KR100230518B1 - Building's reaction measuring method to earthquake by reactive spectrum - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응 스펙트럼을 이용한 지진에 대한 초고층 건물의 반응 측정방법에 관한 것으로, 계산량과 측정시간을 대폭 단축시키고, 측정 결과의 분석이 용이하도록 하기 위해 설계할 구조물의 형상과 부재특성 및 시뮬레이션에 필요한 파라메타 값을 입력하는 제1단계; 상기 제1단계에서 입력된 파라메타 값에 따른 각 부재의 강성을 계산하여 층별 강성 행렬로 나타내는 제2단계; 상기 제2단계 수행 후, 연직 방향의 자중에 의한 정적 해석을 통해 지진하중이 작용하기 이전의 구조물의 초기 응력 상태를 계산하는 제3단계; 주어진 파라메타 값에 따른 지진하중에 대해 반응 스펙트럼 해석을 통해 구조물의 응력 상태를 계산하는 제4단계; 상기 제4단계에서 계산된 응력비로부터 감소계수를 구하는 제5단계; 이전에 계산된 상기 감소계수들을 더한 값이 미리 설정된 소정의 목표치보다 큰지 아닌지를 판단하는 제6단계; 상기 제6단계에서, 감소계수들의 합이 상기 소정의 목표치보다 크지 않으면 항복이 일어난 부재의 단부에 소성힌지를 추가하여 전체 구조물의 변화된 강성을 계산한 후, 상기 제4단계를 반복하는 제7단계; 및 상기 제6단계에서 감소계수들의 합이 상기 소정의 목표치보다 크면 구조물의 최종 응답을 계산하는 제8단계를 포함한다.The present invention relates to a method for measuring the response of a high-rise building to an earthquake using a response spectrum. A first step of inputting a parameter value; A second step of calculating a stiffness of each member according to the parameter value input in the first step and displaying the stiffness matrix for each layer; After performing the second step, a third step of calculating the initial stress state of the structure before the earthquake load is applied through the static analysis of the self-weight in the vertical direction; A fourth step of calculating the stress state of the structure by analyzing the response spectrum for the seismic load according to the given parameter value; A fifth step of obtaining a reduction coefficient from the stress ratio calculated in the fourth step; Determining whether or not a value obtained by adding the previously calculated reduction factors is greater than a predetermined target value; In the sixth step, if the sum of the reduction coefficients is not greater than the predetermined target value, and after adding the plastic hinge to the end of the member subjected to the yield calculation of the changed rigidity of the entire structure, the seventh step of repeating the fourth step ; And an eighth step of calculating a final response of the structure when the sum of the reduction factors is greater than the predetermined target value in the sixth step.
Description
제1도는 본 발명에 따른 지진에 대한 초고층 건물의 반응 측정방법의 흐름도.1 is a flowchart of a method for measuring a response of a tall building to an earthquake according to the present invention.
제2(a)도는 장주기 구조물에서의 탄성 반응과 비탄성 반응을 나타낸 그래프.Figure 2 (a) is a graph showing the elastic response and inelastic response in the long period structure.
제2(b)도는 단주기 구조물에서의 탄성 반응과 비탄성 반응을 나타낸 그래프.Figure 2 (b) is a graph showing the elastic and non-elastic response in the short-cycle structure.
제3도는 레일리(Rayleigh) 감쇠비를 나타낸 그래프.3 is a graph showing the Rayleigh damping ratio.
제4도는 본 발명을 이용하여 시뮬레이션한 결과로서 소성힌지의 발생 상태를 나타낸 도면.4 is a view showing the state of occurrence of the plastic hinge as a result of the simulation using the present invention.
제5도는 본 발명을 이용하여 시뮬레이션한 결과로서 층전단력을 나타낸 그래프.5 is a graph showing the layer shear force as a result of simulation using the present invention.
