수직비정형구조물의 내진취약도 분석을 위한 비선형 응답스펙트럼 = Nonlinear Response Spectrum for Seismic Fragility Analysis of Vertically Irregular Structures

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Due to the development of structural engineering technology, there is a growing demand for various types of irregular structures. Such an irregular structure induces torsion or stress concentration resulting the decrease of seismic performance capacity. Therefore, the realistic seismic performance evaluation of existing irregular structures requires detailed analysis such as dynamic analysis. However, the existing dynamic analysis methodology is not only time consuming but also there is the limitation of objective and in – depth analysis for the evaluation of seismic performance degradation and seismic vulnerability due to its irregularities. Therefore, a more rational approach is needed to analyze the seismic vulnerability of atypical structures, and it is necessary to grasp the seismic vulnerability and present a distinctive response index for it.
In this study, four low story models and two detailed medium story models were set as prototypes with various natural period and structural characteristics by modifying the member cross – sections to establish the same regular and irregular structure models. In addition, the thirty historic and artificial earthquake records with different dynamic characteristics classifying into 2%(strong), 10%(moderate), and 50%(low) probability of exceedance in 50 years were used.
The final analyzed 15,427 models were normalized by a stochastic statistical method. Based on the results, response characteristics, structural damage and energy analysis results were presented. In addition, seismic performance evaluation for each structural model was performed by plotting the nonlinear response spectra corresponding to each response index according to the suite of earthquake records. As a result, the seismic vulnerability of the irregular structures could be evaluated effectively.

국문 초록 (Abstract)

구조공학기술의 발달로 다양한 형상의 비정형형상을 가진 구조물에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 비정형구조는 비틀림이나 응력집중을 유발하여 내진성능을 저감시키게 된다. 따라서 기존 비정형구조물의 내진성능평가는 동적해석과 같은 상세한 해석을 요구한다. 하지만 기존의 동적해석방법으로는 비정형성에 따른 내진성능저하와 내진취약부를 검토하는데 있어 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 객관적이고 심층적 분석에도 한계가 있었다.
따라서 비정형구조물에 대한 내진취약도분석을 위한 보다 합리적인 접근이 필요하며 나아가 내진취약부의 파악과 이를 위한 구별된 응답지표의 제시가 필요하게 되었다.
본 연구에서는 4개의 저층모델과 2개의 세부중층모델을 프로토타입으로 설정하여 부재단면을 수정하여 다양한 고유주기 및 구조특성을 같은 정형 및 비정형구조물 모델을 설정하였다. 또한, 30개의 다양한 동적특성을 갖는 역사지진기록 및 인공지진기록을 50년 이내의 초과확률이 2%(강진), 10%(중진), 50%(약진)로 구분된 지진데이터를 이용한 비선형 시간이력해석을 수행하였다.
최종적으로 해석된 15,427개의 모델들은 확률적인 통계방법으로 정규화 되었으며, 그 결과를 토대로 형상별 응답특성과 구조손상도, 구조이력에너지 분석결과를 제시하였다. 또한 지진기록조합에 따라 각 응답지표에 따른 비선형응답스펙트럼으로 도식화하여 각 구조모델에 대한 응답지표 별 내진성능평가를 수행하였다. 연구 결과, 비정형구조물의 내진취약성을 객관적으로 확인할 수 있었으며, 특히 에너지 및 손상도지표를 통해 더욱 입체적이고 실질적인 성능평가가 가능하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구범위와 방법 3
• 2. 비정형구조물과 내진평가 4
• 2.1 국내 내진설계 현황 4
• 2.2 비정형구조물 개요 6
• 2.3 비정형구조물 현황 8
• 3. 모델설정과 해석이론 10
• 3.1 모델설정 10
• 3.1.1 프로토타입 10
• 3.1.2 모델링 12
• 3.1.2 저층 모델 15
• 3.1.2 세부 모델 17
• 3.2 해석이론 20
• 3.2.1 매개변수 설정 20
• 3.2.2 프레임 부재 23
• 3.2.3 P-Delta 효과 24
• 3.2.4 이력 모델 25
• 3.2.5 비선형 시간이력해석 29
• 3.2.6 에너지 지수 30
• 3.2.7 손상도 평가 32
• 3.3 지진 설정 36
• 3.4 응답특성의 확률적 통계 38
• 4. 수행 결과 40
• 4.1 결과 시각화 40
• 4.2 저층 모델의 성능평가 41
• 4.1.1 층간변위비 42
• 4.1.2 절대가속도 44
• 4.1.3 최대상대변위 46
• 4.1.4 층전단력 48
• 4.2 비교군-세부 모델 (중층) 수행결과 50
• 4.2.1 층간변위비 51
• 4.2.2 절대가속도 52
• 4.2.3 최대상대변위 53
• 4.2.4 층전단력 54
• 4.3 손상과 에너지 55
• 4.3.1 층 및 구조이력에너지 55
• 4.3.2 층 및 구조손상도 58
• 4.4 응답특성 종합 평가 61
• 4.5 응답특성 스펙트럼 63
• 4.4.1 응답스펙트럼 정규화 63
• 4.4.2 응답특성 스펙트럼 65
• 5. 결론 79
• 참고문헌 82
• 부록 87
• A.프로토타입 RUAUMOKO 프로그램 소스 코드 87
• A.1 저층 비정형 2 소스 87
• A.2 저층 비정형 3 소스 90
• A.3 세부 비정형 소스 93
• B. 수정 매개변수 100
• B.1 저층모델 수정 매개변수 100
• B.2 세부모델 수정 매개변수 103
• C. 사용된 지진데이터 107