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R&D최종보고서

연구과제 상세정보
과제고유번호 201818CTAP-C132889-02
연구사업명 국토교통기술촉진연구사업
연구과제명 자가복원력을 가진 고효율 저비용 내진보강시스템 개발
총 연구기간 2017-04-01 ~ 2018-12-31
연구책임자 김진구
당해년도
참여 연구원수
5명 총 연구기간
참여 연구원수
12명
당해년도
연구비
정부 : 182,000,000 원
기업 : 74,333,000 원
계 : 256,333,000 원
총연구비 정부 : 370,000,000 원
기업 : 137,000,000 원
계 : 507,000,000 원
연구기관명 성균관대학교산학협력단
등록 발간번호 -
ISBN -
주요 내용 ● 본 연구에서는 에너지소산 성능과 자가복원력을 결합함으로써 내진보강에 소요되는 공사비의 20% 이상 저감이 가능한 내진보강장치의 개발을 목표로 함.
- 초기 장력이 가해진 강선과 댐퍼를 이용한 내진보강장치
- 초기 장력이 가해진 PC 골조를 이용한 내진보강장치
- 개발된 보강장치의 해석모델 개발
- 개발된 보강장치의 최적화기법 개발
- 실용적인 생애주기비용 산정기법개발을 통한 보강장치의 경제성 평가
- 성능표준화 및 설계매뉴얼 개발
- 접합상세 및 시공매뉴얼 개발

● 1차년도 연구에서는 긴장력이 가해진 강선을 건물의 외부에 교차해서 설치하여 횡변위가 발생할 때 긴장력의 작용으로 복원력이 발생하여 지진응답을 저감할 수 있는 효과적인 내진보강기법의 설계/시공기법을 개발함.
● 2차년도에는 긴장력이 가해진 PC 골조를 건물의 외부에 접합하여 내진성능을 향상할 수 있는 보강방법에 대한 설계/시공기법을 개발하고, PC 보-기둥 접합부에 설치하여 보강효과를 극대화할 수 있는 감쇠장치를 개발함.

[최종목표]
●감쇠 및 복원력을 결합한 내진보강시스템 해석/설계기술
- 강성+감쇠+복원력을 갖춘 내진보강장치의 형상 개발
- 개발된 장치의 해석모델개발
- 강성, 감쇠, 복원력 최적화기술 개발
- 생애주기비용 산정기법 개발
- 골조실험을 통한 성능평가
- 개발된 제품의 성능표준화 및 디자인 가이드 개발

●개발된 내진보강장치에 적절한 감쇠장치개발
- 강선+댐퍼시스템 설치용 댐퍼 개발
- PC+ 댐퍼시스템 설치용 댐퍼 개발
- 댐퍼 성능실험 및 힘-변위관계 도출

●설치상세/시공기술 개발
- 비내진상세 해석모델 및 실험체 설계
- 개발된 시스템 설치상세/시공기법 개발
- 개발된 시스템의 공사비 산정

[연구내용 및 범위]
1. 고효율/저비용 보강장치 형상개발
● 기존 건물의 외부에 댐퍼와 연결된 PS 강선을 부착하는 공법
- 초기장력이 가해진 강선에 댐퍼를 연결하여 감쇠력을 부가하는 경우 댐퍼 자체에 스프링을 설치하여 강선의 장력 변화에 따라 스프링이 댐퍼를 구동할 수 있도록 설계하여야하며, 이러한 경우 강선의 초기장력, 강성, 감쇠력 등 다양한 설계변수의 합리적인 결정이 필요함.
● 기존 건물의 외부에 댐퍼가 설치된 PS PC 골조를 부착하는 공법
- PC 기둥과 보 내부에 강선을 배치하고 장력을 가하여 결합한 골조를 기존 건물에 부착하는 내진보강시스템으로, 지진력이 초기장력 이상 작용할 때 보와 기둥의 사이가 벌어지며 복원력이 발생함.
- 본 연구에서는 보기둥 접합부에 회전형 마찰댐퍼 등 적절한 감쇠장치를 설치함으로써 self centering 기능과 함께 감쇠성능을 추가한 고효율 내진보강시스템을 개발하고 합리적인 설계절차를 제공함.

