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문제 정의
- 또한, 상기 조건에서 건물규모와 EKDS의 설치 높이에 따른 경제성을 함께 제시함으로써 실무적용을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다. 감쇠구조를 실무에 적용함에 있어서 비용증감 문제는 가장 큰 이슈 중의 하나이다.
- 이 논문에서는 이러한 기술개발의 일환으로 기존 연구(Huret al., 2015)에서 제안된 외부설치형 카고메 감쇠시스템(Exteriorinstallation Kagome Damping System, 이하 EKDS)을 이용한 철근콘크리트 라멘조 공동주택을 대상으로 15층 건물과 20층건물에 적용 시 지지구조물의 설치 높이에 따른 지진응답 개선효과를 비선형 정적해석과 동적해석을 통해 비교하여 제시함으로써 EKDS가 중·고층 건물에 유효하게 적용될 수 있음을 검증해 보고자 한다.
제안 방법
- 0.8 BS 구조의 검토는 설계의 편의를 위하여 1.0 BS 단면을 유지하면서 철근물량을 조정하는 방법으로 수행하였다. 검토결과, 각 층수별 각 부재의 물량 감소폭은 Table 5와 같이 나타났다.
- 따라서 이 연구에서는 먼저 연구대상 건물을 건축구조기준(KBC 2009, 국토해양부)에 따라 내진설계를 수행하였으며, 이 건물의 동적응답을 감쇠구조의 지진응답 개선효과를 검증하는 비교기준으로 사용하였다. 감쇠구조는 ASCE/SEI 7-10(ASCE, 2010)에서 제시하고 있는 설계방법에 따라 감쇠시스템을 제외한 나머지 지진력 저항시스템이 설계 밑면전단력의 80.0% 이상을 부담하도록 설계하여 지진응답 개선효과와 함께 경제적인 설계의 가능성도 함께 검토하였다.
- 감쇠구조의 적용에 따른 경제적인 설계의 가능성을 검토해보기 위하여 건축구조기준(KBC 2009)에 의해 내진설계 된건물(1.0 Base Shear, 이하 1.0 BS)와 설계밑면전단력의 80.0%만을 부담하도록 설계된 감쇠구조 건물의 지진력 저항시스템(0.8 Base Shear, 이하 0.8 BS)을 대상으로 골조물량을 비교하였다. 설계 시 적용된 철근과 콘크리트 강도는 Table 2와 같으며, 풍하중의 적용조건은 설계기본풍속 30 m/sec, 노풍도 B, 중요도 계수 1.
- 따라서 이 연구에서는 먼저 연구대상 건물을 건축구조기준(KBC 2009, 국토해양부)에 따라 내진설계를 수행하였으며, 이 건물의 동적응답을 감쇠구조의 지진응답 개선효과를 검증하는 비교기준으로 사용하였다. 감쇠구조는 ASCE/SEI 7-10(ASCE, 2010)에서 제시하고 있는 설계방법에 따라 감쇠시스템을 제외한 나머지 지진력 저항시스템이 설계 밑면전단력의 80.
- 0으로서 부재의 비선형 특성을 부재의 강성과 변형능력으로 표현할 수 있으며, 재료 비선형과 부재의 비선형을 모두 고려할 수 있다. 보 및 기둥 부재 비선형의 경우 하중조건과 변형에 따라 부재에 발생하는 소성힌지의 특성을 이용하여 FEMA 356(2000)에서 제시하는 비선형 특성으로 모델링 하였고, 전단벽의 경우 Perform-3D를 이용하여 레이어모델(Layered model)로 구성하여 해석하였다. 부재의 유효강성 및 재료 비선형 모델의 구성은 대한건축학회 성능설계지침(안)(AIK, 2014)을 따랐으며 콘크리트 모델은 Mander model을 철근모델은 이선형 모델을 사용하였다.
- 본 논문에서는 EKDS를 이용한 15층 건물 및 20층 건물의 지진응답 개선효과를 비선형 정적 및 동적해석을 통해 분석하였다. 해석결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
- , 2015) 결과를 활용하였으며, 이를 Table 7에 정리하여 나타내었다. 설계는 15층과 20층에 대해 EKDS를 각각 1F~3F 및 1F~5F를 적용하여 검토하였다.
