Research Article

Protective Facility. 30 April 2026. 121-132
https://doi.org/10.23310/PF.2026.3.2.121

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 방폭설계 시 고유주기

  • 3. 구조물 고유주기 평가

  •   3.1 등가단자유도 기반 고유주기 평가 방법

  •   3.2 해석 기반 고유주기 평가 방법

  • 4. 조건별 고유주기 평가 결과

  •   4.1 등가단자유도 기반 고유주기 비교

  •   4.2 해석 기반 고유주기 비교

  •   4.3 해석 기반 고유주기와 등가단자유도 기반 고유주기 비교

  •   4.4 고유주기 산정 방법의 적용 기준 및 설계 방향

  • 5. 결 론

1. 서 론

방폭설계는 폭발로 인해 발생하는 충격파 하중에 대해 구조물의 안전성과 요구 수준을 만족하기 위한 설계 개념으로, 구조물의 동적 응답 특성을 고려한 하중 평가와 구조 저항 성능 검토를 포함한다. 폭발하중은 매우 짧은 시간 동안 급격하게 작용하는 충격하중의 특성을 가지며 하중의 크기뿐만 아니라 하중 지속시간(load duration)과 구조계의 동적 특성 간의 상호작용이 구조 응답을 지배하는 주요 인자로 작용한다(Ngo et al., 2007).

방폭설계에서는 이러한 동적 효과를 반영하기 위해 폭압이 직접 작용하는 구조 요소의 고유주기를 주요 설계 변수로 활용한다. 그러나 고유주기는 산정 방법, 모델링 범위, 경계조건 및 거동 가정에 따라 달라질 수 있으며 이러한 차이는 동적하중계수 및 구조 응답 평가에 직접적인 영향을 미친다(Badshah et al., 2017).

그러나 방폭설계에서 적용되는 고유주기 산정 방법별 결과 차이를 체계적으로 비교·정리한 자료는 충분하지 않다. 특히 동일한 벽체 조건에 대해 등가단자유도 기반 근사식과 해석 기반 방법을 동일한 변수 체계 내에서 비교하고 모델링 범위, 경계조건 및 거동 가정이 고유주기 산정 결과에 미치는 영향을 정량적으로 검토한 연구는 제한적이다. 이에 따라 실무 설계 단계에서는 고유주기 산정 방법의 선택과 결과 해석이 설계자의 판단에 크게 의존할 수 있으며 산정 결과를 일관되게 평가하는 데 한계가 있다.

따라서 본 연구에서는 방폭설계에 적용되는 벽체 고유주기 산정 방법을 대상으로, 벽체 두께, 경계조건, 모델링 범위 및 거동 가정에 따른 고유주기 변화 경향을 정량적으로 분석하였다. 또한 등가단자유도 기반 근사식 결과와 해석 기반 결과를 비교함으로써 각 산정 방법의 적용 특성과 한계를 검토하고 방폭설계 단계에서 활용할 수 있는 합리적인 고유주기 평가 방향을 제시하고자 한다.

2. 방폭설계 시 고유주기

방폭설계에서 적용되는 고유주기는 일반 구조물 설계에서 사용하는 고유주기와 구별된다. 일반 구조물 설계에서는 구조물 전체의 전반적인 동적 거동을 대표하는 고유주기를 주로 활용하는 반면 방폭설계에서는 폭발하중이 직접 작용하는 부재 또는 국부 구조 요소의 응답 특성이 중요하다. 따라서 방폭설계에서는 폭압의 직접적인 영향을 받는 구조 요소의 고유주기를 중심으로 구조 응답을 평가할 필요가 있다(KPFI, 2026).

폭발하중에 대한 구조 응답은 하중 지속시간과 구조 요소의 응답시간 간 관계에 크게 영향받는다. 「UFC 3-340-02」(U.S. DoD, 2014)에서는 이를 바탕으로 구조 응답 영역을 구분하고 있으며(Fig. 1) 등가단자유도 해석에서는 고유주기와 하중 지속시간의 관계로부터 동적하중계수(Dynamic Load Factor, DLF)를 산정한다(Fig. 2). 따라서 고유주기는 방폭설계의 동적 효과 및 구조 응답 평가에 직접적인 영향을 미치는 주요 변수이다.

