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.
가설 설정
- 이와 같은 해석 모델링 기법은 구조 부재의 구속 여부에 관계없이 실제 모듈러 구조물의 설계에서 관행적으로 사용되는 방식이다. 두 번째구조 해석모델(Non-composite Section and Fixed-Joint, NSFJ)은 구조 부재가 분리되어 하중에 저항하는 중첩 단면으로 가정하였으며, 모듈 간 접합부는 강접합된 것으로 고려하였다. 마지막으로 세 번째구조 해석 모델(Non-composite Section and Rotational Joint, NSRJ)은 NSFJ와 동일하게 구조 부재를 합성 단면이 아닌 중첩 단면으로 가정하였으며, 모듈 간 접합부의 회전 거동에 대한 영향을 해석 모델에 반영하였다.
- , 2012). 따라서 개방형 모듈로 구성된 모듈러 구조물은 철골 보통모멘트골조와 유사한 내진성능을 가질 것이라는 가정하에 관행적으로 철골 보통모멘트골조와 동일한 내진설계 계수를 적용하여 설계된다.
- 두 번째구조 해석모델(Non-composite Section and Fixed-Joint, NSFJ)은 구조 부재가 분리되어 하중에 저항하는 중첩 단면으로 가정하였으며, 모듈 간 접합부는 강접합된 것으로 고려하였다. 마지막으로 세 번째구조 해석 모델(Non-composite Section and Rotational Joint, NSRJ)은 NSFJ와 동일하게 구조 부재를 합성 단면이 아닌 중첩 단면으로 가정하였으며, 모듈 간 접합부의 회전 거동에 대한 영향을 해석 모델에 반영하였다. NSRJ 모델은 실제 모듈러 구조물의 구조적 특성을 고려한 해석 모델로 앞 선 2개의 해석 모델보다 상대적으로 정확한 모듈러 구조물의 해석이 가능할 것으로 예상된다.
- 주요 구조 부재의 비선형 이력 거동을 나타내기 위한 소성 힌지의 모멘트-곡률(M-φ)관계는 Fig. 6(a)와 같이 재료의 동적경화법을 따르는 이선형 이력모델(bi-linear hysteresis rule)로 가정하였으며, 항복 후 강성비는 탄성 휨강성의 5%를 적용하였다.
- 표본 건물에 작용하는 중력하중과 내진 설계 계수를 각각 Table 2 및 Table 3에 정리하였다. 표본 건물은 서울지역의 SD 지반에 위치하는 것으로 가정하였고, 지역계수(S = 0.22)를 적용하여 산정된 단주기 및 1초 주기 설계스펙트럼가속도(SDS, SD1)는 각각 0.499 g, 0.287 g이다. 표본 건물의 내진설계계수는 철골보통모멘트골조와 동일한 반응수정계수(R), 초과강도 계수(Ω0) 및 변위증폭계수(Cd)를 적용하였다.
제안 방법
- 각 표본 건물의 횡력저항능력 및 파괴 메커니즘을 파악하기 위하여 비선형 정적해석을 수행하였다. 비선형 정적해석은 ASCE 41-07을 참조하여 중력방향 하중은 100%의 고정하중과 25%의 사용하중을 적용하였고, 횡하중 패턴은 1차 모드의 모드형상과 비례하도록 지붕층 변위비가 4%에 도달할 때까지 가력하였다.
- 해석 모델 NSRJ의 경우, 모듈 간 접합부의 모멘트와 상대 회전각 관계에 대한 정의가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 FEM 해석을 통해 모듈 간 접합부의 회전 강성 및 강도를 평가하였으며, 이 때 액세스 홀 유무에 따른 영향을 고려하였다. 액세스 홀이 없는 접합부는 연결용 플레이트와 볼트를 이용하여 상·하부 모듈의 보 플랜지를 접합하는 방식으로, 액세스 홀이 없기 때문에 상·하부 모듈의 기둥 단부에는 볼트 접합이 되지 않는다(Choi and Kim, 2015).
