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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.2 pp.7-14
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.2.007

Seismic Performance Evaluation of Re-centering Braced Frame Structures Using Super-elastic Shape Memory Alloys: Nonlinear Static Analysis

Woo-Hyun Ban1, Jong-Wan Hu2
1M.Sc. Student, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
2Professor, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Hu, Jong-Wan Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, 119 Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon, Korea. Tel: +82-32-835-8463, Fax: +82-32-835-0775 E-mail: jongp24@incheon.ac.kr
January 27, 2020 March 17, 2020 March 17, 2020

Abstract


Korea had been recognized as a relatively safe country from earthquakes. However, this perception has changed as recent earthquakes in Gyeongju and Pohang caused significant damage to facilities. Therefore, research and development on seismic design and reinforcement using seismic damage reduction devices are being conducted. As the interest in the maintenance and repair of built structures increase, vibration-damping technology is being used. Vibration-damping technology is a seismic design method that absorbs and dissipates energy because of seismic loads by locally changing the damping and rigidity of structures. However, when a strong earthquake occurs, the usability is poor due to damage to the vibration-damping devices. Recently, to solve this problem, research has been conducted by applying the super-elastic shape memory alloys (SSMA) capable of re-centering by removing stress without additional heat treatment on the bracing of the structures. Therefore, this study performs nonlinear static analysis to evaluate the seismic performance of the buckling-restrained braced frame by applying SSMA to bracing.



초탄성 형상기억합금을 활용한 자동복원 가새 프레임 구조물의 내진성능 평가: 비선형 정적해석

반 우현1, 허 종완2
1인천대학교 건설환경공학과 석사과정
2인천대학교 건설환경공학부 부교수

초록


우리나라는 지진에 대해 비교적 안전한 지역으로 인식되고 있었으나, 최근 경주지진과 포항지진이 발생하면서 시설 물에 상당한 피해가 발생되면서 지진피해 저감장치를 적용한 내진설계 및 보강에 대한 연구와 개발이 수행되고 있다. 이미 건 축된 구조물의 유지·보수에 대한 관심이 높아짐에 따라, 구조물의 감쇠, 강성 등을 국부적으로 변화시켜 지진 하중에 의한 에 너지를 흡수하고 소산시키는 내진설계 방식인 제진기술이 활용되고 있다. 그러나 강한 지진이 발생할 때 제진 장치의 손상으로 인하여 사용성이 매우 떨어지게 되는 문제점이 발생되고 있다. 최근에는 이러한 문제를 해결하기 위해, 구조물의 가새 부재에 별도의 열처리를 하지 않고 응력 제거만으로 원형복원이 가능한 초탄성 형상기억합금을 적용하는 연구가 진행되고 있다. 따라 서 본 연구에서는 비좌굴 가새 부재에 초탄성 형상기억합금을 사용하여 자동복원이 가능한 프레임 구조물을 구성하여 비선형 정적해석을 수행하여 구조물의 내진성능을 평가하고, 초탄성 형상기억합금의 재료적 특성의 우수성을 검증하고자 한다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    20SCIP-B146946-03

    1. 서 론

    최근 중국이나 일본 등 국내와 인접한 국가에서 대 규모의 지진활동이 활발해지면서 인명피해와 더불어 시설물의 지진피해가 발생하였다. 이에 수반하는 경 제적 손실은 하나의 국가가 감당할 수 없는 수준으 로 규모가 상당히 큰 경우가 많기 때문에, 범국가적 인 차원에서 지진에 의한 피해를 줄이기 위한 대비 책이 마련되어야 한다.

