push japani

1

EARTHQUAKE

PERFORMANCE BASED SEISMIC DESIGN

Sungkyunkwan University

EVE Laboratory

Earthquake and Vibration Engineering Lab.

1989 LOMA PRIETA 1994 NORTHRIDGE 1995 KOBE 1999 TURKEY 1999 TAIWAN

New Experience with an Urban Earthquake

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory

• 1994 NORTHRIDGE, 60 , : 300

• 1995 KOBE, 6000 , : 1500

• 성능에 기초한 내진설계 원리를 실제 건축구조물에 적용

• 능력스펙트럼법 원리를 적용한 건축물의 내진성능평가 방법 소개

• 건축구조물의 비선형 지진응답 분석을 통한 파괴 메카니즘의 이해

• 3차원 비선형 정적 및 동적해석 유한요소 프로그램

SAP2000 Nonlinear Version

• 능력스펙트럼법을 이용한 구조물의 내진성능평가 기술 탑재

• ATC-40, FEMA-273 설계기준 원리에 의한 비선형 해석 과정

“ SAP 2000 Nonlinear Version ”

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory

SEAOC Vision 20001995. 04. 03

SEAOC Vision 20001995. 04. 03

ATC-401996. 01

ATC-401996. 01

FEMA-273, 2741997. 10

FEMA-273, 2741997. 10

SEAOC Bluebook1999 7th Edition

SEAOC Bluebook1999 7th Edition

IBC 20002000. 08

IBC 20002000. 08

한국지진공학회 내진성능기준 ( 1997.12 )

한국지진공학회 내진성능기준 ( 1997.12 )

UBC-97( 1997.04 )

UBC-97( 1997.04 )

건축기준법 제정1998. 06. 12

건축기준법 제정1998. 06. 12

U.S.A

KOREA

JAPANNZS 3101

Concrete code 1995 -

NZS 3101Concrete code 1995 -

NEW ZEALAND

다단계 성능기준

• 3가지 내진성능목표 (성능등급)

• 2가지 성능수준

• 6단계 설계지반운동수준

• Analysis : LSP, LDP • Analysis : LSP, LDP, NSP, NDP

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory

• Matrix of Performance Objective (FEMA-273)

여러 단계의 지반운동수준에 대하여 일련의 성능목표를 달성하도록 설계

- 중요도에 따라 3가지 내진등급으로 구분 ( 내진2등급, 1등급, 특등급 )

- 2가지 성능수준의 구분 ( 기능수행수준, 붕괴방지수준 )

- 평균재현주기에 따른 6단계 설계지반운동수준

• 내진성능기준 : 한국지진공학회 (1997.12)

Des

ign

Proc

edur

e

Select Performance ObjectiveSelect Performance Objective

Establish Site Suitabilityand Desogn Ground Motions

Establish Site Suitabilityand Desogn Ground Motions

Conceptual Design :Select Structural and Nonstructural

System, Configuration andYield Mechanism

Conceptual Design :Select Structural and Nonstructural

System, Configuration andYield Mechanism

Verificationof Conceptual

Design

Verificationof Conceptual

Design

Preliminary DesignPreliminary Design

YES

Verificationof Preliminary

Design

Verificationof Preliminary

Design

YES

Final DesignFinal Design

Verificationof FianlDesign

Verificationof FianlDesign

Design ReviewDesign Review

YES

Quality AssuranceDuring Construction

Quality AssuranceDuring Construction

Building Maintenanceand Function

Building Maintenanceand Function

NO

NO

NO

DDBDEDBD

• STEP-1

• STEP-2

DCMEDM

• STEP-3

CSM

5

EARTHQUAKE



EVE Laboratory

Spec

tral

Acc

eler

atio

n ( g

)

aC

aC.52

0T

TCv

통제주기

sT.T 20=0

sT Period (sec)

avs C./CT 52=

0 5 10 15 20 25 30spectral displacement ( cm )

0.0

0.2

0.4

0.6

spec

tral

acc

eler

atio

n ( g

)

