[논문]진동시험을 통한 강판콘크리트(SC) 전단벽의 저응력수준에서의 구조 감쇠비 규명

조성국; 소기환; 김두기; 한상묵

doi:10.12652/ksce.2015.35.2.0255

진동시험을 통한 강판콘크리트(SC) 전단벽의 저응력수준에서의 구조 감쇠비 규명
Structural Damping Ratio of Steel Plate Concrete(SC) Shear Wall at the Low Stress Level Identified by Vibration Test 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.35 no.2, 2015년, pp.255 - 264

조성국 (이노스기술(주) 기술연구소) , 소기환 (이노스기술(주)) , 김두기 (군산대학교 토목환경공학과) , 한상묵 (GS건설연구소)

초록
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SC (steel plate concrete)구조는 새로운 구조형식으로서 SC구조물의 내진설계에 적용할 수 있는 감쇠비의 규명이 필요하다. 이 연구에서는 실험적 방법을 통해 SC구조의 감쇠비를 분석하였다. 연구를 위하여 SC 전단벽 시편을 제작하고, 대형 진동대를 이용하여 진동시험을 수행하였다. 시험에서 계측한 가속도응답신호는 전달함수로 변환한 후 동적실험모드분석기법을 적용하여 분석하였다. 구조물의 감쇠비는 입력운동의 수준에 따라 달라질 수 있으며, 이 연구의 실험에서 적용한 입력운동의 수준은 시편의 항복강도의 절반보다 낮은 수준으로서 여기서 분석된 구조감쇠비는 약 4%정도이다. 이 연구결과를 고려하여 SC구조물의 운전기준지진에 대한 내진설계에는 4% 감쇠비를 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Steel plate concrete (SC) structure has been developed as a new structural type. Rational damping value shall be determined for the seismic design of SC structure. This study evaluated damping ratio of SC structure through experiments. For the study, a SC shear wall specimen was constructed and dynamically tested on the shaking table. Acceleration time history responses measured from testing were converted to the transfer functions and analyzed by using experimental modal analysis technique. The structural damping ratio of the specimen was identified as 4% to critical. Considering the shaking table test was performed at the excitation level corresponding to the low stress level of the specimen, 4% could be suggested as a structural damping for design of SC structure for operating basis earthquake.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 SC구조의 감쇠 특성을 분석하기 위하여 SC구조 벽체의 시편을 제작하고, 진동대를 이용하여 진동시험을 수행하였다. 그리고 시험에서 계측된 가속도 신호와 하중-변위 관계를 분석하여 시편의 진동특성과 감쇠비를 규명하였다.
이 연구에서는 SC구조의 감쇠비를 규명하기 위하여 대형 진동대를 이용한 진동시험을 수행하였다. 시험을 위하여 Fig.

