[논문]비좌굴 가새를 이용한 대공간 구조물 내진 보강 설계

문희숙; 김기철; 강주원; 이준호

doi:10.9712/kass.2018.18.4.105

[국내논문] 비좌굴 가새를 이용한 대공간 구조물 내진 보강 설계
Seismic Retrofit of Spatial Structures Using Buckling Restrained Brace 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.18 no.4, 2018년, pp.105 - 111

문희숙 (메트로티엔씨(주) 내진기술연구소) , 김기철 (서일대학교 건축공학과) , 강주원 (영남대학교 건축학부) , 이준호 (메트로티엔씨(주) 내진기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the seismic performance and behavior characteristics of the upper truss structure of the large stadium are analyzed by nonlinear dynamic analysis. In the nonlinear dynamic analysis, the earthquake records were generated by site response analysis to simulate the nonlinear behavior of the relevant soil condition where the structure is located. Nonlinear dynamic analysis was performed using Perform-3D and the nonlinear properties of the substructure and the superstructure were determined in accordance with KISTEC guideline. According to the analysis results, excessive deformation occurred in the upper truss element, and plastic hinges exceeded the target performance in some members. Buckling-restrained brace is used for seismic retrofit of stadium structures and the analysis results shows the interstory drift satisfies the target performance level with dissipating the seismic energy efficiently.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 비선형 동적 해석으로 대공간 경기장 예제 구조물 지붕 트러스 구조의 내진 성능 및 거동 특성을 분석하고, 비좌굴 가새(Buckling-Restrained Brace, BRB)를 이용한 보강 방안을 제시하였다
본 논문에서는 지붕 트러스 부재 중 MT1, MT2, MT3의 경사재를 비좌굴 가새로 보강한 3가지 모델에 대해 비선형 동적 해석을 수행하였다. 보강 전구조물의 X방향과 Y방향의 1차 모드 거동과 층간 변위비가 동일하여 보강 후 해석 결과는 X방향에 대한 지붕 트러스의 1/4 구간별 수평 변위와 처짐, 층간 변위를 비교하였다
본 논문에서는 비선형 동적 해석을 통해 대공간 경기장 건축물의 지붕 트러스 내진 성능을 평가하고, 비좌굴 가새를 이용하여 내진 보강 설계를 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서 사용된 지진 기록은 구조물이 위치한 해당 지반 조건의 비선형 거동을 모사하기 위해 부지 응답 해석을 통해 생성하였다. 지반의 비선형 물성은 [Fig.
비선형 동적 해석을 위한 지진 기록은 PEER Ground Motion Database6)를 통해 암반에서 계측된 VS,30이 760m/s 이상인 7개를 선정하였다. 부지 응답 해석 후 DBE 레벨 스펙트럼에 대해 경기장 구조물 기본 진동 주기의 0.2배부터 1.5배 사이에 해당하는 주기에 대해서 1.3배의 90%가 넘도록 배율을 조정하였다.
34%로 허용 층간 변형각을 초과한다. 모멘트 골조 상부의 지붕 트러스는 4.54m마다 설치된 벨트 트러스의 수직높이를 층간 변위로 설정하였다.
예제 구조물의 지붕 트러스 내진 보강에 사용된 비좌굴 가새는 [Fig. 9]와 같으며, 철골 중심 부재를 철골 튜브 속에 배치하고 콘크리트 충진재 대신 철골 마디를 사용하여 좌굴을 방지하였다. 심재와 접합부가 연결되어 단면적이 변하는 구간은 케이싱 외부의 보강재를 이용하여 응력 집중에 의한 부러짐을 방지하였다.
보강 전구조물의 X방향과 Y방향의 1차 모드 거동과 층간 변위비가 동일하여 보강 후 해석 결과는 X방향에 대한 지붕 트러스의 1/4 구간별 수평 변위와 처짐, 층간 변위를 비교하였다

대상 데이터

예제 구조물은 종합 경기장이며 하부 구조는 철근 콘크리트조, 상부 지붕 구조는 철골조로 구성되어 있다. 1층 경기장의 외부 지름은 75.
하부 모멘트 골조를 구성하는 보와 기둥 및 지붕 트러스의 부재 리스트를 [Table 1~3]에 나타내었다. 콘크리트의 압축 강도와 철근의 항복강도는 각각 21MPa, 275MPa이며, 지붕 트러스는 SRT275, SS275를 사용하여 설계되었다.
비선형 동적 해석을 위한 지진 기록은 PEER Ground Motion Database6)를 통해 암반에서 계측된 VS,30이 760m/s 이상인 7개를 선정하였다. 부지 응답 해석 후 DBE 레벨 스펙트럼에 대해 경기장 구조물 기본 진동 주기의 0.

