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건축구조기준(KDS)의 이해를 위한 내진설계 및 응답스펙트럼

내진설계 및 응답스펙트럼 건축구조기준 (KDS 17 00) 의 이해를 위한 “ 본 자료의 허가없는 제 3 자 유포 및 교육 / 강의 목적의 자료 공개를 금지합니다 . 원할한 자료 이해를 위하여 각 슬라이드 내 ‘ 슬라이드 노트 ’ 상 스크립트와 함께 ‘ 슬라이드쇼 ’ 로 보시길 추천드립니다 .”지진 : 지구 내부에 축적된 에너지의 급격한 변화로 인해 지표면이 흔들리는 현상 Turkey Syria, 6 Feb 2023, M w 7.81 . 지진이란 ? 다유형의 진동 ( 파장 ) 형태로 매질 에 의해서 전달되며 , 특정 주기 의 반복적 움직임을 띔 실체파 (Body Wave) 표면파 (Long wave) 속도 ★★★ 진폭 ★☆☆ 피해 ★☆☆ 속도 ★★ ☆ 진폭 ★ ★ ☆ 피해 ★ ★ ☆ 속도 ★ ☆ ☆ 진폭 ★★★ 피해 ★★ ★ 속도 ★ ☆ ☆ 진폭 ★★★ 피해 ★★ ★1. 지진이란 ?1. 지진이란 ?1. 지진이란 ? F = m * a a1. 지진이란 ? 지반에서 발생한 지진규모 구조물까지 진동을 전달하는 매질 ( 지반 ) 종류 구조물의 질량 과 지진파의 가속도 지진파의 주기 와 구조물의 고유주기 지진하중의 구성요소1. 지진이란 ? 기반암 구조물의 가속도 ( 추정 ) 건물 m k T 지반 S 1 ~ S 5 F a,v 진 원 응 답 스펙트럼 F = m * a 지반의 가속도 ( 예측 )1. 지진이란 ? 지반조사 기반암깊이 평균 Vs,soil 지반분류 행정구역 지진구역 Z 또는 지도 S F a F v S DS S D1 내진설계범주 지진력저항 시스템 구조해석법 하중 산정 중요도 내진등급 I E 응답 스펙트럼 10p 11p 12p 14~32p 33p 34p 35p 37p~52p 13p 9중요도 1. 중요도 ( 특 ) (1) 연면적 1,000 m 2 이상인 위험물 저장 및 처리시설 (2) 연면적 1,000 m 2 이상인 국가 또는 지방자치단체의 청사 ⋅ 외국공관 ⋅ 소방서 ⋅ 발전소 ⋅ 방송국 ⋅ 전신전화국 (3) 종합병원 , 수술시설이나 응급시설이 있는 병원 (4) 지진과에 따라 나타낸 그래프 ) 을 ‘ 반응 스펙트럼 ’ 이라고 하고 , 이들을 미래에 발생할 지진에 대한 설계 수단으로 활용하기 위하려 통계적으로 조합후 최대한 단순하게 수정하여 작성 한 스펙트럼이 ‘ 설계 스펙트럼 ’ 이다 . 이를 통해 내진설계시 동적해석 수행없이 바로 동적최대응답값을 유추하여 내진설계에 활용할 수 있다 . 평균전단파속도 : 지반조사시 시행하는 전단탄성파시험 (SPS 시험 , 지표에서 발생시킨 탄성파 (P 파 , S 파 ) 의 공내 심도별 도달시간 분석 ) 통해 산정 스펙트럼 : 연속성이 있는 데이터에서 뽑아낸 값으로 여러 가지가 혼재된 데이터로부터 정확히 어떤 데이터가 있는 것인지를 분리해내서 기록한 것 .5. 응답스펙트럼 h u(t) : 시간마다의 응답 f s (t) V (t ) : 밑면전단력 M (t ) : 모멘트반력 m k 운동방정식 m*x’’ + cx’ + k*x = 0 정적 평형관계에서 F = k * x ( k = 강성 , x = 변위 ) k * u(t) = f s (t) : 등가정적하중 (Equivalent Static Force) “ 등가정적하중 f s (t ) 가하면 ‘ 변형 ’ 은 동적해석을 해서 나온 u(t) 이다 .” 