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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.18 No.3 pp.8-18
DOI :

Plastic Hinge Progressive and Dynamic Analysis of 100m Bio-Lattice Domes

Kang-Geun Park*, Ik-No Kwun*, Dong-Woo Lee*
(주)아이스트, 공학박사 I'ST Co., Ltd. Tel: 02-2036-1111 Fax: 02-2036-1201 E-mail: kgpark@i-st.kr

Abstract


100m 바이오 래티스 돔의 소성힌지 진전 및 동적 해석

박 강 근*, 권 익 노*, 이 동 우*

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    18AUDP-B100343-04

    1. 서론

    구조적으로 매력적인 대공간 구조물의 건설은 체육 시설, 전시 시설, 바이오 돔 등의 분야에서 점차 증가되고 있다. 본 연구에서는 대공간 단층 래티스 돔의 점진적인 연직 방향 증가 하중에 대한 소성힌지 진전 해석 및 지진에 대한 동적 반응 해 석을 수행하고자 한다. 소성힌지 진전 해석을 위해 서 푸쉬오브 증분 해석법(Pushover increment analysis)을 사용한다. 대공간 돔의 안전성(전체 좌 굴, 부재 좌굴, 국부 좌굴, 면내 좌굴, 면외 좌굴, 절점 좌굴, 선좌굴 등)을 평가할 필요가 있다1-8). 본 고에서는 6각형 단면으로 구성된 직경 100m 바이 오 돔에 대한 안정성 해석 및 지진에 대한 구조물의 동적 반응을 파악하기 위해서 먼저 고유치 좌굴 해 석(Eigenvalue buckling analysis) 및 비선형 증분 해석(Nonlinear increment analysis)을 수행하고, 푸쉬오브 증분 해석의 결과와 비교한다. 시간 이력 해석(Time history analysis)을 통하여 지진에 대 한 구조물의 동적 반응을 분석하도록 한다.

    대공간 구조물의 발달 역사는 <Fig. 1>과 같고, 대공간 지붕의 자중에 대한 비교는 <Fig. 2>와 같 다. 2000년대까지는 주로 대공간 시스템이 발달되 었고, 최근에는 지상 및 해상에서 바이오 필릭 대공 간 건축물의 설계를 위한 기술 개발이 활발히 시도 되고 있다. 건축물과 도시 디자인에서 중요한 사항 은 자연과 인간의 교감을 통해 좋은 감정과 느낌을 갖는 환경을 만드는 것이다. 건축물의 내부와 외부 공간이 시간의 흐름과 계절의 변화에 따라서 자연 의 일부가 되도록 설계하고, 자연 친화 디자인을 통 하여 정서적 안정감과 편안함을 느끼게 하는 것이 다. 바이오 필릭 디자인은 자연과 공존하는 인간의 지속적인 삶의 상호 작용 및 균형에 대한 것이다. 바이오 디자인의 주요 구성 요소들은 자연 경관, 자 연광, 색상, 질감, 환기, 자연 이미지, 친근함, 쾌적 성, 자연 환경과의 연계 등이다. 바이오 필릭 디자 인을 실현하기 위해서는 창조적인 대공간 시스템의 개발이 필수적이다. Amazon과 Google은 대공간 구조와 오피스 빌딩을 조합한 바이오 건축물을 건 설한 바 있다5).

    2. 단층 래티스 돔의 좌굴 및 소성힌지 진전 해석

    100m 단층 래티스 돔은 6각형 벌집 구조 단면을 갖는 바이오 돔으로 라이즈-스팬 비는 15/100m= 0.15이다. <Fig. 3>에서와 같이 1~20차 모드까지 분석하였다. 전체 하중 재하 조건에서 부재의 최저 고유치 좌굴 내력은 3,548kN이다. <Fig. 4>는 하 중 조건에 따른 하중 증분 비선형 해석을 수행한 결 과이다.