제6도는 본 발명을 이용하여 시뮬레이션한 결과로서 각각 층변위 및 층간 변위비를 나타낸 그래프.6 is a graph showing the layer displacement and the interlayer displacement ratio, respectively, as a result of simulation using the present invention.
본 발명은 반응 스펙트럼을 이용한 지진에 대한 초고층 건물의 반응 측정방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 초고층 건물과 같이 부재수가 많은 구조물의 설계시 지진에 대한 구조물의 반응 정도를 시뮬레이션 함에 있어, 스펙트럼 해석에 기초한 근사비탄성 동적 측정을 통해 초고층 건물의 반응을 측정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring a response of a tall building to an earthquake using a response spectrum, and more particularly, to simulate the response of a structure to an earthquake when designing a structure having a large number of members, such as a tall building. The present invention relates to a method for measuring the response of skyscrapers through approximate non-elastic dynamic measurement.
초고층 건물을 설계함에 있어서, 일반적으로 설계하고자 하는 구조물의 설계하중에 대한 반응 측정을 탄성 정적 및 동적 해석방법을 이용해 수행하는 것 이외에도 설계하중 이상의 강풍이나 강진에 대한 구조물의 반응을 측정하여야 한다.In the design of high-rise buildings, in addition to measuring the response to the design load of the structure to be designed, the response of the structure to strong winds or earthquakes beyond the design load is to be measured.
설계하고자 하는 구조물의 이와 같은 반응 측정시에는 건물의 비탄성 거동을 허용하며, 소성힌지 분포, 붕괴 메카니즘, 부재 및 시스템 연성도, 에너지 소산능력 등을 검토하고, 특히 국부적인 메카니즘 형성 여부와 임의 부재의 파괴에 의한 연속 파괴의 가능성을 검토하는 것이 매우 중요하다.This response measurement of the structure to be designed allows the inelastic behavior of the building and examines the plastic hinge distribution, collapse mechanism, member and system ductility, and energy dissipation capacity. It is very important to consider the possibility of continuous destruction by destruction.
강진에 대한 구조물의 비탄성 동적 반응을 측정하기 위해 일반적으로 직접적분법이 사용되고 있다. 그러나, 이와 같은 직접적분을 이용한 시간이력 해석방법은 측정에 필요한 전체 시간을 미소한 단위 시간으로 구분하여 각 단위 시간마다 구조물의 반응을 계산하므로, 많은 양의 계산이 요구되고, 그 결과 또한 매우 방대하기 때문에 실제 측정과 이 측정 결과의 분석에 많은 시간이 소모된다. 또한, 시간이력 해석방법의 경우 각 부재의 최대 반응은 시간적으로 동시에 발생하지 않고, 입력되는 지진등의 강도와 특성에 따라서도 달라지게 되므로, 각 경우에 대해 구조물의 반응을 측정하기 위해서는 많은 경우에 대해 측정하여 확인해야 하는 번거로움이 있다. 실제로 많은 부재로 이루어진 초고층 건물에 대하여 직접적분법을 이용하여 구조물의 반응을 측정한다는 것은 거의 불가능하다고 할 수 있다.Direct integration is generally used to measure the inelastic dynamic response of structures to earthquakes. However, the time history analysis method using the direct integration calculates the response of the structure for each unit time by dividing the total time required for measurement into minute unit time, which requires a large amount of calculation, and the result is also very large. Therefore, a lot of time is spent on the actual measurement and analysis of the measurement results. In addition, in the case of the time history analysis method, the maximum response of each member does not occur simultaneously in time, but also depends on the strength and characteristics of the input earthquake. There is a hassle to measure and check. In fact, it is almost impossible to measure the response of a structure by using direct integration method for a skyscraper with many members.
