2.1. 해석모델

연구대상 모델로 선정한 건물은 중⋅저층 건물로서 5층의 경우를 대표모델로 하여 비교⋅분석하였다. 또한, 보-기둥 강 성비는 기존연구에서 강성비의 차에 따른 면진효과는 크지 않았으나, 그 중 가장 효과적인 면진효과를 나타낸 ρ = 0.3 ρ = ∑ beam EI b L b / ∑ column EI c L c 의 경우를 기준으로 하여 해석을 실시하 였다. 건물의 모든 부재들은 일정한 단면을 갖고 있으며 각 층의 질량과 강성의 분포는 일정한 것으로 가정한다. 구조부 재의 사이즈는 기둥은 700× 700mm, 보는 400×700mm로 모델링하였다. 본 해석에 적용된 구조재료의 강도는 콘크리 트 압축강도 27MPa, 철근의 항복강도는 400MPa이다. Fig. 1은 연구대상 건물의 평면도 및 입면도를 나타낸 것이다.

Fig. 1.

The shape of the Building

2.2. 골조의 기본 진동주기 (T1)

면진설계 전 건물의 기본 진동주기는 일반적으로 채용되 는 건물 층수에 대한 약산 식을 기준으로 식 (1)과 같은 범 위를 연구대상으로 하였다. 면진장치를 적용한 건물의 진동 주기는 기존연구에서 제시된 바에 따르면 중⋅저층 구조물 의 경우 면진 전 건물의 주기와 면진 후 건물의 주기비가 2.5배 이상, 그리고 면진주기 2.0초 이상으로 적용하여야만 충분한 면진효과를 발휘할 수 있다. 면진장치를 적용한 건물 의 기본 진동주기는 충분한 면진효과를 발휘하기 위하여 기 존에 제시된 주기비보다 더 큰 값인 3.0초로 하였다.

여기서, T=0.1N

N = 건물의 층수

2.3. 면진장치의 품질 기준

면진장치는 화학적, 물리적 및 역학적 성질이 충분히 안정 적이어야 하며 장치 제작 후 장치 전체의 품질시험 실시를 원칙으로 한다. 하지만 국내 건축기준에는 면진장치에 대한 품질기준이 지정되어 있지 않으며, 교량의 경우에는 ^{Standard Specification for Highway Bridge (2013)}에서 “각각의 유효 강성은 설계값의 ±20% 이내, 에너지면적은 -25% 이상으로 지정하고 있고, 장치 전체의 유효강성 평균값은 ±10% 이내, 에너지면적은 -15% 이상”으로 지정하고 있다. 또한, ASCE 7-10 제17장의 경우에도 “각 실험체에 대하여 유효강성과 유효강성의 평균값의 차이는 15%보다 크지 않아야 한다”라 고 정하고 있다. 일본의 경우에도 품질기준은 지정되어 있지 않으며, 각 제조회사별로 차이는 있으나 대체적으로 유효강 성의 ±15% 이내로 지정하고 있다. 이에 본 연구에서는 각 장치별로 ±15%의 편차를 만족하는 7가지 (-15%, -10%, -5%, 0%, 5%, 10%, 15%)의 면진장치 강성을 이용하여 총 16가 지 해석변수를 비교⋅분석하였다. Table 1은 해석 시 사용된 각각의 변수값을 정리하여 나타낸 것이다. Table 1에서 Case-1 은 면진층 강성의 합은 동일하고, 건물의 질량중심과 면진층 의 강성중심 차이에 따른 영향을 검토한 것이며, 이를 통하 여 포괄적인 편심율을 알아볼 수 있다.

Case-2와 Case-3은 면진층에 설치되는 장치의 강성 증가 와 감소에 따른 허용 편심율을 도출하기 위한 변수이며, 마 지막으로 Case-4는 각 장치별 강성특성을 파악해 보기 위한 변수로써 건물의 질량중심과 면진층의 강성중심의 차이는 0% 로 고정하였으며, 면진장치의 강성변화를 변수로 채택하였다.

