1. 서 론

최근에 들어 한반도 주변국뿐 아니라 국내에서도 지진의 발생빈도가 증가하면서 내진설계에 대한 관심이 증가하고 있다. 지진피해를 최소화하기 위한 방법으로서 제진구조는 지진으로 인한 구조물의 진동을 기계적으로 제어하는 감쇠 장치를 구조물 내부 혹은 외부에 설치하여 감쇠장치가 진동 에너지의 대부분을 흡수하도록 유도함으로서 구조물의 내진 성능을 향상시키는 방법이다. 이러한 제진구조는 지진에 대 한 경험이 많은 일본, 미국 및 뉴질랜드 등 외국에서는 실증 적으로 효과가 입증되어 실무에 널리 활용되고 있는 구조이 다. 강진 및 지진다발 지역의 경우 지진 후 복구문제와 관련 하여 다소의 이견이 있기는 하지만 초기 설치비용과 관련된 경제적인 이점이 있어 면진구조와 비교하면 중․약진 지역에 서는 특히 선호도가 높은 구조이다. 최근에 국내에서도 제진 구조 중 강재형 감쇠장치에 대한 다양한 연구 (^{Oh et al., 2005}; Lee et al., 2013)가 진행되어 왔으며 이를 바탕으로 실제 구조물에 감쇠장치를 적용한 사례가 기하급수적으로 증가하는 추세이다.

강재형 감쇠장치는 경제성 및 시공성 등에 이점이 있어 감 쇠장치 중 비교적 많이 사용되고 있다. 주로 철골건물에 많 이 적용되어 왔다. 철근콘크리트 건물에 강재형 감쇠장치를 적용하기 위해서는 감쇠장치의 지지능력을 구조체로 전달하 기에 적합한 지지구조물 및 이를 설치할 공간의 확보가 필수 적으로 요구된다. 또한, 일반적으로 적용되는 판형 강재형 감쇠장치의 경우 면내거동만을 고려하여 설치함으로서 비틀 림 발생과 면외 거동 발생 시 감쇠장치가 작동하지 않는 경 우도 발생할 수 있다.

이에 본 논문에서는 효과적인 제진구조를 구현하기 위한 설계기술 개발의 일환으로, 20층 라멘조 형식의 공동주택을 대 상으로 최근 면내 및 면외방향으로 에너지소산능력을 보이도 록 개발된 등방성감쇠장치인 일명 카고메 감쇠장치 (Kagome damper, ^{Hwang et al., 2013})를 적용하여 대상구조물-카고메 감쇠장치-지지구조물로 구성된 새로운 형식의 내진보강용 시 스템 (KaGome Damping System : KGDS)을 제안하고 적용 된 대상구조물과 지지구조물의 강성비, 감쇠장치의 크기, 그 리고 적용 층수에 따라 제진효과가 어떻게 달라지는가에 대 한 정보를 제공함으로서 효과적인 제진구조 구축을 위한 기 초자료를 제공하고자 한다.

2. 제진구조시스템 제안

2.1 카고메 감쇠장치의 특징

카고메 감쇠장치는 카고메 트러스 구조의 전단변형에 의 한 에너지 소산능력을 이용한 금속형 감쇠장치의 일종이다. 다른 금속형 감쇠장치와 달리 와이어로 직조되기 때문에 반 복하중이나 피로에 대한 내구성이 커 일부 와이어가 파손되 더라도 전체 감쇠장치의 기능을 유지하는 특징을 가지고 있다.

또한, 무게대비 강도가 크고, 큰 전단변형에 의한 에너지 흡수율이 높으며, 구조물의 기둥 단면 크기 및 벽체 두께에 따라 모듈화가 가능하기 때문에 병렬배열로 요구강도 충족 이 가능하다. 그리고 내부공간이 대부분 비어 있는 다공질 구조로써 부피에 비하여 소형, 경량으로 시공의 용이성 및 작업성이 우수할 뿐만 아니라 등방형으로 에너지 흡수능력 이 지진하중의 방향에 영향을 받지 않는 특징을 보유하고 있 다. Fig. 1은 카고메 감쇠장치의 형상 및 전단변형에 의한 이 력특성 (^{Hwang et al., 2013})을 나타낸 것이다.

Fig. 1.

