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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.19 No.3 pp.33-40
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2019.19.3.33

Control Performance Evaluation of Mid-Story Isolation System for Residence-Commerce Complex Building

Kwang-Seob Park*, Yun-Tae Kim**, Hyun-Su Kim***
*Boru E&C
**Boru E&C
교신저자, 정회원, 선문대학교 건축사회환경공학부 부교수, 공학박사 Div. of Architecture, Architectural & Civil Engineering, Sunmoon University Tel: 041-530-2315 Fax: 041-530-2839 E-mail: hskim72@sunmoon.ac.kr
July 3, 2019 July 15, 2019

Abstract


A seismic isolation system is one of the most effective control devices used for mitigating the structural responses due to earthquake loads. This system is generally used as a type of base isolation system for low- and mid-rise building structures. If the base isolation technique is applied to high-rise buildings, a lot of problems may be induced such as the movement of isolation bearings during severe wind loads, the stability problem of bearings under large compression forces. Therefore, a mid-story isolation system was proposed for seismic protection of high-rise buildings. Residence-commerce complex buildings in Korea have vertical irregularity because shear wall type and frame type structures are vertically connected. This problem can be also solved by the mid-story isolation system. An effective analytical method using super elements and substructures was proposed in this study. This method was used to investigate control performance of mid-story isolation system for residence-commerce complex buildings subjected to seismic loads. Based on numerical analyses, it was shown that the mid-story isolation system can effectively reduce seismic responses of residence-commerce complex tall buildings.



주상 복합 구조물에 적용된 중간층 면진 시스템의 성능 검토

박 광 섭*, 김 윤 태**, 김 현 수***
*정회원, ㈜보루 이사
**정회원, ㈜보루 대표이사, 공학박사

초록


    1. 서론1

    경주 및 포항 지진으로 인하여 국내도 더 이상 지 진의 안전지대가 아니라는 인식이 강해지고 있다. 이에 따라 지진 하중으로부터 구조물을 안전하고 효과적으로 보호하기 위한 연구의 필요성이 더욱 높아지고 있다. 현재 빌딩 구조물에 대한 내진 성능 을 보강하기 위한 다양한 방법들이 제안되어 건물에 적용되고 있다. 그 중 면진 장치가 가장 효과적인 지진 응답 제어 시스템 중 하나로 알려져 있다1),2). 일반적으로 지진 하중의 에너지는 <Fig. 1>에 나타 낸 바와 같이 풍하중에 비하여 진동 대역이 높은 영 역에 집중되어 있으므로 고층 건물보다 중저층 건 물에 더 큰 피해가 발생할 위험이 있다.

    중저층 건물의 피해를 줄이기 위해서는 지진 하 중에 의하여 유발되는 건물의 가속도를 감소시키는 것이 중요한데 면진 시스템은 지반과 구조물 사이 를 격리시키는 역할을 한다. 면진 장치가 설치된 중 저층 구조물은 지반에 고정된 구조물에 비하여 고 유 진동수가 낮아지게 되므로 <Fig. 1>에 나타낸 지 진 하중의 에너지가 모여 있는 높은 진동수 대역을 피할 수 있다. 이렇게 중저층 건물을 대상으로 개발 된 면진 시스템이 고층 건물에 적용될 때에는 여러 가지 문제가 발생할 수 있다. 일반적으로 고층 구조 물의 고유 진동수가 중저층 건물에 비하여 낮기 때 문에 면진 장치를 기초와 지반 사이에 설치할 경우 면진 장치에서 발생하는 수평 변위가 매우 커지게 된다. 또한 고층 건물 자체의 높은 자중 때문에 발 생하는 큰 축력과 함께 지진 하중에 의한 전도 모멘 트가 증가하여 기초 면진 시스템에서 인장력이 유 발될 수 있다. 면진 시스템이 고층 건물에 기초 면 진의 형태로 적용될 때 발생하는 이러한 문제 때문 에 최근에는 고층 건물을 부분적으로 분리하여 면 진 기술을 적용하는 중간층 면진 시스템이 적용되 고 있다3-5). <Fig. 2>에 나타낸 일본 도쿄 소재 15층 규모 Iidabashi First 빌딩은 10층에 면진 시스템이 설치되어 있다.

