3.1 연구대상 모델

연구대상 건축물은 1990년에 준공된 지상 2층 철근콘크리트 건축물이다. 리모델링 계획에서는 2개 층 수직증축의 경우를 고려하였으며, 구조형식은 철근콘크리트 보통모멘트골조로 설정하였다. 구조재료의 설계강도는 콘크리트 압축강도 21 MPa, 철근 항복강도 300 MPa를 적용하였다. 면진층 상부에 위치한 증축 구조물은 기존 구조물과 동일한 구조 형식을 적용하였으며, 재료 특성은 콘크리트 압축강도 30 MPa 및 철근 항복강도 500 MPa를 적용하였다.

대상 건축물의 하중 산정을 위한 설계 조건으로, 풍하중에 대해서는 기본 풍속($V_O$) 26.0 m/s와 노풍도 B를 적용하였다. 지진하중에 대해서는 지역계수($A$) 0.11, 위험도계수 2.0, 지반종류 S4, 중요도계수($I_W$) 1.5를 적용하였다. Fig. 3에는 대상 건축물의 평면도를, Fig. 4에는 기둥 및 보의 배근 상세를 나타내었다. 또한 Table 1에는 면진장치 적용 전 해석모델의 고유치 해석 결과를 나타내었다. 해석결과, 1차 모드의 고유주기는 약 0.36초로 나타났으며, X방향 질량 참여율은 약 82.3 %로 평가되었다. 이는 대상 구조물의 동적 거동이 1차 X방향 병진모드에 의해 지배됨을 알 수 있다.

Fig. 3 First floor plan (unit: mm)

Fig. 4 Member reinforcement drawing

3.2 면진장치 설계 및 설정

3.2.4 면진장치 설계 및 배치계획

본 연구에서는 감쇠 성능과 안정적인 복원력을 동시에 확보하기 위하여 LRB와 RB를 병용한 면진 시스템을 적용하였다. LRB는 납에 의한 우수한 에너지 소산능력을 제공하며, RB는 비교적 안정적인 탄성거동을 통해 구조물의 복원성을 확보하는 특징이 있다. 따라서 두 장치를 병용함으로써 지진응답 저감과 안정적인 거동을 동시에 확보하고자 하였다. 면진장치는 LRB 20개와 RB 17개로 구성하였으며, 총 37개의 장치를 배치하여 면진층을 형성하였다. 각 장치의 상세 특성은 Table 2에 제시하였으며, 면진장치의 배치 계획은 Fig. 5에 나타내었다. 본 연구에서는 선정된 면진장치 의 조합이 예비설계 단계에서 설정한 목표 면진 주기와 유효강성 조건을 만족하는 것으로 설정하였다. 다만 실제 면진설계에서는 상부 구조물의 중력하중, 풍하중, 장치별 축력 분담 및 배치에 따른 강성 분포 등의 영향으로 인해 예비설계 단계에서 가정한 목표 주기를 정확히 구현하기는 어렵다. 따라서 실제 설계 단계에서는 주어진 설계하중 조건과 적용 가능한 면진장치의 특성을 바탕으로 반복해석을 수행하여 최적의 조합을 도출해야 한다.

면진장치는 모든 기둥 하부에 균등하게 배치하지 않고 구조적 효율성과 시공성을 고려하여 일부 위치에 선택적으로 배치하였다. 이에 따라 면진층 상부에서는 슬래브 및 보가 강체 다이어프램으로 거동하여 상부 구조물의 하중이 면진장치가 설치된 위치로 전달되도록 가정하였다. 즉, 별도의 전이층을 명시적으로 구성하지는 않았으나, 구조 모델링 상에서 전이층과 유사한 하중 전달 메커니즘이 구현되도록 처리하였다. LRB와 RB의 이력특성을 Fig. 6에 나타내었다. 또한, 비틀림 응답을 억제하기 위해서는 건물의 질량중심과 면진장치의 강성중심이 최대한 일치하도록 하여 편심거리를 최소화할 필요가 있다. 따라서 면진장치의 배치는 면진층 전체가 충분한 비틀림 저항 성능을 발휘할 수 있도록 계획해야 한다. 이에 건물의 질량중심 위치는 $G_X$=45.5 m, $G_Y$=6.2 m이며, 강성중심 위치는 $S_X$=45.5 m, $S_Y$=6.0 m로 평가되었다.

