Design-oriented inelastic analysis for earthquake design of reinforced concrete structures

엄태성 서울대학교 대학원 2006 국내박사

Failure criteria and performance-based design for flat plate-column connections

최경규 서울대학교 대학원 2004 국내박사

변위계수법을 활용한 최적내진설계법 개발

이현국 연세대학교 대학원 2003 국내석사

최근 세계 여러나라에서 발생한 지진 피해들을 통해, 기존의 내진설계 규준에도 불구하고 많은 건물들이 구조요소 및 비구조 요소의 손상으로 막대한 경제적 손실이 발생하였다. 이는 지금까지 적용되어 오던 내진설계 규준이 실제 지진시 건물의 성능을 제대로 보장할 수 없다는 것을 의미한다. 이에 따라, 구조물의 피해 보고서 분석을 통해 기존 내진 규준들의 여러 가지 문제점을 극복하기 위한 연구가 활발히 수행되어, 성능에 기초한 내진설계법(Performance-based seismic design)이 제안되고 있다. 또한 구조물이 고층화, 대형화됨으로 인해 규준에 의해 고려해야할 구조적 요소가 많다. 이처럼 많은 제약 조건을 만족시키면서 최적의 구조물을 설계하기 위해 컴퓨터 프로그래밍을 이용한 다양한 최적화 기법이 개발되어 왔다. 최적화 기법들 중에서, 유전알고리즘(Genetic Algorithms, GAs)은 자연 진화에 근거한 강력한 탐색 능력과 광범위한 적용성을 가진 알고리즘이다. 특히 Goldberg가 제안한 가장 기본적인 유전알고리즘인 단순 유전알고리즘(Simple Genetic Algorithm, SGA)은 개념과 이론이 단순하고, 다른 알고리즘과 이식성이 용이한 알고리즘으로 공학적 문제를 포함한 여러 분야의 최적화 및 의사결정문제에 다양하게 쓰이고 있다. 본 연구에서는 성능에 기초한 내진설계법으로 FEMA 273에서 제시하고 있는 변위계수법(Displacement Coefficient Method, DCM)을 활용하여 최적내진설계법(Optimal Performance-Based Design, OPBD)을 개발하였다. 여기서 최적화기법으로는 단순 유전알고리즘을 사용하였다. 개발한 최적내진설계법을 철골 모멘트 골조의 최소 중량설계에 적용하여 그 유용성을 평가한다. Recently, earthquakes which broke out all over the world caused enormous damage on structural and non-structural elements to buildings, so economic loss occurred in spite of existing seismic provisions. It doesn't means that seismic provisions applied currently would guarantee buildings' seismic abilities properly. Thus, by structural seismic damage analysis, many research activities now accomplish to overcome the defects of existing seismic provision, as a result, Performance-based seismic design is suggested nowaday. Also, structures getting higher and larger, there are lots of considerations about structural elements in according to the criterion. For such restrictions, various optimization methods using computer programings have been evaluating to design optimum structures. Among those optimization methods, Genetic Algorithms has one of the most powerful searching ability based on natural evolution and extensive application area. Especially Simple Genetic Algorithms(SGA) suggested by Goldberg as most fundamental genetic algorithm is widely used in many areas including to engineering problems because of its conceptual simplicity and compatibility with other algorithms. This paper shows the new methodology of the optimal seismic design(Optimal Performance-Based Design, OPBD) using Displacement Coefficient Method(DCM) suggested in FEMA 273 that is a type of seismic design based on capacity. In this paper, SGA were used. Developed optimal seismic design(OPBD) applies to minimum weight design of steel moment frames and estimate the utility.

