seismic behavior evaluation of steel special moment frame...

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.