[논문]300m 단층 래티스 돔의 면진 장치에 대한 지진 반응 해석

박강근; 정미자; 이동우

doi:10.9712/kass.2018.18.3.105

[국내논문] 300m 단층 래티스 돔의 면진 장치에 대한 지진 반응 해석
Earthquake Response Analysis for Seismic Isolation System of Single Layer Lattice Domes With 300m Span 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.18 no.3, 2018년, pp.105 - 116

박강근 ((주)아이스트) , 정미자 (중앙대학교 건축학부) , 이동우 ((주)아이스트)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to investigate the response reducing effect of a seismic isolation system installed between 300m dome and supports under both horizontal and vertical seismic ground motion. The time history analysis is performed to investigate the dynamic behavior of single layer lattice domes with and without a lead rubber bearing seismic isolation system. In order to ensure the seismic performance of lattice domes against strong earthquakes, it is important to investigate the mechanical characteristics of dynamic response. Horizontal and vertical seismic ground motions cause a large asymmetric vertical response of large span domes. One of the most effective methods to reduce the dynamic response is to install a seismic isolation system for observing seismic ground motion at the base of the dome. This paper discusses the dynamic response characteristics of 300m single layer lattice domes supported on a lead rubber seismic isolation device under horizontal and vertical seismic ground motions.

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문제 정의

최근에는 전 세계적으로 대지진에 의한 건축물의 피해가 급증하여 제진 및 면진 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 300m 래티스 돔 하부에 면진 장치를 설치하여 지진에 대한 구조물 반응의 감소 효과를 분석하고자 한다. 지진 발생 시 일어나는 수평 지반 운동은 돔의 큰 역대칭 수직 반응을 일으킨다.
대공간 돔의 지진에 대한 동적 응답을 해석하기 위해 본 연구에서는 El Centro 지진에 대한 래티스 돔의 선형 및 비선형 동적 반응을 분석하였다. 지진에 대한 분석 방법은 동서 방향, 남북 방향, 상하 방향, 동서ㆍ남북 조합, 동서ㆍ상하 조합, 남북ㆍ상하 조합 방향에 대한 동적 반응을 분석하였다.
지진에 대한 분석 방법은 동서 방향, 남북 방향, 상하 방향, 동서ㆍ남북 조합, 동서ㆍ상하 조합, 남북ㆍ상하 조합 방향에 대한 동적 반응을 분석하였다. 전체 돔의 변형, 최대 가속도, 최대 부재력, 최대 응력 등을 분석하여 실제 설계에 필요한 중요 자료들을 제시 하고자 한다. 해석 모델은 [Fig.
본 연구에서는 약 300m 직경을 갖는 단층 래티스 돔의 El Centro 지진에 대한 동적 응답을 분석하였다. 납-고무 적층 면진 장치를 설치한 경우와 설치하지 않는 경우의 동적 응답을 분석한 결과, 면진 장치가 돔 부재의 최대 응력에 대해서 31~47% 감소 효과를 보여주었다.

가설 설정

본 연구에서는 구조물의 동적 반응을 보다 효과적으로 분석하기 위해 시간 이력 해석에서 지반 운동을 직교하는 2성분의 쌍으로 구성하여 최대 동적 응답을 분석하고 일방향 지진에 대한 응답과 비교하였다. 면진 장치는 LRB(Lead Rubber Bearing) 시스템을 사용하고, 상부 구조물의 감쇠는 0으로 가정하여 에너지 소산은 면진 장치에서만 발생한다고 가정한다¹⁾. 면진 장치가 설치된 돔과 설치되지 않은 돔에 대해서 시간 이력 해석을 수행하여 일방향 지진 및 양방향 조합 지진에 대한 구조물의 동적 반응 감소 효과를 조사한다.

