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문제 정의
- 비구조요소는 건물의 설계 시 중량만 고려해도 무방하지만, 물탱크의 경우에는 내부 액체가 슬로싱 거동에 의해 액체동조감쇠기(TLD)와 같은 역할을 하여 건물의 응답에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 3장에서는 대상 RC(Reinforced Concrete) 건축물에 물탱크의 해석모델을 고려하였을 때 건축물의 동특성 및 지진응답거동 특성 변화를 검토하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 국내 건축물 내 설치되는 물탱크의 내진설계기준을 마련하기 위한 기초 연구로, 상기 기준별 설계지진하중 및 산정방법을 비교 ‧검토하고, 건축물 내 물탱크가 설치되는 것을 가정하여 물탱크의 형상비, 건축물 높이 및 물탱크 설치 위치를 변수로 한 지진응답해석을 수행하여 각 변수별 물탱크의 지진하중을 평가하고자 한다.
- 3장에서 사전 해석한 것과 동일한 건축물과 물탱크 형상비를 고려하고, 물탱크의 설치 위치는 건축물의 지층, 중간층과 최상층으로 고려하였다. 또한 지진파의 주기 특성에 따른 물탱크의 충격성분 또는 대류성분의 응답증폭 여부를 검토하기 위하여 El Centro NS(1940년, PGA=0.357 g)와 Hachinohe EW(1968년, PGA=0.21 g)와 국내 SD 지반 설계스펙트럼에 부합하는 인공지진파 1종에 대해 해석을 수행하고자 한다. 해석에 사용된 세 지진파 중 El Centro NS파는 다른 지진파와 최대가속도가 유사한 수준을 가지도록 scale(0.
- 본 연구에서는 건축물 상부 층에 물탱크가 설치되는 것을 고려하기 위해 대상 건축물의 지진응답해석을 수행하고 각 층의 응답가속도를 물탱크 지진응답해석 시 입력지진가속도로 사용하고자 한다. 비구조요소는 건물의 설계 시 중량만 고려해도 무방하지만, 물탱크의 경우에는 내부 액체가 슬로싱 거동에 의해 액체동조감쇠기(TLD)와 같은 역할을 하여 건물의 응답에 영향을 미칠 수 있다.
- 2016년 경주지진 및 2017년 포항지진으로 인해 건축물 내 설치되는 물탱크의 벽체 파손 및 지지구조 좌굴 등의 피해가 발생함에 따라 물탱크의 내진설계가 요구되고 있다. 본 연구에서는 물탱크의 국내외 내진설계 기준별 설계하중을 비교하고, 건축물 내 설치되는 물탱크에 대한 변수별 지진응답 해석을 수행하여 주요 변수의 영향을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 장에서는 건축물 내 상부 층에 설치된 물탱크의 지진응답해석을 수행하여 물탱크의 형상비, 대상 건축물의 높이, 물탱크의 설치위치, 지진파의 종류에 따른 물탱크의 지진하중을 평가하고자 한다. 물탱크의 해석 변수는 Table 3과 같다.
- 본 장에서는 대상건축물에 물탱크를 고려하지 않은 경우(N), 중량만 고려한 경우(M), 동적해석모델을 고려한 경우(SM)에 대해 건축물의 지진응답특성을 검토하고자 한다. 동적해석모델을 고려하는 경우에는 대상 건축물의 옥상 층에 물탱크가 설치된 것으로 가정하고, 건축물 해석 모델의 최상부 보 부재의 중앙부에 3.
가설 설정
- 1에 비교하여 나타낸다. ASCE 7(이하 ASCE 기준)에서는 건물외구조물에 해당하는 탱크 및 저장용기로 가정하여 동적해석법을 이용하여 지진하중을 산정하였으며, 건축구조기준(KBC 2016)에 의한 등가정적하중(Fp), 일본의 FRP 수조 구조설계계산법(이하 FRP 기준)에 의한 하중을 비교하였다.
- 대상 RC건축물의 모델링과 지진응답해석은 비선형 동적해석프로그램 CANNY[12]를 이용한다. RC 건축물은 비선형 축, 전단, 휨 거동을 나타내는 스프링을 가지는 선형요소로 가정하고, 스프링의 비선형 거동특성은 기존 연구[13]에서 RC 골조에 주로 사용된 모델 및 특성값을 적용한다.
