 두 건물사이를 연결한 후 구조물에 인공지진하중을 가하여 경계비선형 시간이력해석을 수행하였고 이때 FPS의 마찰계수는 8%를 사용하였다. 본 논문에서 사용한 MIDAS/GEN은 N 빌딩의 경우와 같이 두 동의 건물을 함께 해석하는 모델에 대해서는 등가정적해석을 수행할 수 없으므로 경계비선형 동적 해석만을 수행하여 결과를 분석하였다.
본 논문에서는 인공지진을 사용하여 경계비선형 시간이력해석을 수행하였다. 각각의 지진하중은 앞에서 설명한 설계응답스펙트럼을 기준으로 Scaling하여 사용하였다. 수평방향 인공지진은 그림 Fig.
베어링의 주기변화에 따른 해석결과를 보다 쉽게 파악하기 위하여 Fig. 8-10에서 보는 바와 같이 FPS 주기 변화에 따른 베어링응답의 변화 그래프를 작성하였다. 전술한 바와 같이 변위를 검토할 때에는 반응수정계수를 적용하지 않은 설계응답스펙트럼을 사용하였고 베어링의 반력을 검토할 때에는 반응수정계수를 적용한 설계응답 스펙트럼을 사용하였다.
1초에서 6초까지의 주기를 가지도록 설계한 6가지 종류의 FPS를 모형화하여 IT 캡슐과 두 건물사이를 연결한 후 구조물에 인공지진하중을 가하여 경계비선형 시간이력해석을 수행하였고 이때 FPS의 마찰계수는 8%를 사용하였다. 본 논문에서 사용한 MIDAS/GEN은 N 빌딩의 경우와 같이 두 동의 건물을 함께 해석하는 모델에 대해서는 등가정적해석을 수행할 수 없으므로 경계비선형 동적 해석만을 수행하여 결과를 분석하였다. 본 예제구조물에 서는 건축적인 제약조건에 의해서 FPS에서 발생할 수 있는 최대 변위를 55cm로 두고 FPS의 응답을 검토하였다.
N 빌딩은 SRC 구조로서 반응수정계수(R)를 5로 하여 설계가 수행되었다. 본 논문에서는 FPS에서 발생하는 상대변위 및 가속도를 검토할 때에는 반응수정계수를 사용하지 않은 설계응답스펙트럼을 이용하였고 베어링반력을 검토할 때에는 반응 수정계수로 저감시킨 설계응답스펙트럼을 이용하였다. 설계응답스펙트럼 작성 시 지역계수는 0.
본 논문에서 사용한 MIDAS/GEN은 N 빌딩의 경우와 같이 두 동의 건물을 함께 해석하는 모델에 대해서는 등가정적해석을 수행할 수 없으므로 경계비선형 동적 해석만을 수행하여 결과를 분석하였다. 본 예제구조물에 서는 건축적인 제약조건에 의해서 FPS에서 발생할 수 있는 최대 변위를 55cm로 두고 FPS의 응답을 검토하였다.
본 논문에서는 예제구조물로 선택한 N 빌딩에 설치될 스카이브릿지의 FPS에 대해서 설계방법을 살펴보고 성능을 검토하였다. 이를 위하여 FPS의 마찰계수 8%사용 하여 고유진동주기를 1초에서 6초까지 변화시켜 베어링의 응답을 분석하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
8-10에서 보는 바와 같이 FPS 주기 변화에 따른 베어링응답의 변화 그래프를 작성하였다. 전술한 바와 같이 변위를 검토할 때에는 반응수정계수를 적용하지 않은 설계응답스펙트럼을 사용하였고 베어링의 반력을 검토할 때에는 반응수정계수를 적용한 설계응답 스펙트럼을 사용하였다. Fig.

대상 데이터

본 논문에서는 Fig. 1에 나타낸 상암동에 건설된 N 빌딩을 예제구조물로 사용하였다. 그림에서 보는 바와 같이 두 동의 건물(IT 비즈니스 센터, R&D 센터)과 이를 연결하는 스카이브릿지(IT 캡슐)로 구성되어 있다.

이론/모형

본 논문에서는 건설교통부 고시 건축구조설계기준 (KBC2005)에 제시된 내용을 바탕으로 작성한 설계응답 스펙트럼을 지진하중으로 사용한다. N 빌딩은 SRC 구조로서 반응수정계수(R)를 5로 하여 설계가 수행되었다.

