[논문]평면 비정형 구조물에 적용된 중간층 면진 시스템의 지진 응답 제어 성능 분석

박효선; 김현수; 강주원

doi:10.9712/kass.2019.19.2.109

평면 비정형 구조물에 적용된 중간층 면진 시스템의 지진 응답 제어 성능 분석
Seismic Response Control of Mid-Story Isolation System for Planar Irregular Structures 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.19 no.2, 2019년, pp.109 - 116

박효선 (영남대학교 일반대학원 건축학과) , 김현수 (선문대학교 건축사회환경학부) , 강주원 (영남대학교 건축학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the seismic response is investigated by using a relatively low-rise building under torsion-prone conditions and three seismic loads with change of the location of the seismic isolation system. LRB (Lead Rubber Bearing) was used for the seismic isolator applied to the analytical model. Fixed model without seismic isolation system was set as a basic model and LB models using seismic isolation system were compared. The maximum story drift ratio and the maximum torsional angle were evaluated by using the position of the seismic layer as a variable. It was confirmed that the isolation device is effective for torsional control of planar irregular structures. Also, it was shown that the applicability of the mid-story seismic isolation system. Numerical analyses results presented that an isolator installed in the lower layer provided good control performance for the maximum story drift ratio and the maximum torsional angle simultaneously.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

평면 비정형이 불가피할 경우 적절한 면진 장치의 사용으로 비틀림 제어가 가능하다⁵⁾. 따라서 본 연구에서는 비틀림 응답이 증폭될 수 있는 평면 비정형에 대한 중간층 면진 시스템의 적용성을 분석하기 위해 설치 위치 변화에 따른 동적 응답을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 면진 시스템의 설치 위치 변화에 따른 평면 비정형 모델의 지진 응답을 살펴보고 최적 설치 위치를 분석하였다. 또한 중간층 면진 시스템의 가능성을 확인해보았다. 추후에는 다양한 형태의 비정형 해석 모델로 지진파와 편심 하중 외 풍하중 등의 동적 하중을 가한 면진 장치 특성 변화를 고려한 장치 설계에 대한 내용 또한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 면진 시스템의 설치 위치 변화에 따른 평면 비정형 모델의 지진 응답을 살펴보고 최적 설치 위치를 분석하였다. 또한 중간층 면진 시스템의 가능성을 확인해보았다.

제안 방법

면진층의 위치를 변수로 두어 3개의 지진파에 대 한 최대 층간 변형률과 최대 비틀림각을 분석하기 위해 [Table 3]과 같이 해석 모델을 명명하였다. 면진 장치를 적용하지 않은 Fixed 모델을 기본 모델로 설정하였으며, 면진 장치를 각 층마다 적용한 LB 모델로 나타내었다. 면진 장치의 설치 위치에 따른 동적 응답을 분석하기에 앞서 면진 장치를 설치하지 않은 R10-Fixed 해석 모델에 대한 층간 변형률을 [Table 4]와 같이 분석하였다.
면진 장치를 적용하지 않은 Fixed 모델을 기본 모델로 설정하였으며, 면진 장치를 각 층마다 적용한 LB 모델로 나타내었다. 면진 장치의 설치 위치에 따른 동적 응답을 분석하기에 앞서 면진 장치를 설치하지 않은 R10-Fixed 해석 모델에 대한 층간 변형률을 [Table 4]와 같이 분석하였다. 세 지진파를 입력하 였을 때 층간 변형률은 건축 구조 기준의 허용 층간 변형률인 0.
본 연구에서는 상용 프로그램인 Midas Gen Ver.860을 해석 모델로 사용하여 과 같이 비틀림 응답이 상대적으로 증폭될 수 있는 비정형 평면을 가지는 10층 철골 라멘 구조물을 모델링 하였다. 층 질량은 2.
본 연구에서는 평면 비정형 건축물을 모델링하여 3개의 지진파를 입력하고 면진 장치의 설치 위치를 변화시켜 지진 응답을 분석하였다. 해석 결과는 다음과 같다.
본 해석 모델은 경계 비선형 시간 이력 해석을 수행하였다. 입력 지진파는 [Fig.
이에 따라 [Fig. 6]과 같이 해석 모델에 배치된 모든 기둥 하부에 23개의 LRB가 설치될 수 있도록 모델링하여 1층부터 최상층까지 면진층을 변수로 변화시켜 해석을 수행하였다.
입력 지진파는 [Fig. 7]과 같이 도카치 지진(Tokachi, 2003), 고베 지진(Kobe, 1995), 공진 조화 하중으로 총 3가지 지진파를 입력하였으며, 해석 모델의 X방향, Y방향으로 동시 가력하였다.