제안 방법

면진 장치는 압축 특성, 인장 특성, 수평 특성, 감쇠 특성, 내구성 등을 만족해야 한다^2),3) . 본 연구에서는 구조물의 동적 반응을 보다 효과적으로 분석하기 위해 시간 이력 해석에서 지반 운동을 직교하는 2성분의 쌍으로 구성하여 최대 동적 응답을 분석하고 일방향 지진에 대한 응답과 비교하였다. 면진 장치는 LRB(Lead Rubber Bearing) 시스템을 사용하고, 상부 구조물의 감쇠는 0으로 가정하여 에너지 소산은 면진 장치에서만 발생한다고 가정한다¹⁾.
면진 장치는 LRB(Lead Rubber Bearing) 시스템을 사용하고, 상부 구조물의 감쇠는 0으로 가정하여 에너지 소산은 면진 장치에서만 발생한다고 가정한다¹⁾. 면진 장치가 설치된 돔과 설치되지 않은 돔에 대해서 시간 이력 해석을 수행하여 일방향 지진 및 양방향 조합 지진에 대한 구조물의 동적 반응 감소 효과를 조사한다. 면진 장치가 있는 경우와 없는 경우에 대한 고유치 모드와 선형 해석 및 비선형 대변형 해석 결과를 비교 분석한다.
면진 장치가 설치된 돔과 설치되지 않은 돔에 대해서 시간 이력 해석을 수행하여 일방향 지진 및 양방향 조합 지진에 대한 구조물의 동적 반응 감소 효과를 조사한다. 면진 장치가 있는 경우와 없는 경우에 대한 고유치 모드와 선형 해석 및 비선형 대변형 해석 결과를 비교 분석한다. 전체 돔의 수평 진동, 상하 진동, 역대칭 진동 등에 대한 분석을 하여 면진 장치가 구조물의 동적 반응에 미치는 역학적 특성을 파악한다.
면진 장치가 있는 경우와 없는 경우에 대한 고유치 모드와 선형 해석 및 비선형 대변형 해석 결과를 비교 분석한다. 전체 돔의 수평 진동, 상하 진동, 역대칭 진동 등에 대한 분석을 하여 면진 장치가 구조물의 동적 반응에 미치는 역학적 특성을 파악한다. 본 연구에서는 Midas Gen을 사용하여 300m 스팬을 갖는 대공간 돔의 좌굴 해석, 푸쉬오브 증분 해석, 선형 및 비선형 시간 이력 해석을 수행하였다.
전체 돔의 수평 진동, 상하 진동, 역대칭 진동 등에 대한 분석을 하여 면진 장치가 구조물의 동적 반응에 미치는 역학적 특성을 파악한다. 본 연구에서는 Midas Gen을 사용하여 300m 스팬을 갖는 대공간 돔의 좌굴 해석, 푸쉬오브 증분 해석, 선형 및 비선형 시간 이력 해석을 수행하였다.
300m 대공간 돔의 안정성 검토 및 부재 설계를 위해서 좌굴 하중에 대한 검토를 먼저 수행한다. 부재 크기에 따른 고유치 좌굴 하중 및 비선형 증분 해석, 푸쉬오브 증분 해석을 통한 소성힌지 진전 해석을 수행하여 래티스 돔 구조물의 안정성 (Stability)을 평가한다.
300m 대공간 돔의 안정성 검토 및 부재 설계를 위해서 좌굴 하중에 대한 검토를 먼저 수행한다. 부재 크기에 따른 고유치 좌굴 하중 및 비선형 증분 해석, 푸쉬오브 증분 해석을 통한 소성힌지 진전 해석을 수행하여 래티스 돔 구조물의 안정성 (Stability)을 평가한다. 대공간 돔은 라이즈-스팬 비에 따라서 전체 구조물의 거동 및 안정성이 달라진다.
대공간 돔은 라이즈-스팬 비에 따라서 전체 구조물의 거동 및 안정성이 달라진다. 공간 디자인의 특성과 단층 래티스 돔의 역학적 특징을 분석하여 실제 설계에 필요한 기본 정보를 정립한다. 설하중은 바람에 의해서 지붕 한쪽으로 이동되는 경우가 발생하므로 연직 하중이 지붕 전체에 작용하는 경우와 일부분에 작용하는 경우에 대한 좌굴 특성을 분석한다.
공간 디자인의 특성과 단층 래티스 돔의 역학적 특징을 분석하여 실제 설계에 필요한 기본 정보를 정립한다. 설하중은 바람에 의해서 지붕 한쪽으로 이동되는 경우가 발생하므로 연직 하중이 지붕 전체에 작용하는 경우와 일부분에 작용하는 경우에 대한 좌굴 특성을 분석한다. 실제 구조물의 설계 시설계 하중은 좌굴 하중의 25% 정도인 것이 좋다^2),3).
대공간 돔의 지진에 대한 동적 응답을 해석하기 위해 본 연구에서는 El Centro 지진에 대한 래티스 돔의 선형 및 비선형 동적 반응을 분석하였다. 지진에 대한 분석 방법은 동서 방향, 남북 방향, 상하 방향, 동서ㆍ남북 조합, 동서ㆍ상하 조합, 남북ㆍ상하 조합 방향에 대한 동적 반응을 분석하였다. 전체 돔의 변형, 최대 가속도, 최대 부재력, 최대 응력 등을 분석하여 실제 설계에 필요한 중요 자료들을 제시 하고자 한다.
본 연구에서는 [Fig. 34]와 같은 LRB 면진 구조를 갖는 단층 래티스 돔의 일방향 지진 및 양방향 조합 지진에 대한 선형 및 비선형 시간 이력 동적 반응을 분석하였다. 면진 장치는 돔과 하부 지점 사이에 설치하였고, 면진 장치의 역학적 특성은 [Fig.
79m 래티스 돔의 지진 동적 반응을 분석하였다. 먼저 고유치 모드를 조사하고, El Centro 지진에 대한 구조물의 최대 동적 반응 시 구조물의 변형, 최대 내력, 최대 응력 등을 분석하였다.
중앙부에 개구부가 있는 직경 286.79m 래티스 돔에 면진 장치를 설치한 경우의 동적 반응을 분석하였다. 고유치 모드 값은 1.
면진 장치가 있는 개폐식 케이블 시스템을 갖는 하이브리드 래티스 돔의 동적 응답을 분석하였다.

