[논문]LRB 면진 장치를 갖는 100m 단층 래티스 돔의 지진 응답에 대한 감소 효과 분석

박강근; 이동우

doi:10.9712/kass.2019.19.1.53

[국내논문] LRB 면진 장치를 갖는 100m 단층 래티스 돔의 지진 응답에 대한 감소 효과 분석
Reducing Effect Analysis on Earthquake Response of 100m Spanned Single-Layered Lattice Domes With LRB Seismic Isolation System 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.19 no.1, 2019년, pp.53 - 64

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The objective of this study is to investigate the earthquake response for the design of 100m spanned single-layer lattice dome. The plastic hinge analysis and eigenvalue buckling analysis are performed to estimate the ultimate load of single-layered lattice domes under vertical loads. In order to ensure the stability of lattice domes, it is investigated for the plastic hinge progressive status by the pushover increment analysis considering the elasto-plastic connection. One of the most effective methods to reduce the earthquake response of large span domes is to install the LRB isolation system of a dome. The authors discuss the reducing effect for the earthquake dynamic response of 100m spanned single-layered lattice domes. The LRB seismic isolation system can greatly reduce the dynamic response of lattice domes for the horizontal and vertical earthquake ground motion.

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문제 정의

본 연구는 3각 골조 형태를 갖는 100m 단층 래티스 돔의 지진 안정성을 평가하기 위해서 지진 응답 해석을 수행하고자 한다.
일본의 대공간 구조물 내진 설계의 경우 지진 응답 설계 시 수평 방향과 연직 방향의 지진 응답을 조합한 응답을 평가하고 있다^2-4). 본 연구에서는 각 지진파에 대한 단층 래티스 돔의 수평 방향과 수직 방향 지진 응답을 분석하고, 수평 및 수직 방향 조합 지진파에 대한 동적 응답과 비교하고자 한다. 또한 LRB 면진 장치가 있는 경우와 없는 경우에 대한 동적 응답을 분석하여 면진 장치가 구조물의 내력에 미치는 영향을 세밀하게 분석하고 한다.
하중 조건은 돔 지붕의 전체에 작용하는 경우와 1/2 부분에만 작용하는 경우이다. 최초 소성 힌지 발생 시점의 절점 하중을 파악하고 하중-변위 곡선으로부터 극한 하중을 파악하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 각 지진파에 대한 단층 래티스 돔의 수평 방향과 수직 방향 지진 응답을 분석하고, 수평 및 수직 방향 조합 지진파에 대한 동적 응답과 비교하고자 한다. 또한 LRB 면진 장치가 있는 경우와 없는 경우에 대한 동적 응답을 분석하여 면진 장치가 구조물의 내력에 미치는 영향을 세밀하게 분석하고 한다. 해석에는 Midas Gen 2018 및 NISA 소프트웨어를 사용하였다.
강접합으로 이루어진 100m 래티스 돔의 연직 하중에 대한 소성 힌지 진전 해석을 푸쉬오브 증분 해석을 통해 수행한다. 하중 조건은 돔 지붕의 전체에 작용하는 경우와 1/2 부분에만 작용하는 경우이다.
돔 지붕의 절점 하중 1,000kN에 대해서 등분할 증분 해석을 20회 수행하여 하중-변위 곡선, 최초 소성 힌지 발생 하중, 소성 힌지 진전 상황, 소성 힌지 발생 시점의 부재 축력 등을 조사하였다. 지붕 전체에 하중이 작용하는 경우 500kN의 절점 하중에서 최초 소성 힌지가 발생하였고, 이때 최대 압축력은 5,559kN, 최대 처짐은 25cm이다.
대공간 지붕의 연직 하중에 대한 분포는 형상에 따라서 비대칭인 경우는 1/4 등분, 대칭인 경우는 1/2 등분으로 나누어서 생각한다. 돔 지붕의 절점 하중 1,000kN에 대해서 등분할 증분 해석을 20회 수행하여 하중-변위 곡선, 최초 소성 힌지 발생 하중, 부재의 축력 등을 조사하였다. 지붕의 1/2 부분에 하중이 작용하는 경우 550kN의 절점 하중에서 소성 힌지가 발생하였고, 이때 최대 압축력은 5,556kN, 최대 인장력은 3,459kN이다.
지붕 전체에 작용하는 하중과 지붕의 1/2 부분에 작용하는 하중에 대한 고유치 좌굴 하중을 해석하였다. 최소 고유값 좌굴 하중은 강접합일 때 4,706kN, 핀접합일 때 829kN이다.
EL Centro 지진에 대한 지진 응답 해석을 수행하였다. 지진에 대한 특성은 각 방향의 지진과 조합 지진에 대한 반응을 분석한다.
EL Centro 지진에 대한 지진 응답 해석을 수행하였다. 지진에 대한 특성은 각 방향의 지진과 조합 지진에 대한 반응을 분석한다. 또한 LRB 면진 장치가 있는 경우와 없는 경우에 대한 고유치 모드 해석을 수행하여 모드 형상에 대한 주기를 분석한다.
지진에 대한 특성은 각 방향의 지진과 조합 지진에 대한 반응을 분석한다. 또한 LRB 면진 장치가 있는 경우와 없는 경우에 대한 고유치 모드 해석을 수행하여 모드 형상에 대한 주기를 분석한다. LRB 면진 장치(HDRD-6000: UNISON Co.
EL Centro 지진의 180 Deg.에 대한 지진 응답 해석을 수행하였다. [Table 4]는 LRB 면진 장치가 있는 경우와 없는 경우의 변형 형상, 내력 및 응력을 비교한 것이다.
EL Centro 지진의 상하 연직 방향에 대한 지진 응답 해석을 수행하였다. 대공간 구조물은 연직 방향의 하중에 크게 영향을 받으므로 상하 지지동에 대해서 스케일 다운하여 해석을 수행하였다[Fig.
EL Centro 지진의 상하 연직 방향에 대한 지진 응답 해석을 수행하였다. 대공간 구조물은 연직 방향의 하중에 크게 영향을 받으므로 상하 지지동에 대해서 스케일 다운하여 해석을 수행하였다[Fig.29~38].
EL Centro 지진의 270+Vertical 방향에 대한 지진 반응 해석을 수행하여 돔의 변형, 내력 및 응력을 분석하였다[Fig.39~48].
EL Centro 지진의 180+vertical 방향에 대한 지진 응답 해석을 수행하였다. [Table 7] 은 LRB 면진 장 치가 있는 경우와 없는 경우 전체 구조물의 변형 형상, 축력, 휨모멘트, 축응력 및 휨응력 등을 비교한 것이다.
본 연구에서는 직경 100m 단층 래티스 돔에 대해서 푸쉬오브 증분에 의한 소성 힌지 진전 해석, 고유치 좌굴 해석, 기하 비선형 해석, 지진에 대한 동적 응답 해석 등을 수행하였다.

