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문제 정의
- 본 연구에서는 수치해석을 위한 정밀한 유한요소해석 모델을 제작하여 비선형 동적 해석을 수행하고 각각의 지진피해 저감 시스템 장치를 설치한 9층 콘크리트-강재 합성 프레임 구조물에 대한 내진 성능을 평가하고자 한다. 아무런 장치를 설치하지 않는 기본적인 프레임 모델과 모든 장치를 설치한 복합적인 모델을 추가로 제작하고, 각각의 시스템 장치를 설치한 모델들과 비교하여 성능의 우수성을 효율적으로 입증하였다.
- 본 연구에서는 사용된 지진피해 저감 시스템 장치에 종류에 따라서 프레임 구조물 모델들을 구분하였다. 콘크리트 충전 강재 기둥(Concrete-filled Tube Column, CFT)과 합성 모멘트 접합부 그리고 강재 보로 구성된 합성프레임 구조물을 기본이 되는 Case 1 모델로 제작을 하고, 추가로 기둥 하부를 강재 플레이트로 내진 보강을 한 프레임 구조물을 Case 2 모델로 제작하였다.
- 인 고정 지점으로 설계를 하였지만 Case 4와 Case 5 모델의 경우에는 면진받침을 설치하여 프레임 모델을 제작하였다. 앞에서 언급한 대로 기본적인 Case 1 모델 이외에도 모든 지진피해 저감 시스템 장치를 설치한 Case 5 모델도 같이 제작을 하여 각각의 모델들에 대하여 얻어진 해석 데이터를 비교분석하여 각 시스템 장치의 효용성과 전체 구조물에 대한 성능에 미치는 영향력과 향상 효과에 대하여 살펴보고 자 한다. 이러한 기본적인 빌딩 설계를 기반으로 다음 장에서는 비선형 동적 해석을 위한 2차원 프레임 모델에 대한 모델링 방법에 대하여 자세히 논의하고자 한다.
- 13 참고). 본 연구에서는 실제로 발생한 역사적 자연 지진파를 사용하여 인공 지진파와 비교하고 단주기에서 평균과 설계 응답 스펙트럼에 모양 차이가 심하게 발생하였다. 하지만 스케일 조정 시 각각의 모델이 가지고 있는 시간 주기를 고려하여 최대한 응답 가속도가 비슷한 값에 걸치도록 스케일을 조정하였다.
- 본 연구에서는 일반적으로 사용하고 있는 지진피해 저감시스템 중에서 기둥보강, 가새부재 및 면진받침 장치들의 효율성과 성능을 평가하였다. 여러 가지의 지반 가속도 데이터를 활용하여 비선형 동적 해석을 수행하여 얻어진 결과를 분석하였다.
가설 설정
- 기존에 일반적인 동적 해석은 재료의 물성치를 탄성 범위내로만 가정을 하여 해석을 수행하였다. 하지만 본 연구에서는 정밀한 OpenSEES 프로그램을 사용하여 탄성 범위를 넘어서 소성 범위까지 포함하는 실제의 재료의 물성치 거동을 반영하여 해석에 적용하였다.
제안 방법
- 마지막으로 각 모델들의 거동 특성을 분석하고 비교⋅평가하여 우수한 지진피해 저감 시스템을 선별하고자 한다.
- 아무런 장치를 설치하지 않는 기본적인 프레임 모델과 모든 장치를 설치한 복합적인 모델을 추가로 제작하고, 각각의 시스템 장치를 설치한 모델들과 비교하여 성능의 우수성을 효율적으로 입증하였다. 실제로 발생된 80여개의 지반 가속도 데이터를 활용하여 비선형 동적 해석을 수행하고, 얻어진 결과 데이터 분석을 통해 전단력 발생과 층간 변위를 측정하여 구조물에 발생된 손상을 평가하고자 한다. 마지막으로 각 모델들의 거동 특성을 분석하고 비교⋅평가하여 우수한 지진피해 저감 시스템을 선별하고자 한다.
- 마지막으로 각 모델들의 거동 특성을 분석하고 비교⋅평가하여 우수한 지진피해 저감 시스템을 선별하고자 한다. 성능평가와 분석의 신뢰성을 높이고자 모든 해석에서 얻어진 결과 데이터를 활용하여 통계적인 방식을 도입하여 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 일반적인 빌딩 구조물에서 지진에 대한 피해를 효율적으로 줄이고자 내진 성능이 우수한 콘크리트-강재 합성 프레임 구조물의 기둥 하부에 강재 플레이트로 보강하고 지진동 격리용 면진 받침을 설치하거나 부재에 추가의 강성을 주기 위하여 가새(Bracing) 장치를 설치하여 구조물을 설계하였다. 구조물 전체는 미국 ASCE 7-05시방서를[6] 기준으로 9층의 일반(Ordinary) 건물로 설계를 하였으며, 세부적인부재의 설계는 AISCLRFD 매뉴얼을[7] 참고하여 결정하였다.
