Seismic behavior evaluation of steel special moment frame...
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붕괴여유도평가를통한구조시스템의내진성능평가
전남대학교 건축공학과 송진규
Contents
01. 내진성능평가방법
02. 내진성능평가
03. 건축구조기준 개정
01
12
26
내진성능평가방법01
FEMA P695의 내진성능 평가방법
1
CMR (Collapse Margin Ratio)
βTOT (불확실성 평가 지표)
ACMR (Adjusted Collapse Margin Ratio)
붕괴확률 평가
R (반응수정계수)
Cd (변위증폭수)
Ω (초과강도계수)
SPF 산정
산정된 SPF
VS.
규준 상의 SPF
내진성능 평가
기존의 SPF(Seismic Performance Factor) FEMA P695 방법론에따른 SPF
내진성능평가방법01
FEMA P695의 내진성능 평가방법
2
방법론의핵심요소
- 한국 실정을 고려한 20 지진파 사용
- FEMA P695 : 22 지진파 사용- PERFORM 3D, MIDAS 이용
- Pushover 해석
- IDA(Incrermental Dynamic Analysis)
-경계요소를갖는 구조벽체의
실험 데이터 활용
- KBC2009, KBC2016(안) 적용
내진성능평가방법01
비선형 해석 수행
시스템 재 설정&
재평가
Ω0, Cd 확정
YES
NO
구조 설계concept 설정
구조시스템의표준모델 선정
ACMROK?
CMR 계산(collapse
margin ration)
ACMR 계산 및 평가(Adjusted Collapse
Margin Ration)
규준, 실험데이터,비선형 모델에 대한
질적 평가 수행
ΒTOT 계산(total systemuncertainty)
3
FEMA P695의 내진성능 평가 절차
붕괴여유도 평가를 통한
구조시스템의 SPF 산정
내진성능평가방법01
FEMA P695의 내진성능 평가방법_Performance Group
4
• Maximum of highest SDC
- high gravity loading
• Maximum of highest SDC
- low gravity loading
• Minimum of highest SDC
- high gravity loading
• Minimum of highest SDC
- low gravity loading
- 지진하중과 중력하중의 조합
지진하중의 정의
중력하중의 정의
붕괴메커니즘에 영향을 주는 수직하중의분담율을 고려하여정의
concrete slabsperimeter framenon-bearing wall
metal deck space framebearing wall
vs.vs.vs.
EX. High gravity vs. Low gravity
내진성능평가방법01
FEMA P695의 내진성능 평가방법_Archetype model
5
- 구조 시스템의 특징적인 거동을 표현할 수 있는 최소의 형상 선택
EX. RC MF system의 Index Archetype Model
선택된 형상을 기본으로 하여 구조물의 층수, 층고, 평면의 치수, 스팬에 대한 범위를 변화시켜
해석 대상 모델 결정
내진성능평가방법01
FEMA P695의 내진성능 평가방법_Pushover 해석을 통한 Ω, μT 산정
6
𝝁𝑻 =𝜹𝒖
𝜹𝒚,𝒆𝒇𝒇, 𝜴 =
𝑽𝒎𝒂𝒙𝑽
𝑉𝑚𝑎𝑥 : 최대 밑면전단력
𝑉 : 밑면전단력(최초로 유의미한 항복이 발생한 지점)
0.8𝑉𝑚𝑎𝑥 지점까지가력
내진성능평가방법01
FEMA P695의 내진성능 평가방법_IDA를 통한 CMR(붕괴 여유비) 산정
7
20개의 지진파에 대한 IDA 수행 SCT 도출 CMR 산정
