| 2차년도 |
- 부지응답해석을 이용한 연약지반의 증폭된 지진파 도출- 연약지반의 영향을 고려한 필로티구조의 내진성능평가- 슬릿 댐퍼가 설치된 강판벽 보강기법 개발- 개발된 보강기법의 비선형 해석모델개발 - 개발된 보강기법의 최적설계기법 개발- 강판보강 실험을 통한 성능검증 - 개발된 내진보강 기법의 경제성 검토- 기존 구조체와의 연결상세 및 시공매뉴얼 개발
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- 주관연구기관((주)유경시스템)■ 1차년도에는 슬릿이 있는 강판을 이용한 내진보강효과에 관하여 연구함. 기둥 옆 여유공간에 슬릿강판을 설치하여 평면 비정형성을 상쇠하기 위하여 필요한 강성을 부가함과 동시에 지진에너지를 효과적으로 소산하는 것이 가능함.● 휨변형이 가장 크게 발생하는 기둥의 중간 부분 강판을 슬릿으로 처리하여 이력거동에 의한 지진에너지를 소산할 수 있도록 설계하고, 보강 전후 구조실험을 수행하여 성능을 검증함. ● 본 연구에서 제안된 수직강판형 댐퍼는 층높이의 강판 사이에 슬릿댐퍼를 가지고 있으며, 기존에 개발된 일반적인 형태의 댐퍼에 비하여 댐퍼에 과다한 변위가 발생하여 파단되는 것을 방지하는 stopper 기능이 추가되었고, 강판이 수직으로 연장되어 추가적인 보강프레임이나 가새가 불필요한 장점이 있음.● 슬릿 강판벽을 이용한 보강실험을 통하여 loading protocol 종료시점에서 보강재의 누적 연성도 (100 이상) 및 에너지소산량, 반복하중에 대한 안정성, stopper의 적절한 작동 여부, 붕괴방지 한계상태 (층고의 2.5%) 에서 보강재-구조체 접합부 탄성 거동, 보강재가 설치된 보 및 기둥의 안정성 등을 평가함. - 강성과 감쇠성능을 가진 슬릿강판 기둥보강기법 형상 및 연결상세개발 - 슬릿댐퍼가 내재된 강판벽 형상개발 - 비내진상세 RC 실험체 제작 - 강판보강 전후 반복하중실험을 통한 내진성능평가 - 구조 실험을 통한 보강성능 및 해석모델 검증 - 개발된 장치와 기존 구조체의 연결상세 개발 - 개발된 제품의 공사비용 산정 및 사업성 검토 - 기존 내진보강 기법과의 경제성 비교 - 공동연구기관(성균관대학교)● 본 연구에서 개발 예정인 이중 슬릿댐퍼는 내부 강판의 하부에 위치한 약한 슬릿댐퍼와 두 외부강판의 하부에 설치된 강한 슬릿댐퍼가 직렬로 연결된 형태로, 지진력이 작용하면 먼저 내부 약한 슬릿이 항복하고, 변위가 증가하면 stopper의 작용으로 힘이 외부 강판의 강한 슬릿댐퍼로 전달되어 항복이 발생함.● 따라서 작은 지진에 대해서는 내부 강판의 약한 슬릿댐퍼가 작동하며, 큰 지진이 발생할 경우에는 외부 강판의 강한 슬릿댐퍼까지 항복하여, 지진의 크기에 따라 2단계 항복거동을 보인다. ● 본 연구에서는 선형, 비선형 스프링 요소, 갭 (Gap) 요소, Hook 요소 등 다양한 링크요소 등을 직렬, 병렬로 적절히 연결하여 감쇠장치의 에너지 소산특성과 힘-변위 특성을 정확하게 표현할 수 있는 해석모델 개발하고, 유한요소 정밀해석 및 실험 결과와 비교하여 타당성을 검증함. ● 기존의 강재 슬릿댐퍼의 경우 큰 지진에 의하여 슬릿이 파단되면 댐퍼로서의 기능을 못하지만, 제안된 슬릿댐퍼는 파단 변위에 도달하기 이전에 stopper가 작동하여 결과적으로 큰 지진에도 안정적으로 거동하게 되며, stopper의 역할은 해석프로그램의 Gap 요소와 Hook 요소를 적절히 결합하여 구현 가능함.