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문제 정의
- 본 연구에서는 간단한 2차원 주상 복합 구조물에 대한 중간층 면진 시스템의 효용성을 검증한 후 더 큰 규모의 3차원 주상 복합 구조물에 대한 평가를 수행하였다. 첫 번째 해석 모델은 [Fig.
- 본 연구에서는 상부 벽식 구조물과 하부 골조 구조물로 구성된 수직 비정형 주상 복합 구조물의 지진 응답을 저감시키기 위하여 중간층 면진 시스템을 적용하였으며 지진 응답 제어 성능을 검토하였다. 이때 중간층 면진 시스템은 전혀 다른 두 구조 시스템인 벽식 구조물과 골조 구조물의 접합부에 설치하였다.
- 본 연구에서는 주상 복합 건물의 하부 구조물인 골조 부분을 모형화하기 위해서 일반적인 보 요소를 사용하여 기둥과 보 부재를 모형화한다. 그 후 슬래브 효과를 강막 가정을 통해서 고려하고 각 절 점의 수직 방향 이동 자유도와 수평 방향의 두 회전 자유도는 행렬 응축 기법을 이용해서 소거한다.
제안 방법
- El Centro (1940, NS) 지진 하중을 사용하여 시간 이력 해석을 수행하였다. 고유치 해석을 수행하여 얻은 모드 형상과 질량 참여율 및 고유 진동 주기를 [Fig.
- 앞서 구한 상부 벽식 구조물을 나타내는 막대 모델과 하부 골조 구조물을 나타내는 막대 모델은 층당 동일한 3개의 자유도를 가지고 있으므로 직접 연결할 수 있지만 본 연구에서는 중간층 면진 시스템의 강성 및 감쇠가 고려되어 연결한다. 각각 구성된 상부 구조물의 강성 행렬 SSU와 하부 구조물의 강성 행렬 SSL에 대하여 [Fig. 10]과 같이 면진 장치의 자유도에 해당하는 부분에 면진 장치의 강성 행렬 SI를 조합하여 전체 구조물의 강성 행렬을 구성한다. 최종적으로 구성된 해석 모델은 각 층에서 평면의 이동과 회전을 고려하는 3개의 자유도로만 구성되어 매우 효율적이다.
- 이때 중간층 면진 시스템은 전혀 다른 두 구조 시스템인 벽식 구조물과 골조 구조물의 접합부에 설치하였다. 면진층이 삽입된 주상 복합 구조물의 지진 응답을 검토하기 위해서는 비교적 복잡한 고유치 해석 및 시간 이력 해석이 필요하므로 전단 벽식 구조물과 골조 구조물의 동적 거동을 효과적으로 표현할 수 있는 해석 모델을 적용하였다. 이때 기준층이 반복되는 특성을 이용하여 수퍼 요소 및 부분구조법을 사용하였다.
- 본 연구에서 대상으로 삼고 있는 주상 복합 구조물의 수직 비정형성을 저감시키고 지진 응답을 효과적으로 줄이기 위하여 상부 벽식 구조물과 하부 공조 구조물의 사이에 면진층을 삽입한다. 이러한 중간층 면진 구조물의 경우에는 면진 장치 설치 부분에 수평 이동 및 회전에 대한 자유도만 고려하고 나머지 수직 및 수평 방향 두 자유도를 생략해도 구조물의 전체 거동을 표현하는데 무리가 없다.
- 앞 절에서 제안된 해석 기법을 적용하여 3차원 주상 복합 구조물에 대한 중간층 면진 시스템의 지진 응답 저항 성능을 분석하였다. 예제 구조물의 3차원 투시도를 [Fig.
- 앞서 구한 상부 벽식 구조물을 나타내는 막대 모델과 하부 골조 구조물을 나타내는 막대 모델은 층당 동일한 3개의 자유도를 가지고 있으므로 직접 연결할 수 있지만 본 연구에서는 중간층 면진 시스템의 강성 및 감쇠가 고려되어 연결한다. 각각 구성된 상부 구조물의 강성 행렬 SSU와 하부 구조물의 강성 행렬 SSL에 대하여 [Fig.
