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문제 정의
- 중간층 면진시스템에 관한 연구는 주로 수직 증축이나 주상복합건물에 시스템을 적용하고 그에 따른 효과를 분석한 연구가 많이 이루어졌으나 면진장치의 특성에 따른 응답을 분석한 연구는 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 면진시스템의 항복강도와 수평강성을 변화시켜 중간층 면진시스템을 사용한 고층 건물의 지진응답을 분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 고층 건물에 적용된 중간층 면진시스템을 설계하고 그에 대한 구조물의 응답을 분석하기 위해 15층 하부에 중간층 면진시스템을 적용한 20층 건물을 모델링하고 면진장치의 항복강도와 수평강성을 변화시키며 상용프로그램으로 해석을 수행하였다. 지진하중은 Kobe 지진, Nihonkai-Chubu 지진을 입력하였다.
제안 방법
- 4) 본 연구에서는 강진에 속하는 Kobe 지진과 Nihonkai-Chubu 지진을 사용하여 구조물의 응답을 분석하였다. 최근 국내에서 발생하는 지진들의 규모는 주로 중약진으로 발생하기 때문에 면진장치 특성 변화에 따른 구조물의 응답이 안정적일 것으로 예상되나 보다 더 정확한 결과를 도출하기 위해서는 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 860을 사용하여 해석을 수행하였다. Kobe 지진과 Nihonkai-Chubu 지진을 입력하고 각각의 경우에 대해서 해석을 진행하였다. 모델에 설치한 면진장치의 항복강도와 수평강성을 변화시키면서 면진층 변위와 구조물의 층간 변위비를 구하여 서로 어떤 관계를 이루는지 살펴보았다.
- ) 변화에 따른 최대 면진층 변위와 최대층간 변위비의 변화를 검토하기 위해 Kobe 지진의 경우 항복강도는 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1,000kN로 변화시키고 수평강성은 500~5,000kN/m 범위로 하여 해석을 수행하였다. Nihonkai-Chubu 지진의 경우 정확한 해석을 위하여 항복강도는 Kobe 지진과 동일하게 두고 수평강성은 1,500~6,000kN/m의 범위로 해석을 진행하였다.
- 지진하중은 Kobe 지진, Nihonkai-Chubu 지진을 입력하였다. 각 지진에 대해 면진층 변위와 구조물의 층간 변위비를 구하고 그 관계를 분석하였다. 그에 대한 결론은 다음과 같다.
- 모델에 설치한 면진장치의 항복강도와 수평강성을 변화시키면서 면진층 변위와 구조물의 층간 변위비를 구하여 서로 어떤 관계를 이루는지 살펴보았다. 또한 면진장치의 항복강도와 수평강성에 따른 면진장치의 이력거동을 검토하였다.
- 25h(구조물의 높이) 정도를 면진하는 것이 효율적일 것이라 사료되어 20층의 15층 하부에 중간층 면진시스템을 적용하여 구조물 상부 6개층을 면진시켰다. 면진층에는 상부 구조물에 위치한 모든 기둥 하부에 면진장치를 설치하여 총 4개의 LRB(Lead Rubber Bearing)를 설치하였다. 층질량은 1.
- Kobe 지진과 Nihonkai-Chubu 지진을 입력하고 각각의 경우에 대해서 해석을 진행하였다. 모델에 설치한 면진장치의 항복강도와 수평강성을 변화시키면서 면진층 변위와 구조물의 층간 변위비를 구하여 서로 어떤 관계를 이루는지 살펴보았다. 또한 면진장치의 항복강도와 수평강성에 따른 면진장치의 이력거동을 검토하였다.
- 본 논문에서 LRB의 수직강성은 2,793,000kN/m로 두고 장치의 항복강도(Q)와 수평강성(K1) 변화에 따른 최대 면진층 변위와 최대층간 변위비의 변화를 검토하기 위해 Kobe 지진의 경우 항복강도는 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1,000kN로 변화시키고 수평강성은 500~5,000kN/m 범위로 하여 해석을 수행하였다. Nihonkai-Chubu 지진의 경우 정확한 해석을 위하여 항복강도는 Kobe 지진과 동일하게 두고 수평강성은 1,500~6,000kN/m의 범위로 해석을 진행하였다.