Fig. 5 Isolation plan according to the story-added plan

Fig. 6 Hysteretic characteristics of the isolation bearing

Table 2 Details of isolation bearing

Contents	LRB	RB
Outer diameter ($D$, mm)	500	400
Lead bar diameter ($D_i$_mm)	90	15
Rubber thickness (mm)	4.0	3.2
No of rubber layer	25	25
Total rubber thickness (mm)	100	80
Steel plate thickness (mm)	3.2	3.2
1st Shape factor S1	31.3	30.1
2nd Shape factor S2	5.0	5.0
Lateral stiffness (kN/mm)	0.9	-

3.3 입력 지진동

본 해석에 적용된 입력지진동은 부지응답해석을 통해 선정하였다. 이를 위해 미국의 PEER Ground Motion Dat- abase에 수록된 전 세계 암반지반 지진기록 중에서 계측 위치의 지반조건이 암반에 해당하는 기록을 우선 선별하였다. 기록의 선별 기준은 계측 지점의 전단파속도($V_{s,30}$)가 760 m/s 이상인 경우로 설정하였으며, 암반응답스펙트럼에 대한 조정계수(Scale factor)가 0.3~3.0 범위에 해당하는 지진기록 40개를 선정하였다. 선정된 40개의 암반지진기록에 대하여 부지응답해석을 수행한 후, 대상 지반조건의 설계응답스펙트럼과의 편차가 작고, 기준의 제한조건(설계 응답스펙트럼의 1.3배의 90 %)을 만족하는 지진파 조합을 도출하였다. 최종적으로는 최적화 알고리즘을 적용하여 7개의 입력 지진동 세트를 선정하였다. Table 4에는 최종 선정된 7개 입력 지진동을 나타내었으며, Fig. 7과 Fig. 8에는 각각 해석에 사용된 지진파의 설계지진수준(Design based earth-quake, DBE) 응답스펙트럼과 가속도 시간 이력을 나타내었다. 구조해석은 MIDAS GEN 2026을 사용하여 수행하였다.

Fig. 7 Frequency contents of the earthquakes referred to in this study (DBE)

Fig. 8 Earthquake waves

4.1 최대 응답변위 및 층간변위

Table 5는 면진 시스템을 적용한 2개 층 수직증축 건축물의 비선형 동적해석 평균 결과를 2개 층 수직증축 한 비면진 건물과 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 9와 Fig. 10은 개별 지진파 해석결과와 그 평균값을 함께 제시한 것이다.

해석결과, 비면진 건물의 최상층 최대 응답변위는 X방향에서 약 10.2 mm, Y방향에서 약 4.5 mm로 나타났다. 반면 면진 시스템을 적용한 경우 최상층 최대 응답변위는 X방향에서 약 89.6 mm, Y방향에서 약 62.7 mm로 많이 증가하였다. 이는 지진 시 변형이 면진층에 집중되어 나타난 결과로 판단된다. 층별 변위 분포를 보면, 비면진 구조는 상부로 갈수록 변위가 점진적으로 증가하는 전형적인 전단 거동을 나타내었다. 반면, 면진 구조는 면진층에서 변위가 급격히 증가하고, 그 상부에서는 상대적으로 완만한 변위 분포를 보였다. 이는 지진 시 구조물의 주요 변형이 면진장치에 집중되고, 그 결과 상부 구조물의 상대적 응답이 완화되는 면진 구조의 전형적인 거동 특성을 보여준다. 또한 면진 구조에서는 2층 이하의 변위가 매우 작고 대부분 변위가 면진층 이상에서 발생하는 것으로 나타나, 지진에너지가 면진층에서 효과적으로 흡수 및 분산되고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 면진 시스템의 적용은 변형을 면진층에 집중시켜 상부 구조물의 손상을 저감하는 데 유효하며, 수직증축 건축물의 내진성능 향상에 효과적임을 알 수 있었다.

또한 층간변위 응답을 비교한 결과, 비면진 구조의 경우 각 층에서 비교적 균등한 층간변위 분포를 보이며 상부로 갈수록 증가하는 경향을 나타내었다. 반면, 면진 구조에서는 대부분의 층간변위가 면진층에서 집중적으로 발생하고, 그 상부 구조물에서는 층간변위가 상대적으로 많이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 면진장치가 지진 시 발생하는 변형을 집중적으로 흡수함으로써 상부 구조물의 상대변형을 효과적으로 억제한 결과로 판단된다.

Fig. 9 X-direction maximum response displacement results

Fig. 10 Y-direction maximum response displacement results

4.2 최대 응답가속도

Fig. 11과 Fig. 12는 최대 응답가속도 해석결과를 보여준다. 해석결과, 비면진 건물의 최상층 최대 응답가속도는 X방향에서 약 268.6 mm/s², Y방향에서 약 241.8 mm/s²로 나타났으며, 층고가 증가할수록 가속도가 점진적으로 증가하는 전형적인 증폭 거동을 보였다. 반면 면진 시스템을 적용한 경우, 동일 위치의 최대 응답가속도는 X방향에서 약 71.4 mm/s², Y방향에서 약 72.6 mm/s²로 크게 감소하였다. 이는 비면진 건물에 비해 각각 약 74 % 및 70 % 감소한 수준이다. 이러한 결과는 면진층이 지진응답의 전달을 효과적으로 완화하여 상부 구조물의 가속도 증폭을 현저히 억제하였음을 보여준다.