- 이때 기준층이 반복되는 특성을 이용하여 수퍼 요소 및 부분구조법을 사용하였다. 역사 지진 하중을 예제 구조물에 가하고 개발된 해석 기법을 적용하여 주상복합 구조물에 적용된 중간층 면진 시스템의 지진 응답 제어 성능을 검토하였다. 수치 해석 결과, 중간층 면진 시스템은 벽식 구조물과 골조 구조물을 분리시켜 수직 비정형성을 완화함으로써 연결된 구조물에 비하여 지진 응답을 효과적으로 저감시킬 수 있었다.
- 이러한 배경을 바탕으로 본 연구에서는 주상 복합 상부의 내력벽 구조물과 하부의 골조 구조물의 동적 특성을 정확하게 표현할 수 있는 단순화 된 응축 모델을 이용한 효율적인 해석 기술을 사용하였다. 이때 수퍼 요소와 부분구조법을 이용하여 구조물을 모형화 하였다. 이러한 해석 기술을 이용하여 주상 복합 건물에 적용된 중간층 면진 시스템의 지진 응답 저감 성능을 검토하였다.
- 이러한 배경을 바탕으로 본 연구에서는 주상 복합 상부의 내력벽 구조물과 하부의 골조 구조물의 동적 특성을 정확하게 표현할 수 있는 단순화 된 응축 모델을 이용한 효율적인 해석 기술을 사용하였다. 이때 수퍼 요소와 부분구조법을 이용하여 구조물을 모형화 하였다.
- 이때 수퍼 요소와 부분구조법을 이용하여 구조물을 모형화 하였다. 이러한 해석 기술을 이용하여 주상 복합 건물에 적용된 중간층 면진 시스템의 지진 응답 저감 성능을 검토하였다.
- 본 예제에 대해서는 Northridge 지진 하중(1994)을 2방향으로 가하여 시간 이력 해석을 수행하였다. 지진 하중에 의한 구조물의 피해를 예측하기 위해서는 층간 변위비를 평가하는 것이 중요하므로 20층 주상 복합 구조물에 대하여 중간층 면진 시스템을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 층간 변위비를 [Table 3]에 비교하였다. 일반적으로 지진 하중에 의한 허용 층간 변위비는 0.
- 중간층 면진 시스템을 주상 복합 구조물에 적용하면 그 외의 모든 층에서 층간 변위비를 줄일 수 있었고 1층의 경우 약 50%까지 대폭 줄일 수 있었다. 지진 하중이 구조물에 작용할 경우 구조물의 안정성과 사용성을 평가할 수 있는 가속도 응답을 검토하기 위하여 [Fig. 15]에 비교 대상 모델의 최상층 가속도 응답 시간 이력을 장변 방향에 대하여 비교하였다. 그림에서 확인할 수 있듯이 중간층 면진 시스템을 적용하면 상부 벽식 구조물의 전반적인 가속도 응답을 대폭 줄일 수 있었다.
대상 데이터
- 14]에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 예제 구조물은 총 20층 건물로서 5층의 하부 골조 구조물과 15층의 상부 벽식 구조물로 구성되어 있다.
- 중간층 면진 시스템은 5층과 6층 사이 구조 시스템이 변하는 부분에 설치된다. 중간층 면진 시스템을 구성하기 위해 사용한 LRB의 특성치를 [Table 2]에 나타내었으며 총 30개를 면진층에 설치하였다. 본 예제에 대해서는 Northridge 지진 하중(1994)을 2방향으로 가하여 시간 이력 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 간단한 2차원 주상 복합 구조물에 대한 중간층 면진 시스템의 효용성을 검증한 후 더 큰 규모의 3차원 주상 복합 구조물에 대한 평가를 수행하였다. 첫 번째 해석 모델은 [Fig. 11]에 나타낸 바와 같이 전체 14층 건물로서 4층의 하부 골조 구조물과 10층의 상부 벽식 구조물로 구성되어 있으며 그 사이에 면진층이 삽입되었다.
