바람하중(wind loading) university of seoul

UNIVERSITY OF SEOUL바람 하중(Wind Loading)

도시과학대학 건축학부 건축공학전공

구조재 설계 풍압 vs 외장재 설계 풍압

바람에 의해 발생되는 양압과 음압의 전체적인 대수학적인 합을 통하여 건물의 구조재의 강도와 강성이결정되는 반면, 외장재 또는 외장재를 연결하는 연결재의 강성과 강도는 국지적인 풍압에 의해 결정된다.

구조재의 설계 풍압과 외장재의 설계 풍압의 차이는 다음과 같다.

• 외장재 설계에 사용하는 국지적인 풍압은 구조재 설계에 사용한 풍압에 비하여 건물 외면의 형태에의해 많은 영향을 받는다.

• 국지적인 풍압은 벽면에서 발생가능한 최대 풍압을 의미하는 반면, 구조재 설계 풍압은 풍압의 방향을고려하여 건물 전체에 작용하는 풍압의 합을 의미한다.

• 국지적인 풍압의 크기와 특성은 건물 표면의 위치에 따라 변화가 심하지만, 구조재 설계 풍압은 벽면에작용하는 국지적인 풍압의 평균값이 벽면에 작용하는 것으로 가정한다.

• 외장재 설계 풍압은 구조재 설계 풍압에 비해 시간에 따라 변화가 심하다.

• 일반적으로 최대 국지적인 흡인력(Maximum local suction)에 의해서 외장재 설계 풍압이 결정되나,구조재 설계에서는 항상 그렇지는 않다.

• 지붕이나 마감재의 틈새로 불어 들어오는 공기로 인하여 내압(Internal pressure)가 발생하고 이는외장재 설계 풍압 결정에 중요한 인자가 되지만, 구조재 설계 풍압 결정에는 마주보는 벽사이에발생하는 내압이 서로 상쇄되므로 고려하지 않는다.

3.1.2 바람하 중

UNIVERSITY OF SEOUL설계 풍 하중 (Design Wind Loading)


설계 풍 하중

건물의 설계 풍하중을 결정하기 위하여 각 국의 다양한 설계 기준들이 있다.

본 교재에서는 국내 설계 풍하중 기준과 유사함과 동시에 다른 국가의 풍하중 기준으로 확장성이 뛰어난ASCE 7-05를 바탕으로 설계 풍하중을 결정하는 방법을 기술한다.

ASCE 7-05의 풍하중 기준은 다음 세가지 방법을 명시하고 있으며 이 중 적당한 방법을 선택하여 건물의설계 풍하중을 결정하도록 하고 있다.

• METHOD 1: 단순 풍하중 예측기법

정형(Regular shaped)인 비교적 낮은 건물(약 18 m이하 높이의 건물)에 적용 가능한 설계 풍하중 예측기법

• METHOD 2: 해석적 풍하중 예측기법

METHOD 1을 적용할 수 없는 거의 대부분의 정형 건물에 적용이 가능함

• METHOD 3: 풍동실험을 이용한 풍하중 예측기법

비정형성이 강한 건물이나 보다 정확하게 풍하중을 예측하고자 하는 건물에 적용

3.1.2 바람하 중

UNIVERSITY OF SEOUL단순 풍하중 예측 기법(METHOD 1)


적용 범위

격막(Diaphragm)으로 각 층의 바닥과 지붕층이 구성된 구조물

평균 지붕층 높이가 18m이하이며, aspect ratio가 1보다 작은 구조물

정형 구조물이며, 유연구조물 (Flexural structures)이 아닌 구조물

지붕의 경사각이 45도 이하이며 어떤 방향에서든 평면이 대칭형태의 구조물

단순 풍하중 예측 기법은 지붕과 벽의 풍압을 단순 표를 이용하여 직접적으로 구할 수 있는 단순한 풍하중예측 기법이다.

풍하중 결정 프로세스

기준에서 제공하는 지도에 따라 기본 풍속(Basic wind speed, V)을 결정한다

중요도 계수(Importance factor, I)를 결정한다

노출도(Exposure category)를 결정한다

높이와 노출도 수정 계수(Height and exposure adjustment coefficient)를 계산한다

3.1.2 바람하 중

UNIVERSITY OF SEOUL해석적 풍하중 예측 기법(METHOD 2)


해석적 풍하중 예측 기법은 구조물의 동적특성을 고려하여 풍하중을 예측하는 기법으로 대부분의 초고층건물의 예비 구조 설계에 사용되며 보다 정확한 풍하중 예측을 위해서는 풍동실험을 실시하는 것이일반적이다.

풍하중 결정 프로세스

기준에서 제공하는 지도에 따라 기본 풍속(Basic wind speed, V)을 결정한다

바람의 방향성 계수(Wind directionality factor, Kd)를 구한다

중요도 계수(Importance factor, I)를 결정한다

노풍도(Exposure category)과 풍속 고도 분포 계수(Velocity pressure exposure coefficient, Kz or Kh)를결정한다

지형계수(Topographic factor, Kzt)를 결정한다.

가스트영향계수(Gust effect factor, G or Gf)를 결정한다

내압계수(Internal pressure coefficient, GCpi)를 결정한다

외압계수(External pressure coefficient, Cp or GCpf)를 결정한다

속도압(Velocity pressure, qz or qh)을 결정한다

설계 풍하중(Design wind load, p)을 계산한다

3.1.2 바람하 중



기본 풍속(Basic Wind Speed, V)

노풍도 C인 지역에서 높이 10m에서 측정한 3초 동안의 Gust-wind speed로 기본 풍속을 정하고 있으며,재현주기는 허리케인 위험지역에서는 100년, 그 외 지역에서는 50년인 반면, 국내 기준에서는 지표면으로부터 10m 높이에서 측정한 10분간 평균풍속을 기본 풍속으로 하며, 재현주기는 미국의 허리케인 위험지역과동일한 100년이다. 측정시간이 짧아짐에 따라 풍속이 증가하므로 국내 풍하중에 대한 기본풍속을 가지고ASCE 7-05 기준에 적용시키기 위해서는 기본풍속을 보정해야 한다. 그림은 국내에서 정하고 있는 100년재현주기의 기본 풍속에 대한 지도이며 단위는 초당 미터(m/s)이다.

일반적으로 1분 이상 지속되는 풍속은 측정 시간이증가하더라도 변화가 거의 없다는 가정하에 , 국내기준에서 정하고 있는 기본 풍속을 ASCE 7-05의 3초Gust-wind speed로 보정하기 위해서 아래의 식을사용한다.

국내 기준에서 정하고 있는 기본 풍속

min1sec3 51 VV

V3sec: 3초 Gust wind speed

V1min :1분 지속 기본 풍속

k : Surface drag coefficient, 노풍도가 C인 지역에서는 약 0.003-0.006

3.1.2 바람하 중



방향성 계수(Wind directionality factor, Kd)

방향성 계수는 재현주기 동안 발생가능한 최대 풍속과 이에 따른 최대 풍압이 주어진 방향으로 발생할가능성이 감소할 수 있는 확률을 고려한 것이다.

이전 풍하중에 대한 기준과 국내의 기준에서는 이미 다른 계수에 포함되어 명확하게 나타나지 않지만, ASCE7-05에서는 기준에서 제시하고 있는 다양한 식들의 의미를 보다 정확하게 표현하기 위하여 다른 계수로부터 추출하여 제시하고 있다.

구조물의 종류 방향성계수

건물횡력 저항 구조물 설계 0.85

외장재 설계 0.85

아키 타입 지붕 0.85

굴뚝, 탱크, 및 유사 구조물

사각형 모양 구조물 0.90

팔각형 모양 구조물 0.95

원형 모양 구조물 0.95

간판Solid sign board 0.85

Open sign board 0.85

노출 트러스 구조물삼각형, 사각형 단면 구조물 0.85

그 외 단면 구조물 0.95

3.1.2 바람하 중



노풍도(Exposure Category)

바람이 불어오는 방향에서 건물의 노출도는 지표면의 지형과 주변 구조물의 분포에 의해서 결정된다.

지형 등급 지형의 특성

B 도시 및 도시 주변 지역, 산림 지역, 단독주택 등이 밀집되어 있는 지역

C 높이 9m 미만의 장애물이 흩어져 있는 개활지(Open terrain)

D 장애물이 거의 없는 개활지

지표면 지형에 따른 등급(Surface Roughness Category)

노풍도 노풍도의 정의

B 건물 주변, 즉 건물 높이의 20배 또는 약 800m내에 지형 등급이 B인 지역

C B와 C에 포함되지 않는 지역

D 건물 주변, 즉 건물 높이의 20배 또는 약 1500m내에 지형 등급이 D인 지역

노풍도(Exposure Category)

3.1.2 바람하 중



풍속고도분포계수(Velocity pressure exposure coefficient, Kz or Kh)

풍속고도분포계수는 노풍도에 따른 지표면 위의 풍속의 변화를 고려하기 위하여 도입된 계수이다.

풍속고도분포계수는 아래 식으로 구할 수 있으며 약 152m까지는 표로 정리하였으며, Case는 다음 페이지에기술하였다.

ftzz

zzftz

z

K

g

g

g

z

1515

01.2

1501.2

/2

/2

a

a

z: 속도압 노풍 계수를 구하고자 하는 높이

zg: 그레디언트 높이

a :3초 gust speed에 대한 지수 상수

노풍도 Zg (ft) a

B 1200(366) 7.0

C 900(274) 9.5

D 700(213) 11.5

괄호 안은 미터단위

3.1.2 바람하 중



풍속고도분포계수(Velocity pressure exposure coefficient, Kz or Kh)

3.1.2 바람하 중



지형계수(Topographic factor, Kzt)

지형계수는 노풍도에 따른 언덕(hills)나 급경사지(escarpment)의 풍속에 대한 영향을 고려하기 위하여도입된 계수이다.