- 1]의 동일하이빌 뉴시티를 들 수 있다. 지상 7층 이하의 상업 시설과 8층 이상의 주거 시설로 이루어진 주상복합건물로 면진시스템을 적용하여 지진에 대한 안전성을 향상시키고 초기에 계획하였던 경사기둥과 벨트월을 삭제함으로써 경제성을 확보하였다1).일본에서는 Kobe 지진 이후로 면진구조물이 많이 증가하면서 중간층 면진시스템이 많이 적용되었는데 그 사례로 Taisei Corporation의 연수원을 들 수 있다.
- 에서 층간변형률과 가속도 응답을 동시에 제어하기 위해서는 고층 건물의 상층부에 면진시스템을 설치하는 것이 효율적이라 판단하였다. 특히 최상층으로부터 0.25h(구조물의 높이) 정도를 면진하는 것이 효율적일 것이라 사료되어 20층의 15층 하부에 중간층 면진시스템을 적용하여 구조물 상부 6개층을 면진시켰다. 면진층에는 상부 구조물에 위치한 모든 기둥 하부에 면진장치를 설치하여 총 4개의 LRB(Lead Rubber Bearing)를 설치하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 지진하중에 대한 중간층 면진시스템의 면진장치 설계를 위한 최적값을 분석하기 위해 [Fig. 2]와 같은 20층의 라멘구조물을 해석 모델을 설계하였다.
- 일본에서는 Kobe 지진 이후로 면진구조물이 많이 증가하면서 중간층 면진시스템이 많이 적용되었는데 그 사례로 Taisei Corporation의 연수원을 들 수 있다. 이 건물은 16층으로 8층에 면진시스템이 적용되었다. 면진시스템에 의해 구조물로 전달되는 지진에너지가 감소함으로써 구조물 보강에 필요한 비용을 절감하여 경제적 효과를 높였다2).
- 본 연구에서는 고층 건물에 적용된 중간층 면진시스템을 설계하고 그에 대한 구조물의 응답을 분석하기 위해 15층 하부에 중간층 면진시스템을 적용한 20층 건물을 모델링하고 면진장치의 항복강도와 수평강성을 변화시키며 상용프로그램으로 해석을 수행하였다. 지진하중은 Kobe 지진, Nihonkai-Chubu 지진을 입력하였다. 각 지진에 대해 면진층 변위와 구조물의 층간 변위비를 구하고 그 관계를 분석하였다.
- 해석에 사용한 지진하중은 역사지진의 Kobe 지진(1995, EW)과 Nihonkai-Chubu 지진(1983)을 사용하였다. 지진하중은 해석 모델의 X축 방향으로 입력하였다.
데이터처리
- 본 연구는 상용프로그램인 Midas Gen. Ver. 860을 사용하여 해석을 수행하였다. Kobe 지진과 Nihonkai-Chubu 지진을 입력하고 각각의 경우에 대해서 해석을 진행하였다.
성능/효과
- 1) 해석 결과 면진장치의 항복강도와 수평강성이 증가할수록 면진층 변위는 감소하는 것을 알 수 있 었다. 반면 층간 변위비는 항복강도와 수평강성이 증가함에 따라 감소하였다가 증가하는 양상을 보였다.
- 2) 면진장치 이력거동의 경우 수평강성이 일정하고 항복강도가 증가할 때에 층 전단력은 증가하고 에너지 소산량이 감소하면서 항복강도가 매우 커지게 되면 탄성거동을 하게 되는 것을 알 수 있었다. 반면 항복강도가 일정하고 수평강성이 증가하게 되면 이력그래프의 기울기가 커지면서 면진층 변위가 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 3) 면진층 변위와 층간 변위비의 관계를 알아보고 면진장치의 이력거동을 살펴본 결과, 중간층 면진시스템을 설계할 때에 엔지니어는 시스템의 안전성과 효과가 잘 나타날 수 있도록 면진장치의 항복강도와 수평강성을 적절한 값으로 선택할 필요가 있을 것으로 보인다.
