[국내논문]계단 설치형 카고메 감쇠시스템을 활용한 철근콘크리트 라멘조 공동주택의 지진응답 개선 Mitigating Seismic Response of the RC Framed Apartment Building Structures Using Stair-Installation Kagome Damping System원문보기
최근 들어 건물의 내진 및 내풍 성능을 향상시키기 위하여 감쇠구조에 대한 관심이 높아지고 있다. 감쇠장치 중 저렴한 비용과 높은 에너지소산능력을 발휘하며, 설치와 유지관리가 용이하다는 장점이 있어 강재이력형 감쇠장치를 이용한 수동형 감쇠구조시스템이 널리 사용되고 있다. 본 논문에서는 라멘구조 또는 무량판 구조에 적합한 계단 설치형 카고메 감쇠시스템(SKDS)을 제안하고자 하며, 제안된 감쇠시스템의 지진응답 개선효과에 대하여 해석적으로 검토하고자 한다. 비선형 동적해석결과 최대응답변위, 최대응답가속도 및 밑면전단력 감소로 살펴볼 때 내진구조와 비교하여 더 향상된 거동이 기대된다는 점에서 SKDS의 효과를 확인할 수 있었다.
최근 들어 건물의 내진 및 내풍 성능을 향상시키기 위하여 감쇠구조에 대한 관심이 높아지고 있다. 감쇠장치 중 저렴한 비용과 높은 에너지소산능력을 발휘하며, 설치와 유지관리가 용이하다는 장점이 있어 강재이력형 감쇠장치를 이용한 수동형 감쇠구조시스템이 널리 사용되고 있다. 본 논문에서는 라멘구조 또는 무량판 구조에 적합한 계단 설치형 카고메 감쇠시스템(SKDS)을 제안하고자 하며, 제안된 감쇠시스템의 지진응답 개선효과에 대하여 해석적으로 검토하고자 한다. 비선형 동적해석결과 최대응답변위, 최대응답가속도 및 밑면전단력 감소로 살펴볼 때 내진구조와 비교하여 더 향상된 거동이 기대된다는 점에서 SKDS의 효과를 확인할 수 있었다.
Recently, there are highly interests on structural damping to improve resistance of seismic and wind. It has been frequently used hysteresis damping devices made of steel because of economic efficiency, construction, and maintenance. This paper presents the effective reduction of seismic response by...
Recently, there are highly interests on structural damping to improve resistance of seismic and wind. It has been frequently used hysteresis damping devices made of steel because of economic efficiency, construction, and maintenance. This paper presents the effective reduction of seismic response by using Kagome damping system(SKDS) in rahmen system apartment building. The proposed system is designed to be activated by the relative displacement between the building and the stairs. It is performed nonlinear dynamic analysis to review the effects of earthquake response reduction for the 20-stories rahmen framed apartment building. In the analysis of the SKDS system, the reduction of maximum response displacement, maximum response acceleration and layer shear force are compared with the seismic design, and the result show that allowable story displacement is satisfied with Korean Building Code (KBC 2016).
Recently, there are highly interests on structural damping to improve resistance of seismic and wind. It has been frequently used hysteresis damping devices made of steel because of economic efficiency, construction, and maintenance. This paper presents the effective reduction of seismic response by using Kagome damping system(SKDS) in rahmen system apartment building. The proposed system is designed to be activated by the relative displacement between the building and the stairs. It is performed nonlinear dynamic analysis to review the effects of earthquake response reduction for the 20-stories rahmen framed apartment building. In the analysis of the SKDS system, the reduction of maximum response displacement, maximum response acceleration and layer shear force are compared with the seismic design, and the result show that allowable story displacement is satisfied with Korean Building Code (KBC 2016).
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 기존 연구에서 제안(Hur, et. al., 2016)한 감쇠시스템의 단점을 보완한 새로운 감쇠시스템을 제안하고자 한다. 본 연구에서 제안하는 감쇠시스템은 강성이 큰 벽체로 이루어진 계단실을 활용하여 계단실과 본 건물을 분리하여 계단실의 강성과 건물의 강성 차에 의한 상대변형에 의하여 설치된 감쇠장치의 변형을 유도한 방식이다.
