1. 서 론

기존 지하구조물 건설에서는 일반적으로 흙막이용 가설 벽체를 시공한 후, 그 내부에 영구 지하벽체를 시공하는 방식을 채택해 왔다. 이러한 방식은 공정이 복잡하고 단계가 많아 시공 효율성과 경제성이 저하되는 문제를 일으켰다. 특히, 흙막이 가설 구조물의 지지구조와 영구 지하시설의 구성 부재 간 간섭이 발생하며, 차수 공법 적용의 어려움과 협소한 시공 공간으로 인한 문제도 꾸준히 제기되었다. 이와 같은 문제들을 해결하기 위해, 가설 벽체를 영구 벽체로 활용할 수 있는 방안을 모색하게 되었고, 그 결과 RC 슬러리월을 대체할 수 있는 강재 지하 연속벽 구축 공법이 개발되었다. 이 공법은 가설 부재와 영구 부재를 하나의 영구벽체로 통합함으로써 중복 공정을 제거하고 차수 성능을 개선하며, 구조물의 전체적인 강성을 증가시켜 시공 효율성과 공간 활용성을 높일 수 있다[1].

한편, 2019년부터 시행된 지하구조물 내진설계 기준(KDS 41 17 00)에 따라 지하구조물도 내진 해석 대상에 포함되었다[2]. 대부분의 내진 설계에서는 지하 외벽이 주요 내진 역할을 담당하며, 슬래브는 횡력 저항 요소로 사용된다. 그러나 슬래브를 강체 격막으로 가정할 경우 실제 지반과 구조물의 변형 양상이 다르게 나타나며, 지진 하중이 지하 외벽에 횡력으로 작용할 때 슬래브에 축력 및 휨모멘트가 전달되어 변형이 발생할 수 있다. 이에 따라 슬래브의 면내 강성을 과대평가할 위험이 존재하며, 이러한 위험을 고려한 슬래브의 강성을 포함한 지진 해석이 필요하다.

최근에서야 지하구조물 내진 해석에서 슬래브 강성을 고려한 연구가 본격적으로 주목받고 있다. 기존 연구는 주로 PC 구조와 슬러리월 사이의 격막 상호작용에 중점을 두었으며[3, 4], 강재 연속벽과 슬래브의 상호작용에 대한 연구는 상대적으로 부족하여 슬래브를 모델링하지 않고 각 층의 절점을 구속한 강체 모델로 설계하는 경우가 많았다[5]. 이러한 설계 방식은 슬래브의 휨강성을 반영하지 않으므로 지진 하중이 지하 외벽에 횡력으로 작용할 때 슬래브에 축력과 휨모멘트가 전달되는 과정을 충분히 반영하지 못할 가능성이 있으며, 경제성 측면에서도 손실이 발생할 수 있다[6].

따라서 본 연구는 지하구조물의 시공성과 경제성을 향상시키기 위해 강재 지중 연속벽의 슬래브 강성 검증을 수행하고자 한다. 본 연구에서는 지하 영구벽체로 활용 가능한 강재 지중 연속벽의 슬래브 강성을 조절하여 절점을 구속한 강체 격막 모델과 실제 슬래브를 모델링한 반강체 격막 모델을 비교 분석함으로써, 슬래브의 강성이 지진 해석 결과에 미치는 영향을 평가하였다.

2. 수치해석모델

2.1 강재지중연속벽 해석을 위한 등가 단면

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 복잡한 구조 형상을 가진 강재 지중 연속벽을 구조해석 프로그램인 Midas Gen에서 직접 구현하기에는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해, 강재 지중 연속벽의 단면을 동일한 단면 특성을 갖는 등가 직사각형 단면으로 변환하였다(Fig. 2). 등가로 환산된 단면의 면내 및 면외 두께를 결정하여, Fig. 2(b)와 같이 2차원 요소의 두께를 설정하였다.