언덕이나 급경사지에 건설된 건물은 평지에 건설된 건물에 비하여 매우 큰 풍압이 재하될 수 있기 때문에이에 대한 고려가 필수적이다.

지형의 모양은 H, Lh에 의해서 정의할 수 있으며, 지형계수는 K1, K2, K3의 함수이다.

K1 은 지형의 형태에 의해 결정되며, K2는 산마루로 부터의 거리에 의한 풍속 증가(speed-up)의 정도에 따라결정되며, K3는 지표면으로 부터의 높이가 영향을 미치는 풍속 증가의 정도에 의해 결정된다.

언덕(hill)에 위치한 건물의 풍속 증가급경사지(escarpment) 건물의 풍속 증가

3.1.2 바람하 중



지형계수(Topographic factor, Kzt)

23211 KKKKzt

3.1.2 바람하 중



가스트영향계수(Gust effect factor, G or Gf)

Gf는 유연한 구조물(Flexible structures)의 횡력지지시스템 설계에 사용하는 가스트영향계수이다.

앞에서 설명한 바와 같이 가스트영향계수는 돌풍과 구조물과의 상호작용이 풍하중에 미치는 영향을 고려한계수이다. 하지만, 풍직각방향과 와류진동등이 풍하중에 미치는 영향을 포함하고 있지는 않다. 따라서 초고층건물과 같이 이런 바람 환경이 구조물에 미치는 영향이 클 것으로 판단되면 풍동실험을 통하여 이를규명해야 한다.

해석적인 방법을 통하여 가스트영향계수를 결정할 경우, 크게 세가지로 분류할 수 있다: 1)Rigid structures-simplified method, 2)Rigid structures- complete method, 3)Flexible or dynamically sensitive structures.

일반적으로 초고층 건물의 예비설계시 건물을 Flexible or dynamically sensitive structures로 가정한다.

초고층 건물 예비설계를 위한 가스트영향계수는 다음 식을 이용하여 구한다.2

2222

7.11

7.11925.0

zv

RQz

fIg

RgQgIG

3.1.2 바람하 중



구조물의 풍 응답

는 돌풍의 강도(Intensity of turbulence)를 의미하며 다음 식으로 구한다.zI

min

6/1

6.033

zhzwherez

cI z

단위: ft min

6/1

6.010

zhzwherez

cI z

단위: m

Background response은 풍 응답 스펙트럼 그래프에서 장주기 영역에 영향을 미치는 구조물 응답을 말하며다음 식으로 구한다.

63.0

63.01

1

zL

hBQ

구조물의 바람에 의한 동적반응(Dynamic response)은 돌풍의 강도(Intensity of turbulence)에 의한 풍응답,Background response와 Resonance response로 구성되어진다.

Background response

Resonanceresponse

33

zlLz

B: 풍방향과 수직한 구조물의 변의 길이 (ft)h: 건물의 높이(ft)

3.1.2 바람하 중



구조물의 풍 응답

LBhn RRRRR 47.053.01

Resonance response은 풍 응답 스펙트럼 그래프에서 단주기 영역에 영향을 미치는 구조물 응답을 말하며다음 식으로 구한다.

33

zlLz

3/5

1

1

3.101

47.7

N

NRn

z

z

V

LnN 1

1

60

88

33V

zbVz

a

n1: Building natural frequency, Hz

: damping ratio, percent of critical

01

012

11 2

2

for

foreRh

zV

hn16.4

01

012

11 2

2

for

foreRB

zV

Bn16.4

01

012

11 2

2

for

foreRL

zV

Ln14.15

Vertical Separation에대한 고려

Lateral Separation에대한 고려

Along-wind에대한 고려

Aero

dynamic A

dmitta

nce

3.1.2 바람하 중



Peak Factors

gQ, gR과 gv는 각 각 풍방향의 background response, resonance response, along-wind response에 대한 peakfactor이다.

background response와 wind response의 peak factor, g는 다음의 개념식을 바탕으로 구한다.

기준에서는 background response와 wind response의 peak factor는 측정데이터를 바탕으로 3.4로 정한반면 Resonance response에 대해서는 다음의 식을 사용하여 구하도록 하고 있다.

)3600ln(2

577.0)3600ln(24.3

1

1n

nggg RvQ

XgXX

: 표준 편차

: Mean response

: Peak response

X

X

X

3.1.2 바람하 중



내압 계수 (Internal Pressure Coefficient, GCpi)

아래 표에서 보이는 내압계수는 수 많은 실측 데이터와 풍동실험을 통하여 얻은 값이다.

밀폐형 구조물은 건물 내부로 새어들어오는 바람이 작으므로 부분 밀폐형 구조물에 비하여 낮은 내압계수를가지며, 개방형 구조물은 건물의 내부로 들어온 바람이 바로 외부로 빠져나가므로 내압계수는 0이 된다.

내압계수는 외장재 설계에 이용되지만, 마주보는 벽에서 내풍이 상호 상쇄되므로 구조재 설계에서는고려하지 않는다.

3.1.2 바람하 중



외압 계수 (External Pressure Coefficient, Cp or GCp)

일반적으로 초고층 건물의 구조에 대한 예비설계에는 건물을 유연 구조물로 가정하므로, 외압계수로 Cp를사용한다.

초고층 건물의 외장재에 대한 예비설계에는 외압계수로 GCp를 사용한다.

벽면에 가해지는 바람의 외압계수는 아래 표와 같이 산정할 수 있다.

3.1.2 바람하 중



외압 계수 (External Pressure Coefficient, Cp or GCp)

지붕에 적용할 수 있는 외압 계수는 다음과 같다.

3.1.2 바람하 중



속도압 (Velocity Pressure, qz or qh)

지표면으로 부터 Z 높이에서의 바람에 의한 속도압 qz은 다음과 같이 구한다.

IVKKKq dztzz

200256.0 단위: lb/ft2

IVKKKq dztzz

2613.0 단위: N/m2

속도압 qh는 위 식을 건물의 평균 높이에 대해 적용하면 구할 수 있다.

설계 풍하중 (Design Wind Load, P)

높이가 18m 이상이 건물의 설계 풍하중은 다음 식으로 구한다.

pGCqp

)( piip GCqGCqp

구조부재 설계

외장재 설계

q = qz for windward walls

q = qh for leeward and side walls & roofs

3.1.2 바람하 중



지붕의 형태별 속도압 qz와 qh의 적용법 및 설계 풍하중은 아래 그림에 표시하였다.

3.1.2 바람하 중

UNIVERSITY OF SEOUL풍동실험을 통한 풍하중 예측 (METHOD 3)


풍동실험은 METHOD 1과 2를 적용할 수 없는 구조물이나, 설계자가 보다 정확한 풍하중을 산정하고자 하는경우에 사용하는 방법이다.

풍하중을 예측하는 방법 중 가장 정확한 방법이므로, METHOD 1과 2를 적용할 때 사용한 안전측의 가정을제거할 수 있으므로 일반적으로 풍하중이 METHOD 1, 2과 비교할 때 작아지는 경향이 있다.

실무에서는 다음의 풍하중 관련 설계 데이터가 필요한 경우 풍동실험을 실시한다.

• 비정형 형태의 외관을 가진 건물의 커튼 월에 가해지는 풍압을 구하고자 할 때

• 바람으로 인하여 발생하는 Across-wind나 Torsional loads를 구하고자 할 때

• 와류진동으로 인한 주기적 하중을 구하고자 할 때

• Flutter 또는 Galloping과 같은 불안정성으로 부터 발생하는 하중을 구하고자 할 때

세가지 타입의 풍동 실험이 있다.

• Rigid pressure model

• Rigid high-frequency base balance model

• Aeroelastic Model

3.1.2 바람하 중



구조물 전체의 평균 풍하중과 외장재와 같은 요소의 설계를 위하여 필요한 Local peak pressure을 구하기위하여 사용하는 것이 일반적이다.

ASCE 7-05와 같이 몇 몇 풍하중 기준에서 해석적인 방법을 이용하여 비정형의 건물, 혹은 초고층 건물의풍하중을 예측하는 기법을 개발하려는 시도를 하고 있긴 하지만, 아직까지 중요한 건물의 풍하중을예측하는데 풍동실험을 널리 사용하고 있다. 특히, 커튼 월 사용이 초고층 건물에 일반화된 이 후 풍동실험에대한 요구는 점점 더 많아지고 있다.

Rigid pressure model을 이용하여 Local pressure fluctuation을 예측할 수 있지만, 모델이 aeroelastic상호작용에 대해서 민감하게 작동하지 않기 때문에 설계 풍압을 구하기 위해서는 추정(Extrapolation)이요구된다.

Rigid Pressure Model

Fluid mechanics에서는 inertia, gravity, viscosity와 surface tension등 4가지힘을 모두 고려해야 하지만, Rigid pressure model에서는 inertia를 측정하여구한 다음, Froude number, Reynolds number와 Weber number를 이용하여나머지 힘을 유추하는 방법을 사용한다.

이를 위하여 Rigid pressure model에서는 일반적으로 1:300 ~ 1:500으로축적된 모델을 풍동실험에서 사용하며, 평균 풍속의 높이에 따른 형태, 돌풍강도, 그레디언트 높이를 모사하는 것이 중요하다.

질량과 강성의 분포, 건축물 구조 주기, 모드 형상, 댐퍼의 영향을 모사할 수없음을 인식해야 하며, 이를 위해서는 Aeroelastic model이 필요하다.

3.1.2 바람하 중



초고층 건물에서 풍하중으로 인한 영향을 다음 세가지 요인으로 설명할 수 있다.

• Mean wind load

• Fluctuating load

• Inertia force

Rigid high-frequency base balance model은 Aeroelastic model보다 복잡하지 않지만, 이상의 세가지 요인을적절히 모사할 수 있다는 점에서 건물 표면에 Local pressure를 오차 범위내에서 예측할 수 있다.