해석에 사용된 면진장치의 이력특성은 실제 면진설계에서 적 용된 면진시스템의 특성 (이선형 모델)을 사용하였으며 (Housing & Urban Research Institute, 2005), 프로그램은 MIDAS GEN Ver. 820로 상부구조는 프레임 요소로서 모델링하고, 면진장 치는 Isolator1 요소를 사용하여 전체 모델의 국부적인 비선 형성을 모델링 하였다. 또한 상부구조의 감쇠는 5%의 점성 감쇠를 가정하였으며, 면진층 부분은 면진장치의 이력감쇠이 외에 점성감쇠는 고려하지 않았다.

3.1. 면진장치 설계

3.1.2. 면진장치 설계 및 면진시스템 구성

상기 조건에 따라 본 연구에서는 면진시스템의 구성요소 로 납봉삽입적층고무 (Lead Rubber Bearing, LRB) 장치를 사용하여 해석을 실시하였다. 면진장치는 각 기둥에 하나씩 적용하여 총 4개의 장치를 사용하였다. 다음 Fig. 2는 각각의 면진장치 이력루프를 나타낸 것으로 기본 값을 0%로 ±15% 에 대한 이력루프를 나타내었다.

Fig. 2.

Histeretic characteristics of the isolation bearing (K₁+K₂)

3.2. 입력지진동

비선형시간이력해석에 사용된 지진파는 비교적 안정된 지 반에서 관측된 기록파 (El-Centro 1940, Taft 1952) 2개와 인공지진파 1개를 선정하여 총 3개의 지진파를 사용하여 해 석을 수행하였다. KBC 2009 0306.7.4.1 (설계지진파의 선 정)에 따라 지반조건 s_D 지반의 설계스펙트럼에 적합하게 크기 를 조정 (scaling)하여 해석에 반영하였다. Fig. 3은 KBC2009 의 스케일링 방법에 따라 크기가 조정된 지진파의 응답스펙 트럼과 설계스펙트럼과의 관계를 나타낸 것이다.

Fig. 3.