Soil = SASoil = SBSoil = SCSoil = SDSoil = SE

T=0.5 sec T=1.0 sec

T=1.5 secT=2.0 sec

표준 설계응답스펙트럼 (UBC-97)

• 내진성능목표에 근거한 설계지진계수의 평가 (지진구역 I )

0.126

0.2240.308

ad STS 2

2

4π=

6

EARTHQUAKE



EVE Laboratory

CEQQ

∆orθ

b

A

B C

D E

1.0

c

a

철근콘크리트 부재의 이력모델 (ATC-40)

CEQQ

∆orθ

b

A

B C

D E

1.0

c

a

철골 부재의 이력모델 (FEMA-273)

• 구조물의 항복이후의 거동을 가장 효과적으로

반영할 수 있는 해석방법 “ 소성힌지법 ”

• 성능에 기초한 내진설계에서 구조물의 비선형 거동을

파악할 수 가장 일반적인 해석법

• 구조물의 내진성능평가에 대한 효과적인 수단

• 구조물의 성능수준(performance level)평가 수단

• 부재에 대한 이력특성의 정의

• 반복하중을 받는 부재 이력특성 이상화 • 이력특성을 반영하는 모델 이상화 과정

• 단면 특성에 따른 변수값 제시

• 재료별 이상화된 이력모델 제시

ATC-40, FEMA-273 기준

• 비선형 정적해석에 의한 구조물 특성

• 실무에서 엔지니어들이 쉽게 적용

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory

0 5 10 15 20 25 30Time ( sec )

-0.30

-0.15

0.00

0.15

0.30

Acc

eler

atio

n (

g )

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Tn, (sec)

Sa, (

g)

0 1 2 3 4 5Period ( sec )

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Spec

tral

acc

eler

atio

n ( g

)

Response SpectrumDesign Response Spectrum

(1) 고려되는 지반특성과 유사한 3개 가속도 시간이력의 최대응답

(2) 고려되는 지반특성과 유사한 7개 가속도 시간이력의 평균응답

(3) 성능목표에 대한 응답스펙트럼과 잘 부합하는 인공가속도 시간이력 응답

부지 특성과 재현주기에 부합하는 지진하중

Response Spectrum Data Acceleration Time History Data

• 재현주기 1000년 붕괴방지수준

• SD 지반 수준

( Ca=0.224, Cv=0.322 )

PureBending

Joint j

Joint i

Axial Shear

dj2

LEAKa =

eGAK W

S =3

12eEIK b

b =

• Experiment Test • Dynamic Analysis

성능수준에 부합하는 지진하중

부재의 비선형

스프링 강성 평가

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory

PushoverAnalysis

Capacity Spectrum

dS

aS

SDOF System

roof∆

roof∆

Capacity Curve

MDOF System

transform

F

baseV

baseV

Demand Spectrum

n,2T

a2

2n

d S4TSπ

=

n,1T

nTdS

aSaS

Response Spectrum

transform

5% ElasticSpectrum Performance Point

Demand Spectrum

Capacity Spectrum

aS

dSmaxD

maxA

• 능력곡선(capacity curve)과 능력스펙트럼(capacity spectrum) • 요구스펙트럼(demand spectrum)

