In 2017 Pohang Earthquake, a number of residential buildings with pilotis at their first level were severely damaged. In this study, the results of an analytical investigation on the seismic performance and structural damage of two bearing wall buildings with pilotis are presented. The vibration mode and lateral force-resisting mechanism of the buildings with vertical and plan irregularity were investigated through elastic analysis. Then, based on the investigations, methods of nonlinear modeling for walls and columns at the piloti level were proposed. By performing nonlinear static and dynamic analyses, structural damages of the walls and columns at the piloti level under 2017 Pohang Earthquake were predicted. The results show that the area and arrangement of walls in the piloti level significantly affected the seismic safety of the buildings. Initially, the lateral resistance of the piloti story was dominated mainly by the walls resisting in-plane shear. After shear cracking and yielding of the walls, the columns showing double-curvature flexural behavior contributed significantly to the residual strength and ductility.

In regions of low-to-moderate seismicity, various types of lap splices are used for longitudinal reinforcement of columns at the plastic hinge zones. The seismic performance of such lap spliced columns, such as strength, deformation capacity, and energy dissipation, is affected by material strengths, longitudinal re-bar size, confinement of hoops, lap splice location, and lap splice length. In the present study, cyclic loading tests were performed for columns using three types of lap splices (bottom offset bar splice, top offset bar splice, and splice without offset bend). Lap splice length(40db and 50db) was also considered as test parameters. Ties with 90-degree end hooks were provided in the lap splice length. The test results showed that strength, deformation capacity, and energy dissipation of columns significantly differed depending on the details and the length of lap splices. The bottom offset bar splice showed high ductility and energy dissipation but low strength; on the other hand, the top offset bar splice and the splice without offset bend showed high strength but moderate ductility and energy dissipation.

To investigate earthquake responses of structures with basements affected by soil deposits, centrifuge tests were performed using an in-flight earthquake simulator. The test specimen was composed of a single-degree-of-freedom structure model, a basement and sub-soil deposits in a centrifuge container. The test parameters were the dynamic period of the structure model, boundary conditions of the basement, existence of soil deposits, centrifugal acceleration level, and type and level of input earthquake accelerations. When soil deposits did not exist, the earthquake responses of the structures with fixed basement were significantly greater than those of the structure without basement. Also, the earthquake responses of the structures with the fixed basement surrounded by soil deposits were amplified, but the amplifications were smaller than those of the structures without basement. The earthquake responses of the structures with the half-embedded basement in the soil deposits were greater than those estimated by the fixed base model using the measured free-field ground motion. The test showed that the basement and the soil deposit should be simultaneously considered in the numerical analysis model, and the stiffness of the half-embedded was not effective.

Small-size buildings are not designed by professional structural engineers in Korea. Therefore, their seismic performance can not be exactly estimated because their member sizes and reinforcement may be over- or under-designed. A prescriptive design criteria for the small-size buildings exists, but it also provides over-designed structural members since structural analysis is not incorporated, so it is necessary to revise the prescriptive criteria. The goal of this study was to provide an information for the revision, which is seismic performance and capability of small-size reinforced concrete moment frame buildings. For the study, the state of existing small-size reinforce-concrete buildings such as member size and reinforcement was identified by investigating their structural drawings. Then, over-strength, ductility and response modification factor of the small-size reinforced concrete moment frame buildings were estimated by analytical approach along with seismic performance check. The result showed that they possess moderate over-strength and ductility, and may use slightly increased response modification factor.

본 논문에서는 유한요소법을 이용하여 공동주택의 중량충격음을 예측하기 위해 구조해석 모델과 음향해석 모델을 개발하고 예측결과와 실험결과를 비교하여 정확성을 검증하였다. 패널 임피던스 값을 사용하여 거실의 적절한 흡음 특성을 반영할 수 있었으며, 수치해석에 주파수 응답함수 특성을 적용하여 1회 수치해석만으로 다양한 충격원에 대한 응답을 예측할 수 있도록 하였다. 구조진동에 의한 실내 소음해석은 유한요소 수치해석 기법이 진동 및 음향모드에 대한 응답을 비교적 정확하게 예측할 수 있도록 하였으며, 본 연구의 예측결과는 실험결과와 비교적 유사한 값을 나타내었다. 향후 정확도가 보다 향상된 수치해석 모델개발을 통해 바닥충격음 저감에 효과적인 공동주택 설계가 가능할 것으로 판단된다.

