[논문]평면 비정형 건물의 설계편심과 지진 손상도의 상관관계에 관한 연구

이광호; 정성훈

doi:10.5000/eesk.2013.17.5.237

평면 비정형 건물의 설계편심과 지진 손상도의 상관관계에 관한 연구
A Study on the Relationship between Earthquake Damage and the Design Eccentricity of Building with Planar Irregularity 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.17 no.5 = no.93, 2013년, pp.237 - 243

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In the Korean Building Code (KBC), the Design Eccentricity involves the torsional amplification factor (TAF), and the inherent and accidental eccentricities. When a structure of less than 6-stories and assigned to seismic design category C or D is designed using equivalent static analysis method, both KBC-2006 and KBC-2009 use the TAF but apply different calculation methods for the of design eccentricity. The design eccentricity in KBC-2006 is calculated by multiplying the sum of inherent eccentricity and accidental eccentricity at each level by a TAF but that in KBC-2009 is calculated by multiplying only the accidental eccentricity by a TAF. In this paper, the damage indices of a building with planar structural irregularity designed by different design eccentricities are compared and the relationship between the earthquake damage and design eccentricity of the building is evaluated. On the basis of this study, the increment of design eccentricity results in the decrement of final eccentricity and global damage index of structure. It is observed that design eccentricity in KBC-2006 reduces the vulnerability of torsional irregular building compared to design eccentricity in KBC-2009.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 2006년과 2009년 설계기준에 규정된 설계편심과 손상도의 정량적인 관계를 분석하고 비틀림 증폭계수를 1.0으로 가정하여 구한 설계편심에 비해 2006년과 2009년 설계기준의 설계편심을 이용하여 평면 비정형 건물을 설계하면, 이 건물의 지진 취약성이 어느 정도 감소하는지 확인하는 것이다. 이를 검토하기 위하여 평면 비정형 건물의 복잡한 지진 응답에 적용할 수 있는 3차원 손상도 계수를 사용하였다[19].

가설 설정

6은 2009년 설계기준의 설계가속도 스펙트럼 (감쇠비 5%)과 비선형 시간이력해석을 위해 생성된 10개의 인공 지진파 가속도 스펙트럼의 평균값을 보여주고 있다. 예제 건물에 10개의 인공지진파를 적용하였으며 지진파의 진행방향은 Fig. 1의 y방향으로 가정하였다. 지진하중의 크기에 따른 영향을 조사하기 위하여, 건물의 1차 주기일 때 각 지진파 탄성 응답스펙트럼의 값인 S_a(T₁, 5%)를 0.

제안 방법

3은 예제 건물의 3차원 손상도 계수를 평가하는 절차를 보여주고 있다. 3차원 구조물의 골조선을 따라 평면적으로 분해하여 각 골조의 2차원 비선형 정적해석을 실시한 후 골조의 성능곡선을 구한다. 여기서 평면골조 분해 (planar decomposition)는 건물을 물리적으로 분해하는 것이 아니라 손상도 측정의 관찰을 위하여 횡저항 요소의 기본 단위인 평면골조로 한정하는 방법이다.
본 연구에서는 양방향 거동과 비틀림의 영향을 동시에 반영할 수 있는 3차원 손상도 계수를 이용하여 2006년과 2009년의 설계기준에 규정된 설계 편심을 이용하여 설계된 평면 비정형 건물의 손상도를 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 관찰된 구조물의 지진거동과 손상도에 관한 내용들은 다음과 같이 정리될 수 있다.
예제 건물의 비선형 시간이력해석 결과를 이용하여 건물의 최대변위와 최대 비틀림 각도를 측정하였으며 3장에서 설명된 손상도 계수를 구하는 절차를 바탕으로 예제 건물들의 손상도를 구하였다.
1의 y방향으로 가정하였다. 지진하중의 크기에 따른 영향을 조사하기 위하여, 건물의 1차 주기일 때 각 지진파 탄성 응답스펙트럼의 값인 S_a(T₁, 5%)를 0.2g에서 1.0g까지 0.2g간격으로 조절하여 사용하였다.

대상 데이터

해석에 사용된 예제 건물은 2×4 베이의 철골 보통모멘트골조로 설계된 단층 건물이다.

데이터처리

서로 다른 설계편심으로 설계된 건물의 손상도를 분석하기 위하여, 비선형 유한요소 해석 프로그램인 Zeus-NL[20]을 이용하여 비선형 시간이력 해석을 수행하였다. Zeus-NL은 정적 및 동적 하중을 받는 2차원 또는 3차원의 철골, 콘크리트, 합성 구조의 비선형 해석을 수행할 수 있으며 섬유 모델을 이용하여 부재 길이 방향과 부재 단면의 깊이 (depth)에 따른 비선형 분포를 나타낼 수 있다.

이론/모형

0으로 가정하여 구한 설계편심에 비해 2006년과 2009년 설계기준의 설계편심을 이용하여 평면 비정형 건물을 설계하면, 이 건물의 지진 취약성이 어느 정도 감소하는지 확인하는 것이다. 이를 검토하기 위하여 평면 비정형 건물의 복잡한 지진 응답에 적용할 수 있는 3차원 손상도 계수를 사용하였다[19].

