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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.18 No.4 pp.81-88
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2018.18.4.81

Analysis of Seismic Response According to Installation Location of Seismic Isolation System Applied to High-Rise Building

Min-Ju Kim*, Dong-Uk Kim*, Hyun-Su Kim**, Joo-Won Kang***
*Department of Architecture, Yeungnam University
**Div. of Architecture & Civil Engrg., Sunmoon Univ.
***School of Architecture, Yeungnam University

Tel: 053-810-2429 Fax: 053-810-4625 E-mail: kangj@ynu.ac.kr
August 22, 2018 September 5, 2018 September 5, 2018

Abstract


Seismic isolation systems have typically been used in the form of base seams in mid-rise and low-rise buildings. In the case of high-rise buildings, it is difficult to apply the base isolation. In this study, the seismic response was analyzed by changing the installation position of the seismic isolation device in 3D high - rise model. To do this, we used 30-story and 40-story 3D buildings as example structures. Historic earthquakes such as Mexico (1985), Northridge (1994) and Rome Frieta (1989) were applied as earthquake loads. The installation position of the isolation device was changed from floor to floor to floor. The maximum deformation of the seismic isolation system was analyzed and the maximum interlaminar strain and maximum absolute acceleration were analyzed by comparing the LB model with seismic isolation device and the Fixed model, which is the base model without seismic isolation device. If an isolation device is installed on the lower layer, it is most effective in response reduction, but since the structure may become unstable, it is effective to apply it to an effective high-level part. Therefore, engineers must consider both structural efficiency and safety when designing a mid-level isolation system for high-rise buildings.



고층 건물에 적용한 면진 시스템의 설치 위치에 따른 지진 응답 분석

김 민 주*, 김 동 욱*, 김 현 수**, 강 주 원***
*학생회원, 영남대학교 일반대학원 건축학과, 석사과정
**정회원, 선문대학교 건축사회환경학부 부교수, 공학박사
***교신저자, 정회원, 영남대학교 건축학부 교수, 공학박사

초록


    1. 서론

    과거 우리나라는 지진 활동이 활발한 미국과 일 본처럼 위험한 지역이라 인식되지 않았다. 그래서 1988년 내진 설계 기준이 처음으로 개정되기 전까 지 지진의 영향을 고려하지 않고 대부분의 구조물 을 설계하여 왔다.

    그러나 2016년 9월 대한민국 기상청 계기 관측 사상 역대 최고 규모인 경주 지진과 2017년 11월 역 대 두 번째 규모인 포항 지진이 연이어 발생하였다. 이로 인해 우리나라도 더 이상 지진으로부터 안전 한 지역이 아니라는 인식이 확산되기 시작하였다.

    현재 지진을 대비하기 위한 다양한 방법들이 사 용되고 있다. 대표적으로 건물 자체의 강성과 연성 도를 증가시키는 내진, 진동 제어를 목적으로 특수 한 장치를 설치하는 제진, 건물의 고유 주기를 증가 시키기 위해 지반과 건물 사이를 분리시키는 면진 등이 있다1). 이 중 면진은 건물의 고유 주기를 인위 적으로 증가시켜 지진 에너지의 진동이 강한 단주 기 영역에서 약한 장주기 영역으로 피하여 지진 하 중을 저감시키는 원리의 시스템이다. 면진 시스템은 구조물의 강도를 특별히 높이지 않고도 지진 에너 지의 전달을 차단 혹은 감소시켜 지진에 의한 건물 의 피해를 줄이는 장점을 가진다2).

    면진 시스템은 일반적으로 주기가 짧은 중저층 건물에 기초 면진의 형태로 사용된다. 주기가 긴 고 층 건물에 기초 면진을 적용하면 건물 자체가 장주 기화 되어 기초부의 축력이 커지게 되고 면진 장치 가 감당할 수평 변위 또한 증가하게 되어 전도 모멘 트와 구조물의 불안정성을 야기할 수 있다3).

    따라서 고층 건물에 면진 시스템을 사용하기 위 해 개발된 것이 <Fig. 1>과 같은 중간층 면진 시스 템이다. 중저층 건물의 기초에 면진 장치를 설치하 여 지반과 분리시키는 기존의 면진 시스템과 달리 중간층 면진 시스템은 고층 건물의 중간층을 분리 시키고 면진 장치를 설치하여 지반과 분리시키는 방법으로 최근 건물의 고층화로 인해 많은 연구가 이루어지고 있다4).

