국내 고층 아파트의 구조시스템은 크게 다수의 벽체가 분산적으로 배치되어 있는 내력벽 시스템과 중앙 코어벽 시스템으로 구분할 수 있다. 각각 시스템에 따른 횡방향 거동을 분석하기 위해 본 연구는 국내 고층 아파트 중 대표적인 평면을 갖는 대상 건물을 선정하고, 비선형 정적해석을 수행하여 붕괴메커니즘을 살펴보았다. 비선형 정적해석을 통해 도출된 힘-변위관계로부터 지진응답에 있어서 중요한 요소인 초과강도계수 및 연성도계수를 산정하여 반응수정계수를 평가하였다. 중앙 코어벽 시스템은 연성도는 작지만, 풍하중에 의해 지배되어 초과강도가 크게 산정돼 초과강도계수에 의해 반응수정계수가 산정되었고, 내력벽 시스템은 벽량이 많아 연성도가 크기 때문에 상당힌 큰 반응수정계수가 산정된다.
국내 고층 아파트의 구조시스템은 크게 다수의 벽체가 분산적으로 배치되어 있는 내력벽 시스템과 중앙 코어벽 시스템으로 구분할 수 있다. 각각 시스템에 따른 횡방향 거동을 분석하기 위해 본 연구는 국내 고층 아파트 중 대표적인 평면을 갖는 대상 건물을 선정하고, 비선형 정적해석을 수행하여 붕괴메커니즘을 살펴보았다. 비선형 정적해석을 통해 도출된 힘-변위관계로부터 지진응답에 있어서 중요한 요소인 초과강도계수 및 연성도계수를 산정하여 반응수정계수를 평가하였다. 중앙 코어벽 시스템은 연성도는 작지만, 풍하중에 의해 지배되어 초과강도가 크게 산정돼 초과강도계수에 의해 반응수정계수가 산정되었고, 내력벽 시스템은 벽량이 많아 연성도가 크기 때문에 상당힌 큰 반응수정계수가 산정된다.
The structural system of domestic high-rise apartments can be divided into two parts; the core wall system, which is composed of walls concentrated in the center and the shear wall system, which comprises a great number of walls distributed in the plan. In order to analyze the lateral behavior of ea...
The structural system of domestic high-rise apartments can be divided into two parts; the core wall system, which is composed of walls concentrated in the center and the shear wall system, which comprises a great number of walls distributed in the plan. In order to analyze the lateral behavior of each system, buildings with typical domestic high-rise apartment plans were selected and nonlinear static analysis was performed to investigate the their collapse mechanism. From the force-displacement relation derived from nonlinear static analysis, response modification factor was evaluated by calculating the overstrengh and ductility factor, which are important in the seismic response. The ductility of core wall system is small, but as it is governed by wind load, its overstrength is greatly estimated, and its response modification factor is calculated by the overstrengh factor. Due to a large number of walls, shear wall system has a large ductility, making the response modification factor considerably large.
The structural system of domestic high-rise apartments can be divided into two parts; the core wall system, which is composed of walls concentrated in the center and the shear wall system, which comprises a great number of walls distributed in the plan. In order to analyze the lateral behavior of each system, buildings with typical domestic high-rise apartment plans were selected and nonlinear static analysis was performed to investigate the their collapse mechanism. From the force-displacement relation derived from nonlinear static analysis, response modification factor was evaluated by calculating the overstrengh and ductility factor, which are important in the seismic response. The ductility of core wall system is small, but as it is governed by wind load, its overstrength is greatly estimated, and its response modification factor is calculated by the overstrengh factor. Due to a large number of walls, shear wall system has a large ductility, making the response modification factor considerably large.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이에 따라 본 연구는 국내 고층 아파트 중 대표적인 평면을 갖는 대상 건물 3개동을 선정하고, 비선형 정적해석을 수행하여 구조시스템에 따른 붕괴메커니즘을 살펴보았다. 또한 비선형 정적해석을 통해 도출된 힘-변위 관계로부터 초과강도계수 및 연성도 계수를 산정하여 반응수정계수를 기준에서 제시하고 있는 값과 비교하였다.