대상 데이터

해석 모델에는 ∅914.2 x12(SM490)부재를 사용하였다.
전체 돔의 변형, 최대 가속도, 최대 부재력, 최대 응력 등을 분석하여 실제 설계에 필요한 중요 자료들을 제시 하고자 한다. 해석 모델은 [Fig. 20]과 같은 단층 래티스 돔 구조로 직경 287.79m, 높이 45.212m이다. 돔의 라이즈-스팬 비는 45.
중앙부에 큰 개구부가 있는 직경 286.79m 래티스 돔의 지진 동적 반응을 분석하였다. 먼저 고유치 모드를 조사하고, El Centro 지진에 대한 구조물의 최대 동적 반응 시 구조물의 변형, 최대 내력, 최대 응력 등을 분석하였다.
본 연구는 중앙부에 케이블 개폐 시스템을 갖는 하이브리드 래티스 돔이다. 개폐식 케이블 시스템은 방사형으로 상부 내력 케이블과 하부 안정 케이블이 존재하고, 방사형 케이블을 상호 연결하기 위해서 중앙부에 링 케이블이 설치되었다.

성능/효과

2 x12(SM490)부재를 사용하였다. 고유치 좌굴 하중의 결과에서 라이즈-스팬 비 0.157, 0.2, 0.25에 대해 해석한 결과, 라이즈-스팬 비가 클수록 절점 하중의 크기가 거의 비례적으로 증가하였다.
일방향 지진에 대한 래티스 돔의 반응은 270도, 180도 방향의 지진에 대해서 수직 방향의 변위 반응이 크게 나타났다. 가속도 반응은 돔의 상부에서 크게 나타나고, 압축력은 돔의 중앙부(3~7F)에서 크게 발생하였다[Fig.
양방향 지진에 대한 동적 반응은 일방향 지진 반응에 대해서 최대 축력이 18.5% 증가하였고, 최대 응력은 16.7% 증가하였다. 지반 운동에 의해서 수평 및 상하 방향의 변형이 크게 일어난다는 것을 알 수 있다.
6~8F 부분에서 상하 방향의 변형이 크게 일어나고, 가속도 반응도 크게 나타났다. 일방향 지진보다 양방향 조합 지진의 반응이 크게 나타났다.
일방향 지진에 대한 돔의 반응은 180도 방향, 양방향 조합 지진에 대해서는 180+Vertical에 대한 축력 및 응력이 가장 크게 나타났다. 면진 구조는 비면진 구조에 비해서 최대 축력이 30% 감소, 최대 응력이 35% 감소하였다.
일방향 지진에 대한 돔의 반응은 180도 방향, 양방향 조합 지진에 대해서는 180+Vertical에 대한 축력 및 응력이 가장 크게 나타났다. 면진 구조는 비면진 구조에 비해서 최대 축력이 30% 감소, 최대 응력이 35% 감소하였다. 절점 가속도의 경우 단일 지진파는 상하 방향에서, 조합 지진은 270+Vertical 조합에서 가장 크게 나타났다.
면진 구조는 비면진 구조에 비해서 최대 축력이 30% 감소, 최대 응력이 35% 감소하였다. 절점 가속도의 경우 단일 지진파는 상하 방향에서, 조합 지진은 270+Vertical 조합에서 가장 크게 나타났다. 선형 시간 이력 해석 결과와 비선형 이력 해석 결과는 많은 차이를 보여 준다.
일방향 지진 반응 해석 시 선형에서는 X방향의 변위가 크게 발생하였으나, 비선형 대변형에서는 X와 Z방향의 변위 성분이 크게 발생하였다. 양방향 지진 반응 해석에서는 전체 시간에 대해 X, Y 및 Z방향의 변위 성분이 크게 발생하였고, 비선형 해석 시 20초 이전에는 X 및 Y방향의 변위 성분이 크고, 이후에는 Z방향의 변위 성분이 크게 나타났다.
