계단 설치형 카고메 감쇠시스템을 활용한 철근콘크리트 라멘조 공동주택의 지진응답 개선

허무원,천영수,이상현,황재승 한국구조물진단유지관리공학회 2018 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.22 No.5

최근 들어 건물의 내진 및 내풍 성능을 향상시키기 위하여 감쇠구조에 대한 관심이 높아지고 있다. 감쇠장치 중 저렴한 비용과 높은 에너지소산능력을 발휘하며, 설치와 유지관리가 용이하다는 장점이 있어 강재이력형 감쇠장치를 이용한 수동형 감쇠구조시스템이 널리 사용 되고 있다. 본 논문에서는 라멘구조 또는 무량판 구조에 적합한 계단 설치형 카고메 감쇠시스템(SKDS)을 제안하고자 하며, 제안된 감쇠시스템의 지진응답 개선효과에 대하여 해석적으로 검토하고자 한다. 비선형 동적해석결과 최대응답변위, 최대응답가속도 및 밑면전단력 감소로 살펴볼 때 내진구조와 비교하여 더 향상된 거동이 기대된다는 점에서 SKDS의 효과를 확인할 수 있었다. Recently, there are highly interests on structural damping to improve resistance of seismic and wind. It has been frequently used hysteresis damping devices made of steel because of economic efficiency, construction, and maintenance. This paper presents the effective reduction of seismic response by using Kagome damping system(SKDS) in rahmen system apartment building. The proposed system is designed to be activated by the relative displacement between the building and the stairs. It is performed nonlinear dynamic analysis to review the effects of earthquake response reduction for the 20-stories rahmen framed apartment building. In the analysis of the SKDS system, the reduction of maximum response displacement, maximum response acceleration and layer shear force are compared with the seismic design, and the result show that allowable story displacement is satisfied with Korean Building Code (KBC 2016).

유사동적실험에 의한 외부접합형 카고메 트러스 제진장치가 설치된 RC 라멘조 공동주택의 내진성능 평가

허무원,천영수,황재승,이강석 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.1

Recently a new damper system with Kogome truss structure was developed and its mechanical properties were verified based on the laboratory test. This paper presents a Kagome truss damper external connection method for seismic strengthening of RC frame structural system. The Kagome external connection method, proposed in this study, consisted of building structure, Kagome damper and support system. The method is capable of reducing earthquake energy on the basis of the dynamic interaction between external support and building structures using Kagome damper. The pseudo-dynamic test, designed using a existing RC frame apartment for pilot application of LH corporation, was carried out in order to verify the seismic strengthening effects of the proposed method in terms of the maximum load carrying capacity and response ductility. Test results revealed that the proposed Kagome damper method installed in RC frame enhanced conspicuously the strength and displacement capacities, and the method can resist markedly under the large scaled earthquake intensity level. 최근 새로운 3차원 와이어 다공질 형태의 카고메 트러스 이력형 제진장치가 개발되어, 건축물의 내진성능 개선을 위한 제진장치로서의적용가능성이 재료실험을 통하여 검증되었다. 본 연구에서는 카고메 트러스 이력형 제진장치를 RC 라멘조 공동주택에 외부접합 한 새로운제진구조시스템을 제안하였다. 카고메 외부접합형 제진구조시스템은 대상건물, 카고메 제진장치, 지지구조물로 구성되어 있으며, 기존 층간에 설치된 제진시스템과 달리 외부 지지 구조물과 대상 건축물의 상호작용을 이용하여 제진장치가 지진 에너지를 흡수하는 시스템이다. 본연구에서 제안한 카고메 외부접합형 제진공법의 유효성을 검증 할 목적으로 LH공사 시범적용용 RC 라멘조 20층 공동주택의 골조를 대상으로 유사동적실험을 실시하여 내진성능 개선효과를 검토하였다. 그 결과, 국내에서 발생 가능한 지진규모 (200gal)에서 비보강 골조는 중규모의 지진피해가 예상되었지만, 카고메 외부접합형 제진보강법으로 보강한 골조는 경미한 지진피해가 예상되었으며, 대규모 지진(300gal)을 상정한 경우에도 중규모 이하의 지진피해가 예상되어 본 연구에서 개발한 카고메 제진보강법의 내진성능 개선 효과의 유효성이검증되었다고 사료된다.

