[논문]대칭 평면형 건물에서의 코어위치에 따른 구조거동 분석

김정래; 김재요

doi:10.11112/jksmi.2020.24.1.116

대칭 평면형 건물에서의 코어위치에 따른 구조거동 분석
Analyses of Structural Behaviors According to Core Location in the Building with Symmetric Plan 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.1, 2020년, pp.116 - 124

김정래 (광운대학교 건축공학과) , 김재요 (광운대학교 건축공학과)

초록
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코어 위치변화에 따른 횡력저항성능 분석을 위하여, 대칭 평면형 20층 건물을 대상으로 3차원 구조해석을 수행하였다. 중심 코어, 1축 편심 코어, 2축 편심 코어로 구분하여 4가지 해석모델을 구성하고, 고유치해석, 풍하중 해석, 지진하중 해석을 수행하였다. 중심 코어 건물에서는 비틀림이 발생하지 않았으나, 편심 코어의 배치에 따라 휨과 비틀림이 복합적으로 발생하였으며 횡력저항성능이 저하되었다. 코어의 편심 배치에 따른 풍하중 크기의 변화는 작으나, 최대 횡변위는 코어의 편심 배치에 의하여 크게 증가하는 것으로 확인되었다. 또한, 편심 코어의 경우 횡방향 강성의 저하로 인하여 중심 코어에 비해 지진하중이 다소 감소하였으나, 비틀림의 영향으로 최대 층간변위비는 크게 증가하는 것으로 확인되었다. 이러한 결과들을 바탕으로 코어의 위치에 따른 구조거동을 확인하고, 계획 및 설계 단계에서 코어 배치의 가이드라인으로 활용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to analyze the lateral-load resisting capability according to the core locations, three-dimensional structural analyses were performed for 20-story buildings with symmetric plan. Four analytical models for a center core, a single-axial eccentric core, and a double-axial eccentric core were constructed, and eigenvalue analyses, wind-load analyses, and earthquake-load analyses were performed. Torsion did not occur in the central core building, but the bending and torsion occurred in combination with the arrangement of the eccentric core, and the lateral-load resisting capability was degraded. The change in the wind load according to the eccentric core was small, but the maximum lateral displacement was found to increase greatly by the eccentric arrangement of the core. In addition, in case of the eccentric core, the seismic load was slightly reduced compared to the center core due to the decrease in the lateral stiffness, but it was found that the maximum story drift ratio increased significantly due to the torsional effect. Based on these results, the structural behavior according to the position of the core can be clearified and used as a guideline for core locations in the planning and design stage.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Torsions by lateral loads
그림 Fig. 2 Analytical models with different core locations
표 Table 1 Design floor loads
표 Table 2 Wind and earthquake load conditions
그림 Fig. 3 Mode shapes according to core locations
표 Table 3 Result summary of eigenvalue analysis
그림 Fig. 4 Comparisons of wind load : X-direction
그림 Fig. 5 Comparisons of wind load : Y-direction
표 Table 4 Maximum lateral displacement by wind load
그림 Fig. 6 Deformed shapes by X-directional wind load
그림 Fig. 7 Deformed shapes by Y-directional wind load
그림 Fig. 8 Comparisons of earthquake load : X-direction
그림 Fig. 9 Comparisons of earthquake load : Y-direction
그림 Fig. 10 Story drift ratio by earthquake load

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 코어 위치변화에 따른 횡력저항 구조성능분석을 위한 3차원 구조해석을 수행하였다. 특히, 평면 형상이나 구조 부재의 배치의 영향을 배제하고 코어 위치의 영향만을 고려하기 위하여 대칭형 평면의 건물을 대상으로 하였다.

가설 설정

5m이다. 지진하중 및 풍하중 산정을 위하여, 건축물에 위치는 서울특별시에 위치하는 것으로 가정하였으며 용도는 복합 건물이다. 중심 코어, XY축 편심 코어, Y축 편심 코어, X축 편심 코어로 네 개의 해석모델을 구성하였는데, ‘중심 코어’의 경우 평면 중심에 RC 전단벽 구조의 코어가 위치하고 있어(Fig.
지진하중의 경우 유효지반가속도는 국가지진위험지도를 활용하여 0.176g를 적용하였고, 지반조건은 S_c로 가정하였다. 지진력저항시스템은 중간 모멘트골조를 가진 이중골조시스템의 철근콘크리트 보통전단 벽으로 반응수정계수 5.
풍하중은 위치를 서울로 하고 기본 풍속을 반영하였고 지표면 조도구분은 중층건물(4~9) 층이 산재해 있는 지역으로 가정하여 B를 적용하였다. 5층 이상의 복합용도의 건축물이므로 중요도 계수는 1.

