수위 변화에 따른 플로터블 건물의 지반진동 가속도 응답 축소모형 실험

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, there are concerns about damage to buildings due to large-scale earthquakes and increased felt earthquakes, and due to the nature of the season in Korea, flooding damage due to heavy rains in summer is serious.
It is intended to experiment, interpret, and compare floating building's small scale model that can prevent damage from flooding caused by floods and damage from earthquake damage.
Unlike floating buildings, floating buildings are buildings that are not always floating, but are usually located on the foundation or structure and float when the water level rises.
After selecting a prototype building, a small scaled model was manufactured accordingly, and an accelerometer was attached to the first and roof layers of the model to confirm acceleration and rotational motion using water level, friction coefficient, water tank length, and model type as variables.
As for the coefficient of friction, two identical models were manufactured, and it was confirmed that the coefficient of friction was different depending on the condition of the model.
The experiment was conducted by raising the water level to 100mm, which is the water level until floating, at intervals of 10mm to 20mm depending on the buoyancy.
The length of the water tank was tested by adjusting the length (L) of the tank to 1.2 to 1.6 compared to the length (B) of the model.
As for the input load, an impact load and an earthquake load were used, and the impact load was generated by adjusting the displacement and force time to match the maximum acceleration of 0.27~0.3g.
The seismic load was analyzed by obtaining the average of seven pairs of seismic waves using six seismic waves suitable for the S4 ground and the Pohang earthquake, and additional analysis was performed by scaling the existing seven pairs of seismic waves through the law of similarity.
As a result of the experiment, a model with a large friction coefficient showed a layer acceleration of about 20% higher than an input acceleration compared to a model with a small friction coefficient, and showed a tendency to rocking in a section where the friction force is greater than the base shear force.
In addition, seismic waves without the law of similarity showed an amplification of acceleration at a specific water tank length, specific seismic waves, and specific water levels of the tank, and accordingly, about 20% of the input acceleration value compared to seismic waves with the law of similarity was larger.
The results of the experiment can be confirmed differently depending on the coefficient of friction, whether the law of similarity is applied, and the length of the water tank, so the building should be designed in consideration of various situations.
In addition, there is a need for an experiment that can reduce the friction between buildings and foundations through Base Isolation and expect an acceleration reduction effect even at low water levels.

국문 초록 (Abstract)

최근 큰 규모의 지진과 체감지진의 증가로 인한 건축물의 피해가 우려되며, 또한 우리나라 계절 특성상 여름철의 집중 호우로 인한 침수 피해가 심각하다. 이러한 지진피해와 홍수 및 범람으로 인한 침수 피해를 예방할 수 있는 플로터블 건물을 축소 모형으로 제작하여 실험 및 해석, 비교하고자 한다.
플로터블 건물이란 플로팅 건물과는 다르게 항상 부유해 있는 것이 아닌 평상시에는 기초나 구조물 위에 위치해있다가 수위 상승시 부유하는 특성을 가진 건물이다.
프로토타입 건물을 산정 후 이에 맞는 축소 모델을 제작하였으며 수위, 마찰계수, 수조의 길이, 모델의 종류를 변수로 두고 모델의 1층 및 지붕층에 층 가속도 및 회전운동을 확인할수 있는 가속도계를 부착하였다.
마찰계수는 똑같은 모델을 2개 제작하여 모델의 상태에 따라 마찰계수가 다르게 나오는 것을 확인하여 사용하였다.
수위는 부력에 따라 부유시까지의 수위인 100mm까지를 10mm부터 20mm 간격으로 올려가며 실험을 진행하였다.
수조의 길이는 모델의 길이(B) 대비 수조의 길이(L)를 1.2~1.6까지 조절하여 실험하였다.
입력하중은 충격하중과 지진하중을 사용하였으며 충격하중은 최대가속도 0.27~0.3g를 맞추기 위해 변위 및 가력 시간을 조절하여 생성하였다. 지진하중은 S4 지반에 맞는 지진파 6개와 포항지진을 사용하여 7쌍의 지진파 평균을 구하여 분석하였고, 상사 법칙을 통해 기존 7쌍의 지진파를 스케일링하여 추가 분석하였다.
실험 결과 마찰계수가 큰 모델이 작은 모델에 비해 입력 가속도 대비 층 가속도가 약 20%정도 크게 나왔고, 마찰력이 밑면전단력보다 큰 구간에서는 회전 운동을 하는 경향을 보였다.
또한 상사법칙을 적용하지 않은 지진파의 경우 수조의 특정 길이, 특정 지진파, 특정 수위에서 가속도가 증폭하는 현상을 보였으며 이에 따라 상사 법칙을 적용한 지진파에 비해 약 20%정도 입력 가속도 대비 층 가속도 값이 크게 나오는 경향을 보였다.
마찰계수, 상사법칙의 적용유무, 수조의 길이에 따라 실험 결과가 다르게 나오는 것을 확인할 수 있으므로 실제 설계 시 여러 가지 상황들을 충분히 고려해 건물을 설계해야 한다.
추가적으로 Base Isolation을 통해 건물과 기초 사이의 마찰력을 줄여 낮은 수위에서도 가속도 감소 효과를 기대할 수 있는 실험이 필요하다.