[논문]TS 제진공법으로 내진보강된 철근콘크리트 골조의 내진성능(Part 2:해석적 연구)

정명철; 송정원; 송진규

doi:10.11112/jksmi.2018.22.2.148

[국내논문] TS 제진공법으로 내진보강된 철근콘크리트 골조의 내진성능(Part 2:해석적 연구)
Seismic Performance of RC Frame System Retrofitted with TS Seismic Strengthening Method(Part 2:Analytical Study) 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.22 no.2, 2018년, pp.148 - 153

정명철 (에이엠지그룹 건축사사무소) , 송정원 (전남대학교) , 송진규 (전남대학교 건축학부)

초록
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본 연구에서는 TS 내진보강공법의 내진보강 효과 검증을 목적으로 7개의 지진파에 대한 TS 댐퍼(Tension Spring-Damper)로 내진보강된 구조물의 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 비선형 시간이력 해석을 통해 얻어진 무보강 구조물의 층간변위비와 에너지소산 양과 비교한 결과 층간변위비가 약 30% 가량 감소하였고, 구조체를 통한 에너지 소산의 양은 반감되었다. 이를 통해 TS 내진보강공법의 제진성능이 우수함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the nonlinear time history analysis of seismic retrofitted structures with TS damper for seven ground motion records was conducted for the purpose of verifying the seismic strengthening effect of TS seismic retrofitting method. Through comparison of the interstory drift ratio and the energy dissipation amount of the non - reinforced structure obtained and those of retrofitted structures with TS damper from the nonlinear time history analysis, the interstory drift ratio was reduced by about 30% and the amount of energy dissipation through the structure was halved. As a result, it was confirmed that the damping performance of the TS seismic retrofitting method is excellent.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 스프링을 포함한 가새와 프레임으로 구성되어 스프링을 통한 감쇠기능과 프레임을 통한 강성 및 강도를 보유한 멀티 제진장치를 개발하여 해당 장치가 설치된 구조물의 성능을 평가함으로써 제진장치의 성능을 검증하고 이를 통하여 실무적용의 편의와 관련 연구 자료의 축적을 도모하고자 하였다.
본 연구에서는 ｢TS 내진공법으로 내진보강된 철근콘크리트 골조의 내진성능(Part 1)｣의 실험 중 외부 부착형 V형 TS댐퍼가 적용된 4층 학교 건물을 대상으로 비선형 해석을 수행하였다.

제안 방법

구조물의 성능평가를 위해 제진장치가 설치되지 않은 구조물과 제진장치가 설치된 구조물을 모델링하여 시간이력해석을 수행하여 층간변위비와 에너지 소산을 비교하였다.
구조물에 설치된 제진 장치의 비선형 거동특성은 ｢TS 내진공법으로 내진보강된 철근콘크리트 골조의 내진성능(Part 1)｣의 실험결과 중 V-EX 실험체의 이력곡선을 이용해서 모델링하였으며, KBC 2016(Architectural Institute of Korea, 2016)에 명시된 대로 7개 이상 지진파에 대한 시간이력해석을 통해 얻어진 층간변위비의 평균값으로 보강 전·후의 성능차이를 비교하였다.
본 연구에서는 탄성강성, 항복내력, 최대내력, 항복 후 강성비, 최대내력 후 강성 및 강도 저감, 이력형상 등 비탄성 거동특성 입력이 용이한 비선형해석 프로그램인 Perform 3D(Computers and Structures Inc., 2006)를 사용하여 대상 구조물에 대한 비선형 시간이력해석을 수행하였다.
Fig. 3에 나타낸 바와 같이 프레임요소인 기둥과 보는 양 단부에 “Semi-Rigid Moment Connection”과 “Rotation Type”의 “Moment Hinge”를 사용하고 이 두 요소를 연결하는 선요소로서 “RC cross section”을 사용하여 보의 양 단부에서 모멘트소성힌지에 의한 항복이 발생하는 것을 모사하도록 모델링하였다.
댐퍼의 비선형 재료특성은 대각가새 2개를 이용하여 “Inelastic Steel Material with Buckling”을 사용하여 모델링하였다.
1) 모델링 관련 기술-대각가새 2개를 이용하여 Perform-3D에서 제공하는 Inelastic Steel Material with Buckling의 비선형 재료 특성으로 이력특성을 구성하였다.
댐퍼 보강된 전·후에 대하여 비선형 동적 시간이력해석을 수행하고 그 결과를 살펴본 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

대상 건물은 층고 3.8 m, 4층의 비내진 상세를 갖는 철근콘크리트조의 학교 건축물로 정하였으며 Fig. 2에 해석모델 수립을 위한 평면과 댐퍼의 위치를 나타내었다.
본 구조물의 해석에는 인공지진파 2개를 포함한 총 7개의 지진파를 사용하였다.