For small-size reinforce-concrete buildings, Midas Gen, OpenSees, and Perform-3D, which are structural analysis programs that are most popularly used at present, were applied for nonlinear static pushover analysis, and then difference between those programs was analyzed. Example buildings were limited to 2-story frames with irregular shaped walls. Analysis result showed that there were more differences than for frames only and frames with rectangular walls, but it was not so significant. Nevertheless, the capacity curve were different in some buildings, which is attributed to shape and location of walls, and feature of the analysis program. Especially, selection of automatic or manual input in Midas Gen, or nonlinear wall elements in Perform3D can affect the capacity curve and performance of the buildings. Therefore, the program users should understand the feature of the program well, and then conduct performance assessment. The result of this study is limited to low-story buildings so that it should be noted that it is possible to get different results for mid- to high-rise buildings.

Various non-seismic tie details are frequently used for one- and two-story small buildings because the seismic demand on their deformation capacities is not relatively significant. To evaluate the effects of the non-seismic tie details on the seismic performance of reinforced concrete columns, six square columns with a cross section of 400 × 400 mm and six rectangular columns with a cross section of 250 × 640 mm were tested. The anchorage details at both ends and spacing of tie hoops, along with the cross-sectional shape and the magnitude of axial load, were considered as the primary test parameters. Test results showed that square columns had higher stiffness and lower lateral deformation rather than rectangular columns. Both lap spliced tie and U-shaped tie provided comparable or improved seismic performance to 90° hook tie in terms of maximum strength, ductility, and energy dissipation. The predicted curves with modeling parameters in ASCE41-13 were conservative for test results of lap spliced tie and U-shaped tie specimens since plastic behavior after flexural yielding could not be considered. For economical design, ASCE41-13 should be revised with various test results of tie details.

Since the execution of structural design by professional structural engineers is not mandatory for small-size buildings in Korea, structural design is conducted by architects or contractors resulting in concern about the seismic safety of the buildings. Therefore, the Korean Structural Engineers Association proposed dedicated structural design criteria in 2012. The criteria were developed based on a deterministic approach in which the structural members are designed only with information of story and span length of the buildings and without structural analyses. However, due to the short time devoted to their development, these criteria miss satisfactory basis and do not deal with structural walls popularly used in Korea. Accordingly, the Ministry of Land, Infrastructure and Transport launched a research on the 'development of structural performance enhancement technologies for small-size buildings against earthquakes and climate changes'.. As part of this research, this paper intends to establish direction for the preparation of deterministic structural design guidelines for seismic safety of domestic small-size reinforced concrete buildings. To that goal, a typical plan of these buildings is selected considering frames only and frames plus walls, and then design is conducted by changing the number of stories and span length. Next, the seismic performance is analyzed by nonlinear static pushover analysis. The results show that the structural design guidelines should be developed by classifying frames only and frames plus walls. The size and reinforcement of structural elements should be provided in the middle level of the current Korean Building Code and criteria for small buildings by considering story and span length for buildings with frames only, and determined by considering the shape and location of walls and the story and span length as well for buildings with frames plus walls. It is recommended that the design of walls should be conducted by reducing the amount of walls along with symmetrically located walls.

이 연구에서는 평면, 입면 및 구조적 특성이 다양한 철근 콘크리트 고층 아파트 건물의 고유주기를 예측할 수 있는 새로운 식을 제안하였다. 제안식은 벽체의 진동이론과 지진시 계측된 건물들의 고유주기로부터 개발 되었으며, 평면에서 다양한 방향으로 설계된 전단벽의 구조적 특성을 적절히 반영할 수 있다. 제안식의 검증을 위해 신축 중인 국내 아파트 건물 10개동의 고유주기를 측정하였으며, 측정된 고유주기는 제안식 및 KBC 2009, ASCE 7-10과 같은 기준식들과 비교 하였다. 비교 결과, 제안식은 기준식에 비해 최근의 철근콘크리트 전단벽 건물 특성을 합리적으로 반영함으로써 고유주기를 보다 정확하게 예측하는 것으로 나타났다.