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본 연구에서는 일반적인 빌딩 구조물에서 지진에 대한 피해를 효율적으로 줄이고자 내진 성능이 우수한 콘크리트-강재 합성 프레임 구조물의 기둥 하부에 강재 플레이트로 보강하고 지진동 격리용 면진 받침을 설치하거나 부재에 추가의 강성을 주기 위하여 가새(Bracing) 장치를 설치하여 구조물을 설계하였다. 구조물 전체는 미국 ASCE 7-05시방서를[6] 기준으로 9층의 일반(Ordinary) 건물로 설계를 하였으며, 세부적인부재의 설계는 AISCLRFD 매뉴얼을[7] 참고하여 결정하였다. 설계 응답 가속도(Design Response Acceleration)는 LA 지역을 기준으로 50년주기 10%의 발생 빈도
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구조물 전체는 미국 ASCE 7-05시방서를[6] 기준으로 9층의 일반(Ordinary) 건물로 설계를 하였으며, 세부적인부재의 설계는 AISCLRFD 매뉴얼을[7] 참고하여 결정하였다. 설계 응답 가속도(Design Response Acceleration)는 LA 지역을 기준으로 50년주기 10%의 발생 빈도
의 지진하중으로(SS=1.5 g와 S1=0.679 g의 ASCE 7-05에서 제공하는 지도상의 응답 가속도를 사용) 프레임 구조물의 측면에서 작용하는 등가의 지진 하중을 생성하였다. 토질 조건은 LA지역으로 견고한 토질에 위치한 프레임 빌딩 모델을 설계하였으며, Seismic Design Category (SDC)는 D단계를 적용하였다. - 본 연구에서는 사용된 지진피해 저감 시스템 장치에 종류에 따라서 프레임 구조물 모델들을 구분하였다. 콘크리트 충전 강재 기둥(Concrete-filled Tube Column, CFT)과 합성 모멘트 접합부 그리고 강재 보로 구성된 합성프레임 구조물을 기본이 되는 Case 1 모델로 제작을 하고, 추가로 기둥 하부를 강재 플레이트로 내진 보강을 한 프레임 구조물을 Case 2 모델로 제작하였다. 기본 합성 모멘트 프레임 구조물에 가새부재를 설치한 구조물을 Case3 모델로 제작을 하였으며, 기둥 하부에 지진동 격리용 면진 받침 장치를 설치한 구조물을 Case 4 모델로 제작을 하였다.
- 콘크리트 충전 강재 기둥(Concrete-filled Tube Column, CFT)과 합성 모멘트 접합부 그리고 강재 보로 구성된 합성프레임 구조물을 기본이 되는 Case 1 모델로 제작을 하고, 추가로 기둥 하부를 강재 플레이트로 내진 보강을 한 프레임 구조물을 Case 2 모델로 제작하였다. 기본 합성 모멘트 프레임 구조물에 가새부재를 설치한 구조물을 Case3 모델로 제작을 하였으며, 기둥 하부에 지진동 격리용 면진 받침 장치를 설치한 구조물을 Case 4 모델로 제작을 하였다. 마지막으로 모든 지진피해 저감장치를 설치한 합성 모멘트 프레임 구조물을 Case 5 모델로 제작하였다.
- 1은 각각의 모델들의 평면도를 보여주고 있다. 1경간의 길이는 모두 동일하게 9.14 m로 설계를 하였으며 외벽이 모멘트 접합부로 구성된 합성 프레임구조물로 설계를 하였다. Fig.
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1에서 굵은 선은 보와 기둥이 모멘트 접합부로 구성된 프레임 구조물을 보여주고 있으며, 얇은 선은 보에서 기둥으로 모멘트를 대신하여 전단력만 전달 가능한 핀 접합부로 구성된 프레임 구조물을 보여주고 있다. 빌딩 구조물에 내부에는 단지 사하중(Dead Load)과 활하중(Live Load)으로 구성된 자중을 전달하기 위하여 핀 접합부로 설계를
하였다. 반면에 외벽은 태풍과 지진과 같은 측면하중으로 발생하는 모멘트에 대하여 효율적으로 저항하기 위하여 기둥에 보를 관통하여 단단히 고정시키는 모멘트 접합부 형태로 제작하여 효율적으로 변위를 제어할 수 있도록 설계를 하였다. - 하였다. 반면에 외벽은 태풍과 지진과 같은 측면하중으로 발생하는 모멘트에 대하여 효율적으로 저항하기 위하여 기둥에 보를 관통하여 단단히 고정시키는 모멘트 접합부 형태로 제작하여 효율적으로 변위를 제어할 수 있도록 설계를 하였다. 빌딩 구조물이 강성과 질량이 대칭인 점을 고려할 때 Half 모델로 외부 프레임(A열)과 내부 프레임들(B, C열)로 구분하여 3차원 빌딩을 2차원 프레임 모델로 제작하였다.
- 반면에 외벽은 태풍과 지진과 같은 측면하중으로 발생하는 모멘트에 대하여 효율적으로 저항하기 위하여 기둥에 보를 관통하여 단단히 고정시키는 모멘트 접합부 형태로 제작하여 효율적으로 변위를 제어할 수 있도록 설계를 하였다. 빌딩 구조물이 강성과 질량이 대칭인 점을 고려할 때 Half 모델로 외부 프레임(A열)과 내부 프레임들(B, C열)로 구분하여 3차원 빌딩을 2차원 프레임 모델로 제작하였다.
