3.1 연구대상 모델

본 연구에서는 골조의 동적특성을 Roehl에 의해 제안된 바 에 따라 건물의 층 높이를 h로 하고 스팬을 2h로 하는 1경간 골조로 모델링하여 수직증축 증수에 따른 면진효과를 검토해 보고자 한다(^{Roehl, 1972}). 건물의 모든 부재들은 일정한 단면 을 가지고 있으며, 각 층의 질량과 강성의 분포는 일정한 것으 로 가정하였다. Fig. 3은 연구대상 모델을 도식화하여 나타낸 것이다.

Fig. 3

Study Model

건물의 기본 진동주기는 일반적으로 사용되는 건물의 층수 에 대한 약산 식을 기준으로 다음과 같은 범위로 정하였다.

여기서, T=0.1N, N= 건물의 층수

건물의 층수는 15층으로, 15층 시 3개층까지 증축이 가능 하다. 해석에 사용된 면진장치 이력특성은 실제 면진설계에 서 적용된 면진시스템의 특성(이선형 모델)을 사용하였다. 본 연구에서는 상기와 같은 변수들과 연구범위를 고려하여 수직증축 층수 3개와 면진주기 3개의 모델을 구성하여 9개의 모델을 해석하고 분석하였다. 지진동은 일반적으로 많이 사 용되고 있는 El-Centro EQ를 사용하여 경계비선형 시간이력 해석을 수행하였고, 해석에 사용된 프로그램은 MIDAS Gen 2018로 상부 및 하부구조는 프레임 요소로 모델링하고 면진 장치는 2축 방향으로 면진장치의 이선형적인 특성으로 모델 링하였고 기둥에 하나씩 설치하였다.

3.2 해석결과

3.2.1 3개층 수직증축 시

Fig. 4는 3개층 수직증축 시 비면진건물과 면진 건물의 주 기(2T, 3T 및 4T)에 따른 해석결과를 나타낸 그림이다. 그림 에서 알 수 있듯이 최대응답변위와 최대응답가속도의 경우 비면진건물은 수직증축 후 건물의 높이에 따라 증가하는 변 위 응답과 가속도응답을 보이고 있지만, 면진시스템을 적용 한 건물의 경우, 면진층 상부 건물의 변위 응답과 가속도응답 은 모두 유사한 응답 크기를 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 면진주기가 증가할수록 최대응답변위, 최대응답가속도 및 층전단력 저감효과는 크지 않은 것으로 나타났다. 층 전단 력 저감 효과는 비면진 건물 대비 면진주기를 2T, 3T 및 4T 모 두 약 30% 정도의 밑면전단력 저감 효과가 나타났다. 이러한 전단력의 감소는 결국 하부 구조의 작용하중의 감소를 의미 하므로 하부구조의 내진보강 물량을 줄일 수 있어 경제성 확 보가 가능할 것으로 판단된다. 이상의 결과를 바탕으로 3개층 수직 증축 시 면진층 상부 면진주기는 비면진 건물 주기의 2 배 이상을 확보하면 목표로 하는 면진효과를 얻을 수 있는 알 수 있다.

Fig. 4

Analysis results of 3 story-added

3.2.2 2개층 수직증축 시

Fig. 5는 2개층 수직증축 시 비면진건물과 면진 건물의 주 기(2T, 3T 및 4T)에 따른 해석결과를 나타낸 것이다. 3개층 수 직증축 시의 결과와 유사하게 비면진건물은 높이가 증가할수 록 변위 응답과 가속도 응답이 증가하는 경향을 나타내지만, 면진시스템을 적용한 건물의 경우 면진층 상부 건물의 변위 응답과 가속도 응답은 모두 일정한 분포를 나타내고 있는 것 을 알 수 있다. 하지만, 면진주기가 비면진건물의 주기에 2T의 경우 변위 응답은 강체거동 형태를 나타내지 않았고, 가속도 응 답의 경우 응답이 증가하는 양상을 나타내었다. 이러한 결과는 면진주기가 확보되지 못하여 발생한 것으로 판단된다.

