구조 비선형 지속시간 기반 강진 지속시간 지표와 손상 연관성 연구

초록

본 논문은 지진 발생 시 구조물이 비선형 거동을 보이는 총 시간을 강진 지속시간의 새로운 정의로 제시한다. 스펙트럼 매칭 기법으로 진동의 진폭·주파수 영향을 최소화한 4종 콘크리트 건물 모델에 적용해 구조 응답과 제안된 지속시간 지표 간 상관관계를 분석하였다. 기존 기록 기반·응답 기반 지속시간 정의와 비교했을 때 상관계수가 15~20% 향상됨을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 강진 지속시간을 “구조 비선형 지속시간”(Nonlinear Duration, NLD)이라는 응답 기반 지표로 재정의한다. 전통적인 기록 기반 지속시간은 지진 기록의 피크-피크 시간이나 에너지 기준을 사용하지만, 구조물의 실제 손상 메커니즘을 반영하지 못한다. 반면 응답 기반 지속시간은 구조물의 최대 변위·가속도 등 특정 응답값이 일정 임계값 이하가 되는 시간을 측정하지만, 임계값 설정에 따라 결과가 크게 달라지는 단점이 있다. 본 논문은 이러한 한계를 극복하기 위해 구조가 비선형 거동(예: 재료 비선형, 플라스틱 힌지 개입)으로 전환된 순간부터 다시 선형 복구될 때까지의 총 시간을 NLD로 정의한다. 이는 구조물의 손상 축적과 직접적인 연관성을 갖는다.

스펙트럼 매칭 절차는 동일한 5% 감쇠비와 목표 스펙트럼을 갖는 여러 지진 기록을 변형시켜, 진동의 진폭·주파수 스펙트럼을 동일하게 만든다. 이렇게 하면 구조 응답 변동성이 진동의 스펙트럼 특성에 의해 좌우되는 것을 최소화하고, NLD와 구조 손상 사이의 순수한 상관관계를 도출할 수 있다. 연구에서는 4가지 전형적인 콘크리트 건물 시스템(저층, 중층, 고층, 그리고 비대칭 배치)을 선정하고, 각 시스템에 대해 30개의 매칭된 기록을 적용하였다. 구조 모델은 비선형 정적·동적 해석을 통해 플라스틱 힌지와 콘크리트 압축 파괴 모델을 포함했으며, 비선형 지속시간은 구조물의 힌지 회전이 허용 한계를 초과한 구간을 합산하여 계산하였다.

상관 분석 결과, NLD와 구조물의 최대 플라스틱 힌지 회전, 누적 에너지 소산, 그리고 손상 지표(Damage Index) 사이의 피어슨 상관계수는 기존 기록 기반 지속시간(피크-피크) 대비 평균 0.15~0.20 정도 높은 값을 보였다. 특히 고층 건물에서는 NLD와 손상 지표 간 상관계수가 0.78로, 기존 방법(0.62)보다 현저히 개선되었다. 이는 고층 구조가 장기간 비선형 거동을 유지할수록 손상이 급격히 진행된다는 물리적 해석과 일치한다. 또한, NLD는 진동의 진폭이 동일할 때도 주파수 특성에 따라 비선형 지속시간이 달라지는 현상을 포착한다는 점에서 기존 지표보다 민감도가 높다.

한계점으로는 비선형 지속시간을 정의하기 위한 비선형 임계값(예: 힌지 회전 0.02 rad)의 선택이 모델에 따라 달라질 수 있다는 점이다. 또한, 스펙트럼 매칭이 실제 지진 기록의 비선형 특성을 완전히 보존하지 못할 가능성도 존재한다. 향후 연구에서는 다양한 재료 모델과 다중 손상 메커니즘(예: 기둥 파괴, 연결부 파괴)을 포함한 복합 구조에 적용하고, 실험적 검증을 통해 NLD의 일반성을 확대할 필요가 있다.