장주기 지진에 대한 철근콘크리트 건물의 비선형 요구내력 스펙트럼의 제안

Abstract

The spectrum for seismic design is a short-period building amplification type with a building cycle of less than 1 second. Therefore, high-rise buildings with long-period are recognized as safe groups against earthquakes. However, including the 1985 Mexico earthquake (M=8.3), the most recent Tokachioki earthquake in Japan in 2003 (M=8.0), the 2011 Great East Japan Earthquake (M=9.0), the 2016 Kumamoto earthquake (M=7.3), and the 2021 Miyagi earthquake Long-period earthquakes were observed in the Kenji earthquake (M = 6.6) and the Fukushima Oki earthquake in 2021 (M = 5.3), causing damage to high-rise buildings to increase. Considering the above facts, it is judged that a long-period earthquake is highly likely to occur in the future. and It is urgent to take measures to cope with earthquake-resistant design method and seismic performance evaluation method of high-rise buildings against long-period earthquakes.

The purpose of this study is to present the non-linear required capacity spectrum of RC buildings for long-period earthquakes to be used as basic data for seismic design and seismic performance evaluation of high-rise reinforced concrete (RC) buildings. The details of this study for this purpose are as follows.

Chapter 1 describes the purpose of the study and the necessity and research methods of Nonlinear required strength spectrum based on the background of conducting the study.

Chapter 2 describes the target building, the characteristics of the hysteresis model, and the analysis variable, as well as nonlinear response analysis and input frequency overview.

Chapter 3 describes how the earthquake damage of each building for the nonlinear dynamic analysis results was determined using the Japanese earthquake damage classification method. The load-displacement relationship was unified entirely as an indicator of ductility rate for quantification of the response because the displacement amounts varying over a period of time.

Chapter 4 describes the results of proposing a nonlinear required strength spectrum for long-period earthquakes using the Origin-Original model and Degrading Trilinear model of the shear RC building and the bending RC building as a basis for seismic design and seismic performance evaluation of high-rise RC buildings by performing SDOF nonlinear dynamic analysis. the conclusions are drawn as follows.

(1) In this study, seismic waves with a single prominent period of less than 1.0 are defined as short-period seismic waves based on the outstanding period of each seismic wave, and seismic waves with an outstanding period of 1.0 or more and two outstanding periods are defined as long-period seismic waves-I, Seismic waves with one prominent period with a period of 1.0 or more were defined as long-period seismic waves-II, and representative historical seismic waves corresponding to each seismic wave were selected.

(2) According to the results of nonlinear dynamic analysis using shear and flexural strength as variables, the seismic response of high-rise buildings was greater than that of low-rise and middle-rise buildings when long-period seismic waves were input than short-period seismic waves. This fact shows that if a long-period earthquake occurs, the high-rise buildings designed by the short-period amplification-based seismic design spectrum are highly likely to cause serious earthquake damage.

(3) In the required strength spectrum, which can identify the range of lower limit strength that does not exceed the ductility required for seismic performance evaluation and design of the seismic level required by buildings in a certain area proposed in this study, it is found that long period earthquake waves require greater required strength than short period earthquake waves at the same seismic level.

(4) It is judged that the nonlinear required strength spectrum for long-period earthquakes proposed in this study can provide basic information for seismic performance evaluation and seismic design of shear and flexural RC buildings for long-period seismic waves.

(5) In the future, by identifying the correlation between the short-period building amplification type seismic design spectrum and the long-period required strength spectrum derived in this study, we will propose a design spectrum for structures, including buildings, where seismic response by long-period characteristics is likely to be determined. deemed necessary.| 내진설계용 스펙트럼은 건물주기 약 1초 미만의 단주기 건물 증폭형이다. 따라서 장주기를 가지는 고층 건축물은 지진에 대해서 안전군이라고 인식되고 있다. 하지만 1985년 멕시코지진 (M=8.3)을 포함한 최근 2003년 일본에서 발생한 도카치오키지진 (M=8.0), 2011년 동일본대지진 (M=9.0), 2016년 구마모토지진 (M=7.3), 2021년 미야기켄지진 (M=6.6), 2021년 후쿠시마오키지진 (M=5.3) 등에서 장주기 지진이 관측되어 이로 인한 고층건물의 피해가 증가하고 있다. 위와 같은 사실을 고려한다면 장주기 지진은 향후 발생할 가능성이 매우 높다고 판단되며, 장주기 지진에 대한 고층 건축물의 내진설계법 및 내진성능평가법 등을 포함한 이에 대한 대책이 시급한 실정이다.