따라서, 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 스펙트럼 해석에 기초한 근사비탄성 동적 해석방법을 이용해 지진에 대한 초고층 구조물의 반응을 측정함으로써, 계산량과 측정시간을 대폭 단축시키고, 측정 결과의 분석이 용이한 지진에 대한 초고층 건물의 반응 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention devised to solve the above problems of the prior art by using the approximate non-elastic dynamic analysis method based on the spectral analysis to measure the response of the superstructure structure to earthquake, significantly reducing the amount of calculation and measurement time, The purpose of the present invention is to provide a method for measuring the response of skyscrapers to earthquakes, which makes it easy to analyze the measurement results.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 지진에 대한 초고층 건물의 반응 측정방법에 있어서, 설계할 구조물의 형상과 부재특성 및 시뮬레이션에 필요한 파라메타 값을 입력하는 제1단계; 상기 제1단계에서 입력된 파라메타 값에 따른 각 부재의 강성을 계산하여 층별 강성 행렬로 나타내는 제2단계; 상기 제2단계 수행 후, 연직 방향의 지중에 의한 정적 해석을 통해 지진하중이 작용하기 이전의 구조물의 초기 응력 상태를 계산하는 제3단계; 주어진 파라메타 값에 따른 지진하중에 대해 반응 스펙트럼 해석을 통해 구조물의 응력 상태를 계산하는 제4단계; 상기 제4단계에서 계산된 응력비로부터 감소계수를 구하는 제5단계; 이전에 계산된 상기 감소계수들을 더한 값이 미리 설정된 소정의 목표치보다 큰지 아닌지를 판단하는 제6단계; 상기 제6단계에서, 감소계수들의 합이 상기 소정의 목표치보다 크지 않으면 항복이 일어난 부재의 단부에 소성힌지를 추가하여 전체 구조물의 변화된 강성을 계산한 후, 상기 제4단계를 반복하는 제7단계; 및 상기 제6단계에서 감소계수들의 합이 상기 소정의 목표치보다 크면 구조물의 최종 응답을 계산하는 제8단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for measuring the response of a tall building to an earthquake, comprising: a first step of inputting a shape and a member characteristic of a structure to be designed and parameter values necessary for simulation; A second step of calculating a stiffness of each member according to the parameter value input in the first step and displaying the stiffness matrix for each layer; A third step of calculating an initial stress state of the structure before the seismic load is applied through static analysis of the ground in the vertical direction after performing the second step; A fourth step of calculating the stress state of the structure by analyzing the response spectrum for the seismic load according to the given parameter value; A fifth step of obtaining a reduction coefficient from the stress ratio calculated in the fourth step; Determining whether or not a value obtained by adding the previously calculated reduction factors is greater than a predetermined target value; In the sixth step, if the sum of the reduction coefficients is not greater than the predetermined target value, and after adding the plastic hinge to the end of the member subjected to the yield calculation of the changed rigidity of the entire structure, the seventh step of repeating the fourth step ; And an eighth step of calculating a final response of the structure when the sum of the reduction factors is greater than the predetermined target value in the sixth step.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention;
제1도는 본 발명에 따른 지진에 대한 초고층 건물의 반응을 측정하는 흐름도이다.1 is a flow chart for measuring the response of a tall building to an earthquake according to the present invention.
먼저, 시스템 초기화가 수행된 후(101), 설계하고자 하는 구조물의 형상과 각 부재들의 특성(재료, 크기 등), 지진파 발생의 시간간격, 한계 임계값 등과 같은 파라메 타 값들이 입력된다(102).First, after system initialization is performed (101), parameter values such as the shape of the structure to be designed and the characteristics of each member (material, size, etc.), the time interval of seismic wave generation, the limit threshold value, and the like are input (102). ).
그런 다음, 이 입력된 파라메타 값에 따른 각 부재들의 강성을 계산하여 층별 강성 행렬을 구성하고(103), 연직 방향의 자중에 의한 정적 해석을 통해 지진하중이 작용하기 이전의 구조물의초기 응력 상태를 구한다(104). 즉, 구조물의 변위와 각 부재에서의 부재력, 이에 의한 응력비(stress ratio)R0를 구한다.Then, the stiffness of each member according to the input parameter value is calculated to form a layer stiffness matrix (103), and the initial stress state of the structure before the seismic load is applied through static analysis by the self-weight in the vertical direction. (104). That is, the displacement of the structure, the member force in each member, and thus the stress ratio R 0 are obtained.
