Near fault 지진을 이용한 철골 모멘트 골조의 내진성능평가

Abstract

Near fault ground motions contain distant and large amplitude pulses in both velocity and displacement and have specific features in comparison with ordinary ground motions. Such ground motions were recorded in the 1994 Northridge earthquakes, USA, the 1995 Hyogoken-Nanbu (Kobe) earthquakes, Japan, and the 1999 Chi-Chi earthquakes, Taiwan. These ground motions resulted in largely unanticipated damage to engineered structures, so recent concern about the damage potential of near-field ground motions has led to considerable interest in the nature of these motions and their impact on structural performance(Baze 2000, Hall 1998, Iwan 2000). This paper discusses the characteristics of near fault earthquakes and their effects on seismic demands as compared with those of ordinary earthquakes. The seismic performance of 3 Moment Resisting Steel Frames subjected to 30 near fault ground motions and 30 ordinary ground motions was evaluated to investigate how the predominant pulse of near fault ground motions in velocity affects on structures. Current seismic design provisions allow to predict a seismic demand by using design base shear and follow the several different forms to represent the base shear; however, the fundamental components of the base shear, Inelastic Response Spectrum and weight of a structure, is similar in different design codes. Inelastic Response Spectrum is computed by Linear Elastic Response Spectrum and Response Modification Factor, R. Therefore, to estimate a seismic demand by using design base shear is to estimate by using either Linear Elastic Response Spectrum and Response Modification Factor, R or Inelastic Response Spectrum. Incremental Dynamic Analysis (IDA) has recently emerged as a parametric analysis method in several different forms to estimate more thoroughly structural performance under seismic loads. It subjects a structural model to ground motion records, each scaled to multiple levels of intensity, and then, produces curves of response parameterized versus intensity level. So finally, it can offer thorough seismic demand and limit-state capacity prediction capability. This paper investigates characteristics of near fault earthquakes and their effects on seismic demands. 30 earthquake ground motions that satisfied 5 conditions for near fault motion were selected for this purpose, and they also have on distinct peak velocity pulse in the velocity time history. The study is based on idealized single-degree-of-freedom(SDOF) and multi-degree-of-freedom(MDOF) inelastic structural models. To inquire into distinctive features of near fault earthquakes, 30 sets of near fault ground motion and 30 sets of ordinary ground motion are compared with respect to Linear Elastic Response Spectrum(LERS), Response Modification Factor(R), and Inelastic Response Spectrum(IRS). And also, Incremental Dynamic Analysis(IDA) was used to evaluate the seismic performance of 3 Moment Resisting Steel Frames subjected to near fault ground motions and to investigate how the predominant pulse of near fault ground motions in velocity affects on structures. This paper is divided into five chapters; Chapter1, Introduction; Chapter 2, Definition of near fault earthquakes and conditions selecting near fault earthquakes; Chapter 3, Investigation of the difference between 30 Near fault earthquakes and 30 Ordinary earthquakes on seismic demands