Polystyrene foam과 같은 가벼운 자료를 사용하여 모델을 생성하고 기초 부분에 다양한 센서를 부착하여풍동실험동안 base moment, shear forces, torsional moment, axial force등을 측정할 수 있다.

풍동 실험동안 측정된 전도모멘트와 비틀림이 비례하다는 가정하에서 구조물의 동적응답을 구한다.

이 같은 가정은 삼방향 변위에 대해서는 충분한 정확도를 가지지만, 비틀림과 같은 회전 변위에 대해서는심각한 오차를 발생시키기도 한다.

가속도계를 통하여 각 층의 가속도를 측정하여 질량을 곱하여 각 층의 Inertia force를 구한다. 측정된 각층의 dynamic force와 함께 Inertia force를 사용하여 Peak dynamic load를 얻을 수 있으며, 이를 바탕으로Gust factor를 예측할 수 있다.

Rigid High-Frequency Base Balance Model

3.1.2 바람하 중



Aeroelastic model은 일반적인 초고층 건물에 가장 민감한 문제 중 하나인 고층부 거주자의 거주성 평가에있어서 가장 신뢰할 만한 설계 자료를 제공한다.

Aeroelastic model은 실험을 통하여 dynamic load를 직접 구하여 Gust factor를 결정하는 실험 방법이다.

일반적으로 Aeroelastic model에 사용하는 모델은 1)Stick model과 2)Multi-degree-of-freedom model이다.

초고층 건물의 동적하중은 대기의 돌풍의 Buffeting action에 의해서 발생한다. 이로 인하여 동적하중이 최대약 50%정도 증가되기도 한다.

기본적으로 Aeroelastic model은 바람에 의해서 발생하는 횡변위를 측정하는데 다양한 재현주기의 바람을적용하여 체계적이고 합리적인 바람하중에 대한 설계 데이터를 얻을 수 있다.

Aeroelastic Model

3.1.2 바람하 중

UNIVERSITY OF SEOUL바람 하중 vs 지진 하중

도시과학대학 건축학부 건축공학전공3.1.3 지진하 중

지진은 지반의 움직임으로 인하여 구조물의 질량에발생하는 관성력이 구조물이 가해지는 반면, 바람은풍속이 구조물의 입면에 풍압의 형태로 가력된다.

지진은 대부부의 바람에 비하여 작용하는 시간이 짧다.

지진의 지배 주기는 바람의 지배 주기보다 약 10 ~ 50배정도 짧다.

우측의 그림에서 보는 바와 같이 고층 건물은 바람의지배주기와 유사한 건물 주기를 가질 수 있으며, 저층건물은 고층 건물에 비하여 횡강성이 크므로 짧은 주기를가지므로 지진과 유사한 지배 주기를 가질 수 있다.

횡가력 하중의 지배 주기와 구조물의 지배주기비 슷 해 짐 에 따 라 동 적 응 답 이 증 폭 되 는공진(Resonance)현상이 발생할 수 있다.

따라서 , 일반적으로 고층건물은 바람에 의해서횡력저항시스템이 설계되며, 저층건물은 지진에 의해서결정되는 경우가 많지만, 최근의 연구에 의하여 지진의장주기 효과가 고층건물의 거동에 심각한 영향을 미치는것으로 밝혀져 지진에 대해서도 특별한 주의가 필요하다.

지구상에 존재하는 구조물이 견뎌야 할 다양한 자연재해들 있다. 이 중 구조물에 횡력의 형태로 재하되는대표적인 자연력이 바람과 지진이다. 바람과 지진은 주로 건물의 횡방향 변위를 야기시킨다는 점과 시간에따라 하중이 변하는 동적하중이라는 점에서는 유사하지만, 이 들 외력에 대한 구조물의 저항 매카니즘은 매우다른다.

UNIVERSITY OF SEOUL지진 발생 원인


각 각의 판이 서로 다른 방향으로 움직임

판의 움직임 암석의 탄성에너지로 축적 암석이 순간적 파괴 충격파와 같은 파동 발생 지진발생

지진은 각 판의 경계에서 주로 발생함.

대표적인 활성 지진대: 환태평양 지진대, 유라시아 지진대

근래에는 활성 단층을 가진 지진대 이외에도 중국의 쓰촨성 지진(2008)과 같이 판내 지진도 자주 관측됨

판구조론과 활성 지진대

3.1.3 지진하 중

환태평양지진대

유라시아지진대

UNIVERSITY OF SEOUL단층 매카니즘(Fault Mechanism)


Subduction motion

3.1.3 지진하 중

Reverse-thrust Faults

지진은 단층의 움직임에 따라 Transform motion, Diverge motion과 Subduction motion으로 구분한다.

Subduction motion에 의하여 Reverse-thrust fault가 형성되며, Diverge motion은 Normal fault, Transformmotion은 Strike-slip fault를 형성시킨다.

각 단층 매카니즘에 따라 발생되는 지진파형의 차이가 있다.

UNIVERSITY OF SEOUL단층 매카니즘(Fault Mechanism)


Transform motion & Diverge motion

3.1.3 지진하 중

Diverge motion

Transform motion

Strike slip Fault(left lateral)

Normal Faults

Strike slip Fault(right lateral)

UNIVERSITY OF SEOUL지진 파동(Seismic Waves)


지진파의 종류

3.1.3 지진하 중

Body Wave Forms Surface Wave Forms

P wave S wave Love wave Rayleigh wave

• 인장과 압축 형태 파형• 고주파 대역

• 전단 형태 파형• 저주파 대역• 본격적 지진동 시작

• 수평방향 파형• 구조물에 피해를 많이줌

• 수직방향 파형• 구조물에 피해를 많이줌

지진파의 진행

최 소 세 곳 이 상 의지진관측소에 관측된 각지진파의 지표 도착 시간과지 진 파 의 진 행 속 도 를이용하여 진앙과 진원의위치를 파악한다.

UNIVERSITY OF SEOUL지진으로 인한 구조물의 피해


지반 액상화 산사태

Niigata, Japan, 1964 Kobe, Japan, 1993 Loma Prieta, U.S.A., 1989

Surface Fault Rupture 해일 지반 진동

San Fernando, U.S.A., 1971 Seward, U.S.A., 1964 Northridge, U.S.A., 1994

UNIVERSITY OF SEOUL지진으로 인한 구조물의 피해사례


근대 내진 기준에 의해서 설계된 Olive View병원의 ‚Soft story‛ 효과에 의해서 완전붕괴.

보다 강화된 내진 기준에 따라 재설계되어재건축됨.

1994년 Northridge지진에서는 San FernandoValley지진과 같은 완전 붕괴는 피했지만,비구조체의 손상으로 막대한 피해를 다시 봄.

Olive View Hospital (San Fernando E/Q, 1971) Oakland Bay Bridge (Loma Prieta E/Q, 1989)

도시 교통망의 막대한 피해.

다 리 개 보 수 에 수 개 월 이 소 비 되 어원상복귀시까지 도시교통체증 지속됨.

Loma Prieta 지진으로 60명 이상이 사망,3,700여명이 중경상 , 12,000여명이 주택파괴로 거주지를 잃음.

UNIVERSITY OF SEOUL지진으로 인한 구조물의 피해사례


Pino Suarez Towers (Maxico E/Q, 1985) Collapsed RC structure (Kobe E/Q, 1995)

Mexico City 지진으로 1,000명 이상이사 망 , 50,000 여 명 이 주 택 파 괴 로거주지를 잃음.

40억불의 경제적 피해.

멕시코 시티의 연약지반을 통과하면지진파의 탁월 주기가 2초대로 증가되어10~20층 사이 건물에 막대한 피해를 줌.

5,000명 이상이 사망 , 26,000여명 부상 ,56,000여 채의 주택 파괴.

역사상 가장 큰 경제적 피해 인 200억불의경제적 피해.

보다 강화된 일본 내진기준 제시됨.

Kobe 지진이후 지어진 거의 모든 고층건물에대해서 면진, 제진 장치가 적용됨.

UNIVERSITY OF SEOUL국내 지진 발생 환경


역사기록에 의한 지진 발생 횟수: 1800회.

779년 경주 지진: 100여명 사망, 초가집 전파. 1643년 지진(인조실록 기록): 땅이 갈라지고 물이솟구쳤다는 기록 있슴.

규모 6.0이상의 지진: 서울지진(1518), 삼수지진(1597), 청진지진(1810).

역사지진과 계측 지진의 진앙지가 거의 일치: 역사기록의 신뢰성이 높음.

1900년 이전 역사 지진의 분포 1900년 이후 지진의 분포

UNIVERSITY OF SEOUL국내 지진 발생 환경


한반도내 단층: 후포단층, 울릉단층, 월정사단층, 양산단층, 울산단층 및 연일구조선.

단층 분포로 볼 때, 한반도 지층은 동서방향 혹은 동북동-서남서 방향의 압축응력을 받고 있음.

규모 6.0이상의 지진 발생가능성은 약 50%로 추정됨(한양대 지진 연구소).

남한지역 단층 분포 확률론적 방법에 의한 최대지진규모분포

UNIVERSITY OF SEOUL지진의 크기


Modified Mercalli Intensity, Imm

G. Mercalli가 1902년에 제안한 후 Wood & Neuman이 수정함.

인간의 반응과 지엽적인 피해에 의해 주관적인 방법으로 지진의 크기를 정의함.

역사지진의 크기를 규명하는데 유용함.