이와 같이 정적하중에 대해 프레임 변위를 계산한 다음, 단계 102에서 입력된 파라메타에 해당되는 지진하중에 대해 반응 스펙트럼 해석을 이용해 구조물의 프레임 변위를 계산한다(105). 그리고, 공지의 방법을 통해 절점변위 및 부재력을 계산한(106) 다음, 상기에서 계산된 결과를 이용하여 각 부재에서의 응력비 R1을 구한다(107).As described above, after calculating the frame displacement for the static load, the frame displacement of the structure is calculated using the response spectrum analysis for the seismic load corresponding to the parameter input in step 102 (105). Then, the node displacement and the member force are calculated (106) by a known method, and then the stress ratio R 1 in each member is calculated using the result calculated above (107).
그리고, 지중과 조합하기 위해 단계 104에서 계산된 응력비 R0와 단계 107에서 계산된 응력비 R1에 임의의 계수값을 곱한 값의 합이 응력비가 최대인 부재절점에서 소정의 값 1.0이 되도록 하는 감소계수(reduction factor)F1을 계산한다(108).And the sum of the value of the stress ratio R 0 calculated in
이러한 과정을 통해 지금까지 계산된 모든 감소계수 값들을 더하여 이 합이 단계 102에서 입력된 목표치인 소정의 한계치보다 큰지 아닌지를 판단한다(109).Through this process, all the reduction coefficient values calculated so far are added to determine whether or not the sum is greater than a predetermined threshold value, which is the target value input in step 102 (109).
여기서, 이 각 감소계수 값들의 합은 주어진 지진하중에 대해 구조물이 비탄성 거동을 통하여 저항할 수 있는 능력의 비율이 된다. 즉, 이 값이 소정의 값 1.0보다 클 경우에는 건물이 비탄성 거동을 통하여 저항할 수 있는 능력이 주어진 지진하중보다 큰 경우이다.Here, the sum of each of these reduction factor values is the ratio of the structure's ability to resist through inelastic behavior for a given earthquake load. In other words, if this value is greater than the predetermined value 1.0, then the building has a greater than the given earthquake load capacity to resist through inelastic behavior.
단계 109에서 각 감소계수 값들의 합이 목표치보다 크지 않으면 항복이 일어난 부재의 단부에 소성힌지를 추가하여(110) 소성힌지가 발생된 부재의 강성을 고려하여 전체 구조물의 강성을 변화시킨다(111). 그런 다음, 상기 단계 105이하를 반복하여 반응 스펙트럼 해석방법을 통해 구조물의 응력비 R2와 감소계수 F2를 구한다.In
단계 110에서 반복계산의 횟수를 줄이기 위해 소성힌지를 그룹핑한다. 예를 들어, 응력비가 상위 90%이상인 부재절점에 소성힌지를 동시에 발생시킬 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.In
이와 같은 구조물의 반응 측정에서 처음에는 구조물의 비탄성 거동을 허용하지 않고, 탄성 스펙트럼을 사용하지만, 반복 수행되는 두 번째 과정부터는 구조물에 소성힌지가 발생되고, 소성거동을 하게 되므로 탄성 스펙트럼 대신 비탄성 스펙트럼을 적용한다.In the reaction measurement of such a structure, the inelastic behavior of the structure is not allowed at first, but the elastic spectrum is used, but since the second process is repeatedly performed, the plastic hinge is generated and the plastic behavior is performed. Apply.
상기와 같은 단계는 구조물의 붕괴 메카니즘, 구조적 불안정 또는 과도한 변형등을 통해 한계 상태에 이를 때까지 반복되어 응력비 Rn과 감소계수 Fn이 계산된다.This step is repeated until the limit state is reached through the collapse mechanism, structural instability or excessive deformation of the structure, so that the stress ratio R n and the reduction factor F n are calculated.
