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문제 정의
- 특성을 분석하였다. 또한 Twisted 형상 구조물의 평면 회전 각도에 따라 역학적인 특성을 비교 분석하여 내진구조시스템 계획 시 핵심설계변수 선정을 위한 기초자료로 제시하는데 목적을 두고자 한다.
- 본 연구에서는 정형 구조물과 평면이 일정한 각도로 회전하는 Twisted 형상 구조물에 대해 중력하중과 횡하중(등가정적 지진하중)을 조합하여 정역학적인 구조특성을 비교 분석하였다. 또한 Twisted 형상 구조물의 평면회전 각도를 변수로 하여 역학적 특성을 비교 분석한 결론은 아래와 같다.
제안 방법
- 기준 층평면과 동일한 평면이 되는 구조물, 즉 <Fig. 6>과 같이 총 평면 회전 각도가 90, 180가 되는 평면에 해당되는 위치인 ‘2.0 Deg’ 해석모델의 46층과 ‘3.0 Deg’ 해석모델의 31층 및 Roof 층의 16개 절점에 45kN, 그리고 이를 제외한 한 층당 평면 회전 각도를 가지는 평면의 24개 절점에 30kN을 재하하였다.
- Fixed 해석모델과 평면 회전 각도별 3가지 해석모델을 정적해석을 통해 층별 기등의 축력과 모멘트를 분석 하였으며, 층별 모멘트 및 축력 값은 각각 층별 축력의 합과 모멘트를 부담하는 기등을 선정하여 분석하였다.
- 각 해석모델의 편심은 정형 구조물에서 일반적으로 고려된 우발편심효과를 고려하여 각 층의 질량중심점에 5%를 가산하여 우발편심을 고려하였다.
- 따라서 본 연구에서는 비정형성을 지닌 자유 형상 구조물 중 Twisted 형상의 구조물과 정형 구조물에 중력하중 및 지진하중을 조합하여 정역학적 해석을 통해 구조적인 특성을 분석하였다. 또한 Twisted 형상 구조물의 평면 회전 각도에 따라 역학적인 특성을 비교 분석하여 내진구조시스템 계획 시 핵심설계변수 선정을 위한 기초자료로 제시하는데 목적을 두고자 한다.
- 본 연구에서는 정형 구조물과 Twisted 형상 구조물의 정역학적 구조 거동의 비교와 평면 회전 각도를 변수로 한 Twisted 형상 구조물의 역학적 특성을 비교하기 위해 상용 해석 프로그램인 Midas Gen ver 881.을 사용하여 해석모델을 모델링하였다. 사용된 해석모델은 60층 규모의 구조물로 기준층부터 최상층까지 평면 형상이 동일한 정형 구조물과 중앙부에 코어 벽체를 두고 외부의 기울어진 기등과 보를 연결한 Twisted 형상의 구조물을 해석모델로 선정하였다.
- 이에 따른 Fixed 모델의 일반사항은 과 같으며, 1.0 Deg, 2.0 Deg, 3.0 Deg 모델 또한 Fixed 모델의 일반사항과 동일하게 적용하여 평면 회전 각도만 달리하였다.
대상 데이터
- 을 사용하여 해석모델을 모델링하였다. 사용된 해석모델은 60층 규모의 구조물로 기준층부터 최상층까지 평면 형상이 동일한 정형 구조물과 중앙부에 코어 벽체를 두고 외부의 기울어진 기등과 보를 연결한 Twisted 형상의 구조물을 해석모델로 선정하였다. 각 해석모델의 명칭은 정형 구조물의 경우 ‘Fixed’, 한 층당 평면 회전 각도가 1.
- 11>은 Twisted 형상의 해석모델과 Fixed 모델의 Case 1 및 Case 2 하중조합에 대한 층별 휨모멘트를 나타낸 그래프이다. 휨모멘트는 각 층 12개 기둥 부재 중 최대 휨모멘트를 부담하는 기둥 부재의 로컬 좌표계(Local axis)의 X방향 휨모멘트(Mx)와 Y 방향 휨모멘트(My)를 층별로 선정하였다. 이를 보정하기 위해서 두 축의 모멘트를 각각 제곱하여 합산 후 제곱근하여 구하는 제곱합제곱근법(SRSS : Square Root of Sum of Square)을 적용하였다.