    <Fig. 1>은 경기도 의왕시 포일동에 위치한 NH 통합IT센터이다. 개발센터와 데이터센터로 나누어 진 지하 2층, 지상 10층 규모의 철근 콘크리트 건물 로 데이터센터의 지상 3층 바닥에 면진 장치를 설 치하였다. 규모 6.5의 강진에도 데이터 장비가 안전 하고 중단 없이 가동될 수 있도록 데이터 장비가 설 치된 지상 3~10층 서버실을 중간층 면진 시스템을 사용하여 지진 하중으로부터 분리하였다.

    동일 하이빌뉴시티는 지상 7층 이하는 상업 시설, 지상 8층 이상은 주거 시설로 이루어진 주상 복합 건물로 지상 7층과 8층 사이에 중간층 면진 시스템 을 적용하여 고층 건물 안전성을 확보하였다. 이와 같이 국내에 면진 시스템을 적용한 고층 건물의 사 례를 통해 중간층 면진 시스템의 실제 현장 적용 가 능성과 필요성을 확인할 수 있다6).

    최근 우리나라는 지진의 잦은 발생 빈도로 구조 물의 안전성이 보장되는 건물에 대한 수요가 급증 하고 있다. 이에 대한 대안으로 면진 시스템이 제안 되고 있으며, 중간층 면진 시스템은 고층 건물 뿐 만 아니라 주상 복합 건물과 수직 증축 건물에도 적용 가능하여 실제 현장에서 사용되고 있다. 그러 나 일반적인 시스템들에 비해 사례나 연구가 부족 한 실정이다. 본 연구에서는 실제 건물과 유사한 고층 건물을 모델링하여 각층에 면진 시스템을 적 용 후 설치 위치를 변화시켜 지진 응답을 분석하고 자 한다.

    2. 해석 모델

    2.1 해석 모델 개요

    본 연구에서는 고층 건물에 적용한 면진 시스템 의 설치 위치 변화에 따른 지진 응답을 분석하기 위 해 <Fig. 2>와 같은 실물 크기의 예제 구조물을 사 용하였다. 30층인 R30과 40층인 R40을 각각 층고 4m의 라멘 구조로 설계하였다. 구조물의 일반사항은 <Table 1>과 같다. 층 질량은 R30 모델은 4.8✕106kg, R40 모델은 3.6✕106kg로 설정하였다. 해석에 사용 한 지진 하중은 역사 지진으로 멕시코 지진(1985), 노스리지 지진(1994), 로마 프리에타 지진(1989) 3가 지이다. 각 지진 하중은 해석 모델의 X축과 Y축 방 향으로 입력하였고 입력 지진 하중의 가속도 시간 이력 그래프를 <Fig. 3>에 나타냈다.

    2.2 해석 모델링 및 분석 방법

    본 연구에서는 해석을 수행하기 위해 상용 프로 그램(Midas Gen. Ver. 860)을 사용하였다. 3개의 지 진 하중을 입력하고 각 지진 하중이 입력된 모델에 대해서 경계 비선형 시간 이력 해석을 진행하였다. 면진 장치의 최대 변위를 분석하여 장치의 허용 변 위 범위 이내에 위치하는지 확인하고, 설치 위치를 층마다 변화시키며 3개의 지진 하중에 대한 3차원 해석 모델들의 최대 층간 변형률과 최대 절대 가속 도를 구하여 비교 분석하였다.

    면진 장치는 LRB(Lead Rubber Bearing)를 사용 하였다. LRB는 지진 격리 시스템 중 가장 일반적인 장치로 면진 시스템에 가장 많이 사용된다. 에너지 를 흡수하는 기능을 가진 납으로 된 코어와 지진 격 리 기능을 가진 고무와 강판으로 이루어진 탄성 받 침을 일체화시킨 장치이다. 탄성 받침은 지진 발생 시 고무의 유연성으로 구조물의 고유 주기를 증가시 켜 상부 구조로 전달되는 지진 에너지의 크기를 감 소시키는 역할을 수행하고, 강판은 수평 방향의 복 원력을 제공한다. 코어에 위치한 납은 지진 발생 시 구조물에 감쇠 기능과 이력 거동에 의한 에너지 소산 작용으로 면진 장치의 변위를 줄이는 기능을 한다7).