제안 방법

다항식회귀분석방법을 이용한 분석에서는 Eq. (3)의 전달함수를 다항식으로 전개하고 다항식곡선적합(curve fitting)을 실시하여 다항식의 계수와 상수를 결정한다.
SC 벽체 시편의 감쇠비를 규명하기 위하여 대형 진동대를 이용한 진동시험을 수행하였다. 이 연구에 이용된 시험설비는 국내의 현대건설 기술연구소에서 보유하고 있는 30톤 용량의 1축 방향 진동대이다.
원전의 설계에 적용되는 감쇠비는 구조의 형식과 설계지진의 수준인 운전기준지진(Operating-Basis Earthquake, OBE)과 안전정지지진(Safe-Shutdown Earthquake, SSE)에 대하여 각각 구분하고 있다. Table 1에 우리나라의 전력산업기술기준(2010), 미국 NRC의 안전심사지침(2007), 미국토목공학회 설계기준인 ASCE 4-98 (2000) 및 일본의 강판콘크리트구조 설계기준인 JEAC-4618 (2009)에서 제시하고 있는 구조형식별 감쇠비를 각각 비교하였다.
이 연구는 SC구조의 감쇠 특성을 분석하기 위하여 SC구조 벽체의 시편을 제작하고, 진동대를 이용하여 진동시험을 수행하였다. 그리고 시험에서 계측된 가속도 신호와 하중-변위 관계를 분석하여 시편의 진동특성과 감쇠비를 규명하였다.
이 연구에서는 관련 설계기준에 따라 SC구조 벽체의 시편을 제작하고, 진동대시험을 수행하였다. 시험에서 계측한 신호를 분석하여 SC구조의 동적 특성을 분석하였으며, 특히 감쇠비 값을 원전의 규제기준에 명시한 규정과 비교하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이 연구에서 사용된 입력운동으로 인한 하중의 수준을 판단하기 위하여 시편에 대한 성능곡선과 지진으로 인하여 작용한 하중을 비교하였다. 시편의 성능곡선을 작성하기 위하여 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 비선형 푸쉬오버해석(push over analysis)을 수행하였다.
이 연구에서는 관련 설계기준에 따라 SC구조 벽체의 시편을 제작하고, 진동대시험을 수행하였다. 시험에서 계측한 신호를 분석하여 SC구조의 동적 특성을 분석하였으며, 특히 감쇠비 값을 원전의 규제기준에 명시한 규정과 비교하였다.
이 연구에서는 진동실험을 통해 계측한 전달함수를 다항식으로 전개하고 회귀분석방법을 적용하여 시편의 고유진동수와 감쇠비를 규명하였다. 다항식회귀분석방법을 이용한 분석에서는 Eq.
진동수영역방법은 구조물의 진동수응답함수를 이용하여 모드특성을 추출해 내는 방법으로서 선형 정상 거동을 분석하는 경우에 보다 유용한 결과를 얻을 수 있고 시간영역방법보다 더 쉽게 적용이 가능하다. 이를 고려하여 이 연구에서는 진동수영역방법을 이용하여 구조물의 진동특성을 분석하였다. 진동수영역방법은 선형시스템의 운동방정식을 라플라스변환(Laplace transform)을 이용하여 다음 Eq.
진동시험에서 입력운동과 진동응답의 계측을 위하여 가속도계가 사용되었다. 가속도계는 시편 벽체의 길이방향으로 하나의 벽체당 4개씩 상, 중, 하의 위치에 부착하였다.
진동시험은 백색잡음(white noise) 랜덤파형(random wave)을 입력운동으로 하여 Table 2에 보인 5가지의 진동수준에 대하여 벽체의 길이방향(x축 방향)으로만 실시되었다. Table 2에 보인 입력운동의 수준은 신호의 RMS(root mean square) 평균 가속도와 이때의 최대 가속도이다.
시편의 성능곡선을 작성하기 위하여 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 비선형 푸쉬오버해석(push over analysis)을 수행하였다. 푸쉬오버해석에서 시편 상부슬래브의 중앙점에 집중하중을 재하하고 점진적으로 하중의 크기를 증가시켰다. 해석을 통하여 얻어진 시편의 하중-변위 성능곡선과 진동시험에서 발생한 지진응답가속도에 상응하는 하중의 크기를 Fig.

대상 데이터

시편 벽체의 높이는 2,500mm, 길이는 1,500mm, 두께는 300mm이다. 시편 벽체의 상부와 하부에 연결된 슬래브의 두께는 500mm이다.
시편에 사용된 강판의 강종은 SM490이고, 내부에 타설된 콘크리트의 압축강도는 45MPa이다. 벽체 내부에는 스터드를 제외한 다른 보강은 없으며, 상부와 하부의 슬래브에는 철근을 배근하였다.
1에 보인 바와 같이 시편은 두 개의 벽체와 상부슬래브 및 기초슬래브로 구성되어 있다. 시편의 벽체 부분은 SC구조이고, 슬래브는 RC구조이다.
7에 보인 바와 같다. 시험에서 가속도시간이력 신호는 나이퀴스트(Nyquist) 진동수를 고려하여 초당 256개로 계측하였다.
이 연구에서는 SC구조의 감쇠비를 규명하기 위하여 대형 진동대를 이용한 진동시험을 수행하였다. 시험을 위하여 Fig. 1과 같은 SC구조 벽체 시편이 제작되었다. 제작된 시편은 KEPIC-SNG와 JEAC-4618의 설계기준의 규정에 따라 설계되었다.
SC 벽체 시편의 감쇠비를 규명하기 위하여 대형 진동대를 이용한 진동시험을 수행하였다. 이 연구에 이용된 시험설비는 국내의 현대건설 기술연구소에서 보유하고 있는 30톤 용량의 1축 방향 진동대이다.

데이터처리

이 연구에서 사용된 입력운동으로 인한 하중의 수준을 판단하기 위하여 시편에 대한 성능곡선과 지진으로 인하여 작용한 하중을 비교하였다. 시편의 성능곡선을 작성하기 위하여 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 비선형 푸쉬오버해석(push over analysis)을 수행하였다. 푸쉬오버해석에서 시편 상부슬래브의 중앙점에 집중하중을 재하하고 점진적으로 하중의 크기를 증가시켰다.

