Investigation and parametric study of the semi-supported steel-composite shear wall at edges under monotonic and cyclic loading

건물은 단순히 돌과 강철이 쌓여 있는 정적인 더미가 아닙니다. 건물은 지면이 움직일 때 숨을 쉬고, 흔들리고, 때로는 뒤틀려야 하는 살아있는 구조물입니다. 지진 발생 시 높은 구조물을 견고하게 유지하기 위해 엔지니어들은 전단벽(shear walls)에 의존합니다. 이를 건물의 프레임 안에 구축된 거대하고 단단한 수직 패널이라고 생각하십시오. 이들의 역할은 건물의 척추처럼 작용하여, 지진파의 옆방향 밀기(sideways push)에 저항하고 층들이 기초에서 미끄러져 나가는 것을 방м防止하는 것입니다. 전통적인 콘크리트 벽은 강하지만 무겁고, 무거운 건물은 훨씬 더 큰 기초를 필요로 합니다. 더 현대적인 접근 방식은 얇은 강철판을 사용하여 이러한 하중을 견디게 하지만, 강철에는 약점이 있습니다. 극심한 압력 아래에서 강철은 탄산음료 캔처럼 찌그러지거나 구겨져서 강도를 잃을 수 있습니다. 이를 막기 위해 엔지니어들은 종종 강철을 콘크리트 층 사이에 끼워 넣어, 가벼우면서도 믿을 수 없을 정도로 튼튼한 복합 벽을 만듭니다.

하지만 이러한 벽이 건물의 평면 가장자리에 위치하여 주요 구조용 기둥과 연결될 때 특정한 과제가 발생합니다. 이러한 "반지원형(semi-supported)" 구성에서는 벽이 건물의 전체 폭을 차지하지 않고 더 작은 보조 기둥 사이에 위치합니다. 이 설계는 공간과 재료를 절약하지만, 벽이 프레임과 만나는 복잡한 접합부를 만들어냅니다. 만약 이 연결 부위가 실패하면 전체 시스템이 붕괴할 수 있습니다. 연구자 시나 모메니(Sina Momeni), 나비드 시아폴로(Navid Siahpolo), 알리레자 자한푸르(Alireza Jahanpour)는 이 가장자리 벽들이 지진의 격렬한 앞뒤 흔들림에 어떻게 반응하는지 정확히 이해하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 콘크리트를 강철판에 추가하는 것이 이러한 특정 가장자리 벽을 생존할 만큼 충분히 강하게 만들 수 있는지, 그리고 지진의 근원지가 건물에서 얼마나 가까운지에 따라 지면이 다르게 흔들릴 때 어떻게 성능을 보이는지 알고 싶었습니다.

답을 찾기 위해 연구팀은 실험실에서 부서질 물리적 모델을 직접 제작하지 않았습니다. 대신, 그들은 고급 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 건물의 매우 상세한 디지털 트윈(digital twin)을 구축했습니다. 그들은 먼저 특정 유형의 전단벽이 두 개의 보조 기둥 사이에 배치된 표준 8층 강철 건물을 설계했습니다. 그들은 처음에 벽을 단순한 강철판으로 모델링한 다음, 양쪽에 콘크리트로 감싸 복합 버전으로 변환했습니다. 그런 다음 이 디지털 모델들에 시뮬레이션된 지진력을 가했습니다. 연구진은 두 가지 뚜렷한 유형의 흔들림 패턴을 사용했는데, 하나는 멀리 떨어진 곳에서 발생하는 지진을 나타내며 이는 건물을 길고 굴곡진 리듬으로 흔드는 경향이 있고, 다른 하나는 근단층(near-fault) 지진을 나타내며 이는 훨씬 더 파괴적일 수 있는 갑작스럽고 날카로운 충격을 전달합니다. 그들은 벽이 한계에 도달할 때까지 얼마나 많은 힘을 견딜 수 있는지, 부서지지 않고 얼마나 휘어질 수 있는지, 그리고 얼마나 많은 에너지를 흡수할 수 있는지 확인하기 위해 이 시뮬레이션을 반복적으로 실행했습니다.

