선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 또한 제진구조는 제진장치의 특성과 적용방법, 그리고 구조시스템에 따라 그 성능과 경제적인 효과가 크게 달라질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 지진력저항시스템을 기준에서 요구하는 최소요건인 설계밑면전단력의 75%만을 부담하도록 설계된 최적화 구조를 검토하여 경제적인 설계의 가능성도 함께 검토하였다.
- 이 논문은 이러한 기술개발의 일환으로 등방성 이력형 강재댐퍼인 카고메댐퍼를 이용한 RC 라멘조 아파트건물의 지진응답 개선효과에 대하여 해석적으로 검토한 결과를 제시하고 있다. 연구목적 달성을 위하여 연구대상 건물은 먼저 건축구조기준(KBC 2009.
- 이 절에서는 전체 제진구조의 비선형 시간이력해석에 선행하여 효율적인 제진장치의 용량 및 설치위치를 검토하기 위하여 수행된 ASCE/SEI 7-10의 등가수평력절차에 의한 예비설계 사례연구 결과를 정리하였다. 댐퍼의 설치는 건물의 모드형상을 고려하여 저층부 5개층, 중층부 3개층, 고층부 2개층 설치의 경우로 나누어 검토하였으며, 고층부는 외부기둥의 강성구현에 어려움이 있어 12층 이상은 고려치 않았다.
제안 방법
- 0.75*SFRS 구조의 1차 최적화 검토는 기존 SFRS의 단면을 유지하면서 철근물량을 최소화하는 방법으로 수행하였다. 검토결과, 이 경우는 기둥과 벽체가 최소 철근량에 의해 부재 배근이 결정되는 경우가 많아 철근물량의 감소량이 미미하였다.
- 3. 이 연구에서는 예비설계 사례 연구를 통하여 고려하는 제진구조의 문제점 및 적절한 설계방안을 제시하고 이에 따라 가장 효과적인 제진모델을 선정하여 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 해석결과, 외부제진 적용 시 외부제어 구조물이 강체로 적정 용량의 강성을 발휘하는 경우 경제적이고 효과적인 제진구조시스템을 형성할 수 있음을 확인하였다.
- 그림 3은 각각 보, 기둥, 전단벽의 비선형모델을 나타낸 것이다. 댐퍼는 그림 2에서 보듯이 표 5의 이력특성을 이용하여 건물로부터 연장된 보와 외곽기둥의 브라켙을 연결하는 스프링으로 모델링하였다.
- 이 절에서는 전체 제진구조의 비선형 시간이력해석에 선행하여 효율적인 제진장치의 용량 및 설치위치를 검토하기 위하여 수행된 ASCE/SEI 7-10의 등가수평력절차에 의한 예비설계 사례연구 결과를 정리하였다. 댐퍼의 설치는 건물의 모드형상을 고려하여 저층부 5개층, 중층부 3개층, 고층부 2개층 설치의 경우로 나누어 검토하였으며, 고층부는 외부기둥의 강성구현에 어려움이 있어 12층 이상은 고려치 않았다. 그림 5는 ASCE/SEI 7-10에서 제시하고 있는 등가선형화기법의 개념을 나타낸 것으로, Dyd는 댐퍼항복변위로 단자유도 화한 건물에 적용한 댐퍼의 모든 부재가 항복했을 때의 변위, Do는 제진건물의 등가 기본진동주기를 반영하기 위하여 지 진력저항시스템과 감쇠시스템의 총 강도의 적정 강도수준의 변위로 일반적으로 60%강도 수준으로 정한다.
- 지진응답의 시간이력해석은 지반조건에 상응하는 적어도 7개의 지반운동을 사용하여 해석할 경우 결과 값의 평균치를 계산해 평가하는 것이 허용된다. 본 연구에서는 3개 계측파와 4개의 인공지진파를 이용하였으며, 건축구조기준(KBC 20090306.7.4.1)에 부합하도록 스케일링하여 해석하였다. 그림 4는 본 연구에서 사용된 7개 지진파에 대하여 DBE(Design Based Earthquake)와 MCE(Maximum Considered Earthquake)레벨로 보정된 결과를 나타낸 것이다.
