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EARTHQUAKE
PERFORMANCE BASED SEISMIC DESIGN
Sungkyunkwan University
EVE Laboratory
Earthquake and Vibration Engineering Lab.
1989 LOMA PRIETA 1994 NORTHRIDGE 1995 KOBE 1999 TURKEY 1999 TAIWAN
New Experience with an Urban Earthquake
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EARTHQUAKE
PERFORMANCE BASED SEISMIC DESIGN
Sungkyunkwan University
EVE Laboratory
• 1994 NORTHRIDGE, 60 , : 300
• 1995 KOBE, 6000 , : 1500
• 성능에 기초한 내진설계 원리를 실제 건축구조물에 적용
• 능력스펙트럼법 원리를 적용한 건축물의 내진성능평가 방법 소개
• 건축구조물의 비선형 지진응답 분석을 통한 파괴 메카니즘의 이해
• 3차원 비선형 정적 및 동적해석 유한요소 프로그램
SAP2000 Nonlinear Version
• 능력스펙트럼법을 이용한 구조물의 내진성능평가 기술 탑재
• ATC-40, FEMA-273 설계기준 원리에 의한 비선형 해석 과정
“ SAP 2000 Nonlinear Version ”
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EARTHQUAKE
PERFORMANCE BASED SEISMIC DESIGN
Sungkyunkwan University
EVE Laboratory
SEAOC Vision 20001995. 04. 03
SEAOC Vision 20001995. 04. 03
ATC-401996. 01
ATC-401996. 01
FEMA-273, 2741997. 10
FEMA-273, 2741997. 10
SEAOC Bluebook1999 7th Edition
SEAOC Bluebook1999 7th Edition
IBC 20002000. 08
IBC 20002000. 08
한국지진공학회 내진성능기준 ( 1997.12 )
한국지진공학회 내진성능기준 ( 1997.12 )
UBC-97( 1997.04 )
UBC-97( 1997.04 )
건축기준법 제정1998. 06. 12
건축기준법 제정1998. 06. 12
U.S.A
KOREA
JAPANNZS 3101
Concrete code 1995 -
NZS 3101Concrete code 1995 -
NEW ZEALAND
다단계 성능기준
• 3가지 내진성능목표 (성능등급)
• 2가지 성능수준
• 6단계 설계지반운동수준
• Analysis : LSP, LDP • Analysis : LSP, LDP, NSP, NDP
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EARTHQUAKE
PERFORMANCE BASED SEISMIC DESIGN
Sungkyunkwan University
EVE Laboratory
• Matrix of Performance Objective (FEMA-273)
여러 단계의 지반운동수준에 대하여 일련의 성능목표를 달성하도록 설계
- 중요도에 따라 3가지 내진등급으로 구분 ( 내진2등급, 1등급, 특등급 )
- 2가지 성능수준의 구분 ( 기능수행수준, 붕괴방지수준 )
- 평균재현주기에 따른 6단계 설계지반운동수준
• 내진성능기준 : 한국지진공학회 (1997.12)
Des
ign
Proc
edur
e
Select Performance ObjectiveSelect Performance Objective
Establish Site Suitabilityand Desogn Ground Motions
Establish Site Suitabilityand Desogn Ground Motions
Conceptual Design :Select Structural and Nonstructural
System, Configuration andYield Mechanism
Conceptual Design :Select Structural and Nonstructural
System, Configuration andYield Mechanism
Verificationof Conceptual
Design
Verificationof Conceptual
Design
Preliminary DesignPreliminary Design
YES
Verificationof Preliminary
Design
Verificationof Preliminary
Design
YES
Final DesignFinal Design
Verificationof FianlDesign
Verificationof FianlDesign
Design ReviewDesign Review
YES
Quality AssuranceDuring Construction
Quality AssuranceDuring Construction
Building Maintenanceand Function
Building Maintenanceand Function
NO
NO
NO
DDBDEDBD
• STEP-1
• STEP-2
DCMEDM
• STEP-3
CSM
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EARTHQUAKE
PERFORMANCE BASED SEISMIC DESIGN
Sungkyunkwan University
EVE Laboratory
Spec
tral
Acc
eler
atio
n ( g
)
aC
aC.52
0T
TCv
통제주기
sT.T 20=0
sT Period (sec)
avs C./CT 52=
0 5 10 15 20 25 30spectral displacement ( cm )
0.0
