Analytical performance evaluation of RC moment frames retrofitted with SRM structural system = SRM 내진보강시스템 해석검증 및 가력 조건에 따른 성능평가
From a social perspective, ensuring adequate seismic performance and reinforcement of existing buildings is extremely important to avoid structural collapse and ensure life safety. Furthermore, as Korea is no longer in an earthquake-safe zone, it is very important to develop scientific measures for ensuring the safety of non-seismically designed buildings. Structural systems developed using the seismic retrofit method (SRM), which are systems with steel dampers and K-braces, are one of the types of seismic retrofit systems that exhibit enhanced structural performance when subjected to earthquake loadings.
This study aimed to investigate the effectiveness of structural systems designed using the SRM under earthquake loadings. The specimens of such structural systems were subjected to testing and analysis based on the seismic performance assessment procedure specified in the Korea Building Code (KBC) to verify their structural performance. Three different types of experiments were carried out for comprehensively examining the joints, columns, and frames. Then, the validity of the experimental results was verified using finite element analysis (FEA). The FEA models were developed through the LS-DYNA software, which is widely used for static and nonlinear analyses such as collision, molding, and fluid analyses. The analytical models developed for the specimens were based on their hysteresis curves to compare and verify the initial stiffness, maximum strength, and energy dissipation. The modeling adequacy of all the FEA models was verified by comparing the model results with the experimental results.
During the frame experiments, flexural deformation of the top beams was inhibited owing to the limitations in terms of the loading conditions, and the unexpected damage of the columns resulted in insufficient dissipation of seismic energy. To overcome the limitations of the frame experiments, the loading conditions were changed to simulate the ultimate behavior of the SRM structural system using FEA. According to the ultimate behavior simulation, the SRM structural system showed significant retrofit enhancements of over 389.83% in terms of its initial stiffness, 277.98% in its maximum strength, and 220.40% in its seismic energy dissipation.
최근 기존 건축물에 대해 적절한 내진성능과 내진 보강을 보장하는 사회적 관심이 확산되고 있다. 나아가 우리나라가 더 이상 지진 안전지대가 아닌 상황에서 내진설계를 적용하지 않은 건축물에 대한 내진성능 확보 대책 마련이 매우 시급하다. 본 연구에서 제안하는 SRM (Seismic Retrofit Method) 구조시스템은 보강 골조의 상단 보 중앙부에 감쇠장치(강재 댐퍼)와 K형 브레이스를 두어 지진 하중 저감과 복합적인 거동 대응이 가능한 내진보강기술이다.
본 연구는 SRM 구조 시스템 실험을 검증하는 것을 목적으로 한다. SRM 구조 시스템의 실험은 건축구조설계 기준 및 해설에 명시된 내진 성능 평가를 기반으로 수행되어 구조 성능을 검증하였다. SRM 구조 시스템 실험은 총 3가지 종류의 실험으로 진행되었으며, 접합부, 기둥, 그리고 골조에 대한 상세 실험이 수행되었다. 실험은 유한요소해석(Finite element analysis, FEA)에 의해 검증되었다. FEA 모델은 LS-DYNA 소프트웨어를 통해 개발되었으며, LS-DYNA는 충돌, 성형, 유체해석 등 정적 및 비선형 해석에 널리 사용되는 구조해석 소프트웨어이다. 각 실험체들에 대한 해석 모델은 이력 곡선에 기초하여 초기 강성, 최대 강도 및 에너지 소산이 비교 및 검증되었다. FEA의 각 모델은 실험 결과와의 비교를 통해 타당성을 확보하였다.
골조 실험 중 하중 가력 방법의 한계로 인해 보의 휨변형이 억제되었고 기둥의 우선적인 손상으로 지진에너지 소산이 불충분하게 이루어졌다. 이에 골조 실험의 한계를 극복하기 위해 가력 조건을 변경하여 FEA에 의한 SRM 구조 시스템의 극한 거동을 시뮬레이션 하였다. 극한 거동 시뮬레이션에 따라 SRM 구조 시스템은 초기 강성에서 389.83%, 최대 강도에서 277.98%, 에너지 소산 시 220.40% 이상의 보강 효과를 보여준다.
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