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Fig. 1

Design regions based on pressure duration and structural response (UFC 3-340-02 (U.S. DoD, 2014))

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Fig. 2

Influence of structural period on dynamic load factor (UFC 3-340-02 (U.S. DoD, 2014))

방폭설계 시 고유주기 산정 방법은 등가단자유도 기반 근사식 방법과 해석 기반 방법으로 구분된다(DMFC 2-20-10, 2022). 등가단자유도 기반 근사식 방법은 구조 요소의 거동을 단순화하여 고유주기를 산정하는 방식으로 1방향 및 2방향 거동 가정에 따라 서로 다른 근사식을 적용하여 산정할 수 있다. 해석 기반 방법은 구조물의 질량 및 강성 분포를 반영한 고유치 해석(Eigenvalue Analysis)을 통해 고유주기를 평가하는 방법으로 전체 구조물 모델 또는 단일 벽체 모델에서 산정된 모드 형상과 면외방향 응답 특성을 고려하여 대표 고유주기를 선정할 수 있다. 다만 고유주기 산정 결과는 모델링 범위, 경계조건, 거동 가정 및 대표 모드 선정 기준에 따라 달라질 수 있으므로 각 산정 방법의 특성과 한계를 함께 고려할 필요가 있다.

3. 구조물 고유주기 평가

본 연구에서는 방폭설계에 적용되는 고유주기 산정 방법을 비교하기 위하여 등가단자유도 기반 방법과 해석 기반 방법을 적용하였다. 분석 대상 벽체는 콘크리트 구조 벽체로 가정하였으며 콘크리트 압축강도 30 MPa, 탄성계수 27,515 MPa, 푸아송비 0.167을 적용하였다. 주요 변수는 벽체 두께, 경계조건, 모델링 범위 및 거동 가정으로 설정하였다. 적용한 벽체 경계조건의 정의와 케이스 명칭의 구성은 각각 Fig. 3Fig. 4와 같이 나타내었으며 변수 조합에 따른 분석 케이스는 Table 1에 정리하였다. 이때, W와 I는 각각 전체 구조물 모델과 단일 벽체 모델을 의미하며 1w와 2w는 각각 1방향 및 2방향 거동 기반 근사식을 나타낸다. T300~T900은 벽체 두께, Pin 및 Fix 계열은 경계조건을 의미한다.

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Fig. 3

Definition of boundary conditions for wall analysis cases

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Fig. 4

Definition of analysis case designation

Table 1

Analysis models with various design parameters

Natural period estimate method Analysis model Wall thickness (mm) Boundary condition Species ID
Idealized Equation one-way elements 300 Pin-Pin 1w-T300_Pin-Pin
Fix-Pin 1w-T300_Fix-Pin
Fix-Fix 1w-T300_Fix-Fix
500 Pin-Pin 1w-T500_Pin-Pin
Fix-Pin 1w-T500_Fix-Pin
Fix-Fix 1w-T500_Fix-Fix
700 Pin-Pin 1w-T700_Pin-Pin
Fix-Pin 1w-T700_Fix-Pin
Fix-Fix 1w-T700_Fix-Fix
900 Pin-Pin 1w-T900_Pin-Pin
Fix-Pin 1w-T900_Fix-Pin
Fix-Fix 1w-T900_Fix-Fix
two-way elements 300 1Pin-3Fix 2w-T300_1Pin-3Fix
4Fix 2w-T300_4Fix
500 1Pin-3Fix 2w-T500_1Pin-3Fix
4Fix 2w-T500_4Fix
700 1Pin-3Fix 2w-T700_1Pin-3Fix
4Fix 2w-T700_4Fix
900 1Pin-3Fix 2w-T900_1Pin-3Fix
4Fix 2w-T900_4Fix
Finite Element Analysis  Isolated planar wall 300 1Pin-3Fix I-T300_1Pin-3Fix
4Fix I-T300_4Fix
500 1Pin-3Fix I-T500_1Pin-3Fix
4Fix I-T500_4Fix
700 1Pin-3Fix I-T700_1Pin-3Fix
4Fix I-T700_4Fix
900 1Pin-3Fix I-T900_1Pin-3Fix
4Fix I-T900_4Fix
Whole structure 300 Base-Pin W-T300_Base-Pin
Base-Fix W-T300_Base-Fix
500 Base-Pin W-T500_Base-Pin
Base-Fix W-T500_Base-Fix
700 Base-Pin W-T700_Base-Pin
Base-Fix W-T700_Base-Fix
900 Base-Pin W-T900_Base-Pin
Base-Fix W-T900_Base-Fix

Note : Concrete compressive strength, fck = 30 MPa; Modulus of Elasticity, Ec = 27,515 MPa; Poisson’s ratio = 0.167

3.1 등가단자유도 기반 고유주기 평가 방법

등가단자유도 기반 고유주기 평가 방법은 벽체의 변형 특성에 따라 1방향 거동(one-way behavior)과 2방향 거동(two-way behavior)으로 구분되며 각 거동 가정에 따라 서로 다른 근사식을 적용할 수 있다(Table 2).