    중간층 면진 시스템이 고층 건물에 적용될 때에 는 구조물의 층수 및 형태와 함께 동적 특성을 분석 하여 최적의 위치에 설치된다. 중간층 면진 시스템 의 동역학적 개념은 동조 질량 감쇠기의 확장된 개 념으로 설명될 수 있다6). 다만 기존의 일반적인 동 조 질량 감쇠기에 비하여 격리되는 상부 구조물의 질량이 매우 크다는 점이 다르다.

    우리나라는 높은 땅값 및 인구 밀도와 사회·경제 적인 이유에 의하여 고층 주상 복합 건물이 많이 건 설되고 있다. 일반적으로 상가 용도의 저층부는 골 조 구조 시스템이 사용되고, 주거 용도의 상층부는 전단벽식 구조 시스템이 사용된다. 이와 같이 전단 벽식 상부 구조물과 골조 하부 구조물이 결합된 일 반적인 주상 복합 건물을 <Fig. 3>에 나타내었다.

    그림에서 볼 수 있듯이 전혀 다른 구조적 특성을 가진 두 건물이 경제적 필요에 의하여 수직적으로 연결된 경우 구조적인 측면에서는 단점이 더 많이 부각되는 수직 비정형 구조물로 평가된다7). 따라서 고층의 주상 복합 빌딩 구조물에 중간층 면진 시스 템이 적용된다면 하부의 상가 골조부와 상부의 주 거용 내력벽 구조 시스템이 만나는 위치에 설치하 여 상이한 두 구조 시스템을 격리시킴으로써 수직 비정형성을 저감시키는 것이 바람직할 것이다. 수직 비정형 건물에 중간층 면진 시스템이 적용될 때 발 생하는 구조물의 다양한 동적 특성을 정밀하게 분 석하고 중간층 면진 시스템과 수직 비정형 구조물 의 상호 작용을 고려한 최적 설계를 수행하기 위해 서는 효율적인 해석 기술의 개발과 성능 분석이 필 요하다.

    이러한 배경을 바탕으로 본 연구에서는 주상 복 합 상부의 내력벽 구조물과 하부의 골조 구조물의 동적 특성을 정확하게 표현할 수 있는 단순화 된 응 축 모델을 이용한 효율적인 해석 기술을 사용하였 다. 이때 수퍼 요소와 부분구조법을 이용하여 구조 물을 모형화 하였다. 이러한 해석 기술을 이용하여 주상 복합 건물에 적용된 중간층 면진 시스템의 지 진 응답 저감 성능을 검토하였다.

    2. 상부 벽식 구조물의 효율적인 해석

    국내에서 주거 용도로 건설되는 내력 벽식 아파 트는 층마다 동일한 입면과 평면이 반복되는 특징 을 가지고 있다. 이러한 특징을 이용하여 반복적으 로 사용되는 동일한 형태의 벽체를 수퍼 요소로 생 성하고 이를 조합한 세대를 부분 구조로 구성하면 전체 벽식 아파트 구조물을 매우 효과적으로 모형 화할 수 있다8). 이와 같은 모형화는 전체 벽식 구조 물을 유한 요소로 세분한 모델에 비하여 매우 효율 적인 해석을 수행할 수 있다. 부분구조법을 사용하 여 벽식 주거용 구조물의 벽체를 모형화하는 방법 을 <Fig. 4>에 나타내었다. 그림과 같이 우선 상부 벽식 구조물 한 층의 벽체를 판 요소9)를 사용하여 세분 모델로 모형화한다. 이렇게 작성된 세분 모델 을 <Fig. 4 (b)>와 같이 수퍼 요소를 생성하기 위한 단위 블록으로 분리한다. 일반적으로 벽식 구조물은 대칭의 형태로 설계되기 때문에 분리된 블록은 동 일한 형태가 여러 군데 발생하게 된다. 구조 형태가 동일한 전단벽은 하나의 수퍼 요소를 생성한 후 반 복적으로 사용할 수 있다. 각각의 벽체, 상하부 벽 체 및 슬래브와 연결하기 위한 절점을 제외하고 나 머지 절점의 자유도를 행렬 응축 기법10)에 의해 소 거하면 <Fig. 4 (c)>에 나타낸 바와 같이 여러 개의 수퍼 요소를 얻을 수 있다. 이렇게 생성된 수퍼 요 소를 조합하면 <Fig. 4 (d)>와 같이 한 층의 벽체를 구성하는 부분 구조를 만들 수 있다. 수퍼 요소와 부분 구조를 사용하여 슬래브를 모형화하는 과정을 <Fig. 5>에 나타내었다. <Fig. 5 (c)>에서는 서로 대 칭인 수퍼 요소 하나를 생성한 후 다른 하나는 자유 도 위치 변환으로 쉽게 얻을 수 있다.

