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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.22 No.5 pp.23-30
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2018.22.5.023

Mitigating Seismic Response of the RC Framed Apartment Building Structures Using Stair-Installation Kagome Damping System

Moo-Won Hur1, Young-Soo Chun2, 상현 이3, Jae-Seung Hwang4*
·

본 논문에 대한 토의를 2018년 10월 1일까지 학회로 보내주시면 2018년 11월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:jshwang@jnu.ac.kr Dept. of Architectural Engineering,Chonnam National University, Gwangju, 61186, Korea
April 7, 2018 July 1, 2018 July 6, 2018

Abstract


Recently, there are highly interests on structural damping to improve resistance of seismic and wind. It has been frequently used hysteresis damping devices made of steel because of economic efficiency, construction, and maintenance. This paper presents the effective reduction of seismic response by using Kagome damping system(SKDS) in rahmen system apartment building. The proposed system is designed to be activated by the relative displacement between the building and the stairs. It is performed nonlinear dynamic analysis to review the effects of earthquake response reduction for the 20-stories rahmen framed apartment building. In the analysis of the SKDS system, the reduction of maximum response displacement, maximum response acceleration and layer shear force are compared with the seismic design, and the result show that allowable story displacement is satisfied with Korean Building Code (KBC 2016).



계단 설치형 카고메 감쇠시스템을 활용한 철근콘크리트 라멘조 공동주택의 지진응답 개선

허 무원1, 천 영수2, Lee Sang-Hyun3, 황 재승4*
1정회원, 단국대학교 건축공학과 연구교수, 공학박사
2정회원, LH 토지주택연구원, 연구위원, 공학박사
3정회원, 단국대학교 건축공학과, 교수, 공학박사
4정회원, 전남대학교 건축공학과, 교수, 공학박사

초록


최근 들어 건물의 내진 및 내풍 성능을 향상시키기 위하여 감쇠구조에 대한 관심이 높아지고 있다. 감쇠장치 중 저렴한 비용과 높은 에너지소산능력을 발휘하며, 설치와 유지관리가 용이하다는 장점이 있어 강재이력형 감쇠장치를 이용한 수동형 감쇠구조시스템이 널리 사용 되고 있다. 본 논문에서는 라멘구조 또는 무량판 구조에 적합한 계단 설치형 카고메 감쇠시스템(SKDS)을 제안하고자 하며, 제안된 감쇠시스 템의 지진응답 개선효과에 대하여 해석적으로 검토하고자 한다. 비선형 동적해석결과 최대응답변위, 최대응답가속도 및 밑면전단력 감소로 살펴볼 때 내진구조와 비교하여 더 향상된 거동이 기대된다는 점에서 SKDS의 효과를 확인할 수 있었다.



    1. 서 론

    최근 들어 건물의 내진 및 내풍 성능을 향상시키기 위하여 감 쇠구조에 대한 관심이 높아지고 있다. 감쇠구조는 지진 및 바람 의 피해를 최소화하기 위한 방법으로서 감쇠장치를 구조물 내 부 혹은 외부에 설치하여 감쇠장치가 진동에너지의 대부분을 흡수하도록 유도함으로서 구조물의 내진 및 내풍 성능을 향상 시키는 방법이다. 이러한 감쇠구조는 해외에서 실무에 많이 적 용되고 있으며, 국내에서도 감쇠구조에 대한 필요성이 대두되 면서 감쇠장치를 도입한 건물들이 다수 설계 및 건설되고 있다. 감쇠장치 중 저렴한 비용과 높은 에너지소산능력을 발휘하며, 설치와 유지관리가 용이하다는 장점이 있어 강재이력형 감쇠장 치를 이용한 수동형 감쇠구조시스템이 널리 사용되고 있다 (Kim, et. al., 2017, Roh, et. al., 2016, Hur, et. al., 2016, Lee, et al., 2012, 2010; Oh, et al., 2005).