- 96 m의 높이를 가지고 설계를 하였다. FEMA 355C 가이드라인에서[8] 제시한 1994년 미국 캘리포니아 Northridge 지진 이후에 설계된 빌딩 샘플 형식과 일치한 형태로 설계를 하였다. 전 층에 걸쳐서 콘크리트충전 강재 기둥의 크기는 동일하며 모두 가로 세로가 모두 457.
- 이러한 콘크리트 충전 강재 기둥은 일반적인 중공 강재 기둥과 비교하여 압축력에 대한 국부좌굴(Local Buckling)이 거의 발생하지 않는 장점을 지니고 있다. 보에 경우에는 기본적으로 규격화된 I-형 강재를 사용하였으며, 저층에 큰 사이즈에 보를 사용하였으며 높은 층으로 갈수록 보의 사이즈가 줄어드는 형태로 경제적인 설계를 수행하였다. 각 층마다 사용된 I형강 보의 사이즈는 Fig.
- 2에서 보여주고 있다. 보와 기둥이 만나는 부분은 원형의 점으로 표시하였으며 콘크리트 강재 충전 기둥에 보가 관통하여 모멘트와 전단력을 완전히 전달 가능한 모멘트 접합부 형태로 설계를 하였다. 내진 보강을 한 Case 2 모델의 경우에는 1층부터 3층까지 기둥의 사방으로 20 mm의 두께의 플레이트로 기둥의 높이의 1/10의 크기로 보강을 하였다 (Case 5모델도 동일함).
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2에서 제시된 단면적으로 제작된 좌굴방지용 가새(Buckling Restrained Bracing, BRB) 부재를 설치하여 프레임 모델을 제작하였다 (Case 5 모델도 동일함). 기본적으로 Case1, Case 2, Case 3 모델들에 대하여는 지반과 구조물 하부의 경계는 일반적
인 고정 지점으로 설계를 하였지만 Case 4와 Case 5 모델의 경우에는 면진받침을 설치하여 프레임 모델을 제작하였다. 앞에서 언급한 대로 기본적인 Case 1 모델 이외에도 모든 지진피해 저감 시스템 장치를 설치한 Case 5 모델도 같이 제작을 하여 각각의 모델들에 대하여 얻어진 해석 데이터를 비교분석하여 각 시스템 장치의 효용성과 전체 구조물에 대한 성능에 미치는 영향력과 향상 효과에 대하여 살펴보고 자 한다. - 아울러 보와 기둥이 만나는 접합부를 Joint 요소를 사용하여 모형화하고 복합한 접합부 거동의 메커니즘을 충분히 반영하여 정확한 거동을 재현하는 정밀한 수치해석 모델을 제작하였다. Fig.
- 기둥 부분에 위치한 2개의 스프링은 모멘트-변위 거동에 있어서 무한대의 탄성체 값을 주어서 회전이 발생하지 않도록 모형화 하였다. 이는 보와 비교하여 합성 기둥이 상대적으로 강도 성능이 크기때문에 모멘트-변위 거동에 있어서 무한대에 가까운 큰 강성을 주어 외부에 용접된 절점(External Node)처럼 모형화를 하였다. 보-기둥 접합부의 회전은 주로 보에 위치한 2개의 회전 스프링(Rotational Spring)에 의하여 결정이 된다.
- 기존에 일반적인 동적 해석은 재료의 물성치를 탄성 범위내로만 가정을 하여 해석을 수행하였다. 하지만 본 연구에서는 정밀한 OpenSEES 프로그램을 사용하여 탄성 범위를 넘어서 소성 범위까지 포함하는 실제의 재료의 물성치 거동을 반영하여 해석에 적용하였다. 일반적인 콘크리트는 극한의 압축강도와 비교하여 균열을 발생시키는 인장 강도는 10% 수준이므로 설계와 해석에서 인장 강도를 무시하는 경향이 있다.
- 일반적인 콘크리트는 극한의 압축강도와 비교하여 균열을 발생시키는 인장 강도는 10% 수준이므로 설계와 해석에서 인장 강도를 무시하는 경향이 있다. 하지만 본 연구에서는 콘크리트의 이러한 물성치를 정확하게 고려하여 해석에 적용을 하였다. Fig.
- 실재로 3차원 빌딩 구조물인 경우에는 각 층마다 보 상부에 바닥에 단단한 콘크리트 슬래브로 구성되어 있어서 지진 발생시 외벽이 직접적으로 지진에 저항을 하면서 같은 층에서 외측과 내측 프레임이 동시에 같은 변위량과 움직임을 보여주고 있다. 따라서 그림에서 보는 바와 같이 외측과 내측 프레임 사이에는 같은 층에서 서로 강체 링크(Rigid Link)로 연결하여 2차원 프레임 모델에서 바닥판의 슬래브의 작용을 모형화(Modelling) 하였다. 보와 기둥이 만나는 부분은 Fig.
- 3(b)에서 제시한 2차원 Joint 요소로 모형화 하였으며 스프링의 강성은 보에 사이즈에 따라 달리하여 참고문헌에서 제시한 방법들을 사용하여 값들로 결정하여 입력하였다[10]. 보와 기둥은 2차원 파이버단면을 Integration 지점에서 설치한 비선형 보-기둥 요소로 모형화 하였다. 기둥과 지반의 경계면은 고정된 경계조건으로 모형화 하였고 1층 바닥 하부에 측면의 X 방향으로 지진 가속도를 가하여 비선형 동적 해석을 수행하도록 한다.