Configuration and hysteretic characteristics of Kagome damper

2.2 외부 지지구조물을 이용한 제진구조시스템 (KaGome Damping System, KGDS) 제안

기존 공동주택의 구조형식은 주로 벽식구조를 사용하여 왔으나, 최근 들어 다양한 주거수요에 대응하기 위한 평면의 가변성 문제, 장수명화 요구 및 층간소음과 관련된 바닥충격 음 문제 등이 사회적인 이슈로 대두되면서 이러한 문제를 극 복하는데 용이한 라멘구조 또는 무량판 구조로의 구조시스 템 전환이 꾸준히 시도되고 있다.

하지만 이러한 구조의 채택은 기존 벽식구조와 비교하여 상당한 공사비의 상승이 예상되며, 기존 강도저항형의 내진 설계가 지니는 한계에 대한 목소리가 커지면서 보다 효과적 인 내진구조를 구축하기 위한 제진구조에 대한 관심이 증가 하고 있다.

따라서 본 연구는 이러한 사회적 요구에 능동적으로 대처 하기 위한 방법론 제시의 일환으로 라멘구조 형식의 공동주 택을 대상으로 한 새로운 제진구조시스템 (KaGome Damping System, KGDS)을 제안하고자 한다.

본 연구에서 제안하는 제진시스템인 KGDS는 공동주택의 외부에 독립된 켄틸레버형 지지구조물을 별도로 축조하고, 건물의 바닥레벨과 지지구조물 사이에 감쇠장치를 설치하여 지지구조물의 강성과 건물의 강성 차에 의한 상대변형에 의 하여 카고메 감쇠장치의 변형을 유도한 방식이다. Fig. 2는 KGDS의 개념을 도식화하여 나타낸 것이며, Fig. 3은 설치 방법의 상세를 도식화하여 나타낸 것이다. KGDS에서는 기 존에 많이 사용되었던 브레이스 및 강판벽 형식을 사용하여 내부의 칸막이벽 사이 및 덕트가 설치되는 공간에 감쇠장치 를 설치하는 형식이 아닌 외부에 강성이 큰 캔틸레버 구조물 을 축조하여 X방향 및 Y방향 모두를 제어 할 수 있는 시스 템이다. 내부에 감쇠장치를 설치할 경우 공간의 가변성을 저 하시키며, 기타 여러 배관의 통과로 인한 설비 계획과 관통 에 따른 구조보강이 이루어져야 하는 불편함이 있다. 또한, 골조 공사의 시공성 저하 및 공기가 증가하는 사례가 빈번히 일어나고 있어 외부에 설치하는 시스템을 제안하게 되었다.

Fig. 2.

Concept diagram of KGDS

Fig. 3.

Damper Installation detail

3. 연구대상 건물 및 KGDS의 적용방법

Fig. 4는 연구대상 건물을 도시한 것으로 4세대 조합의 장 방형 평면으로 구성되어 있다. 계단실과 엘리베이터 코어는 전단벽으로 이루어져 있으며 장축방향으로 4,000mm, 4,600mm 및 3,500mm의 모듈을 가지는 기둥이 배열되고 단축방향으 로 약 10,000mm 경간의 두 개 기둥이 슬래브를 지지하는 모 듈로 구성되어 있다. 건물의 층수는 20층, 층고는 3,100mm 이며, Table 1에 내진설계 시 변수와 함께 부재들의 크기를 나타내었다. 고유치해석으로부터 얻은 건물의 주기는 2.56초 (단변), 1.95초 (장변)이다. KGDS의 지지구조물은 건물 좌․ 우측 양 끝단에 2열로 설치하였으며, Fig. 5에 이를 도식화 하여 나타내었다.

Fig. 4.

Model building structure

Fig. 5.

Installation of KGDS

4. 해석방법

통상적으로 지지구조물의 강성이 클수록 대상구조물과의 상대변위가 커지지만 요구강성을 충족하기 위한 지지구조물 의 크기가 비대해지므로 건축계획 측면에서 타당성 있는 지 지구조물의 크기가 한정될 수밖에 없다. 또한, 감쇠장치의 용량이 커지면 미소변위에 대한 에너지 소산능력을 기대할 수 있지만 역으로 지지구조물과의 상호작용에 의하여 에너 지소산에 요구되는 최소한의 감쇠장치 상대변위를 보장할 수 없는 경우가 발생하게 된다. 이에 본 논문에서는 효과적 인 제진구조를 구현하기 위한 설계기술 개발의 일환으로 실 무적용이 용이하도록 밑면전단력의 경우 약 20% 내외를, 최 상층 변위의 경우 약 10% 내외를 저감 목표로 설정하였다. 또한, 밑면전단력 저감효과 비교 평가 시 비제어 구조와 상 대 비교하기 위하여 외부 지지구조물에 의한 밑면전단력 상 승분은 제외하고 상대비로 나타내었다.