1방향 거동은 변형이 한 방향에 대해 지배적으로 발생하는 경우를 의미하며 Table 2의 one-way elements 방법에 제시된 식과 같이 변환계수를 이용하여 등가단자유도 모델로 이상화할 수 있다. 이때 고유주기는 하중계수(KM)와 질량계수(KL)의 비로 정의되는 하중-질량계수(KLM), 구조체의 질량(M), 등가 강성(KE)과의 관계로부터 산정된다(KPFI, 2026).

2방향 거동은 벽체가 폭발하중에 대해 면외방향(out-of-plane)으로 저항할 때 두 방향의 휨 거동이 동시에 발생하는 경우를 의미한다. 이 경우 Table 2의 two-way elements에 제시된 식을 적용할 수 있으며 고유주기는 벽체의 경계조건 및 형상비에 따라 결정되는 진동계수(α)를 포함하여 산정된다. 또한 콘크리트의 탄성계수, 벽체 두께, 단위 면적당 질량 및 푸아송비 등의 재료 및 기하학적 특성이 함께 고려된다.

Table 2

Natural period estimation methods for walls

Natural period estimate method Analysis model Equation
Idealized equation one-way elements
(UFC 3-340-02
(U.S. DoD, 2014))
KL=FEF;KM=MEM;KR=RER;KLM=KMKL
TN=2πMeKE=2πKLMMKE
two-way elements
(KPFI, 2026)
TN=1fn=L2α12m(1-v2)Ectw3
4Fix : α=1.575.14+3.13λ2+5.14λ4
1Pin-3Fix : α=1.575.14+2.92λ2+2.44λ4

Note : KL: Load factor; KM : Mass factor; KR : Resistance factor; FE : Equivalent external force; ME : Equivalent total mass; RE : Equivalent total internal resistance; KLM=KM/KL : Load-mass factor; Me : Effective total masses; Ke : Elastic unit stiffness; α : Vibration coefficient determined by the boundary conditions and aspect ratio of the wall; Ec : Modulus of elasticity of concrete; tw : Wall thickness; m : Unit mass; v : Poisson’s ratio; L : Wall length in the long direction; λ : Aspect ratio of the wall (= l/b)

본 연구에서는 1방향 거동 부재에 대해 Fix-Pin(고정-힌지) 및 Fix-Fix(고정-고정) 조건과 Pin-Pin(힌지-힌지) 경계조건을 적용하였다. 변환계수는 하중이 등분포로 작용하고 부재가 탄성영역에서 거동하는 작용하는 조건을 전제로 산정하였다. 2방향 거동 부재의 경우 실무적으로 방폭 대상 벽체에 주로 적용되는 4Fix(4면 고정) 및 1Pin-3Fix(1면 힌지-3면 고정) 조건을 검토 대상으로 설정하였다.

3.2 해석 기반 고유주기 평가 방법

본 연구에서는 구조해석 프로그램인 MIDAS GEN NX 2026(V100 R1)을 사용하여 해당 프로그램에서 제공하는 Perform Analysis 기능을 활용하여 철근콘크리트(RC) 벽체의 고유치 해석을 수행하였다. 해석 모델은 단일 벽체 모델과 전체 구조물 모델로 구분하였다. 전체 구조물 모델은「방호시설 설계기준 및 예제」(KPFI, 2026)를 참고하여 평면 크기 15 m × 10 m, 높이 4 m로 설정하였으며 이 중 높이 4 m, 폭 10 m의 벽체를 평가 대상으로 선정하였다. 단일 벽체 모델은 해당 벽체와 동일한 크기로 구성하였으며 벽체 두께는 두 모델 모두 300, 500, 700 및 900 mm로 설정하였다. 경계조건의 경우 전체 구조물 모델은 지점 핀 조건과 지점 고정 조건으로 구분하였고 단일 벽체 모델은 1Pin-3Fix 및 4Fix 조건을 적용하였다. 또한 두 모델의 면외거동을 고려하기 위하여 plate 요소를 사용하였으며 요소망 크기(mesh size)는 0.3 m로 설정하였다. 해석 모델의 형상은 Fig. 5에 제시하였다. 총 16개의 해석 모델을 대상으로 모델링 범위, 벽체 두께 및 경계조건에 따른 고유주기 산정 결과의 차이를 분석하였다.

