구조물의 내진설계와 한국 규준
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지진에 의해 건물에 발생하는 수평 관성력인 지진 하중은 지진의 특성, 건물 자체의 동적인 특성, 지반의 종류, 건물이 지진을 어찌 흡수하고 소산하는가에 따라서 크게 달라진다.
지진하중의 산정방법에는 등가정적해석법과 동적해석법으로 나뉜다.
등가정적 해석법은 지진에 의한 건물의 진동을 등가의 정적인 하중으로 환산하고, 이를 이용하여 정적해석을 수행하여 지진에 의한 건물의 거동을 예측하는 방법이다. 이 방법에 의한 지진하중 산정법은 지역계수(예상되는 최대 지반 가속도를 나타내는 값), 중요도 계수(건물의 사회적인 영향을 고려하기 위한 값), 동적계수(건물의 동적 특성에 관계되는 값), 지반계수(지반의 종류에 따른 지진하중의 차이를 고려하기 위한 값), 반응수정계수(건물의 연성도를 고려하기 위한 값), 건물의 중량 등을 고려하여 정적인 하중을 산출한다.
하지만 사용상의 편리성에도 불구하고 이 해석법이 모든 건물에 유효하게 적용될 수 없다.
실제 건물의 진동은 여러 개의 진동모드가 합성된 것이다. 일반적인 건물은 여러 개의 진동모드 중 기본 진동모드가 차지하는 비중이 절대적이므로, 이 기본 진동모드만을 고려하는 등가정적 해석법이 유효하게 사용될 수 있다. 그러나 고층건물이나 비정형 건물은 기본진동모드 외에 고차(2,3차) 진동모드의 영향이 커지므로 등가정적 해석법으로는 동적특성을 명확하게 고려할 수 없기때문에 고차진동모드의 영향을 함께 고려할 수 있는 동적 해석법이 적용되야 한다. 동적해석법중에서 반응 스펙트럼 혹은 설계 스펙트럼을 이용하는 모드 해석법이 가장 일반적이다.
반응 스펙트럼이란 지진하중에 의한 최대반응을 주기와 감쇠비율의 함수로 하여 도표로 나타낸 것이다. 여기서 최대반응은 건물 전체에 대한 것이 아닌 각 진동모드에 대한 것이다. 따라서 고층건물이나 비정형 건물에 대해서 각 진동모드에 대한 값을 합성함으로서 고차 진동모드의 영향을 함께 고려할 수 있는 것이다.
반응 스펙트럼은 하나의 특정한 지진기록에 대하여 작성되며, 지진기록이 달라지면 반응 스펙트럼도 달라진다. 따라서 과거의 여러 지진기록에 대한 반응 스펙트럼들을 적절하게 합성하여 내진설계에 사용할 수 있는 설계 스펙트럼을 유도하게 된다.
설계 스펙트럼은 미래의 예상할 수 없는 지진에 대하여 과거의 자료로부터 내진 설계를 위해 작성되는 것으로서, G. Housner교수가 최초로 설계 스펙트럼을 작성하였다.
그러나 스펙트럼을 이용한 내진구조해석은 매우 복잡한 지진에 의한 구조물의 반응을 간단하게 해결할 수 있는 장점에도 불구하고 몇가지 단점이 있다.
단자유도계에서 얻어진 결과를 고층 건물 등 다자유도계에 적용하는 과정에서 구조물의 반응을 과대 또는 과소 평가하게 된다. 이런 현상은 모드의 진동주기가 유사할 때는 매우 큰 차이를 보인다.
그리고 스펙트럼은 주어진 감쇠율과 지진에 대한 최대의 반응을 구한 것으로서, 구조물의 다른 모든 시간 이력반응을 무시한다.
이러한 단점을 보완한 것으로 RMS스펙트럼이 제안되고 있다. 이 방법은 모든 시간 이력반응을 고려한 것으로서 통계적으로도 개선된 해석법이며, 아울러 구조물의 반응을 매우 합리적으로 평가하는 결과를 가져다준다.
고층건물의 구조계획 시 지진에 의한 피해요인을 분석하고 배제함으로서 지진하중에 대해 유효한 건물을 설계할 수 있다.
피해요인들은 다음과 같다.
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