2차원 철골 구조물의 성능기반 최적 내진설계 모델 개발

권봉근 연세대학교 대학원 2005 국내석사

최근 발생된 지진 피해분석을 통해, 강도설계에 기반한 기존의 내진 설계법으로 구조물의 거동을 명확히 예측할 수 없음이 입증됨에 따라 성능기반 내진설계법(Performance Based Seismic Design, PBSD)이 대두 되었다. 성능기반 내진설계법은, 구조물의 비탄성 거동을 바탕으로, 구조물의 성능기준을 변위로 정량화한 변위기반 설계법이다. 하지만 기존의 강도기반 내진 설계법과 성능기반 내진 설계법을 동시에 만족시키면서 최적의 단면을 갖는 구조물을 결정하는 것은, 복잡한 과정을 반복 수행해야 하기 때문에 실무 설계 에서 바로 적용하기엔 어려움이 있다.이에 따라, 성능기반 내진설계법을 최적화 알고리즘에 적용한, 성능기반 최적 설계법(Optimal Performance Based Seismic Design, OPBSD)이 개발되었다. 본 논문에서는, FEMA 273에서 제안한 성능기반 설계법과 단순 유전 알고리즘을 결합하여 구조물의 최소중량설계에 적용한 기존의 연구성과인 「변위계수법을 활용한 최적 내진설계법」을 바탕으로, 그 제약조건을 재평가하여 알고리즘의 안정성 및 확장성을 보장할 수 있도록 수정하였으며, 다양한 성능목표에 알고리즘을 적용하여 구조물의 성능에 따른 경제성 평가를 가시화 하였다.수정된 알고리즘은 2차원 강접합 모멘트 철골구조물에 적용 가능하며, 강도 설계는 LRFD(2001) 및 IBC (2003)를 사용하였고, 성능기반 설계는 FEMA 273의 비선형 정적해석 절차를 준수하였다. 알고리즘을 SAC benchmark 3층, 9층 건물에 적용하여 다양한 성능목표에 따라 최소 중량 설계를 하였다.

산업용 강구조 건축물에 대한 사양적내화설계법과 성능내화설계법 비교

우상재 고려대학교 공학대학원 2025 국내석사

산업시설의 화재는 경제적 피해와 구조물의 붕괴 및 변형에 영향을 준다. 구조물의 붕괴와 변형을 방지하고자, 시간에 따른 구조체의 하중지지력 향상 방안으로 사양설계법과 성능기반 내화설계법을 적용하였다. 2가지 설계 방식으로 설계된 구조물은 안전에는 영향이 없으며 화재로 인한 구조체의 하중지지력 및 내화구조 시간을 확인하여 그에 따른 경제성을 비교 분석하였다. 이를 위해 1시간 내화구조 성능기준인 창고 구조물의 성능확보를 위해 사양설계법으로 설계하였다. 규모는 가로방향 111m, 세로방향 41m, 처마높이 9.0m 구조물을 샘플로 계획하였다. 일반적으로 사용하는 탄성해석 프로그램을 활용하여 수직력과 횡력에 저항할 수 있도록 부재 설계를 진행하였으며, 부재의 적합성 및 안정성을 확인하였다. 설계 후에는 강재량 및 페인트 면적을 계산하고 비용을 산정하였다. 다음은 성능기반 내화설계법으로 화재원, 화재시나리오, 화재형태를 고려하여 시간에 따른 위치별 온도를 파악하고 그 결괏값인 높이별 온도를 열 해석이 가능한 유한요소해석 프로그램에 입력하였다. 재료의 기계적 특성과 열적 특성, 경계조건을 유한요소해석 프로그램에 입력하여 시간에 따른 구조체의 온도, 변형, 응력을 확인하였다. 추가로 EN1994-1-2의 언급된 표준화재곡선을 이용하여 1시간 내화구조 성능기준인 부분 충전용 합성기둥에 제시한 방법으로 수계산을 통해 내화성능을 확인하였다. 1시간 내화구조 성능기준인 창고 건물을 예시로 비교 검토한 결과 성능기반 내화설계법이 사양설계법 보다 10.3% 경제적으로 저렴하였다.