Imm 지엽적 피해 상태 Approx. PGA, g

I 민감한 계측장비가 감지할 정도<0.003

II 고층부에 거주하는 몇몇 사람만 감지 가능 정도

III 주차한 차가 약하게 움직일 정도 0.003 ~ 0.007

IV 주차한 차가 강하게 움직일 정도로 많은 사람들이 감지 가능한 정도 0.015 ~ 0.030

V 창문등의 손상을 일으키며 대부분의 사람들이 감지 가능한 정도 0.030 ~ 0.030

VI 건물의 마감이 떨어질 정도의 강도로 모든 사람들이 감지 가능한 정도 0.030 ~ 0.070

VII 건물의 구조적 손상이 일어나기 시작하는 정도 0.070 ~ 0.150

VIII 건물의 조적벽이 넘어지는 정도 0.150 ~ 0.300

IX 눈에 보일 정도의 건물의 잔류변위가 생기는 정도 0.300 ~ 0.600

X 산사태, 대부분의 조적조 건물이 전파할 정도

>0.600XI 새로 지은 건물을 제외한 대부분의 건물이 전파할 정도

XII 인공 구조물의 전파

UNIVERSITY OF SEOUL지진의 크기


Magnitude Scales Local Magnitude: Richter가 1935년에 제안함.

ML = Log[Max. Wave Amplitude (in mm/1000)]

General Magnitude: Richter의 Local Magnitude 수정식

M = Log(A)+f(d,h)+CS+CR

A: wave amplitude, f(d,h): 진원과 진원과의 거리의 함수CS: 계측위치에 대한 보정계수, CR : 지역에 대한 보정계수

파형을 근거로 한 지진 크기 척도

MS : Surface-wave magnitude (Rayleigh waves)

mb : Body-wave magnitude (P waves)

MB : Body-wave magnitude (R and other waves)

mbLg : Higher order Love and Rayleigh waves

MJMA : Japanese Long Period

Moment Magnitude: MW = (Log(MO)-16.05)/1.5

MO=mADm: modulus of rigidity

A: fault rupture area, D: fault dislocation of slip

UNIVERSITY OF SEOUL지진 가속도계 정보


지반 가속도

지진동을 정의하는 요소들: 1) 지반 가속도, 속도, 변위, 2)유효 지반 가속도와 속도, 3) Fourier amplitudespectra, 4)Bracketed Duration, 5)Response spectra

Loma Prieta Earthquake

Peak Ground Acceleration

지진 가속도는 3방향 즉 2개의 수평방향 가속도와 1개의 수직방향 가속도가 가속도계를 통하여 측정되며,일반적으로 최대 지반 가속도(Peak ground acceleration)은 발생 지진의 크기를 나타내는 중요한 척도가된다. 지반 가속도를 시간에 따라 적분을 하면 지반 속도와 지변 변위를 구할 수 있으며 유효 지반가속도와 속도는 지반 운동이 관측되는 도중 건물의 거동에 영향을 미치는 부분만을 추출하여 결정되는지반 가속도와 속도를 의미한다.



Bracketed Duration 지진은 건물에 에너지가 유입되는 것으로 해석할 수 있으며, 에너지 유입량과 건물의 에너지 소산(혹은

흡수) 능력에 따라 건물에 피해 정도의 척도로 사용될 수 있다.

에너지 유입량은 지진의 지속시간과 밀접한 관계가 있다.

지진 지속시간은 일반적으로 Bracketed Duration으로 표현하며, 다음 식으로 구한다.

Bracketed Duration = TL,0.05g – TI,0.05g

TL,0.05g : 최초로 0.05g 이상이 기록된 시간

TI,0.05g : 0.05g가 마지막으로 기록된 시간



Fourier Amplitude Spectra 지진은 다양한 주기를 가진 파동이 혼재하여 구조물에 인입되게 되며 각 파동은 다른 에너지량을 가지고

있다.

Fourier Amplitude Spectra 는 각 각의 파동의 주파수와 에너지량과의 관계를 표현한 그래프이다.

일반 지진파의 Fourier Amplitude Spectra

정현파의 Fourier Amplitude Spectra

UNIVERSITY OF SEOUL탄성 응답 스펙트럼


단자유도 시스템의 운동 방정식

탄성 단자유도 시스템 입력 지진파 운동 방정식

mk /

21

fT

m: 단자유도 시스템의 질량

c: 단자유도 시스템의 감쇠계수

k: 단자유도 시스템의 초기 탄성 강성

u: 단자유도 시스템의 변위

ug: 입력 지진파의 지반 변위

단자유도 시스템의 회전주파수:

21 D

회전주파수와 주기와의 관계:

crc

c

m

c

2단자유도 시스템의 감쇠비:

감쇠가 있는 단자유도의 회전주파수:

주파수-에너지 그래프로 표현하는 Fourier amplitude spectra처럼 지진파가 가지고 있는 파동 특성을 구조엔지니어가 익숙한 주기-변위, 주기-속도, 주기-가속도 그래프로 표현한 것이 응답 스펙트럼이다. 각 기 다른주기를 가진 탄성 단자유도 시스템에 하나의 지진파를 이용하여 가진하여 변위응답을 구하며, 변위 응답에단자유도 시스템의 회전 주파수(Circular frequency)를 곱하여 유사속도-주기(Pseudo velocity-period) 관계그래프를 얻을 수 있으며 이에 회전 주파수를 한 번 더 곱하면 유사가속도-주기(Pseudo acceleration-period)관계를 구할 수 있다. 대부분의 지진 기준에서는 가속도-주기 관계를 일반화하여 지진하중을 결정한다.



단자유도 시스템의 해석 결과

주어진 조건: 5% 감쇠비, El Centro Earthquake, 1940

Dis

pla

cem

en

t

Period, sec.0.5

0.0

1.0 1.5

2.0

4.0



단자유도 시스템의 유사 응답 스펙트럼

주기와 주파수와의 관계식:

21

fT

Peak Ground Acceleration

유사 속도 응답 스펙트럼 유사 가속도 응답 스펙트럼

유사 가속도 응답 스펙트럼은 시스템의 절점의 상대 가속도가 아닌 절대 가속도를 표현하는 것이며, 일반건축물과 같이 고유감쇠비가 비교적 작은 구조물에서 실제 가속도 응답 스펙트럼과 거의 같다.

일반 건물의 감쇠비를 2%이하로 사용하는 바람하중 관련 기준과 달리 지진기준은 5% 감쇠비를 기준으로유사 가속도 응답 스펙트럼을 지진하중의 산정에 사용한다. 이는 지진하중에 의해서 진동을 하는 건물은바람하중에 비하여 보다 큰 변형이 예상되어 에너지 소산량이 커질 것으로 예상한 결과이다.



설계 응답 스펙트럼 결정 프로세스 앞서 설명한 바와 같이 하나의 지진파에 의해 진동된 단자유도 시스템에 대하여 가속도 응답 스펙트럼을

구한 후 해당 지역에 발생 가능한 다른 지진파들을 이용하여 가속도 응답 스펙트럼을 같은 그래프에계속하여 중첩하여 그린 다음 평균값을 구하고 단순화 시켜 설계 응답 스펙트럼을 정하게 된다.



설계 응답 스펙트럼 설계 응답 스펙트럼은 크게 3구간으로 나누어진다: 1) 가속도 일정구간, 2)속도 일정구간, 3)변위 일정구간

가속도 일정구간은 아래 그림에서 1과 2의 구간으로 구조물의 강성이 질량에 비하여 강성이 커 지반가속도가 증폭되어 구조물에 그대로 전달되는 구간이다. 이 구간에 속하는 구조물은 변위는 작지만가속도는 상대적으로 매우 크다. 대부분의 건축 구조물이 속하는 속도 일정구간(아래 그림의 3)은 구조물의주기의 역수에 비례하여 가속도가 감소하는 구간이다. 근래에 계획되거나 지어진 초고층 건물 중 일부는변위 일정구간(아래 그림의 4)에 들어가는 경우가 있으며, 이 구간에서는 변위의 증가가 더 이상 증가하지않고 가속도는 극히 미미하여 지진에 의한 횡력이 매우 작은 경우가 많다.

설계 응답 스펙트럼에 의해서 구한 초고층 건물의 지진에 의한 횡력은 매우 적지만, 장주기 효과로 인하여실제 구조물에는 이보다 더 큰 횡력이 구조물로 인입되므로 이를 고려하기 위하여 기준에서는 최소 기준을정하여 설계에 반영토록 하고 있다.

UNIVERSITY OF SEOUL구조물의 탄성 주기


x

nta hCT

8.0,0724.0 xCt

9.0,0466.0 xCtRC 모멘트 골조시스템:

75.0,0731.0 xCt가새 골조시스템:

75.0,0488.0 xCt그 외골조시스템:

NTa 1.0

모멘트 골조:20층 건축물: T = 1.9 sec. 10층 건축물 : T = 1.1 sec. 단층 건축물: T = 0.15 sec.

가새 골조:20층 건축물: T = 1.3 sec. 10층 건축물: T = 0.8 sec. 단층 건축물: T = 0.10 sec.

중력댐: T = 0.2 sec.

교량 구조물: T = 20.0 sec.

철골 모멘트 골조시스템:

구조물 주기 계산 약산식

구조물 주기

탄성 응답스펙트럼을 통하여 구조물의 설계 지진력은 구조물의 주기와 감쇠비의 함수이므로 구조물의 주기는횡력지지시스템 설계에서 매우 중요하다.

UNIVERSITY OF SEOUL구조물의 감쇠비


건물 구조 형식별 고유 감쇠비

탄성 응답스펙트럼을 통하여 구조물의 설계 지진력은 구조물의 주기와 감쇠비의 함수이므로 구조물의 주기는횡력지지시스템 설계에서 매우 중요하다.

22

1

1

2ln

u

u

일반 건축물의 고유 감쇠비는 0.5 ~ 7.0%이나 지진발생시 대변형을 고려하여 대부분 5%로 가정함.