- 비선형해석에 사용된 프로그램은 Perform 3D로서 부재의 비선형특성은 부재의 강성과 변형능력으로 표현할 수 있으며, 재료 비선형과 부재의 비선형을 모두 고려할 수 있다. 부재 비선형의 경우 하중조건과 변형에 따라 부재에 발생하는 소성힌지의 특성으로 보 및 기둥 부재는 FEMA356 (ASCE41, 2000)에서 제시하는 비선형 특성을 이용하였으며, 전단벽의 경우 Perform 3D를 이용하여 화이버(Fiber)모델로 구성하여 해석하였다. 그림 3은 각각 보, 기둥, 전단벽의 비선형모델을 나타낸 것이다.
- 이 논문에서는 등방성 이력형 강재댐퍼인 카고메댐퍼를 이용한 RC 라멘조 아파트건물의 지진응답 개선효과를 건물 외부설치 구조물과의 주기차를 이용하는 감쇠시스템의 구성 방법과 댐퍼의 설치위치에 따른 효과를 중심으로 분석하였으며, 해석적 검토결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
- 검토결과, 이 경우는 기둥과 벽체가 최소 철근량에 의해 부재 배근이 결정되는 경우가 많아 철근물량의 감소량이 미미하였다. 이와 같은 이유로 최종 검토 시에는 먼저 지진과 풍하중을 만족하도록 건물의 부재 단면을 최적화하였으며, 이 최적화된 단면을 기준으로 SFRS와의 물량을 비교하였다. 구조물량 비교 시 이음과 정착길이는 고려하지 않았다.
- 국토해양부)에 의한 내진설계가 수행되었으며, 이 건물의 동적응답이 제진구조의 지진응답 개선효과를 검증하는 비교기준으로 사용되었다. 제진구조는 ASCE/SEI 7-10(ASCE, 2010)1)에서 제시하고 있는 설계방법에 따라 감쇠시스템(damping system)을 제외한 나머지 지진력저항시스템이 설계밑면전단력의 75% 이상을 부담하도록 설계하였다. 실무적인 관점에서 제진구조의 적용에 따른 비용증감 문제는 가장 큰 이슈 중의 하나이다.
- 제진구조의 적용에 따른 경제적인 설계의 가능성을 검토해 보기 위하여 건축구조기준(KBC 2009, 국토해양부)에 의해 내진설계된 건물(Seismic Force-Resisting System, SFRS)과 ASCE/SEI 7-10 기준에서 요구하는 최소요건인 설계밑면 전단력의 75%만을 부담하도록 설계된 건물(0.75*SFRS)을 대상으로 골조물량을 비교하였다. 설계 시 적용된 철근과 콘크리트의 강도는 표 1과 같으며, 풍하중의 적용조건은 설계기본풍속 30m/sec, 노풍도 B, 중요도 계수 1.
대상 데이터
- 연구대상 건물은 그림 1에 나타낸 바와 같은 지하 1층, 지상 18층의 L자 판상형 철근콘크리트 라멘조 아파트로서, 기준층의 층고는 3.1m이며 건물의 전체 높이는 56.6m이다. 건물 스팬의 기본모듈은 3.
- 이 연구에서 적용된 제진장치는 와이어를 소재로 한 다공질의 카고메댐퍼로서 등방성의 특징과 함께 무게대비 강도가 크고 전단변형에 의한 에너지흡수율이 높은 특징을 지니고 있다(황재승 등, 2013). 일반적으로 변위의존형의 강재댐퍼는 이선형(bi-linear)의 특성을 갖는 것으로 모델링되며, 표 5는 본 연구에서 적용한 카고메댐퍼 유닛의 이력특성값을 정리하여 나타낸 것이다.
- 8m의 단일스팬으로 구성되어 있다. 이러한 평면구성은 내부공간의 연구대상 건물은 그림 1에 나타낸 바와 같은 지하 1층, 지상 18층의 L자 판상형 철근콘크리트 라멘조 아파트로서, 기준층의 층고는 3.1m이며 건물의 전체 높이는 56.6m이다. 건물 스팬의 기본모듈은 3.