Table 2는 제진효과 검증을 위하여 해석 시 사용된 변수들 을 정리하여 나타낸 것이다. 먼저 지지구조물의 설치 높이는 지지구조물의 크기와 강성을 고려하여 실무적인 측면에서 적용 가능한 3층과 5층으로 하였다. 또한, 지지구조물의 강 성은 해석의 단순화를 위해 그 크기를 인접한 기둥의 크기와 동일하게 800×800mm로 고정하고, 대상건물 대비 지지구조 물의 강성비 (고려하는 높이까지 구조물의 전체 강성비)는 지지구조물의 탄성계수의 변화로서 조절하여 6가지의 변수 를 설정하였다. 카고메 감쇠장치의 항복하중은 기본모듈인 100× 100mm을 기준으로 64배까지 설정하여 총 8가지 경우 의 수를 고려하였다. 따라서 총 해석의 경우의 수는 지지구 조물의 설치높이 (2가지), 감쇠장치의 용량 (8가지), 탄성계 수의 변화 (6가지)와 비제어를 포함하여 97개이며, 각각에 대하여 밑면전단력과 최상층 변위를 비교 평가하였다.

건물과 지지구조물 사이에 설치되는 카고메 감쇠장치의 제원은 Table 3에 나타내었다. 제진구조시스템에 의한 건물 의 보유내진성능을 정밀하게 예측하기 위해서는 비선형 해 석을 수행하여야 하지만, 본 연구에서는 지지구조물의 강성 과 감쇠장치의 용량에 따른 제진효과에 관심이 있음으로 해 석을 효율적으로 수행하기 위하여 건물과 지지구조물은 탄 성 상태를 유지한다고 가정하였으며, 감쇠장치의 비선형성만을 고려한 경계비선형해석을 사용하였다. 해석은 MIDAS GEN Ver 8.25로 수행하였다.

해석에 사용된 지진파는 비교적 안정된 지반에서 관측된 기 록파 (El-Centro, 1940; Taft, 1952; Hschinohe, 1968)를 선정 하여 총 3개의 지진파를 사용하였으며, ^KBC2009 0306.7.4.12 (설계지진파의 선정)에 따라 대상 건물의 가정된 지반조건인 S_D 지반의 설계스펙트럼에 적합하게 크기를 조정 (scaling) 하여 해석에 반영하였다. Fig. 6은 ^KBC2009의 스케일링 방 법에 따라 크기가 조정된 지진파의 응답스펙트럼과 설계스 펙트럼과의 관계를 나타낸 것이다.

Fig. 6.

Scaled response spectra of earthquake data

5. 해석결과 및 분석

KGDS의 경우, 시스템의 구성 상 건물과 지지구조물의 강 성 차에 따라 감쇠장치의 감쇠효과가 달라질 수 있음으로 본 연구에서는 건물의 강성은 고정된 조건 하에서 지지 구조물 의 강성을 변화시킴으로서 감쇠장치의 크기 변화에 따른 효 과와 함께 제진효과를 검토하였다.

Fig. 7 및 Fig. 8은 지지구조물 적용층수와 강성비에 따른 제진효과를 알아보기 위하여 각 지진파별로 밑면 전단력 분 포를 비제어구조의 밑면전단력을 기준으로 상대비로 나타낸 것이다. 지지구조물을 3개층 적용한 Fig. 7을 보면 각 지진 파별로 다소 차이는 있으나, 대상구조물과 지지구조물의 강 성비가 증가함에 따라 밑면전단력의 감소율이 증가하고 있 는 것을 알 수 있다. 하지만 지지구조물에 적용되는 감쇠장 치의 크기가 200×200mm 이하인 경우에는 대상구조물과 지 지구조물의 강성비와 상관없이 밑면전단력이 감소하지 않고 오히려 증가하는 결과를 나타내어 제진효과를 기대하기 어 려운 것으로 나타났다.

Fig. 7.