이론/모형
- 본 연구에서는 주상 복합 건물의 하부 구조물인 골조 부분을 모형화하기 위해서 일반적인 보 요소를 사용하여 기둥과 보 부재를 모형화한다. 그 후 슬래브 효과를 강막 가정을 통해서 고려하고 각 절 점의 수직 방향 이동 자유도와 수평 방향의 두 회전 자유도는 행렬 응축 기법을 이용해서 소거한다. 이러한 과정을 거치면 [Fig.
- 중간층 면진 시스템을 구성하기 위해 사용한 LRB의 특성치를 [Table 2]에 나타내었으며 총 30개를 면진층에 설치하였다. 본 예제에 대해서는 Northridge 지진 하중(1994)을 2방향으로 가하여 시간 이력 해석을 수행하였다. 지진 하중에 의한 구조물의 피해를 예측하기 위해서는 층간 변위비를 평가하는 것이 중요하므로 20층 주상 복합 구조물에 대하여 중간층 면진 시스템을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 층간 변위비를 [Table 3]에 비교하였다.
- 면진층이 삽입된 주상 복합 구조물의 지진 응답을 검토하기 위해서는 비교적 복잡한 고유치 해석 및 시간 이력 해석이 필요하므로 전단 벽식 구조물과 골조 구조물의 동적 거동을 효과적으로 표현할 수 있는 해석 모델을 적용하였다. 이때 기준층이 반복되는 특성을 이용하여 수퍼 요소 및 부분구조법을 사용하였다. 역사 지진 하중을 예제 구조물에 가하고 개발된 해석 기법을 적용하여 주상복합 구조물에 적용된 중간층 면진 시스템의 지진 응답 제어 성능을 검토하였다.
성능/효과
- 그림에서 중간층 면진 시스템이 적용된 구조물의 최대 층간 변위를 살펴보면 구조물의 하부와 상부 모두 최대 층간 변위가 면진 시스템이 적용되지 않은 밑면 고정 구조물에 비하여 크게 줄어든 것을 확인할 수 있다. 면진 장치의 전단 변형율은 기초 면진 시스템을 적용한 경우와 중간층 면진 시스템을 적용한 경우가 각각 31%와 30%로 나타났다. 절대 가속도의 경우 하부 구조물에서는 큰 감소가 없었으나 상부 구조물에서는 기초 면진 시스템을 적용한 경우 이상의 수준으로 응답이 감소하였다.
- 역사 지진 하중을 예제 구조물에 가하고 개발된 해석 기법을 적용하여 주상복합 구조물에 적용된 중간층 면진 시스템의 지진 응답 제어 성능을 검토하였다. 수치 해석 결과, 중간층 면진 시스템은 벽식 구조물과 골조 구조물을 분리시켜 수직 비정형성을 완화함으로써 연결된 구조물에 비하여 지진 응답을 효과적으로 저감시킬 수 있었다. 중간층 면진 시스템을 통해서 지진 하중에 의한 구조물의 피해에 직접적인 영향을 미치는 층간 변위비와 층 전단력 뿐만 아니라 사용성과 안정성에 영향을 미치는 가속도 응답도 매우 효과적으로 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 절대 가속도의 경우 하부 구조물에서는 큰 감소가 없었으나 상부 구조물에서는 기초 면진 시스템을 적용한 경우 이상의 수준으로 응답이 감소하였다. 예제 구조물의 층 전단력 또한 면진 장치를 사용하지 않은 경우에 비하여 큰 폭으로 감소하였고 밑면 전단력은 지반 고정 구조물에 비하여 52%로 줄어들었다.
