1. 서 론

우리나라는 경제가 지속적으로 성장함에 따라 수도권 지역에 많은 인구가 밀집되는 현상이 발생하고 있다. 이러한 이유는 육상, 항공, 해상과 같은 교통 시설을 활용하기에 굉장히 편리하기 때문에 다양한 공업 지역이 집중되기 때문이다. 이러한 인구 밀집 현상으로 수도권 지역은 다양한 문제들이 발생하고 있으며, 그 문제점 중 하나가 바로 주거 및 주차 공간의 확보이다. 따라서 많은 사람들은 자신의 주거 및 주차 공간 확보를 위하여 1층에는 주차 공간을 확보하고 2층 이상부터는 주거시설로 활용 가능한 필로티 구조물을 선호하게 되었다. 하지만 필로티 구조물은 1층에 주차 공간을 확보하기 위하여 전체 구조물을 안전하게 지지할 수 있는 기둥 및 벽체가 함께 존재하는 형태가 아닌 구조물의 기둥이 돌출된 형태로 건설된다. 따라서 이러한 필로티 구조물의 기둥에 지진과 같은 하중이 작용할 경우 일반적인 구조물에 비해 상대적으로 큰 위험을 초래할 수 있다(Fig. 1 참고).

지진은 현재까지 세계적으로 심각한 피해를 입히고 있으며 지진의 발생 규모나 빈도가 급격히 증가하고 있는 추세이다. 우리나라와 비교적 가까운 국외의 경우 중국과 일본이 쓰촨성 대지진, 동일본 대지진으로 막대한 피해를 발생시켰다. 우리나라의 경우 지진 관측을 시작한 1978년부터 1998년까지는 불과 19.2회의 연평균 지진 발생 빈도를 나타냈지만, 1999년부터 현재까지 70회의 연평균 지진이 발생하는 것으로 나타났다(^{Hu, 2015}). 또한, 비교적 최근에 발생한 포항과 경주의 지진으로 심각한 인명 및 재산피해가 발생하였다. 따라서 우리나라는 더 이상 지진으로부터 안전한 국가라고 볼 수 없게 되었으며, 이러한 지진피해가 지속적으로 발생함에 따라 다양한 지진피해 저감 기술에 대한 연구를 수행하여 왔다(^{Hu, 2016}). 대표적인 지진피해 저감 기술에는 내진기술, 제진기술, 면진기술이 있으며, 구조물의 내진설계 및 내진보강 요건에 맞게 각각의 기술을 적용시킨다. 내진기술은 구조물의 강도를 증가시킴으로써 외부에서의 하중이 작용하더라도 저항하는 방식의 기술이며 제진기술은 구조물에 작용하는 외부 하중에 대하여 에너지 소산을 시킴으로써 구조물은 안전하게 보호하는 방식이다(^{Biswas and Vijayan, 1992}; ^{Kim et al., 2013}). 마지막으로 면진기술은 구조물과 지반을 격리함으로써 구조물에 전달되는 진동을 감소시키는 기술이다(^{Fujiwaka, 2004}). 이러한 면진기술의 장점은 내진기술과 같이 추가적인 강성이 요구되지 않으며 제진기술과 같이 별도의 제진장치를 요구하지 않는다(^{Kaloop and Hu, 2017}; ^{Ogiso et al., 2003}). 따라서 국내에서는 신규 구조물에 대한 내진설계 방식으로 각광을 받고 있으며 이에 대한 연구를 진행하고자 한다.

본 연구에서는 지속적으로 건설되고 있는 필로티 구조물이 지진으로부터 안전하게 대응하기 위한 내진설계 방식으로 면진기술을 적용하고자 한다. 이를 위하여 연구개발 중인 면진받침을 기존에 건설되어 있는 필로티 구조물에 대하여 적용하고 지진하중 작용시 구조물에 발생되는 영향을 분석하기 위하여 비선형 동적 해석을 수행한다(^{Chopra, 1995}). 또한 면진기술이 적용되지 않은 필로티 구조물을 비교·분석함으로써 연구개발 중인 면진받침에 대한 내진성능평가를 수행하고자 한다.

2. 구조 상세

2.1 Input Data

본 연구의 대상인 MPS 면진받침은 리히터 규모 7.0의 지진에 대응하기 위한 면진기술로 필로티 구조물의 비선형 동적 해석에 적용하기 위한 가속도를 선정하였다. 리히터 규모 7.0의 가속도를 선정하기 위하여 한국수력원자력에서 정의하고 있는 아래의 Eqs. (1) and (2)를 통해 규모 환산식을 적용하였다.

지진 규모 환산식을 적용한 결과 Table 1과 같이 각각의 지반 가속도와 규모를 확인할 수 있다. 본 연구에서 목표로 하는 리히터 규모 7.0은 약 0.35 g의 지반 가속도를 나타내며, 이를 최대 가속도로 선정하고 Fig. 2와 같이 El centro 지진파에 대한 치환 작업을 수행하였다. 추후 치환된 입력 지진파를 비선형 동적 해석에 적용하여 필로티 구조물에 대한 내진성능 평가를 수행한다(^{United States Atomic Energy Commission, 2014}).