    우리나라는 그동안 지진에 대해 환태평양 지진대 에 속하는 주변 국가보다 비교적 안전한 지역으로 인식되고 있었으나, 2016년 경주지진과 2017년 포항 지진이 발생하면서 이에 대한 상당한 피해가 속출되 어 이러한 인식이 바뀌게 되었다. 지진에 의해 발생 되는 피해를 방지하기 위하여 국내에서도 피해 저감 장치를 적용한 내진설계 및 보강에 대한 연구와 개 발이 수행되고 있다. 현재 이미 건축된 구조물의 유 지⋅보수에 대한 관심이 높아짐에 따라, 구조물에 가새 부재를 배치하여 감쇠, 강성 등을 국부적으로 변화시켜 지진 하중에 의한 에너지를 흡수하고 소 산시키는 내진설계 방식인 제진기술이 활용되고 있 다. 그러나 기존 제진기술은 지진 하중이 허용 범 위를 벗어나는 경우 제진 장치가 손상되어 재설치 가 요구되며, 이로 인한 유지 및 보수에 대하여 상 당한 비용이 요구되는 문제가 발생한다. 최근에는 이러한 문제를 해결하기 위해, 주로 활용되었던 강 재의 대체재로서 스마트 재료인 초탄성 형상기억합 금(Superelastic Shape Memory Alloys)과 같은 재료를 활용하여 구조물의 가새 부재 보강에 적용되고 있 다. 이는 연성 파괴와 같은 단기적인 파괴와 부식 및 피로 등의 장기적인 파괴 영향으로 인한 사용성 문제를 해결할 수 있다. 초탄성 형상기억합금은 깃 발 형태의 이력거동을 보여 상온에서도 별도의 열처 리를 가하지 않고 응력 제거만으로도 잔류변형이 거 의 없이 원형복원이 가능한 소재이다. 이는 주로 니 켈(Ni)과 티타늄(Ti)의 합금인 니티놀(Nitinol)이 활용 되며, 형상과 혼합비에 따라 최대 8%의 변형률 범위 까지 원형복원 성능을 나타낸다(DesRoches et al., 2004;Hu et al., 2012). McCormick 등은 기존 중심 가새 프레임 구조의 가새 부재의 좌굴로 인한 시스 템의 연성 및 에너지 소산 성능 저하 등의 문제점을 해결하기 위하여 초탄성 형상기억합금을 가새 부재 에 적용하여 수치해석을 수행하였다(McCormick et al., 2007). 해석결과로부터, 기존 강재를 가새 부재에 적용한 해석 모델과 비교하였을 때, 초탄성 형상기 억합금 재료의 성능으로 인하여 구조물의 영구변형 이 감소되고 에너지 소산 능력이 향상됨을 확인하 였다. 그러나 상당한 크기의 지진이 발생되는 경우, 부재의 좌굴로 인하여 재료의 성능이 정상적으로 발현되기 어려운 문제가 발생된다. Hu 등은 초탄성 형상기억합금 재료를 가새 부재에 활용하여 이를 특수 중심 가새 프레임과 비좌굴 가새 프레임 (Buckling- Restrained Braced Frame, BRBF) 구조물에 적용하여 비선형 해석을 수행하여 구조물의 내진 성 능을 평가하였다(Hu et al., 2012). 이를 통하여 비좌굴 가새 프레임 구조물의 경우 중심 가새의 형태보다 압 축응력으로 인한 성능 저하를 방지하여 내진성능이 더 우수함을 확인하였다. 따라서 초탄성 형상기억합 금을 가새 부재에 활용하여 이를 비좌굴 가새 프레임 구조물에 적용할 경우 부재에 발생되는 영구변형을 효과적으로 완화시키고 보수⋅보강으로 인하여 발생 되는 비용을 상당히 절감시킬 수 있을 것이다. 본 연 구에서는 초탄성 형상기억합금을 활용하여 비좌굴 가 새 프레임 구조물의 해석 모델을 구성하고, 일반 구 조용 강재 모델을 비교 군으로 선정하여 비선형 정적 해석을 수행하여 전반적인 내진 성능을 평가하고자 한다.

    2. 본 론

    2.1 구조물 설계상세

    본 연구에서 활용하는 제진 장치는 Fig. 1과 같이, 초탄성 형상기억합금 또는 강재를 코어(Core)로 구성 하여, 외부를 강재 튜브로 둘러싸고 내부를 모르타 르(Mortar)로 채운 2차원 섬유 단면 형상을 갖는 비 좌굴 가새 부재를 모델링(Modeling)하였다. 또한 Fig. 2와 같이, 인장력과 압축력이 교대로 작용하여도 좌 굴에 의한 영향이 없는 이상적인 축방향 응력 거동 이 나타나도록 유도하였다.