제안 방법

고유치 해석결과를 통하여 코어 위치에 따른 횡력저항성능을 검토한다. 1차주기 값이 클수록 보다 유연한 구조물이고, 1차주기 값이 작을수록 횡력저항성능이 높은 구조물로 평가할수 있다.
본 연구에서는 대칭 평면형 건축물을 대상으로 코어의 위치에 따른 구조거동 분석을 수행하기 위해 Fig. 2와 같은 해석 모델들을 구성하였다. 코어를 제외한 구조부재가 양 방향으로 완전히 대칭됨으로써, 코어 위치의 편심에 의한 영향만을 반영하고, 평면형상 및 보-기둥 부재의 편심이 발생하지 않도록 예제 모델이 구성되었다.
설계 하중으로 고정하중, 활 하중, 풍하중, 지진하중을 적용하였다. 특정 용도에 한정되지 않도록 다양한 용도들을 혼합한 복합용도로 가정하여, Table 1과 같이 다양한 용도별로 적절한 고정하중과 활하중을 적용하였다.
일반적으로 구조적인 안정성 및 성능 면에서 우수하다고 판단되는 중심 코어 건축물과 코어 위치변화로 설정된 편심 코어 건축물을 대상으로 고유치 해석을 통한 골조의 횡력저항성능을 분석하고 횡하중의 작용에 따른 변형 성능 등을 분석한다. 이를 위하여, 대칭 평면형 20층 규모의 복합 용도 건축물을 대상으로, 코어 위치의 변화에 따른 3차원 해석모델을 구성하고, 지진하중 및 횡하중의 작용 결과를 비교하여 분석한다.
이상과 같이, 코어 위치에 따른 3차원 구조해석 결과를 바탕으로, 고유치 해석 결과에 따른 횡력저항성능의 분석, 풍하중 크기 및 최대 횡변위 분석, 지진하중 크기 및 층간변위비 분석 등이 수행되었다. 이를 바탕으로 코어의 위치에 따른 구조 거동을 확인하고, 계획 및 설계 단계에서 강축 및 약축 방향 별 코어 편심 영향을 고려하여 중심으로부터의 편심 거리를 고려하는 등의 코어 배치의 가이드라인으로 활용할 수 있다.
일반적으로 구조적인 안정성 및 성능 면에서 우수하다고 판단되는 중심 코어 건축물과 코어 위치변화로 설정된 편심 코어 건축물을 대상으로 고유치 해석을 통한 골조의 횡력저항성능을 분석하고 횡하중의 작용에 따른 변형 성능 등을 분석한다. 이를 위하여, 대칭 평면형 20층 규모의 복합 용도 건축물을 대상으로, 코어 위치의 변화에 따른 3차원 해석모델을 구성하고, 지진하중 및 횡하중의 작용 결과를 비교하여 분석한다.
3은 코어 위치에 따른 1차 모드와 2차 모드에 대한 모드 형상을 제시하고 있다. 전체적으로 1차 모드를 통해 전체 좌표계 X축 방향 진동 상태 성분을, 2차 모드를 통해 전체 좌표계 Y축 방향 진동 모드 성분을 확인하였다. 즉, X축 방향이 가장 취약한 약축방향 성분이며, Y축 방향이 강축방향 성분 이라는 것이 확인되었다.
176g를 적용하였고, 지반조건은 S_c로 가정하였다. 지진력저항시스템은 중간 모멘트골조를 가진 이중골조시스템의 철근콘크리트 보통전단 벽으로 반응수정계수 5.5를 적용하였으며, 지진하중 산정을 위한 가정조건들은 Table 2에 제시된 바와 같다.
설계 하중으로 고정하중, 활 하중, 풍하중, 지진하중을 적용하였다. 특정 용도에 한정되지 않도록 다양한 용도들을 혼합한 복합용도로 가정하여, Table 1과 같이 다양한 용도별로 적절한 고정하중과 활하중을 적용하였다.

대상 데이터

각 해석 모델은 범용구조해석 프로그램인 MIDAS-GEN을 이용해 구조성능이 해석되었다. 구조해석모델에서, 코어 벽체는 RC 전단벽으로 Wall 요소가 적용되었고 기둥/보의 경우는 강재로서 Beam 요소가 적용되었다.
본 연구에서는 코어 위치변화에 따른 횡력저항 구조성능분석을 위한 3차원 구조해석을 수행하였다. 특히, 평면 형상이나 구조 부재의 배치의 영향을 배제하고 코어 위치의 영향만을 고려하기 위하여 대칭형 평면의 건물을 대상으로 하였다. 중심 코어, 1축 편심 코어, 2축 편심 코어를 갖는 20층 규모의 건물에 대한 구조해석의 주요 결과는 다음과 같다.
해당 해석 모델의 기준층 평면의 크기는 28.7m × 21.9m이며, 20층 규모로서 각 층의 높이는 3.5m이다.