그런 다음, 상기와 같은 과정을 통해 계산된 각각의 루틴에 대한 결과 값에 각각의 감소계수 값을 곱하고, 이 곱한 모든 루틴의 값들을 더하여 구조물의 최종반응을 측정한다.Then, the resultant value for each routine calculated through the above process is multiplied by each reduction factor value, and the final response of the structure is measured by adding the values of all the multiplied routines.
상술한 본 발명의 단계에서 구조물의 한계 상태까지 측정하지 않고, 주어진 지진에 대한 응답만을 구하고, 측정을 종료할 수도 있다.In the above-described step of the present invention, the response may be obtained only for a given earthquake and the measurement may be terminated without measuring the critical state of the structure.
전술한 바와 같이 구조물의 반응을 측정하는 처음 루틴에서는 구조물의 거동을 탄성으로 가정하게 되며, 소성힌지가 발생되지 않기 때문에 부재에 과응력(overstress)이 발생된다. 최초의 계산 후에 부재의 응력비가 가장 큰 절점에 소성힌지를 도입하면 그 때부터 구조물은 더 이상 탄성 상태가 아니므로 적용하는 지진 하중도 비탄성에 관계된 값을 사용해야 한다.As described above, in the first routine of measuring the response of the structure, the behavior of the structure is assumed to be elastic, and since the plastic hinge is not generated, overstress is generated in the member. If, after the initial calculation, the plastic hinge is introduced at the node with the greatest stress ratio, then the structure is no longer elastic, and the seismic load applied should also be used in relation to inelasticity.
비탄성 거동을 고려한 구조물의 반응 측정시에 사용되는 비탄성 스펙트럼은 탄성 스펙트럼을 수정하여 구하고 있으며, 이는 시스템 연성도(Ductility)에 의해 결정된다. 연성도는 구조물의 주기에 따라 변위 평형조건이나, 에너지 평형조건을 이용하여 구한다.The inelastic spectrum used to measure the response of structures considering inelastic behavior is obtained by modifying the elastic spectrum, which is determined by the system ductility. Ductility is obtained using displacement equilibrium or energy equilibrium depending on the period of the structure.
초고층 구조물과 같은 장주기 구조물의 경우에는 변위 평형조건을 적용하며, 이 때 연성도 μ는 수학시 1과 같이 나타낼 수 있다. 이와 관련된 그래프가 제2(a)도에 도시되어 있다.In the case of long-period structures such as high-rise structures, displacement equilibrium conditions are applied. In this case, ductility μ can be expressed as 1 in mathematics. A graph related to this is shown in FIG. 2 (a).
[수학식 1][Equation 1]
여기서, Ymax는 최대변위, Yy는 항복변위, Fe는 최대 변위시 하중, Fy는 항복 하중을 각각 나타낸다.Where Y max represents the maximum displacement, Y y represents the yield displacement, F e represents the load at maximum displacement, and F y represents the yield load.
따라서, 장주기 건물에서 비탄성 거동을 고려한 스펙트럼 가속도 Sa와 탄성 스펙트럼 가속도 SaE와의 관계는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the relationship between the spectral acceleration S a and the elastic spectral acceleration S aE in consideration of the inelastic behavior in the long-period building can be expressed by Equation 2.
[수학식 2][Equation 2]
단주기 구조물의 경우에는 제2(b)도에 도시된 바와 같은 에너지 평형 조건을 이용하여 연성도를 구한다. 제2(b)도의 (가)와 (나)부분의 면적은 같으며, 이때 하중변위사이에 관계식은 수학식 3과 같다.In the case of the short-period structure, the ductility is obtained using the energy balance condition as shown in FIG. 2 (b). The area of part (a) and (b) of FIG. 2 (b) is the same, and the relationship between the load displacements is expressed by Equation 3 below.