대상 데이터

또한 LRB 면진 장치가 있는 경우와 없는 경우에 대한 동적 응답을 분석하여 면진 장치가 구조물의 내력에 미치는 영향을 세밀하게 분석하고 한다. 해석에는 Midas Gen 2018 및 NISA 소프트웨어를 사용하였다.

성능/효과

좌굴 모드 형상에서 돔의 상부가 연직 하중에 취약한 부분이다. 기하 비선형 해석 결과, 핀 접합부는 강접합에 비해서 극한 하중이 39% 감소하였다. 핀 접합부인 경우 고유치 좌굴 하중이 기하 비선형 해석 결과보다 14% 작고, 강접합인 경우 비선형 해석의 결과가 고유치 좌굴 하중의 33%이다.
LRB 면진 장치가 z방향의 최대 변위를 77mm에서 18mm, 축력을 2415kN에서 473kN, 휨모멘트 My를 234kN·m에서 70kN·m, 휨모멘트 Mz를 170kN·m에서 34kN·m로 감소시켰다. 최대 수직 변형은 73%, 축력은 80%, 휨모멘트 My는 70%, 휨모멘트는 Mz는 80% 감소시켰다[Fig.21~28].
LRB 면진 장치가 z방향의 최대 변위를 119mm에서 31mm, 축력을 3,611kN에서 835kN, 휨모멘트 My를 286kN·m에서 153kN·m, 휨모멘트 Mz를 220kN·m에서 15kN·m로 감소시켰다. 최대 수직 변형은 74%, 축력은 77%, 휨모멘트 My는 46%, 휨모멘트는 Mz는 93% 감소시켰다. LRB 면진 장치가 래티스 돔의 변형 및 응력을 크게 줄였다.
LRB 면진 장치가 z방향의 최대 변위를 85mm에서 31mm, 축력을 2,5301kN에서 814kN, 휨모멘트 My를 258kN·m에서 155kN·m, 휨모멘트 Mz를 170kN·m에서 13kN·m로 감소시켰다. 최대 수직 변형은 64%, 축력은 68%, 휨모멘트 My는 40%, 휨모멘트는 Mz는 92% 감소시켰다[Fig.49~58].
1) 단층 래티스 돔 하부에 면진 장치를 설치하면 수평 진동에 대한 지진 동적 반응 감소 효과가 매우 좋다는 것을 알 수 있었다. LRB 면진 장치를 갖는 단층 래티스 돔은 수평 진동에 대한 상하 방향의 변형이 크게 감소하였다.
2) LRB 면진 장치가 래티스 돔 부재의 축력 및 휨모멘트를 크게 감소시켜 철골 부재의 크기를 크 게 줄일 수 있다. 대공간 구조물의 지붕은 중량을 가볍게 하여 상하 진동에 대한 영향을 줄여 주는 것이 매우 중요하다.
3) LRB 면진 장치는 구조물에 관성력을 분산시키고 면진 장치에 변형을 집중시켜주기를 연장하여 구조물의 가속도를 감소시키기 때문에 래티스 돔은 가능한 한 원래 형태를 유지하여 구조 부재의 손상을 방지하는 역할을 한다.