- 대상 물탱크는 직사각형의 강재 탱크로, 벽체 두께가 20 mm인 것으로 가정한다. 탱크 용량은 소화수조 및 저수조의 화재안전기준[11]에 따른 최소 소화수조 저수량 기준을 고려하여 5층, 10층, 15층, 20층 RC건축물에 대해 각 건축물의 총중량의 약2%인 30, 60, 90, 120 m3으로 가정한다.
- 본 장에서는 대상건축물에 물탱크를 고려하지 않은 경우(N), 중량만 고려한 경우(M), 동적해석모델을 고려한 경우(SM)에 대해 건축물의 지진응답특성을 검토하고자 한다. 동적해석모델을 고려하는 경우에는 대상 건축물의 옥상 층에 물탱크가 설치된 것으로 가정하고, 건축물 해석 모델의 최상부 보 부재의 중앙부에 3.1절과 3.2절에서 전술한 형상비(0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0) 및 해석모델을 이용하여 물탱크의 충격성분과 대류성분을 나타내는 spring-mass 모델을 각각 건축물에 직렬로 연결하여 해석모델을 작성한다. 입력지진파는 El Centro NS(1940년, PGA=0.
- 물탱크의 동적해석모델은 Housner의 연구에 따라 Fig. 3과 같이 충격성분과 대류성분으로 분리하여 각 성분의 유효 질량과 탄성 수평강성을 가지는 일반화된 1질점계 spring-mass모델로 가정한다. 각 성분의 유효질량 및 고유 주기는 식(9) ~ 식(12)와 같이 산정하며, 충격 및 대류성분의 감쇠비는 각각 5%와 0.
- 먼저, 3종류의 지진파에 대해 대상 건축물을 해석하고, 층수별 건축물의 중간층과 최상층 응답가속도 시간이력을 물탱크 해석모델의 입력지진파로 사용한다. 이 때, 건축물 지층에 설치된 물탱크는 건축물의 응답에 영향을 받지 않는 것으로 가정하고, 원 지진파를 입력지진파로 사용한다.
- ASCE 기준의 동적하중은 물탱크의 충격성분과 대류성분에 의한 지진하중을 모두 고려하는데, 그 중에서 충격성분은 물탱크의 강성에 직접적인 영향을 받는다. 이를 고려하기 위해 본 절에서 고려한 강재 탱크 벽체 두께(t)를 5, 10, 20, 40 mm로 가정하여 각각 해석하였으며, 벽체 두께가 40 mm인 경우는 최대가속도가 적용되는 것으로 충격성분에 대해 가장 보수적인 결과를 적용하는 것으로 가정할 수 있다.
- 대상 물탱크는 직사각형의 강재 탱크로, 벽체 두께가 20 mm인 것으로 가정한다. 탱크 용량은 소화수조 및 저수조의 화재안전기준[11]에 따른 최소 소화수조 저수량 기준을 고려하여 5층, 10층, 15층, 20층 RC건축물에 대해 각 건축물의 총중량의 약2%인 30, 60, 90, 120 m3으로 가정한다. 2장에서 분석한 바와 같이 물탱크의 동적거동은 탱크의 수위에 대한 진동방향의 길이 비(L/HL, 이하 형상비)에 지배되는 것을 고려하여 물탱크의 형상비를 0.
- Ti,Tc는 각각 충격성분 및 대류성분의 고유주기이고, k는 단위 길이 벽체의 강성, m은 단위길이 벽체에 작용하는 충격성분 질량을 나타낸다. 해석모델에서 충격성분의 스프링 강성은 ACI 350.3에서 제시하고 있는 바와 같이 물탱크 벽체를 하단부가 고정된 캔틸레버 벽체로 가정하여 단위길이 벽체에 대한 강성으로 산정하고, 대류성분의 스프링 강성은 주기 산정 식에서 역산한다. 물탱크의 형상비 변수에 따른 충격성분과 대류성분의 질량비와 고유주기는 Table 2와 같다.
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