    이러한 방법으로 생성한 전단벽 및 슬래브를 위 한 부분 구조를 <Fig. 6>과 같이 조합하면 기준층을 위한 부분 구조를 생성할 수 있다.

    앞서 생성한 전단벽 부분 구조와 슬래브 부분 구 조간의 공유 절점을 최소화하여 기준층을 모형화하 고, 모형화된 기준층을 상부 구조물의 전체 층 수 만큼 쌓아올린다. 층수가 변함에 따라 달라지는 전 단벽 두께에 대한 비율을 고려하여 강성 행렬을 변 경하면 어렵지 않게 해당 층의 강성 행렬을 구할 수 있다. 상부 벽식 구조물의 전체 층을 쌓아올린 후에 는 <Fig. 7>과 같이 층당 3개의 자유도를 갖는 응축 된 막대 모델을 생성한다.

    3. 하부 골조 및 중간 면진층 모델

    본 연구에서는 주상 복합 건물의 하부 구조물인 골조 부분을 모형화하기 위해서 일반적인 보 요소 를 사용하여 기둥과 보 부재를 모형화한다. 그 후 슬래브 효과를 강막 가정을 통해서 고려하고 각 절 점의 수직 방향 이동 자유도와 수평 방향의 두 회전 자유도는 행렬 응축 기법을 이용해서 소거한다. 이 러한 과정을 거치면 <Fig. 8>에 나타낸 바와 같이 각 층에서 평면의 이동과 회전을 고려하는 3개의 자유도만으로 표현되는 응축된 막대 모델로 변환될 수 있다.

    본 연구에서 대상으로 삼고 있는 주상 복합 구조 물의 수직 비정형성을 저감시키고 지진 응답을 효 과적으로 줄이기 위하여 상부 벽식 구조물과 하부 공조 구조물의 사이에 면진층을 삽입한다. 이러한 중간층 면진 구조물의 경우에는 면진 장치 설치 부 분에 수평 이동 및 회전에 대한 자유도만 고려하고 나머지 수직 및 수평 방향 두 자유도를 생략해도 구 조물의 전체 거동을 표현하는데 무리가 없다. Fig. 9

    앞서 구한 상부 벽식 구조물을 나타내는 막대 모 델과 하부 골조 구조물을 나타내는 막대 모델은 층 당 동일한 3개의 자유도를 가지고 있으므로 직접 연결할 수 있지만 본 연구에서는 중간층 면진 시스 템의 강성 및 감쇠가 고려되어 연결한다. 각각 구성 된 상부 구조물의 강성 행렬 SSU와 하부 구조물의 강성 행렬 SSL에 대하여 <Fig. 10>과 같이 면진 장 치의 자유도에 해당하는 부분에 면진 장치의 강성 행렬 SI를 조합하여 전체 구조물의 강성 행렬을 구 성한다. 최종적으로 구성된 해석 모델은 각 층에서 평면의 이동과 회전을 고려하는 3개의 자유도로만 구성되어 매우 효율적이다.