이론/모형
- 8>은 해석모델의 층별 층간변형률을 나타낸 그래프이다. Fixed 모델과 Twisted 형상 해석모델의 층간변형률은 Case 1과 2의 하중조합을 통해 산정된 층간변위에 변위증폭계수()와 중요도계수()를 적용하여 산출하였으며, 허용 층간변형률은 현행 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00 : 2019)10)에 따라 ‘0.015’ 로 제한하였다.
- 모든 해석모델에 적용된 등가정적 지진하중 (Equivalent earthquake load)은 현행 건축물 내진 설계기준(KDS 41 17 00 : 2019)10)을 적용하여 과 같이 중요도 1의 건축물로 지진구역 1의 지역계수를 적용하여 지진하중을 산정하였다.
- 휨모멘트는 각 층 12개 기둥 부재 중 최대 휨모멘트를 부담하는 기둥 부재의 로컬 좌표계(Local axis)의 X방향 휨모멘트(Mx)와 Y 방향 휨모멘트(My)를 층별로 선정하였다. 이를 보정하기 위해서 두 축의 모멘트를 각각 제곱하여 합산 후 제곱근하여 구하는 제곱합제곱근법(SRSS : Square Root of Sum of Square)을 적용하였다.
- 이에 적용된 하중조합은 건축구조기준(KDS 41 10 15 : 2019)10)의 강도설계법에 의한 하중조합을 참고하여 등가 정적 지진하중과 고정하중의 설계하중조합을 와 같이 나타내었다.
성능/효과
- 1) 하중조합에 따른 정형 예제 구조물과 Twisted 형상 구조물의 층간변형률을 비교한 결과, 정형 구조물에 비해 Twisted 형상 구조물의 층간변형률이 더 높게 나타났으며, 평면의 회전 각도가 증가될수록 층간 변형률이 증가하는 양상이 나타났다. 이는 평면 회전 각도가 증가할수록 층별 기등의 경사 각도가 증가하여 횡 강성이 감소한 것으로 판단된다.
- 2) 수평 방향 등가정적 지진하중(EX, EY)을 기준으로 강심과 중량의 중심을 산정하고 4개 해석모델의 편심율을 산출하여 비교한 결과, Twisted 해석모델 중 편심율이 가장 큰 해석모델은 1.0 Deg 모델로 정형 구조물보다 최대 편심율이 약 1.29배 크게 나타났다. 전체 해석모델에서 가장 큰 편심율을 가진 층은 하부 층, 그다음 Roof 층의 인접 층으로 나타났다.
- 3) 하중조합에 따른 해석모델의 기둥 휨모멘트를 SRSS 법으로 산정하여 비교 분석한 결과, Roof 층과 최하부층에서 기등의 휨모멘트가 크게 나타났으며, 층당평면의 회전 각도가 커질수록 Twisted 형상 구조물 기둥의 휨모멘트와 정형 구조물 기등의 휨모멘트의 차이가 크지 않았다.
- 4) Twisted 구조물의 경우 최하부층과 동일하게 정형형태의 평면을 가지는 층의 기둥 휨모멘트가 다른 층에비해 크게 나타났다. 이는 정형 형태의 평면을 가지는 층강성이 상대적으로 크기 때문에 휨모멘트가 집중된것으로 판단된다.
- 5) Twisted 형상 구조해석모델에서 각 층 수직재의 축력 합은 평면 회전 각도가 커질수록 증가하였지만, 각층 수직재 축력 합의 수치는 미소하였다. 이를 통해 평면 회전 각도를 증가시켜 기등이 일정 각도 이상으로 경사질 경우 각 층 수직재의 축력 합이 크게 나타날 것으로 예상되며, 평면의 회전 각도를 증가시킨 구조물의 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- Case 1과 Case 2 하중조합 모두 정형 구조물에 비해 Twisted 형상 구조물의 층간변형률이 더 높게 나타났으며, 평면의 회전 각도가 증가될수록 층간변형률이 증가하는 양상이 나타났다. 허용층간변형률은 Case 1과 Case 2에서 모두 Fixed 모델을 제외한 Twisted 형상 구조물 모델에서 건축구조 기준의 허용층간변형률인 0.