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Fig. 5

FEA models for eigenvalue analysis

4. 조건별 고유주기 평가 결과

4.1 등가단자유도 기반 고유주기 비교

등가단자유도 기반 고유주기 산정에 적용된 주요 입력 변수와 산정 결과는 Table 3Table 4에 제시하였다. Table 3은 1방향 거동 기반 근사식의 하중-질량계수, 등가강성 및 고유주기 결과를 나타내며 Table 4는 2방향 거동 기반 근사식의 형상비, 재료 물성, 진동계수 및 고유주기 결과를 나타낸다.

Table 3

Variables and results of the one-way natural period estimation method

Species ID Loading
Diagram
Behavior
Range
M
(kg)
KLMKETN
(sec)
Equation Value
(kg/sec2)
1w-T300_Pin-Pin Uniformly
Distributed
Load
Elastic
Range
2,760 0.78 384EI/5L4 18,572,879 0.0676
1w-T300_Fix-Pin 0.78 185EI/L4 44,739,356 0.0436
1w-T300_Fix-Fix 0.77 307EI/L4 74,243,148 0.0336
1w-T500_Pin-Pin 4,600 0.78 384EI/5L4 85,985,550 0.0406
1w-T500_Fix-Pin 0.78 185EI/L4 207,126,650 0.0262
1w-T500_Fix-Fix 0.77 307EI/L4 343,718,279 0.0202
1w-T700_Pin-Pin 6,440 0.78 384EI/5L4 235,944,349 0.029
1w-T700_Fix-Pin 0.78 185EI/L4 568,355,528 0.0187
1w-T700_Fix-Fix 0.77 307EI/L4 943,162,958 0.0144
1w-T900_Pin-Pin 8,280  0.78 384EI/5L4 501,467,727 0.0225
1w-T900_Fix-Pin 0.78 185EI/L4 1,207,962,624 0.0145
1w-T900_Fix-Fix 0.77 307EI/L4 2,004,565,003 0.0112

Note : M : Mass for 1 m wall width; KL: Load factor; KM : Mass factor; KLM=KM/KL : Load-mass factor; KE : Equivalent elastic unit stiffness; TN : Effective natural period of vibration

Table 4

Variables and results of the two-way natural period estimation method

Species ID L2
(m2)
λνEc
(kg·m/(sec·m)2)
tw3
(m3)
m
(kg/m2)
αTN
(sec)
Value
2w-T300_1Pin-3Fix 100 2.5 0.167 27,515,375,980 0.027 690 17.11 0.0192
2w-T300_4Fix 23.58 0.0140
2w-T500_1Pin-3Fix 0.125 1150 17.11 0.0115
2w-T500_4Fix 23.58 0.0084
2w-T700_1Pin-3Fix 0.343 1610 17.11 0.0082
2w-T700_4Fix 23.58 0.006
2w-T900_1Pin-3Fix 0.729 2070 17.11 0.0064
2w-T900_4Fix 23.58 0.0047

Note : L : Wall length in the long direction; λ : Aspect ratio of the wall (= l/b); v : Poisson’s ratio; Ec : Modulus of elasticity of concrete; tw : Wall thickness; m : Unit mass; α : Vibration coefficient determined by the boundary conditions and aspect ratio of the wall; TN : Effective natural period of vibration

