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.

Fig. 1

SKDS concept

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).

Fig. 2

Kagome damper

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.

Fig. 3

Ideal Kagome structural

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.

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.

Fig. 6

Wall fiber element

Fig. 7

Perform-3d Model

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.

Table 5

Specifications of Kagome damper

Fig. 8

Hysteretic characteristics of Kagome damper

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.

Fig. 9

SKDS installation location

Table 6

Mode shape

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 S_C 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).

Fig. 10

Scaled response spectra of earthquake data

4.3 비선형 정적 해석 결과

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

Fig. 11

Pushover results

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.

Table 7

Nonlinear time-history analysis results

Fig. 12

Nonlinear time-history analysis results of SKDS

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.

Fig. 13

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

Fig. 14

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

Fig. 15

Energy dissipation by each earthquake wave

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 V_min 결정에 적용된 감쇠보정계 수 η는 다음 식 (6)에 따라 결정된 η_h보다 작지 않아야 한다.

여기서,

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.

Table 8

SKDS performance results

Fig. 16

V_h/V_he result