    해석에 사용한 면진 장치의 특성은 <Table 2>와 같이 입력하였다. 24개의 LRB를 해석 모델에 배치 된 모든 기둥 하부에 설치하여 1층부터 최상층까지 면진층을 변화시키며 해석을 진행하였다8).

    본 연구에서는 면진 장치의 설치 위치 변화에 따 른 지진 응답을 분석하기 위하여 면진 장치를 적용 하지 않은 Fixed 모델을 기본 모델로 설정하고 면진 장치를 각 층마다 적용한 LB 모델을 해석 모델로 두었다. 모델의 명명은 <Table 3>과 같이 하였다. R30-Fixed는 R30 모델에 면진 장치를 설치하지 않 은 기본 모델을 뜻하며 면진 장치의 기능 평가 기준 이 된다. R30-LB1은 R30 모델 1층 기둥 하부에 LRB를 설치한 모델을 말한다.

    3. 해석 결과

    3.1 면진 장치의 최대 변위과 전단력

    3개의 지진 하중에 따른 면진 장치의 X축과 Y축 방향 최대 변위와 그에 따른 전단력을 <Table 4>에 나타냈다. 해석 결과, X축과 Y축일 경우 두 모델 모 두 멕시코 지진에서 가장 큰 변위가 나타났고, 노스 리지 지진을 제외한 나머지 지진 하중에서 R40 모델 보다 R30 모델이 더 큰 최대 변위가 발생되었다. 지 진 하중에 따른 최대 변위는 모두 해석에 사용한 면 진 장치의 허용 변위인 30cm 이내에 거동하였다. 이 는 해석에 적절한 면진 장치를 설치하였음을 뜻한다.

    3.2 최대 층간 변형률

    각 지진 하중에 따른 면진 장치의 설치 위치를 변 화시킨 해석 모델이 가장 큰 응답 저감을 보인 최대 층간 변형률은 R30 모델은 멕시코 지진인 경우의 X 축 방향 0.0025이고, R40 모델은 노스리지 지진의 경우로 X축 방향 0.0007로 나타났다.

    <Fig. 4>와 <Fig. 5>는 면진 장치를 설치하지 않 은 R30-Fixed 모델에 따른 면진 장치를 설치한 R30-LB 모델의 X축과 Y축일 경우의 최대 층간 변 형률을 그래프로 나타낸 것이다. Fixed 모델의 경우 에 비해 LB 모델에서 최대 62%까지 최대 층간 변 형률이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 면진 장치는 저층부에 설치할 경우 가장 큰 응답 저감을 보였고, 고층부에서도 응답이 저감되는 것을 확인할 수 있 다. 중앙부는 저층부와 고층부에 비해 응답 저감이 비교적 작게 발생한 것을 확인하였다.

    <Fig. 6>과 <Fig. 7>은 면진 장치를 설치하지 않 은 R40-Fixed 모델에 따른 면진 장치를 설치한 R40-LB 모델의 X축과 Y축일 경우의 최대 층간 변 형률을 그래프로 나타낸 것이다. 전반적으로 Fixed 모델에 비해 LB 모델이 최대 56%까지 층간 변형률 의 응답이 줄어드는 것을 확인하였다. R40 모델도 R30 모델과 유사하게 저층부, 고층부, 중앙부 순서 로 응답이 저감하였다. R40 모델은 중앙부에 위치 한 LB13에서 응답이 증폭되는 양상이 나타난다. 이 는 구조물 상하부의 진동수 근접으로 인한 응답의 증폭으로 판단된다.

    R30과 R40 모델 모두 저층부에서 가장 큰 응답 저감이 발생하였다. 그러므로 저층부에 면진 장치를 설치하는 것이 가장 효과적일 것으로 판단할 수 있 으나 고층 건물에 기초 면진의 형태로 면진 시스템 을 적용할 경우 구조물의 안정성 확보가 어려워질 가능성이 있을 것으로 사료된다. 따라서 저층부에 비해 응답 저감 효과가 뛰어나지 않지만 중앙부보 다는 효과가 큰 고층부에 면진 장치를 설치하는 것 이 가장 효과적일 것으로 판단된다.