제안 방법
대상 구조물의 비선형 정적해석(pushover analysis)을 수행하여 다음 Fig. 2~4와 같이 하중-변위 곡선을 도출하였다. Pushover 해석 시 횡하중분포는 대상 구조물 모두 고층 건물로 유연한 구조물이기 때문에 고차모드의 영향을 고려하였다.
Table 2는 각 구조물의 설계 풍하중 및 지진하중에 따른 밑면전단력을 정리한 것이다. 대상구조물의 지배되는 설계수평하중을 비교하기 위해 계수하중으로 정리하였다. 풍하중은 1.
이에 따라 본 연구는 국내 고층 아파트 중 대표적인 평면을 갖는 대상 건물 3개동을 선정하고, 비선형 정적해석을 수행하여 구조시스템에 따른 붕괴메커니즘을 살펴보았다. 또한 비선형 정적해석을 통해 도출된 힘-변위 관계로부터 초과강도계수 및 연성도 계수를 산정하여 반응수정계수를 기준에서 제시하고 있는 값과 비교하였다.
해석모델은 벽체 및 연결보의 비선형 특성을 포함하고 있다. 벽체는 Fiber요소를 사용하여 모델링하였으며, 기대강도가 적용된 콘크리트 및 철근의 응력과 변형률 관계로 정의하였다(Fig. 1). 콘크리트는 인장영역을 무시하였고, 수정 Kent-Par모델의 비구속 콘크리트 부재를 표현한 곡선을 참조하여 압축 최대강도에 대응하는 변형률이 0.
본 논문에서는 앞에서 소개한 3개의 방법으로 연성도를 각각 산정하고, 이를 평균하여 대상 구조물의 연성도 산정에 적용하였다.
2~4와 같이 이선형(bilinear) 곡선으로 나타내었다. 최대 응답에 해당하는 지점은 밑면전단력이 급격하게 저감되는 시점으로 설정하여 하중-변위곡선의 면적과 이선형 곡선의 하부 면적이 같도록 이선형 곡선을 설정하였다.
1). 콘크리트는 인장영역을 무시하였고, 수정 Kent-Par모델의 비구속 콘크리트 부재를 표현한 곡선을 참조하여 압축 최대강도에 대응하는 변형률이 0.002가 되는 곡선을 구현하였다. 콘크리트 재료의 탄성계수는 KCI 2012의 탄성계수 계산식을 따랐다.
대상 데이터
국내 고층 아파트의 반응수정계수를 평가하기 위해 국내 아파트의 대표적인 평면 형태 및 구조시스템을 갖는 아파트를 선정하였다. 대상으로 한 아파트는 총 3개 동이며, 각 구조물의 평면 형태 및 개요를 Table 1에 나타내었다.
본 연구는 국내 고층 아파트 중 대표적인 평면을 갖는 대상 건물 3개동을 선정하였고, 비선형 정적해석을 수행하여 각 시스템에 따른 초과강도계수, 연성도계수 및 반응수정계수를 구할 수 있었다. 이로부터 얻은 결과를 다음과 같이 정리할 수 있다.
이론/모형
대상 구조물의 비선형 정적해석을 수행하기 위해 PERFORM 3D을 사용하여 비선형 해석모델을 구축하였다. 해석모델은 벽체 및 연결보의 비선형 특성을 포함하고 있다.
철근의 물성치는 콘크리트와 마찬가지로 기대강도계수를 적용하여 삼선형 곡선으로 입력하였다. 연결보는 힌지모델을 사용하여 비선형 특성을 입력하였다. A동의 경우, Flat Slab을 등가의 유효보로 치환하여 입력하였고, 횡력에 대해 코어벽이 저항하기 때문에, 기둥과 유효보는 탄성으로 입력하였다.
내진성능평가를 위한 정밀해석에서는 지반-건축물의 상호관계를 고려하기 위하여 지하층 구조물을 반드시 고려한다. 지하층 모델링은 공동주택 성능기반 내진설계지침(2017)에 따라 상부 구조물과 지하층 구조물은 고려하되 지표면에 작용하는 지진력을 기초면에 작용시키는 모델을 적용하였다.
002가 되는 곡선을 구현하였다. 콘크리트 재료의 탄성계수는 KCI 2012의 탄성계수 계산식을 따랐다. 철근의 물성치는 콘크리트와 마찬가지로 기대강도계수를 적용하여 삼선형 곡선으로 입력하였다.