특수한 제진장치(damper)를 설치한 경우 추가감쇠는 일반적으로 10 ~ 30%

감쇠비 측정 방법

UNIVERSITY OF SEOUL내진 해석법


내진해석과 내풍해석의 가장 큰 차이점은 내진설계는 설계지진을 겪게 되면 비선형 거동을 하게 된다는가정하에 구조물의 에너지 소산 능력을 고려하여 설계지진력을 감소시켜 구조물을 설계하는 반면내풍설계는 탄성기반 설계를 수행하게 된다는 점이다.

내진 해석 vs 내풍 해석

진동제어

(공진을

회피)

구조물은

강할수록

유리

구조물은

유연할수록

유리

- 재현주기가 길다.

- 재현주기 짧다.

- 주변 건물의영향을 받는다.

- 기초하부 지반의영향을 받는다.

- 구조물을 탄성 내에서거동해야함

- 구조물을 비탄성 거동에기반을 두고있음

- 저주파수영역(주기가 길다)

- 고주파수 영역(주기가 짧다)

풍하중

지진하중



내진 해석 vs 내풍 해석

내 풍 설 계 내 진 설 계

하중-변위 곡선

입력 매카니즘 구조물입면에 대한 압력 또는 힘 구조물지반의 변위

구조물 응답 거의 정적거동 동적거동

입력하중 힘 관성력

가력형태 단조가력 반복가력

구조부재의 거동 탄성거동 비탄성거동

설계결정변수 구조물의 내력 구조물의 변위



설계 지진에 대하여 구조물이 비탄성 거동을 하는 것을 가정하였기 때문에 현재까지 다양한 해석법이 존재한다.

구조실무자의 대부분이 탄성해석에 익숙함.

비탄성 시간이력 해석에 막대한 해석시간이 요구됨.

비탄성 시간이력 해석 전용 프로그램이 부족함.

분 류 탄성 해석 비탄성 해석

정적 해석

등가 정적 해석(Equivalent lateral force method, ELF)

응답 스펙트럼 해석(Response spectrum analysis, RSA)

비선형 정적 해석(Nonlinear static method, NSA)

시간 이력 해석탄성 시간 이력 해석

(Elastic time-history analysis, ETHA)비탄성 시간 이력 해석

(Inelastic time-history analysis, ITHA)

실무에서는 주로 정적 탄성해석인 등가 정적해석 또는응답스펙트럼 해석을 사용함.

ELF RSA ETHA NSA ITHA

정확도

복잡도

해석시간

익숙도



초고층 건물의 내진 해석 프로세스

1. 구조부재 단면 가정

2. 구조물의 주기 계산

3. 설계스펙트럼 결정

4. 밑면 전단력 산정

5. 밑면 전단력 분배

6. 부재력 산정

7. 가정단면 검토

8. 횡변위 검토

초고층 건물의 횡력지지시스템의 결정을 위해 개념 설계시에는 반응수정계수를 가정한 후등가정적해석 방법을 실시하는 것이 일반적이며, 구조 시스템이 결정되고 난 후 응답스펙트럼법을이용하여 세부부재의 부재력과 요구강도를 비교하고 횡변위를 검토한다.

실시설계 단계에서는 가정단면의 비선형 특성을 고려하여 해석모델을 결정하고 건설대지의 지반의특징을 반영할 수 있는 지진파를 선정하고 성능기준을 정한다.

일반적으로 사용되는 성능 기준은 1) 72년 재현주기의 지진강도에 대해서 건물은 즉시 입주 가능의성능을, 2)500년 재현주기의 지진강도에서는 인명보호의 성능을, 3)2500년 재현주기의 지진강도에대해서는 붕괴방지의 성능을 발휘하도록 설계하는 것이다.

개념 설계(등가정적해석)

1. 지반을 고려한 설계스펙트럼 결정

2. 탄성해석 실시 후 설계고려 모드 수 결정

3. 모드 조합법 결정

4. 부재력 및 가정단면 검토

5. 횡변위 검토

예비 설계(응답스펙트럼법)

1. 지반을 고려한 지진파최소 7개 산정

2. 최소 3개 이상의 요구성능 결정

3. 부재 비선형 모델 확립 후비선형 해석 실시

4. 부재 이력곡선 검토

5. 층간 변위, 절점 가속도검토

성능기반설계(비선형시간이력해석)

UNIVERSITY OF SEOUL등가정적 해석법


초고층 건물의 주기 계산

x

nta hCT

구조시스템 Ct x

철골모멘트 골조 0.0724 0.8

RC 모멘트 골조 0.0466 0.9

가새 골조 0.0731 0.75

그 외 골조 0.0488 0.75

1차 유효 질량=총 질량,

구조물의 총무게, W = 사하중 + 일부의활하중

반응수정계수 , R: 구조물의 비선형거동을 고려한 계수

중요도계수, I: 지진발생 시 구조물의역할과 예상 인명 피해 및 사회적파장을 고려한 계수

gWM /

설계 스펙트럼과 밑면 전단력



밑면 전단력의 수직 분포

계수 k를 이용하여 고차모드의영향을 고려함.

반응 수정 계수의 도입

30 m

36 m

20 m

풍하중:노풍도 C, 기본풍속:45m/sec돌풍계수: 1.25, 속도압=1.23 kN/m2

풍하중에 밑면 전단력 = 1,806 kN지진하중:지진유효중량 = 24,020 kNCS=SD1/T(R/I)=0.48 T=1.0 sec, R=1 & I=1지진하중에 밑면 전단력 = 11,530 kN

강진지역에서는 풍하중에 대한 지진하중으로 인한 탄성 밑면전단력의 비가 일반적으로 약 6 ~ 9 배 약진 지역에서는 2 ~ 4배정도 임.

풍하중이 약한 지역이나 지반이 연약지반인 경우, 풍하중에 대한지진하중으로 인한 탄성 밑면 전단력의 비는 더욱 커짐.

설계 지진에 대해 구조물이 탄성거동하도록 설계하는 것은경제적인 측면에서 거의 불가능함.

반응 수정계수 도입



반응 수정 계수의 도입밑면전단력

0 25 50 75 100 125

2700

27001800

900

0

2224

지붕층 변위

입력 지진파 비선형 시간이력 해석 결과

El centro (1940)

최대 변위 : 약 122 mm

최대 밑면 전단력: 2411 kN

항복한 횟수: 15회



반응 수정 계수의 도입

항복 변위 : 약 23 mm 연성비=122/23=5.26

구조물의 강성 저감과 강도 저감 없이 반복하중에 대해서 견딜 수 있다면…... 구조물이 약 5 ~ 6 정도의 연성비를 확보하고 있다면…… 구조물의 고유 감쇠비가 약 5% 정도라면……

구조물은 지진에 의한 탄성 밑면 전단력의 약 20% 정도의 내력으로도 충분히 지진에 대해서 견딜 수 있다. 단, 설계지진이 끝난 후 구조부재의 소성변형으로 구조체의 손상이 예상된다.

구조시스템별 소성변형 능력과 에너지 흡수 능력에 따라 반응수정계수 도입



반응 수정 계수에 대한 가정

구조물의 설계를 위하여 비선형 변위는탄성으로 가정한 구조물의 변위와같다고 가정한다.

구 조 물 에 요 구 되 는 설 계 지 진밑면전단력은 탄성거동으로 가정한구조물의 밑면전단력보다 휠씬 작다.

밑면

전단

력/항

복내

력

0 2 4 6 10

2

변위/항복변위

4

6

0

5.77, 설계변위

설계전단력

변위증폭계수

반응

수정

계수

변위 증폭 계수의 정의 과잉력 계수의 정의



구조시스템별 성능계수

철골 구조 시스템

RC 구조 시스템

UNIVERSITY OF SEOUL응답스펙트럼법


기본해석 프로세스

각 모드에 대한Properties(주기,

형상, 모드참여계수,유효모드질량)를 구한다

전 질량의90%이상의

유효모드질량을 가진모드 수를 결정한다

응답 스펙트럼을이용하여 모드

주기에 해당하는스펙트라 가속도를

구한다

스펙트라 가속도에모드참여계수와중요도 계수를

곱하고 반응수정계를나눈다

각 모드별 변위를계산한다

각 모드별 부재력을계산한다

모드 조합법(SRSS 또는 CQC) 방법에

따라 구조물의변위와 부재력을

구한다

응답스펙트럼법으로구한 밑면전단력이

등가정적법으로 구한값에 85%이상이되도록 조정한다

정적하중으로비틀림에 대한

하중을 추가한다

조합을 통해 구한변위에

변위증폭계수를곱하고 중요도계수를

나누어 실변위를구한다.

부재력과 변위가허용범위안에 있으면

구조물 설계가끝나게 된다

다자유도 시스템인 일반적인 건물을 여러 개의 단자유도 시스템으로 분리하여 해석을 실시하므로 건물의 거동이해가 쉬우며 탄성설계 기반이므로 대부분의 구조해석 프로그램으로 구현이 가능하다. 하지만, 설계 지진에의해 건물이 진동하게 되며, 이 때 몇 몇 부재는 항복을 하게된다. 부재의 항복은 강성이 저하되기 때문에건물의 진동모드는 변하게된다. 따라서 응답스펙트럼법에서는 탄성강성으로 모드를 계산하기 때문에 부재의항복으로 인한 진동모드의 변화를 반영할 수 없어 지진하에서 건물의 실제 거동을 정확히 예측하기 힘들다.



해석 모델 요구 조건

2차원 해석모델 보다 3차원 해석모델을 사용하여 구조물의 비틀림 현상을 고려할 수 있도록해석모델을 수립해야 한다.

철근 콘크리트 구조물의 해석모델은 균열을 고려하여 부재의 강성을 고려해야 한다. 국내 및 국외의대부분의 철근 콘크리트 기준에는 해석모델에 사용해야 하는 각 부재 종류별 강성 저감 계수를명시하고 있으므로 이를 해석모델에 채용할 것을 권장한다.