강재 지중 연속벽의 패널 중심 간격은 621 mm로, 이는 벽체 간 연결 및 면내 전단 설계를 위한 벽체의 전단력을 결정하기 위함이다. 각 패널 사이의 간격을 21 mm로 설정하여, 등가 환산 단면의 길이를 600 mm로 결정하였다(Fig. 2(b)). 원래 단면과 동일한 휨 강성을 갖도록 면내 및 면외 두께를 산정한 결과, 면내 등가 두께는 69 mm, 면외 등가 두께는 348 mm로 계산되었다(Table1).

등가 환산 단면의 정확성을 검증하기 위해 Midas Gen을 사용하여 Fig. 3의 캔틸레버 벽에 대한 수치해석을 수행하였다. 이후, 동일한 조건에서의 변위 계산식 (1), (2)과 비교하였다. 그 결과, 면내 및 면외 방향에서 각각 0.11%와 0.44%의 오차가 발생하여 구조해석에서 허용 가능한 범위 내에 있음을 확인하였다(Table2).

추가로, 산정된 등가 환산 단면을 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS에서 실제 단면으로 모델링하여 Midas Gen의 등가 환산 단면 모델과 비교 하였다(Fig. 4). 비교 결과, Table 3과 같이 4.49%의 오차를 보여주었으며, 이는 구조 해석 및 설계에 있어 실용적인 정확도를 갖는 것으로 판단된다.

2.2 요소 설정

본 연구에서는 강재지중연속벽의 수치해석에 사용된 요소의 특성은 강재 지중연속벽의 면외 휨강성을 고려하여 Wall - Plate - Plate base로 구성되었다. 지하연속벽의 모델링에서 요소의 크기와 비율은 구조해석의 정확도에 큰 영향을 미친다. 일반적으로 콘크리트 지하연속벽은 층별로 판넬의 높이와 폭(h/b) 비율이 작아, 보통 한 개의 층에 한 개의 요소로 사용된다. 그러나 본 연구에서 다루는 강재지중연속벽의 경우, 한 판넬의 폭이 상대적으로 짧고 길이가 긴 특성을 가지고 있다. 이러한 특성으로 인해, 한 층에 한 개의 요소만 사용하면 요소 비율에 따른 오차가 발생할 수 있으며, 이 오차는 판넬 간 수직 전단 연결재인 테두리보의 전단력에도 영향을 미친다. 이러한 이유로 구조체가 과다설계될 가능성이 있으므로, 요소의 비율(h/b)에 따른 적절한 크기로 분할하여 모델링하는 것이 중요하다.

이상적인 요소의 높이/폭 비율은 1이지만, 요소를 많이 분할할 경우 해석 시간이 증가하고 결과 분석에도 어려움이 발생할 수 있다. 따라서, 강재 판넬의 요소 분할에 따른 테두리보 전단력의 변화를 분석하였다. 각 층의 요소를 0에서 10까지 분할하여 요소의 비율에 따른 전단력을 비교하였다. 분석 결과, Fig. 5에서 확인할 수 있듯이, 요소 비율이 증가할수록 테두리보의 전단력은 감소하였으며, 요소 비율이 1에 가까워질수록 전단력은 점차 수렴하 였다.

비교 대상 위치는 층고(h) 3.3 m, 폭(b) 0.6 m인 강재지중연속벽 판넬 간 테두리보로 설정하였다. 분석 결과, h/b 비율이 3 이하에서 h/b 비율이 1인 경우와 약 4.89%의 차이를 보였으며, 이를 통해 테두리보의 전단 설계를 위한 강재지중연속벽의 적절한 요소 분할 기준을 Table 4와 같이 산정하였다. 이러한 결과는 강재지중연속벽의 해석 모델에서 보다 정확한 설계를 가능하게 하며, 과다설계를 방지하는 데 기여할 수 있다.