SMT : Maximum considered earthquake ground motion(설계규준)
SCT : 구조물의 절반이 붕괴에 도달하게 되는 지반가속도
CMR = SCT / SMT
내진성능평가방법01
FEMA P695의 내진성능 평가방법_ACMR의 산정
8
ACMR=SSF×CMR
SSF(spectral shape factor) : 주기에 따른 응답의 특성 반영을 위한 계수
SFF_ SDC B, SDC C, or SDC Dmin SFF_SDC Dmax
내진성능평가방법01
FEMA P695의 내진성능 평가방법_𝛽𝑇𝑂𝑇(total system collapse uncertainty)계산
9
𝜷𝑻𝑶𝑻 : 불확실성을 반영하는 지표
𝜷𝑹𝑻𝑹 : 서로 다른 지진에 대한 표준모델 응답의 다양성(성능평가의 경우 0.4 사용)
𝜷𝑫𝑹 : 설계규준의 완성도( (A)superior~(D)poor에 따라 0.20~0.65의 값)
𝜷𝑻𝑫 : 실험 데이터의 질((A)superior~(D)poor에 따라 0.20~0.65의 값)
𝜷𝑴𝑫𝑳 : modeling 한계 (A)superior~(D)poor에 따라 0.20~0.65의 값)
𝜷𝑻𝑶𝑻 for Model Quality (A)Superior
𝜷𝑻𝑶𝑻 for Model Quality (B) Good
𝜷𝑻𝑶𝑻 for Model Quality (C) Fair
𝜷𝑻𝑶𝑻 for Model Quality (D) Poor
𝜷𝑻𝑶𝑻 = 𝜷𝑹𝑻𝑹𝟐 + 𝜷𝑫𝑹
𝟐 + 𝜷𝑻𝑫𝟐 + 𝜷𝑴𝑫𝑳
𝟐
내진성능평가방법01
FEMA P695의 내진성능 평가방법_초기 가정 𝑅값의 적합성 판단
10
모두 만족
acceptable
performance에
도달 했다고 판단
𝑅을 해당
시스템의 𝑅로
확정
.
각 performance group별 ACMR의
평균값이 ACMR10% 이상
각archetype model의
ACMR값이 ACMR20% 이상
..
𝜷𝑻𝑶𝑻
내진성능평가방법01
FEMA P695의 내진성능 평가방법_Ω, Cd 산정
11
𝑩𝟏𝑬 : damping coefficient
댐퍼 미 설치 시 1.0 적용
PG 별 강도계수평균값 산정
𝜴𝒂𝒗𝒈. 중 최대값
→ 𝜴𝟎
𝜴 = 𝒎𝒊𝒏. 𝜴𝟎, 𝟏. 𝟓𝑹
𝑪𝒅 = 𝑹
𝑪𝒅 =𝑹
𝑩𝟏𝑬
𝑹
ACMR O.K.
내진성능평가02
표준모델 선정 및 Performance Group 분류- 총 12개
12
표준모델GroupNo.
Grouping Criteria
BasicConfig.
Design Load LevelPeriodDomain
Reinforcement Detail
Gravity Load Seismic Load
Type
1
G-1
TYPE 1 High SDC Dmin
22FClosed Hoop
35F
G-222F
U-stirrup + crosstie35F
G-322F
보통전단벽35F
Type
2
G-1
TYPE 2 High SDC Dmin
22FClosed Hoop
35F
G-222F
U-stirrup + crosstie35F
G-322F
보통전단벽35F
P-program 전단벽 모델링을 위한 변수 조정
내진성능평가02 13
단일 폐쇄형 후프 U형 스터럽+연결철근
콘크리트의 물성치 입력 : Modified Kent & Park 모델식을 적용
단부보강을 통한
강도 및연성증진효과 구현
P-program 전단벽 모델링
철근의 물성치 및 철근비 조정 : 두 실험체 이력곡선 상의 강도저하 차이 표현
내진성능평가02 14
- 단부 보강 상세에 따른 연성능력의 차이를 구현하기 위해서 재료 모델과 철근비 조정
Steel material properties
P-program 전단벽 모델링을 위한 변수 조정
보통 전단벽특수 전단벽
(단일 폐쇄형 후프)
실험결과 vs. P-program 해석 결과
내진성능평가02 15
특수 전단벽(U형 스터럽+연결철근)
비선형 정적 해석