성능/효과
(2) 시스템에 따른 붕괴메커니즘을 보면, 내력벽시스템은 다수의 벽체들이 분산적으로 배치되어 순차적으로 벽체들의 내력이 감소하면서 구조물의 밑면전단력이 완만하게 감소하는 데 반해, 중앙 코어벽 시스템은 평면 중앙에 전단벽이 집중되어 하나의 벽체 비중이 크므로 벽체가 항복할 경우에 내력이 크게 감소하여 구조물의 밑면전단력도 급격하게 저감되는 것을 알 수 있었다.
구조시스템별 반응수정계수를 정리해 보면, 중앙 코어벽 시스템은 연성도가 작지만, 초과강도가 크기 때문에 초과강도계수에 의해 반응수정계수가 산정됨을 알 수 있었다. 내력벽 시스템은 연성도가 상당히 크기 때문에 연성도계수에 의해 반응수정계 수도 크게 산정되고, 풍하중이 지배되는 내력벽시스템의 경우 초과강도도 크게 산정되어 반응수정계수는 상당히 크게 산정된다.
내력벽시스템인 B, C동은 다수의 벽체들이 분산적으로 배치되어 순차적으로 일부벽체들의 압축 내력이 감소하여 건물의 전체 밑면전단력의 감소되는 정도가 완만하다. 반면 중앙 코어벽 시스템인 A동은 평면 중앙에 전단벽이 집중되어 한 번에 많은 벽체들이 내력이 감소하여 전체 건물의 밑면전단력도 급격하게 저감되는 것을 알 수 있었다.
최하층인 지하5층 압축 측에 있는 코어 전단벽의 콘크리트의 압축변형률이 0.002를 초과하여 밑면전단력이 급격하게 저하된 것으로 나타났다.
후속연구
(4) 대상 구조물은 고층 건물로 고차모드의 영향이 크기 때문에 비선형 정적해석만으로 내진 성능을 분석하는 데에는 한계가 있다. 추후 동적해석을 통해 정적해석 결과와 비교 검토가 필요할 것으로 판단된다.
(4) 대상 구조물은 고층 건물로 고차모드의 영향이 크기 때문에 비선형 정적해석만으로 내진 성능을 분석하는 데에는 한계가 있다. 추후 동적해석을 통해 정적해석 결과와 비교 검토가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
여유도계수란 무엇인가?
여기서, Rs는 초과강도계수이고, Rμ는 연성도계수이고, RR은 여유도계수(redundancy factor)이다. 여유도계수는 구조물의 지진이 작용하는 방향에 대해서 골조가 여러 열에 걸쳐 있음으로써 개선된 골조의 신뢰성을 정량화한 것이다.
국내 아파트의 구조시스템을 크게 2가지로 구분한다면?
이러한 형상의 국내 아파트의 구조시스템은 크게 2가지로 구분될 수 있다. 다수의 전단벽이 분산적으로 배치되어 있는 내력벽 시스템과 중앙의 코어벽과 중력 저항 골 조로 이루어져 있는 건물골조시스템으로 구분할 수 있다. 중앙 코어벽 시스템은 보다 더 고층 건물에서 많이 적용되고 있다.
아파트의 층수가 높아질수록 초과강도와의 관계는?
아파트의 층수가 높아질수록 풍하중에 의해 지배되어 지진 하중 지배 구조물보다 더 큰 초과강도를 가지게 된다. 여기서 구조물의 초과강도는 설계 밑면전단력에 대한 최대밑면전단력 의 차이로 기준에서는 2로 제시하고 있지만, 풍하중이 지배하 게 되면 초과강도는 그 이상 가질 것으로 보인다.
참고문헌 (2)
이동근, 조소훈, 고현, 김태진.
약진지역에서의 초과강도 및 반응수정계수.
한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea,
vol.10,
no.3,
57-64.
Miranda, Eduardo, Bertero, Vitelmo V..
Evaluation of Strength Reduction Factors for Earthquake-Resistant Design.
Earthquake spectra : the professional journal of the Earthquake Engineering Research Institute,
vol.10,
no.2,
357-379.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.