가새좌굴을 고려한 X형 내진 가새골조의 기둥축력 산정법

Abstract

지진 하중의 예측 불확실성은 역량설계법 도입의 중요한 근거가 되었다. 역량설계법에 의한 중심가새골조의 내진설계는 기둥 및 보부재는 탄성부재로, 가새부재는 반복적인 인장과 압축을 통해 지진에너지를 소산하는 비탄성 부재로 구분한다. 가새부재는 에너지를 소산하는 과정에서 기둥부재에 중력 이외의 추가적인 축력을 전달하게 되는데, 이러한 추가적인 축력을 고려하여 기둥부재를 탄성설계해야 한다. 현행 기준은 중심가새골조의 기둥부재 설계 시 전층의 가새가 동시에 인장항복 및 좌굴하는 가장 보수적인 상황을 가정하여 기둥의 축력을 산정한다. 그러나 모든 층의 가새가 동시에 인장항복 및 좌굴이 발생할 경우는 매우 희박하기 때문에 과도한 기둥 축력값을 얻게 된다. 현행 기준은 특별지진하중에 대해 기둥을 설계하는 방법을 제안하고 있지만, 시스템 초과강도라는 경험적이고 우회적인 요소가 도입되었다는 한계가 있다. 이와 같은 문제점을 극복하기 위한 선행 연구들 역시 가새의 좌굴을 명시하지 못하였을 뿐더러 경험적인 방법에 의존하였다는 한계가 있다. 최근에 행해진 연구 중에서 Cho-Lee-Kim(2011)은 역 V형 중심 가새골조를 대상으로, 기존의 기둥축력 산정법이 가지는 한계를 극복할 수 있는 새로운 기둥축력 산정법을 제안하였다. 비선형 정적해석 및 선형고유치해석을 통해 좌굴 발생층을 정확히 예측하고, 결과를 바탕으로 수직불균형력을 조합하는 방안을 도입함으로써 역 V형 가새골조의 새로운 기둥축 산정법을 제안하였다. 하지만 역 V형 중심 가새골조와 X형 중심 가새골조의 하중전달 메커니즘은 상이하기 때문에 Cho-Lee-Kim의 축력산정법을 X형 가새골조에 그대로 적용하는 것은 무리가 있다. 특히, 상기 연구에서는 1차모드와 고차모드의 동시좌굴을 반영한 기둥축력을 산정하기 위해 각 모드별 동시좌굴의 포텐셜을 평가하는 동시좌굴계수(Simultaneous Buckling Factor)를 도입하였으나, 이 방법은 추가적인 계산과 반드시 비선형 정적해석이 수반되어야 한다는 단점이 있다. 본 연구는 X형 중심가새골조만의 역학적 특성을 충분히 반영하고, 비선형 정적해석 없이도 쉽게 고차모드의 영향을 반영할 수 있는 아래의 네 가지의 기둥축력 산정법을 제안한다. Method 1은 1차모드 비선형 정적해석에서 얻은 가새의 좌굴 거동을 고려한 새로운 기둥축력 산정법, Method 2는 고차모드까지 비선형 정적해석을 수행하여 고차모드의 영향을 반영한 기둥축력 산정법, Method 3은 선형 고유치해석만을 통해 좌굴층을 예측하여 고차모드의 영향을 반영한 기둥축력 산정법, Metnod 4는 Method 1, Method 2, Method 3의 좌굴층의 압축가새에 후 좌굴 강도를 고려한 기둥축력 산정법이다. 이 중 Method 2, Method 3은 모드별 질량 참여율을 각 모드가 기둥축력에 영향을 미치는 가중계수(Weighting Factor)로 도입하여 1차모드 뿐만 아니라 고차모드의 영향 역시 반영할 수 있는 기둥축력 산정법이다. 특히 Method 3은 실무에서 수행하기 어려운 비선형 정적해석 없이 간단한 선형 고유치 해석만으로도 고차모드의 영향을 반영함과 동시에 비선형 동적해석의 결과에 가장 근접한 기둥축력값을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 제안한 방법을 검증하기 위하여 광범위한 지진데이터를 토대로 비선형 동적해석 결과와 비교하여 타당함을 입증하였다.