이론/모형
- 이 논문은 이러한 기술개발의 일환으로 등방성 이력형 강재댐퍼인 카고메댐퍼를 이용한 RC 라멘조 아파트건물의 지진응답 개선효과에 대하여 해석적으로 검토한 결과를 제시하고 있다. 연구목적 달성을 위하여 연구대상 건물은 먼저 건축구조기준(KBC 2009. 국토해양부)에 의한 내진설계가 수행되었으며, 이 건물의 동적응답이 제진구조의 지진응답 개선효과를 검증하는 비교기준으로 사용되었다. 제진구조는 ASCE/SEI 7-10(ASCE, 2010)1)에서 제시하고 있는 설계방법에 따라 감쇠시스템(damping system)을 제외한 나머지 지진력저항시스템이 설계밑면전단력의 75% 이상을 부담하도록 설계하였다.
성능/효과
- 1. 제진구조로 설계 시 경제성을 검토하기 위하여 연구대상 건물을 기존 내진설계방법(KBC 2009)과 지진력저항시스템의 설계지진력을 밑면전단력의 75%만을 부담하도록 최적화한 제진구조의 부재단면을 비교한 결과, 내진건물 대비 콘크리트는 약 14%, 철근은 약 3.7% 감소가 가능한 것으로 확인되었다.
- 2. 이 연구에서 고려한 연구대상 건물의 경우 제진구조로 설계 시 내진설계 대비 골조의 물량감소량이 작아 제진장치의 설치비용을 고려할 경우 경제성 확보가 용이치 않은 것으로 검토되었다. 이는 내부공간의 자율성 확보를 위한 무리한 구조계획에 따른 결과로서 대부분의 부재들이 지진하중보다는 중력하중에 지배되어 설계되는 경우가 많고, 사용 강재의 강도가 높아 최소철근비로서 단면이 결정되는 부재의 경우 과도한 배근으로 결정되는 사례가 발생하였기 때문인 것으로 판단된다.
- 250kN 항복력의 카고메댐퍼를 1~5층까지 총 25개를 설치하였을 경우, 그림 6과 같이 등가모델이 구성되며 제진장치로 인한 제어 감쇠비는 약 6% 증가되는 것으로 검토되었다. 많은 제진장치에 비하여 감쇠비가 크게 증가하지 않은 이유는 5층까지의 층변위가 작아 모든 제진장치가 항복하여 제어력을 발휘하는 이력변위가 작기 때문으로 판단된다.
- 구조물량 비교 시 이음과 정착길이는 고려하지 않았다. 2차 검토결과, 각 부재의 물량 감소폭은 표 4와 같이 수평강성에 기여도가 큰 벽체의 물량 감소폭이 크게 나타났으며, 기둥과 보의 물량도 어느 정도는 감소함을 확인하였다. 콘크리트는 전체 물량 대비 약 86% 수준으로 14% 감소하였으며, 철근의 경우 약 96.
- 4. 이 연구에서 제시된 외부제진 감쇠시스템의 경우 카고메댐퍼 24개 설치 시 약 9%의 에너지소산 효과를 얻을 수 있는 것으로 확인되었다.
- 5. 외부제어 구조물의 강성이 작은 경우, 제진장치의 에너지소산 효과가 미소하여 제진장치는 건물과 외부구조물을 연결하는 스프링역할 이상의 효과를 기대할 수 없는 것으로 검토되었다. 따라서 보다 효과적인 외부제어 감쇠시스템을 구성하기 위해서는 다양한 제진장치의 용량과 외부제어 골조의 최적강성 등에 대하여 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 그림 9는 El centro 지진파에 대한 지진응답 중 부재응력과 댐퍼이력을 검토한 결과를 보여 주고 있다. DBE와 MCE에 대하여 모두 제진장치 설치 후 전단벽의 중층 및 하부층 소성힌지 분포가 제진장치 설치 전 보다 감소하였다. 감쇠시스템으로 구성된 외곽기둥은 ASCE/SEI 7-10기준의 요구사항과 같이 제진장치가 설치된 6층 바닥 이하에서 소성힌지가 발생하지 않고 탄성에 머물러 있는 것으로 확인되었다.
- DBE와 MCE에 대하여 모두 제진장치 설치 후 전단벽의 중층 및 하부층 소성힌지 분포가 제진장치 설치 전 보다 감소하였다. 감쇠시스템으로 구성된 외곽기둥은 ASCE/SEI 7-10기준의 요구사항과 같이 제진장치가 설치된 6층 바닥 이하에서 소성힌지가 발생하지 않고 탄성에 머물러 있는 것으로 확인되었다.