    일반적인 중⋅저층 프레임 구조물에, 제안된 비 좌굴 가새 부재를 활용하여 내진성능을 보강하기 위 하여 Fig. 3과 같이 역V자형(C-Type), V자형(V-Type), 복X자형(2X-Type) 등 3가지의 6층 가새 프레임 구조 형태를 적용하여 부재의 코어 활용 재료 및 프레임 구조 형태에 따라 총 6가지의 해석 모델을 구성하였 다. 각 해석 모델별로 가새 배치를 제외한 전체적인 틀은 유사하게 설계하였다. Fig. 4은 해석 모델 중 V 자형 가새 프레임 구조물의 설계 상세도를 나타내 며, 이와 같이 보와 기둥 등의 주요 부재를 배치하 였다. 또한 구조해석을 용이하게 수행하기 위하여 주 절점(Master Node)을 지정하여 집중 질량(Lumped Mass)을 부여하였고 활하중과 사하중, 그리고 횡하 중이 조합된 복합하중을 구성할 수 있도록 설계하였 다. 초탄성 형상기억합금 또는 강재 코어로 이루어 진 가새 부재의 특성을 최대한 활용하여 대부분의 소성 변형을 가새 부재로 유도하기 위하여, 가새 부 재와 보-기둥 부재와의 접합부에 연결판(Gusset Plate)을 사용하였다. 또한 휨모멘트에 의한 영향을 무시하고 축방향 변형을 유도하기 위하여 가새 부재 의 양 단을 핀으로 고정하였다. 그리고 프레임 구조 물의 층간 변형이 휨모멘트 또는 열에 의한 영향보 다 절점 및 부재의 전단변형 등의 영향에 주목하기 위해 보-기둥 접합부에 패널 존(Panel Zone)을 형성 하고, 보강판(Rigid Offset)을 덧대었다. 다자유도 구 조물의 중력 조건 하에서 자유도 변환(Translational Degree- of-Freedom)을 제한하고 용이한 해석을 위 하여 단자유도 화하였다. 마지막으로, 주변 부재보 다 더 높은 강성을 부여하여 부재 간 상대 변위를 유지하여 이상적인 구조해석 수행을 유도하기 위 하여 별도로 강성 링크(Rigid Link)를 구성하였다.

    2.2 수치해석 모델링

    본 연구에서 제안하는 초탄성 형상기억합금과 강재 코어로 구성된 제진 장치를 가새 부재로 적용한, 3 가지 형태의 비좌굴 가새 프레임 구조물의 상대적인 내진 성능 비교를 위한 수치해석을 수행하기 위해, 구조해석 프로그램인 OpenSees 2.1.0을 사용하여 해 석 모델을 구성하였다.

    미국 ASCE 7-05 코드에서 제시하는 주 절점에 분배할 등가 횡하중 및 전체적인 프레임 구조물 설 계를 결정하였고, 각 부재들의 세부 설계와 하중조 합 조건식은 AISC-LRFD 매뉴얼을 참고하여 결정하 였다. Table 1은 해석 모델 설계를 위한 조건을 나타 내며, 미국 LA와 Seattle 지역을 기반으로 최상층 및 나머지 층의 주 절점의 사하중(Dead Load, DL) 및 활하중(Live Load, LL) 조합을 결정하였다. 내진 설 계 범주(Seismic Design Category)는 A∼F단계 중 D 단계로 적용하였고 지반 조건을 견고한 토질(Stiff Soil)로 지정하여 해석 모델의 설계 조건을 결정하 였다.