● 본 연구에서는 지진기록을 제공하는 U.S. Geological Survey, Pacific Earthquake Engineering Research, European Strong Motion Database 등의 웹사이트에서 다양한 지반조건에서 계측된 지진기록을 수집하고, 각 지반조건에 대응하는 설계응답스펙트럼과 입력지진기록의 에너지를 고려하여 지진기록을 조정(Scale)함. ● 입력지진기록을 지반조건에 대응하는 설계응답스펙트럼에 맞도록 조정하기 위하여 목표스렉트럼과 기록된 지진기록의 스펙트럼의 차이(Difference, Ds)가 최소가 되는 조정계수 (Scale Factor, α)를 도출하고, 부지응답해석에 입력되는 지진기록의 에너지가 유사하도록 지진기록의 에너지와 목표스펙트럼의 에너지를 비교하여 조정계수를 도출함. ● 해당 토층의 하부에 입력되는 지진기록에 대하여 1) 암반스펙트럼, 2) 해당 지반에 의해 증폭되는 스펙트럼의 크기와 목표설계응답스펙트럼의 적합성, 3) 입력지진기록의 에너지 등의 항목을 종합적으로 고려하여 입력지진기록의 재원에 조정계수를 적용함. ■ 비선형해석 소프트웨어인 Opensees에는 지반과 기초 및 구조물의 상호작용을 모델링할 수 있는 다양한 해석요소가 내재되어 있으며, 본 연구에서는 ATC-83 (2013) 등 지반-기초-구조물 상호작용에 관한 실용적 가이드라인에 따라 기초를 탄성의 보로 가정하고 기초 하부에 작용하는 지반의 반력을 다수의 스프링으로 모델링하는 beam on nonlinear Winkler foundation (BNWF) 모델을 사용하여 기초에 작용하는 수직, 수평, 회전강성 및 감쇠를 모델링함.
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
○ 노후구조물 저비용 내진율 향상● 현재 국내 구조물의 내진설계 적용 비율은 구조물 종류에 따라 5 ~ 50 % 정도로 매우 미흡한 상태이며, 특히 주택을 포함한 건축물의 내진율이 매우 낮은 상태임. 하지만 현행 건축물 내진보강 관련 기술의 수준은 단기간에 내진율을 크게 높이기에는 기술적 비용적 측면에서 매우 부족한 상태임. ● 본 연구를 통하여 개발 예정인 고효율 저비용 내진보강기법을 적용하여 노후 건물에 대한 내진보강을 수행함으로써 국내 구조물의 내진율을 획기적으로 개선함. ○ 내진보강기법의 다변화● 국내 내진보강기법은 건물의 기능이 우선적으로 중요시되는 공공건물이나 학교 위주로 개발되어 왔으며, 건물의 외관이나 사업성, 거주성 등이 주요한 요소인 민간건물의 내진보강에 적용하기에는 크기나 비용, 성능면에서 적절하지 않음. ● 본 연구를 통하여 소형으로 제작 가능하고 높은 에너지소산 효율을 가지는 새로운 형태의 감쇠장치를 개발함으로써, 국내 내진보강기술의 저변을 확대할 수 있음.
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| 사회 경제적 파급효과 |
○ 수입 감쇠장치의 대체효과● 최근 몇 년간 고속철도 교량의 내진보강을 위한 점성댐퍼의 수입액이 연간 2천억 이상 되는 것으로 알려져 있으며, 건물의 내진보강 분야에서도 점탄성댐퍼 등 보강 효과가 우수한 수입 제품들이 많이 적용되고 있음.● 본 연구를 통하여 개발되는 고성능 감쇠장치는 기존 수입 보강장치들에 비하여 동일한 성능에 저비용 생산이 가능하므로 수입 대체효과가 기대됨. ○ 자연재해에 대한 대비● 우면산 산사태로 인근 주택 및 아파트가 손상된 사건과 잦은 대형 화재로 인한 인명피해로, 산사태나 홍수 등 기후변화에 따른 자연재해에 대한 관심이 높아지고 있으며, 본 연구를 통하여 개발될 보강장치를 이용하여 자연재해가 우려되는 지역의 구조물 일체성 및 안전성을 향상할 수 있을 것으로 기대됨.