내진성능평가02 16
Ω μT
Normal 2.90 4.44
Closed hoop 3.34 4.85
U-stirrup 3.25 4.56
Ω μT
Normal 4.86 3.48
Closed hoop 5.88 4.06
U-stirrup 5.57 3.89
Ω μT
Normal 2.68 3.44
Closed hoop 2.98 3.92
U-stirrup 2.98 3.71
Ω μT
Normal 2.22 2.56
Closed hoop 2.33 2.60
U-stirrup 2.33 2.59
<Type1_22F> <Type1_35F>
<Type2_22F> <Type2_35F>
비선형 동적 해석
내진성능평가02 17
SMT S^CT CMR
Normal 0.293 0.555 1.893
SMT S^CT CMR
Closed Hoop 0.293 0.771 2.633
SMT S^CT CMR
U-stirrup 0.293 0.687 2.343
SMT S^CT CMR
Normal 0.133 0.257 1.927
SMT S^CT CMR
Closed Hoop 0.133 0.287 2.160
SMT S^CT CMR
U-stirrup 0.133 0.262 1.965
유형 1
보통 전단벽 특수 전단벽(단일 폐쇄형 후프)
특수 전단벽(U형 스터럽+연결철근)
22F
35F
비선형 동적 해석
내진성능평가02 18
SMT S^CT CMR
Normal 0.104 0.183 1.762
SMT S^CT CMR
Closed Hoop 0.104 0.227 2.179
SMT S^CT CMR
U-stirrup 0.104 0.211 2.029
SMT S^CT CMR
Normal 0.054 0.100 1.854
SMT S^CT CMR
Closed Hoop 0.054 0.120 2.230
SMT S^CT CMR
U-stirrup 0.054 0.115 2.141
유형 2
보통 전단벽 특수 전단벽(단일 폐쇄형 후프)
특수 전단벽(U형 스터럽+연결철근)
22F
35F
내진성능평가 결과 – 제안된 상세를 갖는 특수전단벽 (U-stirrup+crosstie)
내진성능평가 19
Basic Config.
SeismicPeriod Domain
Ω CMR SSF ACMRAcceptACMR
Pass/Fail
Cd R
TYPE 1 Dmin
22F 3.25 2.34 1.18 2.78 1.73 Pass
5 535F 5.57 1.97 1.25 2.45 1.73 Pass
평 균 4.41 2.15 - 2.61 2.30 Pass
TYPE 2 Dmin
22F 2.98 2.03 1.24 2.51 1.73 Pass
5 535F 2.33 2.14 1.11 2.37 1.73 Pass
평 균 2.66 2.09 - 2.44 2.30 Pass
각각의 ACMR 값 ⇒ 1.73 이상
PG별 평균 ACMR 값 ⇒ 2.30 이상
02
R ⇒ 초기 가정치 5 Ω ⇒ 4
R ⇒ 5
Cd ⇒ 5
제안된 상세를 갖는 구조시스템이
특수전단벽의 성능을 보유하고 있다고 판단
20
결론
내진성능평가
전단벽 구조시스템의 비선형 해석 모델 개발 - 강성저감, 최대강도,
최대강도 이후의 강도 감소와 핀칭효과, 콘크리트의 구속, 비구속의 효과 고려
FEMA P695에 따라 보통, 특수(Closed hoop), 특수(U-stirrup & crosstie)
전단벽 구조시스템의 성능평가를 수행
기존 설계기준의 특수전단벽 상세를 따르는 특수전단벽과 비교하였을 때
붕괴여유비에서 차이를 보여주고 있으나, 붕괴성능에서 안전 측의 내진성능을
보여주는 것으로 계산
제안된 특수전단벽 구조시스템(U-stirrup + crosstie)는
현행 설계기준에서 제시하고 있는 1.5% 수준의 변형각 조건에서
요구되는 내진성능을 만족하고 있는 것으로 판단
02
21
표준모델GroupNo. Basic
Config.