0.2
0.4
0.6
spec
tral
acc
eler
atio
n ( g
)
Soil = SASoil = SBSoil = SCSoil = SDSoil = SE
T=0.5 sec T=1.0 sec
T=1.5 secT=2.0 sec
표준 설계응답스펙트럼 (UBC-97)
• 내진성능목표에 근거한 설계지진계수의 평가 (지진구역 I )
0.126
0.2240.308
ad STS 2
2
4π=
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EARTHQUAKE
PERFORMANCE BASED SEISMIC DESIGN
Sungkyunkwan University
EVE Laboratory
CEQQ
∆orθ
b
A
B C
D E
1.0
c
a
철근콘크리트 부재의 이력모델 (ATC-40)
CEQQ
∆orθ
b
A
B C
D E
1.0
c
a
철골 부재의 이력모델 (FEMA-273)
• 구조물의 항복이후의 거동을 가장 효과적으로
반영할 수 있는 해석방법 “ 소성힌지법 ”
• 성능에 기초한 내진설계에서 구조물의 비선형 거동을
파악할 수 가장 일반적인 해석법
• 구조물의 내진성능평가에 대한 효과적인 수단
• 구조물의 성능수준(performance level)평가 수단
• 부재에 대한 이력특성의 정의
• 반복하중을 받는 부재 이력특성 이상화 • 이력특성을 반영하는 모델 이상화 과정
• 단면 특성에 따른 변수값 제시
• 재료별 이상화된 이력모델 제시
ATC-40, FEMA-273 기준
• 비선형 정적해석에 의한 구조물 특성
• 실무에서 엔지니어들이 쉽게 적용
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EARTHQUAKE
PERFORMANCE BASED SEISMIC DESIGN
Sungkyunkwan University
EVE Laboratory
0 5 10 15 20 25 30Time ( sec )
-0.30
-0.15
0.00
0.15
0.30
Acc
eler
atio
n (
g )
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Tn, (sec)
Sa, (
g)
0 1 2 3 4 5Period ( sec )
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Spec
tral
acc
eler
atio
n ( g
)
Response SpectrumDesign Response Spectrum
(1) 고려되는 지반특성과 유사한 3개 가속도 시간이력의 최대응답
(2) 고려되는 지반특성과 유사한 7개 가속도 시간이력의 평균응답
(3) 성능목표에 대한 응답스펙트럼과 잘 부합하는 인공가속도 시간이력 응답
부지 특성과 재현주기에 부합하는 지진하중
Response Spectrum Data Acceleration Time History Data
• 재현주기 1000년 붕괴방지수준
• SD 지반 수준
( Ca=0.224, Cv=0.322 )
PureBending
Joint j
Joint i
Axial Shear
dj2
LEAKa =
eGAK W
S =3
12eEIK b
b =
• Experiment Test • Dynamic Analysis
성능수준에 부합하는 지진하중
부재의 비선형
스프링 강성 평가
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Sungkyunkwan University
EVE Laboratory
PushoverAnalysis
Capacity Spectrum
dS
aS
SDOF System
roof∆
roof∆
Capacity Curve
MDOF System
transform
F
baseV
baseV
Demand Spectrum
n,2T
a2
2n
d S4TSπ
=
n,1T
nTdS
aSaS
Response Spectrum
transform
5% ElasticSpectrum Performance Point
Demand Spectrum
Capacity Spectrum
aS
dSmaxD
maxA
• 능력곡선(capacity curve)과 능력스펙트럼(capacity spectrum) • 요구스펙트럼(demand spectrum)
• 성능점(performance point) 의 산정
• 구조물의 저항능력(capacity)과 지진하중에 대한 요구수준(demand) 비교
• 발생 가능한 지진하중에 대한 구조물 내진성능과 성능수준을 합리적으로 평가
• 성능수준에 따른 시스템의 설계 거동 한계
SEAOC Vision 2000
• SEISMIC EQUATION
SEISMICDEMAND
SEISMICCAPACITY >
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EVE Laboratory3차원 해석모델-SAP2000
• TYPICAL FLOOR PLAN • TYPICAL DESIGN LOAD
• SEISMIC ANALYSIS METHOD
33 STORYSTEEL BUILDING
1st Mode=4.95 sec
2nd Mode=2.22 sec
3rd Mode=1.99 sec
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EARTHQUAKE
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EVE Laboratory
• Spectrum Data• Gravity Load Data • Time History Data • Load Combination Data
• 선형 지진해석에 의한 밑면전단력 비교
RESPONSES OF CASE-2 : D.L+L.L+E(X)/1.5
Displacement Shear Force Moment
Seismic Energy
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EARTHQUAKE