단자유도 (Single Degree of Freedom) 기반 유사가속도 (Pseudo-Acceleration) : “ 변위로부터 얻어진 값 ＂ 2 Wn = ( 고유진동수 , 단위 : rad/s) Wn = ( Tn = 고유주기 ) ∴ fs (t) = m * Wn * u(t) = m * A(t) 응답스펙트럼 자유도 (DOF) : 구조물의 변위를 표현하기 위하여 필요한 최소한의 독립 좌표계 수u(t) u(t) u(t) t t t u(t) m k u(t) m k u(t) m k Tn = 0.5 초 Tn = 1.0 초 Tn = 2.0 초 2.67 in 5.97 in 7.47 in u 0 : 최대응답변위 (= D ) fs (t) = m * Wn * u(t) = m * A(t ) → Wn * D = A ( 최대유사가속도 = 1.0g 2.5g 1 .5g ( 예시 ) EPA( 유효지반가속도 ) : 구조물에 영향을 주는 지반 가속도 2.5 1.5 g = 0.6g 5. 응답스펙트럼 개념 : 구조물에 대한 실제 손상 가능성 (Damage Potential) 을 정량화하기 위해 Newmark 와 Hall 에 의해 도입된 개념 . 가진범위 , 가진 주파수 성분 , 진원거리 , 감쇠특성 등이 반영된 가공된 가속도 값 . ATC 3-06 : “ 최대지반가속도 (PGA) 에 의해 정확히 반영될 수 없는 지진에 의한 실제 구조물의 손상 가능성을 표현하기 위한 개념 . 5% 감쇠 탐성 응답스펙트럼에서 0.1~0.5 초 범위의 스펙트럼가속도를 정규화계수 a F =2.5 로 나누어 산정 “설계응답스펙트럼 : 여러 반응스펙트럼 ( 특정지진기준 ) 을 통계적으로 조합 (combined), 수정 (modified) 하여 단순한 형태로 제시한 스펙트럼 . 예측 지진에 대한 설계 및 해석 수단으로 이용 . Housner (1959) : Newmark Hall (1973) : Mean ( 평균 ) MPOSD ( 평균 + 표준평차 ) RMS ( 제곱평균제곱근 ) Peak ( 최대값 ) 5. 응답스펙트럼설계응답스펙트럼 : 여러 반응스펙트럼 ( 특정지진기준 ) 을 통계적으로 조합 (combined), 수정 (modified) 하여 단순한 형태로 제시한 스펙트럼 . 예측 지진에 대한 설계 및 해석 수단으로 이용 . Seed, Ugas, Lysmer 등 (1976) : 지반조건 이 스펙트럼에 미치는 영향 최초로 연구 ATC(1978), SEAOC, IBCO, UBC (1988) 채택 가장 대표적인 설계스펙트럼 ! 5. 응답스펙트럼표준지진 : 발생지진에 대한 PGA( 최대지반 가속도 ) 만 알면 PGV, PGD 도 추정 가능 유효지반가속도 (EPA) : 구조물에 실제 영향을 주는 가속도 Review F = m * A “ 구조물에 작용하는 최대지진하중값을 알려면 시간당 a(t) 가 아닌 A ( 최대유사 가속도 , 스펙트럼 S5 0.176g 암반 얕고단단 얕고연약 깊고단단 깊고연약 구분 S1 S2 S3 S4 S5 F a 1.12 1.40 1.55 1.45 1.42 F v 0.84 1.42 1.62 2.05 2.77 S ds 0.33g 0.41g 0.45g 0.42g 0.42g S d1 0.1g 0.17g 0.19g 0.24g 0.33g S d0 0.13g 0.16g 0.18g 0.17g 0.17g T 0 0.06 초 0.08 초 0.08 초 0.11 초 0.16 초 T s 0.30 초 0.41 초 0.42 초 0.57 초 0.78 초 S1 S2 S3 S4 S5 암반 얕고단단 얕고연약 깊고단단 깊고연약 S1 S2 S3 S4 S55. 