결과는 일반 강철 벽과 콘크리트로 덮인 버전 사이에 극적인 차이가 있음을 보여주었습니다. 연구진이 모델에 일정한 단방향 밀기를 적용했을 때, 콘크리트가 포함된 복합 벽은 일반 강철 벽보다 거의 4.5배 더 높은 초기 강성(stiffness)을 보였습니다. 간단히 말해, 복합 벽을 움직이게 만드는 것이 훨씬 더 어려웠다는 뜻입니다. 힘을 높였을 때, 복합 벽은 강철 전용 버전보다 38% 더 높은 극한 강도에 도달하며 훨씬 더 잘 버텨냈습니다. 콘크리트는 방패 역할을 하여 얇은 강철판이 조기에 구겨지는 것을 방지하고 벽이 훨씬 더 무거운 하중을 견딜 수 있도록 했습니다. 이러한 개선은 단순히 강도에 관한 것만이 아니라 유연성에 관한 것이기도 했습니다. 복합 벽은 파괴되기 전까지 훨씬 더 많이 휘어지고 흔들릴 수 있었는데, 이는 주요 지진으로부터 붕 없이 살아남는 데 필수적인 성질인 연성(ductility)입니다.

연구진이 시뮬레이션된 지진의 리드미컬한 앞뒤 흔들림을 도입했을 때 이야기는 약간 달라졌습니다. 원거리 단층(far-fault) 흔들림 패턴 하에서 복합 벽은 일반 강철 벽보다 67% 더 많은 에너지를 흡수했습니다. 더 격렬한 근단층(near-fault) 흔들림 하에서는 그 이점이 73%까지 늘어났습니다. 에너지를 빨아들이는 이 능력은 매우 중요한데, 이는 흔들림의 힘이 건물의 주요 기둥으로 직접 전달되어 기둥이 끊어지는 것을 방지하기 때문입니다. 그러나 시뮬레이션은 또한 취약성을 드러냈습니다. 근단층 지진의 갑작스럽고 날카로운 충격이 가해졌을 때, 콘크리트 층은 급격한 손상을 입었습니다. 첫 번째 흔들림 주기에서 콘크리트 피복의 거의 60%가 으스러졌습니다. 이 보호층의 갑작스러운 손실은 강철판과 주변 프레임이 예상보다 더 많은 스트레스를 받게 하여, 주요 구조용 기둥을 위험한 변형 영역으로 몰아넣었습니다.

연구진은 설계를 더욱 최적화할 수 있는지 확인하기 위해 다양한 변형 테스트도 실시했습니다. 그들은 콘크리트 두께를 줄이거나, 한쪽에만 적용하거나, 강철판 자체의 두께를 늘리는 실험을 했습니다. 그 결과, 콘크리트를 줄이거나 한쪽에만 적용하는 것은 벽의 성능을 떨어뜨리는 반면, 강철판 두께를 3mm에서 7mm로 늘리는 것이 가장 좋은 결과를 낳는다는 것을 발견했습니다. 이 더 두꺼운 강철판은 콘크리트와 결합하여 표준 복합 모델에 비해 에너지 흡수력을 거의 50% 향상시켰습니다. 컴퓨터 모델은 또한 응력이 집중되는 정확한 위치를 지도화했습니다. 일반 강철 벽의 경우, 벽이 주요 기둥과 만나는 연결 부위에서 가장 높은 응력이 나타났습니다. 복합 벽의 경우 응력이 더 고르게 분산되었지만, 근단층 시나리오에서는 여 still 콘크리트가 먼저 파손되어 강철이 마지막 타격을 온전히 감당하게 만들었습니다.

궁극적으로, 이 연구는 강철 전단벽을 콘크리트로 감싸는 것이 건물을 더 안전하고 회복 탄력성 있게 만드는 강력한 방법임을 확인해 줍니다. 콘크리트 코팅은 조기에 구겨질 수 있는 벽을 훨씬 더 높은 힘을 견디고 더 많은 에너지를 흡수할 수 있는 견고한 시스템으로 변화시킵니다. 그러나 이 연구는 또한 엔지니어들에게 경고의 메시지를 전달합니다. 복합 벽이 우수하긴 하지만, 근단층 지진이라는 특정 조건에서 콘크리트가 갑작스럽게 파손된다는 점은 주변 프레임의 설계가 매우 견고해야 함을 의미합니다. 벽과 주요 기둥 사이의 연결부, 그리고 보조 기둥을 주 기둥에 연결하는 보(beam)는 콘크리트 층이 실패할 경우를 대비해 추가 하중을 처리할 수 있도록 설계되어야 합니다. 이 연구 결과는 이러한 복합 시스템이 큰 진전이지만, 지면이 격렬하게 흔들릴 때 전체 구조가 함께 작동할 수 있도록 벽이 건물 나머지 부분과 연결되는 방식에 대한 세심한 주의가 필요함을 시사합니다.