    하지만, 국내 공동주택의 구조형식은 대부분 벽식구조로서 강재이력형 감쇠시스템을 적용하기에는 어려움이 많다. 그 이유로는 벽식구조의 경우 감쇠시스템을 전단벽 주위에 설치 를 해야 하는데 이 경우 감쇠시스템을 작동시키기 위해서는 초기강성이 전단벽 보다 크고 항복변위가 매우 작으면서 동 시에 연성을 확보할 수 있어야 하는데 이는 벽식구조에서 현 실적으로 매우 어려운 조건이다. 하지만, 최근 들어 평면의 가 변성 문제, 장수명화 요구 및 층간소음과 관련된 바닥충격음 문제 등이 사회적인 이슈로 대두되면서 이러한 문제를 극복 하는데 용이한 라멘구조 또는 무량판구조로 구조시스템 전환 이 공기업과 건설사 중심으로 꾸준히 시도되고 있다. 이러한 구조는 큰 변형 능력을 부과할 수 있다는 특징을 이용하여 지 진력 저항시스템은 탄성 상태를 유지하면서 감쇠시스템의 소 성거동에 의하여 지진에너지를 소산토록 하는 유강 혼합 구 조의 개념을 적용하는 것이 용이하다(Oh. et. al., 2012). 이에 기존연구(Hur, et. al., 2016)에서 라멘조 공동주택에 적합한 새로운 감쇠시스템을 제안하였다. 하지만, 제안된 감쇠시스 템의 경우 외부에 감쇠시스템을 설치할 지지구조물을 건설해 야하는 단점이 있어 이를 보안할 수 있는 새로운 감쇠시스템 을 필요로 한다.

    이에 본 논문에서는 라멘구조 또는 무량판 구조에 적합한 새로운 감쇠시스템을 제안하고자 하며, 제안된 감쇠시스템의 지진응답 개선효과에 대하여 해석적으로 검토하고자 한다. 이를 위해 연구대상 건물을 건축구조기준(KBC2016, 국토교 통부)에 따라 내진설계를 수행하였으며, 이 건물의 동적응답 을 감쇠구조의 지진응답 개선효과를 검증하는 비교기준으로 사용하였다. 감쇠구조는 ASCE/SEI 7-10(ASCE, 2010)에서 제시하고 있는 설계방법에 따라 감쇠시스템을 제외한 나머지 지진력 저항시스템이 설계 밑면전단력의 75% 이상을 부담하 도록 설계하여 지진응답 개선효과와 함께 경제적인 설계의 가능성도 함께 검토하였다.

    2. 계단실 설치형 카고메 감쇠시스템 제안

    2.1 계단실 설치형 감쇠시스템 제안(Stair-installation Kagome Damping System, SKDS)

    기존의 공동주택은 주로 벽식구조로 많이 건설되었으나, 최근 들어 평면의 가변성 문제, 장수명화 요구 및 층간소음과 관련된 바닥충격음 문제 등이 사회적인 이슈로 대두되면서 이러한 문제를 극복하는데 용이한 라멘구조 또는 무량판 구 조로 구조시스템 전환이 꾸준히 시도되고 있다. 하지만 이러 한 구조의 채택은 기존 벽식구조와 비교하여 층고의 증가로 인한 공사비의 상승 등으로 인해 보다 효과적인 내진구조를 구축하기 위한 방안으로 감쇠시스템에 대한 관심이 증가하고 있다.

    따라서 본 연구에서는 기존 연구에서 제안(Hur, et. al., 2016)한 감쇠시스템의 단점을 보완한 새로운 감쇠시스템을 제안하고자 한다. 본 연구에서 제안하는 감쇠시스템은 강성 이 큰 벽체로 이루어진 계단실을 활용하여 계단실과 본 건물 을 분리하여 계단실의 강성과 건물의 강성 차에 의한 상대변 형에 의하여 설치된 감쇠장치의 변형을 유도한 방식이다. Fig. 1은 본 연구에서 제안한 감쇠시스템의 개념을 도식화하여 나 타낸 것이다. 본 연구에서 제안한 감쇠시스템은 기존에 많이 사용되었던 브레이스 및 강판벽 형식을 사용하여 내부의 칸 막이벽 사이 및 덕트가 설치되는 공간에 감쇠장치를 설치하 는 형식이 아닌 계단실과 본 건물 사이에 감쇠장치를 설치하 여 X방향 및 Y방향 모두를 제어 할 수 있는 시스템이다.

    2.2 카고메 감쇠장치(Kagome damper devices)

    Fig. 2는 제안된 SKDS에 적용된 카고메 감쇠장치를 나타 낸 것으로 카고메 감쇠장치는 카고메 트러스 구조의 전단변 형에 의한 에너지 소산능력을 이용한 강재이력형 감쇠장치의 일종이다. 다른 강재이력형 감쇠장치와 달리 와이어로 직조 되기 때문에 반복하중이나 피로에 대한 내구성이 커 일부 와 이어가 파손되더라도 전체 감쇠장치의 기능을 유지하는 특징 을 가지고 있다. 또한, 감쇠장치 유닛이 경량이며 무게대비 강 도가 크고, 큰 전단변형에 의한 에너지 흡수율이 높으며, 모듈 화가 가능하기 때문에 병렬배열로 요구강도 충족이 가능하 다. 그리고 등방형으로 에너지 흡수능력이 지진하중의 방향 에 영향을 받지 않는 특징을 가지고 있다(Hwang, et. al., 2013).