Fig. 5

Analysis results of 2 story-added

층 전단력 저감 효과는 모든 면진주기에서 약 20%~25% 내 외로 나타났다. 위의 결과를 바탕으로 2개층 수직증축 시에는 면진층 상부 면진주기는 비면진건물 주기의 약 3배 이상을 확 보하여야만 목표로 하는 면진효과를 나타내는 것을 알 수 있다.

3.2.3 1개층 수직증축 시

Fig. 6은 1개층 수직증축 시 비면진건물과 면진 건물의 주기 (2T, 3T 및 4T)에 따른 해석결과를 나타낸 것이다. 1개층 수직 증축 시에는 2개층 및 3개층 수직증축 시와 다르게 면진주기가 2T 및 3T에서는 강체거동효과가 나타나지 않으며, 비면진 건 물과 유사한 형태의 거동을 나타내었다. 하지만, 면진주기 4T 에서는 강체거동과 유사한 형태의 변위 응답과 가속도 응답을 나타내었다. 이러한 사유는 상부에 신설되는 층의 중량이 작아 동일한 면진주기라도 면진장치의 이력특성이 Linear와 유사 한 형태로 되어 면진효과가 저감되는 것으로 판단된다.

Fig. 6

Analysis results of 1 story-added

층 전단력 저감 효과는 모든 면진주기에서 약 10%내외로 저감되는 것을 알 수 있었다. 위의 결과를 바탕으로 1개층 수 직증축 시에는 면진층 상부 면진주기는 비면진 건물 주기의 약 4배 이상을 확보하여야만 목표로 하는 면진효과를 나타내 는 것을 알 수 있다.

4.1 연구대상 공동주택

연구대상 공동주택은 1990년 초에 지어진 건축물로서 경 기도 성남시에 위치해 있으며 지상 15층 규모의 철근콘크리 트 보통전단벽식 구조이다. 대상 건물은 3개 층까지 수직증축 을 할 수 있는 건물이다. 구조재료의 강도는 콘크리트 압축강 도는 24 MPa, 철근의 항복강도는 400 MPa이다. 면진시스템 적용 전 공동주택의 주기는 1.10sec이다. 공동주택의 설계조 건은 풍하중의 경우 설계 설계기본풍속(V_O)은 26.0m/sec 이 며, 노풍도는 B이다. 지진하중의 경우 지역계수(A)는 0.22, 지 반계수는 Sd이고, 중요도 계수(I_W)는 1.5이다. 아래 Fig. 7은 연구대상 공동주택의 평면도를 나타낸 것이다.

Fig. 7

study model

4.2 풍하중 및 지진하중

건축물에 작용하는 횡하중은 크게 풍하중과 지진하중이 있 으며, 풍하중 시 면진장치는 항상 탄성에 머물러 있어야 한다. 풍하중 상태에서 면진장치가 작동할 경우 사용성 문제를 야 기할 수 있으므로 공동주택에 작용하는 풍하중을 파악하여 면진장치 설계에 반영하여야 한다. Table 1은 수직증축 전 건 축물의 기본적인 동적특성을 나타내었으며, Table 2는 건물 에 작용하는 풍하중과 지진하중을 나타내었다.

Table 1

Vibration Mode Shapes

Table 2

Wind load & earthquake load

4.3 면진장치 설계 및 배치

4.3.3 면진장치 설계 및 면진시스템 배치

상기 조건에 따라 본 연구에서는 면진시스템의 구성요소로 납삽입적층고무(Lead rubber bearing, LRB) 장치로 구성하였 고, 총 10개의 면진장치를 활용하여 각각의 면진주기에 맞게 배치하여 구성하였다. Table 3과 Fig. 8은 설계된 면진장치의 제원과 이력특성을 나타낸 것이다. Fig. 9는 각 주기에 따른 면 진장치 배치도이다.

