[논문]강재 슬래브 이력형 댐퍼(SSHD)를 이용한 중·저층 RC 격자 구조물의 내진성능 향상에 관한 연구

김동백; 이인덕; 최정호

doi:10.15683/kosdi.2019.09.30.418

강재 슬래브 이력형 댐퍼(SSHD)를 이용한 중·저층 RC 격자 구조물의 내진성능 향상에 관한 연구
A Study on the Seismic Performance Improvement of Mid and Low-Rise RC Grid Structures Using Steel Slab Hysteretic Damper 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.15 no.3 = no.45, 2019년, pp.418 - 426

김동백 (Department of Civil, Safety & Environment Engineering) , 이인덕 (Department of Civil, Safety & Environment Engineering, Hankyong National University) , 최정호 (Department of Civil, Safety & Environment Engineering, Hankyong National University)

초록
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연구목적: 내진성능이 부족한 중 저층의 RC 격자 구조물의 내진능력을 해석한 후, 보와 기둥의 내진성능 개선을 위해 강재 슬래브 이력형 댐퍼(SSHD)를 설치하고, 지진이 발생할 때 구조물의 손상 및 인적피해를 최소화 하는 방안을 제시하는 데 그 목적이 있다. 연구방법: 내진설계가 되지 않은 격자 형태의 전철 역사를 대상으로 내진성능을 파악하고, 내진성능이 부족할 경우 공기를 최소화 할 수 있는 방법인 SSHD 시스템을 설치하는 것으로 가정하여 구조물의 내진성능 평가 및 보강을 검토한다. 연구결과: SSHD를 적용하여 구조물을 보강한 후, 고유치 해석을 수행한 결과 장변방향으로는 0.548s의 고유주기를 나타내었으며, 단변방향으로는 0.593s의 고유주기를 가지고 있는 것으로 나타났다. 결론: SSHD에 대하여 반복하중 실험을 수행 한 결과, 댐퍼의 전단강성은 103%, 에너지소산량은 111% 및 109%로 나타나고, 모든 기둥과 보 부재의 소성회전각은 $I_o$수준을 만족하는 것으로 나타나 보강효과가 충분할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: After analyzing the seismic capability of low-rise RC grid structures with insufficient seismic performance, the purpose of the project is to install steel slab hysteretic dampers (SSHD) to improve the seismic performance of beams and columns, and to suggest measures to minimize damage to the structure and human damage when an earthquake occurs. Method: The evaluation of the seismic performance of a structure is reviewed based on the assumption that the seismic performance is identified for the grid-type subway systems that are not designed to be seismic resistant and the installation of an SSHD system, a method that minimizes construction period, if insufficient, is required. Result: After the application and reinforce of structure with SSHD, and the results of eigenvalue analysis are as follows. The natural periodicity of longitudinal direction was 0.55s and that of vertical direction was 0.58s. Conclusion: As results of cyclic load test of structure with SSHD, the shear rigidity of damper is 101%, the energy dissipation rate is 108% and, plastic rotation angle of all column and beam is satisfied for $I_o$ level and therefore it is judged that the reinforce effect is sufficient.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Section Dimension of Structure
그림 Fig. 2. Mechanism for SSHD
그림 Fig. 3. Sketchy of SSHD
표 Table 1. 1^st Seismic Performance Evaluation Result
그림 Fig. 4. Performance Point on X Direction
그림 Fig. 5. Performance Point on Y Direction
표 Table 2. Material Test Results for SSHD
그림 Fig. 6. Test Set-up of SSHD
그림 Fig. 7. Figure of SSHD
그림 Fig. 8. Load - Displacement Diagram of Specimens
표 Table 3. Test Results of SSHD
표 Table 4. Comparison of Experimental and Design Value
그림 Fig. 9. Modeling of Plastic Hinge and Tuning of Earthquake Wave
표 Table 5. Results of Mode Analysis for Retrofitted Structure
표 Table 6. Usage Ratio on 1^st Floor Columns

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 1980년 이전에 설계되고 현재도 사용 중인 서울시 소재의 중·저층의 RC 격자 구조물을 대상으로 내진성능에 대한 검토를 수행하고, 내진성능이 부족할 경우에는 강재 슬래브 이력형 댐퍼(Steel Slab Hysteritic Damper, SSHD)를 감쇠장치로 설치하여 지진하중을 저감시키는 방향으로 보강방안을 제안하고 그 성능을 평가하고자 한다.