데이터처리

본 연구에서 사용된 지진 기록은 구조물이 위치한 해당 지반 조건의 비선형 거동을 모사하기 위해 부지 응답 해석을 통해 생성하였다. 지반의 비선형 물성은 [Fig. 2]와 같이 국내 기존 연구 결과를 통한 데이터베이스를 바탕으로 적용하였으며, SHAKE 프로그램⁵⁾을 이용하여 부지 응답 해석을 수행하였다.
예제 구조물 하부 모멘트 골조의 내진 성능과 상부 지붕 트러스의 이력 거동을 분석하기 위해 Perform-3D7)를 이용하여 비선형 동적 해석을 수행하였다. 하부 및 상부 구조의 비선형 물성치는 한국시설안전공단의 “기존 시설물(건축물) 내진성능 평가요령(2013)”³⁾을 따라 입력하였다.

이론/모형

하부 및 상부 구조의 비선형 물성치는 한국시설안전공단의 “기존 시설물(건축물) 내진성능 평가요령(2013)”3)을 따라 입력하였다.

성능/효과

해석 결과에 따르면 하부 모멘트 골조는 목표 층간 변형각 1%(Life Safety, LS)를 만족하지만, 지붕 트러스의 경우 소성힌지의 발생으로 인해 X방향과 Y방향 평균 층간 변형각이 각각 1.32%, 1.34%로 허용 층간 변형각을 초과한다. 모멘트 골조 상부의 지붕 트러스는 4.
지진 기록 7개에 대한 부재별 에너지 평균 소산량을 비교한 결과, 트러스는 15.7%이며 보와 기둥은 각각 56.6%, 27.8%의 에너지 소산량을 보인다.
MT2를 비좌굴 가새로 보강한 결과, 보강 전에 비해 층간 변위비가 35.5% 감소하여 목표 성능인 LS를 만족한다. MT1과 MT3을 보강한 결과, 보강 전에 비해 층간 변위비가 각각 14.
5% 감소하여 목표 성능인 LS를 만족한다. MT1과 MT3을 보강한 결과, 보강 전에 비해 층간 변위비가 각각 14.4%, 6.7% 감소하였으나 목표 성능에는 만족하지 못한다. 비좌굴 가새 보강 전에 비해 평균적인 에너지 소산량은 트러스의 경우 7개의 지진 기록에 대해 33.
7% 감소하였으나 목표 성능에는 만족하지 못한다. 비좌굴 가새 보강 전에 비해 평균적인 에너지 소산량은 트러스의 경우 7개의 지진 기록에 대해 33.9% 증가하였으며, 보와 기둥은 각각 30.5%, 3.9% 감소하는 것을 확인할 수 있다.
기존 구조물의 내진 성능 평가 결과, 하부 구조의 경우 목표 성능 수준을 만족하지만 지붕 트러스는 과도한 층간 변위비와 처짐, 수평 변형이 발생하기 때문에 안정성 확보를 위한 구조 보강이 필요하다. 비좌굴 가새를 이용하여 지붕 구간별로 지붕 트러스의 경사재를 보강하여 동적 해석을 수행한 결과, MT2를 보강한 경우 보강 전에 비해 처짐과 수평 변위가 각각 32.7%, 28.1% 감소하며 층간 변위비는 35.5% 감소하여 목표 성능 수준을 만족한다. 보강 전 지붕 트러스의 경사재는 압축 좌굴에 대한 비탄성 에너지가 감소되어 변형이 크게 발생하였다.
보강 전 지붕 트러스의 경사재는 압축 좌굴에 대한 비탄성 에너지가 감소되어 변형이 크게 발생하였다. 경사재를 비좌굴 가새로 보강한 결과, 가새가 안정적으로 거동하여 비탄성 에너지가 증가하기 때문에 구조 보강에 효과적이었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비좌굴 가새가 주요 횡하중 저항시스템으로 작용하는 원리는?	비좌굴 가새는 부가적인 에너지 소산 장치로 개발되어 일본에서는 보조 장치로 사용되고 있지만, 미국에서는 보조 에너지 소산 장치로 사용될 뿐만 아니라 기존 가새 골조의 대안인 주요 횡하중 저항시스템으로도 적용하고 있다. 튜브 내부에 충진된 모르타르와 철골 중심 부재가 서로 부착되지 않고 잘 미끄러지도록 얇은 두께로 감싼 비부착 재료(Unbonding material)는 프와송 효과(Poisson effects)에 의해 철골 중심 부재의 수축(Contraction)과 신장(Elongation) 시 전단력이 전달되는 것을 방지한다.
	비좌굴 가새의 일본 및 미국에서 활용처는?	(1998)9)이 제안하였다. 비좌굴 가새는 부가적인 에너지 소산 장치로 개발되어 일본에서는 보조 장치로 사용되고 있지만, 미국에서는 보조 에너지 소산 장치로 사용될 뿐만 아니라 기존 가새 골조의 대안인 주요 횡하중 저항시스템으로도 적용하고 있다. 튜브 내부에 충진된 모르타르와 철골 중심 부재가 서로 부착되지 않고 잘 미끄러지도록 얇은 두께로 감싼 비부착 재료(Unbonding material)는 프와송 효과(Poisson effects)에 의해 철골 중심 부재의 수축(Contraction)과 신장(Elongation) 시 전단력이 전달되는 것을 방지한다.
	비좌굴 가새란 무엇인가?	비좌굴 가새(Buckling-Restrained Brace, BRB)는 철골 중심 부재(Core)를 철골 튜브 속에 배치하고 두 요소 사이를 콘크리트 등으로 충진하여 중심 부재가 압축력을 받을 때 좌굴에 대한 저항 성능이 뛰어나고 안정적인 이력 거동을 확보한 요소이다. 비좌굴 가새에 대한 연구는 Yoshino & Karino(1971)8) 가 철판을 철근 콘크리트 패널로 감싸고 두 재료가 부착되지 않도록 비부착 재료를 두 요소 사이에 삽입하여 만든 부재에 대한 반복 하중 실험으로부터 시작되었다.