- 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 연결용 플레이트(connection plate)를 상·하부 단위 모듈 사이에 삽입 한 후, 기둥 단부와 보 플랜지 부분에 고력 볼트를 이용하여 각 단위 모듈을 연결하는 접합 방식을 고려하였다.
- 본 연구에서는 X방향으로 지진력이 작용하는 경우만 고려하였으며, 이 때 표본 건물은 A~D열에 위치한 4개의 골조가 주된 지진력저항시스템이 되기 때문에, 구조 해석 모델은 총 4개의 서브 프레임(sub-frame)과 P-Δ효과를 고려하기 위한 가상의 기댄기둥(leaning column)으로 구성된다.
- 각 표본 건물의 횡력저항능력 및 파괴 메커니즘을 파악하기 위하여 비선형 정적해석을 수행하였다. 비선형 정적해석은 ASCE 41-07을 참조하여 중력방향 하중은 100%의 고정하중과 25%의 사용하중을 적용하였고, 횡하중 패턴은 1차 모드의 모드형상과 비례하도록 지붕층 변위비가 4%에 도달할 때까지 가력하였다.
- 수립된 해석 모델을 이용하여 3층과 5층 표본 건물의 비선형 정적해석을 수행하였으며, 높이 및 해석 모델에 따른 표본 건물의 내진성능을 비교·평가하였다.
- 이와 같은 모듈러 구조물의 구조적 특성을 고려하여, 본 연구에서는 중첩된 구조 부재의 단면 합성, 접합부의 상대 회전각 및 비선형 거동 여부에 따라 총 4개의 구조 해석 모델을 수립하였다. 수립된 해석 모델을 이용하여 3층과 5층 표본 건물의 비선형 정적해석을 수행한 후, 능력 스펙트럼법을 이용하여 모듈러 구조물의 내진성능을 평가하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 액세스 홀이 없는 접합부(NSRJ-EL 해석 모델)의 경우, 접합부는 보의 공칭 소성 모멘트까지 탄성 거동하는 것으로 나타났기 때문에, 회전 스프링은 접합부의 모멘트-상대 회전각의 관계를 탄성으로 모델링하였으며, 이 때 적용한 회전 강성은 32,735 kN·m/rad이며, 액세스 홀이 있는 접합부의 회전 강성은 액세스 홀이 없는 접합부의 회전 강성에 비하여 약 30% 수준으로 나타났다.
- 액세스 홀이 있는 접합부(NSRJ-NL 해석 모델)의 경우, 보 및 기둥에 비하여 접합부의 비선형 거동이 선행하기 때문에 Scissors 해석 모델 내 회전 스프링은 이선형 이력 모델로 적용하였으며, 회전 스프링의 회전 강성 및 항복 모멘트는 각각 9,474.8 kN·m/rad.
- 지점을 제외한 서브프레임 및 가상 기둥 각 층의 노드는 다이아프램(diaphragm) 효과를 적용하기 위하여 X방향 수평 자유도를 커플링함으로써, 동일한 수평 변위가 발생하도록 하였다. 이 때 기댄기둥의 층 노드에는 층 전체의 중력하중을 재하하였고, 회전에 대해 자유로운 힌지(hinge)로 모델링하였다. 이를 통해 표본 건물의 횡변위가 발생할 때, 기둥에 작용하는 추가적인 2차 모멘트에 의한 영향이 고려될 수 있도록 유도하였다.
- (2015)과 Choi and Kim(2015)은 액세스 홀에 의한 단위 모듈의 보기둥 접합부의 강성 및 강도를 실험과 해석적으로 평가하였으며, 그 결과 철골 모멘트골조의 부분강접 접합부와 유사하게 강접합이 아닌 회전에 대해 일정 정도의 유연성과 구속력을 가지는 접합부로 나타났다. 이를 고려하여 본 연구에서는 모듈 간 접합부의 구조적 거동을 회전 구속에 따른 휨모멘트상대 회전각 관계로 정의하였다.