제안 방법

SSHD 시스템을 현장에 적용하기 위한 기초 데이터를 얻기 위하여 기초성능실험은 비선형 동적해석 시 적용하기 위한 힌지속성 데이터와 설계 시 필요한 SSHD 시스템의 힌지속성을 비교하기 위하여 계획하였으며, 가력은 변위제어 방법으로 수행하고 강재 슬래브 폭의 3% (±6mm)까지 하중을 가하여 그 결과를 분석하였다.
구조해석을 수행하여 대상구조물의 부재별 Io 수준, 성능만족 수준 및 검토 최종 성능을 검토하기 위해 최대 회전각의 비를 사용하는데, 비선형 시간 이력해석으로부터 계산된 부재의 최대회전각을 Rmax, 성능수준에 따를 기준 회전각을 R≤ vel이라 하면 최대회전각의 비 Usage ratio는 다음과 같다.
내진성능 보강공법의 하나로 강재 슬래브 이력형 댐퍼(Steel Slab Hysteritic Damper, SSHD) 시스템을 내진설계가 적용되지 않은 격자형 RC 구조물에 적용하고, 댐퍼의 내진성능의 향상 정도를 확인하기 위하여 성능실험 및 구조 해석적 연구를 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
내진성능 평가의 결과에 따라 구조물에 3개의 SSHD를 각각 적용하여 비선형 동적 해석을 수행하였으며 그 과정은 다음과 같다.
대상구조물의 지반조건은 S2 지반에 해당하며, 1000년 재현주기 2/3수준의 지진이 작용할 경우에 대하여 부재별 성능수준을 평가하였으며, 시설안전공단 평가요령에 규정된 기존 건축물 내진성능 평가 및 향상요령에 의해 내진성능 평가를 수행하고 1단계 및 2단계 상세평가를 수행하였다.
본 시스템은 방향성이 있는 구조물에 적용하기 좋은 편이지만 감쇠장치의 변위가 다른 형식의 댐퍼보다 적은 편이므로 초기에 큰 강성이 발현되는 장치가 필요하다. 본 연구에서 제안하는 SSHD는 Fig. 2와 같이 횡력에 대한 저항력이 부족한 기둥과 보 등의 골조를 형강으로 프레임을 구성하여 지진저항력을 증가시키고는 슬래브 타입의 감쇠장치를 구성한다. SSHD 시스템의 개략적인 형상은 Fig.
9A, B와 같이 각 지점의 위치를 항복하중이나 항복변위의 비율로 나타낸다. 본 연구에서는 힌지속성 및 기존시설물 내진성능 평가요령에서 제시하는 항복강도와 회전각은 부재별 항복 강도식과 내진성능별 회전각을 이용하여 입력하여 해석하였다.
이러한 방법으로 직교하는 3개의 지진파 세트에 대한 응답 스펙트럼을 각각 구하고, 한 쌍의 응답 스펙트럼에 대해 SRSS 스펙트럼을 작성한다. 생성된 SRSS 스펙트럼들의 평균값을 설계스펙트럼과 비교하여 작지 않도록 스케일을 조절하는데, 본 연구에서는 Fig. 9C와 같이 설계스펙트럼으로부터 3개의 지반가속도를 생성하였다.
실험체는 Fig. 6과 같이 실물의 크기로 총 3개의 SSHD 장치를 제작하여 성능실험을 실시하였는데, 시험체의 좌측에 지그(Zig)를 설치하며, 우측에 가력기와 로드 셀을 설치하고 실험체의 양단부에 각각 LVDT를 설치한 후 특성강도와 1차 강성 및 2차 강성, 전단강성, 에너지 소산율에 대한 설계치를 정하여 실험결과와 설계치를 비교하였다.
이러한 방법으로 직교하는 3개의 지진파 세트에 대한 응답 스펙트럼을 각각 구하고, 한 쌍의 응답 스펙트럼에 대해 SRSS 스펙트럼을 작성한다. 생성된 SRSS 스펙트럼들의 평균값을 설계스펙트럼과 비교하여 작지 않도록 스케일을 조절하는데, 본 연구에서는 Fig.