데이터처리

5, 6에 나타내었으며, 7개의 지반운동을 이용하여 시간이력 해석을 하였으므로 각 지진파를 통하여 나온 응답의 평균값을 기준으로 해석의 결과를 평가 하였다.

이론/모형

구조물의 비선형 해석 모델링과 비선형 시간이력해석에는 Perform 3D(Computers and Structures Inc., 2006)를 사용하였다.

성능/효과

비선형해석 결과 변위비 0.67% 이전의 강도와 강성을 과대평가하는 경향이 있었으며, 이로 인하여 누적에너지 양은 실험결과와 해석결과에서 각각 5,375 kN·mm, 6,386 kN·mm로 산정되어 해석결과가 실험결과에 비하여 18% 가량 과다 평가하는 경향이 나타났다.
보강 전, 7개 지진파에 대한 층간변위비 평균값이 X 방향에서 인명안전 수준의 변위비 제한 조건을 만족하지 못하였으나, 보강후 X방향과 y 방향에서 모두 최대 층간변위비 조건을 충분히 만족 하였다.
결론적으로 TS 댐퍼 보강 이전과 이후 X방향과 Y 방향에서 각각 33%, 28%의 최대 층간변위비 감소효과가 있었다.
이를 통해 TS 댐퍼 공법을 적용한 구조물의 내진보강 유효성이 검증되었다고 판단된다.
3) 외부 부착 방식의 TS 댐퍼를 설치한 대상 구조물의 시간이력 해석의 결과 7개 지진파에 대한 층간변위비 평균값이TS 댐퍼 보강 이전과 이후 X 방향과 Y 방향에서 각각 33%,28%의 최대 층간변위비 감소효과가 있었으며, 엘센트로 지진파에 대하여 구조체의 손상을 통한 에너지의 소산량이 약 50% 정도 감소하였다.
2) 외부 부착형 V형 TS 댐퍼가 설치된 골조의 해석결과 골조의 초기강성을 과대평가하는 경향이 있었으나, 핀칭현상과 에너지 소산량은 유사하게 재현하고 있음을 확인 하였다.
TS댐퍼가 설치되지 않은 경우와 TS댐퍼가 설치된 경우의 에너지소산 분포를 비교한 결과 TS댐퍼가 설치된 경우 구조체의 비탄성 변형으로 인해 소산되는 에너지의 50% 가량이 댐퍼를 통해 소산되는 것을 알 수 있었다.
이를 통해 댐퍼가 변위제어 및 에너지의 소산을 통하여 주 구조체의 손상을 방지하는데 기여하고 있음을 확인 하였다.

참고문헌 (10)

An, T. S. (2014), Seismic performance of structures installed with cantilever-type steel dampers, Korea University, Seoul, Korea.
Architectural Institute of Korea (2016), Korean Building Code-Structure, KBCS, Architectural Institute of Korea, 220-221.
Computers and Structures Inc. (2006), PERFORM Components and Elements for PERFORM 3D and PERFORM-Collapse ver 4, CSI, Berkeley, CA.
FEMA (2000), Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, Federal Emergency Management Agency, Washington D.C.
Lee, C. H. (2015), Structural performance of SAFE dampers combining shear-type friction damper and non-uniform steel strip damper, Korea University, Seoul, Korea.
Lee, S. J., Park, J. Y., Oh, S. H., and Yoon, Y. H. (2003), The Structural Behavior of the Braced-Frame System with Slit-plate Dampers, Proceedings of Autumn Annual Conference of the Architectural Institute of Korea, Architectural Institute of Korea, Seoul, 133-136.
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (2013), Assessment criteria for existing facilities (buildings) seismic performance evaluation, Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 104-107.
Oh, S. H., and Chang, I. H. (2000), Experimental Study on Hysterestic Characteristic of Braced Framed with Slit Plate Damper, Architectural Institute of Korea, Proceedings of Autumn Annual Conference of the Architectural Institute of Korea, Architectural Institute of Korea, Seoul, 349-352.
Oh, S. H., Kim, Y. J., Ryu, H. S., Choi, H. B., and Kang, C. H. (2005), Hysteresis Behavior of Beam-to-Column Connections with Elasto-Plastic Hysteretic Dampers In order to reduce the carbon dioxide exhaust, Proceedings of Autumn Annual Conference of the Architectural Institute of Korea, Architectural Institute of Korea, Seoul, 635-638.
Park, J. Y. (2009), Seismic performance of non-seismic RC frames retrofitted with steel dampers, Chung-ang University, Seoul, Korea.

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