Direct Displacement-Based Design of RC Buildings Including Torsional and Higher-Mode Effects

Abstract

주어진 지진 위험 수준에 따라 미리 정해진 방식으로 움직이는 건물의 경우, 입력 변수로 허용 드리프트 또는 변형률을 부과하는 내진 설계가 수요에 대한 강도를 제공하고 드리프트 또는 변형률의 최종 점검보다 더 효과적이다. 왜냐하면 피해는 힘보다 드리프트나 변형률과 더 관련이 있기 때문이다. 간단히 말해서, 변위 기반 방법이 힘 기반 방법보다 더 효율적이다. 현재 단계에서는 다른 방법보다 간단하고 완전하며 다재다능하며 우수한 변위 기반 방법이 DDBD(Direct-Displacement-Based Design)이다. 이러한 특성에도 불구하고, 몇 가지 단점이 있다. 단순화된 모델을 기반으로 개발된 파라메트릭 방정식의 비틀림 및 고모드 효과에 대한 설명이다. DDBD의 프레임워크에서는 RC(Reinforced Concrete) 건물의 경우 일반 평면 RC 프레임의 제한된 파라미터 연구에서 스토리 전단, 모멘트, 변위 등의 고모드 증폭을 얻는다. 일반적인 비대칭 벽식 건물을 위해 개발된 방정식에 의해 프레임 건물에 대한 비틀림 효과를 결정한다. 의심할 여지 없이, 높이에 따라 질량과 강성이 불규칙한 구조물에 이 등식을 적용하면 잘못된 결과가 발생한다. DDBD는 평면 비대칭 벽체 건물을 고려한 설계 규정이 없다. 이 연구에서는 DDBD의 이러한 영향을 설명하기 위한 다양한 접근방식이 제안되었다. 상위 모드 증폭을 고려하기 위해, 원하는 층간 변위를 초과하지 않고 허용 층간 드리프트를 수행하는 건물 프레임의 횡방향 강성이 결정되었다. 강성을 이용하여 탄성 반응 스펙트럼 분석을 수행하여 탄성 높은 모드 힘 효과를 결정한다. 그런 다음 이러한 힘 효과는 설계가 수행될 수 있도록 적절한 모달 중첩 방법을 사용하여 DDBD에 의해 얻은 첫 번째 모드 힘 효과와 결합한다. 반응의 비틀림 증폭을 줄이기 위해 강성의 스토리 중심이 스토리 전단 중심과 일치하도록 프레임의 횡방향 강성을 할당한다. 이렇게 하면 바닥 회전이 크게 최소화되어 변환 동작만 발생한다. 따라서 평면형 건물에 더 높은 모드 효과를 포함하기 위해 고안된 접근방식을 평면 비대칭 프레임에 사용할 수 있다. 상위 모드 효과가 유의하지 않은 경우(즉, 일차 모드 지배 건물의 경우), 비틀림 효과를 완화하기 위한 단순화된 대안 접근법을 고안하고 6층 평면 비대칭 프레임 건물을 점검한다. 상위 모드 효과를 포함하기 위해 제안된 접근방식은 네 가지 범주의 12개의 평면 프레임에서 먼저 시험한 후 평면 비대칭 건물에 적용한다. 비틀림 및 고 모드 효과를 통합하는 접근법의 효율성은 높이에서 질량과 강성이 불규칙한 평면 비대칭 20층 RC 프레임 건물 2개와 30층 벽식 건물로 확인된다. 설계 접근방식은 사례 연구의 비선형 시간 이력 분석(NTHA)에 의해 검증되었을 때 합리적인 반응 출력을 산출한다. 따라서, 평면 비대칭 RC 건물에 대한 NTHA 사용을 최소화하여 계산 자원과 노력을 절약할 수 있다.; For buildings to behave in predetermined manner to a given earthquake hazard level, seismic design imposing allowable drift or strains as input variable is more effective than providing strength for the demand and checking drifts or strains finally. This is because damage is better related to drifts or strains than forces. In short, displacement-based method is more efficient than force-based method. At the current stage, a displacement-based method that is simple, complete, versatile and mature than others is Direct-Displacement-Based Design (DDBD). Despite these attributes, it has some shortcomings. These are accounting for torsional and higher-mode effects by parametric equations that are developed based on simplified models. In DDBD’s framework, for Reinforced Concrete (RC) buildings, higher-mode amplification of story shear, moments, displacements etc are obtained from limited parametric studies of regular planar RC frames. Torsional effects are determined for frame buildings by equations developed for regular asymmetric wall-type buildings. Undoubtedly, applying these equations for structures with mass and stiffness irregularity along height produces erroneous results. DDBD has no design provision to account for plan-asymmetric wall-frame buildings. In this study, different approaches to account for these effects in DDBD have been proposed. For considering the higher-mode amplification, the lateral stiffness of the building frames that fulfill the allowable inter-story drift without exceeding the desired story displacements has been determined. Using the stiffness, an elastic response spectrum analysis is carried out to determine elastic higher-mode force effects. These force effects are then combined with DDBD-obtained first-mode force effects using the appropriate modal superposition method so that design can be performed. To reduce torsional amplification of responses, frames’ lateral stiffnesses are assigned so that the story center of rigidity coincides with the center of story shear. In doing so, the floor rotations are greatly minimized resulting in translational motion only. Consequently, the approach devised for the planar buildings to include higher-mode effects can be used for the plan-asymmetric frames. For cases in which higher-mode effects are not significant i.e. for first-mode dominated buildings, a simplified alternative approach to mitigate torsional effect is devised and checked for six story plan-asymmetric frame buildings. The proposed approach to include higher-mode effects is tested first for twelve planar frames in four categories before applying it to plan-asymmetric buildings. The efficiency of the approach that incorporates torsional and higher-mode effects is checked by two plan-asymmetric 20-story RC frame buildings and a 30-story wall-frame building with mass and stiffness irregularity along height. The design approaches produce reasonable response outputs when verified by Nonlinear Time History Analysis (NTHA) of the case studies. Thus, they are a step forward towards minimizing the use of NTHA for plan-asymmetric RC buildings, thereby saving computational resources and effort.