by factors for base shear; Chapter 4, Seismic performance evaluation of 3 moment resisting steel frames subjected to near fault earthquakes and ordinary earthquakes; Chapter 5, Conclusion. Chapter 1 describes the background and the purpose of this study and presents the methods how to research. Chapter 2 describes the conditions of near fault ground motions in preceding studies and establishes the definition of near fault ground motions. Chapter 3 investigates the different features between two earthquake groups on Linear Elastic Response Spectrum(LERS), Response Modification Factor(R), and Inelastic Response Spectrum(IRS). Chapter 4 evaluates the seismic performance of 3 Moment Resisting Steel Frames subjected to near fault ground motions and ordinary ground motions, Chapter 5 summarizes this thesis and provides the overall conclusions.; Near fault 지진은 일반 지진과는 달리 큰 속도 · 변위의 변화와 큰 증폭계수를 보이며 매우 긴 가속도 펄스를 지니고 있는 등, 기존의 지진과는 전혀 다른 양상을 보이고 있지만 아직까지 Near fault 지진에 대한 명확한 정의조차 이루어지지 않고 있다. 또한, 기존의 내진규준에 의해 설계 되어진 건물들도 이러한 지진에 의해 피해를 받았다는 보고가 발표되고 있으므로(Baze 2000, Hall 1998, Iwan 2000) 별도의 Near fault 지진 연구가 필요한 실정이다. 더욱이 이러한 내진설계가 현행의 내진규준에 의한 설계였다는 점에서 Near fault 지진을 다룰 좀 더 구체적이고 명확한 규준마련이 시급한 상황이다. 그러나 현재 Near fault 지진에 대한 연구는 아주 미흡하고 그 사례도 적다. 본 연구에서는 Near fault 지진기록과 일반 지진기록에 의한 구조물의 요구응답을 구하고 이를 비교 검토하여 좀 더 구체적인 Near fault 지진의 특징을 정의하고 그러한 Near fault 지진이 실제 구조물에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 한다. 현행 내진설계기준에서는 설계밑면전단력(Design base shear)을 이용하여 지진에 대한 구조물의 요구응답을 구하도록 되어있으며 밑면전단력은 각 기준들마다 그 형태는 다르지만 기본적인 구성요소는 비탄성응답스펙트럼(Inelastic Response Spectrum)과 구조물의 중량으로 유사하다. 여기에서 비탄성응답스펙트럼은 탄성응답스펙트럼(Linear Elastic Response Spectrum)과 반응수정계수(Response Modification Factor, R)를 이용하여 구할 수 있다. 그러므로 설계밑면전단력을 사용하여 구조물의 요구응답을 구하는 것은 결국 탄성응답스펙트럼과 반응수정계수, 또는 비탄성응답스펙트럼을 사용하여 구한다고 할 수 있다. 성능기반내진설계 (Performance-Based Seismic Design)는 구조물의 내진성능평가에 구조물에 가해지는 지진의 요구량과 구조물의 보유성능에 대한 정확한 평가가 필요하다. 이것을 수행할 수 있는 방법 중의 하나로 증분동적해석(Incremental Dynamic Analysis) 방법이 많이 사용되고 있다. IDA 는 적절한 지반운동 데이터를 이용해 여러 가지 강도 단계로 크기를 변경해 가면서 구조물의 비탄성 시간이력해석을 수행하여 구조물의 비탄성응답에서부터 동적 불안정 상태까지의 응답을 측정하는 방법이다. 이런 해석을 바탕으로 여러 가지 한계상태, 즉 즉시거주수준(Immediate Occupancy), 붕괴예방수준(Collapse Prevention), 전체붕괴(Global Dynamic Instability) 등에 해당하는 구조물의 보유성능 또는 지진의 강도를 결정 할 수 있다. 기본 연구에 앞서 가장 먼저 선행되어야 할 연구는 Near fault 지진에 대한 정확한 정의를 내리는 것이다. 이에 기존 연구자들의 Near fault 지진의 정의를 정리, 비교하여 Near fault 지진의 요건을 5가지로 정의하였고, 이 조건에 부합하는 Near fault 지진 데이터 30개를 선정하였다. 또한, 이와 비교할 지진으로 Near fault 지진 데이터와 동일한 지반 조건을 가지는 일반 지진 데이터 30개를 선정하였다. 본 연구에서는 Near fault 지진과 Ordinary 지진, 두개로 나누어진 지진집단에 대하여 탄성응답스펙트럼, 반응수정계수, 비탄성응답스펙트럼을 가각 비교, 검토하여 선정된 Near fault 지진과 Ordinary 지진의 차이점을 규명하였다. 또한 증분동적해석(IDA)을 수행하여 이렇게 차이점이 규명되어진 두개의 지진집단이 실제 구조물에서는 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다. 이 모든 연구내용을 본 논문 총 5장에 나누었으며 1장은 연구배경 및 목적, 연구 내용 및 범위, 2장은 Near fault 지진에 대한 정의와 지진기록의 선택, 3장은 두 지진집단에 따른 탄성응답스펙트럼, 강도저감계수 및 비탄성응답스펙트럼 비교, 4장은 IDA를 이용한 구조물의 내진성능평가, 5장은 결론 등으로 나누어 기술하였으며, 각 장의 내용을 간략히 요약하면 다음과 같다. 제1장에서는 연구의 배경 및 목적과 그에 따른 연구내용 및 범위를 명시하여 연구의 방향을 제시하였다. 제2장에서는 본 연구에서 사용할 Near fault 지진의 정의와 선택과정, 이와 비교할 Ordinary 지진의 선정 기준과 이러한 지진기록의 조정 필요성에 대하여 기술하였다. 제3장에서는 선정된 두 지진집단에 대하여 설계밑면전단력의 구성요소인 탄성응답스펙트럼, 강도저감계수, 비탄성응답스펙트럼 값을 비교하였다. 제4장에서는 구조물에 가해지는 지진의 요구량과 구조물의 보유성능에 대한 정확한 평가를 할 수 있는 방법 중인 하나인 IDA를 수행하여 두 지진집단에 대한 3, 9, 20층의 철골모멘트골조의 내진성능을 평가하고 비교하였다. 마지막으로 제5장에서는 두 지진집단에 대한 구조물의 요구응답을 비교, 검토한 결과와 Near fault 지진과 Ordinary 지진을 이용한 철골모멘트 골조의 내진성능평가의 결과를 기술하였다.