근접단층 지진이 적용된 이란 표준 2800에 설계된 RC 모멘트 저항 프레임의 내진 거동 평가

초록

이 연구는 이란 표준 2800(4판)으로 설계된 4·8·12층 RC 모멘트 저항 프레임을 20개의 근접단층 충격파동에 대해 비선형 동적 시간 이력 해석(NDTH)으로 평가한다. 설계 스펙트럼(DBE)과 비교했을 때 모든 구조물이 ASCE 41‑13 기준의 Life‑Safety(L S) 수준을 충족하지 못하며, 일부는 Collapse‑Prevention(C P)조차 만족하지 못한다. 따라서 표준 2800에 도입된 N‑factor 보강이 근접단층 지진 효과를 충분히 반영하지 못함을 지적한다.

상세 분석

본 논문은 이란의 최신 내진 설계 규정인 표준 2800(4판)에서 제시된 N‑factor를 적용해 4·8·12층 규모의 2차원 RC 모멘트 저항 프레임(MRF)을 설계하고, 설계 단계에서 사용된 선형 등가 정적 힘법을 기반으로 한 구조물 모델을 비선형 섬유(section) 모델링으로 재구성하였다. 비선형 해석에는 콘크리트와 강재에 각각 Mander와 Menegotto‑Pinto 비선형 재료 모델을 적용했으며, Hilber‑α 통합법을 사용해 시간 이력 해석을 수행하였다.

근접단층 지진 특성을 반영하기 위해 SAC Steel 프로젝트에서 선정된 20개의 충격파동을 사용했으며, 각 기록은 설계 기반 지진(DBE) 스펙트럼에 맞추어 스케일링하였다. 특히 전진 직접성(Forward Directivity) 구역에서 발생하는 고진폭, 짧은 지속시간의 펄스형 가속·속도 기록을 포함시켜, 전통적인 원거리 지진과는 다른 동적 특성을 구조물에 부여하였다.

성능 평가 지표로는 전단·굴곡 플라스틱 힌지 회전량과 전층간 비선형 변위비(IDR)를 채택했으며, ASCE 41‑13 기준에 따라 Life‑Safety(L S)와 Collapse‑Prevention(C P) 수준을 검증하였다. 결과는 모든 층에서 IDR이 2 %~4 %를 초과하고, 특히 저층부에서 P‑Δ 효과에 의해 변위가 집중되는 현상이 두드러졌다. 플라스틱 힌지 회전량 역시 허용 한계를 넘어, 구조물 전반에 걸쳐 비선형 거동이 과도하게 발현되었다.

특히 12층 모델은 고층 구조물 특성상 장기 주기가 길어 N‑factor가 적용된 스펙트럼이 실제 충격파동의 에너지 집중을 충분히 반영하지 못했으며, 4층 모델조차 LS 수준을 만족하지 못했다. 이는 표준 2800이 제시하는 중·장주기 보강이 근접단층 지진의 펄스 효과와 높은 피크 지반 속도(PGV)를 충분히 고려하지 못함을 의미한다.

결론적으로, 현재 표준 2800의 N‑factor 보정만으로는 근접단층 지진에 대한 구조물의 내진 성능을 확보하기 어렵으며, 설계 단계에서 비선형 동적 해석을 통한 직접 검증이 필수적이다. 또한, 설계 기준에 P‑Δ 보강, 플라스틱 힌지 연속성, 그리고 고진폭 펄스에 대한 추가 감쇠·강성 보강이 요구된다.