우리나라 공동주택의 대부분을 이루는 철근콘크리트(RC) 벽식 구조의 지진에 대한 거동을 예측하기 위해 신뢰성이 있으며 사용하기 간편한 해석모델의 수립이 필요하다. 본 논문은 기 수행된 RC 전단벽 부분구조의 횡 하중 반전주기 실험결과를 기준으로 하여 PERFORM 3D에서 가용한 RC벽 요소 및 보 기둥 요소 해석모델을 응용하여 최대한 실험결과와 근접한 결과를 주는 모델을 수립하였다. 전체 및 국부거동에 있어서 이 해석결과를 실험결과와 비교함으로써 해석의 신뢰성과 한계성을 확인함과 동시에, 실험에서 파악하기 어려운 내부 저항력의 구성, 전체 구조물의 저항 메카니즘에 대한 정량적인 분석을 제시한다.

본 연구에서는 얕은 연약지반에서 구조물-지반 상호작용의 영향을 받는 구조물의 비탄성거동을 정확히 나타낼 수 있는 유한요소해석 방법을 연구하였다. 이를 위하여, 국내의 지반특성을 반영한 얕은 연약지반과 단자유도 구조물로 2차원 유한요소모델을 구성하고, 다양한 지진파와 지반에 대해 OpenSees 해석프로그램을 이용한 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 연약지반의 비선형거동을 반영하기 위하여 일반적으로 흔히 사용되는 등가선형 주파수영역 해석 결과와 비선형 시간이력 유한요소해석 결과의 차이를 검토하였다. 그 비교결과는 등가선형강성을 사용하고 지반-구조물 상호작용을 고려하지 않는 주파수영역해석은 단주기영역의 구조물의 응답스펙트럼을 과대평가할 수 있음을 보여주었다. 응답스펙트럼에 대한 지반-구조물 상호작용의 영향은 기초크기와 구조물의 질량의 변화와 큰 관계 없이 일정하게 나타났다.

PC(Precast Concrete) 구조시스템은 건식화 조립식 공법으로 구조물 건설에 있어 공기, 노동력 절감 등의 여러 장점을 가지고 있다. 하지만 구조벽체의 경우 이를 PC화하여 사용할 경우 접합부의 내진성능이 떨어지므로 PC 구조벽체를 사용하는 경우는 드물다고 할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 점을 감안하여 접합부 성능을 개선하여 횡력저항요소로 사용가능한 2종류의 PC 구조벽체를 제안하였다. 제안된 PC 구조벽체는 RC 벽체 및 PC 벽체가 혼합된 복합 PC 벽체와 벽체하부 연결철근의 일부를 단면감소시키고 비부착상세를 적용한 PC 벽체로서 지진발생 시 충분한 강도와 변형능력을 확보할 수 있도록 하였다. 제안된 PC 구조벽체의 내진성능평가를 위하여 RC 벽체를 포함한 3가지 벽체에 대한 실험체를 제작하여 주기 횡하중 실험을 수행하였다. 실험결과, 제안된 PC 구조벽체는 강도, 강성, 변형능력 및 에너지 소산능력이 기존 PC 구조벽체보다 월등히 향상되어 우수한 내진성능을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

안전한 내진설계를 위해서는 각 부재에 요구되는 소성변형 요구량을 정확히 예측하여야 한다. 본 연구에서는 등가정적내진설계에 쉽게 활용할 수 있도록, 복잡한 비선형해석 없이 탄성해석을 사용하여 모멘트골조 부재의 소성변형을 평가하는 방법을 개발하였다. 각 부재의 소성변형은 부재 강성과 탄성해석 결과로부터 직접 결정되는 층간변위비 요구량 및 모멘트 재분배 등의 설계 변수로부터 결정된다. 제안된 방법을 8층 2경간의 모멘트골조에 적용하고, 비선형해석을 통하여 제안된 방법의 정확성을 검증하였다. 검증결과, 제안된 방법은 비선형거동에 의한 층간변위비 요구량과 각 부재의 소성변형 요구량을 정확히 평가하였다. 제안된 방법은 부재연성설계와 같은 신축건물의 내진설계에 활용할 수 있을 뿐만 아니라 기존건물의 내진성능평가에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