- 보와 기둥은 2차원 파이버단면을 Integration 지점에서 설치한 비선형 보-기둥 요소로 모형화 하였다. 기둥과 지반의 경계면은 고정된 경계조건으로 모형화 하였고 1층 바닥 하부에 측면의 X 방향으로 지진 가속도를 가하여 비선형 동적 해석을 수행하도록 한다. 아울러 가속도를 가하였을 때 전단 하중을 발생시키기 위하여 Joint 요소 중앙에 등가로 산정된 집중 질량을 배분 시켰다.
- 기둥과 지반의 경계면은 고정된 경계조건으로 모형화 하였고 1층 바닥 하부에 측면의 X 방향으로 지진 가속도를 가하여 비선형 동적 해석을 수행하도록 한다. 아울러 가속도를 가하였을 때 전단 하중을 발생시키기 위하여 Joint 요소 중앙에 등가로 산정된 집중 질량을 배분 시켰다. 질량은 구조물에 가해지는 사하중(Dead Load)에 0.
- 2배의 활하중(Live Load)를 환산하여 집중하중으로 계산하여 Joint 요소 중앙에 배분 시켰다. 아울러 기둥과 보에 해석 초기부터 실재적인 하중을 가하기 위하여 1.2배의 사하중과 1.0 배의 활하중을 조합하여 배분 시켰다. 해석 시 기하학적인 비선형성을 고려 하기 위하여 기둥에 P-Delta 효과를 고려하여 프레임 모델을 제작하였다.
- 0 배의 활하중을 조합하여 배분 시켰다. 해석 시 기하학적인 비선형성을 고려 하기 위하여 기둥에 P-Delta 효과를 고려하여 프레임 모델을 제작하였다.
- 6에서 갈색으로 표시된 기둥의 단면적을 강재 플레이트를 사용하여 단면적을 증가시켰다. 1층에서 3층까지 보강된 단면은 2차원 파이버 요소로 모형화하여 추가의 요소를 사 용하여 비선형 프레임 모델에서 제작을 하였다. 다른 층에서는 기둥이 한 개의 요소로 제작이 되었지만 보강된 단면을 가진 층에서는 2개의 요소를 사용하여 다른 단면적으로 각각 모형화하였다.
- 이러한 가새는 좌굴을 방지하기 때문에 인장과 압축이 거의 같은 거동의 형태를 보여준다. 2차원 파이버 단면을 사용하여 BRB를 모형화하고 비선형 보-기둥 요소를 사용하여 좌굴방지형 중심 가새들을 그림과 같이 외측 프레임에 설치하도록 하여 비선형 프레임 모델을 제작한다.
- 10(a)에 서 제시된 물성치를 스프링 요소에 배치 시켰다. 이러한 스프링 요소를 아래의 그림에서와 같이 지반과 기둥이 만나는 부분에 설치하고 스프링 요소가 움직이는 방향에 변위를 풀어주어 움직임을 허용하는 프레임 모델을 제작하였다 (Fig. 10(b) 참고).
- 11은 복합 모멘트 프레임 구조물인 Case 5의 비선형 프레임 모델을 보여주고 있다. 이 모델은 위에서 언급한 지진 피해 저감 시스템을 모두 설치한 모델이며 각각의 피해 저감 시스템의 모델링 방법을 모두 사용하여 비선형 프레임 모델을 제작하였다.
- 앞장에서 언급된 수치해석용 프레임 모델들을 이용하여 각 모델들의 지진 피해를 저감할 수 있는 성능을 분석하기 위하여 지반가속도(Ground Motion) 데이터를 활용하여 비선형 동적 해석을 수행하고자 한다. 본 연구에서 사용하는 지진 데이터는 총80개로 지진이 빈번하게 발생하고 있는 미국 서부 지역에 로스앤젤레스(LA) 지역에 40개와 시애틀(SE) 지역에 40개의 지진 데이터를 활용하였다.
- 12의 오른쪽에 정형화된 갈색곡선은 본 연구에서 제시한 구조물들을 설계할 때 사용된 설계 응답 스펙트럼을 보여주고 있다. 5개의 빌딩 구조물들은 지진의 발생이 빈번한 LA지역에 연약암(Soft Rock) 지역에 내진 설계 등급(Seismic Design Category)을 D등급으로 다소 높은 위험도를 고려한 일반적인 빌딩 구조물로 설계에 적용하였다. 이러한 설계 응답 스펙 트럼은 미국에서 주로 사용되는 IBC 2003과 ASCE 7 설계 지침을 사용하여 작성을 하였다[6], [14].
- 이러한 설계지침에서는 주변의 환경을 고려하여 설계에 필요한 각종의 등급과 기준을 제시하였으며 특히 미국 서부 지역에서 설계에 필요한 가속도 값을 지도에 표시하여 제공한다. 본 연구에서도 구조물의 주기가 0.2초와 1초일 때의 LA지역의 가속도를 5% 감쇠를 가진 구조물에 적용하였을 때 지도로 표시된 값으로 산출하였다. Ss는 주기가 비교적 단주기인 0.