Design Load Level PeriodDomain
Reinforcement DetailGravity Load Seismic Load
Type
1
G-1
TYPE 1 High SDC Dmin
22FClosed Hoop
35F
G-222F
U-stirrup + crosstie35F
G-322F
보통전단벽35F
내진성능평가
표준모델 선정 및 Performance Group 분류
02
22
보통 전단벽특수 전단벽
(단일 폐쇄형 후프)
실험결과 vs. midas Gen 해석 결과
특수 전단벽(U형 스터럽+연결철근)
midas Gen전단벽 모델링을 위한 변수 조정
내진성능평가02
23
비선형 정적 해석
내진성능평가
Ω μT
Normal 2.90 4.44
Closed hoop 3.34 4.85
U-stirrup 3.25 4.56
Ω μT
Normal 4.86 3.48
Closed hoop 5.88 4.06
U-stirrup 5.57 3.89
<Type1_22F> <Type1_35F>
02
24내진성능평가
비선형 동적 해석
SMT S^CT CMR
Normal 0.293 0.555 1.893
SMT S^CT CMR
Closed Hoop 0.293 0.771 2.633
SMT S^CT CMR
U-stirrup 0.293 0.687 2.343
SMT S^CT CMR
Normal 0.133 0.257 1.927
SMT S^CT CMR
Closed Hoop 0.133 0.287 2.160
SMT S^CT CMR
U-stirrup 0.133 0.262 1.965
02
보통 전단벽 특수 전단벽(단일 폐쇄형 후프)
특수 전단벽(U형 스터럽+연결철근)
22F
35F
25
내진성능평가 결과 – 제안된 상세를 갖는 특수전단벽 (U-stirrup+crosstie)
내진성능평가
Basic Config.
SeismicPeriod Domain
Ω CMR SSF ACMRAcceptACMR
Pass/Fail
Cd R
TYPE 1 Dmin
22F 3.25 2.34 1.18 2.78 1.73 Pass
5 535F 5.57 1.97 1.25 2.45 1.73 Pass
평 균 4.41 2.15 - 2.61 2.30 Pass
02
각각의 ACMR 값 ⇒ 1.73 이상
PG별 평균 ACMR 값 ⇒ 2.30 이상
R ⇒ 초기 가정치 5 Ω ⇒ 4
R ⇒ 5
Cd ⇒ 5
제안된 상세를 갖는 구조시스템이
특수전단벽의 성능을 보유하고 있다고 판단
P-program과 midas Gen을 이용하여 Type 1의 내진성능을 평가한 결과 유사한 결과 도츨
26건축구조기준개정안 반영03
KBC2016
0520.7.6.4 특수경계요소의 요구상세
(3) 특수경계요소의 횡방향 철근은 0520.5.4.1부터 0520.5.4.3
까지의 요구사항을 만족시켜야 한다.
(중략) 횡방향 철근 간격은 부재의 최소 단면치수의 1/3을 사용
하여야 한다.
(중략) 횡방향 철근은 벽체 최외단부를 감싸는 폐쇄형 후프 형
태로서, 경계요소 설치구간을 넘어 벽체복부 안으로 철근의 정
착길이만큼 연장된 U형 스터럽과 연결철근으로 구성할 수 있다.
0520.6.6.4 특수경계요소의 요구상세 (KBC2013 : 0520.7.6.4)
(3) 특 수 경 계 요 소 의 횡 방 향 철 근 은 0520.4.4.1 부 터
0520.4.4.3 (KBC2013 : 0520.5.4.1부터 0520.5.4.3)까지의
요구사항을 만족시켜야 한다. (후략)
KBC2009
0520.4.4.1 횡보강철근 상세 (KBC2013 : 0520.5.4.1)
(3) 횡방향철근은 단일후프철근 또는 겹침후프철근으로 이루
어져야 한다. (후략)
0520.4.4.2 횡방향 철근간격 (KBC2013 : 0520.5.4.2)
횡방향 철근간격은 부재의 최소 단면치수의 ¼, (중략) 이하
로 한다.