본 연구에서는 고층 철근콘크리트 (이하, RC) 건물의 내진설계 및 내진성능 평가에 기초적인 자료로써 활용하기 위한 장주기 지진에 대한 RC 건물의 비선형 요구내력 스펙트럼을 제시하는 것이 목적이며, 연구의 전체적인 구성은 다음과 같다.

제 1장에서는 연구를 수행하게 된 배경을 바탕으로 연구의 목적성과 비선형요구내력스펙트럼의 필요성 및 연구방법에 대해 기술하였다.

제 2장에서는 대상건물, 복원력 모델의 특성 및 해석변수를 설정하고 비선형 응답해석 및 입력지진파 개요를 기술하였다.

제 3장에서는 비선형 동적 해석결과에 대한 각 건물의 지진손상을 일본 지진피해도 구분판정법을 이용하여 판정하였다. 하중-변위 관계는 주기에 따라 변하는 변위량이 서로 다르기에 응답의 정량화를 위해 변위는 연성률의 지표로 전부 통일하였다. 또한, 응답연성비와 이를 바탕으로 도출해낸 요구내력 스펙트럼을 기술하였다.

제 4장에서는 전단파괴형 RC 건물은 Origin-Oriented 모델을, 휨파괴형 RC 건물은 Degrading Trilinear 모델을 각각 이용하여 SDOF 비선형 동적해석을 실시하여 고층 RC 건물의 내진설계 및 내진성능평가에 기초적인 자료로 활용하기 위하여 장주기 지진에 대한 비선형 요구내력 스펙트럼을 제안한 결과를 기술하였다. 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1) 본 연구에서는 각 지진파의 탁월주기를 바탕으로 단일의 탁월주기가 1.0미만인 지진파를 단주기 지진파로 정의를 함과 동시에 탁월주기가 1.0이상이며 2개의 탁월주기를 가지는 지진파를 장주기 지진파-Ⅰ로, 탁월주기가 1.0이상인 1개의 탁월주기를 가지는 지진파를 장주기 지진파-Ⅱ로 정의를 하여, 각각 지진파에 대응하는 대표적인 역사지진파를 선정하였다.

(2) 전단내력 및 휨내력을 변수로 한 비선형 동적해석결과에 의하면 단주기 지진파보다 장주기 지진파 입력 시 저층 및 중층 건물보다는 고층 건물의 지진응답이 크게 나타났다. 이러한 사실은 장주기 지진이 발생한다면 단주기 증폭기반 내진설계용 스펙트럼에 의해서 설계된 고층 건물은 심각한 지진피해가 발생할 가능성이 크다는 사실이 나타난다.

(3) 본 연구에서 제안한 어떤 지역의 건물이 요구하는 지진수준에 대한 내진성능평가 및 설계 시 필요로 하는 연성율을 초과하지 못하게 하는 하한내력의 범위를 파악할 수 있는 요구내력 스펙트럼에서는 동일 지진동 수준에서 단주기 지진파보다 장주기 지진파가 더 큰 요구내력을 필요로 한다는 사실이 나타난다.

(4) 본 연구에서 제안한 장주기 지진에 대한 비선형 요구내력 스펙트럼은 장주기 지진파에 대한 전단파괴형 및 휨파괴형 RC 건물의 내진성능평가 및 내진설계 시의 기본적인 정보를 제공할 수 있다고 판단된다.

(5) 향후 단주기 건물 증폭형 내진설계용 스펙트럼과 본 연구에서 유도한 장주기 요구내력 스펙트럼과의 상관관계를 파악하여 장주기 특성에 의한 지진응답이 결정될 가능성이 있는 건물을 포함한 구조물에 대한 설계용 스펙트럼을 제안할 필요성이 있다고 판단된다.