- 많은 단면들이 최소철근비에 지배되는 경우가 발생하였음에도 불구하고 고강도 철근을 사용함으로써 전체 단면의 강도를 상승시키고 결국 골조비용의 증가를 초래하고 있기 때문이다. 이 경우 낮은 강도의 철근을 사용함으로써 보다 낳은 경제성을 확보할 수도 있으나 여기서는 자세한 비교를 생략하기로 한다.
- 2) 비선형 정적 및 동적 해석결과, 연구대상 건물들에 EKDS 적용 시 경제적이고 효과적인 감쇠구조시스템을 형성할수 있을 것으로 판단된다. 이 연구에서는 연구대상 건물들의 설계지진력을 밑면전단력의 80.0%만을 부담하도록 재설계된 모델에 EKDS를 설치하여 비선형 정적해석 및 비선형 동적해석을 수행하였다. 비선형 정적 해석결과, 설계지진레벨과 최대지진레벨 시 모두 목표성능기준을 하회하는 값으로 안정된 거동을 나타내고 있음을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 연구대상 건물은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 4세대 조합의 장방형 평면으로 구성되어 있다. 계단실과 엘리베이터 코어는 전단벽으로 이루어져 있으며, 장변방향으로 4.
- 이러한 평면구성은 내부공간의 자율성을 최대한 확보하기 위한 건축적인 요건의 의한 것으로 최근의 아파트 평면의 경향을 반영한 것이다. 연구대상 건물의 층수는 15층 건물 및 20층 건물이며, 층고는 3.0 m이다. 고유치 해석으로부터 얻은 연구대상 건물의 주기를 Table 1에 나타내었고, Fig.
- 해석에 사용된 지진파는 비교적 안정된 지반에서 관측된 기록파(El-Centro 1940, Taft 1952, Hschinohe 1968) 3개와 인공지진파 4개를 선정하여 총 7개의 지진파를 사용하였으며, KBC2009 0306.7.4.12(설계지진파의 선정)에 따라 대상 건물의 가정된 지반조건인 SD지반의 설계스펙트럼에 적합하게 크기를 조정(Scaling)하여 해석에 반영하였다. Fig.
이론/모형
- 보 및 기둥 부재 비선형의 경우 하중조건과 변형에 따라 부재에 발생하는 소성힌지의 특성을 이용하여 FEMA 356(2000)에서 제시하는 비선형 특성으로 모델링 하였고, 전단벽의 경우 Perform-3D를 이용하여 레이어모델(Layered model)로 구성하여 해석하였다. 부재의 유효강성 및 재료 비선형 모델의 구성은 대한건축학회 성능설계지침(안)(AIK, 2014)을 따랐으며 콘크리트 모델은 Mander model을 철근모델은 이선형 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 0.8 BS에 EKDS를 적용한 15층 건물과 20층 건물 모두 최대지진레벨에 대하여도 붕괴방지 수준인 0.02의 목표성능을 만족하는 수준으로 이 레벨에 대하여서도 구조물이 충분하게 안정한 거동을 하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 1) 감쇠구조로 설계 시 경제성을 검토하기 위하여 연구대상 건물을 기존 내진설계방법과 지진력 저항 시스템이 설계 밑면전단력의 80.0%만을 부담하도록 감쇠구조로 설계한 결과, 철근물량이 내진설계 대비 감쇠구조 15층 건물의 경우 철근은 약 11.6% 감소되었고, 20층 건물의 경우 철근은 약 8.0% 감소가 가능한 것으로 확인되었다. 단, 연구에서 고려한 설계조건으로 감쇠구조 설계 시 내진설계 대비 골조의 물량감소량은 20층 건물의 경우 감쇠장치의 설치비용을 고려하면 경제성 확보가 용이치 않을 것으로 검토되었다.
- 15층 건물에 EKDS 1F~3F 적용 시의 최상층 최대응답변위 결과, X방향 및 Y방향 모두 약 10.0% 정도 감소하는 결과를 나타내었다. 또한, EKDS 1F~5F 적용 시에는 X방향은 약 15.
- 2) 비선형 정적 및 동적 해석결과, 연구대상 건물들에 EKDS 적용 시 경제적이고 효과적인 감쇠구조시스템을 형성할수 있을 것으로 판단된다. 이 연구에서는 연구대상 건물들의 설계지진력을 밑면전단력의 80.
- 0%의 감소효과가 나타났다. 20층 건물에 EKDS를 1F~3F 및 1F~5F 적용시 X방향은 약 22.0%의 감소효과를 나타냈고, Y방향은 약 23.0%의 감소효과를 나타내었다. 이러한 결과는 목표인 밑면전단력 20.