    다자유도 구조물을 단자유도 화하여 해석을 수행 하기 위하여 Fig. 5와 같이 5x5의 9.15m의 경간으로 이루어진 정방형으로 구조물의 평면을 구성하였다. 횡방향의 중심축을 기준으로 완전한 대칭을 이루며 무게와 강성의 분포를 균일하게 하여 면방향의 비틀 림 효과를 무시할 수 있도록 설계하였다. 또한 횡방 향 하중에 의한 전단 변형을 유도하기 위하여 얇은 선으로 표시된 내측 보(B2)-기둥(C2)의 접합부를 전 단 핀으로 연결하였고 종방향으로는 굵은 선으로 표 시된 내측 보-기둥의 모멘트 접합으로 설계하였다. 또한 외측으로는 외측 보(B1)-기둥(C1)은 모멘트 접 합으로 설계하고 점선으로 표기된 부분에 비좌굴 가 새 부재가 배치되도록 설계하였다. 따라서 이와 같이 규칙적으로 구성된 다자유도 모델에 대하여 2차원 모 드 스펙트럼 해석(Modal Spectrum Analysis) 방법에 따 라 수치해석을 수행할 수 있도록 프레임 구조물의 설계 상세를 결정하였다.

    2차원으로 대체된 프레임 구조물 모델에 대하여 지간 길이와 층간 높이는 각각 9.15m, 3.96m로 지정 하였고, Table 2와 같이 비좌굴 가새 프레임 구조물 의 부재별 설계 상세를 지정하였다.

    본 연구에서 제안하는 구조물 수치해석 모델을 OpenSees에서 제공하는 코드를 활용하여 비선형 정 적해석을 수행하기 위하여 Fig. 6과 같이 구조물을 이상화하였다. 정의된 주 절점에 1.2DL+1.0LL의 형 태로 중력 하중 조합을 집중질량을 지정하였고, 층 별로 횡하중 패턴(Pattern)을 코드에 적용하였다. 또 한 횡방향 하중이 가해져 층간 변형이 발생하였을 때, 기울어진 기둥 부재에 대하여 구조물에 의한 중 력을 감당하고 이로 인해 부재에 부가적인 축방향 변형이 발생되도록 P-Δ 효과를 고려하였다. 그리고 부재 별로 구조용 강재, 초탄성 형상기억합금, 콘크 리트 등의 재료 요소에 대하여 OpenSees에서 기본적 으로 제공하는 Steel01, SMA, Concrete01 코드를 활 용하여 이상화된 형태의 이력 거동을 나타내었고, 재료의 물성치를 Table 3과 같이 정의하였다. 또한 비선형 정적해석을 수행하여 구조물의 소성범위에 서의 거동을 분석하기 위하여 보와 기둥, 가새 등의 부재에 NonlinearBeamColumn 코드를 적용하였다. 강 성 링크를 활용하여 2차원의 형태로 치환된 보는 bar, 기둥은 elasticBeamColumn 코드를 적용하였고 단 면 상세를 적용하기 위해서 Wsection 코드를 활용하 였으며, 지점 조건에 대하여 모두 고정단으로 지정 하여 모델링을 완성하였다.

    2.3 수치해석 방법

    본 연구에서는 모델링된 6가지 유형의 해석 모델에 대하여 주요 부재의 상세 설계대로 중력을 정의 및 적용하기 위하여, 1.2DL+1.0LL의 하중 조합을 등가 의 점 하중 형태로 변환하여 중력 방향으로 지정하 였다. 그리고 본 연구에서의 비선형 정적해석은 각 층에 대하여 임의의 패턴으로 적용된 변위 형태의 등가 횡하중을 일정한 주기로 점차 증가시켜, 각 시 간 단계마다 변위 제어 알고리즘을 사용하여 단조 (Monotonic) 또는 순환(Cyclic)의 형태로 수행되었다. ASCE 7-05 코드에서 지정하는 대로 비선형 정적해 석을 수행하기 위한 요소를 정의하였다. 먼저, 해석 모델의 응답 수정 계수는 8값을 사용하였다. 또한 가새 부재 배치에 대하여, 총 유효 내진 중량이 모 든 해석 모델에 대하여 동일하도록 정의하였다. 그 리고 해석 수행 전 2차원 모드 해석을 수행하여 도 출된 1차 모드에 따른 기본 주기(Fundamental Period, T)를 사용하여 등가 횡하중 계산 절차에 따라 내진 설계 전단력을 산출하였다. 6층 이하의 구조물은 1 차 모드에 지배적이므로, 층별 등가 횡하중 분배는 1차 모드 계수에 따라 이루어졌다. 그리고 해석 모 델이 층간 변형이 발생한 후 P-Δ 효과 발생 시 설계 허용 값에 대한 만족 여부를 판단하기 위하여 부재 별 상세 설계에 대한 검토를 수행하였다.