이론/모형

1과 같은 SC구조 벽체 시편이 제작되었다. 제작된 시편은 KEPIC-SNG와 JEAC-4618의 설계기준의 규정에 따라 설계되었다. Fig.
이를 고려하여 이 연구에서는 진동수영역방법을 이용하여 구조물의 진동특성을 분석하였다. 진동수영역방법은 선형시스템의 운동방정식을 라플라스변환(Laplace transform)을 이용하여 다음 Eq. (1)과 같이 변환한다(Maia and Silva, 1997).

성능/효과

(1) SC구조 벽체 시편의 고유진동수는 20.6Hz, 감쇠비는 4.11%로 계산되었다. 이는 KEPIC 설계기준에서 제시하는 OBE 수준의 감쇠비와 유사한 값이며, 규제기준에서 제시하는 RC구조의 OBE 수준에 대한 감쇠비를 약간 상회하는 수준이다.
(2) 우리나라의 전력산업기술기준에서는 SC구조에 대하여 SSE 수준에서 미국 NRC의 규제기준이나 ASCE의 설계기준에서 규정하는 RC구조의 감쇠비 7%보다는 더 작은 6%의 감쇠비를 규정하고 있으며 이에 대한 근거로 SC구조의 균열이 RC구조에 비해 적기 때문이라고 설명하고 있다. 하지만 이번 실험에서 강판으로 덮여있지 않은 벽체의 전면부에서 미세한 균열이 발견되기는 하였지만 강판 내부에 발생하는 콘크리트의 균열을 확인할 수 없었다.
(3) 본 연구의 실험은 구조물의 항복강도의 1/2 이하인 응력수준에서 수행되었으므로 이 연구에서 규명된 감쇠비는 원전의 내진설계에서 SC구조의 운전기준지진(OBE)에 대한 수준의 감쇠비로 판단할 수 있다. 현재까지 국내외에서 SC구조에 대한 감쇠비 규명을 위한 실험적 연구는 없었으므로 이 연구결과는 실무에서 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
그림에서 알 수 있는 바와 같이, 진동대시험에서 시편에 작용한 등가하중의 크기는 시편의 최대강도의 1/2 수준보다 훨씬 낮고, 최대 성능하중의 약 7%에 해당하는 수준이다. 그러므로 본 연구의 시험에서 시편항복강도의 1/2 이하에서 거동하고 있다는 것을 알 수 있다.

후속연구

(4) 향후에 안전정지지진(SSE) 수준의 감쇠비를 규명하기 위하여 보다 큰 규모와 높은 응력수준의 실험연구가 추가로 필요하다.
하지만 이번 실험에서 강판으로 덮여있지 않은 벽체의 전면부에서 미세한 균열이 발견되기는 하였지만 강판 내부에 발생하는 콘크리트의 균열을 확인할 수 없었다. 따라서 균열 발생 정도에 따라 감쇠비를 판단하기 보다는 정확한 실험과 해석적 연구를 통하여 명확하게 분석되어야 할 필요가 있다.
(3) 본 연구의 실험은 구조물의 항복강도의 1/2 이하인 응력수준에서 수행되었으므로 이 연구에서 규명된 감쇠비는 원전의 내진설계에서 SC구조의 운전기준지진(OBE)에 대한 수준의 감쇠비로 판단할 수 있다. 현재까지 국내외에서 SC구조에 대한 감쇠비 규명을 위한 실험적 연구는 없었으므로 이 연구결과는 실무에서 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강판콘크리트 구조는 무엇인가?	SC구조는 콘크리트의 외벽에 강판을 부착하고 내부 콘크리트에 접하는 강판의 내면에 스터드 볼트를 부착함으로써 강판과 콘크리트를 일체화시킨 것이다. 이로써 SC구조에서는 강판이 구조재의 기능을 수행하면서 동시에 거푸집의 역할도 수행하는 구조이다.
	모듈화 공법은 무엇인가?	원전의 건설공기를 감축하고 시공품질의 향상을 기대할 수 있는 공법으로서 모듈화 공법이 관심을 받고 있다. 모듈화 공법은 원전에 포함된 구조물, 기기, 계통을 일체화 시켜서 공장제작 한 후, 현장에서 조립하는 공법을 말한다. 모듈화 공법의 핵심 기술 중의 하나는 기존의 RC구조를 대신하여 강판콘크리트(steel plate concrete, 이하 SC)구조를 적용하는 것이다.
	모듈화 공법의 핵심 기술 중의 하나는 무엇인가?	모듈화 공법은 원전에 포함된 구조물, 기기, 계통을 일체화 시켜서 공장제작 한 후, 현장에서 조립하는 공법을 말한다. 모듈화 공법의 핵심 기술 중의 하나는 기존의 RC구조를 대신하여 강판콘크리트(steel plate concrete, 이하 SC)구조를 적용하는 것이다.

참고문헌 (18)

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표제어: PCR

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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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