- 반면 층간 변위비는 항복강도와 수평강성이 증가함에 따라 감소하였다가 증가하는 양상을 보였다. 면진층 변위와 층간 변위비는 서로 반비례 관계를 이루는 것을 알 수 있었다. 즉 면진층에서 변형이 많이 일어날수록 층간 변위비는 감소한다.
- 2) 면진장치 이력거동의 경우 수평강성이 일정하고 항복강도가 증가할 때에 층 전단력은 증가하고 에너지 소산량이 감소하면서 항복강도가 매우 커지게 되면 탄성거동을 하게 되는 것을 알 수 있었다. 반면 항복강도가 일정하고 수평강성이 증가하게 되면 이력그래프의 기울기가 커지면서 면진층 변위가 감소하는 것을 알 수 있었다. 수평강성이 증가할수록 그래프의 면적이 줄어드는 것을 확인할 수 있는데 이에 따른 에너지 소산량이 감소하는 것으로 판단된다.
- 반면 항복강도가 일정하고 수평강성이 증가하게 되면 이력그래프의 기울기가 커지면서 면진층 변위가 감소하는 것을 알 수 있었다. 수평강성이 증가할수록 그래프의 면적이 줄어드는 것을 확인할 수 있는데 이에 따른 에너지 소산량이 감소하는 것으로 판단된다. 에너지 소산량이 감소할수록 구조물은 상하부 구조물이 일체거동을 하게 되고 층간 변위비가 증가할 것으로 사료된다.
- 수평강성이 증가하면 면진층의 변형이 감소하게 되어 에너지 소산량도 감소하여 상부 구조물과 하부 구조물이 일체 거동을 하게 된다. 이력그래프와 함께 층간 변위비를 비교해보면 에너지 소산면적이 클수록 면진장치의 효과가 잘 나타나는 것을 알 수 있다.
- Kobe 지진의 경우와 같이 항복강도와 수평강성이 증가할수록 면진층 변위가 감소하는 것을 알 수 있다. 항복강도 10kN, 수평강성 1,500kN/m일 때 면진층 변위가 39.4cm로 가장 큰 값으로 나타났다. 항복강도 1,000kN, 수평 강성 6,000kN/m인 경우 가장 작은 값인 4cm의 면진층 변위가 나타났다.
- 항복강도와 수평강성이 커질수록 면진층 변위는 감소하는 경향을 보인다. 항복강도 10kN, 수평강성 500kN/m일 때 면진층 변위가 45.1cm로 가장 크게 나타났고 수평강성 5,000kN/m, 항복강도 100kN 또는 200kN인 경우에 3.3cm로 가장 작은 면진층 변위가 나타났다.
후속연구
- 에너지 소산량이 감소할수록 구조물은 상하부 구조물이 일체거동을 하게 되고 층간 변위비가 증가할 것으로 사료된다. 따라서 에너지 소산면적이 클수록 면진효과가 잘 나타나기 때문에 면적을 증가시킬 수 있는 적절한 값을 선택하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
- 4) 본 연구에서는 강진에 속하는 Kobe 지진과 Nihonkai-Chubu 지진을 사용하여 구조물의 응답을 분석하였다. 최근 국내에서 발생하는 지진들의 규모는 주로 중약진으로 발생하기 때문에 면진장치 특성 변화에 따른 구조물의 응답이 안정적일 것으로 예상되나 보다 더 정확한 결과를 도출하기 위해서는 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 추후 다양한 모델을 대상으로 한 연구와 지진하중 이외의 동적하중을 가한 중간층 면진시스템의 성능 해석 및 면진장치 성능과 경제성을 고려한 면진장치 설계에 관한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
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