- Case 2 하중조합의 경우 기등의 층별 휨모멘트는 해석모델 모두 편심율이 크게 나타난 최하부층(Ground floor)과 Roof 층에서 크게 나타났으며, 평면이 정형 형태인 최하부층과 동일한 평면을 가진 층의 휨모멘트 또한 현저히 크게 나타났다. 이는 정형 형태의 평면을 가지는 층은 다른 층에 비해 상대적으로 횡 강성이 크므로 휨모멘트가 해당 층에 집중된 것으로 판단된다.
- 따라서 해당 층의 수직재 축력을 합산하였을 때 각 기등이 분담하는 축력이 상쇄되므로 축력 합이 0에 가깝게 나타났다. Twisted 형상 구조해석모델은 정형 구조물과 달리 평면 회전 각도가 커질수록 각 층 수직재의 축력 합이 증가하는 양상이 나타났다. 기등이 경사진 각도를 가져 각 층의 축력합이 정형 구조물보다 클 것으로 예상되었지만 그 수치는 미소하였다.
- X방향으로 등가정적 지진하중을 가력한 Case 1의경우 정형 구조물과 Twisted 형상 구조물 모두 Roof 층에서 최대 휨모멘트가 나타났다. 특히 Roof 층은 정형구조물에 비해 편심율이 크게 나타난 Twisted 형상 구조물의 휨모멘트가 크게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
- 이는 정형 형태의 평면을 가지는 층은 다른 층에 비해 상대적으로 횡 강성이 크므로 휨모멘트가 해당 층에 집중된 것으로 판단된다. 또한 Twisted 구조물의 회전 각도별 기등의 휨모멘트 양상을 살펴보았을 때 Case 1과 마찬가지로 층당 회전 각도가 커질수록 Fixed 모델 기등의 휨모멘트와 차이가 감소하였으며, 3.0 Deg 모델에서는 Fixed 모델보다 휨모멘트가 작게 발생되는 층이 나타났다.
- 29배 크게 나타났다. 또한 전체 해석 모두 2층을 포함한 하부층과 Roof 층의 인접 층에서 편심율이 가장 크게 나타났다. 이는 층당 평면 회전 각도가 작을수록 해당 층의 수직부재에서 과도한 변형 및 수평 방향의 전단력에 따른 모멘트가 크게 발생될 것으로 판단된다.
- 29배 크게 나타났다. 전체 해석모델에서 가장 큰 편심율을 가진 층은 하부 층, 그다음 Roof 층의 인접 층으로 나타났다. Twisted 형상 해석모델은 평면 회전 각도가 증가할수록 편심율이 크고, 높은 편심율을 가지는 범위가 증가하는 양상이 나타나므로 층당 평면 회전 각도가 작을수록 해당 층 수직부재의 과도한 변형 및 수평 방향의 전단력에 따른 모멘트를 받는 범위가 증가한 것으로 판단된다.
- 0 Deg 해석모델의 경우 기준 평면과 동일한 평면을 가지는 층의 기둥 휨모멘트가 크게 나타났다. 층의 회전 각도별 Twisted 형상 구조물과 정형 구조물 기등의 휨모멘트 양상과 비교하였을 때 1.0 Deg 및 2.0 Deg 모델은 Fixed 모델에 비해 전반적으로 휨모멘트가 크게 나타났지만, 3.0 Deg 모델의 경우 Fixed 모델보다 휨모멘트가 작게 발생하는 층이 나타났다.
- 최대 휨모멘트가 나타났다. 특히 Roof 층은 정형구조물에 비해 편심율이 크게 나타난 Twisted 형상 구조물의 휨모멘트가 크게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
- 9>와 같이 나타내었다. 해석 결과, Twisted 해석모델 중 1.0 Deg 모델의 편심율이 가장 크고, 최대 편심율은 정형 구조물 대비 약 1.29배 크게 나타났다. 또한 전체 해석 모두 2층을 포함한 하부층과 Roof 층의 인접 층에서 편심율이 가장 크게 나타났다.
후속연구
- 수직재 축력 합의 수치는 미소하였다. 이를 통해 평면 회전 각도를 증가시켜 기등이 일정 각도 이상으로 경사질 경우 각 층 수직재의 축력 합이 크게 나타날 것으로 예상되며, 평면의 회전 각도를 증가시킨 구조물의 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 추후 Twisted 형상 구조물에서 구조적 요소 혹은 형태적 요소에 대한 변수를 다양하게 적용하여 Twisted 형상 구조물의 동적특성에 대한 연구를 진행할 예정이다.
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