    <Fig. 6>은 <Fig. 5>의 하중 조건에 대한 푸쉬오 브 증분 해석을 수행한 하중-변위 그래프이다. <Fig. 7~11>은 소성힌지 진전 해석의 결과를 나타 낸 것이다. Step 4(절점 하중 750kN)에서 돔의 하 부 링 주변에 최초로 소성힌지가 발생하였다. Fig. 8, 9, 10

    <Fig. 12>는 돔에 부분 하중이 작용하는 경우이 다. 이러한 하중 상태는 설하중이 바람에 의해서 한 쪽으로 이동되는 경우에 발생할 수 있다. <Fig. 13> 은 하중-변위 곡선이고, <Fig. 14~19>는 증분 하 중에 대한 소성힌지 발생 상황이다.Fig. 15, 16, 17, 18

    <Fig. 20~26>은 하중이 중앙부에 작용하는 경우 에 대한 푸쉬오브 증분 해석을 수행한 결과이다. Step 4에서 소성힌지가 최초로 발생하였다. <Fig. 21> 의 하중-변위 곡선에서 Step 4 이후에는 비선형 곡 선을 보여주고 있다. Fig. 21, 22, 23, 24, 25

    3. 단층 래티스 돔의 지진 반응 해석

    단층 래티스로 구성된 바이오 돔에 면진 장치가 있는 경우와 없는 경우에 대해서 El Centro 지진에 대한 동적 반응을 조사하였다. 지진은 2개의 지진 파를 조합한 3가지(270+180, 270+vertical, 180+ vertical) 경우에 대해서 조사하였다. <Fig. 27>은 연직 하중에 대한 탄성 해석의 결과이다. Fig. 28

    <Fig. 29>는 동적 거동에 대한 고유치 해석의 결과 이다. 래티스 돔의 고유치 모드는 1~30차까지 조사 하였고, 고유값은 면진 장치가 없는 경우는 0.4788~ 0.0681, 면진 장치가 있는 경우는 1.2868~0.0723 이다. 면진 장치가 없는 경우의 최대 축력은 7,423kN, 면진 장치가 있는 경우의 최대 축력은 3,244kN으 로 압축력이 56% 감소하였다. 면진 장치가 없는 경 우의 최대 응력은 806MPa, 면진 장치가 있는 경우 는 353MPa로 응력이 56% 감소하였다. 돔의 하부에 면진 장치를 설치하는 경우에는 지진에 대한 동적 반응 저감 효과가 매우 우수하다는 것을 알 수 있 다. El Centro 지진에 대해서 면진 장치가 없는 경 우는 270+vertical 지진 조합에 가장 큰 반응을 보 였다. 면진 장치가 있는 경우는 270+180 지진 조합 에 가장 큰 동적 반응을 보였다. Fig. 30, 31, 31

    4. 하부 구조를 갖는 단층 래티스 돔의 지진 반응 해석

    기존 연구에 의하면 하부 구조를 갖는 대공간 돔 은 하부 구조와 돔 지붕 사이에 면진 장치를 설치하 는 것이 구조물의 지진에 대한 동적 반응을 줄이는 데 매우 효과적이라고 보고되었다. Kato et al.(2000) 은 대공간 돔 구조물에 대해서 돔 지붕과 하부 구조 에 면진 장치를 설치하여 Kobe 지진에 대한 동적 반응 효과를 크게 줄일 수 있다고 하였다3). 본 연구 에서는 100m 바이오 돔에 대한 지진 반응 감소 효 과를 분석하기 위해서 돔 지붕과 하부 구조 사이에 면진 장치를 설치하였다. <Fig. 32>는 고유치 해석 의 결과이고, <Fig. 33, 34>은 El Centro 지진 조 합에 대한 구조물의 동적 반응을 분석한 것이다. 본 해석 모델은 하부 구조가 상부 래티스 돔의 동적 반 응에 미치는 영향을 파악하기 위한 것이다.

    시간 이력 해석의 결과에서 면진 장치가 없는 경 우의 최대 축력은 11,612kN이고, 면진 장치가 있는 경우의 최대 축력은 4,341kN이다. 바이오 돔의 지 붕 하부와 하부 지지 구조물 사이에 설치된 면진 장 치가 축력을 62%, 최대 응력을 55% 감소시켰다.

    <Fig. 35>는 기초부에 면진 장치를 설치한 돔 구 조의 고유치 해석 결과이다. 벽체가 있는 경우와 없 는 경우의 지진에 대한 동적 거동을 비교하였다. 벽 체가 없는 경우는 하부 구조물의 변형이 과대하여 응력이 크게 발생하였다<Fig. 36~37>. 하부 구조 에 벽체가 설치된 경우에 최대 응력이 60% 감소하 였다.