2.3 지진하중에 의한 면내 전단력 계산 방법

지하구조물의 경우, 지진과 같은 외부 하중이 발생할 때 수평 방향으로 큰 힘이 작용한다. 이때 면내 전단력은 이러한 수평 하중을 견디고 구조물의 안정성을 유지하는 데 핵심적인 역할을 한다. 특히 영구벽체로 사용되는 구조물은 장기적으로 지반의 움직임, 외부 충격, 진동 등 반복적인 하중을 지속적으로 받아야 하기 때문에, 면내 전단력이 충분히 확보되지 않으면 벽체가 구조적 손상을 입을 가능성이 크다.

면내 전단력을 해결하기 위해서는 강재 판넬 간의 일체화된 거동이 필수 적이다. 이를 실현하기 위해 강재 판넬 간의 수직 시공 이음부에서는 두 가지 연결 방법을 적용할 수 있다. 첫 번째 방법은 지하구조물의 슬래브 층에서 테두리 보 역할을 하는 강판 플레이트와 강재 벽체를 볼트로 체결하는 기본 연결 방식이다. 이 기본 연결 방식만으로는 충분한 전단 저항 성능을 확보하기 어려운 경우, Fig. 6(b)과 같이 2차 볼트를 이용하여 추가 접합을 실시할 수 있다.

각 층의 수직 시공 이음부 최대전단력은 Table 5와 같다. 전단력에 대한 설계 검토 결과를 Table 6에 나타냈다. Fig. 7의 적색 영역으로 표시된 B1F 와 B2F 층에서 추가적인 전단 설계가 필요함을 확인하였다. 이에 따라 두 가지 연결 방법을 사용하여 강재 지중 연속벽의 면내 전단력을 해결하였으며, 이를 통해 영구벽체로서의 성능을 입증하였다[7].

이와 같이 새로운 지하 영구벽체는 두 가지 연결 방법을 통해 면내 전단력을 효율적으로 해결함으로써, 영구적인 구조물로서 안정성을 확보하고 외부 하중에 대한 저항성을 보장할 수 있음을 확인하였다.

2.4 슬래브의 격막 효과 고려 방법

본 연구에서 사용된 해석 모델의 구조 부재 배치는 Fig. 9에 제시된 바와 같다. 해석 모델에서는 앞서 계산된 등가 환산 단면을 적용한 강재 지중 연속 벽을 구조 부재로 사용하였으며, 강재 강도로는 SRT355를 적용하였다. 연구 대상 구조물은 지하 5층 규모로, 총 높이는 –21.20 m로 설계되었다. 슬래브의 면내 및 면외 강성이 지하 외벽과 내부 지진력 저항 부재의 하중 분담에 미치는 영향을 분석하기 위해, 지하 구조물의 중심에 내부 코어를 포함한 모델을 구성하였으며, 슬래브는 두께 200 mm, fck = 30 MPa로 설계되었다. Fig. 8에 나타난 강체 격막 모델(Rigid Diaphragm Model)은 내부 코어와 지하 외벽을 모델링한 후, 슬래브를 모델링하지 않고 각 층의 질량 중심을 구속하는 방식으로 구성되었다. 반면, 반강체 격막 모델(Semi-Rigid Diaphragm Model)은 슬래브를 실제로 모델링하여 지진하중이 슬래브를 통해 적절히 분배되도록 고려하였다.

해석 모델은 C사에서 설계한 구조물과 지반 조건을 기반으로 하였으며[8], 해당 구조물은 인천광역시의 지상과 지하를 통합한 지상 96.7 m, 지하 21.2 m 모델로 설계되었다. 통합 모델을 이용해 응답변위법을 적용하여 지진 하중을 산정한 후, 지하 구조물만을 대상으로 구조 해석을 진행하였다. 본 연구의 설계하중은 Table 7과 같다. 강체 격막 모델과 반강체 격막 모델은 하중 분배 방식에서 차이를 보인다. 지진 및 정적 토압의 경우, 두 모델 모두 지하 외벽의 면외방향에 수직한 하중을 동일한 조건으로 입력하였고[9, 10], 토압으로 인한 면내 전단력 비교를 위해 상단 8 m 아래는 토양스프링을 없게 만들었다[11]. 그리고 지진하중의 경우, 질량 중심에 작용하는 하중이 각 휨 저항 수직부재들로 분배된다. 강체 격막 모델에서는 Midas Gen 프로그램을 사용하여 각 층의 질량 중심을 구속함으로써 지진하중을 고려하였다[12]. 반면, 반강체 격막 모델에서는 지진하중의 적절한 분배를 위해 별도의 하중 분배 작업이 필요하며, Midas Gen 내에서 층 구속을 하지 않은 경우 지진하중 분배 기능을 활용하였다.구조물의 지진하중 재하는 Fig. 8에 나타나 있으며, 하중의 작용 방향은 Fig. 9에 제시되어 있다.