2106이다. 고차 모드에서 최대 응력이 나타나고, 양방향 조합 반응은 단일 반응보다 최대 축력이 30% 증가, 최대 응력은 12% 증가하였다.
6%, 최대 응력을 55% 감소시켰다. 양방향 조합 지진의 경우에는 270+180 방향에 대해서 최대 축력 및 최대 응력이 발생하였고, 최대 축력은 42% 감소, 최대 응력은 47% 감소하였다. 지진에 대한 구조물의 동적 반응은 일방향 지진보다는 양방향 지진에 대해서 크게 나타나고, 최대 축력은 18.
양방향 조합 지진의 경우에는 270+180 방향에 대해서 최대 축력 및 최대 응력이 발생하였고, 최대 축력은 42% 감소, 최대 응력은 47% 감소하였다. 지진에 대한 구조물의 동적 반응은 일방향 지진보다는 양방향 지진에 대해서 크게 나타나고, 최대 축력은 18.8% 증가, 최대 응력은 10.3% 증가하였다.
본 연구에서는 약 300m 직경을 갖는 단층 래티스 돔의 El Centro 지진에 대한 동적 응답을 분석하였다. 납-고무 적층 면진 장치를 설치한 경우와 설치하지 않는 경우의 동적 응답을 분석한 결과, 면진 장치가 돔 부재의 최대 응력에 대해서 31~47% 감소 효과를 보여주었다. 일방향 지진에 대한 동적 반응 보다는 양방향 지진의 경우가 최대 축력 및 최대 응력이 약간 크게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	면진 장치는 구조물의 변형을 어떻게 제어하는가?	이러한 동적 반응에 가장 효과적인 해결 방법 중 하나는 돔 하부에 면진 장치를 설치하는 것이다. 면진 장치는 구조물의 장주기화에 의한 가속도 응답의 저감과 동시에 면진 층의 감쇠 성능에 의한 지진 에너지를 흡수하여 구조물의 변형을 제어한다. 적층 고무의 높은 연직 지지력과 탄성 변형 능력은 구조물의 주기를 크게 증가시킨다.
	역대칭 수직 반응을 해결하는 방안은?	지진 발생 시 일어나는 수평 지반 운동은 돔의 큰 역대칭 수직 반응을 일으킨다. 이러한 동적 반응에 가장 효과적인 해결 방법 중 하나는 돔 하부에 면진 장치를 설치하는 것이다. 면진 장치는 구조물의 장주기화에 의한 가속도 응답의 저감과 동시에 면진 층의 감쇠 성능에 의한 지진 에너지를 흡수하여 구조물의 변형을 제어한다. 적층 고무의 높은 연직 지지력과 탄성 변형 능력은 구조물의 주기를 크게 증가시킨다.
	적층 고무의 특성은?	면진 장치는 구조물의 장주기화에 의한 가속도 응답의 저감과 동시에 면진 층의 감쇠 성능에 의한 지진 에너지를 흡수하여 구조물의 변형을 제어한다. 적층 고무의 높은 연직 지지력과 탄성 변형 능력은 구조물의 주기를 크게 증가시킨다. 면진 장치는 수평 지반 운동에서 발생하는 수평 및 수직 가속도 반응을 효과적으로 줄여 구조 부재들에 발생하는 축력을 크게 감소시킴으로써 300m 이상 대공간 구조물의 설계를 가능하게 해 준다1-10).

참고문헌 (10)

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표제어: PCR

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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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