[논문]비구조요소의 내진 설계를 위한 층응답스펙트럼 생성 기법

장성진; 박동욱; 김재봉

doi:10.11112/jksmi.2019.23.1.154

비구조요소의 내진 설계를 위한 층응답스펙트럼 생성 기법
A Method for Generating Floor Response Spectra for Seismic Design for Non-Structural Components 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.1, 2019년, pp.154 - 162

장성진 (국토교통연구인프라운영원) , 박동욱 (국토교통연구인프라운영원) , 김재봉 (국토교통연구인프라운영원)

초록
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세계적으로 지진과 같은 자연재해로 인한 대규모 피해가 증가하고 있다. 다양한 연구를 통하여 건물에 대한 내진성능은 확보되었으나, 비구조요소의 내진성능 확보 미흡으로 인하여 인명 피해 및 경제적 손실이 발생하고 있다. 비구조요소는 구조물에 설치되는 위치가 다양하고, 구조물의 위치에 따라 발생하는 진동특성이 다르므로 구조물의 위치별 응답스펙트럼이 필요하다. 또한 구조물의 형식과 구조물이 설치되는 위치에 따라 구조물에 발생하는 응답스펙트럼이 다르게 발생한다. 따라서 응답스펙트럼의 선정이 중요하므로 비구조요소에 작용하는 응답스펙트럼을 도출할 수 있는 명확한 방법이 필요하다. 본 논문에서는 응답스펙트럼을 도출하는 방법을 제안하였으며, 제안한 방법으로 국내에서 발생 가능한 지반응답스펙트럼과 구조시스템을 선정하여 구조해석을 수행하였다. 또한, 간단한 수식으로 응답스펙트럼을 도출하는 방법을 제안함으로서, 비구조요소의 내진시험에 필요한 응답스펙트럼을 생성할 수 있도록 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Large scale damage has been globally increased due to natural disasters such as earthquake. Although a variety of studies secured seismic performance of buildings, casualties and economic loss have occurred because of poor security of seismic performance in non-structural components. Structure's location on which non-structural components are installed and characteristics of vibration occurring on each position of structures are varied, so a response spectrum is required for each position of structures. In addition, a response spectrum occurring in a structure is different, depending on the form of it and positions on which it is installed. Therefore, selection of a response spectrum is important, so a definite method for calculating the response spectrum which acts on non-structural components is necessary. A method for choosing a response spectrum is suggested in this paper, and a structural analysis was conducted with the suggested method, by selecting a ground response spectrum and a structural system, which may occur in Korea. Moreover, it helps create a response spectrum necessary for a seismic test of non-structural components, by suggesting the method for deduction it, with a simple formula.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Design response spectrum of KSD
그림 Fig. 2 Application design response spectrum
표 Table 1 The first natural frequency of the analytical model
그림 Fig. 3 Seismic waves used in the analysis
그림 Fig. 4 Analysis model
그림 Fig. 5 Comprehensive floor response spectrum of 5 seismic waves
그림 Fig. 6 Concrete moment frame response spectrum
그림 Fig. 7 Steel moment frame response spectrum
그림 Fig. 8 Comprehensive floor response spectrum of Concrete Moment Frames
그림 Fig. 9 Comprehensive floor response spectrum of Steel Moment Frames
표 Table 2 Maximum amplification factor
그림 Fig. 10 Response spectrum
그림 Fig. 11 Change of maximum amplification factor by number of stories
그림 Fig. 12 Comparison of floor response spectrum by number of stories(Steel Moment Frame)
그림 Fig. 13 Amplification Factor Change with Variation of number of stories

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 일반적으로 비구조요소의 구입처 혹은 납품처가 내진성능시험을 주관하게 되는데 전문적인 지식의 부재로 인하여 응답스펙트럼을 제시하지 못하는 경우가 많다. 따라서 본 논문에서는 간단한 방법으로 내진시험에 사용가능한 응답스펙트럼을 설정할 수 있는 방법을 제시하였다.
그러나 보수적으로 시험을 수행할 경우 과도하게 보수적인 시험이 될 우려가 발생한다. 따라서 본 논문에서는 비구조요소가 설치되는 건물의 특성과 건물의 높이를 알 경우 응답스펙트럼을 생성하는 간략식을 정의하였다.
본 논문에서는 구조해석 프로그램 중 OpenSees를 이용하여 철골모멘트골조와 콘크리트모멘트골조의 구조해석을 수행하였다. 콘크리트모멘트골조 건물의 층간 높이는 3.
본 논문에서는 내진성능시험에 사용가능한 응답스펙트럼을 제안하기 위하여 KDS(KDS 41 10 15, 2016)를 바탕으로 국내에서 발생 가능한 지반응답스펙트럼과 구조시스템을 선정하였다. 건물의 형식과 높이에 따른 구조해석을 수행하여 각 층에서 발생하는 층응답스펙트럼을 도출하였다.