    그래프의 전체적인 흐름에서 대부분 Fixed 모델 보다 LB 모델이 응답 저감에 효과적이었다. 그러나 두 모델의 Y축 방향 1층에 면진한 모델들과 R40 모 델의 중앙부에 면진 장치를 설치하였을 경우 기본 모델인 Fixed 모델보다 최대 층간 변형률이 크게 나 타났다. 여기에는 복합적인 이유가 있으나 가장 기 본적으로는 면진 장치로 분리된 구조물의 상부와 지 반으로부터 오는 지진 하중의 진동수가 일치하거나 근접되어 공진 현상이 일어난 것으로 추측된다.

    3.3 최대 절대 가속도

    지진 하중에 따른 해석 모델의 응답 저감이 가장 크게 발생한 최대 절대 가속도는 두 모델 모두 멕시 코 지진인 경우로 X축 방향의 1.2926m/sec2로 나타 났다.

    <Fig. 8>과 <Fig. 9>는 면진 장치를 설치하지 않 은 R30-Fixed 모델에 대한 면진 장치를 설치한 R30-LB 모델의 X축과 Y축일 경우들의 최대 절대 가속도비를 그래프로 나타낸 것이다. Fixed 모델의 경우에 비해 LB 모델에서 최대 78%까지 최대 절대 가속도가 감소되는 것을 확인하였다. 기초에 근접한 저층부나 고층부에 면진 장치를 설치하였을 경우 응답이 저감되었고, 중앙부에서는 Fixed 모델에 비 해 응답이 증폭되는 현상이 나타났다.

    <Fig. 10>과 <Fig. 11>은 면진 장치를 설치하지 않은 R40-Fixed 모델에 면진 장치를 설치한 R40-LB 모델의 X축과 Y축일 경우 최대 절대 가속도비를 그 래프로 나타낸 것이다. Fixed 모델의 경우에 비해 LB 모델에서 최대 47%까지 최대 절대 가속도가 줄 어드는 것을 확인하였다. 대체적으로 고층부에 면진 장치를 설치하였을 때 응답 저감이 가장 크게 나타 났다. 멕시코 지진의 경우 저층부에서 더 뛰어난 응 답 저감이 나타났으나 다른 지진 하중은 저층부와 중앙부에서 응답이 증폭되는 현상이 발생하였다.

    R30 모델은 기초와 근접한 저층부와 고층부에 면 진 장치를 설치하였을 경우, R40 모델은 평균적으 로 고층부에 면진 장치를 설치하였을 경우 응답 저 감에 효과가 나타났다. 그러므로 기초 면진이나 고 층부에 면진 장치를 설치하는 것이 가장 효과적일 것으로 판단할 수 있으나 3.2절 최대 층간 변형률에 서 서술한 것과 동일한 이유로 고층부에 면진 장치 를 설치하는 것이 가장 효과적일 것으로 판단된다.

    입력한 지진 하중 중 멕시코 지진은 전체적으로 Fixed 모델에 비해 LB 모델이 응답 저감 효과를 보 였다. 그러나 나머지 지진 하중은 기초 면진과 고층 부를 제외하고 Fixed 모델보다 응답이 증폭되는 현상 이 나타났다. 이것 또한 최대 층간 변형률이 중앙부 에서 응답이 증폭 이유와 유사한 것으로 판단된다.

    3.4 면진 장치의 이력 거동

    LRB는 비선형 이력 거동을 하며 <Fig. 12>와 같 이 선형으로 모형화가 가능하다. 면진 장치의 비선 형 해석에 대한 제약을 해결하기 위하여 비선형 이 력 특성을 등가의 선형으로 치환하여 해석을 진행 하였다9). 입력한 3개의 지진 하중에 따른 해석 모델 들의 면진 장치 이력 거동을 <Fig. 13>과 <Fig. 14> 에 나타냈다. <Fig. 13>과 <Fig. 14>는 두 해석 모델 에 면진 장치를 1층 하부부터 최상층 하부까지 이 동시키고 그 중 최대 변위가 발생한 경우의 이력 거 동을 그래프로 나타낸 것이다.