데이터처리

각 해석 모델은 범용구조해석 프로그램인 MIDAS-GEN을 이용해 구조성능이 해석되었다. 구조해석모델에서, 코어 벽체는 RC 전단벽으로 Wall 요소가 적용되었고 기둥/보의 경우는 강재로서 Beam 요소가 적용되었다.

이론/모형

8 & 9). 고유주기, 모드형상벡터, 질량참여계수, 모드 질량 등과 같은 건축물의 구조거동 특성을 반영하기 위하여, 응답스펙트럼해석법을 적용하여 지진하중을 적용하였다.

성능/효과

1) 질량 중심과 강성 중심이 일치하는 중심 코어형의 기본모드에서는 비틀림이 발생하지 않았으나, 편심 코어의 배치에 따라 기본 모드에서 휨과 비틀림이 복합적으로
발생하였다.
고유치 해석결과를 통하여 코어 위치에 따른 횡력저항성능을 검토한다. 1차주기 값이 클수록 보다 유연한 구조물이고, 1차주기 값이 작을수록 횡력저항성능이 높은 구조물로 평가할수 있다. 또한, 고유형상을 통하여, 횡력저항시스템의 약축/강축 방향을 판별하거나 횡력저항성능의 수직 분포를 분석할수 있다(Kang et al.
2) 동일한 조건에서 편심 코어가 배치된 건물은 중심 코어가 배치된 건물에 비하여 각 방향 횡력저항성능이 떨어졌다. 특히, 코어의 편심 정도에 따라 횡력저항성능 저하에 미치는 영향이 크므로, 필요한 경우 편심 완화 및 대칭형 코어 배치 등의 적절한 조치가 필요하다.
2c에서 보는 바와 같이, X축 방향으로의 코어 편심은 중심으로부터의 편심거리가 크지 않아 Y축 방향 횡력저항성 능에 미치는 영향이 상대적으로 적었다. 2차 모드의 질량 참여율에 대해서 중심 코어 및 X축 편심 코어는 Y축 방향(D_y)으 로만 질량 참여율이 나타난 데 비해, XY축 편심 코어에서는 X축 방향(D_x)에 대한 질량 참여율이 14.1%, 비틀림(R_z)에 대한 질량참여율이 7.3%가 함께 나타났으며, Y축 편심 코어에 서는 비틀림(R_z)에 대한 질량 참여율 13.7%가 함께 나타났다. 특히, Y축 방향의 코어 편심에 의한 비틀림으로 발현된 질량 참여율이 크게 증가하였음을 확인되었는데, 이는 Y축 방향으로의 코어의 편심이 X축 방향에 비해서 월등하게 크다는 것 을 의미한다.
3) 코어의 편심 배치에 따른 풍하중 크기의 변화는 작으나,최대 횡변위는 코어의 편심 배치에 의하여 크게 증가하였다.
4) 편심 코어의 경우 횡강성의 저하로 인하여 중심 코어에 비해 지진하중이 다소 감소하였다. 그러나, 비틀림의 영향으로 최대 층간변위비는 크게 증가하는 것으로 확인
4) 편심 코어의 경우 횡강성의 저하로 인하여 중심 코어에 비해 지진하중이 다소 감소하였다. 그러나, 비틀림의 영향으로 최대 층간변위비는 크게 증가하는 것으로 확인
되었다.
Table 3은 1차 및 2차 모드에 대한 고유주기와 질량참여율을 요약한 결과이다. 약축방향의 기본주기인 1차 주기는 중심 코어가 주기 2.35초(100%)로 가장 짧았고, X축 편심 코어 (2.51초, 107%), Y축 편심 코어(2.53초, 108%), XY축 편심 코어(2.71초, 115%)의 순서로 주기가 증가하였다. X축 방향으로 코어가 편심배치된 X축 편심 코어에서 X축 방향에 대한 횡력저항성능이 감소되었을 뿐만 아니라, Y축 방향으로 코어가 편심배치된 Y축 편심 코어에서도 X축 방향에 대한 횡력저항성능이 크게 저하되었다.
8 & 9는 각 방향별로 지진하중을 보여주고 있다. 중심 코어에서 지진하중이 가장 크게 작용하였으며, 코어가 편심 배치된 경우 X축 방향 혹은 Y축 방향으로의 횡력저항 강성이 감소함으로써 지진하중이 다소 감소하는 것으로 나타났다. 그러나, 비틀림에 의하여 동일 층에서도 각 방향별 변위가 일정하지 않고 부분적으로 횡변위가 크게 증가하는 현상이 발생하면서(Figs.
전체적으로 1차 모드를 통해 전체 좌표계 X축 방향 진동 상태 성분을, 2차 모드를 통해 전체 좌표계 Y축 방향 진동 모드 성분을 확인하였다. 즉, X축 방향이 가장 취약한 약축방향 성분이며, Y축 방향이 강축방향 성분 이라는 것이 확인되었다. 양 방향으로 형상 및 구조 부재의 배치가 완전히 대칭인 중심 코어의 경우, 1차 및 2차 모드에서 비틀림이 발생하지 않고 순수하게 X축 및 Y축 방향 휨만이 발생하였다.
2d와 같이, Y축 편심 코어의 경우 중심으로부터 코어의 어긋남이 매우 크게 배치되었으며, X축 방향으로의 횡력저항에 대한 효율성도 크게 저하된 것이다. 질량 참여율에 대해서는 중심 코어와 Y축 편심 코어는 1차 모드에 대해서 X축 방향(D_x)으로만 질량 참여율이 나타났으나, XY축 편심 코어에서는 Y축 방향(D_y)에 대한 질량 참여율이 13.2%, 비틀림(R_z)에 대한 질량참여율이 4.8%가 함께 나타났으며, X축 편심 코어에서는 비틀림(R_z)에 대한 질 량 참여율 5.0%가 함께 나타났다. 이는 Fig.
10a & c), 각 방향으로 코어가 편심 배치된 경우 층간변위비가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 코어의 편심 배치가 보다 극단적인 Y축 방향에 대해서 편심 코어에서의 층간변위비 증가가 확연하게 나타났다.
9mm)의 순서로 나타났다. 특히, 코어의 편심 배치가 보다 극단적인 Y축 방향에 대해서는 중심 코어 배치에 비하여 편심 코어 배치된 경우의 최대 횡변위가 거의 2배 정도로 증가하였다.
포항지진을 통해 필로티 구조의 건물들의 피해에서 비틀림에 의한 영향이 크다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 비틀림이 건물에 미치는 구조적 영향은 예견되던 사항이었으며, 건축구조기준(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2019)을 통하여 비틀림에 대한 영향을 구조설계 과정에서 고려하도록 정하고 있다.