- 이와 같이 모듈러 구조물은 일반적인 철골 모멘트골조와 다른 구조적 특성을 가지기 때문에, 내진 성능 역시 상당히 차이가 날 것으로 예상되며, 내진 성능에 관한 해석적 검증이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 우선 모듈러 구조물의 구조적 특성을 고려하여 총 4개의 구조 해석 모델을 수립하였다. 수립된 해석 모델을 이용하여 3층과 5층 표본 건물의 비선형 정적해석을 수행하였으며, 높이 및 해석 모델에 따른 표본 건물의 내진성능을 비교·평가하였다.
- 이 때 기댄기둥의 층 노드에는 층 전체의 중력하중을 재하하였고, 회전에 대해 자유로운 힌지(hinge)로 모델링하였다. 이를 통해 표본 건물의 횡변위가 발생할 때, 기둥에 작용하는 추가적인 2차 모멘트에 의한 영향이 고려될 수 있도록 유도하였다.
- 이상의 모델링 공통 사항을 제외하고, 앞서 언급하였던 모듈러 구조물의 거동 특성 반영 여부에 따라 다음과 같이 총 3개의 구조 해석 모델을 수립하였다. 첫 번째 구조 해석 모델(Composite Section and Fixed-Joint, CSFJ)은 중첩된 구조 부재가 완전하게 구속되었다는 가정하에 합성 단면으로 고려하였고, 모듈 간 접합부를 강접합으로 모델링하였다.
- 모듈러 구조물은 각 단위 모듈의 적층으로 인해 인접한 모듈의 구조부재가 중첩되고, 단위 모듈 간 접합 방식에 따라 각기 다른 방식의 하중 전달 메커니즘을 가진다. 이와 같은 모듈러 구조물의 구조적 특성을 고려하여, 본 연구에서는 중첩된 구조 부재의 단면 합성, 접합부의 상대 회전각 및 비선형 거동 여부에 따라 총 4개의 구조 해석 모델을 수립하였다. 수립된 해석 모델을 이용하여 3층과 5층 표본 건물의 비선형 정적해석을 수행한 후, 능력 스펙트럼법을 이용하여 모듈러 구조물의 내진성능을 평가하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 X방향으로 지진력이 작용하는 경우만 고려하였으며, 이 때 표본 건물은 A~D열에 위치한 4개의 골조가 주된 지진력저항시스템이 되기 때문에, 구조 해석 모델은 총 4개의 서브 프레임(sub-frame)과 P-Δ효과를 고려하기 위한 가상의 기댄기둥(leaning column)으로 구성된다. 지점을 제외한 서브프레임 및 가상 기둥 각 층의 노드는 다이아프램(diaphragm) 효과를 적용하기 위하여 X방향 수평 자유도를 커플링함으로써, 동일한 수평 변위가 발생하도록 하였다. 이 때 기댄기둥의 층 노드에는 층 전체의 중력하중을 재하하였고, 회전에 대해 자유로운 힌지(hinge)로 모델링하였다.
- 이상의 모델링 공통 사항을 제외하고, 앞서 언급하였던 모듈러 구조물의 거동 특성 반영 여부에 따라 다음과 같이 총 3개의 구조 해석 모델을 수립하였다. 첫 번째 구조 해석 모델(Composite Section and Fixed-Joint, CSFJ)은 중첩된 구조 부재가 완전하게 구속되었다는 가정하에 합성 단면으로 고려하였고, 모듈 간 접합부를 강접합으로 모델링하였다. 이와 같은 해석 모델링 기법은 구조 부재의 구속 여부에 관계없이 실제 모듈러 구조물의 설계에서 관행적으로 사용되는 방식이다.
- 표본 건물의 내진설계계수는 철골보통모멘트골조와 동일한 반응수정계수(R), 초과강도 계수(Ω0) 및 변위증폭계수(Cd)를 적용하였다.