2.2 필로티 구조물 설계상세

본 연구에서는 MPS 면진받침에 대한 내진성능 평가를 수행하기 위하여 실제 건설되어있는 필로티 구조물을 선정하여 비선형 동적 해석을 수행하고 면진받침 설치 유무에 따른 결과를 비교 및 분석하고자 한다. 먼저 필로티 구조물의 형상은 Fig. 3과 Fig. 4에서 나타내고 있다. 구조물의 전체 가로, 세로 크기는 8.5 m × 8.4 m이며, 총 높이는 27.5 m이다. 또한 필로티 구조를 형성하고 있는 기둥은 총 8개로 구성되어 있으며 주차시설 및 통행이 가능한 1층의 높이는 3.2 m, 주거시설이 존재하는 2~9층의 층간 높이는 2.7 m이다.

대상 구조물인 필로티 구조를 형성하고 있는 기둥의 짧은쪽 단면은 500 mm이며, 긴방향 단면 800 mm로 설정되어 있다. 또한 벽체의 두께는 200 mm로 동일하게 설정되어 있다.

2.3 수치해석

필로티 구조물의 해석조건을 기반으로 마이다스(^{MIDAS IT, 2020}) 프로그램을 활용하여 Fig. 5와 같이 모델링을 수행하였다. 각각의 크기 및 제원에 맞게 전반적인 모델링을 수행하였으며 계단과 같은 부분은 상세 모델링시 생략하였다. 경계조건은 Fix로 하여 구조물과 지반에 대한 조건을 고정시켰다(^{American Society of Civil Engineers, 2005}). 구조물에 활용되는 콘크리트는 KS 기준을 토대로 C30을 적용하였다. 또한 Fig. 2에서 선정한 입력 지진데이터를 MIDAS 프로그램에서 Fig. 6과 같이 적용하였으며 필로티 구조물의 비대칭성을 고려하여 X방향과 Y방향을 각각 검토하였다.

본 연구의 대상인 MPS 면진받침은 Fig. 7에서 나타내는바와 같으며 이를 필로티 구조물에 적용하고 내진성능 평가를 수행하기 위하여 대상 필로티 구조물의 기둥 상부에 강성값으로 구현하였다. MPS 면진받침의 주재료인 폴리우레탄은 지진 발생시 구조물과 지반을 격리 시켜 지진으로부터 구조물을 보호하도록 유연한 거동특성을 보인다(^{Treloar et al., 1975}). 이러한 MPS 면진받침의 유한요소해석을 통하여 직접적인 거동특성을 확인하였으며 폴리우레탄의 거동특성을 활용하여 대상 구조물의 조건에 맞도록 구조물의 전체 크기를 고려하여 면진받침을 강성값으로 구현하였다. 실제 적용된 MPS 면진받침의 강성값은 Table 2와 같다.

3. 해석결과 및 평가

대상 필로티 구조물의 해석을 수행한 결과 변위에 대한 해석결과는 Figs. 8 and 9에서 나타내고 있으며, 각각의 층에서 발생하는 변위 및 층간변위의 결과값은 Tables 3 and 4에서 확인할 수 있다. 먼저 MPS 면진받침 설치 유무에 따른 각각의 필로티 구조물의 최대 변위를 살펴보면 MPS 면진받침이 설치된 필로티 구조물에서 X방향으로 97 mm, Y방향으로 72 mm가 발생하는 것으로 나타났다. 또한 면진받침이 설치되지 않은 필로티 구조물에서는 X방향으로 69 mm, Y방향으로 23 mm가 발생하는 것으로 나타났다. 이를 통하여 지진하중 발생시 MPS 면진받침이 설치된 필로티 구조물에서 X 및 Y방향 모두 면진받침이 설치되지 않은 필로티 구조물에 비해 큰 변위가 발생하는 것을 알 수 있다. 하지만 이러한 이유는 지진하중이 필로티 구조물에 작용시 상대적인 변위가 크게 발생하는 것이 아닌 필로티 구조물 기둥과 2층 사이에 설치된 MPS 면진받침이 지진하중으로부터 필로티 구조물과 지반을 격리하여 나타나는 결과라고 볼 수 있다. 결과적으로 MPS 면진받침으로 인해 필로티 구조물에 전달되는 진동을 감소시킨다고 볼 수 있으며, 최대 변위보다 각각의 층간변위에 대한 결과값이 유의미한 결과로 볼 수 있다. 일반적으로 층간변위는 각각의 층에서 발생하는 변위에 대한 비율을 나타내며 비율이 크게 나타날수록 층간의 형태가 사각형에서 평행사변형 형태로 변형되는 것을 의미한다.