철골 구조물은 접합부의 변형이 구조물 전체의 변형에 어떤 영향을 주는지는 평가할 수 있는해석모델을 수립해야 한다. 대부분의 철골 구조물의 해석모델은 접합부를 End offset을 정하여강체로 가정하는 것이 일반적이나 접합부의 전단에 보강이 적절히 이루어지지 않은 경우에는 이가정이 타당하지 않으므로 강성저감계수 (일반적으로 약 0.5~0.8)을 사용한다.

기초에 대한 정확한 데이터가 있다면 반드시 구조물을 지지하는 기초의 유연도(Flexibility)를 고려하여해석모델을 생성해야 한다. 지하구조물이 있는 구조물은 지하벽체에 강접으로 지지되므로 지진해석시지상구조물만 고려하므로 지지점을 Fixed support로 가정하는 것이 타당하나, 그렇지 않은 경우 토질전문가의 의견을 반영하여 토질의 연약도를 고려하여 모델링을 해야 한다.

일반적인 건축 구조물은 바닥 슬래브가 철근 콘크리트로 만들어지므로 강한 각막 (RigidDiaphragm)으로 가정하는 것이 타당하나 큰 개구부가 있는 경우에는 바닥 슬래브의 유연도를 고려해해석모델을 구성해야 한다.

P-D 효과는 고층건물의 붕괴에 중요한 원인이 되므로 이를 고려할 수 있는 해석모델을 수립해야 한다.현재 대부분의 상용 해석 프로그램이 P-D 효과를 고려할 수 있지만, 만약 그렇지 않은 경우에는Leaning columns을 모델링하여 P-D 효과를 고려해야 한다. 하지만, 저층건물의 경우 그 효과가지극히 미미하므로 무시할 수 있다.



응답스펙트럼법의 수학적 전개

응답스펙트럼법은 Coupled된 다자유도 구조물의 운동방정식을 여러 개의 단자유도 시스템의운동방정식으로 변환시키기 위하여 다자유도의 구조물의 모드형상을 사용한다.

다자유도 운동방정식으로 단자유도 운동방정식으로 변환하는데 직교성의 원리와 Generalcoordinating systems 도입이 필요한다.

guMRKuuCuM Coupled MDOF equation:

g

T

iiii uMRykycym Uncoupled SDOF equations:

yu Transformation:

giiii uPyyy 22

Modal damping ratio

Modal frequency

Modal participation factor

Modal frequency과 모드 형상을 나타내는 Mode shape을 구하기 위해서 고유치해석이 필요하며,이는 현재 대부분의 상용 구조해석 프로그램에서 부재의 크기와 질량을 입력하면 자동적으로 계산해준다.

Mode matrix consisting of mode vectors



응답스펙트럼법의 수학적 전개

Modal damping ratio는 Reigh damping model과 Modal damping model를 많이 사용한다.

Reigh damping의 경우, 강성과 질량과 선형 비례 또는 선형 반비례하기 때문에 직교성의 원리가적용된다. 따라서 다자유도 시스템에서의 Coupled damping model을 여러 개의 단자유도 Dampingratio로 변환할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 고차모드에서 감쇠비가 기하급수적으로 증가하여고차모드의 영향이 무시될 수 있다는 점에서 초고층 건물에 Reigh damping model을 적용할 때세심한 주의가 필요하다. 반면 Modal damping model에서는 모드에 해당하는 감쇠비를 직접입력하므로 고차모드의 영향을 설계자의 판단에 따라 고려할 수 있다는 장점이 있다.

모드참여계수(Modal participation factor)와 Modal mass등은 다음 식들로 부터 구한다.

i

T

ii

m

MP

1모드 참여 계수:

Generalized mass for ith mode

i

T

ii Mm

Mode vector for ith mode

i

T

ii

m

M2

1 Modal mass:

Modal mass는 앞서 언급한 바와 같이 얼마나 많은 모드를 응답스펙트럼 해석에 포함할 지를판단하는 기준이 되며 일반적인 경우 응답스펙트럼 모드의 Modal mass 합이 최소 90%이상이 되도록해석에 참여하는 모드의 수를 결정해야 한다. 이는 고차모드를 적절히 고려하기 위한 것으로 초고층건물 설계에서는 매우 중요하다.

UNIVERSITY OF SEOUL성능기반설계법


성능기반설계의 원리

구조물는 기본적으로 지진과 바람등의 자연재해를 포함한 외력에 대하여 적절히 저향하여 제 기능을수행할 수 있도록 설계되어야 한다. 이를 위해서는 구조물의 붕괴의 가능성을 최소화 하여 공공의안정을 보호해야 하며 광의 의미로는 소음, 진동, 환경 오염으로 부터도 인간을 보호할 수 있도록구조물이 계획되고 설계되어야 함을 의미한다. 따라서 구조물 설계에 필요한 요구사항은 다양해질 수밖에 없다. 기본적으로 비선형 거동을 가정하는 내진설계는 구조물에 대한 요구사항이 더욱더다양해질 수 밖에 없는 실정이다.

하지만 대부부의 현재 각 국에서 채용하고 있는 설계 및 건설관련 현행 기준은 내진설계에 필요한다양한 요구사항을 정하기 보다는 최소 기준만을 적용하도록 하고 있는 실정이다. 이는 최소기준만으로도 건물의 다양한 요구사항을 만족시킬 수 있음을 암시적으로 내포하고 있음을 의미한다.따라서 이 같은 암시적 의미를 증명할 수 있는 실험적, 해석적 연구결과가 많은 가장 일반적인 형태의건물에 대해서 각 국의 기준을 적용해야만 구조물의 다양한 요구사항을 만족시킬 수 있다.

초고층 건물은 이 같은 일반적인 건물의 범주에 들지 않는다. 따라서 초고층 건물의 내진설계에서는일반적인 구조물에 대한 내진설계법을 따르기 보다는 건물의 다양한 요구사항(성능)을 만족하는 지에대해서 명확히 검토할 필요가 있다.

초고층 건물의 내진설계에서의 다양한 요구사항에는 다양한 지진발 생 시 건물의 성능에 대한 것으로정의 할 수 있으며, 보다 상세히 기술하면, 구조체의 직접적인 피해를 야기시킬 수 있는 건물의절대변위, 층간 변위, 비구조물의 손상과 거주자의 거주성능에 영향을 주는 바닥의 속도나, 가속도등을 들 수 있으며, 특히 기둥과 벽체와 같은 주요 횡력 저항 요소들의 손상정도도 구조물의성능평가요소로 감안할 수 있다.

이를 위하여 현재 각광받고 있는 설계법이 성능기반설계법(Performance-Based Design, PBD)이다.



성능기반설계의 개념

구조물의 성능에 기반을 둔 내진설계를 위하여 구조엔지니어는 다음에 대해서 충분한 이해가요구된다.

예상지진의 강도별 성능기준의 의미

구조요소의 설계와 성능기준과의 관계

이같은 이해와 성능기반설계의 수행을 위하여

다양한 성능 기준(Multiple performance levels) 설정 및 검토

다양한 지진 강도(Multiple seismic events coupled with performance levels)의 선정과 타당성검토

비선형 시간이력 해석

구조부재와 비 구조부재에 대한 국지적인 손상허용 기준(Local acceptance criteria)

이 필요하다.

지금까지 발간된 대표적인 성능기반내진설계를 위한 참고문헌으로는 Vision 2000 (for New buildings),FEMA 356(for Existing buildings), FEMA 350/351(for Steel moment frame buildings)등 이다.



성능기반설계의 프로세스

Select Performance Objectives

Perform Preliminary Design

Verify Performance Capacity

Testing

Construction

성능목표(Performance Objectives): 성능기반설계에서는 건물소유주와 설계자 모두가 만족하는 성능목표 설정이 필요하며,설계자는 수치적으로 지진의 강도와 성능기준을 제시할 필요가있으며 소유주는 지진의 강도와 성능기준에 대한 이해가 요구된다

Design hazard: 지반가속도 등을 의미함

주어진 지진강도에 대한 성능기준

비선형 해석: 예비설계에서 설계된 구조물의 성능목표 달성여부는비선형 해석을 통하여 검증 작업을 거치게 되며, 통상적으로사용하는 해석 방법은 다음과 같다.

비선형 정적해석(Nonlinear static analysis)

비선형 시간 이력 해석(Nonlinear time-history analysis)

이 중 성능기반설계에서는 비선형 시간이력 해석을 사용함



Design Hazard

Design Hazard설정에는 Deterministic 방법과 Probabilistic방법이 있으나 구조물의 지진에 대한위험도 산정에 일관성으로 인하여 현재 Probabilistic Hazard를 널리 사용한다.

Probabilistic Hazard에는 다음 세가지의 경우를 고려하는 것이 일반적이다.

Low intensity shaking occurs frequently

Moderate intensity shaking occurs occasionally

Severe shaking occurs rarely

Very severe shaking occurs very rarely

Earthquake Hazard Levels (FEMA 273)

확 률 재현주기 발생빈도

50% in 50 years 72 years Frequent

20% in 50 years 225 years Occasional

10% in 50 years 500 years Rare

2% in 50 years 2475 years Very rare

이 중 10% in 50 years는 대부분의 국가에서 설계 지진(Design-Based Earthquake, DBE)으로고려하고 있는 지진의 강도인 반면, 2% in 50 years는 해당 지역에서 발생가능한 최대크기의지진(Maximum Considered Earthquake, MCE)강도를 의미한다.



성능기준(Performance Level)

해당 Design Hazard에 대하여 구조물의 허용 가능한 손상을 의미한다.

성능기준은 구조물의 종류에 의해서 결정되며 일반적으로 4가지로 구분할 수 있다.

Performance Group I : Low hazard to humans

Performance Group II : Normal buildings

Performance Group III : Structures including hazardous contents

Performance Group IV : Essential facilities

ICC Design Performance (Damage) Levels

Seismic Event

Perf.Group I

Perf.Group II

Perf.Group III

Perf.Group IV

Very Rare C.P. C.P. L.S. I.O.