- 특히 가장 큰 층간 변위비가 나타나는 5층의 값을 비교해보면 중간층 면진 시스템을 사용함으로써 약 32%의 응답을 저감 시킬 수 있었다. 중간층 면진 시스템을 주상 복합 구조물에 적용하면 그 외의 모든 층에서 층간 변위비를 줄일 수 있었고 1층의 경우 약 50%까지 대폭 줄일 수 있었다. 지진 하중이 구조물에 작용할 경우 구조물의 안정성과 사용성을 평가할 수 있는 가속도 응답을 검토하기 위하여 [Fig.
- 수치 해석 결과, 중간층 면진 시스템은 벽식 구조물과 골조 구조물을 분리시켜 수직 비정형성을 완화함으로써 연결된 구조물에 비하여 지진 응답을 효과적으로 저감시킬 수 있었다. 중간층 면진 시스템을 통해서 지진 하중에 의한 구조물의 피해에 직접적인 영향을 미치는 층간 변위비와 층 전단력 뿐만 아니라 사용성과 안정성에 영향을 미치는 가속도 응답도 매우 효과적으로 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 검토한 예제 구조물 및 면진 장치만으로는 일반화된 평가를 내리기가 어렵기 때문에 추후 다양한 예제 구조물 및 중간층 면진 시스템에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
- 58m/s2으로 나타났다. 즉 주상 복합 구조물에 중간층 면진 시스템을 적용하여 상부 벽식 구조물의 최대 가속도를 70% 이상 줄일 수 있었다.
- 그림에서 확인할 수 있듯이 중간층 면진 시스템을 적용하면 상부 벽식 구조물의 전반적인 가속도 응답을 대폭 줄일 수 있었다. 최대 가속도 응답은 중간층 면진 시스템을 적용하지 않은 경우와 적용한 경우에 각각 5.41m/s2과 1.58m/s2으로 나타났다. 즉 주상 복합 구조물에 중간층 면진 시스템을 적용하여 상부 벽식 구조물의 최대 가속도를 70% 이상 줄일 수 있었다.
- 10]과 같이 면진 장치의 자유도에 해당하는 부분에 면진 장치의 강성 행렬 SI를 조합하여 전체 구조물의 강성 행렬을 구성한다. 최종적으로 구성된 해석 모델은 각 층에서 평면의 이동과 회전을 고려하는 3개의 자유도로만 구성되어 매우 효율적이다.
- 중간층 면진 시스템을 적용한 경우에는 전 층에 걸쳐서 허용 층간 변위비 이하로 나타나는 것을 알 수 있다. 특히 가장 큰 층간 변위비가 나타나는 5층의 값을 비교해보면 중간층 면진 시스템을 사용함으로써 약 32%의 응답을 저감 시킬 수 있었다. 중간층 면진 시스템을 주상 복합 구조물에 적용하면 그 외의 모든 층에서 층간 변위비를 줄일 수 있었고 1층의 경우 약 50%까지 대폭 줄일 수 있었다.
후속연구
- . 따라서 고층의 주상 복합 빌딩 구조물에 중간층 면진 시스템이 적용된다면 하부의 상가 골조부와 상부의 주거용 내력벽 구조 시스템이 만나는 위치에 설치하여 상이한 두 구조 시스템을 격리시킴으로써 수직 비정형성을 저감시키는 것이 바람직할 것이다. 수직 비정형 건물에 중간층 면진 시스템이 적용될 때 발생하는 구조물의 다양한 동적 특성을 정밀하게 분석하고 중간층 면진 시스템과 수직 비정형 구조물의 상호 작용을 고려한 최적 설계를 수행하기 위해서는 효율적인 해석 기술의 개발과 성능 분석이 필요하다.
- 중간층 면진 시스템을 통해서 지진 하중에 의한 구조물의 피해에 직접적인 영향을 미치는 층간 변위비와 층 전단력 뿐만 아니라 사용성과 안정성에 영향을 미치는 가속도 응답도 매우 효과적으로 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 검토한 예제 구조물 및 면진 장치만으로는 일반화된 평가를 내리기가 어렵기 때문에 추후 다양한 예제 구조물 및 중간층 면진 시스템에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
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