- 성능점은 가속도스펙트럼에 의해서 결정되는 요구성능과 표본건물이 보유하고 있는 보유내력이 만나는 점으로, 설계 또는 최대지진 시 표본 건물의 최대변위응답과 최대가속도응답으로 정의할 수 있다. 표본 건물의 성능점을 산정하기 위해 우선 비선형 정적해석 결과인 밑면전단력-지붕층 변위비 곡선을 이선형 이력 곡선으로 이상화하였으며, 이를 다시 응답가속도(Sa)와 응답변위의 관계(Sd)인 능력스펙트럼(capacity spectrum)으로 변환하였다. 그리고 5%의 감쇠비를 가지는 탄성 설계응답가속도스펙트럼(Design based earthquake response spectrum, DBE spectrum) 곡선과 최대급 지진의 응답가속도스펙트럼(Maximum considered earthquake spectrum, MCE Spectrum) 곡선 역시 응답가속도와 응답변위의 관계인 요구스펙트럼으로 나타내었다.
대상 데이터
- 0 m(높이)로서, 주요 구조 부재인 보 및 기둥의 제원을 Table 1에 나타내었다. 단위 모듈 내 보와 기둥은 용접 접합되었으며, 사용된 강재의 종류는 SS400이다.
- 본 연구에서 고려된 표본 건물은 3층과 5층의 중·저층 규모로 Fig. 4와 같은 평면 및 입면을 가지는 모듈러 구조물이다.
데이터처리
- 표본 건물의 내진성능 평가를 위한 비선형 정적해석은 상용 해석 프로그램인 RUAUMOKO 2D(Carr, 2000)를 사용하였으며, Fig. 5와 같이 표본 건물을 2차원으로 모델링하였다. 본 연구에서는 X방향으로 지진력이 작용하는 경우만 고려하였으며, 이 때 표본 건물은 A~D열에 위치한 4개의 골조가 주된 지진력저항시스템이 되기 때문에, 구조 해석 모델은 총 4개의 서브 프레임(sub-frame)과 P-Δ효과를 고려하기 위한 가상의 기댄기둥(leaning column)으로 구성된다.
이론/모형
- Fig. 11에 표본 건물의 내진 성능 수준을 평가하기 위해 ATC-40(ATC, 1996)의 능력스펙트럼법을 이용하여 산정한 성능점을 해석 모델에 따라 나타내었다. 성능점은 가속도스펙트럼에 의해서 결정되는 요구성능과 표본건물이 보유하고 있는 보유내력이 만나는 점으로, 설계 또는 최대지진 시 표본 건물의 최대변위응답과 최대가속도응답으로 정의할 수 있다.
- 모듈러 구조물의 해석과 설계에 모듈 간 접합부의 회전 거동을 반영하기 위해 Fig. 3과 같이 Charney and Downs(2004)가 제안한 Scissors 접합부 해석 모델을 이용하였다. Scissors 해석 모델은 구조 부재를 나타내는 프레임 요소와 회전 스프링으로 조합된 접합부 해석 모델이다.
- 보, 기둥의 강도 및 강성 저감을 고려하기 위하여 FEMA356(FEMA, 2000)에 제시된 부재 연성도를 기반으로 하는 소성 회전각을 적용하였다. FEMA356에서 제시하는 모멘트-회전각 관계(M-θ)는 Fig.
성능/효과
- 1) 해석 모델에 따른 표본 건물의 강성 및 강도는 중첩된 구조 부재를 합성 단면으로 가정하고 접합부를 강접으로 고려한 해석 모델(CSFJ)이 다른 해석 모델에 비하여 가장 크게 나타났다.
- 2) NSRJ-NL 해석 모델은 액세스 홀에 의한 영향으로 강성 및 강도가 다른 해석 모델에 비하여 상대적으로 작은 것으로 나타났으며, 이는 횡력이 작용할 때 주요 구조 부재보다 접합부의 비선형 거동이 선행하기 때문이다.
- 3) 3층 표본 건물은 항복 이후 최대 밑면 전단력까지 내력이 점차 증가하며 안정적인 연성 거동을 보이는 반면, 5층 표본 건물은 소성 변형 이후 내력이 점차 감소하는 이력 거동을 보였다.