지반증폭계수 및 스펙트럼가속도 ㅇ CASE 별 설계스펙트럼 비교 1~2 층 14 층 20 층 유효지반가속도 0.176g 0.18g 0.19g 지반종류 S1 S2 S3 S4 S5 0.176g S5 깊고연약 S1 S2 S3 S4 S56 . 내진설계범주 내진설계범주 S DS 의 값 내진등급 특 I II 0.50 ≤ D D D 0.33 ≤ ＜ 0.50 D C C 0.17 ≤ ＜ 0.33 C B B ＜ 0.17 A A A S D1 의 값 내진등급 특 I II 0.20 ≦ D D D 0.14 ≦ ＜ 0.20 D C C 0.07 ≦ ＜ 0.14 C B B ＜ 0.07 A A A * 두 표에 따라 결정한 내진설계범주가 다를 경우 높은 내진설계범주로 분류함 . 지반 S2 일 경우 S= 0.217 부터 → D 지반 S3 일 경우 S= 0.186 부터 → D 지반 S4 일 경우 S= 0.142 부터 → D 지반 S5 일 경우 S= 0.100 부터 → D 지반 S2 일 경우 S= 0.217 부터 → D 지반 S3 일 경우 S= 0.200 부터 → D 지반 S4 일 경우 S= 0.201 부터 → D 지반 S5 일 경우 S= 0.231 부터 → D지진력저항시스템 결정 반응수정계수 (R) : 탄성 거동 을 기준으로 한 지진력 ( 혹은 소요 강도 ) 대비 비탄성 거동 을 기준으로진하중 계산 ( 동적해석법 ) 9 . 지진하중 응답스펙트럼해석법 선형시간이력해석법 비선형시간이력해석법 : 모드해석 , 각 모드별 응답을 중첩시켜 다자유도계 건물의 선형응답을 n 개의 단자유도 응답의 조합으로 구하는 해석법 : 가장 정확 . 시간이 많이 소요되어 성능기반설계시 외에는 일반적으로 X9 . 지진하중 지진하중 계산 ( 모드해석법 ) “ 다자유도도 단자유도 해석으로 구할 수 있지 않을까 ? “9 . 지진하중 지진하중 계산 ( 모드해석법 ) u(t) “ 맨 상단 자유도에 대하여는 u(t) 에 대한 단자유도 해석 가능 ＂ 운동방정식 m*x’’ + cx’ + k*x = 0 “ 변형형상 을 ‘ 가정 ’ 하면 하단 자유도에 대하여도 u(t) 구할 수 있음 “9 . 지진하중 지진하중 계산 ( 모드해석법 ) 푸리에 변환 (Fourier Transform)9 . 지진하중 지진하중 계산 ( 모드해석법 )9 . 지진하중 지진하중 계산 ( 모드해석법 )9 . 지진하중 지진하중 계산 ( 모드해석법 ) m m m m m = m = m = m = m = m “ 질량참여율이 클수록 지진하중에 대한 영향 ( 모드기여도 ) 이 크다 “ “ 해석에 포함되는 모드개수는 직교하는 각 방향에 대하여 질량참여율이 90% 이상 이 되도록 결정한다 . “ (KDS 41 17 00 7.3.3) 1.252 m - 0.362 m 0.159 m - 0.063 m 0.014 m 모드벡터 * 설명용 예시 : 구조물의 전체질량 중 해당 모드 ( 진동 ) 에 기여하는 질량 비율 4.415 m 유효질량 : 질량참여율 : 88.3 % 8.7 % 2.0 % 0.8 % 0.2 % 0.436 m 0.102 m 0.039 m 0.008 mm 차 모드 지진응답계수 ( C sm ) 밑면전단력 V m = C sm * W m 산정식 9 . 지진하중 m 차 모드 유효중량 ( W m ) 산정식 m m 지진하중 계산 ( 모드해석법 )산정식 층별 모드하중 F xm = C vxm * V m 모드 층전단력 , 모멘트 , 부재력 m 차 모ow}

공학/기술| 2025.06.16| 54페이지| 10,000원| 조회(64)

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