- 이러한 시간 주기는 OpenSEES 프로그램에서 Modal 해석을 통하여 산출 가능하다. 각각의 프레임 모델에서 설계 응답 스펙트럼과 평균 응답 스펙트럼의 가속도 값을 비교하여 안전성을 고려하여 설계 응답 스펙트럼에서 응답 가속도(Spectral Acceleration, Sa)를 약간 적은 범위에서 거의 비슷한 수준으로 맞추기 위해서 평균 응답 스펙트럼의 크기를 조정하여 그림과 같이 조정하여 비교하였다. 설계에 사용된 설계 응답 스펙트럼과 가속도 크기를 최대한 맞추기 위해서 평균 응답 스펙트럼의 크기를 조정하기 위해 사용된 Scale Factor를 적용하여 각각의 지반 가속도 데이터에서 PGA값과 가속도의 크기를 조정하였다.
- 각각의 프레임 모델에서 설계 응답 스펙트럼과 평균 응답 스펙트럼의 가속도 값을 비교하여 안전성을 고려하여 설계 응답 스펙트럼에서 응답 가속도(Spectral Acceleration, Sa)를 약간 적은 범위에서 거의 비슷한 수준으로 맞추기 위해서 평균 응답 스펙트럼의 크기를 조정하여 그림과 같이 조정하여 비교하였다. 설계에 사용된 설계 응답 스펙트럼과 가속도 크기를 최대한 맞추기 위해서 평균 응답 스펙트럼의 크기를 조정하기 위해 사용된 Scale Factor를 적용하여 각각의 지반 가속도 데이터에서 PGA값과 가속도의 크기를 조정하였다.
- 아울러 Fig. 12에서는 각 모델별로 해당되는 시간 주기에서 평균 응답 스펙트럼과 설계 응답 스펙트럼에서 응답 가속도(Sa)값을 측정하여 비교 하였다. 중심가새 모멘트 프레임(Case 3)의 경우 빌딩 외벽에 좌굴방지용 가새를 중앙에 3경간에 걸쳐서 설치하였기 때문에 기본 모델인 Case 1과 비교하여 질량은 일정하지만 강성이 다른 모델들과 비교하여 최대로 증가 하기 때문에 시간 주기가 단축이 되어 상대적으로 가장 높은 응답 가속도를 보여주고 있다.
- LA 지진과 동일하게 SE 지진 가속도도 평균 응답 스펙트럼을 설계 응답 스펙트럼에 스케일을 조정하여 비교하였다(Fig. 13 참고). 본 연구에서는 실제로 발생한 역사적 자연 지진파를 사용하여 인공 지진파와 비교하고 단주기에서 평균과 설계 응답 스펙트럼에 모양 차이가 심하게 발생하였다.
- 본 연구에서는 실제로 발생한 역사적 자연 지진파를 사용하여 인공 지진파와 비교하고 단주기에서 평균과 설계 응답 스펙트럼에 모양 차이가 심하게 발생하였다. 하지만 스케일 조정 시 각각의 모델이 가지고 있는 시간 주기를 고려하여 최대한 응답 가속도가 비슷한 값에 걸치도록 스케일을 조정하였다. 아울러 각 모델별로 시간 주기에 따른 응답 가속도의 크기를 표시하여 서로 비교 하였다.
- 하지만 스케일 조정 시 각각의 모델이 가지고 있는 시간 주기를 고려하여 최대한 응답 가속도가 비슷한 값에 걸치도록 스케일을 조정하였다. 아울러 각 모델별로 시간 주기에 따른 응답 가속도의 크기를 표시하여 서로 비교 하였다.
- 본 연구에서는 5개의 모델별로 총80개의 지진 가속도 데이터를 사용하여 400번의 비선형 동적 해석을 수행하였다. 이 중 대표적인 2개의 지진 가속도를 선발하여 해석을 수행한 결과를 바탕으로 전단력과 층간변위를 분석하였다(Fig.
- 본 연구에서는 5개의 모델별로 총80개의 지진 가속도 데이터를 사용하여 400번의 비선형 동적 해석을 수행하였다. 이 중 대표적인 2개의 지진 가속도를 선발하여 해석을 수행한 결과를 바탕으로 전단력과 층간변위를 분석하였다(Fig. 14 참고). 50년 주기 10% 발생 확률 강도의 지진으로 LA14, 50년 주기 2% 발생 확률 강도의 지진으로 LA28의 지진가속도를 선택하였다.
- 14 참고). 50년 주기 10% 발생 확률 강도의 지진으로 LA14, 50년 주기 2% 발생 확률 강도의 지진으로 LA28의 지진가속도를 선택하였다. 같은 확률 빈도 강도의 지진들은 되도록 최대 지반 가속도(Peak Ground Acceleration, PGA)를 가지도록 선택하였으며, 각 가속도별로 PGA값과 해당되는 시간들을 표시하였다.
- 50년 주기 10% 발생 확률 강도의 지진으로 LA14, 50년 주기 2% 발생 확률 강도의 지진으로 LA28의 지진가속도를 선택하였다. 같은 확률 빈도 강도의 지진들은 되도록 최대 지반 가속도(Peak Ground Acceleration, PGA)를 가지도록 선택하였으며, 각 가속도별로 PGA값과 해당되는 시간들을 표시하였다. 설계 하중수준에서 LA14의 지진가속도는 0.