• 성능점(performance point) 의 산정

• 구조물의 저항능력(capacity)과 지진하중에 대한 요구수준(demand) 비교

• 발생 가능한 지진하중에 대한 구조물 내진성능과 성능수준을 합리적으로 평가

• 성능수준에 따른 시스템의 설계 거동 한계

SEAOC Vision 2000

• SEISMIC EQUATION

SEISMICDEMAND

SEISMICCAPACITY >

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory3차원 해석모델-SAP2000

• TYPICAL FLOOR PLAN • TYPICAL DESIGN LOAD

• SEISMIC ANALYSIS METHOD

33 STORYSTEEL BUILDING

1st Mode=4.95 sec

2nd Mode=2.22 sec

3rd Mode=1.99 sec

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory

• Spectrum Data• Gravity Load Data • Time History Data • Load Combination Data

• 선형 지진해석에 의한 밑면전단력 비교

RESPONSES OF CASE-2 : D.L+L.L+E(X)/1.5

Displacement Shear Force Moment

Seismic Energy

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory

• 부재의 비선형 이력특성 정의를 위한 항복모멘트와 회전각의 산정

비선형 해석을위한부재 이력특성 개념

PureBending

Joint j

Joint i

Axial Shear

dj2

LEAKa =

eGAK W

S =3

12eEIK b

b =

• Plastic Hinge

M3 : BEAM

• Plastic Hinge

P-M2,M3 : COLUMN

• Nonlinear

Time History Analysis

부재 이력특성 입력 정보

DisplacementControl

항복모멘트

항복회전각

항복회전각

항복축력

항복모멘트

비선형 부재 특성

• Modeling Parameters and Acceptance Criteria

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory

• Displacement • Shear Force • Moment • Hysteretic Diagram

• Pushover Analysis 해석과정

• 층 지진하중 산정 If T > 2.0 sec, k=2.0

건물 높이의 4%에 해당하는 변위를 초기 목표변위로 설정 구조물의 붕괴방지수준에 해당

• Displacement Control

VhW

hWF n

i

kii

kxx

x )(

1∑=

=

입력에 대한 정보Displacement Control

최상층 변위

• Pushover Analysis

층 지진하중 입력

Pushover Step Control

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory

• Capacity Curve : Dir.-X

48 cm

210 ton

68 cm

1600 ton

• Capacity Curve : Dir.-YCASE-2 : D.L+L.L+E(X)/1.5

• 기둥 강축의 위치와 가새 등의 영향으로 X 방향에서 비선형 거동 집중

Plastic Hinge Formation

B-Yield

IO Step

LS StepCP Step

E-Collapse

B-Yield

IO LS CP

A

BC

D E

Force

Deformation

Pushover Hinge

Yield Point

Initial Failure

Collapse

IO-즉시거주 LS-인명안전 CP-붕괴방지4-STEP 22-STEP

전단력도 모멘트도

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory

• Performance Point : EQ-1 Low Level Earthquake

Performance Point

Effective Damping

Low Level EQ.

Damping Ratios

Performance Limits

MDOF System

SDOF System

Inelastic Period= 5.607 sec

Elastic Period= 4.955 sec

Effective Periods

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory

Effective stiffnessat displacement, d

StructuralStability level

Collapse

D

V

Tot

al L

ater

al S

hear

For

ce

Lateral Displacement at Roofd

Increasing earthquake demand

Damage Control Limited Safety

Life Safetylevel

Linearelasticrange

ImmediateOccupancy level

재현주기별 지진하중-1

재현주기별 지진하중-2

Performance Point

• Performance Point : EQ-2 Moderate Level EQ.

Effective PeriodPerformance Limits

5.925 sec

Performance Limits Effective Period

6.589 sec

Evaluation of Seismic Performance and Level

• Performance Point : EQ-3 High Level EQ.

EQ-2 EQ-3

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EARTHQUAKE



EVE Laboratory

성능에 기초한 내진설계의 가장 핵심적인 분야

구조물의 내진성능 및 성능수준 평가에 매우 효과적인 해석방법

• ATC-40, FEMA-273 기준은 비선형 지진해석을 위하여

Engineer 에게 효율적인 방법론을 제시

• 우리나라에서도 성능에 기초한 내진설계가 반드시 건축구조 실무에 적용되고

기존건축물에 대한 내진성능평가가 이루어져야 된다고 판단

• 명확한 내진설계 개념에 의한 구조물의 예측 가능한 성능 파악

• 구조재, 비구조재 설계와 시공기간 중 품질 보증, 지속적 관리

• 불확실성에 대한 원인규명과 설계의 신뢰성과 위험도를 정량화

• 비선형 지진해석 (Nonlinear Seismic Analysis) …..

• 구조기술자의 실력 향상 및 기술수준의 고도화, 경제 산업사회에 대한 적응성이 요구

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