제안 방법

가장 취약한 지반상태를 적용한 설계스펙트럼가속도를 이용하여 지진파를 생성하였으며, 이로부터 1~20층까지의 층응답스펙트럼의 포괄층응답스펙트럼을 생성하였다. 이렇게 생성한 철골모멘트골조와 콘크리트모멘트골조의 포괄층응답스펙트럼은 20층 이하의 건물에 대하여 비구조요소의 내진시험에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
건물에 입력되는 지진하중에 따라 층응답스펙트럼이 차이가 발생하므로 보수성을 고려하여 Fig. 5와 같이 5개의 지진파에 대한 응답을 포괄하도록 층응답스펙트럼을 생성하였다.
층에 작용하는 질량은 동일하게 적용하였으며, 강성은 에너지평형법에 의한 층강성 분포를(Akiyama, 2002) 고려하여 적용하였다. 건물의 고유진동수 변화에 따른 층응답스펙트럼을 고려하기 위하여 Table 1과 같은 고유진동수를 가지도록 콘크리트모멘트골조 47종, 철골모멘트골조 56종의 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 내진성능시험에 사용가능한 응답스펙트럼을 제안하기 위하여 KDS(KDS 41 10 15, 2016)를 바탕으로 국내에서 발생 가능한 지반응답스펙트럼과 구조시스템을 선정하였다. 건물의 형식과 높이에 따른 구조해석을 수행하여 각 층에서 발생하는 층응답스펙트럼을 도출하였다. 도출한 층응답스펙트럼을 패턴을 분석하여 건물과 비구조요소가 설치되는 높이에 따라 응답스펙트럼을 도출할 수 있도록 하였다.
콘크리트모멘트골조 47종, 철골모멘트골조 56종에 대하여 5개의 지진파를 적용하여 총 515개의 탄성시간이력해석을 수행하였다. 구조물의 감쇠는 1차모드와 질량참여율이 90%이상이 되는 모드를 레일리댐핑 5%로 적용하였으며, 해석 간격은 1/512초로 설정하여 해석을 수행하였다. 탄성시간이력해석을 통하여 계산된 층별 가속도이력으로부터 5% 감쇠비를 적용하여 층응답스펙트럼을 산정하였다.
건물의 형식과 높이에 따른 구조해석을 수행하여 각 층에서 발생하는 층응답스펙트럼을 도출하였다. 도출한 층응답스펙트럼을 패턴을 분석하여 건물과 비구조요소가 설치되는 높이에 따라 응답스펙트럼을 도출할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 구조물의 동적특성을 고려하여 1층, 2층, 3층, 5층, 8층, 10층, 12층, 그리고 20층 건물을 모델링하였으며, 5개의 지진파를 이용하여 탄성시간이력해석을 수행하였다. 수치해석을 통하여 각층의 층응답스펙트럼을 도출하여 건물에 작용하는 층응답스펙트럼의 경향을 파악하였다.
본 논문에서는 구조물의 동적특성을 고려하여 1층, 2층, 3층, 5층, 8층, 10층, 12층, 그리고 20층 건물을 모델링하였으며, 5개의 지진파를 이용하여 탄성시간이력해석을 수행하였다. 수치해석을 통하여 각층의 층응답스펙트럼을 도출하여 건물에 작용하는 층응답스펙트럼의 경향을 파악하였다.
또한 건물의 상층부로 갈수록 지진증폭계수가 커지는 경향을 보임을 확인하였다. 이러한 지진증폭계수로부터 증폭계수의 증가 경향을 보수적으로 평가하여 층응답스펙트럼을 도출할 수 있는 간략식을 제시하였다. 제시한 간략식을 이용한다면 간단하게 비구조요소의 내진시험이 가능한 건물의 층응답스펙트럼의 도출이 가능할 것으로 판단된다.
지반응답스펙트럼은 Fig. 1과 같이 KSD 41의 6.3장의 설계스펙트럼가속도를 도출하는 방법을 토대로 작성하였다. 비구조요소가 설치되는 지역의 지반응답스펙트럼을 주어진 방법에 따라 확인하는 것이 가장 이상적인 방법이나, 다양한 수요지역들에 대하여 공통 적용을 하기 위해서는 보다 보수적인 입력하중을 설정하여야 할 것이다.
콘크리트모멘트골조 47종, 철골모멘트골조 56종에 대하여 5개의 지진파를 적용하여 총 515개의 탄성시간이력해석을 수행하였다. 구조물의 감쇠는 1차모드와 질량참여율이 90%이상이 되는 모드를 레일리댐핑 5%로 적용하였으며, 해석 간격은 1/512초로 설정하여 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 구조해석 프로그램 중 OpenSees를 이용하여 철골모멘트골조와 콘크리트모멘트골조의 구조해석을 수행하였다. 콘크리트모멘트골조 건물의 층간 높이는 3.5m, 철골모멘트골조 건물의 층간 높이는 4.0m로하여 건물높이 8종류(1층, 2층, 3층, 5층, 8층, 10층, 12층, 20층)에 대하여 해석을 수행하였다. 모델링은 해석결과의 일반화를 위하여 Fig.
2와 같은 설계스펙트럼가속도를 선정하였다. 탄성시간이력해석을 수행하기 위하여 설계스펙트럼가속도를 이용하여 지진파는 1/48 octave 이하의 주파수 간격으로, 입력시간은 30초이며, 20초의 강진지속구간을 포함하도록 지진파를 생성하였다. 다양한 경우에 대하여 층에 작용하는 응답스펙트럼을 도출하기 위하여 Fig.
구조물의 감쇠는 1차모드와 질량참여율이 90%이상이 되는 모드를 레일리댐핑 5%로 적용하였으며, 해석 간격은 1/512초로 설정하여 해석을 수행하였다. 탄성시간이력해석을 통하여 계산된 층별 가속도이력으로부터 5% 감쇠비를 적용하여 층응답스펙트럼을 산정하였다.
탄성시간이력해석인 것을 고려하여 수치해석을 통하여 도출된 증폭계수에 중요도계수를 곱하고 반응수정계수로 나누어 각층의 지진증폭계수(A)를 구하였다. 여기서 지진증폭계수는 보수성을 확보하기 위하여 최대증폭계수를 이용하였다.