    그래프 형상으로 해석 모델에서의 면진 장치 거 동을 알 수 있다. 그래프의 수평축 변위들을 살펴보 면 해석 모델에 설치한 장치의 허용 변위인 30cm를 초과하지 않음을 확인할 수 있다. 면진 장치가 파괴 되어 기능을 정상적으로 적용하지 못하여 탄성 거 동을 하는 경우도 발생하지 않았다. 그러므로 설치 된 면진 장치가 지진 에너지 격리 기능과 소산 기능 을 대체로 알맞게 수행하였음을 알 수 있다.

    그래프의 면적을 전체적으로 살펴보면 에너지 소 산이 양호하게 되었음을 확인할 수 있다. 그러나 로 마 프리에타 지진의 경우 다른 지진 하중에 비해 그 래프의 양상이 한 곳에 집중되어 나타났다. 이는 로 마 프리에타의 진동 주기와 고층 건물에 설치된 면 진 장치의 진동 주기가 근접되어 순간 증폭된 것으 로 사료되며 다른 지진 하중에 비해 면진 장치 설치 효과를 크게 보지 못한 것으로 판단된다.

    4. 결론

    본 연구에서 실제 크기의 3차원 고층 건물을 모 델링하여 3개의 지진 하중을 입력하고 면진 장치의 설치 위치를 변화시켜 지진 응답을 분석한 결과는 다음과 같다.

    최대 층간 변형률과 절대 가속도의 동시 응답 저 감을 위해서는 저층부나 고층부에 면진 장치를 설 치하는 것이 가장 효과적이라고 판단된다. 그러나 고층 건물에 기초 면진의 형태로 면진 장치를 사용 할 경우 현장에서의 시공이 어렵고 전도 모멘트의 발생으로 구조물이 불안정해 질 가능성이 있다. 그 러므로 고층부에 면진 장치를 설치하는 것이 가장 효과적이며 엔지니어의 적절한 판단이 필요할 것으 로 사료된다.

    기본 모델인 Fixed 모델보다 LB 모델이 응답 저 감에 효과적으로 나타났다. 그러나 면진 장치를 해 석 모델 중앙부에 설치하였을 경우 응답이 증폭되 는 현상이 발견되었다. 여기에는 여러 복합적인 이 유가 있겠지만 가장 근본적으로는 구조물 상부의 진동수와 지반으로부터 하부 구조에 오는 지진 하 중의 진동수가 일치하거나 근접하여 공진 현상이 일어난 것으로 추측된다. 추후 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이라 판단된다.

    본 연구에서는 면진 시스템 설치 위치 변화에 따 른 고층 건물의 지진 응답을 살펴보았다. 추후 다양 한 높이와 형상을 가지는 해석 모델로 지진 하중 외 편심 및 풍하중 등의 동적 하중을 가한 면진 장치 특성에 관한 내용과 면진 장치 상부의 질량 변화를 고려한 장치 설계에 대한 내용 또한 추가적으로 연 구할 필요가 있을 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 논문은 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재 원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. NRF-2017R1A2B4006226).

    Figure

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    NH Integrated IT Center5)

    KASS-18-81_F2.gif

    Analytical model

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    Input seismic load

    KASS-18-81_F4.gif

    Story drift ratio based on R30-Fixed model DY

    KASS-18-81_F5.gif

    Story drift ratio based on R30-Fixed model DY

    KASS-18-81_F6.gif

    Story drift ratio based on R40-Fixed model DX

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    Story drift ratio based on R40-Fixed model DY

    KASS-18-81_F8.gif

    Maximum acceleration ratio based on R30-Fixed model DX

    KASS-18-81_F9.gif

    Maximum acceleration ratio based on R30-Fixed model DY

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    Maximum acceleration ratio based on R40-Fixed model DX

    KASS-18-81_F11.gif

    Maximum acceleration ratio based on R40-Fixed model DY

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    Concept of hysteretic behavior

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    Hysteretic behavior of isolation system of R30

    KASS-18-81_F14.gif

    Hysteretic behavior of isolation system of R40

    Table

    Specification of analytical model

    Specification of isolation system

    Model name

    Maximum deformation and shear force of LRB

    Reference

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