천장시스템의 동특성 식별 및 인접 구조물과의 충돌을 고려한 동적응답해석 Identification of Dynamic Characteristics and Numerical Analysis of Ceiling System Considering Collision Adjacent Structures원문보기
2017년 발생한 포항 지진으로 인하여 천장재, 외장재, 커튼월 등 비구조재의 파괴에 의한 피해가 다수 보고되었으며 비구조재의 내진설계가 중요해지고 있다. 본 연구에서는 임팩트해머 테스트를 통해 행어볼트 길이에 따른 천장재의 고유진동수와 감쇠비를 식별하였다. 또한 천장재가 벽 또는 다른 구조체에 충돌하는 경우 발생하는 충격효과를 정확히 고려하기 위해 충돌실험을 수행하였다. 식별된 천장재의 동특성과 충격지속시간을 바탕으로 실제로 천장재가 지진하중으로 인하여 주변 구조물과 충돌이 발생하는 경우에 대한 천장재 응답특성을 수치해석을 통하여 분석하였다. 수치해석 시뮬레이션 결과, 충격하중은 이격거리에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며, 달대길이와는 무관한 것으로 나타났다.
2017년 발생한 포항 지진으로 인하여 천장재, 외장재, 커튼월 등 비구조재의 파괴에 의한 피해가 다수 보고되었으며 비구조재의 내진설계가 중요해지고 있다. 본 연구에서는 임팩트해머 테스트를 통해 행어볼트 길이에 따른 천장재의 고유진동수와 감쇠비를 식별하였다. 또한 천장재가 벽 또는 다른 구조체에 충돌하는 경우 발생하는 충격효과를 정확히 고려하기 위해 충돌실험을 수행하였다. 식별된 천장재의 동특성과 충격지속시간을 바탕으로 실제로 천장재가 지진하중으로 인하여 주변 구조물과 충돌이 발생하는 경우에 대한 천장재 응답특성을 수치해석을 통하여 분석하였다. 수치해석 시뮬레이션 결과, 충격하중은 이격거리에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며, 달대길이와는 무관한 것으로 나타났다.
In the Pohang Earthquake in 2017, considerable damage to non-structural elements, such as ceiling systems, exterior finishes, and curtain walls, was reported; thus, the seismic designs of non-structural elements are important. In this study, the modal characteristics of a ceiling system were investi...
In the Pohang Earthquake in 2017, considerable damage to non-structural elements, such as ceiling systems, exterior finishes, and curtain walls, was reported; thus, the seismic designs of non-structural elements are important. In this study, the modal characteristics of a ceiling system were investigated through the impact hammer test. The frequency and damping ratio according to the length of the hanger bolt were identified. In addition, collision experiments were conducted to obtain the impact duration for exactly considering the impact effects of the ceiling against a wall or other adjacent elements. Based on the identified dynamics and impact duration of the ceiling system, the seismic responses of the ceiling system were obtained numerically in case of collision. Numerical simulation results show that the impact load tends to increase with the clearance between the ceiling and adjacent elements, and is not correlated with the length of the hanger bolt.
In the Pohang Earthquake in 2017, considerable damage to non-structural elements, such as ceiling systems, exterior finishes, and curtain walls, was reported; thus, the seismic designs of non-structural elements are important. In this study, the modal characteristics of a ceiling system were investigated through the impact hammer test. The frequency and damping ratio according to the length of the hanger bolt were identified. In addition, collision experiments were conducted to obtain the impact duration for exactly considering the impact effects of the ceiling against a wall or other adjacent elements. Based on the identified dynamics and impact duration of the ceiling system, the seismic responses of the ceiling system were obtained numerically in case of collision. Numerical simulation results show that the impact load tends to increase with the clearance between the ceiling and adjacent elements, and is not correlated with the length of the hanger bolt.
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문제 정의
본 연구에서는 천장재의 동적수치해석 평가를 위한 진동수, 감쇠비 등 기본 데이터 확보 및 지진하중에 대한 충돌을 포함한 천장재의 시간이력 해석을 수행하였다. 대상 시스템은 T-bar 시스템으로 천장재의 기본적인 동특성인 고유진동수와 감쇠비를 실험을 통하여 식별하였으며, 이를 바탕으로 천장시스템의 충돌을 포함한 시간이력 해석을 통해 천장재에 발생하는 변위, 속도, 가속도 응답을 계산하였다.