3. 해석에 대한 결과 및 분석

3.1 Diaphragm에 따른 거동 형상

강재 지중 연속벽의 강체 격막 슬래브와 반강체 격막 슬래브에 대해 설계 하중 작용 시 전단력을 비교하고, 전단력 분포 및 변형 형상을 해석하여 구조적 차이를 분석하고자 한다. 이를 위해 해석 모델의 X 및 Y 방향 변형 형상과 면내 전단력 분포도를 Figs. 10~13에 제시하였다.

강체 격막 모델과 반강체 격막 모델의 변형 형상 및 면내 전단력 분포를 비교한 결과, 강체 격막은 X 및 Y 방향에서 각 층이 동일한 변위를 나타내며, 이는 일관된 구조적 거동을 의미한다. 강체 격막 구조는 모든 층에 동일한 변위를 강제하여 구조물의 유연성을 제한하고, 특정 부위에서 국부적인 응력 집중 가능성을 높인다. 특히, 지진 같은 동적 하중이 작용할 때 강체 격막 구조는 슬래브와 벽체 사이의 응력을 효과적으로 분산하지 못해[13], 특정 부위에서 과도한 응력이 발생해 구조적 손상이나 파손 위험이 증가할 수 있다. 반면, 반강체 격막은 슬래브의 일부 변형을 허용하여 하중을 유연하게 분산 시켜 국부적인 응력 집중을 완화할 수 있다. 이는 구조물의 안정성을 높이고, 외부 하중에 대한 내구성을 강화할 수 있는 장점으로 작용한다[14].

전단력 분포에서도 격막 종류에 따라 차이가 나타났다. 반강체 격막 구조는 슬래브의 변형이 자유롭게 일어나며, 이에 따라 특정 부위에 전단력이 집중될 가능성이 있다. 반강체 구조에서는 이러한 집중을 효과적으로 분산하여 구조적 부담을 줄일 수 있는 장점이 있지만, 집중 부위에 따라 설계 보강이 필요할 수도 있다.

벽체에 강체와 반강체 다이아프램으로 접합할 경우 벽체 차이는, 강체 다이아프램에 비하여 반강체 다이아프램은 변형이 발생하여 변형에너지를 흡수하므로, 동일한 횡변위에 대해 벽체에 전달되는 변형에너지를 줄일 수 있다(Fig. 10). 즉, 강체 다이아프램으로 인해 벽체에서 발생하는 응력집중현 상이 반강체 다이아프램의 경우 줄어들 수 있을 것으로 판단된다.

강체 격막은 특정 부위의 응력 집중으로 인해 구조적 손상 가능성이 증가할 수 있다. 이는 특히 지진과 같은 큰 동적 하중에서 심화될 수 있으며, 구조물의 특정 부위에서 파손이 발생할 가능성이 높아진다. 반면, 반강체 격막은 응력 분산 효과를 가지지만, 변형 허용으로 인해 특정 부위에서 전단력이 집중될 수 있으며, 이 경우 보강 설계가 필요할 수 있다.