- 본 연구에서는 프레임 모델에서 지반과 만나는 모든 전단력의 합력을 조사하였고, 각각의 지반 가속도를 가지고 해석을 수행하는 도중에 가장 최대 로 발생하는 전단력을 Fig. 17에서 보는 바와 같이 측정을 하였다. 각각의 빌딩 모델이 대칭성을 고려하여 건물의 반쪽만을 프레임 모델로 수치해석 모델을 제작하였는데 그림에서 보여주는 전단력은 해석에서 얻어진 결과이기 때문에 각 빌딩 모델에서의 전체 전단력의 반(Half)이 된다.
- 본 연구에서는 일반적으로 사용하고 있는 지진피해 저감시스템 중에서 기둥보강, 가새부재 및 면진받침 장치들의 효율성과 성능을 평가하였다. 여러 가지의 지반 가속도 데이터를 활용하여 비선형 동적 해석을 수행하여 얻어진 결과를 분석하였다. 기본적으로 부재들은 2차원 파이버 단면을 가진 비선형 보-기둥 요소를 사용하여 제작하였으며, 면진받침의 경우에는 기둥과 지반이 만나는 경계조건에서 유연한 비선형 스프링을 사용하여 설치해서 거동을 재현하였다.
- 아울러 가속도를 가하였을 때 전단 하중을 발생시키기 위하여 Joint 요소 중앙에 등가로 산정된 집중 질량을 배분 시켰다. 질량은 구조물에 가해지는 사하중(Dead Load)에 0.2배의 활하중(Live Load)를 환산하여 집중하중으로 계산하여 Joint 요소 중앙에 배분 시켰다. 아울러 기둥과 보에 해석 초기부터 실재적인 하중을 가하기 위하여 1.
대상 데이터
- 기본 합성 모멘트 프레임 구조물에 가새부재를 설치한 구조물을 Case3 모델로 제작을 하였으며, 기둥 하부에 지진동 격리용 면진 받침 장치를 설치한 구조물을 Case 4 모델로 제작을 하였다. 마지막으로 모든 지진피해 저감장치를 설치한 합성 모멘트 프레임 구조물을 Case 5 모델로 제작하였다.
- 2는 내진 성능이 우수한 콘크리트 충전 강재 기둥을 가진 합성 모멘트 프레임에 모든 지진피해 저감 시스템 장치를 설치한 Case 5 모델의 외벽 A열에 대한 정면도를 보여주고 있다. 5경간의 동서남북 방향으로 대칭인 빌딩 구조물로써 1경간의 길이가 9.14 m로 설계를 하였다. 총9층의 합성 모멘트 프레임 구조물로써 1층의 높이는 5.
- 14 m로 설계를 하였다. 총9층의 합성 모멘트 프레임 구조물로써 1층의 높이는 5.14 m이며 나머지 2층부터 9층까지는 3.96 m의 높이를 가지고 설계를 하였다. FEMA 355C 가이드라인에서[8] 제시한 1994년 미국 캘리포니아 Northridge 지진 이후에 설계된 빌딩 샘플 형식과 일치한 형태로 설계를 하였다.
- FEMA 355C 가이드라인에서[8] 제시한 1994년 미국 캘리포니아 Northridge 지진 이후에 설계된 빌딩 샘플 형식과 일치한 형태로 설계를 하였다. 전 층에 걸쳐서 콘크리트충전 강재 기둥의 크기는 동일하며 모두 가로 세로가 모두 457.2 mm이며 두께가 22.3 mm인 강재 중공에 내부를 콘크리트를 충전하여 제작하였다. 이러한 콘크리트 충전 강재 기둥은 일반적인 중공 강재 기둥과 비교하여 압축력에 대한 국부좌굴(Local Buckling)이 거의 발생하지 않는 장점을 지니고 있다.
- 본 연구에서 제시한 빌딩 구조물은 내진성능이 우수한 콘크리트 충전 강재 기둥과 I-형 강재 보를 사용한 합성 모멘트 프레임 구조물이다. 특히 기둥의 경우에는 상이한 두 재료가 결합되어 있어서 단면적에 있어서도 재료의 복합적인 요소를 반드시 고려해야 한다.
- 50 강재를 사용하여 I-형 강재를 제작하며 원형 중공과 박스형 중공 강재의 경우에는 Gr.B 강재를 사용하여 제작을 한다. 원형으로 중공 강재로 구속된 콘크리트의 경우에는 박스형 강재에 구속된 콘크리트와 비교하여 모서리가 없이 부드러운 곡선으로 구속력을 받기 때문에 좀 더 큰극한의 압축강도와 극한 강도 이후에 보다 더 완만한 강도 저하 현상을 보여주고 있다.
- 앞장에서 언급된 수치해석용 프레임 모델들을 이용하여 각 모델들의 지진 피해를 저감할 수 있는 성능을 분석하기 위하여 지반가속도(Ground Motion) 데이터를 활용하여 비선형 동적 해석을 수행하고자 한다. 본 연구에서 사용하는 지진 데이터는 총80개로 지진이 빈번하게 발생하고 있는 미국 서부 지역에 로스앤젤레스(LA) 지역에 40개와 시애틀(SE) 지역에 40개의 지진 데이터를 활용하였다. 이러한 지반 가속도는 SAC 프로젝트에서 제공하는 시간대 지반 가속도 데이터를 활용하였다[11].
