지진구동 지속효과를 정량화하는 새로운 에너지‑사이클 기반 파라미터

초록

본 연구는 구조물의 비선형 사이클 수와 히스테리시스 에너지를 결합한 새로운 파라미터를 제안한다. 제안된 파라미터는 감쇠·손상된 RC 프레임의 동적 응답과 높은 상관성을 보이며, 지진구동의 지속 효과를 정밀히 예측하고, 지진파 선택 기준으로 활용될 수 있음을 실험적으로 입증한다.

상세 분석

본 논문은 기존에 사용되던 강진 지속시간·주기수와 비선형 사이클 수를 보완하기 위해, 구조물의 비선형 거동을 직접 반영하는 “에너지‑사이클 파라미터(ECP)”를 정의한다. ECP는 히스테리시스 에너지(구조물 내부에서 소산된 에너지)와 구조가 경험한 비선형 사이클 수(Nnl)를 곱한 형태이며, 단위는 에너지·사이클이다. 이 정의는 두 가지 물리적 의미를 동시에 담는다. 첫째, 히스테리시스 에너지는 변형·소산 정도를 직접 나타내어, 손상·강도 저하가 진행될수록 에너지 소산이 증가함을 반영한다. 둘째, 비선형 사이클 수는 구조가 실제로 비선형 구간에 머문 시간을 정량화하여, 단순한 시간 지속과는 차별화된 “활성” 지속성을 제공한다.

연구자는 여러 개의 저감·손상된 철근콘크리트(RC) 프레임 모델을 구축하고, 실제 기록된 지진파를 적용해 비선형 동적 해석을 수행하였다. 각 시뮬레이션에서 구조물의 최대 절점 변위, 내력 저하 비율, 그리고 손상 지표 등을 추출하고, 동시에 ECP 값을 계산하였다. 통계적 회귀 분석 결과, ECP와 구조물 응답(특히 최대 변위와 손상 지표) 사이의 결정계수(R²)는 0.92 이상으로, 기존 지속시간·주기수 기반 파라미터보다 현저히 높은 상관성을 보였다.

또한, 파라미터의 민감도 분석을 통해 히스테리시스 에너지와 비선형 사이클 수 각각이 응답에 미치는 기여도를 분리하였다. 결과는 손상이 진행될수록 히스테리시스 에너지의 비중이 급격히 증가하고, 초기 선형 구간에서는 비선형 사이클 수가 주된 영향을 미친다는 것을 보여준다. 이는 ECP가 구조물의 손상 진행 단계에 따라 자동으로 가중치를 조정한다는 장점을 의미한다.

마지막으로, 제안된 파라미터를 이용해 지진파 선택 기준을 설정하였다. 동일한 설계 기준을 만족하는 지진파 중, ECP 값이 높은 파동을 선택하면 구조물의 최악 상황을 보다 보수적으로 평가할 수 있다. 이는 설계·보강 단계에서 위험도 기반 선택을 가능하게 하며, 기존의 “지진파 평균 지속시간”이나 “주기수”만을 고려한 방법보다 실효성이 높다.

전반적으로, 이 연구는 구조물 비선형 거동을 정량화하는 새로운 지표를 제시함으로써, 지진공학에서 지속효과를 보다 정확히 반영할 수 있는 방법론적 전진을 이루었다. 향후 다양한 구조형식·재료에 대한 적용과, 실시간 모니터링 데이터와의 연계 연구가 기대된다.