- Table 9에 지진 수준에 따른 표본 건물 성능점의 응답가속도, 응답변위와 이를 밑면전단력과 지붕층 변위비로 치환한 값을 나타내었으며, 성능점의 지붕층 변위에 대한 항복 지붕층 변위의 비인 시스템 연성도를 함께 나타내었다. 3층과 5층 표본 건물의 해석 모델에 따른 시스템 연성도는 유효 감쇠비와 유사한 경향을 보이며, 3층 표본 건물의 경우 최대급 지진에 대해 평균1.30의 값을 가진다. 5층 표본 건물의 경우, 초기 강성 및 강도가 큰 5S-CSFJ가 다른 해석 모델에 비하여 상대적으로 큰 시스템 연성도를 가지고, 설계 및 최대급수준 지진에 대하여 각각 1.
- 4) 표본 건물의 초과 강도 계수는 합성 단면 및 접합부를 강접으로 고려한 3층 표본 건물을 제외하고, 철골보통모멘트골조의 초과강도계수인 3.0보다 낮은 것으로 평가되었다. 이는 모듈러 건축물의 내진설계 변수에 관한 보다 심층적인 연구가 필요함을 의미한다.
- 반면 5S-CSFJ 및 5S-NSCJ의 경우, 설계 수준 지진에 대해 미소한 비선형 거동을 수반하는 것으로 나타났다. 5층 표본 건물의 최대급 지진에 대한 비선형 거동으로 인한 추가 감쇠비는 해석 모델의 강성 및 강도에 비례하여 증가하였으며, 최대급 지진에 대한 추가 감쇠비는 7 ~ 21% 수준으로 평가되었다.
- 그림에서 Pb,y와 Pct,y는 각각 보와 접합부가 항복할 때의 기둥 상부에 작용하는 하중이다. Scissors 해석 모델은 초기 강성, 항복 강도 및 층간변위비 등 FEM 해석 결과와 잘 대응하고 있음을 확인할 수 있다.
- 즉 보 및 기둥 단면 1개의 단면 2차 모멘트가 각각 Ib,i, Ic,i이고, 중첩된 단면의 형상이 그림과 같이 이축 대칭일 경우, 중첩된 보 및 기둥의 단면 2차 모멘트는 각각 4·Ib,i, 2·Ic,i이다. 결과적으로 단면의 합성 효과를 고려한 경우와 비교하였을 때, 상대적으로 부재의 강성이 감소된다.
- 0 kN/mm이다. 고유치 해석 결과와 동일하게 합성 단면으로 가정한 CSFJ의 초기 강성이 가장 큰 것으로 나타났으며, 중첩단면으로 가정한 NSFJ와 NSRJ의 경우, 접합부에서 발생하는 상대회전각의 영향으로 NSRJ의 초기 강성이 작게 평가되었다. 특히 접합부를 강접으로 가정한 NSFJ와 액세스 홀이 없는 접합부의 이력 거동을 적용한 NSRJ-EL의 경우, 항복 밑면 전단력, 최대 밑면 전단력 및 이력 거동의 형상이 유사하게 나타났다.
- 특히 3층 표본 건물과 달리 5층 표본 건물의 서브 프레임 B, C는 기둥의 항복 및 파괴가 상대적으로 적은 변위에서 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 5층 표본 건물은 해석 모델에 관계없이 전형적인 강보 - 약기둥 거동을 보이며, 이러한 영향으로 인해 표본 건물의 연성 능력이 3층 표본 건물에 비하여 상당히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 19의 값을 가진다. 또한 성능점에서의 지붕층 변위비가 가장 큰 표본 건물은 3S-NSRJ-NL 및 5SNSRJ-NL이며, 3S-NSRJ-NL은 설계 및 최대급 수준 지진일 때 각각 1.27%, 1.84%의 지붕층 변위비가 발생하였고, 5SNSRJ-NL은 각각 1.26%, 1.83%의 지붕층 변위비가 발생하는 것으로 나타났다.