3.2 지하 외벽의 변형성능 평가

지하 외벽의 횡변위와 층간변위는 구조물 안정성 평가에 중요한 요소로, 특히 지진과 같은 외부 하중에 대한 저항성을 판단하는 데 필수적이다. 본 연구에서는 반강체 격막 구조와 강체 격막 구조를 비교하여 횡변위와 층간변위 차이를 분석하고, 슬래브 면내 강성이 구조물 전체 거동에 미치는 영향을 평가하고자 한다. 이를 위해 지하외벽의 횡변위 및 층간 변위 결과를 Fig. 14, Tables 8, 9에 나타내었다[15].

지하 외벽의 횡변위 및 층간변위를 비교한 결과, 반강체 격막 구조에서는 X 방향에서 0.145 mm, Y 방향에서 0.03 mm 감소하여 강체 격막 구조보다 변위가 줄어드는 경향을 보였다. 이 결과는 슬래브의 면내 강성이 외벽 벽체 거동에 유의미한 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 또한, 대한민국의 건축 구조 설계 기준(KDS 41 17 00)에 따르면 층고가 3 m일 때 허용 층간변위는 최대 15 mm에서 최소 6 mm 사이로 규정되어 있다. 따라서 반강체 격막 구조에서 관찰된 변위는 설계 기준 내에서 매우 작은 수치로 나타났다.

반강체 격막 구조의 슬래브 면내 강성은 지하 외벽의 횡변위와 층간변위를 줄여 구조적 안정성에 긍정적인 영향을 준다. 이는 지진이나 강풍 같은 외부 하중에 대한 저항력 향상으로 이어질 수 있으며, 구조물의 수명 연장에도 기여할 수 있다. 특히, 설계 기준 내에서 변위를 유지함으로써 보다 안전한 구조물 설계가 가능하다.

반강체 격막 구조의 변위 감소는 지진이나 외부 충격 시 구조물의 전체 흔들림을 줄여 건축물 및 내부 시설물의 손상을 줄일 수 있다. 또한, 변위 감소로 인해 균열이나 미세한 손상 발생 가능성도 낮아져, 장기적으로 유지보수 비용 절감에 기여할 수 있다.

3.3 지하 외벽과 내부 코어의 전단력 비교

지하 외벽과 내부 코어의 전단력을 비교하여, 각 구조가 하중을 분담하는 방식과 그로 인한 전단력 차이를 분석하고자 한다. 이를 통해 강체 격막과 반 강체 격막이 지하 외벽과 내부 코어에 미치는 영향을 파악하며, 하중 분산과 지반 스프링의 해제 효과를 고려한 설계 개선점을 도출할 수 있다. 지하외벽 전단력과 내부코어 전단력을 Figs. 15~20, Tables 10~12에 나타내었다.

지하 외벽 전단력 분석 결과, B5F에서 가장 큰 전단력이 나타났고, X와 Y 방향 모두 반강체 격막 벽체의 전단력이 감소했다. 이는 슬래브의 횡변형으로 인해 지하 외벽이 부담하는 하중이 줄어들었음을 의미한다. 반면 Y 방향 강체 격막 벽체에서는 B2F에서 지반 스프링이 해제되면서 전단력이 2257 kN 증가했다. 이는 하중에 비해 휨 강성이 낮은 경우, 지반 스프링의 횡방향 지지가 해제될 때 전단력이 증가하는 현상을 보여준다. 특히, Y 방향 벽체는 면내 길이(25.8 m)에 비해 면외 길이(46.8 m)가 더 길어 토압의 영향을 더욱 크게 받는다. 이러한 결과는 지반 스프링이 지하 구조물의 지진 시 거동에 중요한 영향을 미친다는 것을 시사한다[16].

내부 코어의 X 방향 전단력은 지하 외벽의 면내 벽체와 유사한 경향을 보인다. 그러나 슬래브의 면내 휨변형으로 인해, B2F~B4F의 반강체 격막 내부 코어 전단력은 강체 격막보다 최대 16.6% 크다. Y 방향에서도 모든 층에서 반강체 격막 모델의 내부 코어 전단력이 더 크게 나타났다. 이는 강체 격막의 경우 슬래브 면내 강성이 강체로 작용해 지하 외벽과 변위가 동일하며 전단력 또한 동일한 경향을 나타내기 때문이다. 반강체 격막 모델의 최대 전단 력은 17786 kN으로, 슬래브의 큰 변형이 전단력 증가에 기여한 것이다.