성능/효과

1) 면진 장치의 설치 위치에 따른 최대 층간 변형률 및 최대 비틀림각을 분석한 결과, LB 2에서 응답 저감률이 가장 높았다. 이에 따라 동적 응답을 동시에 제어하기 위해서는 평면 비정형 건물에 저층부인 LB 2에 면진 장치를 설치하는 것이 가장 효과적인 것으로 판단된다.
2) 본 해석 모델에서 저층부를 제외하고 중앙부인 LB 5에 면진층을 설치하였을 때 지진파에 따른 층 간 변형률과 비틀림각의 동적 응답이 저감되었다. 중간층 면진 시스템은 고층 건물에 적용하는 것이 효과적이나 본 해석 모델과 같은 평면 비정형을 가지는 건축물에서도 중간층 면진 시스템을 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
51kN이 발생하였다. 고베 지진에서는 X축 방향 LB 2에서 89.77kN, Y축 방향 LB 5에서 97.03kN의 최대 전단력을 가졌으며, 공진 조화 하중에서는 X축 방향은 LB 10에서 67.05kN, Y축 방향은 LB 8에서 51.98kN의 최대 전단력이 발생하였다. 지진파에 따른 최대 변위 모두 해석에 사용한 면진 장치의 허용 변위인 40cm 이내 거동하였다.
면진 장치 설치 위치에 따른 최대 층간 변형률의 응답 저감률은 도카치 지진과 공진 조화 하중의 경우 LB 2에서 X방향으로 각각 40%, 82% 저감되었으며, Y방향의 경우도 LB 2에서 51%, 93%까지 저감되었다. 고베 지진의 경우는 LB 1에서 X방향 최대 층간 변형률의 응답 저감률이 65%, Y방향 은 LB 1에서 75%까지 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
025% 정도 소폭 증가하였다. 그러나 LB 5에서 상대적으로 응답이 저감되었으며, 고층부로 갈수록 다시 응답 저감 효과가 감소되어 Fixed 모델보다 오히려 응답이 증가되었다. 공진 조화 하중의 경우 저층부의 모든 층에 서 응답이 크게 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
9]는 세 지진파에 대한 최대 층 간 변형률의 값을 Fixed 모델을 기준으로 하여 LB 모델의 응답 저감을 나타낸 그래프이다. 대체적으로 면진 장치를 설치하지 않은 Fixed 모델보다 면진 장치를 설치한 LB 모델의 층간 변형률이 감소하였다. 도카치 지진의 경우 LB 모델의 층간 변형률은 면진 층이 고층으로 갈수록 LB 1을 제외한 저층부에서 대체적으로 응답이 감소하는 양상이 나타났다.
고베 지진의 경우 저층부에서는 층간 변형률의 응답이 대폭 저감되었다. 도카치 지진과 고베 지진 모두 중앙부로 갈수록 각각 0.03%, 0.025% 정도 소폭 증가하였다. 그러나 LB 5에서 상대적으로 응답이 저감되었으며, 고층부로 갈수록 다시 응답 저감 효과가 감소되어 Fixed 모델보다 오히려 응답이 증가되었다.
중앙부를 지나며 응답 저감 효과가 감소되어 고층 부에서도 Fixed 모델보다 응답이 증가되는 것을 볼 수 있었다. 따라서 세 지진파 모두 LB 2에서 최대 층간 변형률이 최소값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
세 지진파에 대한 R10 모델의 면진 시스템 설치 위치에 따른 최대 층간 변형률을 [Table 7]에 나타내었다. 면진 장치 설치 위치에 따른 최대 층간 변형률의 응답 저감률은 도카치 지진과 공진 조화 하중의 경우 LB 2에서 X방향으로 각각 40%, 82% 저감되었으며, Y방향의 경우도 LB 2에서 51%, 93%까지 저감되었다. 고베 지진의 경우는 LB 1에서 X방향 최대 층간 변형률의 응답 저감률이 65%, Y방향 은 LB 1에서 75%까지 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
면진 장치의 설치 위치에 따른 동적 응답을 분석하기에 앞서 면진 장치를 설치하지 않은 R10-Fixed 해석 모델에 대한 층간 변형률을 [Table 4]와 같이 분석하였다. 세 지진파를 입력하 였을 때 층간 변형률은 건축 구조 기준의 허용 층간 변형률인 0.015를 초과하거나 근접하게 발생하였다.

후속연구

3) 실제 축조된 건물에 형태나 하중의 분포가 달라질 것을 고려하여 중간층 면진 시스템을 적용한 다면 평면 비정형을 가지는 건축물의 비틀림 제어를 위해 상당한 응답 저감률을 확보할 수 있을 것으 로 판단된다.
또한 중간층 면진 시스템의 가능성을 확인해보았다. 추후에는 다양한 형태의 비정형 해석 모델로 지진파와 편심 하중 외 풍하중 등의 동적 하중을 가한 면진 장치 특성 변화를 고려한 장치 설계에 대한 내용 또한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이중 면진 구조의 단점은 무엇인가?	일반적으로 중저층 건물의 기초 면진 형태로 많이 사용되는데 비교적 짧은 주기의 중저층 건물을 장주기화 시켰을 때 더 큰 효과를 볼 수 있기 때문이다. 그러나 고층 건물에 기초 면진 형태로 적용할 경우 이미 긴 주기가 더욱 장주기화되면서 면진 장치의 허용 변위를 넘어 과도한 변위와 기초 부분의 연직 하중 및 횡하중에 의한 전도 모멘트가 발생하고 건축물이 불안정해지는 결과를 낳을 수 있다2) . 따라서 고층 건물에는
	코어의 납은 지진 발생시 어떠한 기능을 하는가?	탄성 받침은 지진 발생 시 고무의 유연성으로 구조물의 고유 주기를 장주기화 하여 상부 구조로 전달되는 지진 에너지를 크 게 감소시키는 역할을 수행하고, 강판은 수평 방향 의 복원력을 제공한다. 코어의 납은 지진 발생 시 구조물에 감쇠 기능과 이력 거동에 의한 에너지 소 산 작용으로 면진 장치의 변위를 줄이는 기능을 한 다6) . 이러한 면진 장치는 항복 시 비선형 이력 거동 을 하며 수평 강성( ), 항복 후 강성(), 항복 강 도()를 가지는 이선형(Bilinear)으로 모델링이 가 능하다.
	중간층 면진 시스템이란 무엇인가?	중간층 면진 시스템은 건물의 질량을 부분적으로 분리시켜 중간층에 면진하는 시스템이다. 중간층 면진 시스템은 기초 면진에 따른 기술적 문제를 수반 하지 않으며, 주상 복합 구조물과 같이 구조물 자체 질량과 강성이 크고 비정형성이 강하여 횡하중 영향이 큰 구조물에 적용이 가능하다.

참고문헌 (9)

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