1. 서 론

제진구조는 지진피해를 최소화하기 위한 방법으로서 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 및 미국 등 외국의 경우 실증적으로 효과 가 입증되어 실무에 널리 활용되고 있으며, 지진 후 복구문제 와 관련하여 초기 설치비용과 관련된 경제적인 이점이 있어 면진구조와 비교하면 강진 및 지진다발 지역보다는 중․약진 지역에서 특히 선호도가 높다.

최근 들어 우리나라에서도 제진구조에 대한 필요성이 대두 되면서 감쇠장치를 도입한 건물들이 다수 설계 및 건설되고 있으며, 감쇠장치 중 저렴한 비용으로 높은 에너지소산능력 을 제공할 수 있고 설치와 유지관리가 용이하다는 장점이 있 어 강재이력형 감쇠장치를 이용한 수동형 제진구조시스템이 널리 사용되고 있다.

이러한 개발과 실무적용의 일환으로 최근 카고메 감쇠장치 를 이용한 강재이력형 감쇠시스템인 Exo-type 감쇠시스템이 허무원 등(2014)에 의하여 제안되었다. 하지만 기존연구(^{Hur et al., 2015})는 연구대상 건물의 층수를 20층 한 타입 만을 선 정하여 외부지지구조물과 대상 건물의 강성비와 감쇠장치의 사이즈를 결정하였다. 또한, 주요 영향인자인 대상 건물과 지 지구조물 사이의 강성비 값의 검토 간격이 너무 커서 Exo-type 감쇠시스템 최적 강성비를 산출하기 어려운 문제점이 있었 다. 본 연구는 기존 Exo-type 감쇠시스템의 최적설치와 관련 된 연구의 보완적인 연구로서, 연구대상 건물의 층수를 15층 과 20층으로 확대하여 라멘조 공동주택을 대상으로 Exo-type 감쇠시스템의 적용 높이에 따른 제진효과를 검토하고자 하 며, 대상 건물과 감쇠장치 지지구조물 사이의 강성비를 세분 화하여 최적 강성비 산출과 감쇠장치의 항복비(V_damper/V_{base shear}) 에 따른 제진효과를 검토하고자 한다.

2. Exo-type 감쇠시스템 및 연구 대상 건물

기존연구(^{Hur et al., 2015})에서 제안한 Exo-type 감쇠시스 템은 공동주택의 외부에 독립된 켄틸레버형 지지구조물을 별 도로 축조하고, 건물의 바닥레벨과 지지구조물 사이에 감쇠 장치(Kagome damper)를 설치하여 지지구조물의 강성과 건 물의 강성 차에 의한 상대변형에 의하여 감쇠장치의 변형을 유도한 시스템이다. Fig. 1은 Exo-type 감쇠시스템의 개념을 도식화하여 나타낸 것이다.

Fig. 1

Concept diagram of Exo-type damping system

Fig. 2는 연구 대상 건물을 도시한 것으로 4세대 조합의 장 방형 평면으로 구성되어 있다. 계단실과 엘리베이터 코어는 전단벽으로 이루어져 있으며, 장축방향으로 4.0 m, 4.6 m 및 3.5 m의 모듈을 가지는 기둥이 배열되고 단축방향으로 약 10.0 m 경간의 두 개 기둥이 슬래브를 지지하는 모듈로 구성 되어 있다. 건물의 층수는 15층 및 20층이며, 층고는 3.0 m이 다. Table 1에 내진설계 시 변수와 함께 부재들의 크기를 나타 내었다. 고유치해석으로부터 얻은 건물의 주기는 15층의 경 우 1.71초(단변), 1.64초(장변)이며, 20층의 경우 2.56(단변), 2.40초(장변)이다. Exo-type 감쇠시스템의 지지구조물은 건 물 좌․우측 양 끝단에 2열로 설치하였다.

Fig. 2

Model building structure

3. 해석방법

본 논문에서는 기존연구(^{Hur et al., 2015})와 동일하게 15층 및 20층 모두 밑면전단력의 경우 약 20% 내외를 최상층 변위 의 경우 약 10% 내외를 저감 목표로 설정하였다. 또한, 밑면전 단력 저감효과 비교 평가 시 효과를 알기 쉽게 하기 위해서 기 존연구에 비교한 방법을 활용하여 상대비로 나타내었다. 여 기서 외부지지구조물의 부담 밑면전단력을 제외하고 대상건 물의 순수 밑면전단력을 비교하였다.

