벽식구조물의 효율적인 연직진동해석

Abstract

현재 국내에서는 벽과 바닥판만으로 이루어진 벽식 구조형식의 아파트 건물이 많이 건설되고 있다. 아파트와 같은 주거구조물에서는 다양한 진동원에 의하여 진동이 발생하고 이러한 진동은 벽과 바닥판을 통하여 이웃한 세대 및 위, 아래층 세대로 전달되게 된다. 벽식구조물의 진동해석을 정확하게 수행하기 위해서는 벽과 바닥판을 많은 수의 유한요소로 세분한 모델을 사용하는 것이 필요하다. 그러나 아파트와 같은 벽식구조물 전체를 수많은 유한요소로 세분하여 모형화하면 막대한 해석시간과 컴퓨터 메모리가 필요하게 된다. 따라서 본 연구에서는 상당히 줄어든 해석시간과 컴퓨터 메모리를 사용하여 정확한 해석결과를 얻기 위하여 행렬응축기법으로 벽과 바닥판에 수직인 자유도만 가지는 효율적인 진동해석 모델을 제안한다. 벽식구조물에서 벽과 바닥에 수직인 자유도만을 남기고 나머지 자유도를 행렬응축기법을 통하여 한꺼번에 소거를 한다면 행렬응축과정에서 상당히 많은 양의 시간이 소요된다. 따라서 본 연구에서는 벽이나 바닥판에 수직인 자유도만을 가진 수퍼요소를 생성한 후 이를 조합하여 한 층을 나타내는 부분구조를 만들고 최종적으로 부분구조를 조합하여 전체 구조물을 구성하는 모형화 기법을 제안하였다. 제안된 해석기법의 정확성과 효율성을 검증하기 위하여 3층 및 5층의 벽식구조물을 예제구조물로 사용하여 동적해석을 수행하였다. 예제해석 결과 제안된 해석방법의 결과는 절점당 6개의 자유도를 모두 사용한 해석모델의 결과와 비슷한 정확성을 보이면서도 소요되는 해석시간과 컴퓨터 메모리를 대폭 줄일 수 있었다. Recently, many high-rise apartment buildings using the box system, composed of only reinforced concrete walls and slabs, have been constructed. In residential buildings such as apartments, vibrations occur from various sources and these vibrations transfer to neighboring residential units through walls and slabs. It is necessary to use a refined finite element model for an accurate vibration analysis of shear wall building structures. But it would take significant amount of computational time and memory if the entire building structure were subdivided into a finer mesh. Therefore, an efficient analytical method, which has only translational DOFs perpendicular to walls or slabs by the matrix condensation technique, is proposed in this study to obtain accurate results in significantly reduced computational time. If all of the DOFs except those perpendicular to walls or slabs in the shear wall structure eliminated using the matrix condensation technique at a time, the computational time for the matrix condensation would be significant. Thus, the modeling technique using super elements and substructuring technique is proposed to reduce the computational time for the matrix condensation. Dynamic analysis of 3-story and 5-story shear wall example structures were performed to verify the efficiency and accuracy of the proposed method. It was confirmed that the proposed method can provide the results with outstanding accuracy requiring significantly reduced computational time and memory.