- 본 연구에서 사용하는 지진 데이터는 총80개로 지진이 빈번하게 발생하고 있는 미국 서부 지역에 로스앤젤레스(LA) 지역에 40개와 시애틀(SE) 지역에 40개의 지진 데이터를 활용하였다. 이러한 지반 가속도는 SAC 프로젝트에서 제공하는 시간대 지반 가속도 데이터를 활용하였다[11]. 지진의 강도를 결정하는 지진 재현 주기는 각각 50년 내에 지진이 발생할 확률이 10%인 475 년과 50년 내에 발생 확률이 2%인 2475년을 사용하였다.
- 이러한 지반 가속도는 SAC 프로젝트에서 제공하는 시간대 지반 가속도 데이터를 활용하였다[11]. 지진의 강도를 결정하는 지진 재현 주기는 각각 50년 내에 지진이 발생할 확률이 10%인 475 년과 50년 내에 발생 확률이 2%인 2475년을 사용하였다. 일반적으로 475 년 재현주기(Return Period)는 미국에서 구조물 설계에서 사용하는 강도 (Design Level Earthquake, DLE)이며 2,475년 재현주기는 최대 예상 지진 강도(Maximum Credible Earthquake, MCE)로 사용된다[12].
- 일반적으로 475 년 재현주기(Return Period)는 미국에서 구조물 설계에서 사용하는 강도 (Design Level Earthquake, DLE)이며 2,475년 재현주기는 최대 예상 지진 강도(Maximum Credible Earthquake, MCE)로 사용된다[12]. 본 연구에서 사용되는 LA01부터 LA20은 LA 지역에서 발생된 지진 가속도 데이터로 50년 내에 발생 확률이 10%인 재현 주기가 475년인 설계 규모의 지진이며 LA21부터 LA40은 50년 내에 발생 확률이 2%인 재현주기가 2,475년인 최대 규모의 지진을 나타낸다. 아울러 SE01부터 SE20은 시애틀에서 발생된 지진으로 재현주기가 475년이고 SE21부터 SE40은 재현주기가 2475년인 지진이다.
이론/모형
- 679 g의 ASCE 7-05에서 제공하는 지도상의 응답 가속도를 사용) 프레임 구조물의 측면에서 작용하는 등가의 지진 하중을 생성하였다. 토질 조건은 LA지역으로 견고한 토질에 위치한 프레임 빌딩 모델을 설계하였으며, Seismic Design Category (SDC)는 D단계를 적용하였다. 하중은 사하중 4.
- 강재의 경우에는 인장과 압축이 서로 대칭적인 형태로 보여주고 있지만 콘크리트의 경우에는 인장과 압축의 거동이 확연히 다름을 보여주고 있다. 강재의 물성치 거동은 OpenSEES 프로그램에서 제공하는 Steel01 재료 모델을 사용하여 재현을 하였으며 콘크리트의 경우에는 Concrete01을 사용하여 재현을 하였다. 이러한 물성치거동은 일차원적인 요소에 최적화되어 사용가능하며 다차원 방향에 하중이 아닌 일축 하중 하에서 재현 가능한 물성치 모델이다.
- 5개의 빌딩 구조물들은 지진의 발생이 빈번한 LA지역에 연약암(Soft Rock) 지역에 내진 설계 등급(Seismic Design Category)을 D등급으로 다소 높은 위험도를 고려한 일반적인 빌딩 구조물로 설계에 적용하였다. 이러한 설계 응답 스펙 트럼은 미국에서 주로 사용되는 IBC 2003과 ASCE 7 설계 지침을 사용하여 작성을 하였다[6], [14]. 이러한 설계지침에서는 주변의 환경을 고려하여 설계에 필요한 각종의 등급과 기준을 제시하였으며 특히 미국 서부 지역에서 설계에 필요한 가속도 값을 지도에 표시하여 제공한다.
성능/효과
- 본 연구에서는 수치해석을 위한 정밀한 유한요소해석 모델을 제작하여 비선형 동적 해석을 수행하고 각각의 지진피해 저감 시스템 장치를 설치한 9층 콘크리트-강재 합성 프레임 구조물에 대한 내진 성능을 평가하고자 한다. 아무런 장치를 설치하지 않는 기본적인 프레임 모델과 모든 장치를 설치한 복합적인 모델을 추가로 제작하고, 각각의 시스템 장치를 설치한 모델들과 비교하여 성능의 우수성을 효율적으로 입증하였다. 실제로 발생된 80여개의 지반 가속도 데이터를 활용하여 비선형 동적 해석을 수행하고, 얻어진 결과 데이터 분석을 통해 전단력 발생과 층간 변위를 측정하여 구조물에 발생된 손상을 평가하고자 한다.