[수학식 3][Equation 3]
수학식 3에서 Fy=kYy, FE=kYE, Yu=μYy을 각각 대입하여 식을 정리하면 수학식 4와 같다. 여기서, Yu는 최대 비탄성변위, YE는 최대 탄성변위, k는 강성을 각각 나타낸다.In Equation 3, F y = kY y , F E = kY E and Y u = μY y can be substituted for Equation 4. Where Y u is the maximum inelastic displacement, Y E is the maximum elastic displacement, and k is the stiffness, respectively.
[수학식 4][Equation 4]
따라서, 단주기 건물에서 비탄성 스펙트럼 가속도와 탄성 스펙트럼 가속도의 관계는 수학식 5와 같다.Therefore, the relationship between the inelastic spectral acceleration and the elastic spectral acceleration in the short-period building is expressed by
[수학식 5][Equation 5]
구조물에 소성힌지가 발생됨에 따라 구조물의 감쇠비도 변하게 된다. 감쇠비는 제3도에 도시된 바와 같이 구조물의 질량과 강성에 좌우되므로 이러한 특성을 고려하기 위해 레일리(Rayleigh) 감쇠비를 적용한다. 일반적으로 레일리 감쇠비는 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.As the plastic hinge is generated in the structure, the damping ratio of the structure also changes. Since the damping ratio depends on the mass and rigidity of the structure as shown in FIG. 3, Rayleigh damping ratio is applied to consider this characteristic. In general, the Rayleigh damping ratio may be expressed as Equation 6.
[수학식 6][Equation 6]
c = a0m + a1kc = a 0 m + a 1 k
여기서,
초기에 감쇠비 ζ를 입력하면 각 모드에 따라 구조물에서 측정되는 감쇠상수 c가 변화되어 적용된다. 그러므로, 구조물의 비탄성 거동에 따른 감쇠비의 효과를 고려할 수 있게 된다.Initially, if the damping ratio ζ is input, the damping constant c measured in the structure is changed and applied according to each mode. Therefore, it is possible to consider the effect of the damping ratio due to the inelastic behavior of the structure.
다음 부재, 즉 보, 기둥, 가새 부재의 응력비를 계산하는 과정을 살펴본다.Next, let's look at the process of calculating the stress ratios for members, such as beams, columns, and braces.
보 부재의 경우에는 축력이 작용하지 않으며, 완전 탄소성으로 거동한다고 가정한다. 보의 모멘트가 소성 모멘트를 넘어설 경우에는 항복하여 소성힌지가 발생되는 것으로 간주하며, 여기서, 보의 소성 모멘트(Mp)는 수학식 7과 같이 계산된다.In the case of a beam member, it is assumed that axial force does not work and behaves completely elastic. If the moment of the beam to exceed the firing moment, the yield to and considered to be a plastic hinge occurs, wherein the plastic moment of the beam (M p), is calculated by Equation (7).
[수학식 7][Equation 7]
Mp = ZpFy Mp = Z p F y
여기서, Zp는 소성단면계수, Fy는 항복응력을 각각 나타낸다.Where Z p is the plastic section modulus and F y is the yield stress, respectively.
기둥은 모멘트와 축력의 조합에 의해 항복된다. 모멘트(M)-축력(N)의 상관관계는 미국철골구조계산규준(AISC-LRFD)를 따르며, 비탄성 동적 해석 방법을 통한 반복 계산 과정에서 기둥 부재의 응력비를 계산한다. 이때, 모든 부재는 완전 탄소성이며, 항복 이후에는 강성을 가지지 못하는 것으로 가정한다. 기둥에 작용한 축력과 소성 축력과의 비율에 따른 모멘트(M)와 축력(N)간의 상관식은 수학식 8과 같다.The column is surrendered by the combination of moment and axial force. The relationship between moment (M) and axial force (N) follows the American Steel Structural Calculation Standard (AISC-LRFD) and calculates the stress ratio of the column member in the iterative calculation process using inelastic dynamic analysis. At this time, it is assumed that all members are completely elastic and do not have rigidity after yielding. The correlation between the moment (M) and the axial force (N) according to the ratio between the axial force and the plastic axial force acting on the column is shown in Equation 8.