마찰복원형 지진격리받침이 설치된 사장교의 성능기반 내진설계법 개선

윤완석 성균관대학교 일반대학원 2020 국내박사

「도로교설계기준 케이블교량편」은 일반 도로교 설계기준과 달리 성능기반 내진설계법으로서, 교량의 내진성능수준을 기능수행수준, 장기복구수준, 붕괴방지수준으로 구분하고 각 내진성능수준에 해당하는 설계지진과 목표성능 뿐만 아니라 지진해석법도 규정하고 있다. 내진성능수준별 지진해석법은 기능수행수준과 장기복구수준의 목표 내진성능을 검토하는 내진설계 단계에서는 다중모드스펙트럼해석법 또는 시간이력해석법을 적용할 수 있고, 붕괴방지수준의 내진성능 검증단계에서는 비선형 시간이력해석법을 적용해야 한다. 지진응답 산정 시 비선형 시간이력해석법은 지진격리받침의 비선형 거동 특성을 실질적으로 반영할 수 있지만, 다중모드스펙트럼해석법은 지진격리받침의 비선형 거동을 단순화하기 위해 유효강성()을 이용하여 해석한다. 마찰복원형 지진격리받침이 설치된 부산외곽순환 고속도로상의 사장교를 대상으로 동특성 분석 실험을 실시한 결과 받침 마찰면의 미끌림이 발생하기 전에는 받침의 무한강성()이나 초기강성()을 적용한 해석모델과 비슷한 거동을 보임에 따라, 받침의 유효강성()을 사용한 지진해석 모델은 지진 시 교량의 거동 특성, 즉 모드 및 고유주기 반영이 미흡한 것으로 나타났다. 또한, 해당 사장교를 대상으로 비선형 지진해석 모델을 작성하여 기능수행수준과 장기복구수준의 각 지진하중에 대해 지진해석을 수행한 결과, 비선형 시간이력해석과 다중모드스펙트럼해석 간에 지진응답은 매우 큰 차이를 나타냈고 다중모드스펙트럼해석법은 비선형 시간이력해석법보다 지진응답을 과소 평가하는 경향을 보였다. 위의 동특성 분석 실험과 비선형 지진해석 결과 마찰복원형 지진격리받침이 설치된 사장교에 대해 다중모드스펙트럼해석법을 이용하여 내진설계를 수행하면 내진성능수준별 허용손상수준 만족 여부를 잘못 판단할 수 있고, 교량의 안전성 측면에서 불합리한 설계가 될 수 있다는 사실을 확인하였다. 따라서, 사장교에 설치된 마찰복원형 지진격리받침의 실 거동 특성을 반영하여 각 내진성능수준별 받침의 지진격리효과 발휘 여부에 따라 지진해석법을 달리 적용하도록 하는 개선된 설계 절차를 제시하였다. 뿐만 아니라, 마찰복원형 지진격리받침이 설치된 사장교의 효율적인 내진설계를 위하여 받침의 마찰계수에 따른 지진응답 민감도 분석을 수행하여 각 내진성능수준별 최적마찰계수를 산출하였다.

철골 가새 골조의 성능기반 최적 내진설계법 개발

박지형 연세대학교 대학원 2006 국내석사

Through damage analysis about recent earthquakes broking out all over the world, it is proved that existing building codes for seismic design do not expect the behavior of building. So Performance Based Seismic Design(PBSD) based on inelastic behavior is proposed.$$a$$aHowever, it is difficult for PBSD to apply directly in practical affairs owing to complexity of its theory. Also, it can lower efficiency and economical efficiency in complicated structure design.$$a$$aTherefore, Optimal Performance Based Seismic Design(OPBSD) is developed, which is combined PBSD with optimization algorithm.$$a$$aThe study of this thesis is based on 「Optimal Seismic Design using Displacement Coefficient Method」 and 「Optimal Performance Based Seismic Design Model for 2D Steel Moment Resisting Frames」, modifies the OPBSD algorithm to be provided with the actually structures adding braces and evaluates the economical efficiency to performance of buildings through applying the algorithm to multi performance objectives.$$a$$aThe modified algorithm can be applied to steel moment resisting frames and braced steel frames. The strength design uses LRFD(2001) and IBC 2003 and Performance Based Seismic Design follows nonlinear static procedure of FEMA 356.$$a$$a 최근 세계 각국에서 발생한 지진피해 분석을 통해, 기존의 내진설계 규준이 지진발생시 구조물의 실제 거동을 명확히 예측, 평가할 수 없음이 입증되었다. 이에 따라, 비탄성 거동을 바탕으로 한 성능기반 내진설계법(Performance Based Seismic Design, PBSD)이 제안되었다.$$a$$a그러나 성능기반 내진설계법은 그 이론이 복잡하여 실무에 직접 적용하기 어렵고 설계자의 경험이나 직관에 의존한 설계법은 복잡한 구조 설계에서 효율성 및 경제성을 저하시킬 수 있다.$$a$$a이러한 문제점을 해결하기 위하여 성능기반 내진설계법을 수치해석 기반의 최적화 기법에 적용한, 성능기반 최적 내진설계법(Optimal Performance Based Seismic Design, OPBSD)을 개발하였다.$$a$$a본 논문에서는, 기존의 연구 성과인 「변위계수법을 활용한 최적 내진설계법」과 「2차원 철골 구조물의 성능기반 최적 내진설계 모델 개발」을 바탕으로, 강접합 모멘트 철골구조물에 가새를 추가하여 보다 현실적인 구조물에 대하여 적용이 가능해지도록 알고리즘을 수정하였으며, 구조물의 다양한 성능목표에 따른 경제성 평가를 가시화 하였다.$$a$$a개선된 성능기반 최적 내진설계법은 철골 모멘트 골조와 철골 가새 골조에 적용할 수 있다. 강도 설계는 LRFD 2001과 IBC 2003을 사용하였고, 성능기반 내진설계는 FEMA 356의 비선형 정적해석 절차를 따랐다. SAC benchmark 3층과 9층 구조물에 가새를 추가시켜 다양한 성능목표에 따라 최소 중량설계를 하고, 그 유용성을 평가하였다.$$a$$a