본 논문에서는 라멘조 공동주택의 지진응답을 감소시키기 위해 계단 설치형 카고메 감쇠시스템을 제안하였다. 또한, 계단 설치형 카고메 감쇠시스템을 20층 철근콘크리트 공동주택에 적용하여 지진응답 효과를 비선형 동적 해석을 통해 검토 하였다.
이에 본 논문에서는 라멘구조 또는 무량판 구조에 적합한 새로운 감쇠시스템을 제안하고자 하며, 제안된 감쇠시스템의 지진응답 개선효과에 대하여 해석적으로 검토하고자 한다. 이를 위해 연구대상 건물을 건축구조기준(KBC2016, 국토교통부)에 따라 내진설계를 수행하였으며, 이 건물의 동적응답을 감쇠구조의 지진응답 개선효과를 검증하는 비교기준으로 사용하였다.
제안 방법
2) 본 연구에는 연구대상 건물들의 설계지진력을 밑면전단력의 75%만을 부담하도록 재설계된 모델에 SKDS를 설치하여 비선형 정적해석 및 비선형 동적해석을 수행하였다. 비선형 정적 해석결과, 설계지진레벨과 최대지진레벨 시 모두 목표성능기준을 하회하는 값을 나타내어 안정된 거동을 나타내고 있음을 알 수 있었다.
이를 위해 연구대상 건물을 건축구조기준(KBC2016, 국토교통부)에 따라 내진설계를 수행하였으며, 이 건물의 동적응답을 감쇠구조의 지진응답 개선효과를 검증하는 비교기준으로 사용하였다. 감쇠구조는 ASCE/SEI 7-10(ASCE, 2010)에서 제시하고 있는 설계방법에 따라 감쇠시스템을 제외한 나머지 지진력 저항시스템이 설계 밑면전단력의 75% 이상을 부담하도록 설계하여 지진응답 개선효과와 함께 경제적인 설계의 가능성도 함께 검토하였다.
감쇠구조의 적용에 따른 경제적인 설계의 가능성을 검토해 보기 위하여 건축구조기준(KBC 2016)에 의해 내진설계 된 건물(1.0 Base Shear, 이하 1.0 BS)와 설계밑면전단력의 75%만을 부담하도록 설계된 SKDS 건물(0.75 Base Shear, 이하0.75 BS)을 대상으로 골조물량을 비교하였다. 물량 산출 시, 기초물량과 철근의 기계식 이음은 고려하지 않았다.
본 논문에서는 라멘조 공동주택의 지진응답을 감소시키기 위해 계단 설치형 카고메 감쇠시스템을 제안하였다. 또한, 계단 설치형 카고메 감쇠시스템을 20층 철근콘크리트 공동주택에 적용하여 지진응답 효과를 비선형 동적 해석을 통해 검토 하였다. 해석결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
0 으로서 부재의 비선형 특성을 부재의 강성과 변형능력으로 표현할 수 있으며, 재료 비선형과 부재의 비선형을 모두 고려할 수 있다. 보 및 기둥 부재 비선형의 경우 하중조건과 변형에 따라 부재에 발생하는 소성힌지의 특성을 이용하여 FEMA 356(2000)에서 제시하는 비선형 특성으로 모델링 하였고, 전단벽의 경우 Fig. 6과 같이 레이어모델(Layered model)로 구성하여 해석하였다. 부재의 유효강성 및 재료 비선형 모델의구성은 성능설계지침(AIK, 2016)을 따랐으며 콘크리트 모델은 Mander model을 철근모델은 이선형 모델을 사용하였다.
, 2016)한 감쇠시스템의 단점을 보완한 새로운 감쇠시스템을 제안하고자 한다. 본 연구에서 제안하는 감쇠시스템은 강성이 큰 벽체로 이루어진 계단실을 활용하여 계단실과 본 건물을 분리하여 계단실의 강성과 건물의 강성 차에 의한 상대변형에 의하여 설치된 감쇠장치의 변형을 유도한 방식이다. Fig.
1은 본 연구에서 제안한 감쇠시스템의 개념을 도식화하여 나타낸 것이다. 본 연구에서 제안한 감쇠시스템은 기존에 많이 사용되었던 브레이스 및 강판벽 형식을 사용하여 내부의 칸막이벽 사이 및 덕트가 설치되는 공간에 감쇠장치를 설치하는 형식이 아닌 계단실과 본 건물 사이에 감쇠장치를 설치하여 X방향 및 Y방향 모두를 제어 할 수 있는 시스템이다.