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| 활용방안 |
○ 필로티형 건물의 저비용 고효율 내진보강● 강성보강이나 제진장치 보강 등 기존의 내진보강기법들은 학교나 관공서 위주로 개발되었으며, 필로티형 공동주택에 적용될 경우 설치가 불가능하거나 보강 효율이 낮음.● 본 연구를 통하여 개발될 필로티형 공동주택의 내진보강기법은 증가된 강성으로 비정형성을 해소하고, 감쇠력을 부가하여 내진보강 효과를 극대화하고, 최적화기법을 적용하여 최소 물량을 최적 위치에 보강함으로써 내진보강 소요 비용을 최소화할 수 있음.● 부실시공 등으로 기둥의 내력이 부족한 경우 기둥의 강판보강과 함께 슬릿강판벽 또는 강재/PC 프레임 등으로 강성을 부가하고, 차량의 통행을 방해하지 않는 모서리 설치 에너지소산장치를 이용하여 지진응답을 절감함.● 특히 비정형성으로 인하여 작은 변위에서도 큰 손상이 발생하는 필로티구조의 특성을 고려하여 강성보강과 함께 에너지 소산성능이 최대화된 감쇠장치를 개발하여 내진보강 효과를 극대화함.○ 내진보강장치의 최적화 ● 본 연구를 통하여 개발될 내진보강 시스템은 강성, 감쇠력, 복원력 등 다양한 보강요소가 유기적으로 결합되어 있으며, 최소의 비용으로 목표 성능수준을 확보하기 위해서는 각 보강 요소의 조합, 대상 구조물의 동적인 특성, 목표성능 등 다양한 설계변수를 고려한 합리적 설계가 필수임.● 이러한 다양한 변수를 동시에 고려하여 보강장치의 최적의 조합을 도출하기 위해서는 체계적인 접근방법이 필요하며, 본 연구에서는 유전자알고리즘을 적용하여 주어진 성능목표를 만족하면서도 개발된 제품의 제작 및 설치비용을 최소화할 수 있는 최적화기술을 개발할 예정임.● 건물이 연약지반에 위치한 경우 지반의 영향을 고려한 내진성능 및 최적 보강기법은 그렇지 않은 경우와 매우 다를 가능성이 있으며, 본 연구를 통하여 필로티형 건물의 내진성능에 미치는 연약지반의 영향을 규명하고, 지반의 효과를 고려한 최적 내진보강 설계기법을 개발함.● 개발된 최적화기술은 내진보강설계 실무자가 쉽게 사용할 수 있도록 윈도우 환경에서 MIDAS GEN이나 PERFORM 3D와 같은 범용 프로그램과 연동하여 구동 가능한 프로그램으로 개발함.○ 학교 및 관공서의 저비용 내진보강 대안 제시● 본 연구를 통하여 개발될 내진보강 시스템은 기존의 보강기법에 비하여 작은 크기, 저비용, 고효율의 장점이 있어, 필로티형 공동주택뿐 아니라, 학교 및 관공서, 사무실건물의 내진보강에도 손쉽게 적용할 수 있음. - 주관연구기관(성균관대학교)● 작은 변위에도 많은 에너지를 소산하기 위하여, 소성설계 및 최적화기법을 적용하여 동일한 변위에서 댐퍼의 회전량을 극대화하기 위한 댐퍼 각 요소의 길이, 각도 등 최적 형상 결정기술을 개발함.● 모서리 설치 회전형 마찰댐퍼를 구성하는 각 요소를 모두 모델링하여 해석하는 것은 실무에 적용하기에 적절하지 않으므로, 본 연구에서는 보-기둥 접합부에 설치된 댐퍼와 동일한 이선형 거동을 하는 회전 스프링으로 모델링함. - 본 연구에서 개발 예정인 모서리댐퍼는 필로티구조의 차량통행을 방해하지 않으면서 설치가 간편하고, 강성과 감쇠력을 동시에 부가할 수 있는 장점이 있음. - 모서리에 발생하는 변위가 크지 않으므로, 댐퍼의 효율을 높이기 위해서는 변위를 증폭할 수 있는 댐퍼의 형상을 개발하는 것이 중요함. - 에너지 소산량을 극대화하기 위한 모서리 댐퍼 최적형상개발 - 모서리 댐퍼 해석모델 개발 - 개발된 장치 설치 전후 구조물의 지진 취약도 (fragility) 및 위험도 (hazard) 산정 - 개발된 보강장치의 생애주기비용 산정을 통한 경제성 분석 - 보강 전후 실험결과를 바탕으로 해석모델 검증
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