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Sungkyunkwan University
EVE Laboratory
• 부재의 비선형 이력특성 정의를 위한 항복모멘트와 회전각의 산정
비선형 해석을위한부재 이력특성 개념
PureBending
Joint j
Joint i
Axial Shear
dj2
LEAKa =
eGAK W
S =3
12eEIK b
b =
• Plastic Hinge
M3 : BEAM
• Plastic Hinge
P-M2,M3 : COLUMN
• Nonlinear
Time History Analysis
부재 이력특성 입력 정보
DisplacementControl
항복모멘트
항복회전각
항복회전각
항복축력
항복모멘트
비선형 부재 특성
• Modeling Parameters and Acceptance Criteria
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EARTHQUAKE
PERFORMANCE BASED SEISMIC DESIGN
Sungkyunkwan University
EVE Laboratory
• Displacement • Shear Force • Moment • Hysteretic Diagram
• Pushover Analysis 해석과정
• 층 지진하중 산정 If T > 2.0 sec, k=2.0
건물 높이의 4%에 해당하는 변위를 초기 목표변위로 설정 구조물의 붕괴방지수준에 해당
• Displacement Control
VhW
hWF n
i
kii
kxx
x )(
1∑=
=
입력에 대한 정보Displacement Control
최상층 변위
• Pushover Analysis
층 지진하중 입력
Pushover Step Control
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EARTHQUAKE
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• Capacity Curve : Dir.-X
48 cm
210 ton
68 cm
1600 ton
• Capacity Curve : Dir.-YCASE-2 : D.L+L.L+E(X)/1.5
• 기둥 강축의 위치와 가새 등의 영향으로 X 방향에서 비선형 거동 집중
Plastic Hinge Formation
B-Yield
IO Step
LS StepCP Step
E-Collapse
B-Yield
IO LS CP
A
BC
D E
Force
Deformation
Pushover Hinge
Yield Point
Initial Failure
Collapse
IO-즉시거주 LS-인명안전 CP-붕괴방지4-STEP 22-STEP
전단력도 모멘트도
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EARTHQUAKE
PERFORMANCE BASED SEISMIC DESIGN
Sungkyunkwan University
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• Performance Point : EQ-1 Low Level Earthquake
Performance Point
Effective Damping
Low Level EQ.
Damping Ratios
Performance Limits
MDOF System
SDOF System
Inelastic Period= 5.607 sec
Elastic Period= 4.955 sec
Effective Periods
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EARTHQUAKE
PERFORMANCE BASED SEISMIC DESIGN
Sungkyunkwan University
EVE Laboratory
Effective stiffnessat displacement, d
StructuralStability level
Collapse
D
V
Tot
al L
ater
al S
hear
For
ce
Lateral Displacement at Roofd
Increasing earthquake demand
Damage Control Limited Safety
Life Safetylevel
Linearelasticrange
ImmediateOccupancy level
재현주기별 지진하중-1
재현주기별 지진하중-2
Performance Point
• Performance Point : EQ-2 Moderate Level EQ.
Effective PeriodPerformance Limits
5.925 sec
Performance Limits Effective Period
6.589 sec
Evaluation of Seismic Performance and Level
• Performance Point : EQ-3 High Level EQ.
EQ-2 EQ-3
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EARTHQUAKE
PERFORMANCE BASED SEISMIC DESIGN
Sungkyunkwan University
EVE Laboratory
성능에 기초한 내진설계의 가장 핵심적인 분야
구조물의 내진성능 및 성능수준 평가에 매우 효과적인 해석방법
• ATC-40, FEMA-273 기준은 비선형 지진해석을 위하여
Engineer 에게 효율적인 방법론을 제시
• 우리나라에서도 성능에 기초한 내진설계가 반드시 건축구조 실무에 적용되고
기존건축물에 대한 내진성능평가가 이루어져야 된다고 판단
• 명확한 내진설계 개념에 의한 구조물의 예측 가능한 성능 파악
• 구조재, 비구조재 설계와 시공기간 중 품질 보증, 지속적 관리
• 불확실성에 대한 원인규명과 설계의 신뢰성과 위험도를 정량화
• 비선형 지진해석 (Nonlinear Seismic Analysis) …..
• 구조기술자의 실력 향상 및 기술수준의 고도화, 경제 산업사회에 대한 적응성이 요구