중공 슬래브의 국부지압강도에 대한 시공안전성 평가

허무원,윤정환,황규석,윤성호,박태원 한국구조물진단유지관리공학회 2018 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.22 No.2

Hollow Core Slab is a very efficient system that can reduce weight and its use has increased. Void slab is a concrete slab that has voids substituted with void material. Because of its saved volume of concrete, void slab can reduce weight of slabs. Also, it can't only save concrete but also can reduce carbon-emission. However, because of the unclear bearing strength at the part of void substituted with voiding material, several problems occur in constructing field. In this study, void slab including void material was built and local bearing strength test was carried out for 3 types of load(truck load, support load and Jack support load). As a result, bearing strength of void neck and upper void material is more than allowable load. And also, bearing strength of specimens with using deck and not using deck are also over allowable loads. 중공슬래브는 휨 성능에 영향을 미치지 않는 부분의 콘크리트 단면을 삭제하고 중공재로 치환함으로써 중공재 부피만큼 콘크리트가 줄어들어 자중 감소효과를 가져오는 장점이 있다. 또한, 콘크리트의 물량절감뿐 아니라 친환경적 측면에서 이산화탄소의 배출도 저감할 수 있어 효과적이다. 하지만, 중공재로 치환한 부분의 지압강도가 명확하지 현장 적용 시에 여러 가지 문제점이 발생한다. 이에 본 연구에서는 중공재가 포함된 중공슬래브를 제작하여 각 타입별(트럭 하중 적용 시, 동바리 하중 적용 시 및 잭 서포트 하중 적용 시)로 국부지압강도 실험을 수행하여 중공슬래브 국부 지압강도의 안전성을 평가하고자 한다. 트럭하중 적용 시, 동바리 하중 적용 시 및 잭 서포트 하중 적용 시의 실험결과 중공재 연결부위 및 중공재 상부의 지압강도는 모든 실험체에서 허용 하중 이상을 보유한 것으로 나타났다. 또한 데크 적용 유무에 따른 실험결과도 모두 허용 하중을 초과하여 안정성을 확보하는 것으로 나타났다.

더블 I형 감쇠장치로 보강한 비내진 RC 골조의 내진성능 평가

허무원,천영수,황재승,김종호 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.6

In this study, to examine seismic reinforcement effect of a school building constructed prior to application of seismic design, a Double I-type damper supported by wall was installed to perform comparative analysis on existing non-seismic designed RC frame. As a result of experiment, while non-seismic designed specimen showed rapid reduction in strength and brittle shear destruction as damages were focused on top and bottom of left and right columns, reinforced specimen showed hysteretic characteristics of a large ellipse with great energy absorption ability, exhibiting perfectly behavior with increased strength and stiffness from damper reinforcement. In addition, as a result of comparing stiffness reduction between the two specimens, specimen reinforced by shear wall type damper was effective in preventing stiffness reduction. Energy dissipation ability of specimen reinforced by Double I-type damper was about 3.5 times as high as energy dissipation ability of non-reinforced specimen. Such enhancement in energy dissipation ability is considered to be the result of improved strength and deformation. 본 연구에서는 내진설계 이전에 지어진 학교 건물을 대상으로 내진보강효과를 알아보기 위하여 벽체로 지지되는 강재이력형 감쇠장치를 설치하여 기존 비내진 설계된 보강 RC골조 실험결과와 비교 분석하였다. 실험결과, 비내진 설계된 실험체는 좌․우측 기둥의 상․하부에피해가 집중되면서 급격한 강도저하와 함께 취성적인 전단파괴의 양상을 나타낸 반면, 더블 I형 감쇠장치를 보강한 실험체는 감쇠장치 보강으로 강도 및 강성의 증가와 함께 탄소성 거동을 보이면서 에너지 흡수 능력이 큰 타원형의 이력특성을 나타내었다. 또한, 두 실험체의 강성저하를 비교한 결과 더블 I형 감쇠장치를 보강한 실험체가 강성저하를 방지하는데도 효과적임을 알 수 있었다. 에너지소산능력도 더블 I형 감쇠장치를 보강한 실험체가 비보강 실험체에 비해 약 3.5배의 향상된 결과를 나타내었다. 이러한 에너지소산능력의 증진은 내력과 변형 능력의 증진에 따른 결과라고 사료된다.