    3. 해석결과 및 평가

    3.1 성능점 산정

    비좌굴 가새 프레임 구조물의 비선형 정적해석은 1 차 모드 계수에 의하여 분배된 등가 정적 횡하중을 시간 변수에 따라 점진적으로 증가시켜 구조물 각 층에 재하시키는 방식으로 수행되었다. 해석 결과로, 탄성 및 소성범위에서의 최상층 변위 비(Roof- Story Drift Ratio, RSDR)에 대한 밑면 전단력의 이력을 나 타내는 푸시오버 곡선(Pushover Curve)을 도출하여 해석 모델의 성능점을 산정하였다. Fig. 7, 8, 9는 각 각 C-Type, V-Type, 2X-Type 해석 모델의 단조, 순환 형태의 푸시오버 곡선의 그래프이다.

    각 해석 모델 별 단조 푸시오버 곡선을 통해서 탄성 거동 구간의 범위를 나타내는 항복 강도(Vy)와 변형률(Δy)을 확인하였다. 또한 소성 거동 구간에서 변형 경화가 발생하기 시작하는 때의, 내진 설계 기 준에 따른 층간 변위 한계점에서의 극한설계 강도 (Vd)와 변형률(Δd) 등의 주요 성능점을 산정하였다. 그리고 성능점을 설명하기 위한 여러 매개 변수를 산출하기 위해, 유효 내진 중량(Weff)을 구조물 모델 전체 중량의 절반으로 적용하여 계산하고, 각 층에 적용한 설계 밑면 전단력(Vs)은 층별 등가 정적 횡 하중의 총합으로 계산하였다. Table 4는 해석 모델의 주요 특성을 반영하는 여러 매개 변수를 산출하여 정리한 것으로, 여기서 내진 설계 밑면 전단력 계수 (Cs)는 식 (1)과 같이 산출하였다. 또한 구조물의 내진 설계 시 항복점 또는 설계 층간변위 한계점에서, 구 조물에 사용된 재료의 연성 능력과 구조해석 모델의 여유 강도를 의미하는 초과강도 계수(Overstrength Factor, Ω)는 식 (2)와 같이 산출하였다.

    단조 푸시오버 해석을 수행한 결과, 탄성 범위에 서 내진 설계 밑면 전단력이 강재가 초탄성 형상기 억합금 모델보다 더 큰 값을 보였으나, 항복점에 도 달한 이후에는 항복강도와 극한강도가 형상기억합금 모델이 강재 모델보다 더 큰 값을 나타내었다.

    C s = V s W e f f
    (1)

    Ω y or Ω d = V y or V d V s
    (2)

    3.2 최대 및 잔류 층간변위

    구조물의 최상층 변위 비에 대하여 1.5%와 3.0%를 기준으로 하여 기준치 이하에서의 최대 층간변위 비 (Inter-Story Drift Ratio, ISDR)를 산출하였다. 잔류 층 간변위 비(Residual Inter-Story Drift Ratio, RISDR)는 최상층 변위 비가 1.5% 및 3.0%에 이를 때까지인 2 사이클과 4사이클의 횡하중 패턴을 경험하고 나서 발생된 변위를 기준으로 산출하였다.

    본 논문에서는 비교를 위하여 최상층 변위 비 3.0% 기준에서의 결과 값만을 나타내었으며, Fig. 10, 11, 12는 각각 C-Type, V-Type, 2X-Type 해석 모 델 별로 최대 및 잔류 층간변위 비를 그래프로 나타 낸 것이다.