[수학식 8][Equation 8]
여기서, P는 작용한 축력, Py=AFy는 소성축력, Mp=ZpFy는 소성 모멘트, A는 기둥 단면적, Zp는 소성단면계수, Fy는 항복응력을 각각 나타낸다.Where P is the acting axial force, P y = AF y is the plastic axial force, Mp = Z p F y is the plastic moment, A is the column cross-sectional area, Z p is the plastic cross section coefficient, and F y is the yield stress.
가새에는 축력만 작용하며, 완전 탄소성으로 거동한다고 가정한다. 그러므로,가새에 작용한 축력이 소성축력을 초과하게 되면 가새에 소성힌지가 발생된다.It is assumed that braces act only on axial forces and behave completely elasto-plastic. Therefore, when the axial force acting on the brace exceeds the plastic axial force, a plastic hinge is generated on the brace.
각각의 측정단계마다 1개의 소성힌지가 형성되도록 하면 초고층 건물과 같이 부재가 많은 경우에는 과도한 계산시간이 요구된다. 그러나, 대부분의 구조물들은 1축 또는 2축에 대하여 대칭이므로, 탄성해석을 수행하면 동일한 응력상태를 나타내는 부재가 대칭으로 나타나고, 이 두 부재의 응력비는 동일하다. 그러므로, 이러한 경우 두 부재에서 동시에 소성힌지가 형성된다고 보아도 된다.If one plastic hinge is formed in each measurement step, excessive calculation time is required in the case of a large number of members such as a skyscraper. However, since most structures are symmetric about one axis or two axes, when the elastic analysis is performed, members exhibiting the same stress state appear symmetrically, and the stress ratios of the two members are the same. Therefore, in this case, it can be seen that the plastic hinge is formed at the same time in both members.
동일한 개념을 적용하여 각 부재의 응력비가 일정한 값(90% 내지 99%) 이상인 부재에 동시에 소성힌지가 발생되는 것으로, 소성힌지 그룹핑을 수행하면 해석시간이 감소된다. 또한. 그 결과값도 각 루틴에서 1개의 소성힌지가 형성되는 것으로 해석한 경우와 근사한 결과를 나타낸다. 본 발명에서는 소성힌지의 그룹핑을 위해 매개 변수를 사용하며, 입력시 사용자가 해석의 효율성과 결과 값의 정확성을 적절히 고려하여 선택할 수 있도록 하였다.By applying the same concept, the plastic hinge is generated at the same time in a member whose stress ratio is equal to or greater than a predetermined value (90% to 99%), and the plastic hinge grouping reduces the analysis time. Also. The result also shows an approximation to the case where it is analyzed that one plastic hinge is formed in each routine. In the present invention, a parameter is used for grouping the plastic hinge, and the user can select the input properly considering the efficiency of the analysis and the accuracy of the result value.
제4도는 본 발명을 이용하여 초고층 건물에 시뮬레이션한 결과로서, 소성힌지의 발생 상태를 나타내며, 제5도는 층전단력을 나타낸 그래프이다.4 is a simulation result of a high-rise building using the present invention, and shows the plastic hinge generation state, and FIG. 5 is a graph showing the layer shear force.
본 발명을 이용하여 측정한 초고층 구조물은 높이 407.0m, 장변 70.0m, 단변 50.0m의 장방형 평면을 가지고 있고, 세장비 8.14이다. 이 건물의 수평하중 저항 시스템으로서는 슈퍼 구조 시스템을 사용하였다. 즉, 건물의 외곽에 위치한 8개의 슈퍼 기둥(super column)과 12개층 단위로 위치한 전달층(transfer floor), 그리고 외곽부의 코어에 위치한 가새(brace)가 횡력에 대해 저항한다.The high-rise structure measured using the present invention has a rectangular plane of height 407.0m, long side 70.0m, short side 50.0m, thin equipment 8.14. The super structural system was used as the horizontal load resistance system of this building. That is, eight super columns on the outside of the building, a transfer floor located on 12 floors, and a brace on the outside core resist resistance to lateral forces.