2. 개발된 내진보강장치의 해석모델 개발
● 본 연구에서 개발 예정인 내진보강장치는 감쇠장치 (댐퍼)와 초기 긴장력이 가해진 강선 또는 PC 골조이며, 개별적인 힘-변위 관계가 결합된 복합적 거동을 정확하게 모사할 수 있어야함.
● 본 연구에서는 선형, 비선형 스프링 요소, 댐퍼요소, 그 외 다양한 링크요소 등을 직렬, 병렬로 적절히 연결하여 감쇠장치의 에너지 소산특성과 강선/PC 골조의 자가복귀 특성을 정확하게 표현할 수 있는 해석모델 개발하고, 정밀해석 및 실험 결과와 비교하여 타당성을 검증함.

3. 개발된 내진보강기법의 최적화 및 성능표준화
● 본 연구에서 개발 예정인 내진보강장치는 댐퍼의 감쇠비 (점성/점탄성댐퍼) 또는 항복강도 (강재/마찰댐퍼), 강선의 단면적 및 초기 긴장력, 강선의 설치 각도 및 설치 위치 등 다양한 설계 변수의 상대적인 크기에 따라 보강성능이 달라짐.
● 건물의 내진성능목표 및 동적 특성에 따라 최적 보강기법, 보강 위치 및 보강량이 달라지므로, 건물의 고층과, 비정형화가 심화될수록 최적화기법을 적용하여 최소의 비용으로 목표 내진성능의 확보가 필요함.
● 본 연구에서는 범용 최적화기법인 유전알고리즘 (genetic algorithm)을 이용하여 개발된 복합 보강장치의 다양한 설계변수의 최적화 알고리즘을 개발하고, 주어진 내진성능목표를 만족하면서 보강비용을 최소화할 수 있는 설계기법을 제시함.
● 일반 구조설계자가 개발된 내진보강 시스템을 복잡한 최적화 기법을 적용하지 않고 보강설계에 손쉽게 적용하기 위해서는 요구되는 강성/강도/감쇠력에 따라 제품의 적정 규격을 도표 등을 이용하여 용이하게 결정할 수 있어야함.
● 본 연구에서는 최적화기법을 적용하여 소요 강성/강도/감쇠력의 단계별로 설계변수의 최적값들을 미리 결정하여 설계자에게 제공함으로써, 개발된 제품의 실용화를 위한 기초 자료를 제시함.

4. 생애주기비용 (Life Cycle Costs) 최소화를 통한 경제성 확보
● 감쇠장치+복원력시스템은 기존의 단일 내진보강기법에 비하여 초기 소요비용 측면에서 경쟁력이 있을 것으로 예상되며, 특히 지진 후 자가복귀 기능으로 보수비용 또한 최소화가 가능함.
● 생애주기 비용 (Life Cycle Cost, LCC)은 초기비용 (내진보강 소요비용)에 지진 발생 시 보수비용을 더한 값으로, 본 연구에서는 해석모델의 단순화, 취약도함수의 단순화 등 관련된 다양한 요소의 단순화 기법을 개발하고, 개발된 내진보강장치가 설치된 건물의 생애주기비용을 바탕으로 개발된 기술의 경제성을 평가함.
● FEMA P-58 보고서는 지진으로 인한 구조체, 비구조체, 내용물의 손실금액, 인명피해와 영업정지일수, 영업손실 등을 고려한 구조물의 예상보수비용 및 보수기간을 산정하여 구조물 손상비용을 정량적으로 평가하는 기법을 제시하고 있으며, 이를 바탕으로 만들어진 프로그램인 PACT (Performance Assessment Calculation Tool)를 보급하고 있음.
● 본 연구에서는 PACT를 이용하여 보강설계된 구조물의 보수비용과 보수기간을 비구조재까지 포함하여 보다 정밀하게 평가함으로써, 감쇠장치 + 복원력 보강기법, 개발된 최적화 알고리즘, 적용된 단순화된 LCC 기법의 타당성을 검증함.

5. 실험을 통한 성능검증
● 본 연구에서 개발 예정인 보강기법은 강성, 감쇠, 복원력 등 세 가지 보강요소가 결합되어 작용하므로 기존 보강기법에 비하여 고려할 설계변수가 다양함.
● 개발된 장치의 내진보강성능을 검증하기 위하여 비내진상세로 설계된 RC 골조 실험체에 최적 감쇠+강성+복원력 기반 보강장치를 설치하고, 반복가력실험을 통하여 설치 전후의 내진성능을 평가함.
● 또한 이를 바탕으로 개발된 해석모델의 타당성을 검증하고 최적설계기법의
색인어 한글 내진보강 자가복원력 감쇠장치 성능설계 내진성능
영문 seismic retrofit self centering dampers performance based design seismic performance
최종보고서 01. 최종보고서.pdf
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