Table 2는 해석 시 사용된 변수들을 정리하여 나타낸 것이 다. Exo-type 감쇠시스템의 높이는 기존연구와 마찬가지로 3 층과 5층으로 하였다. 대상 건물 대비 Exo- type 감쇠시스템의 강성비는 지지구조물의 탄성계수의 변화로서 조절하여 6가 지의 변수를 설정하였다. 이때 강성비는 최적 강성비 산출을 위하여 기존연구의 결과를 활용하여 더 세분화 되게 설정하 였다. 또한, 본 연구에서도 건물의 강성은 고정된 조건 하에서 지지구조물의 강성을 변화시킴으로서 감쇠장치의 크기 변화 에 따른 효과와 함께 제진효과를 검토하였다. 감쇠장치의 항 복하중은 기본모듈인 100×100 mm을 기준으로 64배까지 설 정하여 총 8가지 경우의 수를 고려하였다. 따라서 총 해석의 경우의 수는 연구대상 건물(2가지). Exo-type 감쇠시스템의 설치 높이(2가지), 감쇠장치의 용량(8가지), 탄성계수의 변화 (6가지)와 비제어를 포함하여 194개이며, 각각에 대하여 밑면 전단력과 최상층 변위를 비교 평가하였다. Table 3은 Exo-type 감쇠시스템에 설치되는 감쇠장치의 제원을 나타낸 것이다. 해석은 MIDAS GEN 2015 사용하였다.

해석에 사용된 지진파는 비교적 안정된 지반에서 관측된 기 록파(El-Centro 1940, Taft 1952, Hschinohe 1968)를 선정하여 총 3개의 지진파를 사용하였으며, KBC2009 0306.7.4.1에 따 라 대상 건물의 가정된 지반조건인 S _D지반의 설계스펙트럼에 적합하게 크기를 조정(scaling)하여 해석에 반영하였다. Fig. 3 은 KBC 2009의 스케일링 방법에 따라 크기가 조정된 지진파 의 응답스펙트럼과 설계스펙트럼과의 관계를 나타낸 것이다.

Fig. 3

Scaled response spectra of earthquake data (20F)

4. 해석결과 및 분석

4.1 감쇠시스템 3개층 적용 시 높이 변화에 따른 효과 분석

Fig. 4 및 Fig. 5는 Exo-type 감쇠시스템을 3개층 적용 시 15 층 및 20층에 대한 강성비에 따른 제진효과를 알아보기 위하 여 각 지진파별로 밑면전단력 분포를 비제어구조의 밑면전단 력을 기준으로 상대비로 나타낸 것이다. 감쇠시스템을 3개층 적용한 Fig. 4 및 Fig. 5의 결과를 보면 각 지진파별로 다소 차 이는 있으나 감쇠시스템과 대상 건물의 강성비가 증가함에 따라 밑면전단력의 감소율이 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 목표로 정한 밑면전단력 20% 전후의 감소효과를 얻기 위해서 는 15층일 경우 강성비는 7.0배 이상, 감쇠장치의 크기는 600×600 mm 이상 확보되어야 하며, 대상 건물이 20층일 경우 는 강성비는 7.0배 이상, 감쇠장치의 크기는 700×700 mm을 확보할 필요가 있는 것으로 나타났다.

Fig. 4

Distribution of the base shear of Exo-type damping system due to relative stiffness ratio (15F)

Fig. 5

Distribution of the base shear of Exo-type damping system due to relative stiffness ratio (20F)

Fig. 6 및 Fig. 7은 감쇠시스템을 3개층 적용 시 15층 및 20 층에 대한 강성비에 따른 최상층 최대응답변위의 저감효과를 알아보기 위하여 각 지진파별로 최상층 최대응답변위를 비제 어 구조의 최상층 최대응답변위를 기준으로 상대비로 나타낸 것이다. 15층 해석결과 각 지진파별로 다소 차이는 있으나, 밑 면전단력의 감소결과와 유사하게 강성비가 증가함에 따라 그 리고 감쇠장치의 크기가 증가할수록 최상층 최대응답변위 역 시 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 하지만 대상 건물이 20층 인 경우는 각 지진파별로 강성비와 감쇠장치의 크기가 증가 하여도 감소효과가 크지 않은 것으로 나타났다. 이는 대상 건 물의 높이에 대한 감쇠시스템의 적용 높이가 낮아 최상층 응 답변위를 제어하지 못한 것으로 판단된다. 최상층 최대응답 변위 감소를 얻기 위해서는 대상 건물 대비 적절한 Exo-type 감쇠시스템의 높이 확보 또한 필요한 것으로 판단된다.

Fig. 6

Displacement reduction ratio with dampers up to the third story (15F)

Fig. 7

Displacement reduction ratio with dampers up to the third story (20F)

4.2 감쇠시스템 5개층 적용 시 높이 변화에 따른 효과 분석

Fig. 8 및 Fig. 9는 Exo-type 감쇠시스템을 5개층 적용 시 15 층 및 20층에 대한 강성비에 따른 제진효과를 알아보기 위하 여 각 지진파별로 밑면 전단력 분포를 비제어구조의 밑면전 단력을 기준으로 상대비로 나타낸 것이다.