성능/효과

1. 스카이브릿지가 설치될 위치에서의 구조물의 Floor Spectrum 분석을 통해서 가장 불리한 FPS 고유진동 주기를 쉽게 파악할 수 있었다. 따라서 스카이브릿지의 낙교 방지를 위해 FPS의 응답을 최소화할 수 있는 고유진동주기는 Floor Spectrum을 통해서 쉽게 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
2. 본 논문에서 선택한 예제구조물의 경우에는 지반조건이 좋지 않아서 지진하중이 일반적인 경우보다 큼에도 불구하고 FPS의 고유진동주기에 관계없이 스카이브릿지의 Uplift는 발생하지 않았다.
IT 캡슐이 연결될 위치에서의 IT 비즈니스 센터와 R&D 센터의 Floor Spectrum을 보면 2-3초사이의 구간에서 변위 및 가속도응답이 크게 발생하는 것을 알 수 있었다. 따라서 FPS의 주기를 2초와 3초로 모형화하였을 때의 결과를 보면 FPS의 허용변위를 초과하는 것을 알 수 있다.
IT 캡슐이 연결될 위치에서의 IT 비즈니스 센터와 R&D 센터의 Floor Spectrum을 보면 2-3초사이의 구간에서 변위 및 가속도응답이 크게 발생하는 것을 알 수 있었다. 따라서 FPS의 주기를 2초와 3초로 모형화하였을 때의 결과를 보면 FPS의 허용변위를 초과하는 것을 알 수 있다. 따라서 FPS의 고유진동주기를 설계할 때 2-3초 구간은 피하는 것이 필요하다고 판단된다.
스카이브릿지가 설치될 위치에서의 구조물의 Floor Spectrum 분석을 통해서 가장 불리한 FPS 고유진동 주기를 쉽게 파악할 수 있었다. 따라서 스카이브릿지의 낙교 방지를 위해 FPS의 응답을 최소화할 수 있는 고유진동주기는 Floor Spectrum을 통해서 쉽게 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
따라서 FPS의 고유진동주기를 설계할 때 2-3초 구간은 피하는 것이 필요하다고 판단된다. 수치해석 결과를 보면 Z방향 가속도는 중력가속도(980cm/sec 2 )에 비하여 매우 작기 때문에 IT 캡슐의 Uplift 가능성은 거의 없는 것으로 해석결과 확인되었다. 5초 이내의 고유진동주기를 갖는 FPS의 변위를 줄이기 위해서는 FPS의 마찰계수를 크게 하여 감쇠효과를 높이는 것이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스카이브릿지가 연결된 두 건물에 어떤 문제가 발생하는가?	스카이브릿지가 설치되는 두 개의 건물은 층수 및 형태가 동일한 경우도 많지만 연결되는 두 건물의 층수 및 평면의 형태가 달라서 건물들이 각각 다른 고유진동주기와 동적거동을 나타내는 경우도 흔히 발생한다. 스카이브릿지가 연결되는 두 건물에 강접합될 경우에는 연결된 전체구조물의 비정형성이 크게 되어 지진하중에 매우 불리하게 거동할 수 있다[1]. 따라서 지진하중이 구조물에 가해졌을 때 스카이브릿지에 의해서 발생하는 건물의 비정형성을 감소시키기 위해서는 연결되는 건물과 스카이 브릿지가 각각 별도의 동적거동을 할 수 있도록 스카이브릿지 연결부의 이동을 허용하는 것이 일반적이다[2].
	FPS란 무엇인가?	면진시스템의 한 종류인 FPS는 지진으로부터 구조물을 보호하기 위하여 일반적으로 구조물과 기초사이에 설치되는 면진시스템이다. FPS는 면진 구조물의 주기를 늘리기 위하여 진자(Pendulum)의 특성을 이용한다.
	스카이브릿지와 건물의 연결부에 마찰진 자베어링과 같이 변위를 허용할 수 있는 면진장치를 설치할 경우 어떤 효과가 있는가?	이를 위해서는 스카이브릿지와 건물의 연결부에 마찰진 자베어링(Friction Pendulum System; FPS)과 같이 변위를 허용할 수 있는 면진장치를 설치해야 한다[3]. 이렇게 건물과 스카이브릿지 사이를 격리시킴으로써 개별적인 동적거동을 유도하고 이를 통하여 스카이브릿지의 구조적 안전성과 사용성을 확보할 수도 있다. 그리고 스카이브릿지 연결부에 발생할 수 있는 과도한 응력집중현상도 방지하여 구조물의 손상도 피할 수 있다. 일반적으로 사용 되는 FPS는 수직방향 인장력에 대해서 저항력이 없으므로 지진하중이 가해져서 FPS가 설치된 스카이브릿지에 수직방향 인장력이 작용한다면 낙교의 위험성이 커지게 되고 이는 경제적 피해 및 치명적인 인명손실로 이어질수 있으므로 이를 방지할 수 있는 체계적인 FPS 구조설계방법이 필요하다.

참고문헌 (3)

D.G. Lee, H.S. Kim, H. Ko "Evaluation of Coupling- Control Effect of a Sky-Bridge for Adjacent Tall Buildings", The Structural Design of Tall and Special Buildings, Vol. 21,, pp.311- 328, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/tal.592

상세보기
J. Lim, B. Bienkiewicz, E. Richards "Modeling of structural coupling for assessment of modal properties of twin tall buildings with a skybridge", Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 99, No. 5, pp.615- 623, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jweia.2011.02.010

상세보기
M.C. Constantinou, T.T. Soong, Passive and active structural vibration control in civil engineering, New York, 1994.

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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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