    단조 비선형 정적해석 결과로부터, 최대 층간변 위는 형상기억합금과 강재 모델 모두 2층에서 가장 크게 발생하였으며, 주로 1∼3층에서 층간변위가 집 중되는 것으로 나타났다. 또한 1∼3층에서는 주로 강 재 모델의 층간변위가 더 많이 발생한 반면, 4∼6층 에서는 주로 형상기억합금 모델의 층간변위가 더 많 이 발생함을 보였다. 특히 층간변위의 최대치가 발생 한 순간의 밑면 전단력은 형상기억합금 모델이 강재 모델보다 모두 큰 값을 나타내었고, 층간변위가 비교 적 고르게 분포됨을 보였다. 순환 비선형 정적해석 결과로부터, 잔류 층간변위는 최대 층간변위와 유사 하게, 2층에서 최대값을 나타내었으며, 1∼3층에 집 중되어 나타나는 것을 보였다. 특히 형상기억합금 모 델은 모두 ASCE 7-05에서 규정하는 허용 층간변위 한계(2%) 범위 내에서 결과값이 산출되었으며 강재 모델은 1∼3층에서 허용 한계를 벗어남을 보였다.

    3.3 에너지 소산 및 자동복원 능력

    에너지 소산 능력(Energy Dissipation Capacity)은 순환 비선형 정적해석을 통하여 얻어진 최상층 변위에 대 한 밑면 전단력 그래프에서 폐합된 영역의 면적으로 서 값을 산정하였다. 산정된 값은 프레임 구조물에 배치된 가새 부재가 횡방향 하중에 의하여 발생된 에너지를 흡수⋅소비할 수 있는 용량을 의미한다. 본 연구에서는 4사이클 주기에서의 순환 푸시오버 폐곡선의 넓이를 기준으로 산정하였으며, Table 5는 해석모델 별 최상층 변위 비 3.0% 기준 잔류 층간변 위 비와 에너지 소산 능력을 나타낸 것이다. 해석 결과로부터, 에너지 소산 능력에 대하여 형상기억합 금 모델은 평균 약 8MJ인데 비해, 강재 모델은 평균 약 17MJ의 용량으로 2배 이상의 크기 차이를 보여 강재 부재를 사용할 때 에너지 소비 용량을 증가시 킴에 있어서 그 효과를 더 잘 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 그러나 이는 강재 부재를 사용하였을 때 층별로 잔류 층간변위가 불균등하게 분포되도록 유 도하고, 층별로 편차를 증가시키는 경향이 있어 구 조물의 안정성을 크게 저하시킬 수 있다.

    한편 구조물의 잠재적인 자동복원 성능을 판단할 수 있는 지표로 활용되는 자동복원 비(Recentering Ratio, ΔRe)는 식 (3)으로 산출될 수 있다. 본 연구에 서 자동복원 비는 4사이클 주기에서의 순환 푸시오 버 곡선에서 산정하였다. 여기서 Δu와 Δresidual은 각각 4사이클 주기에서 발생된 최대와 잔류 층간변위 비 를 나타낸다. Table 6은 해석 모델 별 최상층 변위 비 3.0% 기준에서 산출된 밑면 전단력(V)과 자동복 원 비를 나타낸 것이다. 해석 결과로부터, 밑면 전단 력은 모두 형상기억합금이 강재 모델보다 높은 성능 을 가지며, 형상기억합금이 강재 모델보다 압도적으 로 우수한 자동복원 성능을 보유하고 있음을 확인할 수 있다. 특히 강재 모델의 1∼3층의 자동복원 비는 20%보다 떨어지고 4∼6층에서의 자동복원 비와 상 당한 차이를 보이는 반면, 형상기억합금 모델은 최 상층을 제외하고 최소 65% 이상의 자동복원 비를 보이며 층별로 고르게 분산되어있음을 나타내었다. 이는 형상기억합금을 가새 프레임 구조 시스템에 적 용할 경우, 강재를 사용한 경우보다 잔류 변형을 줄 임에 있어 더 탁월한 자동복원 성능을 나타낼 수 있 을 것으로 판단된다.