    <Fig. 38>은 중앙부에 100m 스팬의 바이오 돔을 갖는 오피스 구조 시스템이다. 지진이 발생할 때 하부 라멘 구조물이 중앙부의 돔 지붕 변형과 부재 력에 큰 영향을 미치는 구조 시스템이다. 지진 발 생 시 중앙부 지붕 부재의 변형을 최소화 하고 부재 의 지진 반응에 대한 감소 효과를 높이를 위해서 기 초부에 면진 장치를 설치하였다. 면진 장치를 설치 한 경우와 설치가 되지 않은 경우의 지진 반응을 조 사하였다. <Fig. 39>는 고유치 해석의 결과이다. <Fig. 40>은 면진 장치를 설치한 경우 돔 지붕의 최 대 압축력이 76%, 최대 응력이 84% 감소하였다. 이 는 면진 장치가 설치된 상부 구조물이 강체와 유사 한 거동을 하기 때문이다. 지진에 대한 수평 저항을 높이기 위해서 1층에 12개의 철근 콘크리트 벽체를 보강하였다. 콘크리트 벽체는 하부 골조의 수평 강 성을 높여서 기초부 면진 장치의 효율적인 역할을 하도록 하였다. 벽체가 없는 경우에는 돔 부분의 래 티스 부재에 매우 큰 응력 및 변형이 발생하였다. Fig. 41

    5. 결론

    본 연구에서는 직경 100m 바이오 돔에 대해서 안 정성 해석, 소성힌지 진전 해석, 동적 반응 해석을 수행하였다. 바이오 돔 구조의 경우에 돔 지붕의 하 부에 면진 장치를 설치하면 지진에 대한 동적 반응 감소 효과가 매우 좋다는 것을 알 수 있었다. 하부 구조의 강성이 큰 바이오 오피스 돔은 하부 구조 기 초부에 면진 시스템을 두는 것이 지진에 대한 동적 반응을 줄이는데 매우 효과적임을 알 수 있었다. 6각형 형상을 갖는 바이오 돔은 ETFE 쿠션 시스템을 설치하는 매우 효과적인 구조 시스템으로 생각된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비 지원(18AUDP-B100343-04)으로 수행되었습니다.

    Figure

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    History of large span roof system

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    Roof load for large span systems

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    Eigenvalue buckling analysis

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    Nonlinear increment analysis

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    Full loading condition

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    Load-displacement curve (∅700x14)

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    Plastic hinge status (Step 1)

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    Plastic hinge status (Step 4)

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    Plastic hinge status (Step 5)

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    Plastic hinge status (Step 10)

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    Plastic hinge status (Step 20)

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    Half loading condition

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    Load-displacement curve (∅700x14)

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    Plastic hinge status (Step 1)

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    Plastic hinge status (Step 4)

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    Plastic hinge status (Step 5)

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    Plastic hinge status (Step 10)

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    Plastic hinge status (Step 15)

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    Plastic hinge status (Step 20)

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    Central loading condition

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    Load-displacement curve (∅700x14)

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    Plastic hinge status (Step 1)

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    Plastic hinge status (Step 4)

    KASS-18-8_F24.gif

    Plastic hinge status (Step 5)

    KASS-18-8_F25.gif

    Plastic hinge status (Step 10)

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    Plastic hinge status (Step 20)

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    Analysis results for dead load

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    Bio-dome with seismic isolation system

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    Eigenvalue analysis (Mode 1-30)

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    Dynamic response for a dome without seismic isolation system

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    Dynamic response for a dome with seismic isolation system

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    Eigenvalue analysis

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    Dynamic response for a dome without seismic isolation system

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    Dynamic response for a dome with seismic isolation system

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    Eigenvalue analysis

    KASS-18-8_F36.gif

    Dynamic response for a dome with seismic base isolation system

    KASS-18-8_F37.gif

    Dynamic response for a dome with seismic base isolation system and wall

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    A office building with bio-dome

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    Eigenvalue analysis

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    Dynamic response for a dome without seismic isolation system

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    Dynamic response for a dome with seismic isolation system

    Table

    Reference

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