가설 설정
이를 모사하기 위해 충돌에 대한 수치모델이 필요하다. 본 연구에서는 천장시스템이 주변 구조물과 충돌하는 경우 완전탄성충돌이 발생한다고 가정하여 수치모델을 수립하였다.
입력지진파는 앞에서 언급한 스케일링된 El Centro 지진파이며, 시뮬레이션 시 설정한 변수는 행어볼트 길이와 이격거리이다. 행어볼트의 길이는 550mm~850mm, 천장재와 구조물 사이의 이격거리는 실제 시공 시 발생하는 수준인 1~20mm로 가정하였다. 행어볼트 길이 550mm, 이격거리 13mm인 경우에 5층 천장재 대한 해석예시를 Fig .
제안 방법
본 연구에서는 천장재의 동적수치해석 평가를 위한 진동수, 감쇠비 등 기본 데이터 확보 및 지진하중에 대한 충돌을 포함한 천장재의 시간이력 해석을 수행하였다. 대상 시스템은 T-bar 시스템으로 천장재의 기본적인 동특성인 고유진동수와 감쇠비를 실험을 통하여 식별하였으며, 이를 바탕으로 천장시스템의 충돌을 포함한 시간이력 해석을 통해 천장재에 발생하는 변위, 속도, 가속도 응답을 계산하였다. 이를 통해 달대길이와 이격거리에 따른 천장시스템의 응답특성변화 특성을 분석하였다.
두 번째로 충돌 시 충격지속시간을 측정하였다. 충격지속시간은 천장재에 초기변위를 발생시킨 후 자유진동 상태에서 천장재가 구조물에 충돌하도록 한 후 이로 인해 발생하는 천장재 가속도응답의 변화지속시간을 측정하여 Fig.
천장재의 고유진동수를 결정하는 요인은 행어볼트의 길이와 천장패널 및 프레임의 질량인데, 본 연구에서는 행어볼트 길이에 의한 영향만 고려하기 위하여 실험변수를 행어볼트 길이로 설정하고 550mm부터 850mm 까지 100mm씩 변화시키며 실험하였다. 또한, 임팩트해머로 가력한 충격하중의 수준에 따른 동특성에 변화를 분석하였다.
먼저 천장재의 고유진동수와 감쇠비를 식별하기 위해 임팩트해머 테스트를 수행하였고 시험체 전경은 Fig. 5와 같다.
먼저, 천장재의 고유진동수는 주파수 응답 함수(frequency response function, FRF)를 이용하여 산정하였다. 주파수 응답 함수(H(ω))는 진동수영역에서 출력신호를 입력신호에 대하여 정규화하여 나타낸 함수로 주파수 응답이 크게 증폭되는 주파수를 시스템의 고유진동수로 결정할 수 있으며 식 (1)과 같이 표현된다.
본 연구에서는 실험을 통해 천장시스템의 동특성 및 충격지속시간을 식별하고, 식별된 결과를 바탕으로 5층 건물에 설치된 천장재의 응답을 수치해석 시뮬레이션을 통해 분석하였다.
감쇠비는 분석 시 사용되는 사이클 간격이 클수록 크게 평가되며, 매 사이클마다(n=1) 계산한 감쇠비의 평균값은 전체 자유진동구간에서 처음과 마지막 데이터를 이용하여 계산한 값과 일치함을 확인하였다. 본 연구에서는 천장시스템의 보수적인 평가를 위해 감쇠비가 가장 작게 평가된 값을 수치모델로 선정하였다.
Mun 등(2018)은 구조물의 감쇠비가 구조물의 응답수준에 따라 증가한다는 것을 실제 구조물 응답을 계측함으로써 증명하였다. 본 연구에서는 천장재의 응답크기에 따른 감쇠비 변화 추이를 분석하기 위해 임팩트해머의 충격하중을 100N, 200N, 300N으로 가력하고 계측된 데이터에 대한 감쇠비 계산 시 식(2)의 n값을 1, 2, 3으로 설정하였다. 행어볼트 길이가 550mm이고 임팩트해머의 가력수준이 100N인 경우 자유진동응답 크기감소에 따른 감쇠비 변화추이를 Fig.
실험을 통해 식별된 천장재의 동특성과 충격지속시간 및 완전탄성충돌을 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 입력지진파는 앞에서 언급한 스케일링된 El Centro 지진파이며, 시뮬레이션 시 설정한 변수는 행어볼트 길이와 이격거리이다.
