ASCE 7 16과 ASCE 7 10 SSI 규정 비교 평가

초록

본 연구는 ASCE 7‑16의 토양‑구조 상호작용(SSI) 규정이 건물의 내진 성능에 미치는 영향을 ASCE 7‑10과 비교한다. 확률적 분석을 통해 다양한 구조·지반 조합에서 SSI 적용 시 전단력 감소와 연성 요구량 변화를 평가했으며, 특히 연성 요구량이 증가할 확률을 주요 성능 지표로 사용하였다. 결과는 중·연질 토양 위의 표면 기초 구조는 고정‑기초 설계보다 큰 변형을 보이지만, 연약 토양에 매립형 기초를 가진 경우 ASCE 7‑16 규정이 보다 보수적인 설계를 제공함을 보여준다.

상세 분석

본 논문은 ASCE 7‑16이 처음으로 비선형(수율) 구조에 대한 SSI 효과를 정량화한다는 점에 주목한다. 기존 ASCE 7‑10은 SSI를 주로 유연한 구조에 대한 ‘이득(effect)’으로 해석해 설계 기본 전단력을 감소시키는 방식으로 적용했으며, 이는 비선형 거동을 충분히 반영하지 못한다는 비판이 있었다. 연구자는 이러한 한계를 극복하고자, 확률론적 프레임워크 내에서 지진 입력, 토양‑구조 시스템 파라미터(지반 강성, 기초 형태, 구조 질량·감쇠 등)의 불확실성을 모두 고려하였다.

분석 대상은 30종 이상의 구조 모델(높이·스톡스 비, 기초 유형, 지반 조건)이며, 각각에 대해 고정‑기초 설계와 SSI 적용 설계를 비교하였다. 성능 지표는 ‘연성 요구량(ductility demand)’이며, SSI 적용 시 연성 요구량이 증가할 확률(P_inc)을 계산하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

1. 표면 기초·중·연질 토양: SSI 적용 시 고정‑기초 설계보다 전단력 감소 효과가 크지만, 비선형 거동을 고려하면 연성 요구량이 오히려 증가한다. 이는 토양‑구조 시스템의 추가 자유도가 구조에 더 큰 변형을 유발하기 때문이다.

2. 짧고 강성 높은 구조·연약 토양: ASCE 7‑10과 ASCE 7‑16 모두 연성 요구량 증가 위험이 크지만, ASCE 7‑16은 비선형 효과를 반영해 설계 전단력을 다소 보수적으로 조정한다. 따라서 두 규정 간 차이는 작으며, 고정‑기초 설계와 비교했을 때 여전히 높은 변형 위험을 내포한다.

3. 매립형 기초·중·연질 토양: 매립형 기초는 토양과의 상호작용을 크게 완화시켜, SSI 효과가 제한적이다. ASCE 7‑16은 이러한 경우에 고정‑기초 설계와 거의 동일한 전단력을 제시하며, 연성 요구량 증가 확률도 크게 감소한다.

4. 극연약 토양: 매우 연약한 토양에서는 SSI 효과가 과도하게 설계 전단력을 낮추는 위험이 있다. ASCE 7‑16은 이러한 과소평가를 방지하기 위해 보수적인 계수를 도입했으며, 결과적으로 고정‑기초 설계와 비교해 연성 요구량이 감소하거나 최소한 동일한 수준을 유지한다.

이러한 결과는 SSI를 ‘이득’으로만 보는 전통적 관점이 비선형 구조에 적용될 때 한계가 있음을 재확인한다. 특히, 설계자는 구조의 강성·질량 비와 토양 조건을 종합적으로 평가해 SSI 규정을 선택해야 하며, 필요 시 추가 비선형 시간역학 해석을 통해 설계 검증을 수행해야 한다.