성능/효과

(1) 보강 전 구조물의 2단계 상세평가를 한 결과, 모든 부재가 설계 지진하중에 대하여 성능점과 허용 층간변위는 만족하는 것으로 나타났으나, 성능점 도달 시 소성힌지 분포를 만족하지 못하여 내진보강이 필요한 것으로 나타났다.
(2) 강재 슬래브 이력형 댐퍼(SSHD)를 제작하고 반복하중 실험을 수행한 결과, 댐퍼의 전단강성은 103%, 에너지 소산량은 111% 및 109%로 이므로 댐퍼의 설계 시 계획한 값과 유사하게 나타났으므로 실험계획은 적정하다고 사료된다.
(3) SSHD로 보강을 수행한 후 고유치 해석을 수행한 결과, 탄성해석의 결과와 유사한 주기를 나타냈으며 질량 참여율도 유사하게 나타났다.
(4) 상세평가를 바탕으로 SSHD를 보강하고 비선형 동적해석을 수행한 결과, 보강 전에 보와 기둥에 집중되던 하중은 감쇠장치에서 효과적으로 흡수하였으며, 각 지진파에 의한 감쇠장치의 이력을 검토한 결과, 지진에너지가 충분히 감쇠장치를 소산되고 있는 것으로 나타났다.
(5) 비선형 동적해석을 수행한 후 각 부재별 목표 수준인 I_o레벨에 대한 성능 검토 결과, 모든 기둥과 보 부재의 소성회전각은 I_o 수준을 만족하는 것으로 나타나 댐퍼(SSHD) 보강효과가 충분한 것으로 사료된다.
1단계 평가는 탄성영역에서의 해석 결과를 토대로 부재의 탄성강도 및 선형변형 능력에 대한 지진저항력을 평가하였는데, Table 1에 나타난 바와 같이 상층부의 보와 기둥에서는 모든 보가 I_o 수준을 만족하고 있는 것으로 나타났으며, 저층부에서는 보의 86.2%, 기둥의 54.78%만이 I_o 성능을 만족하고 있는 것으로 나타났고, 보의 경우 상층부에서 86.2% 정도가 I_o 수준을 만족하고 있는 것으로 나타났다.
2단계 상세평가는 비선형 정적해석을 통하여 Fig. 4 및 Fig. 5과 같은 성능곡선을 얻었는데 구조물이 지진력에 저항하는 보유성능을 나타내는 밑면 전단력(Base Shear Strength)은 장변방향의 경우, 약 1,100tf에서 일부 구조부재가 소성에 도달하여 강성이 저하되고 최상층 변위가 20cm에 도달한 후 건물의 내력이 감소되었다.
SSHD를 적용하여 구조물을 보강한 후, 고유치 모드 해석을 수행한 결과 장변방향으로는 0.55s의 고유주기를 나타났고, 단변방향으로는 0.58s의 고유주기를 가지고 있는 것으로 나타났으며, 단변방향으로는 2차 모드까지 고려하여야 86% 정도의 질량 참여율을 나타내고 있다(Table 5).
SSHD의 물리적 특성은 금속재료 인장시험편 규정인 KS B 0801에 따라 시편을 준비하고 금속재료 인장시험방법인 KS B 0802에 따라 시험을 실시한 결과는 Table 2와 같이 항복강도 368MPa, 인장강도 541MPa 값을 얻었으며 연신율은 31.5%로 측정되었다.
921을 나타내었다. 또한, 모든 기둥에서 최대 부재회전각은 1 이하를 나타내고 있으므로 I_o 수준을 만족하고 있는 것으로 나타났는데, 이는 보강 전 하층부에서 I_o 수준을 만족하지 못하던 구조물이 I_o 수준을 충분히 만족하는 결과를 볼 때 SSHD는 내진성능이 향상되었음을 의한다고 사료된다.
평가기준에서 보의 경우는 80% 이상의 부재가 I_o 수준을 초과하면 성능수준을 만족하는 것으로 판정하므로, 대상 구조물은 I_o수준을 만족하는 것으로 판단되었다. 기둥의 경우는 고층부에서는 I_o 수준을 만족하나 1층에서는 I_o 수준을 만족하는 부재의 비율은 54.

후속연구

(6) 향후 인공 합성 지진파가 아닌 실제의 지진파를 적용한 연구가 필요하며, 반복적인 지진하중에 대하여 유효한 탄소성 댐퍼나 복합적인 Hybrid 형태의 댐퍼에 대한 추가적인 연구가 필요하고 사료된다.
본 시스템은 방향성이 있는 구조물에 적용하기 좋은 편이지만 감쇠장치의 변위가 다른 형식의 댐퍼보다 적은 편이므로 초기에 큰 강성이 발현되는 장치가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제진공법의 단점은?	제진공법의 경우 댐퍼의 형태 및 제작방법이 매우 복잡하고 시공 또한 번거로우면 경제적, 기술적인 부담으로 결국 그 실효성이 떨어질 우려가 있다. 특히, 유압장치를 이용한 제진공법은 상당수의 사례에서 유압유가 유출되거나 반복하중에 대해 즉각적인 대응을 하지 못하는 등의 문제가 있기도 하다(Fig. 1).
	강재 슬래브 이력형 댐퍼(SSHD) 시스템이란?	강재 슬래브 이력형 댐퍼(SSHD) 시스템은 보의 중앙부에 높은 강성을 보유하고 있는 강재 슬래브 플레이트를 설치하 지진하중이 작용할 경우, SSHD가 설치된 프레임에 발생하는 소성변위가 구조물에 입력되는 지진에너지를 소산시키는 방법이다. 본 시스템은 방향성이 있는 구조물에 적용하기 좋은 편이지만 감쇠장치의 변위가 다른 형식의 댐퍼보다 적은 편이므로 초기에 큰 강성이 발현되는 장치가 필요하다.
	강재 슬래브 이력형 댐퍼(SSHD) 시스템의 특징은?	강재 슬래브 이력형 댐퍼(SSHD) 시스템은 보의 중앙부에 높은 강성을 보유하고 있는 강재 슬래브 플레이트를 설치하 지진하중이 작용할 경우, SSHD가 설치된 프레임에 발생하는 소성변위가 구조물에 입력되는 지진에너지를 소산시키는 방법이다. 본 시스템은 방향성이 있는 구조물에 적용하기 좋은 편이지만 감쇠장치의 변위가 다른 형식의 댐퍼보다 적은 편이므로 초기에 큰 강성이 발현되는 장치가 필요하다. 본 연구에서 제안하는 SSHD는 Fig.

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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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