2차원 가새 구조물의 다목적 최적 성능기반 내진설계 모델 개발

최세운 연세대학교 대학원 2007 국내석사

최근 발생된 지진 피해분석을 통해, 강도설계에 기반한 기존의 내진 설계법으로 구조물의 거동을 명확히 예측할 수 없음이 입증됨에 따라 성능기반 내진설계법(Performance Based Seismic Design, PBSD)이 대두 되었다. 성능기반 내진설계법은, 구조물의 비탄성 거동을 바탕으로, 구조물의 성능기준을 변위로 정량화한 변위기반 설계법이다. 하지만 기존의 강도기반 내진 설계법과 성능기반 내진 설계법을 동시에 만족시키면서 최적의 단면을 갖는 구조물을 결정하는 것은, 복잡한 과정을 반복 수행해야 하기 때문에 실무 설계 에서 바로 적용하기엔 어려움이 있다.이에 따라, 성능기반 내진설계법을 최적화 알고리즘에 적용한, 성능기반 최적 설계법(Optimal Performance Based Seismic Design, OPBSD)이 개발되었다. 본 논문에서는, FEMA 356에서 제안한 성능기반 설계법과 유전 알고리즘을 결합하여 구조물의 경제성 및 구조물의 성능을 동시에 평가하는 알고리즘을 개발하였다. 경제성은 설계된 구조물의 중량을 이용하여 평가하였으며, 비선형 정적해석 시 최대 층간 변위율을 이용하여 구조물의 성능을 평가하였다.본 논문에 제시된 알고리즘은 2차원 중심 가새 철골구조물에 적용 가능하며, 강도 설계는 LRFD(2001) 및 IBC (2003)를 사용하였고, 성능기반 설계는 FEMA 356의 비선형 정적해석 절차를 준수하였다. 알고리즘을 Sabelli(2000) 보고서의 3층과 6층 건물에 적용하였다.