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본 연구에서 제시하는 빌딩 구조물의 설계에 적용되는 일반적인 사항들은 Table 1에서 정리하였다. ASCE 7-05에서 제시한 등가의 지진 하중을 포함한 하중 조합을 사용하여 비선형 정적 푸쉬오버(Pushover) 해석을
수행하고 모든 프레임 구조물들이 층간 변위와 P-Delta 효과에 있어서 최대값이 허용 범위 내에 있음을 확인하고 설계가 적절함을 입증하였다. - 20개의 설계 강도의 지반 가속도와 20개의 최대 지반 가속도를 구분하여 그래프로 나타내었다. 평균적으로 50년 주기로 발생확률 2%의 지반 가속도가 같은 주기의 발생빈도 10%의 지반 가속도보다 약 1.5배 더 큰 지진 응답 스펙트럼을 보여주고 있다. 응답 스펙트럼에서 0초의 주기에서는 각 지반 가속도들의 최대 지반 가속도(Peak Ground Acceleration, PGA)를 나타내며 주기가 1초미만의 경우에는 상대적으로 큰 지진 응답 가속도를 가지지만 주기가 커질수록 발생하는 가속도는 점차적으로 감소함을 알 수 있다.
- 5배 더 큰 지진 응답 스펙트럼을 보여주고 있다. 응답 스펙트럼에서 0초의 주기에서는 각 지반 가속도들의 최대 지반 가속도(Peak Ground Acceleration, PGA)를 나타내며 주기가 1초미만의 경우에는 상대적으로 큰 지진 응답 가속도를 가지지만 주기가 커질수록 발생하는 가속도는 점차적으로 감소함을 알 수 있다.
- 뉴턴의 법칙에 의하면 발생하는 힘은 질량이 일정하다면 가속도의 크기에 비례하는데 본 연구에서 제시하는 결과도 상대적으로 최대 지반 가속도가 큰 50년 주기 2% 발생 빈도의 지반 가속도에서 상대적으로 더 큰 최대 지반 전단력이 분포되고 있다. 그 결과 5개의 모델 중에서 Case 2 모델이 전반적으로 큰 최대 지반 전단력의 분포를 보여주고 있으며 면진받침에 지반 격리 효과의 영향으로 Case 4 모델이 가장 적은 최대 지반 가속도를 보여주고 있다.
- 18에서는 각 모델별로 발생한 각층의 최대 층간 변위에서 가장 최대값(Peak Maximum)을 보여주고 있다. 전반적으로 Case 1과 Case 2 모델에서 가장 큰 최대 층간변위가 발생하였으며, 평균값은 50년 주기 10% 발생빈도에서 각각 1.14%와 1.07%를 차지하였다. 50년 주기 2% 발생빈도의 경우에는 2.
- 25%롤 차지하고 있으며 이미 Case 4와 Case 5 모델의 경우에는 면진 받침의 영향으로 Case 1 모델과 비교하여 상대적으로 아주 적은 최대 층간 변위를 보여주고 있다. 또한, ASCE07에서 제시한 2% 기준을 넘어서지 않은 것으로 보아, 면진받침을 사용한 모델이 효용성이 가장 높음을 확인할 수 있었다.
- 1) 모델 해석을 수행하여 각 모델의 고유 주기를 계산하였으며, 기본적으로 면진 받침을 설치한 모델이 기본 모델과 비교하여 시간 주기가 연장이 됨을 알 수 있었다. 시간 주기의 연장으로 응답 스펙트럼에서 응답 가속도 가 감소되어 구조물에 전달되는 가속도가 감소되고 지반에 발생되는 전 단력이 감소됨을 해석 결과에서 살펴볼 수 있었다.
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1) 모델 해석을 수행하여 각 모델의 고유 주기를 계산하였으며, 기본적으로 면진 받침을 설치한 모델이 기본 모델과 비교하여 시간 주기가 연장이 됨을 알 수 있었다. 시간 주기의 연장으로 응답 스펙트럼에서 응답 가속도 가 감소되어 구조물에 전달되는 가속도가 감소되고 지반에 발생되는 전 단력이 감소됨을 해석 결과에서 살펴볼 수 있었다.
- 2) 기둥하부에 내진 보강을 한 모델의 경우에는 측정된 값이 기본적인 모델 과 비교하여 커다란 차이를 보여주지 못하였다. 오히려 기둥에만 강성이 증가함에 따라 구조물 전체의 고유 진동 주기가 감소되고, 전달되는 응답 가속도의 양과 지반 전단력이 증가되어, 일부 지반 가속도에서는 오히려 더 큰 최대 층간 변위가 발생하기도 하였다.
- 3) 기둥에 내진 보강을 한 모델보다는 건물 외벽에 가새를 설치한 모델의 경 우가 구조물의 발생하는 손상을 효율적으로 감소시킴을 해석 결과를 보 고 알 수 있었다. 면진받침을 설치한 모델의 경우에 하부의 움직임을 허용하여 옥상층의 절대적인 변위가 증가하더라도, 고유 주기와 전달되는 응답 가속도의 값이 감소되어 지반 전단력의 발생을 억제시키고 이로 인 하여 최대 층간 변위의 감소를 전체적으로 줄여주는 효과를 보여주고 있다.
- 4) 면진받침을 설치한 모델이 다른 모델들과 비교하여 모든 지진피해 저감 시스템을 설치한 모델과 비교하여 가장 근사한 값을 보여주고 있어서 면 진받침을 설치한 경우, 지진에 대한 피해를 효율적으로 저감시켜주는 것을 알 수 있다.
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