등가단자유도 기반 고유주기 산정 결과를 대상으로 1방향 및 2방향 거동 가정에 따른 차이를 경계조건별로 비교하였다(Fig. 6). 1방향 거동 기반 근사식의 Fix-Fix 및 Fix-Pin 조건은 각각 2방향 거동 기반 근사식의 4Fix 및 1Pin-3Fix 조건과 대응시켰다. 두 조건 모두에서 벽체 두께가 증가할수록 고유주기는 감소하였으며 2방향 거동 기반 근사식은 1방향 거동 기반 근사식보다 작은 고유주기를 산정하였다. 평균적으로 2방향 거동 기반 근사식에 의한 고유주기는 1방향 거동 기반 근사식과 비교하였을 때 Fig. 6(a)에서 약 58 %, Fig. 6(b)에서 약 56 % 감소하였다. 이는 2방향 거동 기반 근사식이 1방향 거동 가정에 비해 가장자리 구속 효과를 더 크게 반영하여 벽체 강성을 높게 산정하기 때문으로 판단된다. 따라서 등가단자유도 기반 고유주기 산정 시 거동 가정과 경계조건 가정에 따라 결과가 달라질 수 있으므로 해석 기반 방법 등 다른 산정 방법과의 비교를 통해 결과의 신뢰성을 높이는 것을 기대할 수 있다.

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Fig. 6

Natural period variation with wall thickness for one-way and two-way behavior

4.2 해석 기반 고유주기 비교

해석 기반 고유주기 산정에 사용된 대표 모드의 모드 번호, 고유주기, 질량 참여율 및 모드 벡터 최댓값을 Table 5에 정리하였다. 대표 모드 선정 시 면외방향 질량 참여율과 모드 벡터 최댓값을 고려하여 대표 고유주기를 선정하였다.

Table 5

Modal analysis results for isolated planar wall and whole structure models

Species ID Mode No Period
(sec)
TRAN-X TRAN-Y Mode Values
(Abs Max)
MASS (%) SUM (%) MASS (%) SUM (%)
I-T300_1Pin-3Fix 1 0.0202 0.00 0.00 59.85 59.85 314
I-T300_4Fix 1 0.0148 0.00 0.00 56.57 56.57 315
I-T500_1Pin-3Fix 1 0.0126 0.00 0.00 60.58 60.58 314
I-T500_4Fix 1 0.0094 0.00 0.00 57.69 57.69 315
I-T700_1Pin-3Fix 1 0.0094 0.00 0.00 61.49 61.49 314
I-T700_4Fix 1 0.0072 0.00 0.00 59.01 59.01 315
I-T900_1Pin-3Fix 1 0.0077 0.00 0.00 62.47 62.47 314
I-T900_4Fix 1 0.0061 0.00 0.00 60.35 60.35 315
W-T300_Base-Pin 8 0.0278 0.00 73.27 18.87 19.06 1089
W-T300_Base-Fix 10 0.0200 0.00 76.44 66.90 70.54 1088
W-T500_Base-Pin 7 0.0203 0.00 79.06 75.30 75.42 1088
W-T500_Base-Fix 7 0.0189 0.00 74.54 78.90 78.90 1084
W-T700_Base-Pin 4 0.0195 0.00 78.01 80.87 80.89 1086
W-T700_Base-Fix 4 0.0185 0.00 70.93 78.03 78.11 844
W-T900_Base-Pin 4 0.0192 0.00 77.40 80.62 80.83 1084
W-T900_Base-Fix 4 0.0181 0.00 71.49 76.30 77.84 844

이때, Table 5의 W-T300_Base-Pin 모델의 질량 참여율은 18.87 %로 다른 해석 모델 대비 낮은 질량 참여율을 나타내었다. 이러한 원인으로 해당 모델의 경우 다른 해석 모델보다 상대적으로 벽체 두께가 얇고 경계조건이 Pin으로 구성되어 있기 때문에 구조체의 강성이 낮아 대표 모드의 질량 참여율이 특정 모드에서 크게 나타나는 것이 아닌 여러 모드에 분포되어 나타나는 것으로 판단된다. 해당 모델의 질량 참여율은 8차, 13차, 19차에서 상대적으로 크게 나타났으며 각 모드에 대한 고유주기, 질량 참여율 및 모드 벡터 최댓값을 Table 6에 정리하였다. 질량 참여율은 19차 모드에서 가장 크게 나타났으나 이 경우 고유주기는 0.0175 sec로 W-T300_Base-Fix 모델의 고유주기 값인 0.0200 sec보다 작게 나타났다. 따라서 W-T300_Base_Pin 모델의 벽체 국부 대표 고유주기 선정 시 19차 모드를 제외하고 8차 모드와 13차 모드를 비교하였다. 8차 모드와 13차 모드는 질량 참여율과 모드 벡터 최댓값에서 큰 차이를 보이지 않았으나 면외방향 거동에 대해 두 모드는 다른 방향성을 나타내었다. 본 연구에서는 외부 폭발하중에 의한 벽체 면외거동을 고려하여 변형 형상이 더 적합한 8차 모드를 대표 고유주기로 채택하였다.