- 5층 표본 건물의 경우, 접합부의 회전 거동을 고려한 5SNSRJ-EL 및 5S-NSRJ-NL이 다른 해석 모델에 비하여 강성이 현저히 작기 때문에, 설계 수준 지진에 대해 탄성을 유지한다. 반면 5S-CSFJ 및 5S-NSCJ의 경우, 설계 수준 지진에 대해 미소한 비선형 거동을 수반하는 것으로 나타났다. 5층 표본 건물의 최대급 지진에 대한 비선형 거동으로 인한 추가 감쇠비는 해석 모델의 강성 및 강도에 비례하여 증가하였으며, 최대급 지진에 대한 추가 감쇠비는 7 ~ 21% 수준으로 평가되었다.
- 3층 표본 건물의 경우, 소성 힌지는 서브프레임 B, C의 1층 C2 기둥의 항복 이후 각 서브프레임의 1층 ~ 지붕층 보 및 기둥의 항복이 순차적으로 이어지는 것으로 나타났다. 지붕층 변위비가 커짐에 따라 1층과 2층 일부 보의 휨 파괴가 발생하였으며, 이로 인해 표본 건물의 강성 및 강도가 점차 저감되는 것으로 나타났다. 다른 해석 모델과 달리 3S-NSRJ-NL의 경우, 보, 기둥이 아닌 대부분의 접합부에서 항복이 발생하였으며, 4% 층간변위비가 발생함에도 불구하고 주요 구조 부재는 파괴되지 않았다.
- 최대 밑면 전단력에 대한 설계 밑면 전단력의 비인 초과강도계수(Ω0)를 살펴보면, 3S-CSFJ를 제외한 모든 표본 건물이 철골보통모멘트골조의 초과강도계수인 3보다 작은 값을 가지는 것으로 확인되었으며, 5S-NSRJ-NL은 약 1.19로 초과강도가 낮게 평가되었다.
- 고유치 해석 결과와 동일하게 합성 단면으로 가정한 CSFJ의 초기 강성이 가장 큰 것으로 나타났으며, 중첩단면으로 가정한 NSFJ와 NSRJ의 경우, 접합부에서 발생하는 상대회전각의 영향으로 NSRJ의 초기 강성이 작게 평가되었다. 특히 접합부를 강접으로 가정한 NSFJ와 액세스 홀이 없는 접합부의 이력 거동을 적용한 NSRJ-EL의 경우, 항복 밑면 전단력, 최대 밑면 전단력 및 이력 거동의 형상이 유사하게 나타났다. 이는 NSFJ와 NSRJ가 접합부 회전 강성을 제외하고, 기본적으로 구조 부재의 강성, 강도 및 소성 변형 능력이 동일하게 모델링되었기 때문이다.
- 5에 나타낸 바와 같이 서브 프레임과 구조 부재의 위치에 따라 중첩되는 구조 부재의 개수와 회전축이 달라지므로, 해석을 위해 정의되어야 할 구조 부재의 총 개수는 8개이다. 표에서 알 수 있듯이, 구조 부재를 합성 단면으로 고려한 CSFJ의 경우, 중첩 단면으로 고려한 해석 모델에 비하여 일부 부재의 단면 2차 모멘트가 약 3배 증가하는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 모듈러 구조물의 단위 모듈 간 접합은 주로 볼트를 이용한 마찰 접합 방식이 사용되지만, 접합 상세는 표준화되어 있지 않기 때문에 모듈 제조업체에 따라 각기 다른 상세를 가진다. 따라서 모듈 간 접합 상세에 따른 추가적인 구조 실험을 수행함으로써, 접합부의 안전성과 구조적인 거동 특성을 파악한 후, 모듈러 구조 해석 모델에 접합부의 이력 거동이 반영되어야 한다. 하지만 모듈러 구조물의 설계 시 볼트 접합부에 대한 강도 설계만을 수행하는 것이 일반적이며, 구조 해석 모델에는 별도의 요소를 고려하지 않는다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.