후속연구

반면 수직 방향의 지진동에 대해서는 돔 중앙 상부의 상하 변형에 효과가 거의 없는 것으로 조사되었다. 수직 방향 진동에 대한 감소 효과에 대해서는 추가 연구가 필요하다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대공간 구조물의 장점은 무엇인가?	최근에는 지상 및 해상에 바이오 필릭 대공간 돔 구조물을 설계하기 위한 기술 개발이 활발하게 시도되고 있다. 대공간 구조물은 내부와 외부 공간이 시간의 흐름과 계절의 변화에 따라서 자연의 일부가 되도록 설계하고, 식물원과 같은 자연 친화적인 내부 디자인을 통하여 사용자가 정서적 안정감을 갖게 하는 공간 창출에 매우 효과적인 구조 시스템이다. 대공간 구조물에 적용 가능한 바이오 필릭 디자인의 주요 구성 요소는 자연 경관, 자연광, 자연 색상과 질감, 환기, 자연 이미지, 쾌적성 등으로 자연 환경과의 연계에 매우 효과적이다.
	대공간 돔 구조물의 건설이 증가하고 있는 분야는 어디인가?	건축적으로 매력적인 대공간 돔 구조물의 건설은 전시장, 스포츠 시설, 바이오돔 등의 분야에서 점 차 증가되고 있다. 최근에는 지상 및 해상에 바이오 필릭 대공간 돔 구조물을 설계하기 위한 기술 개발이 활발하게 시도되고 있다.
	대공간 구조물의 설계 시 수평 방향과 연직 방향의 지진동을 동시에 고려하여야 하는 이유는 무엇인가?	대공간 구조물은 동적 응답 특성에서 수평 및 수직 지반 운동에 의한 연직 방향 응답이 크게 나타난 다. 따라서 대공간 구조물의 설계 시 수평 방향과 연직 방향의 지진동을 동시에 고려해야 한다.

참고문헌 (8)

Midas Programming (2018) MIDAS Information Technology Co., Ltd.
Oya, S., Hangai, Y., & Kawaguchi, K. (2000). Preliminary Design of Single Layer Lattice Domes for Experimental Study. Proceedings of the 6th Asian Pacific Conference on Shell and Spatial Structures, pp.263-270
Kato, S., Nakazawa, S., Uchikoshi, M., & Mukaiyama, Y. (2000). Response Reducing Effect of Seismic Isolation System Installed between Large Dome and Lower Structures. Proceedings of the 6th Asian Pacific Conference on Shell and Spatial Structures, pp.323-330
Park, K. G. & Lee, D. W., "Mechanical Characteristics of Cable Truss Roof Systems", Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.16, No.2, pp.89-96, 2016
Kim, H. S., Kim, S. G., & Kang, J. W., "Seismic Response Evaluation of Mid-Story Isolation System According to the Change of Characteristics of the Seismic Isolation Device", Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.18, No.1, pp.109-116, 2018
Lee, Y. R., Kim, H. S., & Kang, J. W., "Investigation Into Optimal Installation Position of TMD for Efficient Seismic Response Reduction of Retractable-Roof Spatial Structure", Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.18, No.2, pp.43-50, 2018

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Park, K. G., & Kim, J., "Design Characteristics of Nature-Inspired Architecture", Lambert Academic Publishing, pp.1-128, 2018.
Park, K. G., Chung, M. J., & Lee, D. W., "Earthquake Response Analysis for Seismic Isolation System of Single Layer Lattice Domes With 300m Span", Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.18, No.3, pp.105-116, 2018

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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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