안전하고 경제적인 내진설계를 위해서는 설계 초기단계부터 모멘트재분배와 부재소성변형을 고려하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 할선강성해석을 사용하여 각 부재의 재분배된 모멘트와 소성변형을 직접적으로 고려할 수 있는 내진설계방법을 개발하였다. 모멘트재분배에 의하여 발생된 비대칭 부재강성을 나타내기 위하여, 비강접 단부접합부를 갖는 보-기둥요소(NREC요소)를 사용하여 구조물을 모델링하였다. NREC요소에 사용되는 할선강성은 건물 및 부재의 요구연성도에 기반하여 결정하였다. 할선강성 구조모델에 대한 선형해석을 수행하여 내진설계를 위한 부재력과 소성변형을 구하였다. 본 연구에서는 할선강성해석을 모멘트골조와 이중골조의 내진설계에 적용하였고, 설계결과를 정밀한 비선형해석 결과와 비교하였다.

An experimental study was performed to investigate the cyclic behavior of steel plate walls with reinforced concrete frames. Three specimens of three-story steel plate walls with reinforced concrete frames were tested. The parameters for the test specimens were the reinforcement ratio of the column and coupling wall. A reinforced concrete infilled wall and a reinforced concrete frame were also tested for comparison. The steel plate walls with reinforced concrete frames exhibited much better ductility and energy dissipation capacity than the reinforced concrete infilled wall and the reinforced concrete frame. The results showed that unlike other structural systems, the steel plate wall with reinforced concrete frames has excellent deformation capacity as well as strength, and can therefore be used as an effective earthquake-resisting system. This result indicates that not only steel frames but also reinforced concrete frames can be used in the steel plate wall system.

건물의 지진응답을 평가하기 위하여 비선형 푸시오버 해석을 수행한다. 구조물의 비탄성 지진응답을 정확히 예측하기 위해서는, 비선형해석에 사용되는 층하중분포가 구조물의 시간이력 지진응답 동안 실제로 발생되는 지진하중분포를 나타낼 수 있어야 한다. 본 연구에서는 건축물의 지진하중분포를 예측하기 위하여 새로운 모드조합법을 개발하였다. 개발된 모드조합법에서는 모드조합계수를 곱한 각 모드의 스펙트럼응답을 조합하여 다수의 지진하중분포를 예측한다. 모멘트 골조와 켄틸레버 벽체에 대한 변수연구를 수행하였다. 변수연구 결과를 토대로, 각 고유모드가 구조물의 지진응답에 미치는 영향을 나타내는 모드조합계수를 정의하였다. 다양한 정형 및 수직 비정형 구조물에 대하여 제안된 계수모드조합법을 적용하였다. 그 결과 제안된 모드조합법은 시간이력 응답 동안 구조물에 실제로 발생되는 지진하중분포를 정확히 예측할 수 있었다.

기존의 철근콘크리트 부재의 이력모델은 실험에 기초한 경험식을 사용하여 주기거동시 나타나는 강성저하를 나타내는데 중점을 두므로, 에너지소산능력을 정확히 예측할 수 없다. 최근 다양한 설계변수의 영향을 고려하여 주기거동 동안 소산하는 에너지를 정확히 계산할 수 있는 설계식이 개발되었다. 본 연구에서는 이러한 설계식에 기초하여 휨지배 부재에 대한 에너지기초이력모델(Energy-Based Hysteretic Model)을 개발하였다. 제안된 모델은 완전한 주기거동을 할 경우 실제거동과 동일한 에너지를 소산하도록 고안된 선형모델로, 주곡선(Primary Curve)과 주기곡선(Cyclic Curve)을 근간으로 하고 다섯 가지 제하/재하 규칙을 적용하여 핀칭 및 강성저하를 수반하는 주기거동을 나타낸다. 본 연구에서는 다양한 실험과의 비교를 통하여 제안된 이력모델의 정확성과 유효성을 검증하였다. 제안된 이력모델은 간단하면서도 수치해석의 적용에 용이하므로, 정적 및 동적 비선형 해석/설계 프로그램의 개발에 사용할 수 있다