외부접합형 카고메 감쇠시스템을 사용한 철근콘크리트 라멘조 공동주택 비탄성 지진 응답 제어

허무원,천영수,이상현 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.3

이 논문은 지진응답을 감소시키기 위해 외부설치형 카고메 감쇠시스템의 유효성을 비선형 동적 해석 결과를 통해 나타내었다. 이 전의 연구에 의해 제안된 카고메 감쇠시스템을 활용하여 본 연구에서는 등방성, 이선형 이력특성 및 설치구성이 새롭게 제안하였다. 또한, 외부접합형 카고메 감쇠시스템의 여러 가지 효과를 15층 및 20층 철근콘크리트 라멘조 아파트를 대상으로 검증하였다. 원구조물에 대한 감쇠장 치 지지구조물의 강성비, 감쇠장치의 수량 및 설치 층수는 설계변수로 고려하였다. 수치해석결과, EKDS는 기존의 한 방향 층간에 설치되는 감 쇠시스템과 비교할 때 더 작은 수를 적용하여도 두 방향의 지진하중을 감소시키는데 매우 효과적임을 입증되었다. Various passive energy dissipation systems have been proposed and widely applied to real building structures under seismic load due to their high energy-dissipation potential and low cost for installation and maintenance. This paper presents nonlinear dynamic analysis results of the effectiveness of exterior-installed Kagome damping system(EKDS) in passively reducing seismic response. Kagome damping system proposed by previous studies has isotropic and bi-linear hysteretic characteristics and the installation configuration is newly presented in this study. The 15 and 20 story RC framed apartment buildings are used for verifying the effectiveness of the EKDS. The stiffness ratio of the damper supporting column to the original building, the number of the dampers, and the installed stories were considered as design parameters. Numerical results demonstrated that the EKDS were very effective in reducing both the two horizontal directional seismic responses by just using smaller number of exterior-installed damping system when compared to the traditional one-directional inter-story installed damping systems.

Exo-type 감쇠시스템의 강성비와 감쇠장치의 항복비에 따른 라멘조 건물의 제진효과

허무원,이상현,천영수 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.5

In this paper, the vibration control effect of the Exo-type damping system was investigated by applying the Kagome dampers to 15-story and 20-story frame structure apartment. A new Exo-type damping system composed of the dampers and supporting column was proposed in the previous work and numerical analysis were performed to investigate the effects of optimum stiffness ratio between controlled structure and supporting column, the size of damper and yield ratio of the damper. The numerical analysis results of a structure with Exo-type damping system up to the third story showed that the stiffness ratio should be higher than 7.0 and the damper device yield ratio be at least 8.0% (Vdamper/Vbase shear) to effectively reduce the base shear and the maximum drift of the uppermost story. When the Exo-type damping system was installed up to the fifth story, the stiffness ratio should be higher than 2.5 and damper device yield ratio needs to be at least 3.5% (Vdamper/Vbase shear) for obtaining the target performance. 본 논문에서는 효과적인 제진설계를 구현하기 위한 설계기술 개발의 일환으로 최근 제안된 Exo-type 감쇠시스템을 활용하여 15층과 20층의 연구 대상 건물을 대상으로 감쇠시스템의 최적 강성비와 적용된 감쇠장치의 최적 항복비에 따른 철근콘크리트 라멘조 건물의 제진효과를 검토해 보았다. 해석결과, Exo-type 감쇠시스템을 3개층 적용 시에는 대상 건물 15층과 20층 모두 밑면전단력과 최상층 최대응답변위감소라는 관점에서 유효한 제진효과를 얻기 위해서는 Exo-type 감쇠시스템과 대상 건물의 강성비는 7.0 이상 확보를 하여야 하며, 감쇠시스템에 적용된 감쇠장치의 항복비는 대상 건물의 층전단력의 약 8.0% 이상 확보할 필요가 있는 것으로 나타났다. 또한, Exo-type 감쇠시스템을 5개층 적용 시에는 대상 건물 15층과 20층 모두 Exo-type 감쇠시스템과 대상 건물의 강성비는 2.5 이상 확보 하여야 하며, 감쇠시스템에 적용된 감쇠장치의 대상 건물의 층전단력의 약 3.5%이상 확보할 필요가 있는 것으로 나타났다.