Frequency contents of used earthquakes

4.1. Case-1의 결과

Table 2는 각 지진파에 따른 Case-1의 해석결과를 편심율 0%를 기준으로 상대비로 비교하여 각 지진파 별로 정리한 것이며, Fig. 4는 이를 도식화하여 나타낸 것이다. Fig. 4(a) 의 최대응답변위의 경우, 각 지진파별로 다소 차이는 있으나 면진층에서 만 큰 변위가 발생하고 있을 뿐 상부 구조물은 강체거동과 유사하게 층 변위에 차이가 거의 발생하고 있지 않는 것으로 나타났다. Fig. 4(b)의 최대응답가속도의 경우, 건물의 질량중심과 면진층의 강성중심의 편심율이 0%일 때 는 각 층의 응답가속도가 거의 일정한 분포를 나타내고 있지 만, 각 지진파 별로 다소 차이는 있으나, 편심율이 증가할수 록 상부층의 최대응답가속도는 약 15~ 25% 증가하는 양상 을 나타내었다. 또한, 하부 면진층에서도 편심율이 증가할수 록 상부층과 유사한 경향을 나타내었다. 이는 편심에 의한 구조물의 비틀림에 의해 나타난 결과라 판단된다. 최대응답 가속도의 증가율은 지진파별로 다소간 차이는 있으나 편심 으로 인한 층 가속도의 증가는 결국 상부 구조의 부재설계에 있어서 작용하중의 증가를 의미하므로 면진장치는 장치제작 후 전수검사를 실시하여 반드시 설계된 의도대로 편심이 발 생하지 않도록 장치를 재배치할 필요가 있다. Fig. 4(c)는 층 전단력 해석결과로서, 각 지진파별로 편심율의 증가에 따라 약 5% 내외에서 증감하는 경향을 나타내었다. Fig. 4(d), (e), (f)는 면진층 상부 기둥 (B열의 좌측기둥)의 부재력을 상대 비로 나타낸 것으로 축력의 경우에는 편심율의 차에 따라 큰 영향이 나타나지 않았으나, 전단력과 모멘트의 경우에는 각 지진파별로 편심이 증가할수록 부재력이 6~7% 증가하는 양 상을 나타내었다.Table 2는 각 지진파에 따른 Case-1의 해석결과를 편심율 0%를 기준으로 상대비로 비교하여 각 지진파 별로 정리한 것이며, Fig. 4는 이를 도식화하여 나타낸 것이다. Fig. 4(a) 의 최대응답변위의 경우, 각 지진파별로 다소 차이는 있으나 면진층에서 만 큰 변위가 발생하고 있을 뿐 상부 구조물은 강체거동과 유사하게 층 변위에 차이가 거의 발생하고 있지 않는 것으로 나타났다. Fig. 4(b)의 최대응답가속도의 경우, 건물의 질량중심과 면진층의 강성중심의 편심율이 0%일 때 는 각 층의 응답가속도가 거의 일정한 분포를 나타내고 있지 만, 각 지진파 별로 다소 차이는 있으나, 편심율이 증가할수 록 상부층의 최대응답가속도는 약 15~ 25% 증가하는 양상 을 나타내었다. 또한, 하부 면진층에서도 편심율이 증가할수 록 상부층과 유사한 경향을 나타내었다. 이는 편심에 의한 구조물의 비틀림에 의해 나타난 결과라 판단된다. 최대응답 가속도의 증가율은 지진파별로 다소간 차이는 있으나 편심 으로 인한 층 가속도의 증가는 결국 상부 구조의 부재설계에 있어서 작용하중의 증가를 의미하므로 면진장치는 장치제작 후 전수검사를 실시하여 반드시 설계된 의도대로 편심이 발 생하지 않도록 장치를 재배치할 필요가 있다. Fig. 4(c)는 층 전단력 해석결과로서, 각 지진파별로 편심율의 증가에 따라 약 5% 내외에서 증감하는 경향을 나타내었다. Fig. 4(d), (e), (f)는 면진층 상부 기둥 (B열의 좌측기둥)의 부재력을 상대 비로 나타낸 것으로 축력의 경우에는 편심율의 차에 따라 큰 영향이 나타나지 않았으나, 전단력과 모멘트의 경우에는 각 지진파별로 편심이 증가할수록 부재력이 6~7% 증가하는 양 상을 나타내었다.

Fig. 4.

Comparision of Analysis Results (Case-1)

이러한 효과로 Case-1의 조건이 최대지진레벨 (Maximum Credible Earthquake, MCE)에서 그 차이가 다르게 예상된 다. MCE에 대한 최대응답가속도의 경우 각 지진파별로 편 심율이 증가할수록 약 4~7% 까지 증가하는 양상을 나타내었 다. 또한, 최대응답가속도를 검토한 결과, 설계지진레벨 (Design Based Earthquake, DBE)의 해석결과와 같이 편심율이 증가 할수록 면진층 및 상부층의 최대응답가속도는 약 10~15% 증가하는 양상을 나타내었다. 층전단력의 경우에도 편심율이 증가할수록 면진층 상부의 층전단력도 약 15%전후로 증가 하는 양상을 나타내었다. MCE에 대한 부재력 해석결과, 축 력의 경우는 큰 차이를 나타내지 않았으며, 전단력 및 모멘 트의 경우는 면진층 상부로 올라갈수록 약 5% 전후로 증가 하는 양상을 나타내었다. 이처럼 면진장치로 인한 강성차가 발생하다면 DBE 및 MCE 모두를 검토가 필요할 것으로 판 단된다.