Table 6

Modal analysis results for the W-T300_Base-Pin Model

Mode No 8 13 19
Mode shape
(Top View)
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Period (sec) 0.0278 0.0222 0.0175
TRAN-X MASS (%) 0 0 0
SUM (%) 73.27 73.44 80.37
TRAN-Y MASS (%) 18.87 22.77 38.93
SUM (%) 19.06 41.84 80.77
Mode Values (ABS MAX) 1089 1090 1091

Fig. 7은 전체 구조물 모델과 단일 벽체 모델을 대상으로 대응하는 경계조건을 적용하여 해석 기반 고유주기 산정 결과를 비교한 결과를 나타낸다. 이때 전체 구조물 모델의 Base-Fix 및 Base-Pin 조건은 각각 단일 벽체 모델의 4Fix 및 1Pin-3Fix 조건과 대응시켜 검토하였다.

Fig. 7(a)는 전체 구조물 모델의 Base-Fix 조건과 단일 벽체 모델의 4Fix 조건을 Fig. 7(b)는 전체 구조물 모델의 Base-Pin 조건과 단일 벽체 모델의 1Pin-3Fix 조건에 대한 비교 결과를 나타낸다. 두 조건 모두에서 벽체 두께가 증가함에 따라 고유주기는 감소하였으나 감소 경향은 모델링 범위에 따라 다르게 나타났다. 전체 구조물 모델의 고유주기는 두께 증가에 따라 비교적 완만하게 감소하였으나 단일 벽체 모델은 더욱 뚜렷한 감소 경향을 나타냈다. 이는 전체 구조물 모델에서 국부 벽체의 고유주기가 대상 벽체의 가장자리에 접하는 슬래브, 측벽 및 인접 구조부재와의 연결에 영향을 받으며 대상 벽체의 두께가 두꺼워질수록 벽체를 고정단과 같이 휨 구속하기 어려워지기 때문으로 판단된다(KPFI, 2026). 반면 단일 벽체 모델은 벽체 두께 증가와 무관하게 부여된 경계조건을 직접적으로 반영하므로 벽체 두께 증가에 따른 고유주기의 감소 폭이 비교적 뚜렷하게 나타나는 것으로 해석된다.

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Fig. 7

Variation of natural period with wall thickness for whole structure and isolated wall under identical boundary conditions

따라서 해석 기반 고유주기 산정 시에는 모델링 범위와 경계조건이 대표 고유주기에 미치는 영향을 고려해야 한다. 특히 해석 결과를 대표 고유주기로 적용하는 경우 모드 형상, 면외방향 질량 참여율 및 대표 모드 선정 기준에 따라 대표 고유주기가 달라질 수 있으므로 모델링 조건과 모드 선정의 적정성을 함께 검토할 필요가 있다.

4.3 해석 기반 고유주기와 등가단자유도 기반 고유주기 비교

해석 기반 고유주기와 등가단자유도(SDOF) 기반 고유주기 산정 결과를 비교하여 산정 방법에 따른 차이를 정량적으로 검토하였다(Fig. 8). 앞선 분석에서 전체 구조물 모델과 1방향 거동 기반 근사식은 단일 벽체 모델 및 2방향 거동 기반 근사식에 비해 상대적으로 고유주기가 크게 나타나는 경향을 보였다. 따라서 본 연구에서는 해석 방법별 고유주기의 차이를 비교하기 위하여 전체 구조물 모델과 1방향 거동 기반 근사식과 비교하였고 단일 벽체 모델과 2방향 거동 기반 근사식을 비교하였다. 다만 전체 구조물 모델과 1방향 거동 기반 근사식은 경계조건의 정의와 모델링 범위가 동일하지 않으므로 두 결과는 동일 조건의 직접 비교가 아닌 모델링 범위 및 경계조건 가정에 따른 고유주기 차이를 검토하기 위한 비교로 활용하였다.