본 연구에서는 할선강성을 사용하여 반복계산을 수행하는 새로운 내진설계법을 개발하였다. 개발한 설계법은 탄성해석을 수행하므로 수치해석의 안정성과 용이성을 갖추고 있으며, 동시에 반복계산으로 구조물의 비탄성 거동을 해석할 수 있으므로 각 부재의 강도 및 연성 요구량을 정확히 예측할 수 있다. 본 연구에서는 제안된 설계법의 절차를 정립하였고, 이를 고려한 컴퓨터 해석/설계 프로그램을 개발하였다. 또한, 제안된 설계법을 사용한 설계예제를 제시하였고, 탄성 혹은 비탄성 해석을 이용한 기존 설계법과의 비교를 통하여 그 장점을 검증하였다. 해석과 설계를 통합적으로 수행하는 제안된 설계법은 설계자의 의도에 따라 부재의 강도 및 연성능력, 강기둥-약보 등과 같은 내진설계전략을 효과적으로 구현할 수 있으며, 초기설계단계에서 각 부재의 크기만이 가정된 구조물에 대하여 반복계산을 수행함으로써 주어진 설계전략을 만족하는 비탄성 강도 및 연성 요구량을 직접적으로 계산할 수 있으므로, 경제적이고 안전한 내진설계가 가능하다.

기존의 비선형 정적 및 동적 해석에서는 철근콘크리트 구조물의 에너지 소산능력을 정확히 고려하지 못하고 있다. 최근 연구에서는 휨지배 철근콘크리트 부재의 에너지 소산능력을 정확히 평가할 수 있는 식이 개발되었으며, 본 연구에서는 이 평가방법을 이용하여 에너지 소산능력을 정확히 고려할 수 있는 비선형 정적 및 동적 해석 방법을 개발하였다. 비선형 정적 해석을 위하여 에너지 스펙트럼 곡선을 개발하고 이를 적용하여 능력스펙트럼법을 개선하였으며, 또한 비선형 동적 해석을 위하여 철근콘크리트 부재의 단순화된 에너지 기초 주기거동모델을 개발하였다. 제안된 모델은 부재의 강성에 기초한 기존의 주기거동모델과는 달리 완전한 주기거동 발생시 소산되는 에너지를 정확하게 반영할 수 있다. 본 연구에서는 제안된 방법에 따라 비선형 정적 및 동적 해석법의 절차를 정립하였으며 이를 적용한 컴퓨터 해석 프로그램을 개발하였다. 제안된 해석 방법은 부재의 단면형태, 철근비, 배근형태 등 설계 변수에 따른 에너지 소산능력을 정확하게 고려하고 지진발생시 에너지 소산능력이 구조물의 성능에 미치는 효과를 반영할 수 있다.

최근 능력스펙트럼법, 직접변위기초설계법 등과 같은 성능에 기초한 내진 평가/설계법이 개발되어 사용되고 있다. 이들 방법은 구조물의 비선형 주기거동에 의한 에너지 소산능력을 고려함에 있어 부정확한 경험식에 의존하는 한계를 보이고 있다. 한편, 최근 연구에서 휨지배 철근콘크리트 부재에 대하여 여러 설계변수의 영향을 고려하여 주기거동에 의한 에너지 소산능력을 정확히 평가할 수 있는 방법이 개발되었다. 본 연구에서는 에너지 소산능력을 고려한 내진설계법에 대한 기초적인 연구로서, 최근 연구에서 개발된 에너지 소산능력 산정법을 이용한 철근콘크리트 전단벽 구조의 내진설계법을 개발하여, 기존의 내진설계법과 비교하였다. 제안된 설계법에서는 단면의 크기 및 형상, 축력, 철근비, 배근형태, 연성도 등과 같은 다양한 설계변수에 따른 에너지 소산능력의 변화를 정확히 고려하여 설계할 수 있다.