    4. 주상 복합 건물에 대한 중간층 면진 시스템의 효용성 검토

    본 연구에서는 간단한 2차원 주상 복합 구조물에 대한 중간층 면진 시스템의 효용성을 검증한 후 더 큰 규모의 3차원 주상 복합 구조물에 대한 평가를 수행하였다. 첫 번째 해석 모델은 <Fig. 11>에 나타 낸 바와 같이 전체 14층 건물로서 4층의 하부 골조 구조물과 10층의 상부 벽식 구조물로 구성되어 있 으며 그 사이에 면진층이 삽입되었다.

    El Centro (1940, NS) 지진 하중을 사용하여 시간 이력 해석을 수행하였다. 고유치 해석을 수행하여 얻은 모드 형상과 질량 참여율 및 고유 진동 주기를 <Fig. 12>와 <Table 1>에 나타내었다.

    수치 해석을 수행한 후 층별 변위, 가속도, 층 전 단력 및 층간 변위를 <Fig. 13>에 나타내었다. 그림 에서 중간층 면진 시스템이 적용된 구조물의 최대 층간 변위를 살펴보면 구조물의 하부와 상부 모두 최대 층간 변위가 면진 시스템이 적용되지 않은 밑 면 고정 구조물에 비하여 크게 줄어든 것을 확인할 수 있다. 면진 장치의 전단 변형율은 기초 면진 시 스템을 적용한 경우와 중간층 면진 시스템을 적용 한 경우가 각각 31%와 30%로 나타났다. 절대 가속 도의 경우 하부 구조물에서는 큰 감소가 없었으나 상부 구조물에서는 기초 면진 시스템을 적용한 경 우 이상의 수준으로 응답이 감소하였다. 예제 구조 물의 층 전단력 또한 면진 장치를 사용하지 않은 경 우에 비하여 큰 폭으로 감소하였고 밑면 전단력은 지반 고정 구조물에 비하여 52%로 줄어들었다.

    일반적으로 주상 복합 건물에서는 대부분의 횡 변위가 하부 골조 구조물에서 발생한다. 기초 면진 또는 중간 면진 시스템을 적용하면 기존의 하부 횡 변위를 감소시켜 골조의 소성힌지 발생을 방지할 수 있으며, 전달되는 지진력이 감소되므로 경제적인 구조물의 설계가 가능하다.

    앞 절에서 제안된 해석 기법을 적용하여 3차원 주상 복합 구조물에 대한 중간층 면진 시스템의 지 진 응답 저항 성능을 분석하였다. 예제 구조물의 3차원 투시도를 <Fig. 14>에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 예제 구조물은 총 20층 건물로서 5층 의 하부 골조 구조물과 15층의 상부 벽식 구조물로 구성되어 있다.

    중간층 면진 시스템은 5층과 6층 사이 구조 시스 템이 변하는 부분에 설치된다. 중간층 면진 시스템 을 구성하기 위해 사용한 LRB의 특성치를 <Table 2> 에 나타내었으며 총 30개를 면진층에 설치하였다. 본 예제에 대해서는 Northridge 지진 하중(1994)을 2방향으로 가하여 시간 이력 해석을 수행하였다. 지 진 하중에 의한 구조물의 피해를 예측하기 위해서 는 층간 변위비를 평가하는 것이 중요하므로 20층 주상 복합 구조물에 대하여 중간층 면진 시스템을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 층간 변위비 를 <Table 3>에 비교하였다. 일반적으로 지진 하중 에 의한 허용 층간 변위비는 0.015를 사용하므로 이 를 기준으로 평가하였다.