    2.3 카고메 감쇠장치 전단 거동 특성(Hwang, et. al., 2013)

    Fig. 3의 (a)는 카고메 감쇠장치를 구성하는 유닛셀과 유닛 셀에서 외부하중을 저항하는 사면체를 나타내는 것으로, 트 러스 요소의 길이 c, 와이어의 직경 d, 브레이징 접합부의 높 이 b를 가진다.

    곡률을 가지는 카고메 감쇠장치를 이상적인 카고메 트러스 구조로 가정하게 되면 그림 3의 (b)와 같이 단위 셀에서 전단 력은 직선 트러스 요소를 구성된 사면체가 부담한다고 볼 수 있다.

    1) 전단 탄성계수

    하중 R에 의해 하중 방향으로 사면체의 변위를 δR이라 하면 그때의 강성은 다음과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 Ec는 와이어 의 탄성계수이다.(1)

    R δ R = π d 2 E c 8 c
    (1)

    R방향으로의 전단탄성계수(G)는 다음 식과 같다.

    G = 2 48 π E c ( d c ) 2
    (2)

    2) 전단강도

    그림 3의 (b)와 같이 가장 취약한 방향으로 전단력 R을 받는 다고 가정하면 각 부재에 작용하는 부재력은 다음과 같다.(3)

    F 1 = 2 3 R , F 2 = 1 3 R , F 3 = 1 3 R
    (3)

    외부 전단력에 의해 가장 큰 압축력을 받는 부재의 항복하중 을 단위셀의 평면면적( A o = 2 3 c 2 )으로 최대 전단응력은 다음 과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 σy는 와이어의 항복강도이다.

    R p = π σ y 16 ( d c ) 2
    (4)

    식 (4)와 같이 전단응력은 길이두께비(λ = c/d)에 의하여 결 정되며, 항복이 발생할 때의 단위셀의 전단변형률은 식 (4)와 (2)를 이용하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.(5)

    o = 3 2 σ y E c
    (5)

    3. 연구대상 건물 및 경제성 검토

    Fig. 4는 연구대상 건물을 도시한 것으로 장방형 평면으로 구성되어 있다. 계단실과 코어는 전단벽으로 이루어져 있으 며 장축 방향으로 6,000㎜의 모듈을 가지는 기둥이 배열되고 단축 방향으로 약 6,500㎜ 경간의 두 개 기둥이 슬래브를 지지 하는 모듈로 구성되어 있다. 건물의 층수는 20층, 층고는 3,000㎜이며, Table 1에 재료강도를 나타내었고, Table 2에 내 진설계 시 변수를 나타내었다. Table 3에 부재들의 크기를 나 타내었고, 연구대상 건물의 벽체는 모두 200㎜이다. 고유치해 석으로부터 얻은 내진설계 시 건물의 주기는 1.77초(단변), 1.72초(장변)이다.

    감쇠구조의 적용에 따른 경제적인 설계의 가능성을 검토해 보기 위하여 건축구조기준(KBC 2016)에 의해 내진설계 된 건물(1.0 Base Shear, 이하 1.0 BS)와 설계밑면전단력의 75% 만을 부담하도록 설계된 SKDS 건물(0.75 Base Shear, 이하 0.75 BS)을 대상으로 골조물량을 비교하였다. 물량 산출 시, 기초물량과 철근의 기계식 이음은 고려하지 않았다. 물량감 소는 콘크리트, 철근 및 거푸집의 물량을 비교하였고, Table 4 에 나타내었다.

    지진력 저항시스템의 물량감소에 의한 경제적인 설계의 가 능할 것으로 예상되지만, 물량 감소폭이 크지 않았던 사유는 연구대상 건물이 중력하중에 지배되는 것으로 나타나 물량감 소가 크지 않았던 것으로 사료된다.