예제 건물의 1차모드 고유주기는 0.47초로 이는 KDS 41 17 00의 철근콘크리트와 철골 모멘트저항골조에서 12층을 넘지 않고 층의 최소높이가 3m이상일 때의 근사고유주기산정법(T-0.1N, N'은 층수)을 통해 계산 되는 0.5초와 유사한 결과이며, 일반적인 5층 건물의 동적응답을 모사하는데 적절한 동특성을 가지고 있다고 판단되어 해당 모델을 수치해석 시뮬레이션의 타당성 검증용도로 사용하였다.
이러한 결과에 근거하여 MATLAB을 통한 수치해석 모델 및 해석과정이 타당하다고 판단되어, 이후 충돌을 포함한 해석은 MATLAB만 이용하여 수행하였다.
대상 시스템은 T-bar 시스템으로 천장재의 기본적인 동특성인 고유진동수와 감쇠비를 실험을 통하여 식별하였으며, 이를 바탕으로 천장시스템의 충돌을 포함한 시간이력 해석을 통해 천장재에 발생하는 변위, 속도, 가속도 응답을 계산하였다. 이를 통해 달대길이와 이격거리에 따른 천장시스템의 응답특성변화 특성을 분석하였다.
6과 같이 천장재의 중앙부(B지점)와 단부(C지점)에 가속도계를 같은 방향으로 설치하고, A지점에 임팩트해머로 가력하여 천장재의 가속도응답을 계측하였다. 천장재의 고유진동수를 결정하는 요인은 행어볼트의 길이와 천장패널 및 프레임의 질량인데, 본 연구에서는 행어볼트 길이에 의한 영향만 고려하기 위하여 실험변수를 행어볼트 길이로 설정하고 550mm부터 850mm 까지 100mm씩 변화시키며 실험하였다. 또한, 임팩트해머로 가력한 충격하중의 수준에 따른 동특성에 변화를 분석하였다.
천장재의 일체화 거동을 검증하기 위해 Fig. 6과 같이 천장재의 중앙부(B지점)와 단부(C지점)에 가속도계를 같은 방향으로 설치하고, A지점에 임팩트해머로 가력하여 천장재의 가속도응답을 계측하였다. 천장재의 고유진동수를 결정하는 요인은 행어볼트의 길이와 천장패널 및 프레임의 질량인데, 본 연구에서는 행어볼트 길이에 의한 영향만 고려하기 위하여 실험변수를 행어볼트 길이로 설정하고 550mm부터 850mm 까지 100mm씩 변화시키며 실험하였다.
충격지속시간은 2.1절(Fig. 7 참조)에서 언급한대로 충돌 발생 시 발생한 가속도 변화시간을 측정하여 산정하였다. 즉 가속도가 증폭하기 시작한 지점과 끝나는 지점 사이의 시간이 충격지속시간이다.
두 번째로 충돌 시 충격지속시간을 측정하였다. 충격지속시간은 천장재에 초기변위를 발생시킨 후 자유진동 상태에서 천장재가 구조물에 충돌하도록 한 후 이로 인해 발생하는 천장재 가속도응답의 변화지속시간을 측정하여 Fig. 7과 같이 충격지속시간을 계측하였다.
대상 데이터
2017년 11월 15월 포항시 북구 북쪽 6km에서 규모 5.4의 지진이 발생하였다. 지진으로 인한 인적·물적 피해는 총 57,039개소이며, 피해금액은 850억에 달했다.
본 연구에 사용된 천장시스템은 T-bar 시스템으로 골조의 주요 구성요소는 Fig. 4와 같이 Main T-bar, Cross T-bar, Carrying channel, Hanger bolt 등이며 Steel panel이 추가 된다. 각 부재의 상세는 Table 1에 나타내었다.
예제 건물에 적용한 지진파는 개정된 건축물 내진설계기준 (KDS 41 17 00)을 기준으로 스케일링된 El Centro(1942, NS성분) 지진파를 사용하였다. 스케일링 시 사용된 값들은 Table 6과 같으며 2차원 해석 시의 스케일링 방법에 따라 스케일링하였다.
실험을 통해 식별된 천장재의 동특성과 충격지속시간 및 완전탄성충돌을 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 입력지진파는 앞에서 언급한 스케일링된 El Centro 지진파이며, 시뮬레이션 시 설정한 변수는 행어볼트 길이와 이격거리이다. 행어볼트의 길이는 550mm~850mm, 천장재와 구조물 사이의 이격거리는 실제 시공 시 발생하는 수준인 1~20mm로 가정하였다.