Fig. 8(a)Fig. 8(b)는 전체 구조물 모델과 1방향 거동 기반 근사식의 비교 결과를 나타낸다. Base-Fix 및 Fix-Fix 조건에서는 두 방법 간 차이가 약 7~61 %, Base-Pin 및 Fix-Pin 조건에서는 약 4~36 % 범위로 확인되었다. 특히 Fig. 8(a)에서는 두께 500 mm 이상에서 Fig. 8(b)에서는 두께 700 mm 이상에서 전체 구조물 모델의 고유주기가 1방향 근사식보다 크게 나타났다. 이는 1방향 거동 기반 근사식이 전체 구조물 수준의 유효 경계조건과 인접 부재와의 상호작용 및 강성 분포를 충분히 반영하지 못할 수 있음을 의미한다. 따라서 방폭설계 시 1방향 거동 기반 근사식을 통해 고유주기를 산정하여 설계에 적용하는 경우 고유주기가 과대 혹은 과소평가될 수 있으므로 기타 해석법과 비교 검증이 필요함을 나타낸다.

Fig. 8(c)Fig. 8(d)는 단일 벽체 모델과 2방향 거동 기반 근사식의 비교 결과를 나타낸다. 4Fix 조건에서는 약 5~29 %, 1Pin-3Fix 조건에서는 약 5~20 %의 차이가 나타났으며 전체 구조물 모델과 1방향 근사식의 비교보다 상대적으로 작은 편차를 보였다. 단일 벽체 모델과 2방향 거동 기반 근사식은 동일한 탄성 거동 및 경계조건을 전제로 하므로 전반적인 경향은 유사하게 나타났다. 그러나 고유주기 산정 시 2방향 거동 기반 근사식은 형상비와 경계조건에 따른 진동계수를 이용하여 벽체를 이상화하여 산정하지만, 해석 기반 단일 벽체 모델은 유한요소 모델에서의 요소 분할, 실제 구속 자유도, 질량 분포 및 국부 모드 형상의 영향을 함께 반영한다. 이러한 차이로 인해 동일한 경계조건을 적용하더라도 고유주기 산정값에는 일정 수준의 차이가 발생한 것으로 판단된다. 하지만 2방향 거동 기반 근사식은 1방향 거동 기반 근사식에 비하여 단일 벽체 수준의 고유주기 평가에서 비교적 양호한 대응성을 보였으므로 설계 초기 단계의 보수적 예비평가 기준으로 활용할 수 있다. 다만 일부 조건에서 20 % 이상의 차이가 나타난 만큼 향후 연구에서는 경계조건 구현 방식, 요소 분할 수준, 질량 및 강성 이상화 방법이 고유주기 산정 결과에 미치는 영향을 세분화하여 추가로 검토할 필요가 있다.

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Fig. 8

Natural periods results according to analysis variables

4.4 고유주기 산정 방법의 적용 기준 및 설계 방향

방폭설계에서는 벽체의 동적 응답 평가를 위해 등가단자유도(SDOF) 기반 근사식이 널리 활용된다. 그러나 one-way 및 two-way 거동 기반 근사식은 각각 변형 형상과 경계조건을 이상화하므로 해석 기반 결과와의 비교를 통해 적용성을 검토할 필요가 있다.

Fig. 9는 근사식 및 해석 기반 방법으로 산정한 고유주기를 비교한 결과이다. 해석 기반 고유주기는 전반적으로 one-way 거동 기반 근사식의 Pin-Pin 경계조건과 two-way 거동 기반 근사식의 4Fix 경계조건 사이에 위치하는 경향을 나타냈다. one-way 거동 기반 근사식의 Pin-Pin 경계조건은 단일 방향 휨 거동과 단순지지 조건을 가정하여 가장 큰 고유주기를 나타내었으나 two-way 거동 기반 근사식의 4Fix 경계조건은 양방향 휨 거동과 4면 구속 효과를 반영하여 가장 작은 고유주기를 나타냈다. 따라서 두 근사식은 해석 기반 고유주기의 상·하한 참조 범위로 활용할 수 있다.

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Fig. 9

Comparison of natural periods and safety evaluation according to modeling approaches

이러한 결과는 one-way 거동 기반 근사식을 단일 기준으로 적용하는 경우 조건에 따라 고유주기를 상대적으로 크게 산정할 수 있으며 이에 따라 동적 효과가 과소평가될 가능성이 있음을 시사한다. 반면 two-way 거동 기반 근사식은 면외 휨 거동에 대한 구속효과를 one-way 거동 기반 근사식에 비해 상대적으로 크게 반영하므로 구조체의 강성을 크게 평가한다. 따라서 고유주기를 실제 구조체보다 작게 평가하여 동적 효과를 크게 고려할 수 있으므로 설계 초기 단계에서 보수적인 예비평가 기준으로 활용할 수 있다.