대상 데이터

탄성시간이력해석을 수행하기 위하여 설계스펙트럼가속도를 이용하여 지진파는 1/48 octave 이하의 주파수 간격으로, 입력시간은 30초이며, 20초의 강진지속구간을 포함하도록 지진파를 생성하였다. 다양한 경우에 대하여 층에 작용하는 응답스펙트럼을 도출하기 위하여 Fig. 3과 같이 5개의 지진파를 생성하였다.
0m로하여 건물높이 8종류(1층, 2층, 3층, 5층, 8층, 10층, 12층, 20층)에 대하여 해석을 수행하였다. 모델링은 해석결과의 일반화를 위하여 Fig. 4와 같이 집중 질량모델을 해석 대상 구조물로 선정하였다.

이론/모형

층에 작용하는 질량은 동일하게 적용하였으며, 강성은 에너지평형법에 의한 층강성 분포를(Akiyama, 2002) 고려하여 적용하였다. 건물의 고유진동수 변화에 따른 층응답스펙트럼을 고려하기 위하여 Table 1과 같은 고유진동수를 가지도록 콘크리트모멘트골조 47종, 철골모멘트골조 56종의 해석을 수행하였다.

성능/효과

1차모드 고유진동수 가장 큰 증폭을 확인 할 수 있었으며, 고층건물일 수 록 2차 모드와 3차 모드 고유진동수의 영향이 커지는 것을 확인 할 수 있었다. 고층일수록 고차모드 고유진동수의 질량참여율이 높아지기 때문에 이런 현상이 발생하는 것으로 판단된다.
구조물의 고유 진동수에서 건물의 높이가 높아질수록 층응답스펙트럼이 커지는 현상이 발생하였다. 따라서 고유진동수에서 공진이 발생함에 따라 고유진동수에서 최대증폭계수를 가지며, 상대높이가 높아질수록 증폭계수가 커지는 것으로 판단된다.
그러나 지진증폭계수의 경향이 건물의 높이가 높아질수록 로그함수 형태를 보이므로 무한히 증가하는 경향은 아닌 것으로 판단된다. 또한 건물의 상층부로 갈수록 지진증폭계수가 커지는 경향을 보임을 확인하였다. 이러한 지진증폭계수로부터 증폭계수의 증가 경향을 보수적으로 평가하여 층응답스펙트럼을 도출할 수 있는 간략식을 제시하였다.
가장 취약한 지반상태를 적용한 설계스펙트럼가속도를 이용하여 지진파를 생성하였으며, 이로부터 1~20층까지의 층응답스펙트럼의 포괄층응답스펙트럼을 생성하였다. 이렇게 생성한 철골모멘트골조와 콘크리트모멘트골조의 포괄층응답스펙트럼은 20층 이하의 건물에 대하여 비구조요소의 내진시험에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
8과 같이 설계스펙트럼 대비 층응답스펙트럼의 최대증폭계수는 1,158%이며, ZPA 최대증폭계수는 443%로 확인되었다. 철골모멘트골조는 Fig 9와 같이 설계스펙트럼 대비 층응답스펙트럼의 최대증폭계수는 1,181%이며, ZPA 최대증폭계수는 373%로 확인되었다. 층응답스펙트럼은 구조물의 고유진동수에서 최대증폭계수를 가지는 것으로 확인되었으며, 이 현상은 공진에 의한 것으로 판단된다.
철골모멘트골조는 Fig 9와 같이 설계스펙트럼 대비 층응답스펙트럼의 최대증폭계수는 1,181%이며, ZPA 최대증폭계수는 373%로 확인되었다. 층응답스펙트럼은 구조물의 고유진동수에서 최대증폭계수를 가지는 것으로 확인되었으며, 이 현상은 공진에 의한 것으로 판단된다.
콘크리트모멘트골조의 해석 결과 Fig. 8과 같이 설계스펙트럼 대비 층응답스펙트럼의 최대증폭계수는 1,158%이며, ZPA 최대증폭계수는 443%로 확인되었다. 철골모멘트골조는 Fig 9와 같이 설계스펙트럼 대비 층응답스펙트럼의 최대증폭계수는 1,181%이며, ZPA 최대증폭계수는 373%로 확인되었다.