4.2. Case-2 및 Case-3의 결과

Table 3과 Table 4는 각 지진파에 따른 Case-2와 Case-3 의 해석결과를 편심율 0%를 기준으로 상대비로 비교하여 정 리한 것이며, Fig. 5와 Fig. 6은 이를 도식화하여 나타낸 것 이다. Fig. 5(a)와 Fig. 6(a)는 최대응답변위의 상대비를 나타 낸 것으로서, 면진장치의 강성증감에 따른 효과는 각 지진파 별로 차이는 있으나, 면진층에서 만 큰 변위가 발생하고 있 을 뿐 Case-1과 거의 유사한 결과를 나타내었다. 단, 강성변 화에 증감에 차이로 5~10% 증감하는 것으로 나타났다. Fig. 5(b)와 Fig. 6(b)는 최대응답가속도의 비교 결과로서 면진장 치 강성의 증감으로 인한 편심율이 증가할수록 최대응답가 속도 또한 증가하는 결과를 나타내었다. 최상층 가속도의 경 우에는 지진파에 따라 다소 차이는 있으나 약 4배까지 증가 하는 양상을 나타내었다. 이는 면진층의 강성차에 따른 증감 도 가속도 증가에 영향을 미치지만, 면진층의 총 강성합 또 한 가속도 증가에 영향을 주었기 때문이다. 그러므로 면진장 치는 장치제작 후 전수검사를 실시하여 면진층 강성의 총 합 도 반드시 설계된 의도대로 실험결과가 도출되었는지 확인 할 필요가 있다. Fig. 5(c)와 Fig. 6(c)는 층전단력의 해석결 과로서 Case-1의 결과와 유사한 결과를 나타내었다.

Fig. 5.

Comparision of Analysis Results (Case-2)

Fig. 6.

Comparision of Analysis Results (Case-3)

Fig. 5(d)5(d), (e), (f)와 Fig. 6(d), (e), (f)는 면진층 상부의 부 재력 (B열 왼쪽기둥)을 편심율 0%를 대상으로 상대비로 비 교하여 나타낸 결과로서 Case-1의 결과와 유사하게 축력 상 대비의 경우에는 큰 차이를 나타내지 않았고, 전단력과 모멘 트 상대비의 경우에는 면진층 총 합의 증감 및 편심의 증가 에 따라 면진층 상부로 올라갈수록 증가하는 양상을 나타났 으나, 그 비율도 약 18%까지 더 크게 나타났다.

4.3. Case-4의 결과

Table 5는 각 지진파에 따른 Case-4의 해석결과를 편심율 0%를 기준으로 상대비로 비교하여 각 지진파 별로 정리한 것이며, Fig. 7은 이를 도식화 하여 나타낸 것이다. Fig. 7(a) 의 최대응답변위의 경우, 면진층의 강성 증가 시에는 면진층에 서만 큰 변위가 발생하고 있을 뿐 Case-1, Case-2 및 Case-3의 해석결과와 유사한 결과를 나타내었다. 하지만 면진층의 강 성의 합이 감소할수록 기본모델의 설계 변위 보다 약 10% 정도 면진층 변위가 증가하는 것으로 나타났다.

이는 면진층 강성의 총합이 줄어 설계변위가 증가한 것으 로 판단된다. Fig. 7(b)의 최대응답가속도의 경우, 지진파 별 로 다소 차이는 있으나 편심의 발생이 없어 층의 응답가속도 분포는 크게 변화되지 않는 것을 알 수 있다. Fig. 7(c)의 층 전단력의 경우에도 면진층 강성의 증감의 영향으로 상부층 층전단력 또한 동일하게 약 10% 전후로 증감하는 양상을 나 타내었다. Fig.7(d), (e), (f)는 면진층 상부 기둥 (B열 왼쪽 기둥)의 부재력을 상대비로 나타낸 것으로 축력의 경우에는 Case-1, Case-2 및 Case-3과 유사한 결과를 나타내었다. 하 지만, 전단력과 모멘트 상대비의 경우에는 면진층 강성의 증 감에 따라 약 2~3%의 차이로 나타내었으나 건물의 수직방 향으로 그러한 차이의 분포로 일정하게 나타났다.

Fig. 7.

Comparision of Analysis Results (Case-4)