참고문헌 (9)

Kato, S., Ueki, T., & Mukaiyama, Y., "Study of Dynamic Collapse of Single Layer Reticular Domes Subjected to Earthquake Motion and the Estimation of Statically Equivalent Seismic Forces", International Journal of Space Structures, Vol.12, No.3-4, pp.191-203, 1997

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Takeuchi, T., Ogawa, T., & Kumagai, T. (2009). State-of-Arts Views on Response Control Technologies for Metal Space Structures. Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures Symposium 2009, Valencia, pp.277-288
Kwon, H. K., "Actual situation of earthquake countermeasures from Pohang earthquake", Journal of Korea Infrastructure Safety Corporation, Vol.49, pp.2-9, 2017
KBC-2016, "Korean Building Code and commentary", Architectural Institute of Korea, 2016
Idriss, I. M., & Sun, J. (1992). User's manual for SHAKE91 : a computer program for conducting equivalent linear seismic response analyses of horizontally layered soil deposits. University of California
Pacific Earthquake Engineering Research Center. PEER Strong Ground Motion Database. Retrieved from https://peer.berkeley.edu/peer-strong-ground-motion-database
Computer and Structures, Inc. (2006). PERFORM-3D User Guide Version 4. Retrieved from http://www.dinochen.com/attachments/month_0811/PERFORM3DUserGuide.pdf
Yoshino, T., & Karino, Y. (1971). Experimental study on shear wall with braces. Proceedings of annual meeting of the Architectural Institute of Japan, Japan
MacKerell, A. D., Bashford, D., Bellott, M., Dunbrack, R. L., Evanseck, J. D., Field, M. J., ... Karplus, M., "All-atom empirical potential for molecular modeling and dynamics studies of proteins", The Journal of Physical Chemistry B, Vol.102, No.18, pp.3586-3616, 1998

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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