- 고층부 11~12층까지 2개층에 카고메댐퍼 총 10개를 설치하였을 경우, 가장 적은 댐퍼 용량으로 가장 큰 제어효과를 거둘 수 있었으며, 제어감쇠비 약 20%의 추가 효과를 볼 수 있었다. 현재 요구되는 제어용량은 추가 감쇠비 13% 수준으로 이는 원구조물의 지진력을 25% 감소시킬 수 있는 제어 수준이다.
- 또한 그림 8은 일례로서 El centro 지진작용 시 건물이 소산한 에너지양을 비교한 결과로서, 댐퍼의 설치로 댐퍼설치전 건물 소산에너지량 대비 약 9%의 추가 에너지소산 효과가 발생하였으며, 예비설계 시 Case 2와 비슷한 수준으로 적절한 감쇠비가 도출되었음을 확인할 수 있다.
- 중층부 6~8층에 걸쳐 3개층에 카고메댐퍼 총 15개를 설치하였을 경우, 12% 감쇠비 증가효과가 있는 것으로 검토되었으며 Case 1에 비하여 보다 작은 제어력으로 큰 제진효과를 거둘 수 있는 것으로 나타났다. 그 이유는 외부 제어구조물이 강체이며 제어층의 층변위가 하부층 보다 크기 때문에 이력 감쇠의 효과가 크게 나타났기 때문으로 판단된다.
- 이러한 결과의 원인은 크게 2가지로 분석해 볼 수 있다. 첫째, 그림 1에서 볼 수 있듯이 내부공간의 자유도 확보를 위하여 예제건물의 구조에서는 단변방향으로 장스팬 구조를 채택함에 따라 부재의 단면이 중력하중에 지배되는 경향이 크게 나타났기 때문이다. 특히 단변방향으로 설치된 보의 경우 장스팬에 따른 처짐의 영향으로 대부분 중력하중에 의하여 단면이 결정되어 물량감소의 폭이 매우 작게 나타났다.
- 2차 검토결과, 각 부재의 물량 감소폭은 표 4와 같이 수평강성에 기여도가 큰 벽체의 물량 감소폭이 크게 나타났으며, 기둥과 보의 물량도 어느 정도는 감소함을 확인하였다. 콘크리트는 전체 물량 대비 약 86% 수준으로 14% 감소하였으며, 철근의 경우 약 96.3%로 3.7% 감소하였다. 2차 최적화의 경우는 기둥과 벽체에서 부재 단면의 최적화로 콘크리트 물량 감소가 철근 감소폭에 비해 큰 것으로 나타났다.
- 표 3은 연구대상 건물에 적용된 풍하중과 지진하중을 비교한 것으로 지진하중이 풍하중보다 큰 것으로 검토되어 저감된 지진하중(밑면전단력의 75%)을 적용할 경우 구조부재의 부재력 감소로 경제적인 설계가 가능할 것으로 예상된다.
- 이 연구에서는 예비설계 사례 연구를 통하여 고려하는 제진구조의 문제점 및 적절한 설계방안을 제시하고 이에 따라 가장 효과적인 제진모델을 선정하여 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 해석결과, 외부제진 적용 시 외부제어 구조물이 강체로 적정 용량의 강성을 발휘하는 경우 경제적이고 효과적인 제진구조시스템을 형성할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 외부제어 구조물의 강성이 작은 경우, 제진장치의 에너지소산 효과가 미소하여 제진장치는 건물과 외부구조물을 연결하는 스프링역할 이상의 효과를 기대할 수 없는 것으로 검토되었다. 따라서 보다 효과적인 외부제어 감쇠시스템을 구성하기 위해서는 다양한 제진장치의 용량과 외부제어 골조의 최적강성 등에 대하여 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 특히 단변방향으로 설치된 보의 경우 장스팬에 따른 처짐의 영향으로 대부분 중력하중에 의하여 단면이 결정되어 물량감소의 폭이 매우 작게 나타났다. 따라서 제진구조로서 보다 경제적인 설계를 위해서는 중력하중보다 지진하중의 지배비율이 높은 구조를 대상으로 하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 두 번째 원인은 고강도 철근의 사용을 들 수 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.