제어된 록킹을 이용한 토구조 시스템 성능 향상

초록

본 연구는 비선형 탄성‑완전소성 거동을 갖는 기초 토양을 유한요소 모델링하여 얕은 기초의 제어된 록킹이 고층 건물의 지진 응답에 미치는 영향을 평가한다. 다양한 강성의 토양과 건물 형상에 대한 파라미터 스터디를 수행한 결과, 연약한 토양 위에서는 회전 동작을 통해 입력 에너지의 상당 부분이 소산되어 구조물의 전단 변형 및 손상이 크게 감소함을 확인하였다.

상세 분석

본 논문은 지진 하중에 의해 얕은 기초가 상승하거나 부분적으로 분리되는 현상을 의도적으로 활용하는 ‘제어된 록킹(Controlled Rocking)’ 개념을 토지공학 설계에 도입하고자 한다. 이를 위해 연구자는 2차원 및 3차원 유한요소 모델을 구축하고, 기초 토양을 비선형 탄성‑완전소성(Elastic‑Perfectly Plastic) 재료 모델로 정의하였다. 비선형 거동을 채택함으로써 실제 현장에서 관찰되는 토양의 강도 감소와 플라스틱 전단 파괴를 정량적으로 재현할 수 있었다.

파라미터 스터디에서는 토양 전단강성(E) 값을 10 MPa부터 100 MPa까지 10단계로 변동시키고, 건물 높이·질량·평면 강성 등을 변형시킨 고층 구조 3종(저층·중층·고층)을 적용하였다. 각 시뮬레이션은 실제 지진 기록(예: 1999 대만 지진, 2008 중국 쓰촨 지진)을 입력으로 사용했으며, 기초 회전각, 기초 상승량, 구조물 상부 절대 변위, 그리고 에너지 소산 비율을 주요 성능 지표로 채택하였다.

결과 분석에서 가장 두드러진 현상은 연약한 토양(E ≤ 30 MPa) 위에 설치된 고층 건물에서 기초가 약 0.5 ~ 2 도 범위 내에서 회전하면서, 입력 지진 에너지의 40 % ~ 60 %가 토양‑기초 플라스틱 전단 및 마찰 손실을 통해 소산된다는 점이다. 반면, 강성 토양(E ≥ 70 MPa)에서는 기초 상승이 제한되고 회전각이 작아 에너지 소산 효율이 15 % 이하로 감소한다. 또한, 건물의 질량이 클수록 회전각이 크게 발생해 에너지 소산 효과가 증대되지만, 동시에 기초의 상승량이 커져 기초 손상 위험도 증가한다는 트레이드오프가 존재한다.

이러한 결과는 기존의 ‘고정 기초(Fixed Base)’ 설계와 비교했을 때, 제어된 록킹을 적용한 경우 구조물 상부의 절대 변위가 평균 30 % 감소하고, 내진 설계 기준을 만족하기 위한 댐퍼나 추가 강성 보강재의 필요성이 크게 낮아진다는 실용적 이점을 제공한다. 또한, 비선형 토양 모델을 사용함으로써 기초‑토양 상호작용을 정밀히 포착할 수 있었으며, 설계 단계에서 파라미터 스터디를 통해 최적의 기초 강성·형상·토양 조건을 도출할 수 있는 근거를 제공한다.

본 연구는 제어된 록킹이 연약 토양 위 고층 건물의 내진 성능을 향상시키는 효과적인 전략임을 입증했으며, 향후 설계 코드에 PBD(Performance‑Based Design) 기반의 록킹 설계 지침을 포함시키는 방향을 제시한다.