Distribution of the base shear of supporting column due to relative stiffness ratio (3 Stroy)

지지구조물의 높이를 5개층으로 적용한 경우 (Fig. 8 참 조), 지지구조물을 3층 높이로 적용한 결과와 감소의 차이는 있으나 유사한 결과를 나타내었다. 특히 강성비의 차가 7.0 을 초과하는 경우 감소효과가 크게 증가하는 것으로 나타났 다. 밑면전단력의 감소는 곧 부재설계에 있어서 하중의 감소 를 의미한다는 점을 감안한다면 유효한 제진효과를 얻기 위 해서는 지지구조물의 높이를 3개층 높이로 적용할 경우에는 대상구조물과 지지구조물 간의 강성비는 약 6.4배 이상, 감 쇠장치의 사이즈는 700×700mm 이상을 확보할 필요가 있으 며, 5개층 적용 시에는 약 7.0배 이상, 감쇠장치의 사이즈는 400×400mm 이상을 확보할 필요가 있는 것으로 판단된다.

Fig. 8.

Distribution of the base shear of supporting column due to relative stiffness ratio (5 Stroy)

Fig. 9 및 Fig. 10은 지지구조물 적용층수와 지지구조물의 강성비에 따른 최상층 최대응답변위의 저감효과를 알아보기 위하여 각 지진파별로 최상층 최대응답변위를 비제어 구조 의 최상층 최대응답변위를 기준으로 상대비로 나타낸 것이다.

Fig. 9.

Displacement reduction ratio with dampers up to the third story

Fig. 9를 보면 각 지진파별로 다소 차이는 있으나, 밑면전 단력 결과와 유사하게 대상구조물과 지지구조물의 강성비가 증가함에 따라 감쇠장치의 사이즈가 증가할수록 최상층 최 대응답변위 역시 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 하지만 감 쇠장치의 크기가 500×500mm 이하인 경우에는 약 5% 미만 의 감소효과를 나타내어 저감 목표로 지정한 10% 보다 감소 효과가 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 또한, 지지구조물의 높이를 5층 높이로 적용한 경우 (Fig. 10 참조), 3층 높이로 적용한 결과와 다소 차이를 나타내었다. 각 지진파 별로 다 소 차이는 있으나, 대상구조물과 지지구조물의 강성비가 7.0 이상이며 제진감쇠장치의 크기가 400×400mm 이상인 경우 약 10% 내외의 감소효과를 나타내어 목표로 지정한 10% 내 외의 결과를 만족하는 것으로 나타났다. 또한 감쇠장치의 사 이즈와 강성비가 증가할수록 감소효과는 더욱 크게 나타났 다. 이러한 결과를 바탕으로 최상층의 최대응답변위로 유효 한 제진효과를 얻기 위해서는 외부의 지지구조물의 높이를 3 개층 높이로 적용할 경우에는 건물과 지지구조물 간의 강성 비는 약 6.4배 이상, 감쇠장치의 사이즈는 700×700mm 이상 을 확보할 필요가 있으며, 5개층 높이로 적용할 시에 는 약 7.0배 이상, 감쇠장치의 사이즈는 400×400mm 이상을 확보 할 필요가 있는 것으로 판단된다.

Fig. 10.

Displacement reduction ratio with dampers up to the fifth story

Fig. 11과 Fig. 12는 제진효과를 좀 더 명확하게 분석하기 위하여 감쇠장치사이즈 별로 밑면 전단력 분포를 비제어구 조의 밑면전단력을 기준으로 상대비로 나타낸 것이다.

Fig. 11.

Distribution of the base shear with regard to damper size and stiffness ratio (3 Stroy)

11에서 알 수 있듯이 각 지진파별로 다소 차이는 있으나, 유효 한 제진효과를 얻기 위해서는 대상구조물과 지지구조물 간의 강성비를 약 6.4배 이상, 감쇠장치의 사이즈는 700×700mm 이 상이 확보되어야 밑면전단력 저감 목표로 정한 약 20% 내외 의 밑면전단력 감소효과가 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, Fig 12의 지지구조물 5개층 적용시에도 7.0배 이상, 감쇠장 치의 사이즈는 400×400mm 이상을 확보할 필요가 있는 것 으로 판단된다.

Fig. 12.

Distribution of the base shear with regard to damper size and stiffness ratio (5 Stroy)

6. 결 론

본 논문에서는 효과적인 제진설계를 구현하기 위한 설계 기술 개발의 일환으로 20층 라멘조 공동주택을 대상으로 대 상구조물-카고메 감쇠장치-지지구조물로 구성된 KGDS 제진 시스템을 제안하고, 적용된 건물과 지지구조물의 강성비 및 감쇠장치의 크기에 따라 제진효과가 어떻게 달라지는지를 살펴보았으며, 이로부터 얻은 결론은 다음과 같다.