등방성 감쇠장치를 갖는 KGDS시스템을 활용한 라멘조 건물의 제진효과

허무원,이상현,천영수 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.2

In this paper, the vibration control effect of the isotropic damping devices (so-called Kagome dampers) was investigated by applying the Kagome dampers to a 20-story frame structure apartment. A new Kagome Damper System (KGDS) composed of the dampers and supporting column was proposed and numerical analyses were performed to investigate the effects of stiffness ratio between controlled structure and supporting column, the damper size and the number of the dampers. The numerical analysis results of a structure with KGDS up to the third story showed that the stiffness ratio should be higher than 6.4 and the damper size be at least 700×700mm to effectively reduce the base shear and the maximum drift of the uppermost story. When the KGDS was installed up to the fifth story, the stiffness ratio should be higher than 7.0 and damper size needs to be at least 500×500mm for obtaining the target performance. 본 논문에서는 효과적인 제진설계를 구현하기 위한 설계기술 개발의 일환으로 20층 라멘조 형식의 공동주택을 대상으로 최근 개발된 등방성감쇠장치 (일명 카고메감쇠장치)를 적용하여 대상구조물-카고메감쇠장치-지지구조물로 구성된 새로운 형식의 시스템 (Kagome Damper System : KGDS)을 제안하고, 대상구조물과 지지구조물의 강성차, 감쇠장치의 크기 및 지지구조물의 적용 층수 등을 변수로 수치해석을수행하여 제진효과를 검토해 보았다. 해석결과, 밑면전단력과 최상층 최대응답변위 감소라는 관점에서 유효한 제진효과를 얻기 위해서는지지구조물을 3개층 높이로 설치할 경우, 대상구조물과 지지구조물 간의 강성비는 약 6.4배 이상, 감쇠장치의 사이즈는 700×700mm 이상을 확보할 필요가 있으며, 지지구조물을 5개층 높이로 설치할 경우에는 대상구조물과 지지구조물 간의 강성비는 약 7.0배 이상, 감쇠장치의사이즈는 500×500mm 이상을 확보할 필요가 있는 것으로 판단된다.

면진시스템을 적용한 수직증축 리모델링 공동주택의 최적 면진주기 산정

허무원,이용훈,이상현 한국구조물진단유지관리공학회 2019 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.23 No.3

This study presents the optimal isolation period according to the number of vertically expended stories in order to provide the basic data for the application of the seismic isolation system in the vertically expended remodeling of the aged apartment. As a result of the structural analysis, the isolation period should be at least twice the primary structure in three-story vertical expansion, three times in two-story expansion, and four times in one-story expansion for the effective application of the isolation system. On the basis of the result, the efficacy of an isolation system for the actual apartment structure, which is three-story vertically expended, was analytically verified. The maximal acceleration response on the top floor reduced by 70% and 65% of the non-isolated structure in the X and Y directions respectively. Additionally, the base shear force decreased by 30% in the both directions, compared to the non-isolated structure. 본 연구에서는 노후화된 공동주택 수직 증축 리모델링 시 면진시스템의 적용성을 검토 및 면진시스템 적용을 위한 기초자료를 제공할 목적으로 동일한 구조로 수직 증축 시 수직 층수와 면진주기에 따른 최적 면진주기를 산정하였다. 해석결과, 3개층 수직 증축 시에는 면진주기를 비면진 건물 주기의 2배 이상, 2개층 수직 증축 시에는 비면진 건물 주기의 3배 이상을 확보하여야만 충분한 면진효과를 나타내는 것을 알 수 있었다. 또한, 1개층 수직 증축 시에는 비면진 건물 주기의 4배 이상을 확보하여야만 면진효과를 나타내었다. 위의 결과를 활용하여 3개층 수직증축 리모델링 대상 공동주택에 면진시스템을 적용하여 그 효과를 검증하였다. 최상층 최대응답가속도가 비면진 건물의 최대응답가속도 보다 X방향의 경우에는 약 70%로, Y방향의 경우에는 약 65%의 감소를 나타내었다. 또한, 밑면 전단력의 경우, 비면진 건물과 비교하여 X방향 및 Y방향 모두 약 30% 감소하는 것으로 나타났다.