Table 3

Details of Isolation Bearing

Fig. 8

Hysteretic characteristics of the isolation bearing

Fig. 9

Isolation plan according to Period(3 story)

5.1 입력지진동

본 해석에 적용된 입력지진동은 부지응답해석을 통해 선정 되었다. 부지응답해석을 위하여 미국의 PEER Ground Motion Database에서 세계 각국에서 측정된 암반지진기록을 선별하 였다. 선별조건은 계측된 위치의 지반조건이 암반(V_s,30 > 760m/s 이상)이며, 본 연구에서는 암반스펙트럼과의 조정계 수(Scale factor)가 0.3 ~ 3.0 정도 크기를 갖는 지진으로, 40개 의 암반지진기록을 선별하였다. 40개의 암반지진기록에 대해 부지응답해석을 수행한 후 지반조건의 설계응답스펙트럼과 편차가 적으며, 기준의 제한사항(설계응답스펙트럼의 1.3배 의 90%)을 만족시키는 7가지 지진파 set를 최적화 알고리즘 을 통하여 선정하였다. Table 4

Table 4

Damping coefficient, B_D or B_M(^ASCE7-10, Table 17.5-1)

Table 5는 위의 과정을 통하여 선정된 7개의 입력지진동을 나타낸 것이며, Fig. 10과 Fig. 11은 해석에 사용된 지진파의 설계지진레벨(Design based earthquake, DBE) 시 응답스펙트 럼과 각 지진파의 가속도 시간이력을 나타낸 것이다. 해석에 사용된 프로그램은 MIDAS GEN 2018을 사용하였다.

Table 5

Earthquake waves

Fig. 10

Frequency contents of used earthquakes(DBE)

Fig. 11

Acceleration time history

5.2 해석결과

Table 6은 면진시스템을 적용한 3개층 수직증축 건물의 경 계비선형 동적해석결과의 평균값을 3개층 수직 증축한 비면 진건물과 비교하여 나타낸 것이며, Fig. 12는 이를 도식화하 여 나타낸 것이다.

Table 6

Analysis results

Fig. 12

Analysis results comparison

최대응답변위 해석결과, 비면진건물은 높이에 따라 증가하 는 변위 응답을 보이고 있는 반면 면진시스템을 적용한 건물 의 경우 면진층에서 만 큰 변위가 발생하고 있을 뿐 상부 구조 물은 강체거동과 유사하게 층 변위에 차이가 거의 발생하고 있지 않는 것으로 나타났다. 이 때 면진층의 최대변위는 허용 변위 250㎜를 넘지 않는 것을 확인하였다.

최대응답가속 해석결과, 최대응답변위 결과와 유사하게 비 면진 건물의 경우 상부 층으로 갈수록 응답가속도가 증가하 는 양상을 보이고 있다. 하지만, 면진시스템을 적용한 건물의 경우에는 면진층 상부의 응답가속도가 거의 일정한 분포를 나타내고 있는데 이는 사용성면에서 향상된 거동을 기대할 수 있다. 또한, 지진 발생 시 내부의 전도 등을 방지하는데 크 게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.Table 6에서 알 수 있듯이 모든 지진파에 대하여 면진시스템을 적용한 건물의 최대응답 가속도가 비면진 건물의 최대응답가속도 보다 현저하게 감소 하는 경향을 보이고 있는데, 설계지진레벨에서는 X방향의 경 우에는 약 70%로, Y방향의 경우에는 약 65%의 감소를 나타 내었다. 이러한 가속도 감소는 결국 신설되는 상부구조에서 설계전단력의 감소를 의미함으로 면진시스템 적용에 따른 내 진안전 확보가 용이함을 확인할 수 있다.

층 전단력 해석결과, 설계지진레벨에서는 비면진 건물과 비교하여 X방향 및 Y방향 모두 약 30% 감소하는 것으로 나타 났다. 면진으로 인한 층 전단력의 감소는 결국 건물 하부의 내 진보강 설계에 있어서 작용하중의 감소를 의미하므로 내진보 강 물량을 줄일 수 있으며, 수직 증축 되는 층의 부재 사이즈 감소로 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.