Rare C.P. L.S. I.O. OP.

Occasional L.S. I.O. OP. OP.

Frequent I.O. OP. OP. OP.

C.P.: Collapse Prevention Level L.S.: Life Safety Level

I.O.: Immediate Occupancy Level OP.: Operational Level



손상레벨(Damage Level)

Operational Level(OP.)

구조체에 경미한 손상

비구조요소의 정상적인 작동

재건축비용의 5%이내의 손상

Immediate Occupancy Level(I.O.)

수리가능한 정도의 구조체의 손상

비구조요소의 경미한 손상


Life Safety Level(L.S.)

심각한 구조체의 손상; 손상 복구를 위하여 장기간의 수리가 요구됨

비구조요소의 피해는 매우 심각


Collapse Prevention Level(C.P.)

붕괴만 방지될 정도의 심각한 구조체의 손상이 예상되며 수리가 불가능할 수 있음

비구조요소의 정상작동 불가능

인명의 사망사고 발생확률이 지극히 높음

재건축비용의 30%초과의 손상



손상레벨(Damage Level)

OP. Level

I.O. Level

C.P. Level

CollapseL.S. Level

재하된 지진의 강도에 따른 구조물의 변위와 이에 따른구조물의 손상 레벨(Damage Level)

초고층건물의 경우 건물 하나가거의 도시의 기능을 수행하는 것이일반적이므로 지진으로 인한피해발생시 사회적 경제적으로미치는 영향이 다른 건물에 비해매우 클 것으로 사료된다.

비록 초고층건물이 유연성으로인하여 바람에 비하여 지진에대체적으로 유리한 구조이지만 ,피해로 인한 사회적 파장을 고려할때 Performance Group 을 다 른일반건물보다 상향하여 정할필요가 있다.

따 라 서 , 초 고 층 건 물 은Performance Group III 나 IV 로정하여 MCE 레벨의 지진에서L.S.나 I.O.의 성능을 확보할 수있도록 Performance Objectives를정하는 것이 타당하다 사료된다.

UNIVERSITY OF SEOUL

3 장 초고층 건물 구조 시스템

3.2 철근콘크리트 구조 시스템

3.2.1 단독 구조 시스템

3.2.2 복합 구조 시스템

3.2.3 하이브리드 시스템

도시과학대학 건축학부 건축공학전공3장 초고층 건물 구조 시스템

UNIVERSITY OF SEOUL

• 건물의 바닥과 공조 리벳*볼트접합 ⇒ 유연성증대• 높이증가에 따라 비틀림 발생 ⇒ 저층건물에 사용

반강접 골조 구조 (Semi-Rigid Frames)

골조 구조 시스템

도시과학대학 건축학부 건축공학전공3.2.1 단독 구조 시스템

이 건물의 강도는 구조물의 내부와외 부 기 둥 을 바 닥 보 와 기 초 에연결하는 강한 접합부에서 발휘된다.

초 기 의 고 층 건 물 은 리 벳접합에 의존 하는 반 강접합골조로 설계되었다.

Reliance Building(Chicago, 1895)

모멘트 저항 골조, 수평 수직 부재를 강접⇒ 부재들의 휨강성에 의해 횡력에 저항

강접 골조 구조 (Rigid Frames)

Lever House(New York, 1952)

UNIVERSITY OF SEOUL전단벽 구조 시스템


• 축력과 횡력을 동시에 지지하는 방식• 높은 강성 전단, 전도가 휨을 지지• 전단벽 간격 : 3.6 ~ 5.4m

개념

콘크리트 전단코어의 발전된 형태인 이 구조는 바람에 대한저항력을 극대화하기 위하여 코어와 외부골조 그리고 바닥이일체로 거동하도록 설계되었다.

Embassy Suites Hotel(USA, 1990)

Metropolitan Tower(USA, 1985)


UNIVERSITY OF SEOUL전단벽 구조 시스템


• 과거에 가장 많이 사용된 구조 시스템

• 주거공간에 사용되는 구조 방식 (일정한 면적으로 분할 구획되는 공간에 적합)

• 30층 이하 건물에 많이 사용

• 코어, 엘리베이터, 샤프트 주위에 전단벽 집중설치 (사무실 건물)

• 소수의 엘리베이터와 계단실 주위에 작은 상자형 구조물 설치, 아파트 사이에

전단벽 설치

전단벽 구조의 특징


UNIVERSITY OF SEOUL가새 구조 시스템


축강성으로 횡하중에 저항하는 수직 캔틸레버 트러스 구조

• 부재축이 축방향력의 작용점에서 교차• 강성大 연성小 ⇒ 지진력이 낮은 지역

중심축 일치 가새 구조

• 부재 중심축 불일치 ⇒ 휨과 전단력 발생• 연성大 부재량에 비해 낮은 강성

⇒ 지진력 높은 지역 ⇒ 소성 변형 분산

편심 가새 구조


UNIVERSITY OF SEOUL골조 & 가새 구조 시스템


건물의 하부에서 전단력 저항

가새 구조 ⇒ 휨 변형

건물의 상부에서 효과적 작용

강접 구조 ⇒ 전단 변형

수평변위의 효과적 작용

두 시스템의 상호 보완

트러스 설치 ⇒ 강성 증가

수직 전단

경량이지만 강한 보강 프레임 역할

트러스

골조&가새 구조Modeling


UNIVERSITY OF SEOUL골조 전단벽 구조 시스템


수평 하중에 대하여 전단벽(하부에서)과 강성골조(상부에서) 가 지지하는 형태

강한 강성을 갖는 전단벽 으로 인해 연성이 감소⇒ 적절한 강성확보

고려사항

골조 전단벽Modeling

수평하중

강접구조

전단변형

효과적인 합성 거동

전단벽

휨변형


UNIVERSITY OF SEOUL아웃리거 & 벨트 트러스 시스템


수직 전단력을 코어로부터 외주부의 기둥에 전달하는것을 이용하여 코어에서 캔틸레버 형태로 외곽부의기둥을 지탱하고 응력과 하중을 재분배 함으로서 코어의회전을 지지 및 횡적 처짐 모멘트를 저항하게 된다.

Outrigger

아 웃 리 거 트 러 스 와 직 접 적 으 로 연 결 되 지 않 은외부기둥들의 수평강성을 유도한다.

Belt Truss

불균등한 축 방향력으로 인한 기둥의 길이축소 ,온도변화로 인한 내부와 외부의 상이한 거동의 균일화의역할수행.

Cap Truss


UNIVERSITY OF SEOUL


내부 기둥 : 전단벽 또는 가새 트러스 형식의 수직트러스외주부 기둥 : 밸트 트러스(belt truss)로 연결Outrigger : 지지점 역할 - 코어의 변형 변곡점 생김 ⇒ 전체적 변형 감소

아웃리거 & 벨트 트러스 시스템


UNIVERSITY OF SEOUL



Core가 캔틸레버 거동⇒ 변위 증가

Outrigger 설치 전

Core에 변곡점 발생⇒ 변위 감소

Outrigger 설치 후

• 기계층 위치• Outrigger와 Column의 접합 ⇒

Hinge 접합 기둥 모멘트 유발방지

Outrigger&Belt TrussModeling

Outrigger 층


UNIVERSITY OF SEOUL



• 코어의 전도모멘트와 이에 동반하는 변형 감소

• 구조 시스템의 유효춤 건물 전체의 폭 증가

• 외부기둥의 간격 결정 ⇒ 미적, 기능적 고려 가능

• 경제성 : 외곽기둥을 횡하중 저항시스템으로 활용

Outrigger 장점

건물의 점유공간, 임대공간의 훼손가능성

Outrigger 단점

Trump Tower(USA, 1982)


UNIVERSITY OF SEOUL튜브 시스템


횡력 저항 구조체를 외주부로 확장⇒ 건물의 전체 폭이 모멘트에 저항

내부구조는 연직하중만 지지⇒ 설계단순

동일 구조체 평면 ⇒ 시공성 우수

건물의 외곽 기둥의 조밀한 배치

기둥 사이를 춤이 큰 보로 강접

Tubular systemModeling

존행콕타워


UNIVERSITY OF SEOUL튜브 시스템


• 외벽이 대부분의 풍하중에저항

• 내부구조는 연직하중만 지지

⇒내부기둥 및 보의 배치가 자유로우며 유연성 있는

설계가 가능하다.

• 단위면적당 사용되는 구조재료의 양이 골조건물보다

절반정도 절약

• 튜브를 이용한 구조체가 전층 동일

⇒ 시공성 향상

Tube System 장점


UNIVERSITY OF SEOULFRAME TUBE 시스템


• 수직하중, 수평하중 동시 지지• 기둥 -1.2~3m간격, 보 춤 - 60~150cm, 강접

횡력방향 평행한 면 ⇒ 강성 골조처럼 작용

⇒ 스팬드럴 보에 유연성발생⇒ 기둥과 보에 전단변형⇒ 기둥에 비선형적 응력집중⇒ 모서리 기둥 큰 응력 부담

Flange역할

Web역할

Wind

외곽기둥튜브구조의 구성

이상적인 튜브구조의횡하중에 대한 거동


UNIVERSITY OF SEOULBUNDLED TUBE 시스템


• 골조 튜브의 전단지연 ⇒ 외부 가새설치 ⇒ 횡력 부담⇒ 구조체의 휨거동• 골조 튜브보다 기둥 간격 넓게 배치 가능• 가새부재가 횡하중 평행면 전단력을 효율적 으로 지지• 모서리 기둥 트러스의 상하현재 역할

⇒ 모서리 기둥 매우 큰 하중 부담• 횡력에 효율적 수직력에 비 경제적

Wind

• 구조 평면 중간부분에 횡력 방향 구조체 삽입• 강성 증가 및 기둥 응력 불균등의 감소

평면 내부에서 전단력이 전달될 수 있는 통로가 생겨 전단지연현상을 크게 개선


UNIVERSITY OF SEOULTUBE IN TUBE 시스템


• 골조튜브의 강성을 증가시키기 위해서 내부 코어를 가새된철골 구조나 콘크리트 전단벽을 배치하는 방법으로 외부 골조튜브의 전단변형을 감소시키고 외부 튜브와 상호작용으로회전 저항능력을 향상시킨다.