대상 데이터
해석에 사용된 지진파는 비교적 안정된 지반에서 관측된 기록파 ( El-Centro(1940), Taft(1952), Hachinohe(1968), San Fernando(1971), Mexico City(1985), Northridge(1994), Loma Prieta(1989)) 7개의 선정하여 사용하였으며, KBC20160306.7.4.1(설계지진파의 선정)에 따라 대상 건물의 가정된 지반조건인 Sc 지반의 설계스펙트럼에 적합하게 크기를 조정 하여 기본진동주기의 0.2배부터 1.5배 사이에 해당되는 주기에 대해서 설계스펙트럼의 1.3배보다 10% 이상 작지 않도록 하여 해석에 반영하였다.
이론/모형
6과 같이 레이어모델(Layered model)로 구성하여 해석하였다. 부재의 유효강성 및 재료 비선형 모델의구성은 성능설계지침(AIK, 2016)을 따랐으며 콘크리트 모델은 Mander model을 철근모델은 이선형 모델을 사용하였다.Fig.
이에 본 논문에서는 라멘구조 또는 무량판 구조에 적합한 새로운 감쇠시스템을 제안하고자 하며, 제안된 감쇠시스템의 지진응답 개선효과에 대하여 해석적으로 검토하고자 한다. 이를 위해 연구대상 건물을 건축구조기준(KBC2016, 국토교통부)에 따라 내진설계를 수행하였으며, 이 건물의 동적응답을 감쇠구조의 지진응답 개선효과를 검증하는 비교기준으로 사용하였다. 감쇠구조는 ASCE/SEI 7-10(ASCE, 2010)에서 제시하고 있는 설계방법에 따라 감쇠시스템을 제외한 나머지 지진력 저항시스템이 설계 밑면전단력의 75% 이상을 부담하도록 설계하여 지진응답 개선효과와 함께 경제적인 설계의 가능성도 함께 검토하였다.
성능/효과
1) 감쇠구조로 설계 시 경제성을 검토하기 위하여 연구대상 건물을 기존 내진설계방법과 지진력 저항시스템이 설계밑면전단력의 75%만을 부담하도록 감쇠구조로 설계한 결과, 콘크리트는 약 10%, 철근은 약 8% 및 거푸집은 약 5%감소가 가능한 것으로 확인되었다. 물량 감소폭이 크지 않았던 원인을 분석해 본 결과 연구대상 건물이 중량하중에 지배되는 경향이 나타났기 때문으로 사료된다.
9의 중앙부에 위치한 카고메 감쇠장치의 이력루프를 나타낸 그림이다. SKDS 에 설치된 카고메 감쇠장치는 안정적인 이력거동으로 입력되는 지진에너지가 충분히 감쇠장치를 통해 소산되고 있는 것으로 나타났다. 또한, Fig.
각 지진파에 따른 최대응답 해석결과, SKDS를 적용한 경우에는 내진 설계 모델 대비 최상층 변위는 X방향은 약 19% 를 Y방향은 약 57% 저감효과를 나타내었다. 또한, 최대응답가속도 해석 결과도 최상층의 경우 X방향의 경우 약 17%, Y 방향은 약 30% 저감효과를 나타내었다.
이러한 가속도의 감소는 결국 상부구조에서 설계전단력의 감소를 의미함으로 SKDE의 적용에 따른 내진안전 확보가 용이함을 확인할 수 있다. 각 지진파에 따른 층전단력 해석결과 X방향 및 Y방향 모두 약 35%의 저감효과를 나타내었다.
16은 이를 도식화하여 나타낸 그림이다. 감쇠성능 확인 결과 X방향 및 Y방향 모두 설계 시 적용한 25%를 상응하는 결과를 나타내었다.
0030을 나타내었다. 또한, 0.75BS에 SKDS 적용 한 X방향 및 Y방향의 성능점은 0.0018과 0.0027로 SKDS를 적용함으로서 내진성능이 향상되는 것을 알 수 있었다. 이 값들은 설계지진레벨 시의 목표성능기준 0.