콘크리트에 매립된 카고메 감쇠시스템의 내진거동평가

허무원,이상현,김종호,황재승 한국구조물진단유지관리공학회 2019 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.23 No.2

Recently, there has been a tendency to improve seismic performance of building structure by installing a steel hysteretic damping device which is economically efficient and easy to install and maintain. However, for a reinforced concrete building, a set of complicated connecting hardware and braces to fix the steel hysteretic damping device yields deteriorated reliability in damping performance. Therefore, this study presents a method of directly embedding a Kagome damper, which was investigated in previous researches, into a concrete structure without additional connecting hardware. Moreover, in this study, a series of experiments conducted to provide a basis of the Kagome damper by confirming the seismic behavior for various embedded lengths. As a result, in a group of the embedded length of 1.0, the dampers were pulled out, while concrete breakout occurs. In a group of 2.0, neither pull-out nor concrete breakout occurred, while the dampers show stable behavior. Moreover, the buried length of 2.0 has 1.3 times better energy dissipation capacity. The system presented in this study can reduce the cost and period for installing, omitting making additional hardware. 최근 들어 우리나라에서도 설치와 유지관리가 용이하며 경제성이 뛰어난 강재이력형 감쇠장치를 적용하여 내진성능을 확보하고자 하는 건물들이 다수 건설되고 있다. 하지만 이러한 강재이력형 감쇠장치가 철근콘크리트 건물에 적용되는 경우 감쇠장치를 설치하기 위한 연결구조물은 전체적인 시스템을 복잡하게 만들어 감쇠장치의 신뢰도를 저하시키는 요소가 되기도 한다. 이에 본 연구에서는 기존연구에서 개발된 카고메 감쇠장치를 대상으로 별도의 연결구조 없이 철근콘크리트 지지구조물에 감쇠장치를 직접 매립할 수 있는 시스템을 제안하고자 하며, 매립길이에 따른 내진거동을 확인하여 동 시스템의 정립을 위한 기초자료를 제공하고자 한다. 실험결과, 1.0 매립길이 실험체의 경우 카고메 감쇠장치 매립부분에서 콘 파괴와 유사한 형태의 뽑힘이 발생하였다. 반면, 2.0 매립길이를 확보한 실험체는 실험 종료 시까지 뽑힘 및 콘 파괴 없이 안정적인 이력거동을 나타내었고 1.0 매립길이 대비 2.0 매립길이가 약 1.3배의 향상된 에너지소산능력을 나타내었다. 본 연구에서 제안하는 시스템을 적용할 경우, 기존 설치방법 변경에 따른 기타 철물 제작 비용을 줄일 수 있으며, 시공 시에도 부수적인 철물 시공을 줄여 공기를 단축할 수 있다.

등대구조물의 면진시스템 적용방안 연구

허무원,천영수,김동영 한국구조물진단유지관리공학회 2013 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.17 No.1

본 연구에서는 등대 구조물을 대상으로 한 면진기술 적용방안을 제시함으로써 지진에 대해 무방비상태에 놓여 있는 등대구조물의 지진안전도 확보방안을 제시하였다. 또한, 제안된 면진기술 적용방안을 활용하여 내진설계 이전에 지어진 등대를 대상으로 등대전체를 면진하였을 경우와 등대 렌즈만을 면진하였을 경우에 대하여 면진효과를 분석해 보았다. 해석결과, 등대 전체를 면진화하였을 경우 최대응답가속도와 층전단력 측면에서 충분한 면진효과를 얻은 반면, 등대 렌즈만을 면진화한 경우에는 렌즈부의 면진효과는 유효한 것으로 나타났으나 등대 자체의 안전이 확보되지 못한 상황에서는 등대의 파괴가 선행될 가능성이 있음에 주의할 필요가 있는 것으로 나타났다. 또한 등대전체와 렌즈를 동시에 면진화한 경우 비 면진구조 대비 유효한 면진효과는 나타내었지만, 최대응답가속도가 등대전체를 면진화한 경우보다 증가하는 경향을 나타내었으며, 렌즈의 면진화로 인한 층전단력의 감소가 미소함으로 이중면진의 적용으로 인한 실효성은 그 효과가 크지 않은 것으로 나타났다. In this study, seismic isolation technology to the lighthouse structure is suggested and isolation effects on response reduction are studied for three types of isolation models with the proposed seismic isolation technology. A seismic isolation system is installed on the base of the lighthouse structure in model 1, on the base of the lighthouse lens in model 2, and on the base of both of them in model 3. The dynamic time history analysis verifies that in case of model 1, the earthquake loading is greatly reduced and the accelerations of superstructure are greatly reduced. Also, the inter-story drifts are very small and can be neglected. The isolated model is in translational state and can be seen as a rigid whole. as a results, model 1 is very effective to mitigate the influence of earthquake on structures. In model 2, isolation effects are valid but special care should be taken to failure of the non-isolated lighthouse sub-structure. In model 3, isolation effects are also valid but the effects are small. model 3 is less effective than model 1.