중부 이탈리아 2016년 지진에서 인필드 강철 프레임의 내진 성능

초록

본 논문은 2016년 8월 발생한 중앙 이탈리아 지진으로 심각한 손상을 입은 아마트리체의 인필드 모멘트 저항 강철 프레임 건물을 대상으로, 비어 있는 프레임과 석조 인필드가 포함된 프레임의 3차원 비선형 거동을 OpenSees로 모델링하고 정·동적 비선형 해석을 수행하였다. 인필드는 대각선 스트럿으로 이상화하고 히스테리시스 거동을 부여했으며, 결과는 인필드가 전단 강성을 크게 증가시켜 초기에 변형을 억제하지만, 비선형 단계에서 인필드 파손이 발생하면 구조 전체의 손상이 급격히 확대됨을 보여준다. 해석 결과는 현장 조사와 일치하여 인필드가 구조 거동에 미치는 양면성을 강조한다.

상세 분석

본 연구는 2016년 8월 중앙 이탈리아 지진으로 파괴적 손상을 입은 아마트리체 소재 3차원(3D) 철골 모멘트 저항 프레임을 대상으로, 석조 인필드가 구조의 내진 성능에 미치는 영향을 정량적으로 평가한다. 모델링 단계에서 기둥·보는 비선형 힌지 모델을 적용했으며, 이는 플라스틱 힌지의 전단·굽힘 비선형성을 동시에 포착한다. 인필드는 전통적인 등가 스프링 방식 대신 대각선 스트럿(대각선 보강재)으로 이상화했으며, 각 스트럿에 비선형 히스테리시스 규칙(압축·인장 전단 강성 차이와 파괴 시점)을 부여해 실제 인필드의 파괴 메커니즘을 재현한다.

정적 P‑Δ 해석에서는 인필드가 없는 ‘베어 프레임’과 인필드가 포함된 ‘인필드 프레임’ 두 경우를 비교하였다. 인필드 프레임은 초기 단계에서 전단 강성이 크게 증가해 전단 변형이 억제되고, 기둥·보의 휨곡률이 감소한다는 결과가 도출되었다. 그러나 인필드가 파괴되는 임계 전단력에 도달하면, 급격한 강성 저하와 함께 인필드 주변 부재에 집중된 응력이 발생, 결국 기둥‑보 연결부의 플라스틱 힌지가 급속히 활성화된다.

동적 해석에서는 실제 지진 기록(2016년 8월 Mw 6.2 지진)을 입력으로 사용했으며, 시간 이력 해석 결과는 인필드가 초기 진동 에너지를 흡수해 구조의 최대 변위와 절대 가속도를 감소시키는 반면, 인필드 파손 후에는 비선형 진동이 확대돼 구조 전체의 손상이 급격히 진행됨을 보여준다. 특히, 인필드가 파괴된 후 발생하는 ‘인필드‑프레임 상호 작용’은 전통적인 설계 가정(인필드가 단순히 강성을 추가한다는 가정)과 크게 다르며, 설계 단계에서 인필드의 비선형 파괴 메커니즘을 고려해야 함을 시사한다.

해석 결과는 현장 조사에서 관찰된 파손 패턴(기둥‑보 연결부 전단 파손, 인필드 파열 및 벽체 탈락)과 일치한다. 이는 모델링 접근법이 실제 구조 거동을 충분히 재현함을 의미한다. 연구는 인필드가 초기 강성 보강 효과와 동시에 파괴 시 급격한 강성 손실을 초래하는 이중적 역할을 수행한다는 점을 강조하며, 설계·보강 시 인필드의 비선형 히스테리시스 특성을 명시적으로 반영할 필요성을 제시한다.