Fig. 8

Distribution of the base shear of Exo-type damping system due to relative stiffness ratio (15F)

Fig. 8과 Fig. 9를 보면 각 지진파별로 다소 차이는 있으나 Exo-type 감쇠시스템을 3개층 적용한 결과와 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있었다. 또한, Exo-type 감쇠시스템에 적 용되는 감쇠장치의 크기가 200×200 mm 이하인 경우도 3개층 적용 시와는 상반되게 강성비 증가에 따라 밑면전단력이 약 10% 내외로 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 강성비 의 경우에도 3개층을 적용하였을 때 보다 5개층을 적용한 경 우가 밑면전단력 감소가 더 많은 것으로 나타났다. 이러한 결 과를 살펴볼 때 대상 건물 대비 Exo-type 감쇠시스템의 적절 한 높이가 필요할 것으로 사료된다. Exo-type 감쇠시스템을 5 개층 적용하여 유효한 제진효과를 얻기 위해서는 15층 및 20 층 모두 대상 건물과 Exo-type 감쇠시스템의 강성비는 2.5배 이상, 감쇠장치의 크기는 대상 건물이 15층의 경우 400× 400 mm 이상, 20층의 경우는 500×500 mm 이상을 확보할 필요가 있는 것으로 판단된다.

Fig. 9

Distribution of the base shear of Exo-type damping system due to relative stiffness ratio (20F)

Fig. 10 및 Fig. 11은 Exo-type 감쇠시스템을 5개층 적용 시 15층 및 20층에 대한 강성비에 따른 최상층 최대응답변위의 저감효과를 알아보기 위하여 각 지진파별로 최상층 최대응답 변위를 비제어 구조의 최상층 최대응답변위를 기준으로 상대 비로 나타낸 것이다. 15층 및 20층 모두 밑면전단력의 감소결 과와 유사하게 강성비가 증가함에 따라 그리고 감쇠장치의 크기가 증가할수록 최상층 최대응답변위 역시 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 하지만 최상층 최대응답변위의 경우 밑면전 단력 결과와 다르게 대상 건물과 Exo-type 감쇠시스템 강성비 의 영향보다는 Exo-type 감쇠시스템의 적용층수에 영향을 받 는 것으로 나타났다.

Fig. 10

Displacement reduction ratio with dampers up to the third story (15F)

Fig. 11

Displacement reduction ratio with dampers up to the third story (20F)

동일한 높이의 대상 건물에 있어서는 유사한 강성비와 동 일한 크기의 감쇠장치를 갖는 경우라도 외부지지구조물의 적 용 층수에 따라 최상층 최대응답변위의 감소가 다르게 나타 났다. 이처럼 최상층 최대응답가속도 감소를 위해서는 외부 지지구조물의 적절한 높이가 필요할 것으로 판단된다.

4.3 Exo-type 감쇠시스템의 최적 강성비 및 감쇠장치의 항복비(Vdamper/Vbase shear)

Fig. 12부터 Fig. 15까지는 Exo-type 감쇠시스템의 적용 층 수에 따른 제진효과를 좀 더 명확하게 분석하기 위하여 각 지진파별로 항복비와 강성비에 따른 밑면전단력 분포를 비 제어구조의 밑면전단력을 기준으로 상대비로 나타낸 것이 다. Exo-type 감쇠시스템 3개층 적용한 경우 각 지진파별로 다소 차이는 있으나 대상 건물과 감쇠시스템의 강성비는 7.0 이상, 감쇠장치의 항복비는 밑면전단력의 약 8.0% 이상 확 보되어야만 목표로 정한 제진효과를 얻을 수 있는 것으로 나 타났다.

Fig. 12

Distribution of the base shear with stiffness ratio and damper yield ratio (15F-3Story)

또한, Exo-type 감쇠시스템을 5개층 적용한 경우에도 각 지 진파별로 다소 차이는 있으나 대상 건물과 감쇠시스템의 강 성비는 2.5 이상, 항복비는 밑면전단력의 약 3.5% 이상 확보 되어야만 목표로 정한 제진효과를 얻을 수 있는 것으로 나타 났다.Fig .13

Fig. 13

Distribution of the base shear with stiffness ratio and damper yield ratio (20F-3Story)

5. 결 론

본 논문에서는 효과적인 제진설계를 구현하기 위한 설계기 술 개발의 일환으로 15층 및 20층 라멘조 공동주택을 대상으 로 기존연구에서 제안된 Exo-type 감쇠시스템을 활용하여 대 상 건물과 Exo-type 감쇠시스템의 최적 강성비 및 적용된 감 쇠장치의 항복비에 따른 라멘조 건물의 제진효과를 검토해 보았으며, 이로부터 얻은 결론은 다음과 같다.Fig .14

Fig. 14

Distribution of the base shear with stiffness ratio and damper yield ratio (15F-5Story)

Fig. 15

Distribution of the base shear with stiffness ratio and damper yield ratio (20F-5Story)