강체 격막과 반강체 격막의 내부 코어 및 지하 외벽 전단력 분석 결과, X 방향 벽체에서는 반강체 격막이 강체 격막에 비해 전단력이 감소하는 경향을 보였다. 이는 반강체 격막의 슬래브가 더 자유롭게 변형하며 지하 외벽에 전달되는 하중을 일부 내부 코어로 분산시킨 결과다. 반면 Y 방향에서는 B2F와 B4F에서 반강체 격막의 전단력이 더 크게 나타났으며, 이는 지반 스프링 해제에 따른 하중 재분배가 전단력 증가에 기여한 것으로 해석된다.

B5F에서는 X 방향 벽체 전단력이 14.7%, Y 방향 벽체 전단력이 12.6% 감소했다. 이는 반강체 격막 슬래브의 변형으로 인해 지하 외벽이 부담하는 하중이 줄어든 결과로, 슬래브의 유연한 거동이 외벽에 작용하는 하중을 완화하여 전단력이 감소한 것으로 분석된다. 반강체 격막 구조는 하중을 효과적으로 분산시킬 수 있는 장점이 있으나, 내부 코어의 전단력은 상대적으로 증가할 수 있어, 설계 시 내부 코어 보강을 고려할 필요가 있다. 이를 통해 안전하고 균형 잡힌 구조물 설계가 가능해질 것이다.

3.4 면외 강성 평가

면외 강성 스케일을 0.1~1로 조정하여 Figs. 21, 22에 나타내었다. 벽체의 변위, 최대 전단력와 같은 변수를 비교한 결과, 변위와 전단력이 감소했으나 변화는 미미했다[17].

이러한 변화가 미비한 이유는, 슬래브의 면외 강성이 구조물의 전체적인 거동에 미치는 영향이 상대적으로 제한적이기 때문이다. 면외 강성은 슬래브의 휨 변형 저항력을 의미하는데, 지하 구조물에서는 주로 면내 전단력이 중요한 역할을 하므로, 면외 강성의 조정이 구조 전체에 큰 영향을 미치지 않는다. 또한, 지하 구조물의 경우 주변 지반이 추가적인 지지력을 제공하여 면외 강성의 변화에 따른 구조적 거동의 변화가 제한적이다.

이로 인해, 면외 강성 조정이 구조적 안전성에 미치는 영향은 크지 않다. 면외 강성의 변화에 따른 변위와 전단력의 감소는 미미하여, 구조물의 전체적인 안정성에는 큰 영향을 주지 않는다. 따라서, 설계 시 면외 강성의 조정은 주된 고려사항이 아니며, 면내 강성에 더 중점을 두는 것이 구조적 안정성을 확보하는 게 더 중요하다.

4. 결 론

강재지중연속벽은 흙막이 가설 벽체와 영구 벽체의 기능을 동시에 수행하는 지하 수직 벽체이다. 강재지중연속벽의 면내 전단력 문제 해결 방법을 제시하고, 내부 코어와 등가 환산 단면을 이용해 지하 구조물을 모델링하였다. 응답 스펙트럼을 이용해 지진 해석을 실시하였으며, 실제 슬래브를 모델링하여 슬래브가 지하 구조물 전체에 미치는 영향을 확인하기 위해 본 연구를 진행하였고, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

격막 효과를 반영하면 실제와 가까운 해석 결과를 얻을 수 있으며, 경제성을 확보할 수 있다. 그러나 해석 시간 등의 문제가 있어 아직 널리 반영되지 않고 있다. 추후 연구에서는 슬래브 변형이 다양한 하중 조건에서 강재 지중 연속벽의 장기 거동에 미치는 영향을 다루어, 보다 안전한 설계 방안을 제시할 필요가 있다.