슬래브 유효 휨 강성을 고려한 벽식 구조시스템의 내진성능평가

박서윤 전남대학교 2024 국내석사

내진설계범주가 D이고 높이 60m 이상인 내력 벽식 공동주택은 특수전단벽을 사용해야 하나, 시공성과 품질확보 등 어려움이 존재하기 때문에 기술적으로 안전성이 검증된 대안적 시스템인 보통전단벽의 사용을 허용하고 있다. 현재 성능기반 내진설계 사례를 보면 벽식 구조를 설계할 때 슬래브의 휨 강성을 고려하지 않고 슬래브가 수 평 하중에 대한 강체 거동(Rigid Diaphragm)을 하는 것으로 해석하는 경우가 대다수이다. 모든 구조 부재와 접합부의 성능을 합리적으로 고려해야 비선형 해석을 통한 성능 기반 설계의 취지에 부합하다. 슬래브의 휨 강성을 고려하기 위한 대표적인 방법으로는 유한요소법(FEM)과 유 효보폭법이 있다. 유한요소법은 슬래브를 유한개의 요소로 분할하여 수치 해석하는 방법이고, 유효보폭법은 슬래브를 동일한 강성을 갖는 보로 치환하여 설계하는 방법이다. 유한요소법을 사용하여 해석하면 해석 시간이 많이 소요되기 때문에 무량판 구조의 경우 유효보폭법을 사용하여 해석하는 것이 일반적인 관행이다. 본 연구에서는 유효보폭법을 벽체-슬래브로 이루어진 벽식 구조물에 확대 적용하여 성능기반설계를 하고자 한다. 연속된 슬래브와 단부 슬래브를 고려한 Grossman (1997)과 Choi & Song (2005)의 유효보폭법을 고찰하고자 한다. 유효보폭의 정확성을 비교하기 위해 벽식 구조에서 나올 수 있는 배치인 병렬 배치, 직렬 배치, T가 배치, L자 배치로 나누어 해석하였으며, 이를 강체 거동을 한 경우와 유효보폭법을 사용한 경우, 유한요소로 해석한 경우를 비교하였다. 유효보폭법 사용의 편의를 위해 벽체의 길이와 벽체 사이의 간격을 비교하며 적절한 사용법을 찾고자 하였다. 이후 벽식 구조인 본모형에 적용하여 내진성능평가를 하였고, 유효보폭법 사용의 필요성과 슬래브 휨 강성을 고려하는 것의 중요성을 강조하였다. Seismic design category D and RC shear buildings with a height exceeding 60 meters are required to use special shear walls. However, due to difficulties such as securing construction performance and quality, alternative system using ordinary shear walls, which have been technically validated for safety, is permitted. Present peer reviews of performancebased seismic design often interpret slabs as exhibiting rigid diaphragm behavior under horizontal loads without considering flexural stiffness of slab. In performance-based design through nonlinear analysis, it is essential to consider all structural components and connections. To consider flexural stiffness of slabs, representative methods are Finite Element Method (FEM) and Effective Beam Width Method. Finite element method involves dividing slab into finite number of elements for numerical analysis, and effective beam width method involves designing slab by replacing them with beams of equal stiffness. In using the finite element method for analysis, significant computational time is often required. It is common practice to use effective beam width method for analysis of flat slab structures. Study is aiming effective beam width method to wall-slab systems in wall-type structures for performance-based design. Effective beam width method includes considering continuous slabs and edge slabs, as addressed by Grossman(1997) and Choi&Song(2005). To compare accuracy of effective beam width method, various configurations common in wall structures were analyzed: parallel arrangement, series arrangement, T-shaped arrangement, and L-shaped arrangement. These were compared with case of rigid diaphragms, case of using effective beam method, and case of using finite element method. For convenience of applying effective beam width method, comparisons were wall length and spacing between walls, tried to find appropriate use. These methods were applied to a prototype wall structure for seismic performance evaluation. Study emphasized necessity of using effective beam width method and considering flexural stiffness of slabs in wall structures.

비선형정적해석을 이용한 철골 모멘트 골조의 연쇄붕괴저항설계

박정아 고려대학교 대학원 2013 국내석사

본 연구에서는 비선형정적해석을 통해 3층 철골모멘트저항골조 건물의 연쇄붕괴저항성능을 평가하고자 한다. 기존 구조물의 성능평가는 선형정적해석에 근간을 두고, 건물의 내진설계를 위해서 비선형지진해석을 수행해왔다. 그러나, 연쇄붕괴해석은 비선형지진해석과는 다른 즉, 지진하중을 수평적으로 작용하고 이에 대응하는 수평다이아프램은 간단히 모델링되는 반면, 연쇄붕괴하중은 수직적으로 작용하기 때문에 이에 대한 수평다이아프램은 더욱 많은 접합과 긴결한 상세들이 요구되므로 일반 실무자들이 사용하기에 용이하지 않다. 이에 본 연구에서는 MODS(Ver.800)와 같은 상업적으로 유용한 구조해석 Software를 사용하여 사례분석을 수행함으로써, 연쇄붕괴해석의 원리를 재검토하여 연직붕괴하중에 의한 허용가능한 연성과 회전한계의 평가에 따라 “연쇄붕괴방지설계법과 보강방안”을 수행하는데 있어서 기초자료를 제공하고자 한다. 더욱이, 본 연구는 실무엔지니어들이 연쇄붕괴해석을 쉽게 이해하고 손쉽게 실무에 적용하여 사용하기에 편리하도록 하기 위함이다. In this study, the resisting capacity of 3-story steel moment frame against progressive collapse was evaluated. The performance evaluation of the existing structures have been conducted by nonlinear analysis based on the linear static analysis for the seismic design. However, the progressive collapse analysis is different from the nonlinear seismic analysis in that the seismic load acts horizontally while the progressive collapse load acts vertically. Consequently, while the horizontal diaphragm for the seismic load can be modeled simply, the diaphragm for the progressive collapse load requires more connections and details so the engineers cannot perform the modeling easily. Therefore, this study aims to provide a fundamental data to the “progressive collapse resistance design and reinforcement scheme” from the evaluation result of allowable ductility and the rotation capacity of structures. For this purpose, the case studies using commercial structural analysis softwares including MODS(Ver.800) were conducted, and a principle of the progressive collapse analysis was reviewed. The main goal of this study is to help engineers in understanding the progressive collapse analysis and applying it to their projects in the most convenient way.