본 구조물의 반응 측정에서 최대 지진가속가 0.348g인 엘센트로(El centro) 지진과에 의해서는 구조물에 항복이 발생되지 않는 탄성 상태이며, 최대가속도 0.374g(1.07×El Centro)에서 소성힌지가 최초로 발생된다. 제4도에는 엘센트로 지진파를 2배로 크게 한 지진파(2×El Centro)에 대한 반응 측정 결과로서 소성힌지의 발생 위치를 나타내었으며, 제4도에 도시된 바와 같이 상층부(80F 내지 100F)에 소성힌지가 많이 발생됨을 알 수 있다. 그리고,중.하층부의 경우(12F, 25F, 77F)에는 벨트 트러스의 가새 부재에 소성힌지가 발생되었다.In the reaction measurement of this structure, the elasticity of yield does not occur in the structure by the El centro earthquake with the maximum earthquake acceleration of 0.348g and the plastic hinge is first generated at the maximum acceleration of 0.374g (1.07 × El Centro). do. FIG. 4 shows the location of the plastic hinge as a result of measuring the response to the seismic wave (2 × El Centro) which doubled the El Centro seismic wave, and fired on the upper portion 80F to 100F as shown in FIG. It can be seen that a lot of hinges are generated. In the case of the middle and lower layer portions (12F, 25F, 77F), plastic hinges were generated on the brace members of the belt truss.
상층부에 소성힌지의 발생이 선행하는 것은 제5도를 통해 알 수 있듯이 구조물 상층부에서 엘센트로 지진파를 2배로 크게 한 지진파(2×El Centro) 지진하중에 대한 층전단력이 부재 설계하중인 풍하중에 대한 층전단력보다 크기 때문이다.As shown in FIG. 5, the occurrence of the plastic hinge at the upper layer precedes the wind load under the member design load due to the layer shear force for the seismic wave (2 × El Centro) earthquake load which doubled the El Centro seismic wave at the upper portion of the structure. This is because it is larger than the layer shear force.
제6도는 엘센트로 지진파를2배로 크게 한 지진파(2×El Centro)에 의한 층변위 및 중간 변위비를 각각 나타낸 그래프로서, 최대횡변위는 0.84m이며, 층간 변위비는 70층 이후 고층부에서 큰 값을 나타내고, 최대 층간 변위비는 93층에서 1/122이다.FIG. 6 is a graph showing the layer displacement and the median displacement ratio due to the seismic wave (2 × El Centro), which doubled the El Centro seismic wave. The maximum lateral displacement is 0.84m, and the interlayer displacement ratio is a large value in the upper part after the 70th floor. The maximum interlayer displacement ratio is 1/122 in 93 layers.
상기와 같은 본 발명은 스펙트럼 해석에 기초한 근사비탄성 동적 해석방법을 이용해 지진에 의한 초고층 구조물의 반응을 측정함으로써, 측정시의 계산량과 측정 시간을 대폭 줄일 수 있어, 측정 결과의 분석이 용이하고, 초고층 건물에 많이 사용되는 튜브 구조물이나 비대칭 구조물과 같이 평면 프레임으로 모델링하기 어려운 입체 구조물의 측정도 가능한 효과가 있다.The present invention as described above, by measuring the response of the superstructure structure by the earthquake using the approximate non-elastic dynamic analysis method based on the spectral analysis, it is possible to greatly reduce the amount of calculation and measurement time during the measurement, easy to analyze the measurement results, ultra-high It is also possible to measure three-dimensional structures that are difficult to model with a planar frame, such as a tube structure or an asymmetric structure that are frequently used in buildings.
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