또한 Fig. 11 및 Fig. 12에서 확인되는 바와 같이, 개별 지진파에 대한 응답에서도 면진 구조는 전반적으로 낮고 안정적인 가속도 수준을 유지하였다. 반면 비면진 구조는 입력 지진동의 특성에 따라 가속도 응답의 편차가 크게 나타나 외부 입력에 대한 민감도가 상대적으로 큰 것으로 분석되었다. 이는 면진 시스템이 다양한 입력 지진동에 대해 일관된 응답 저감 성능을 발휘함을 알 수 있다. 가속도 응답의 저하는 구조물에 작용하는 관성력의 감소로 연결된다. 따라서 면진 시스템의 적용은 상부 구조부재와 비구조요소에 작용하는 지진하중 요구를 효과적으로 줄일 수 있으며, 수직증축 건축물의 내진성능 향상에 매우 유효한 방안임을 알 수 있다.

Fig. 11 X-direction maximum response acceleration results

Fig. 12 Y-direction maximum response acceleration results

4.3 층전단력

Fig. 13과 Fig. 14는 층전단력 해석 결과를 보여준다. 해석결과, 비면진 건물의 최대 층전단력은 X방향에서 3,604.3 kN, Y방향에서 3,662.7 kN으로 나타났다. 반면 면진 시스템을 적용한 경우 최대 층전단력은 X방향에서 2,004.3 kN, Y방향에서 2,020.8 kN으로 감소하였다. 이는 비면진 건물에 비해 약 55.0 %의 저감 효과에 해당한다. 이와 같은 층전단력 저감은 면진층이 지진응답을 제어하여 상부 구조물에 전달되는 가속도와 관성력 요구를 효과적으로 낮추었기 때문이다. 즉 면진 시스템은 주기 연장과 감쇠 효과를 통해 증축으로 증가한 질량에 의해 증폭될 수 있는 횡력의 영향을 완화하고, 그 결과 하부 구조체에 작용하는 층전단력을 효과적으로 감소시키는 것으로 나타났다. 또한 층전단력의 층별 분포를 보면, 면진 구조는 비면진 구조에 비해 상부 구조 전반에서 균일한 분포를 나타내었다. 이는 상부 구조물이 면진층 위에서 상대적으로 강체와 유사한 거동을 보이고, 지진 시 주요 변형과 응답 제어가 면진층에서 집중적으로 이루어졌음을 의미한다. 반면 비면진 구조는 증축에 따른 질량 증가와 응답 증폭이 하부 구조체의 전단력을 직접 증가시키는 경향을 보였다.

일반적으로 수직증축은 구조물의 질량 증가와 질량중심 상승을 수반하므로, 비면진 구조에서는 하부 구조체에 대한 횡력 요구가 증가할 가능성이 크다. 그러나 해석결과에 따르면 면진 시스템이 이러한 불리한 조건에서도 층전단력을 크게 저감함으로써, 수직증축 건축물의 내진성능을 효과적으로 향상시키는 것으로 나타났다.

Fig. 13 X-direction story shear results

Fig. 14 Y-direction story shear results

4.4 해석결과 분석

면진 시스템 적용에 따라 상부 구조물의 가속도 및 층간변위 응답이 감소함에 따라, 기존 구조물로 전달되는 지진력 또한 크게 저감되는 것으로 나타났다. 이는 기존 하부 구조물에 작용하는 전단력 및 부재력 감소로 이어지며, 결과적으로 기존 구조물의 내진성능 요구 수준을 완화시키는 효과를 갖는다. 특히, 비면진 조건에서는 수직증축에 따른 질량 증가로 인해 기존 기둥 및 기초에 작용하는 지진하중이 증가하여 추가적인 내진보강이 요구될 가능성이 있는 반면, 중간층 면진을 적용한 경우에는 면진층에서 지진에너지가 효과적으로 저감되어 기존 하부 구조물에 전달되는 하중이 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 기존 구조물의 구조적 부담을 완화시키는 방향으로 작용하며, 조건에 따라서는 추가적인 보강 요구를 감소시킬 수 있는 가능성을 확인하였다. 또한 증축부의 경우, 면진 적용 시 지진응답이 감소함에 따라 부재 설계 시 요구되는 내진성능이 완화되며, 구조적 안정성 확보와 함께 더 효율적인 설계가 가능한 것으로 나타났다.

이와 같은 결과를 바탕으로, 중간층 면진 시스템은 단순한 응답 저감 효과를 넘어 기존 구조물의 보강 요구를 감소시키고 증축부 설계의 효율성을 향상시키는 구조적 장점을 가지는 것으로 판단된다.