2.1 건축물의 설계 개요

스카이 브릿지가 적용될 건축물은 서울특별시 용산구에 위치하고 있으며, 아래 Fig. 5 대상 건축물의 단면도를 나타낸 것이다. 층수는 지하 3층, 지상 36층∼56층으로 이뤄져 있으며 최고 높이는 200 m이다. 세대수는 총 460세대이며, 17층에 스카이 브릿지가 설치되어 있다. 스카이 브릿지의 용도는 카페, 휘트니스 센터, 골프장, 독서실, 도서관 등 커뮤니티시설이 구성되어 있다. Fig. 6은 스카이 브릿지가 설치된 17층의 평면도를 나타내고 있다. 101동 102동 연결한 브릿지(43.2 m)와 102동과 103동을 연결한 브릿지(36.5 m) 두 개가 설치될 예정이다(Fig. 6 참조). 브릿지 설계 시 최초 계획 은 102동의 지점에는 이동이 가능한 장치를 설치하고, 101동 및 103동에는 회전을 수반할 수 있는 장치를 설치하고자 계획하였다. 하지만, 두 개의 동을 연결하는 스카이 브릿지와 다르게 본 건축물에 설치되는 스카이브릿지는 3개 동에 2개의 스카이 브릿지가 설치되어 스카이 브릿지의 극한 상황에 대한 변위를 반영할 수 없는 문제가 발생하였다. 이에 이러한 상황을 모두 반영할 수 있도록 하기 위하여 모든 지점에 납삽입고무면진장치(Lead Rubber Bearing, LRB)를 설치하는 것으로 계획이 변경하였다.

2.2 면진장치 설계를 위한 스카이 브릿지의 해석

스카이 브릿지 설계를 위하여 세 개 동을 함께 모델링 하여 정적해석을 수행하였다(Fig. 7 참조). Table 1에 스카이 브릿지 하부 지점에 발생하는 고정하중, 활하중 및 풍하중을 정리하였다. 또한, 설계사에서 스카이 브릿지 안전율을 고려하기 위하여 하부 장치는 설계 시 풍하중의 1.2배의 하중으로 설계하도록 요청하였고 이를 반영하여 장치 설계를 하였다. Table 2는 1.2배 풍하중 시 발생하는 X 및 Y 방향의 최대변위를 정리한 표이다. 풍하중에 대한 각 지점의 최대변위는 X방향의 경우 127 mm이고 Y방향의 경우 100 mm로 나타났다. Fig. 7과 같이 극단적인 변형을 고려하기 위하여 SRSS를 통한 극한 변위의 값(약 135 mm) 이상을 고려하여 안전하도록 하부 장치를 설계하였다.

2.3 LRB 설계

정적해석 결과를 활용하여 스카이 브릿지 하부에 설치 되면 면진장치를 설계하였다. LRB의 작용 축력은 1,122 kN 이상이고 수평 변위는 최소 133 mm 이상이 되도록 계획하였다.

LRB의 품질 및 사향은 다음과 같다. 고무 전단탄성계수는 0.39 N/mm²이고, 사용된 납의 전단항복응력은 8.34 N/mm² 이다. 또한, 종탄성계수(EO = 4 × G)는 1.57 N/mm², 체적탄성계수(Eb)는 2,000 N/mm², 적층고무 종탄성계수는(Ec)는 1,323 N/mm²이다. 면진장치의 적용된 플레이트의 인장강도(fu)는 490 N/mm², Socket & Taperd cap의 항복강도(Fy)는 225 N/mm²이고 인장강도(Fu)는 340 N/mm²이다. 장치에 적용되는 고무는 압축에 의한 변형율(식 (1), (2)), 변위에 의한 변형율(식 (3), (4)), 회전에 의한 변형율(식 (5)), 단기하중에 의한 면압(식 (6)), 활하중에 의한 면압(식 (7))을 검토하였다.

LRB의 특성치는 아래와 같다. LRB의 항복강도(Qd)는 167.6 kN이고, 1차 강성(Ku)은 11.94 N/mm², 2차 강성(Kd)은 1.17 N/mm², 항복변위(Dy)는 15.55 mm, 상시 최대수평력(Fmax-f)은 172.97 kN, 지진 시 최대수평력(Fmax-e)은 343.13 kN이다. 또한, 유효수평강성(Keff)은2.29 kN/mm이고, 수직강성(Kv)은 4,148 kN/mm 이다. 에너지 소산면적(EDC)는 90,125 kN⋅mm 이고 등가감쇠비($H_{eq}$)는 0.279이다.