    Δ R e ( % ) = Δ u Δ r e s i d u a l Δ u × 100 ( % )
    (3)

    4. 결 론

    본 연구에서는 강재와 초탄성 형상기억합금을 코어 로 구성한 가새 부재를 활용하여, 비좌굴 가새 프레 임 구조물의 상세 설계를 제시하고 6개의 해석 모델 을 구성하여 비선형 정적해석을 수행하였다.

    실험결과로부터 초탄성 형상기억합금을 사용한 모델을 강재 모델과 비교하여 기초적인 성능점을 산 정하였고, 최대 및 잔류 층간변위와 에너지 소산 및 자동복원 능력 등 재료의 고유한 거동 특성이 미치 는 영향을 평가하였다.

    • 1) 비선형 정적해석을 통하여 분석된 초탄성 형 상기억합금 모델은 강재 모델과 비교하였을 때 구조물의 고유 주기를 증가시키며, 영구변 형을 상당히 감소시킬 수 있음이 확인되었다. 따라서 비교적 단가가 높은 초탄성 형상기억 합금 소재에 대하여 별도의 열처리를 하지 않고 응력 제거만으로도 탁월한 자동복원 성 능을 가져 영구변형을 줄일 수 있으므로, 유 지⋅보수비용이 줄어, 이를 활용하는 것이 더 욱 경제적일 것이라고 판단된다.

    • 2) 6층으로 이루어진 초탄성 형상기억합금과 강 재 모델의 층별 최대 및 잔류 층간변위의 분 포가 1∼3층에 집중되어 나타나며, 초탄성 형 상기억합금이 강재 모델보다 비교적 고르게 분포되어 나타남이 확인되었다. 이를 통하여 강재 모델에 비해 에너지 소산 용량이 적은 대신, 횡하중에 의한 에너지를 각 층의 가새 부재로 효율적으로 분배⋅전달할 수 있다고 판단된다.

    추후 동일 모델에 대하여 특정 지역의 지진데이 터를 사용하여, 해석 모델에 대한 비선형 동적해석 을 수행하여 비좌굴 가새 프레임 구조물의 최대 및 잔류 층간변위, 자동복원 성능 등의 내진 성능에 대 한 해석적 검증과 확률론적 평가가 추가적으로 수행 되어야 할 것이다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 건설기술연구사업의 지원 (20SCIP-B146946-03)에 의해 수행되었습니다. 본 연 구 지원에 깊은 감사를 드립니다.

    Figure

    KOSACS-11-2-7_F1.gif
    Design Details of BRB Member
    KOSACS-11-2-7_F2.gif
    Hysteretic Behavior of BRB Member
    KOSACS-11-2-7_F3.gif
    Analysis Model of BRBF
    KOSACS-11-2-7_F4.gif
    Design Details of BRBF (V-Type)
    KOSACS-11-2-7_F5.gif
    Plan View of BRBF
    KOSACS-11-2-7_F6.gif
    Idealized BRBF (V-Type)
    KOSACS-11-2-7_F7.gif
    Pushover Curves of C-Type Models
    KOSACS-11-2-7_F8.gif
    Pushover Curves of V-Type Models
    KOSACS-11-2-7_F9.gif
    Pushover Curves of 2X-Type Models
    KOSACS-11-2-7_F10.gif
    Maximum and Residual ISDR of C-Type Models (under 3.0% of Roof-Story Drift Ratio)
    KOSACS-11-2-7_F11.gif
    Maximum and Residual ISDR of V-Type Models (under 3.0% of Roof-Story Drift Ratio)
    KOSACS-11-2-7_F12.gif
    Maximum and Residual ISDR of 2X-Type Models (under 3.0% of Roof-Story Drift Ratio)

    Table

    Design Conditions of Analysis Models
    Design Details of BRBF Members
    Definition of Material Properties
    Several Properties of Analysis Models
    Residual ISDR and Energy Dissipation Capacity of Analysis Models
    Recentering Ratio of Analysis Models (under 3.0% of Roof-Story Drift Ratio)

    Reference

    1. American Institute of Steel Construction (AISC) (2001), Manual of Steel Construction, Load and Resistance Factor Design (LRFD), 3rd Ed., Chicago, Illinois, United States of America.
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