해석 기반 방법으로 대표 고유주기를 선정하는 경우 산정값이 상·하한 참조 범위 내에서 어떠한 위치를 갖는지 검토할 필요가 있다. 해석 결과가 one-way 거동 기반 근사식의 Pin-Pin 경계조건의 고유주기보다 크게 나타나는 경우는 구조 강성 을 과소평가했을 가능성이 있으며 two-way 거동 기반 근사식의 4Fix 경계조건보다 작게 나타나는 경우는 고차모드의 과도한 반영 또는 구조 강성의 과대평가 될 가능성을 검토해야 한다. 따라서 방폭설계 시 벽체 고유주기는 1-way 및 2-way 근사식을 상·하한 참조 값으로 활용하고 해석 기반 결과와 병행하는 경우 신뢰성을 향상할 수 있을 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 방폭설계 시 벽체의 고유주기 산정 방법에 따른 차이를 비교하기 위하여 등가단자유도 기반 근사식과 해석 기반 방법을 적용하였다. 벽체 두께, 경계조건, 모델링 범위 및 거동 가정을 주요 변수로 설정하고 각 조건에 따른 고유주기 변화 경향과 산정 방법별 차이를 정량적으로 검토하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

1) 벽체 고유주기는 두께 증가에 따라 감소하는 공통적인 경향을 보였으나 동일한 두께, 경계조건이라도 산정 방법, 거동 가정, 모델링 범위에 따라 다른 고유주기를 나타냈다. 전체 구조물 모델과 단일 벽체 모델은 동일한 두께 변화에 대해서도 서로 다른 감소 폭을 보였으며 이는 벽체 고유주기가 모델링 수준과 유효 경계조건에 영향받는 해석적 변수임을 의미한다.

2) 본 연구의 대응 비교 조건에서는 two-way 거동 기반 근사식이 단일 벽체 해석 결과와 상대적으로 양호한 대응성을 보였으나 전체 구조물 모델과 one-way 거동 기반 근사식의 비교에서는 상대적으로 큰 편차가 나타났다. 이는 면외방향으로 저항하는 벽체의 경우 양방향 휨 거동을 반영한 two-way 접근이 단일 벽체 수준의 국부 응답 특성을 비교적 적절히 반영할 수 있음을 시사한다. 다만 이를 대표 고유주기 산정 기준으로 일반화하는 데에는 한계가 있다.

3) 방폭설계에서 벽체 고유주기는 특정 방법에 의존하기보다 근사식과 해석 결과를 상호 참조하여 평가하는 것이 합리적이다. 본 연구의 해석 기반 고유주기는 전반적으로 one-way 거동 기반 근사식의 Pin-Pin 조건과 two-way 거동 기반 근사식의 4Fix 조건 사이에 위치하였으며 두 근사식은 해석 결과의 상·하한 참조 값으로 활용될 수 있다. 특히 two-way 거동 기반 근사식은 설계 초기 단계에서 보수적 예비평가 기준으로 검토할 수 있다. 해석 결과를 적용하는 경우 해당 고유주기의 상대적 위치를 확인하고 모델링 범위, 경계조건, 유효 강성 및 대표 모드 선정의 적정성을 함께 검토할 필요가 있다.

따라서, 방폭설계 시 벽체의 고유주기 산정은 하나의 근사식 또는 단일 해석 결과에 의존하기보다 구조계의 모델링 수준과 설계 적용 목적을 고려하여 근사식과 해석 결과를 병행 검토하는 것이 바람직하다.

one-way 및 two-way 거동 기반 근사식은 해석 결과의 합리성을 판단하기 위한 상·하한 참조 값으로 활용할 수 있으며 해석 기반 결과와의 비교를 통해 대표 모드 선정의 적정성을 함께 검토할 수 있다. 이를 통해 고유주기 산정 과정에서 발생할 수 있는 과소 또는 과대평가 가능성을 줄이고 실무 설계 단계의 고유주기 평가에 참고할 수 있을 것으로 판단된다.

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