- 0% 감소효과를 나타내었다. 20층 건물에 EKDS를 1F~3F 및 1F~5F 적용한 결과, X방향의 경우 약 12.0%정도 감소효과를 나타내었고, Y방향의 경우는 약 15.0% ~20.0% 정도 감소하는 결과를 나타내었다. 이는 최상층 최대응답변위 감소효과로만 본다면 EKDS가 15층 건물보다는 20층 건물에 적용하는 것이 더 효과적인 것을 알 수 있다.
- 0% 정도 감소하는 결과를 나타내었다. 또한, EKDS 1F~5F 적용 시에는 X방향은 약 15.0% 감소되었고, Y방향은 약 10.0% 감소효과를 나타내었다. 20층 건물에 EKDS를 1F~3F 및 1F~5F 적용한 결과, X방향의 경우 약 12.
- 0%의 감소효과가 나타났다. 또한, EKDS를 1F~5F 적용 시 X방향은 약 30.0%의 감소효과가 나타났고, Y방향은 약 23.0%의 감소효과가 나타났다. 20층 건물에 EKDS를 1F~3F 및 1F~5F 적용시 X방향은 약 22.
- 비선형 정적 해석결과, 설계지진레벨과 최대지진레벨 시 모두 목표성능기준을 하회하는 값으로 안정된 거동을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 또한, 감쇠구조의 경우 내진설계 대비 80.0%에 해당하는 설계밑면전단력으로 설계하였음에도 불구하고 비선형 동적해석결과 밑면전단력과 최상층 최대응답변위 감소로 살펴볼 때 내진구조와 비교하여 더 향상된 거동이 기대된다는 점에서 EKDS의 유효성을 확인할 수 있었다.
- 검토결과, 각 층수별 각 부재의 물량 감소폭은 Table 5와 같이 나타났다. 물량감소는 보의 철근 물량감소폭이 크게 나타났으며, 기둥과 벽의 물량도 어느 정도는 감소함을 확인하였다. 15층 건물의 경우 내진설계 된 건물에 비해 약 12.
- 0%만을 부담하도록 재설계된 모델에 EKDS를 설치하여 비선형 정적해석 및 비선형 동적해석을 수행하였다. 비선형 정적 해석결과, 설계지진레벨과 최대지진레벨 시 모두 목표성능기준을 하회하는 값으로 안정된 거동을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 또한, 감쇠구조의 경우 내진설계 대비 80.
- 이는 최상층 최대응답변위 감소효과로만 본다면 EKDS가 15층 건물보다는 20층 건물에 적용하는 것이 더 효과적인 것을 알 수 있다. 설계지진레벨 시와 최대지진레벨 시의 층간변형각검토 결과, 0.8 BS로 설계된 15층 건물 및 20층 건물에 EKDS를 1F~3F 및 1F~5F 각각 적용한 결과 KBC 2009에서 허용하는 층간변형 조건을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
- 0%의 감소효과를 나타내었다. 이러한 결과는 목표인 밑면전단력 20.0% 저감과 유사한 결과로서 EKDS의 유효성을 확인할 수 있었다.
- 지지구조물의 부담 밑면전단력을 제외하고 대상건물의 밑면전단력을 비교한 결과, 각 지진파별로 다소 차이는 있으나 평균적으로 15층 건물에 EKDS를 1F~3F 적용 시 X방향의 경우 약 30.0%의 감소효과가 나타났으며, Y방향은 약 20.0%의 감소효과가 나타났다. 또한, EKDS를 1F~5F 적용 시 X방향은 약 30.
후속연구
- 하지만, 이 연구에서는 탄성해석결과를 바탕으로 감쇠장치를 전 층 동일하게 배치함에 따라 일부 지진파의 경우 감쇠장치가 충분한 소성거동을 나타내지 못하는 것이 관측되었다. 그러므로 보다 향상된 결과를 얻기위해서는 감쇠장치를 더 세분화하여 최적화를 도모할 필요가 있는 것으로 사료된다.
- 특히 단변방향으로 설치된 보의 경우 장경간에 따른 처짐의 영향으로 대부분 중력하중에 의하여 단면이 결정되어 물량감소의 폭이 매우 작게 나타났다. 따라서 감쇠구조로서 보다 경제적인 설계를 위해서는 중력하중보다 지진하중의 지배비율이 높은 구조를 대상으로 하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
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