    4. 비선형 동적해석을 통한 지진응답 비교

    4.1 비선형 요소의 구조모델

    비선형 동적해석에 사용된 프로그램은 Perform-3D Ver 5.0 으로서 부재의 비선형 특성을 부재의 강성과 변형능력으로 표현할 수 있으며, 재료 비선형과 부재의 비선형을 모두 고려 할 수 있다. 보 및 기둥 부재 비선형의 경우 하중조건과 변형에 따라 부재에 발생하는 소성힌지의 특성을 이용하여 FEMA 356(2000)에서 제시하는 비선형 특성으로 모델링 하였고, 전 단벽의 경우 Fig. 6과 같이 레이어모델(Layered model)로 구 성하여 해석하였다. 부재의 유효강성 및 재료 비선형 모델의 구성은 성능설계지침(AIK, 2016)을 따랐으며 콘크리트 모델 은 Mander model을 철근모델은 이선형 모델을 사용하였다. Fig. 7은 연구대상 모델의 모델링 형상을 나타낸 것이다.

    일반적으로 변위의존형의 강재이력형 감쇠장치는 이선형 의 특성을 갖는 것으로 모델링된다. Table 5와 Fig. 8에 본 연 구에서 적용한 카고메 감쇠장치 유닛의 이력특성 값을 정리 하여 나타내었으며, 감쇠장치는 양방향 감쇠장치로 1개의 감 쇠장치로 양방향을 제어할 수 있게 입력하였다.

    감쇠장치는 Fig. 9와 같이 계단실과 본 건물 사이에 층당 3 개씩 설치하였으며, 짝수 층에 모두 설치하였다. 감쇠장치 설 치 수량은 총 30개이다. Table 6은 내진설계와 SKDS 적용 시 의 주기 및 질량참여율을 나타낸 표이다. 표에서 알 수 있듯이 감쇠장치 적용으로 인해 주기는 짧아졌지만 질량 참여율은 내진설계 시와 유사한 것으로 나타났다.

    4.2 지진파

    해석에 사용된 지진파는 비교적 안정된 지반에서 관측된 기록파( El-Centro(1940), Taft(1952), Hachinohe(1968), San Fernando(1971), Mexico City(1985), Northridge(1994), Loma Prieta(1989)) 7개의 선정하여 사용하였으며, KBC2016 0306.7.4.1(설계지진파의 선정)에 따라 대상 건물의 가정된 지반조건인 SC 지반의 설계스펙트럼에 적합하게 크기를 조정 하여 기본진동주기의 0.2배부터 1.5배 사이에 해당되는 주기 에 대해서 설계스펙트럼의 1.3배보다 10% 이상 작지 않도록 하여 해석에 반영하였다. Fig. 10은 본 연구에서 사용된 7개 지 진파에 대하여 설계지진레벨로 보정된 결과를 나타낸 것이다 (KBC 2016).

    4.3 비선형 정적 해석 결과

    비선형 정적 해석 후 FEMA 440(2005) 방법으로 성능점을 구한 결과를 Fig. 11에 내진설계 시와 비교하여 나타내었다.

    1.0BS의 X방향 및 Y방향 성능점은 0.0021와 0.0030을 나 타내었다. 또한, 0.75BS에 SKDS 적용 한 X방향 및 Y방향의 성능점은 0.0018과 0.0027로 SKDS를 적용함으로서 내진성 능이 향상되는 것을 알 수 있었다. 이 값들은 설계지진레벨 시 의 목표성능기준 0.015를 하회하는 값으로 안정된 거동을 나 타내고 있음을 알 수 있다.

    4.4 비선형 동적 해석 결과

    Table 7은 감쇠시스템 이외의 지진력 저항시스템을 기준에 서 요구하는 최소요건인 설계밑면전단력의 75%만을 부담하 도록 설계한 대상건물에 SKDS 적용시의 각 지진파별 최대응 답변위, 최대응답가속도 및 층전단력 결과를 정리한 것이며, Fig. 12는 이를 도식화하여 나타낸 것이다.

    각 지진파에 따른 최대응답 해석결과, SKDS를 적용한 경 우에는 내진 설계 모델 대비 최상층 변위는 X방향은 약 19% 를 Y방향은 약 57% 저감효과를 나타내었다. 또한, 최대응답 가속도 해석 결과도 최상층의 경우 X방향의 경우 약 17%, Y 방향은 약 30% 저감효과를 나타내었다. 이러한 가속도의 감 소는 결국 상부구조에서 설계전단력의 감소를 의미함으로 SKDE의 적용에 따른 내진안전 확보가 용이함을 확인할 수 있다. 각 지진파에 따른 층전단력 해석결과 X방향 및 Y방향 모두 약 35%의 저감효과를 나타내었다.

    Fig. 13와 Fig. 14는 설계지진레벨 시 Fig. 9의 중앙부에 위 치한 카고메 감쇠장치의 이력루프를 나타낸 그림이다. SKDS 에 설치된 카고메 감쇠장치는 안정적인 이력거동으로 입력되 는 지진에너지가 충분히 감쇠장치를 통해 소산되고 있는 것 으로 나타났다. 또한, Fig. 15는 각 지진파에 따른 감쇠장치의 에너지 소산량을 나타낸 그림이다.