비선형 정적 해석결과, 설계지진레벨과 최대지진레벨 시 모두 목표성능기준을 하회하는 값을 나타내어 안정된 거동을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 또한, SKDS의 경우 내진설계 대비 75%에 해당하는 설계밑면 전단력으로 설계하였음에도 불구하고 비선형 동적해석결과 최대응답변위, 최대응답가속도 및 밑면전단력 감소로 살펴볼 때 내진구조와 비교하여 더 향상된 거동이 기대된다는 점에서 SKDS의 효과를 확인할 수 있었다.또한, 감쇠장치의 감쇠성능을 확인한 결과 감쇠장치 설계 시 산정한 값과 유사한 결과를 나타내었다.
각 지진파에 따른 최대응답 해석결과, SKDS를 적용한 경우에는 내진 설계 모델 대비 최상층 변위는 X방향은 약 19% 를 Y방향은 약 57% 저감효과를 나타내었다. 또한, 최대응답가속도 해석 결과도 최상층의 경우 X방향의 경우 약 17%, Y 방향은 약 30% 저감효과를 나타내었다. 이러한 가속도의 감소는 결국 상부구조에서 설계전단력의 감소를 의미함으로 SKDE의 적용에 따른 내진안전 확보가 용이함을 확인할 수 있다.
2) 본 연구에는 연구대상 건물들의 설계지진력을 밑면전단력의 75%만을 부담하도록 재설계된 모델에 SKDS를 설치하여 비선형 정적해석 및 비선형 동적해석을 수행하였다. 비선형 정적 해석결과, 설계지진레벨과 최대지진레벨 시 모두 목표성능기준을 하회하는 값을 나타내어 안정된 거동을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 또한, SKDS의 경우 내진설계 대비 75%에 해당하는 설계밑면 전단력으로 설계하였음에도 불구하고 비선형 동적해석결과 최대응답변위, 최대응답가속도 및 밑면전단력 감소로 살펴볼 때 내진구조와 비교하여 더 향상된 거동이 기대된다는 점에서 SKDS의 효과를 확인할 수 있었다.
Table 6은 내진설계와 SKDS 적용 시의 주기 및 질량참여율을 나타낸 표이다. 표에서 알 수 있듯이 감쇠장치 적용으로 인해 주기는 짧아졌지만 질량 참여율은 내진설계 시와 유사한 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
카고메 감쇠장치란 무엇인가?
Fig. 2는 제안된 SKDS에 적용된 카고메 감쇠장치를 나타낸 것으로 카고메 감쇠장치는 카고메 트러스 구조의 전단변 형에 의한 에너지 소산능력을 이용한 강재이력형 감쇠장치의 일종이다. 다른 강재이력형 감쇠장치와 달리 와이어로 직조 되기 때문에 반복하중이나 피로에 대한 내구성이 커 일부 와이어가 파손되더라도 전체 감쇠장치의 기능을 유지하는 특징을 가지고 있다.
수동형 감쇠구조시스템의 장점은?
이러한 감쇠구조는 해외에서 실무에 많이 적용되고 있으며, 국내에서도 감쇠구조에 대한 필요성이 대두되 면서 감쇠장치를 도입한 건물들이 다수 설계 및 건설되고 있다.감쇠장치 중 저렴한 비용과 높은 에너지소산능력을 발휘하며, 설치와 유지관리가 용이하다는 장점이 있어 강재이력형 감쇠장 치를 이용한 수동형 감쇠구조시스템이 널리 사용되고 있다(Kim, et. al.
벽식구조에 강재이력형 감쇠시스템을 적용하기 어려운 이유는?
하지만, 국내 공동주택의 구조형식은 대부분 벽식구조로서 강재이력형 감쇠시스템을 적용하기에는 어려움이 많다. 그이유로는 벽식구조의 경우 감쇠시스템을 전단벽 주위에 설치를 해야 하는데 이 경우 감쇠시스템을 작동시키기 위해서는 초기강성이 전단벽 보다 크고 항복변위가 매우 작으면서 동시에 연성을 확보할 수 있어야 하는데 이는 벽식구조에서 현실적으로 매우 어려운 조건이다. 하지만, 최근 들어 평면의 가변성 문제, 장수명화 요구 및 층간소음과 관련된 바닥충격음 문제 등이 사회적인 이슈로 대두되면서 이러한 문제를 극복 하는데 용이한 라멘구조 또는 무량판구조로 구조시스템 전환이 공기업과 건설사 중심으로 꾸준히 시도되고 있다.
참고문헌 (16)
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