탄성시간이력해석으로부터 건물의 저차고유진동수에서 지진증폭계수가 크게 나오는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 건물의 공진에 의한 응답의 증폭으로 판단된다.
탄성시간이력해석으로부터 지진증폭계수가 건물의 높이가 높아질수록 커지는 경향을 보임을 확인 할 수 있었다. 그러나 지진증폭계수의 경향이 건물의 높이가 높아질수록 로그함수 형태를 보이므로 무한히 증가하는 경향은 아닌 것으로 판단된다.
설계스펙트럼가속도는 3구간(가속도 증가구간, 가속도 유지구간, 가속도 감소구간)으로 나눌 수 있다. 해석결과로부터 최대증폭가속도는 가속도 증가구간과 가속도 유지구간에서 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며, 가속도 유지구간 이후 가속도 감소구간에서는 ZPA 최대값과 연결하여도 모든 층응답 스펙트럼이 포락되는 것을 확인하였다. 따라서 가속도 증가구간과 유지구간에선 최대증폭계수를 곱하고, 감소구간은 ZPA와 연결하여 그림 Fig.

후속연구

도출한 간략식을 이용하여 건물의 특성과 건물이 설치되는 위치를 파악한다면 간단히 층응답스펙트럼의 생성이 가능할 것으로 판단된다.
건물에 설치되는 비구조요소의 고유진동수가 건물의 고유진동수와 일치하거나 유사할 경우 비구조요소에 큰 영향을 줄 것이다. 따라서 비구조요소의 고유진동수를 건물의 고유진동수와 일치하지 않도록 설계한다면 안전성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 지진증폭계수로부터 증폭계수의 증가 경향을 보수적으로 평가하여 층응답스펙트럼을 도출할 수 있는 간략식을 제시하였다. 제시한 간략식을 이용한다면 간단하게 비구조요소의 내진시험이 가능한 건물의 층응답스펙트럼의 도출이 가능할 것으로 판단된다.
지진응답계수 간략식을 이용하여 건물의 높이와 종류를 알면 그 건물에서 발생할 수 있는 최대 지진응답계수의 파악이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 제시한 간략식이란?	그러나 보수적으로 시험을 수행할 경우 과도하게 보수적인 시험이 될 우려가 발생한다. 따라서 본 논문에서는 비구조요소가 설치되는 건물의 특성과 건물의 높이를 알 경우 응답스펙트럼을 생성하는 간략식을 정의하였다.
	비구조요소의 내진시험에 중요한 요소인 응답스펙트럼을 설정하는것이 어려운 이유는?	비구조요소의 내진시험에 어떤 응답스펙트럼을 사용할 것인가가 내진시험에 중요한 요소라 할 수 있다. 그러나 일반적으로 비구조요소의 구입처 혹은 납품처가 내진성능시험을 주관하게 되는데 전문적인 지식의 부재로 인하여 응답스펙트럼을 제시하지 못하는 경우가 많다. 따라서 본 논문에서는 간단한 방법으로 내진시험에 사용가능한 응답스펙트럼을 설정할 수 있는 방법을 제시하였다.
	탄성시간이력해석을 통해 확인한 높이에 따른 지진증폭계수의 관계는?	탄성시간이력해석으로부터 지진증폭계수가 건물의 높이가 높아질수록 커지는 경향을 보임을 확인 할 수 있었다. 그러나 지진증폭계수의 경향이 건물의 높이가 높아질수록 로그함수 형태를 보이므로 무한히 증가하는 경향은 아닌 것으로 판단된다.

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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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