    4.5 감쇠성능 확인

    감쇠시스템의 감쇠성능은 KBC 2016[0306.13.4.4 감쇠성 능 확인]의 절차에 따라 확인할 수 있다. 지진력저항시스템 설 계를 위한 최소 밑면 전단력 Vmin 결정에 적용된 감쇠보정계 수 η는 다음 식 (6)에 따라 결정된 ηh보다 작지 않아야 한다.

    η h = V h V h e
    (6)

    여기서,

    • Vh :설계지진에 대하여 0306.13.3(KBC 2016)에 서 규정한 해석절차에 따라 결정된 감쇠시스 템 적용 구조물의 밑면 전단력(kN)

    • VheVh와 동일한 절차를 따르되, 감쇠장치의 하 중-변위 관계에서 변위 의존적 성분은 유효 강성으로 치환하여 얻어진 밑면 전단력(kN)

    Table 8은 본 연구에 적용된 SKDS의 감쇠성능 확인 결과이 며 Fig. 16은 이를 도식화하여 나타낸 그림이다. 감쇠성능 확 인 결과 X방향 및 Y방향 모두 설계 시 적용한 25%를 상응하 는 결과를 나타내었다.

    5. 결 론

    본 논문에서는 라멘조 공동주택의 지진응답을 감소시키기 위해 계단 설치형 카고메 감쇠시스템을 제안하였다. 또한, 계 단 설치형 카고메 감쇠시스템을 20층 철근콘크리트 공동주택 에 적용하여 지진응답 효과를 비선형 동적 해석을 통해 검토 하였다. 해석결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.

    • 1) 감쇠구조로 설계 시 경제성을 검토하기 위하여 연구대 상 건물을 기존 내진설계방법과 지진력 저항시스템이 설계밑면전단력의 75%만을 부담하도록 감쇠구조로 설 계한 결과, 콘크리트는 약 10%, 철근은 약 8% 및 거푸집 은 약 5%감소가 가능한 것으로 확인되었다. 물량 감소 폭이 크지 않았던 원인을 분석해 본 결과 연구대상 건물 이 중량하중에 지배되는 경향이 나타났기 때문으로 사 료된다.

    • 2) 본 연구에는 연구대상 건물들의 설계지진력을 밑면전단 력의 75%만을 부담하도록 재설계된 모델에 SKDS를 설 치하여 비선형 정적해석 및 비선형 동적해석을 수행하 였다. 비선형 정적 해석결과, 설계지진레벨과 최대지진 레벨 시 모두 목표성능기준을 하회하는 값을 나타내어 안정된 거동을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 또한, SKDS의 경우 내진설계 대비 75%에 해당하는 설계밑면 전단력으로 설계하였음에도 불구하고 비선형 동적해석 결과 최대응답변위, 최대응답가속도 및 밑면전단력 감 소로 살펴볼 때 내진구조와 비교하여 더 향상된 거동이 기대된다는 점에서 SKDS의 효과를 확인할 수 있었다. 또한, 감쇠장치의 감쇠성능을 확인한 결과 감쇠장치 설 계 시 산정한 값과 유사한 결과를 나타내었다.

    감사의 글

    본 논문은 국토교통기술사업화 지원사업 “규칙적 다공질 금속 Kagome를 적용한 지진에너지 소산능력 20% 이상 차음 성능 1등급 내진구조형 경량벽체 패널 개발(과제번호 : 16TBIP-C112247-01 )”의 연구비에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

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    SKDS concept

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    Kagome damper

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    Ideal Kagome structural

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    Study Building

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    Wall fiber element

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    Perform-3d Model

    JKSMI-22-23_F8.gif

    Hysteretic characteristics of Kagome damper

    JKSMI-22-23_F9.gif

    SKDS installation location

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    Scaled response spectra of earthquake data

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    Pushover results

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    Nonlinear time-history analysis results of SKDS

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    Hysteresis loops of damper(El-centro 270 Deg earthquake, X-dir)

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    Hysteresis loops of damper(El-centro 270 Deg earthquake, Y-dir)

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    Energy dissipation by each earthquake wave

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    Vh/Vhe result

    Table

    Concrete and steel strength

    Seismic design parameters and member size

    Member size

    Comparison of reinforcement amounts

    Specifications of Kagome damper

    Mode shape

    Nonlinear time-history analysis results

    SKDS performance results

    Reference

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