• 내부코아는 외부골조의 전단변형을 감소시키고, 외부튜브와상호작용하여 구조체의 회전저항 능력을 증진시킴.

• 외부튜브는 구조물의 상부에서 풍하중을 지지함.• WTC 재건축 안 Freedom Tower(449m) 적용.

Freedom Tower


UNIVERSITY OF SEOUL

현대 건축의 추세는 다른 분야와 마찬가지로 다양한요구조건을 동시에 충조시켜 줄 수 있어야 한다. 즉, 구조적인필요조건을 만족시키면서 미적이고 기능적인 요구조건도충족시켜야 한다는 것이다.이러한 시대적 요구조건을 충족시키기 위해서 여러구조방식을 합성한 구조방식이 자연스럽게 사용되기시작하였다.이는 구조기술적인 분야의 발전 뿐만 아니라 IT기술의 발전을통한 사용이 용이한 소프트웨어의 출현 및 시대적 배경(Postmodernism)에 따르는 다양한 건축물의 용도와 디자인,이에 따라 끊임없이 발전하는 도시와 그 환경에 대한 영향에의해 더욱 많이 시도되었으며 현재에도 새로운 형식의 구조시스템이 계속 해서 선보여 지고 있다.

하이브리드 시스템의 정의


단일재료나 부재의 구조시스템에서는 실현되지 않는 구조적으로 복합적인 시너지효과를 발휘 할 수 있도록 여러 가지 방법으로 단일구조를 조합한 복합 구조

Hybrid System


UNIVERSITY OF SEOUL하이브리드 시스템의 분류


Hybrid의 구조형태적 분류

구 분 내 용 구조형식

구조 형태적

분류

1차원 hybridSRC부재, CFT, 합성보, 합성슬래브, 합성트러스, 강판내장 RC내진벽, 언본드 브레이스

2차원 hybridRC기둥+S보, SRC기둥+S(RC)보,

CFT기둥+S보

3차원 hybrid

S골조+RC내진벽, RC골조+S브레이스, 하층부 SRC+상층부(S, RC골조), 외주 S골조+내부 (RC, SRC)코어, 외주(RC, SRC)골조+내부 S골조, X방향 SRC골조+Y방향 RC골조


UNIVERSITY OF SEOUL1차원 하이브리드


가장 기본적인 구성요소로 기둥, 보, 벽, 등의 부재단면을 철골과 콘크리트로 구성

1차원 Hybrid




다른 종류의 구조부재가 하나의 골조에 혼재하기 때문에 혼합구조로 부르기도한다.주로 축력을 부담하는 기둥에는 RC, SRC, CFT부재를 사용하고 , 휨응력이지배적인 보에는 변형능력이 풍부한 Steel부재를 사용하면 매우 합리적인구조시스템을 구축 할 수 있다.

2차원 Hybrid




건물의 내부와 외부의 구성형식을 변화시키는 경우로서 RC벽 코어 주위에Steel골조를 배치하는 형식이 많이 사용된다.이때, RC코어가 수평하중을 받고 Steel골조가 수직하중을 받는 역할분담의구조방식이 이루어지며, 하층부는 SRC구조 상층부는 RC구조로 하는 등 높이방향으로 구성방식을 변화 시키는 경우도 있다.

3차원 Hybrid


UNIVERSITY OF SEOUL

3 장 초고층 건물 구조 시스템

3.3 철골 구조 시스템

3.3.1 중력 저항 시스템

3.3.2 횡력 저항 시스템

3장 초고층 건물 구조 시스템 도시과학대학 건축학부 건축공학전공

UNIVERSITY OF SEOUL중력 저항 시스템 일반

3.3.1 중력 저항 시스템 도시과학대학 건축학부 건축공학전공

건물명 완공연도 위 치 층수 높이( ) 비 고

에펠탑 1889 파리 - 300 연철사용

홈인슈어런스빌딩 1885 시카고 10 55 미국최초의 고층건물

엠파이어스테이트

빌딩1931 뉴욕 102 381 가새-강접골조

죤핸코크센타 1969 시카고 100 344 트러스튜블러구조

세계무역센타 1972 뉴욕 110 417 골조튜블러

시어스타워 1974 시카고 110 443 강구조

랜드마크타워 1993 요코하마 70 296 일본최고 강구조건축

코메르츠 은행 1997프랑크푸르

트60 259 유럽최고(합성구조)

친마오 빌딩 1998 상하이 88 421 합성구조

페트로나스 타워 1998쿠아르룸푸

르88 452 합성구조

타이페이 101 2003 타이페이 101 508 CFT구조

니나타워 2007 홍콩 80 318 강구조

상하이

국제금융센터2008 상하이 101 508 중국최고(강구조)

에펠탑 엠파이어스테이트 빌딩

랜드마크타워 상하이국제금융센터

UNIVERSITY OF SEOUL


건물명 완공년도 위 치 층 수 높이( ) 비 고

한진빌딩 1969 서울 23 82 최초 강구조 고층건축

삼일빌딩 1971 서울 31 114

대한생명빌딩 1984 서울 60 249

무역센타 1987 서울 55 229 50 국산후판사용

엘지트원타워 1990 서울 34 135 합성구조

포스코센타 1994 서울 33 136 최초 TMCP강 사용

동부금융센터 2001 서울 35 152 가새골조

하이페리온 2003 서울 69 256 주상복합건물

타워팰리스 2003 서울 69 264 주상복합건물

송도 컨벤시아 2008 인천 - - 장스팬 구조( )

롯데잠실슈퍼타

워(예정) 서울 112 555

완공되면 세계 2번째 초

고층건물

한국종합무역센터 포스코 센터

타워팰리스 3차 롯데잠실슈퍼타워


중력 저항 시스템 일반

UNIVERSITY OF SEOUL

도시과학대학 건축학부 건축공학전공3.3.1 중력 저항 시스템

중력 저항 시스템 일반

UNIVERSITY OF SEOULOPEN-WEB JOIST SYSTEMS


1) Cost-efficient, lighter-weight system and ease of installation results in lower overall project costs.

2) Open webs facilitate installation of ductwork, wiring, and plumbing

3) Longer clear spans4) Short lead time5) Various depths, grades, and sizes

available6) Various profiles available, such as parallel

cord, tapered, or radius ridge7) Manufactured to exact lengths8) Mezzanine floors for metal buildings


UNIVERSITY OF SEOULMETAL DECK SLAB


- 조립시공 및 단순한 접합상세로 인한 인건비 감소- 합성보 시스템과 함께 사용할 경우 층고절감의 효과- 건물중량의 감소- 건물의 횡력작용시 다이아프램 작용

Composite Slab PC Slab

Deck-Plate Slab

거푸집용데크플레이트

철근트러스데크플레이트

합성데크플레이트일반합성데크플레이트

내화구조용데크플레이트


UNIVERSITY OF SEOUL압축 부재 설계


Euiler : 핀 접합된 세장하고 곧은 기둥이 중심 압축력을 받으면 임계하중(Pc)에서파괴

2

2

)(Kl

EIPc

E : 영계수I : 단면2차모멘트Kl : 기둥의 유효길이

1. 세장비가 증감함에 따라 기둥의강도는 감소함

2. 길이가 짧은 기둥은 좌굴에의해파괴는 것이 아니라 재료의항복이나 압괴에 의하여 파괴됨

3. 세장비가 작으면 재료의 압괴에의해 파괴되는 반면 큰세장비에서의 파괴는 좌굴에의함




1) A와 같이 기둥라인 C2라인에서는 기둥의 약축 방향으로는보가 연결되어 있지 않음

2) B의 경우 기둥라인 B3에서 기둥의 주축방향으로 보가연결되어 있지 않음

3) 이 기둥들은 보에 대한 기둥의 강성비 (G)값은 무한대

4) 이 기둥이 바닥판에 의해 횡지지되어 있다고 고려하면기둥의 K계수는 1.0

AB




1) B는 기둥라인 C2에서, 보가 기둥의 주축방향과 약간 비스듬하게 연결되어 있는경우

2) 기둥 약축 방향의 작은 보 강성은 그 방향에서 큰값의 G_top과 G_bot을 초래하며결과적으로 큰 K계수값을 발생

3) 이러한 경우 기둥은 바닥판에 의해 약축방향으로 횡방향 지지되어 있으므로K계수는 1.0써야함

4) 가새 골조의 경우 보와 가새 부재에 대한 K계수는 1.0으로 가정

AB




2차 휨 (P-Delta 효과)

보와 기둥이 횡방향 하중, 중력하중에 의한 축 압축력등에 의해 동시에 휘게 됨


UNIVERSITY OF SEOUL가새 골조 시스템


1) Introduction

① 강접골조(Rigid frame)은 30층 이상의 건물에서는 비효율적임.

- Shear racking component의 처짐이 상당히 큰 수평 변위가 발생하기 때문.

② 이를 보완하기 위해 가새골조(braced frame)가 등장.

-개념 : 경사재와 K자형(chevron)가새와 같은 웨브재(web member)를 추가해기둥과, 보의 휨을 제거

-거동 : 수평 전단은 주로 수평 부재의 축강성으로 지지. 따라서 구조물은 순수 캔틸레버에 가깝게 거동

3.3.2 횡력 저항 시스템

바람하중(wind loading) university of seoul

Documents