성능/효과

1) 설계편심의 크기가 증가할수록 연약단부의 횡강성, 건물의 횡강성과 비틀림 강성이 커지므로 건물의 최종편심과 손상도가 작아진다
2) 비틀림 증폭계수를 1.0으로 가정하여 설계된 건물과 2009년 설계기준의 설계편심으로 설계된 건물의 전체 손상도 사이의 차이는 작다. 이는 내진설계된 두 건물의 최종편심, 횡강성 및 비틀림 강성의 크기와 비선형 시간이력해석으로 구한 최대 비틀림 각도, 최대변위가 거의 같기 때문이다.
3) 2009년 설계기준의 설계편심으로 설계된 건물보다 2006년의 설계편심으로 설계된 건물의 손상도가 작게 측정되었다. 이 결과는 2006년 기준의 설계편심이 2009년의 설계편심보다 평면 비정형 건물의 취약성을 더 감소시킨다는 것을 의미한다.
이는 설계 완료된 두 건물의 최종편심, 횡강성, 비틀림 강성의 크기와 비선형 시간이력해석으로 구한 최대 비틀림 각도, 최대변위가 거의 같기 때문이다. 그러나 이 계수를 1.0으로 가정하여 설계된 건물과 2006년 설계기준의 설계편심으로 설계된 건물의 손상도 사이의 차이는 지진하중의 크기가 증가할수록 커지는 것을 확인하였다.
비틀림 증폭계수를 1.0으로 가정하고 우발편심을 고려하여 계산된 설계편심으로 설계된 건물과 2009년 설계기준의 설계편심으로 설계된 건물의 최종편심, 비틀림 강성과 연약단부의 횡강성 사이의 차이는 크지 않은 반면 2006년 설계기준의 설계편심으로 설계된 건물의 최종편심과 강성간의 차이는 2009년 설계기준에 비해 상대적으로 크게 측정되었다.
비틀림 증폭계수로 인해 설계편심의 크기가 증가할수록 건물의 최대 비틀림 각도와 최대 변위가 작아졌는데 이는 건물의 횡강성과 비틀림 강성이 증가하였기 때문이다. 비틀림 증폭계수를 1.0으로 가정하여 구한 설계편심으로 설계된 건물과 2009년 설계기준의 설계편심으로 설계된 건물의 최대 비틀림 각도와 최대변위의 차이는 상당히 작게 측정되었다. 이는 Fig.
9는 정적편심과 지진하중의 크기에 따른 예제 건물의 손상도 평균값을 보여주고 있다. 정적편심과 설계편심의 크기가 클수록 건물의 비틀림 강성과 횡강성이 증가하므로 예제 건물의 전체 손상도가 작게 측정되었다. 비틀림 증폭계수를 1.
7과 8-a에서 제외되었다. 최대 비틀림 각도는 강측단부와 연약단부에서 측정된 상대변위의 차이를 지진력 진행방향의 직각인 평면치수로 나누어 계산되며 정적편심의 크기가 클수록 증가하였다. 최대변위는 질량중심인 평면의 중심에서 측정되었으며 정적편심의 크기가 커질수록 감소하였다.
최대 비틀림 각도는 강측단부와 연약단부에서 측정된 상대변위의 차이를 지진력 진행방향의 직각인 평면치수로 나누어 계산되며 정적편심의 크기가 클수록 증가하였다. 최대변위는 질량중심인 평면의 중심에서 측정되었으며 정적편심의 크기가 커질수록 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정적편심이란 무엇인가?	건축구조설계기준 (KBC)[1,2]에 규정된 설계편심은 정적편심 (inherent eccentricity)에 우발편심 (accidental eccentricity)과 비틀림 증폭계수 (torsional amplification factor)를 고려하여 결정된다. 정적편심은 내진설계 직전의 질량중심 (center of mass, CM)과 강성중심 (center of rigidity, CR)간의 거리로서 건물 고유의 평면 비정형성을 나타낸다. 우발편심은 지진력 작용방향에 직각인 평면치수의 5%로 가정된 거리로서, 수직축에 대한 지반운동의 회전요소, 계산된 강성과 실제 강성의 차이, 고정하중과 활하중 질량분배의 불확실성과 같은 명확하게 고려되지 않은 요인들의 영향을 보완하기 위하여 사용된다.
	우발편심은 무엇을 위해 사용되는가?	정적편심은 내진설계 직전의 질량중심 (center of mass, CM)과 강성중심 (center of rigidity, CR)간의 거리로서 건물 고유의 평면 비정형성을 나타낸다. 우발편심은 지진력 작용방향에 직각인 평면치수의 5%로 가정된 거리로서, 수직축에 대한 지반운동의 회전요소, 계산된 강성과 실제 강성의 차이, 고정하중과 활하중 질량분배의 불확실성과 같은 명확하게 고려되지 않은 요인들의 영향을 보완하기 위하여 사용된다. 비틀림 증폭계수는 단주기 및 주기 1초의 설계스펙트럼 가속도 (SDS, SD1)와 건물의 내진등급에 따라 결정된 내진설계범주가 C 또는 D로 분류되고 높이가 20m 또는 6층 미만의 평면 비정형 건물 중 비틀림 비정형성이 존재하는 건물을 등가정적해석법을 사용하여 설계할 때에만 사용된다.

참고문헌 (22)

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상세보기
Jeong SH, Elnashai AS. Analytical modeling of inelastic seisimic response of RC structure. J. Struct. Eng. 2006:132(9);1482-1490.

상세보기
Lee KH, Jeong SH. A study on the static eccentricities of buildings designed by different design eccentricities. Earthquake Engineering Society of Korea. 2012 Oct;16(5):33-40.

원문보기 상세보기
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