여기서, $T_{y}$ = 납 플러그의 전단항복응력(kN/mm²), $A_{l}$=납 플러그의 면적(mm²), $A_{b}$=고무와 철판 간의 접착면적(mm²), $A_{s}$=보강 철판의 면적(mm²), $d_{s}$=상시 설계변위(mm), $d_{i}$=지진 시 설계변위(mm)

Table 3은 설계된 면진장치의 상세를 나타낸 표이고, Fig. 8 및 Fig. 9는 적용된 면진장치 형상 및 면진장치의 이력루프를 나타낸 그림이다.

3.1 입력지진동 및 면진장치 배치

본 해석에 사용된 지진파는 인공지진파 7개[EQ01, EQ02, EQ03, EQ04, EQ05, EQ06, EQ07] 를 선정하였으며, "KDS 41 00(7.3.4.1 설계지진파) “에 따라 대상 건축물의 지반조건인 S4지반의 설계 스펙트럼의 적합하게 Scale을 조정하여 해석에 반영하였다(Fig. 10 참조, ^{MOLIT, 2019)}. 해석에 사용된 프로그램은 MIDAS GEN 2024를 사용하였고 대상 건축물을 경계비선형 해석을 수행하였다.

Fig. 11 및 Fig. 12는 스카이 브릿지에 설치된 면진장치 위치 및 설치 형상을 나타낸 그림이다. LRB는 스카이 브릿지 끝단에 두 개씩 설치되었다.

3.2 101동 및 102동 스카이 브릿지 해석결과

Fig. 13과 Table 4, Table 5 및 Table 6은 경계비선형 해석 후 101동 102동 스카이 브릿지에 대한 해석결과를 나타낸 것이다. Table 4에서 알 수 있듯이 스카이 브릿지 하부에 설치된 면진장치의 경우 가장 큰 변위를 발생시킨 No.1의 경우 X방향으로 약 67.9 mm의 변위가 발생되었고, 각 장치별 극한 값인 제곱한제곱근법(SRSS)의 결과도 68.3 mm로 면진장치 최대 변위 허용 값(150 mm) 보다 작은 값을 나타내어 충분히 안전한 것으로 평가되었다.

Table 5는 면진장치와 하부 기둥과의 상대변위 검토한 표로서 각 지진파 별로 다소 차이는 있으나 X방향의 경우 평균 120.9 mm의 변위를 나타내었고 Y방향의 경우 81.0 mm의 변위를 나타내었다. SRSS의 경우에도 145.9 mm를 나타내어 면진장치의 최대 변위 허용 값인 150 mm를 넘지 않는 것으로 나타났다. 또한, Table 6은 면진장치와 상부 스카이 브릿지의 상대변위 검토한 표로서 각 지진파 별로 다소 차이는 있으나 X방향의 경우 평균 125.7 mm의 변위를 나타내었고 Y방향의 경우 5.9 mm의 변위를 나타내었다. SRSS의 경우에도 125.9 mm를 나타내어 안전한 것으로 평가되었다.

3.3 102동 및 103동 스카이 브릿지 해석결과

Fig. 14와 Table 7, Table 8 및 Table 9는 경계비선형 해석 후 102동 103동 스카이 브릿지에 대한 해석결과를 나타낸 것이다.

Table 7에서 알 수 있듯이 102동 및 103동에 설치된 스카이 브릿지 경우 101동 및 102동에 설치된 스카이 브릿지 하부에 설치된 면진장치 보다 작은 변위를 일으키는 것으로 나타났다. 해석결과, No. 7 면진장치에서 최대 변위(23.4 mm)가 발생되었다. 면진장치 최대 변위 허용 값(150 mm) 보다 작은 값을 나타내어 충분히 안전한 것으로 평가되었다.

Table 8 및 Table 9는 면진장치와 하부 기둥 및 상부 스카이 브릿지의 상대변위를 검토한 표이다. Table 8 및 Table 9에도 알 수 있듯이 101동 및 102동 설치된 스카이 브릿지에 비해 기둥과 면진장치의 상대변위도 작게 나타난 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 101동 및 102동에 설치된 스카이 브릿지의 길이에 비해 스카이 브릿지의 길이가 짧고 설치 위치가 평면상 끝이 아닌 가장자리에 설치되어 면진장치의 변위, 면진장치 하부 기둥 및 상부 스카이 브릿지의 상대변위가 작게 나타난 것으로 판단된다.