    표에 나타낸 바와 같이 중간층 면진 시스템을 사 용하지 않은 경우 상부 벽식 구조물과 만나는 5층 에서 허용 층간 변위비를 크게 뛰어 넘는 0.0215의 층간 변위비를 나타내므로 구조물의 안전성에 문제 가 생길 것으로 판단할 수 있다. 5층 외에도 하부 골조 구조물의 모든 층에서 층간 변위비가 0.01을 넘는 결과를 나타내고 있다. 상부 구조물은 전단 벽 식 구조물로서 층간 변위가 매우 작은 0.0009에서 0.0015의 값이 나타난다. 중간층 면진 시스템을 적 용한 경우에는 전 층에 걸쳐서 허용 층간 변위비 이 하로 나타나는 것을 알 수 있다. 특히 가장 큰 층간 변위비가 나타나는 5층의 값을 비교해보면 중간층 면진 시스템을 사용함으로써 약 32%의 응답을 저감 시킬 수 있었다. 중간층 면진 시스템을 주상 복합 구조물에 적용하면 그 외의 모든 층에서 층간 변위 비를 줄일 수 있었고 1층의 경우 약 50%까지 대폭 줄일 수 있었다. 지진 하중이 구조물에 작용할 경우 구조물의 안정성과 사용성을 평가할 수 있는 가속 도 응답을 검토하기 위하여 <Fig. 15>에 비교 대상 모델의 최상층 가속도 응답 시간 이력을 장변 방향 에 대하여 비교하였다. 그림에서 확인할 수 있듯이 중간층 면진 시스템을 적용하면 상부 벽식 구조물 의 전반적인 가속도 응답을 대폭 줄일 수 있었다. 최대 가속도 응답은 중간층 면진 시스템을 적용하 지 않은 경우와 적용한 경우에 각각 5.41m/s2과 1.58m/s2으로 나타났다. 즉 주상 복합 구조물에 중 간층 면진 시스템을 적용하여 상부 벽식 구조물의 최대 가속도를 70% 이상 줄일 수 있었다.

    5. 결론

    본 연구에서는 상부 벽식 구조물과 하부 골조 구 조물로 구성된 수직 비정형 주상 복합 구조물의 지 진 응답을 저감시키기 위하여 중간층 면진 시스템 을 적용하였으며 지진 응답 제어 성능을 검토하였 다. 이때 중간층 면진 시스템은 전혀 다른 두 구조 시스템인 벽식 구조물과 골조 구조물의 접합부에 설치하였다. 면진층이 삽입된 주상 복합 구조물의 지진 응답을 검토하기 위해서는 비교적 복잡한 고 유치 해석 및 시간 이력 해석이 필요하므로 전단 벽 식 구조물과 골조 구조물의 동적 거동을 효과적으 로 표현할 수 있는 해석 모델을 적용하였다. 이때 기준층이 반복되는 특성을 이용하여 수퍼 요소 및 부분구조법을 사용하였다. 역사 지진 하중을 예제 구조물에 가하고 개발된 해석 기법을 적용하여 주 상복합 구조물에 적용된 중간층 면진 시스템의 지 진 응답 제어 성능을 검토하였다. 수치 해석 결과, 중간층 면진 시스템은 벽식 구조물과 골조 구조물 을 분리시켜 수직 비정형성을 완화함으로써 연결된 구조물에 비하여 지진 응답을 효과적으로 저감시킬 수 있었다. 중간층 면진 시스템을 통해서 지진 하중 에 의한 구조물의 피해에 직접적인 영향을 미치는 층간 변위비와 층 전단력 뿐만 아니라 사용성과 안 정성에 영향을 미치는 가속도 응답도 매우 효과적 으로 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 본 연 구에서 검토한 예제 구조물 및 면진 장치만으로는 일반화된 평가를 내리기가 어렵기 때문에 추후 다 양한 예제 구조물 및 중간층 면진 시스템에 대한 검 토가 필요할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    이 논문은 ㈜보루의 지원으로 2018년에 수행된 “중 간층 면진시스템 설계기술 개발”과제의 연구 성과 물임을 밝히며 이에 감사드립니다.

    Figure

    KASS-19-3-33_F1.gif

    Dynamic characteristics of wind and earthquake loads

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    Iidabashi First Building in Tokyo

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    Residence-commerce complex

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    Substructure for shear walls

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    Substructure for floor slab

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    Substructure for typical story

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    Generation of lumped stick model

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    Condensed stick model for frame

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    Stick model for mid-story isolation

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    Generation of stiffness matrix

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    14-story example model

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    Mode shapes of each model

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    Analysis results of 14-story building

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    20-story 3D example structure

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    Roof acceleration time history

    Table

    Natural periods (Unit: sec)

    LRB properties

    Peak story drifts

    Reference

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