데이터처리
천장시스템의 지진하중에 대한 수치해석 시뮬레이션에 앞서 본 연구에서 MATLAB을 이용하여 수행하는 시뮬레이션에 대한 정확성을 검증하기 위해 Table 5의 상세를 갖는 예제 건물에 대하여 상용구조해석 프로그램인 MIDAS Gen을 통해 동적해석을 수행한 결과와 비교하였다. 예제 건물의 1차모드 고유주기는 0.
성능/효과
감쇠비 식별결과 천장재의 감쇠비는 응답 또는 외력수준에 비례하며, 행어볼트의 길이에 따른 경향성이 뚜렷하지 않아 행어볼트 길이와는 상관성이 없는 것으로 판단된다.
감쇠비는 분석 시 사용되는 사이클 간격이 클수록 크게 평가되며, 매 사이클마다(n=1) 계산한 감쇠비의 평균값은 전체 자유진동구간에서 처음과 마지막 데이터를 이용하여 계산한 값과 일치함을 확인하였다. 본 연구에서는 천장시스템의 보수적인 평가를 위해 감쇠비가 가장 작게 평가된 값을 수치모델로 선정하였다.
17~18의 두 번째 그래프인 속도를 비교해 보면, 이격거리가 큰 경우에 천장재의 속도응답이 전체적으로 커짐을 알 수 있다. 이에 따라 충격하중이 커지게 되며, 천장재에 발생하는 가속도 수준 또한 증가함을 확인하였다.
천장시스템은 평균적으로 1.42%의 감쇠비를 가진 것으로 나타났지만 감쇠비에 대한 수치모델은 보수적인 평가를 위해 최소값인 1%를 사용하였다.
천장재에 작용하는 충격하중을 수치해석 시뮬레이션을 통해 분석한 결과, 천장재에 발생하는 최대충격하중은 행어볼트 길이와는 무관하였으며 이격거리에 비례하여 증가함과 설계기준에서 제시한 하중을 초과할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 천장재에 발생하는 하중을 최소화하기 위해서는 시공 시 발생하는 이격거리를 최소화하는 노력이 필요하다고 사료된다.
천장재의 감쇠비 식별결과, 감쇠비는 행어볼트의 길이와는 무관하였고 천장재는 평균적으로 1.43%의 감쇠비를 갖는 것으로 확인되었지만 보수적인 평가를 위해 최소값인 1%를 수치 해석 모델에 적용하였다.
후속연구
본 연구는 천장재 시스템의 내진설계를 위한 초기단계로, 추후 동적실험 및 유한요소모델을 통한 연구결과검증 및 천장시스템 내부의 파괴매커니즘 등에 대한 연구가 필요하다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
T-bar 시스템으로 골조의 주요 구성요소는 무엇인가?
본 연구에 사용된 천장시스템은 T-bar 시스템으로 골조의 주요 구성요소는 Fig. 4와 같이 Main T-bar, Cross T-bar, Carrying channel, Hanger bolt 등이며 Steel panel이 추가 된다. 각 부재의 상세는 Table 1에 나타내었다.
천장재의 단자유도 수치해석모델을 구축하기 위하여 식별해야 하는 요소는 무엇인가?
천장재는 패널의 탈락 등 파괴가 발생하기 전까지는 모든 요소가 일체화거동을 하는 단자유도 모델로 단순화할 수 있다. 천장재의 단자유도 수치해석모델을 구축하기 위하여 식별해야 하는 요소는 기본적으로 고유진동수와 감쇠비이며, 추가적인 요소로 주변 구조물과의 충돌 시 충격하중을 고려하기 위한 충격지속시간이 있다.
천장재의 고유진동수는 주파수 응답 함수(frequency response function, FRF)이용하는 이유는?
먼저, 천장재의 고유진동수는 주파수 응답 함수(frequency response function, FRF)를 이용하여 산정하였다. 주파수 응답 함수(H(ω))는 진동수영역에서 출력신호를 입력신호에 대하여 정규화하여 나타낸 함수로 주파수 응답이 크게 증폭되는 주파수를 시스템의 고유진동수로 결정할 수 있으며 식 (1)과 같이 표현된다.
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