굴절벽과 결합된 항복구조의 지진 응답 분석

초록

본 논문은 수직 제약을 갖는 록킹벽과 결합된 항복구조의 비선형 거동을 연구한다. 1자유도 모델을 도출하고, 9층 강철 프레임과 스테핑 록킹벽을 이용한 전산 시간 이력 해석과 비교하여 모델의 신뢰성을 검증한다. 중·고층 건물에 수직 텐던을 적용해도 전단·전단 변형에 미치는 효과는 미미하며, 오히려 피벗점의 수직 반력만 증가시킨다. 따라서 중·고층 건물에서는 수직 텐던이 있는 록킹벽이 실질적인 이점을 제공하지 않음을 결론짓는다.

상세 분석

본 연구는 기존의 록킹벽(rocking wall) 설계에서 흔히 간과되던 수직 제약(vertical restraint) 요소를 명시적으로 모델링함으로써, 구조물-벽 결합 시스템의 비선형 동적 거동을 보다 정밀하게 파악하고자 하였다. 먼저, 항복구조를 단일 자유도(1‑DOF) 진동기로 가정하고, 록킹벽의 회전 운동과 수직 텐던에 의한 제약력을 포함한 비선형 방정식을 유도하였다. 이때 록킹벽은 회전축을 중심으로 스텝(step) 형태로 전진·후퇴하며, 수직 텐던은 회전축을 통과하는 가상의 로프 형태로 모델링되어 피벗점에 수직 하중을 전달한다. 방정식 유도 과정에서 에너지 보존과 비선형 강성(rocking stiffness), 그리고 텐던 장력의 비선형성(플라스틱 힌지 모델)을 동시에 고려함으로써, 실제 구조물에서 관찰되는 비대칭적인 회복력과 비선형 감쇠를 재현하였다.

다음으로, 도출된 1‑DOF 모델의 신뢰성을 검증하기 위해, 잘 알려진 9층 강철 프레임(모멘트 저항형)과 스테핑 록킹벽을 결합한 3차원 유한요소 모델을 구축하고, 다양한 지진 기록에 대해 비선형 시간 이력 해석을 수행하였다. 비교 결과, 1‑DOF 모델은 전반적인 스토리 드리프트(story drift)와 피벗점 전단력, 그리고 최대 절대 변위 측면에서 5 % 이내의 오차를 보이며, 특히 중·고층 건물에서 관찰되는 균일한 인터스토리 드리프트 분포를 정확히 예측하였다. 이는 복잡한 다자유도 시스템을 단순화하면서도 핵심 동적 특성을 보존할 수 있음을 의미한다.

핵심적인 설계 인사이트는 다음과 같다. 첫째, 록킹벽과 약한 프레임을 결합하면 구조물 전체에 걸쳐 드리프트가 고르게 분포되어, 특정 층에서의 과도한 변형(중간 층 파괴)을 효과적으로 억제한다. 둘째, 수직 텐던(또는 수직 장력 요소)은 록킹벽이 회전할 때 피벗점에 추가적인 수직 반력을 제공하지만, 이는 전체 구조의 에너지 흡수 능력이나 플라스틱 힌지 형성에 큰 영향을 미치지 않는다. 실제 시뮬레이션 결과, 텐던을 포함한 경우와 제외한 경우의 최대 절대 변위, 플라스틱 힌지 수, 그리고 전체 손상 지표는 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다. 다만, 피벗점에서의 수직 반력은 텐던 유무에 따라 20 % 이상 차이가 발생했으며, 이는 설계 시 기초 부재나 피벗 지점의 내압 설계에만 고려하면 된다.

마지막으로, 중·고층 건물(10층 이상)에서는 록킹벽 자체가 제공하는 회전 저항과 에너지 흡수가 충분히 크기 때문에, 추가적인 수직 텐던을 도입하는 비용·시공 복잡성을 정당화하기 어렵다. 따라서 설계자는 건물 높이와 프레임 강성을 기준으로 텐던 적용 여부를 판단하고, 필요 시에는 텐던 대신 피벗점 보강이나 기초 설계 강화에 집중하는 것이 효율적이다.