Tables 3 and 4를 확인해보면 MPS 면진받침이 설치된 필로티 구조물의 층간변위는 X방향에서 최대 0.3 %를 나타내며 Y방향에서 최대 0.04 %를 나타낸다. 또한 면진받침이 설치되지 않은 필로티 구조물의 층간변위는 X방향에서 최대 0.41 %를 나타내며 Y방향에서 0.11 %를 나타낸다. 이를 통해 두 가지 해석결과를 비교 및 분석해보면 MPS 면진받침이 설치된 필로티 구조물에서 X 및 Y방향 모두 보다 작은 층간변위를 나타냈다. 이러한 결과는 면진받침이 설치되지 않은 필로티 구조물보다 MPS 면진받침이 설치된 필로티 구조물에서 보다 안전한 거동특성을 보였다고 할 수 있다.

지진 발생 시 필로티 구조물 기둥에 전달되는 하중에 의해 전단력이 크게 발생하면 기둥의 파손을 발생시킬 수 있으며 모멘트 역시 기둥을 휘어지게 하는 힘이 발생하여 상당한 위험을 동반할 수 있다. 이러한 전단력 및 모멘트는 정밀 설계 단계에서 P-M 상관도를 검토하여 안전측으로 설계하여야 하지만 본 연구에서는 필로티 구조물 기둥의 정확한 철근비를 확인할 수 없어 전단력 및 모멘트의 값을 직접 비교하였다. 지진하중으로 인한 필로티 구조물 기둥의 전단력 및 모멘트 해석결과는 Figs. 10, 11, 12, 13에서 확인할 수 있다. 이때 발생하는 전단력 및 모멘트의 최대값은 Table 5에서 확인할 수 있다. Table 5에서 확인할 수 있듯이 전단력 및 모멘트의 결과값은 지진하중이 X방향으로 작용할 때 더욱 크게 나타났다. 이러한 이유는 구조물의 비대칭성 및 기둥의 배치에서 나타나는 결과라고 할 수 있다. 면진받침 설치 유무에 따른 결과를 비교해보면 MPS 면진받침을 설치한 필로티 구조물이 면진받침을 설치하지 않은 필로티 구조물 보다 작은 전단력 및 모멘트가 발생하는 것을 알 수 있다. 해석결과값의 비율을 살펴보면 면진받침을 설치하지 않은 필로티 구조물에서 X방향으로 지진하중 작용시 약 1.5배의 전단력과 1.2배의 모멘트가 더 크게 발생하였으며 Y방향으로 지진하중 작용시 약 2.0배의 전단력과 1.9배의 모멘트가 더 크게 발생하였다. 이러한 해석결과에서 확인할 수 있듯이 MPS 면진받침이 적용된 필로티 구조물이 지진하중으로부터 보다 안전한 거동특성을 나타낸다고 할 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 다양한 목적에 따라 건설되고 있는 필로티 구조물에 대하여 지진으로부터 안전하게 대응할 수 있는 MPS 면진받침에 대한 연구를 수행하였다. 실제 건설되어 있는 필로티 구조물에 대해 비선형 동적 해석을 수행하였으며, MPS 면진받침의 설치 유무에 따른 결과를 도출하였다. 하지만 본 연구는 하나의 필로티 구조물을 대상으로 MPS 면진받침 유무에 따른 비선형 동적 해석 수행하였기 때문에 절대적인 지표로 활용할 수 없다. 만약 필로티 구조물의 층수가 낮아진다면 지진하중으로 인한 진동의 영향이 더욱 커지기 때문에 보다 좋은 효율을 나타낼 수 있다. 위의 내용을 바탕으로 최종적인 분석 및 평가를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다. 먼저 MPS 면진받침의 설치 유무에 따른 층가변위를 살펴보면 MPS 면진받침이 설치된 필로티 구조물에서 보다 작은 층간변위를 나타내는 것으로 확인되었다. 이러한 이유는 지진하중으로 인해 필로티 구조물에 발생하는 진동을 MPS 면진받침이 대응함으로써 보다 유연한 거동특성을 나타내는 것이다. 필로티 구조물 기둥에서 발생하는 전단력 및 모멘트의 값을 비교해보면 MPS 면진받침이 설치된 필로티 구조물에서 X 및 Y방향 모두 작은 전단력 및 모멘트 결과값을 나타냈으며, 약 1.2~2.0배의 차이가 발생하는 것으로 나타냈다. 따라서 이러한 결과는 면진받침이 설치되지 않은 필로티 구조물에 비해 MPS 면진받침을 적용한 필로티 구조물이 보다 안전하다고 할 수 있는 근거가 될 수 있다. 이렇듯 MPS 면진받침은 우리나라에 다양하게 건설되고 있는 필로티 구조물에 대해 지진으로부터 안전하게 대응할 수 있는 대안이 될 수 있다. 또한 추후 다양한 형태의 필로티 구조물에 대해 MPS 면진받침의 영향을 분석한다면 최적의 설계 파라미터를 선정할 수 있을 것으로 판단된다. MPS 면진받침에 대한 최적의 설계 파라미터 도출 후 상용화를 수행한다면 지진발생 후에도 지속적으로 활용 가능한 MPS 면진받침으로 인해 유지보수 비용이 절감되며, 결과적으로 경제적 성과를 창출할 수 있을 것으로 기대된다.