후속연구

이를 바탕으로 코어의 위치에 따른 구조 거동을 확인하고, 계획 및 설계 단계에서 강축 및 약축 방향 별 코어 편심 영향을 고려하여 중심으로부터의 편심 거리를 고려하는 등의 코어 배치의 가이드라인으로 활용할 수 있다. 또 한, 다양한 구조형식 및 평면형태를 대상으로 코어의 편심위치에 따른 횡력저항성능 분석을 진행함으로써, 보다 다양하고 정략적인 설계 가이드라인을 제시할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	설계 하중에는 무엇이 있는가?	설계 하중으로 고정하중, 활 하중, 풍하중, 지진하중을 적용하였다. 특정 용도에 한정되지 않도록 다양한 용도들을 혼합한 복합용도로 가정하여, Table 1과 같이 다양한 용도별로 적절한 고정하중과 활하중을 적용하였다.
	여러 단점에도 불구하고 편심 코어 건축물을 설계하는 이유는?	편심 코어 건축물은 횡력에 의하여 구조물에 부가적인 비틀림이 유발되고 그로 인해 특정 부재에 응력이 집중되어 취성적 파괴를 유발할 수 있으며 부재력을 증가시켜 경제적인 설계를 어렵게 하는 단점이 있다. 그러나 동선이나 평면 구성과 같은 평면 효율성 극대화를 위한 건축계획적인 이유로 비틀림 거동을 하는 편심 구조물이 빈번하게 설계된다(Park etal., 2013).
	건물에서 비틀림이 발생하는 이유는 무엇인가?	건물에서 비틀림은 하중의 작용점과 회전 중심간의 거리 차이에 의하여 발생하며, 거리가 증가할수록 비틀림이 증가하게 된다. 일반적으로 풍하중은 수압면적의 중심, 즉 평면의 기하학적 중심에 작용하고, 지진하중은 질량 중심에 작용한다.

참고문헌 (8)

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Kang, S.H., Hong, S.G., Park, H.G., Chung, L. (2011) Fundamental Period Formulas for Concrete Shear Wall Buildings, Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, 15(1), 29-38.

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Lee, T.H., Lee, E.J., Jeoung, C.M., Lee, Y.C., Choi, K.B. (2013) Seismic Performance Evaluation and Retrofit of Unreinforced RC Corwall Frame, Ceference Proceedings of Korea Concrete Institute, 25(2), 501-502.
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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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