제진구조에서는 댐퍼의 에너지소산에 의한 내진성능 향상을 기본으로 하므로 구조물의 내진성능은 댐퍼의 설계에 크게 의존적이다. 그러나 현행 내진설계기준에서는 하중기반설계에 의해 제진구조를 설계하는 절차를 제시하고 있어, 소성역에서 효율적인 에너지소산능력을 실현할 수 있는 제진구조를 설계하는데 어려움이 있다. 또한 반응수정계수 적용에 따라, 구조물의 비선형 거동을 감소된 하중으로 반영하여 탄성으로 설계하므로 개별 부재의 항복 후 거동을 전혀 파악할 수 없다. 따라서 이와 같은 설계방법에서는, 댐퍼에 요구되는 소성변형능력을 정량화하는데 한계가 있고, 다양한 에너지소산특성을 가지는 댐퍼의 소성변형능력의 차이에 의한 영향을 설계에 반영하는데 어려움이 있다.
한편, 제진구조에서는 댐퍼 특성의 편차에 따른 구조적 비정형성과, 댐퍼의 비정형 배치에 의해 구조물에 비틀림 효과가 초래될 가능성이 잠재한다. 현행 설계기준에서는 제진구조의 비틀림 효과를 설계에 반영하기 위해 시간이력해석을 실시하여 응답증폭의 영향을 고려하도록 규정하고 있다. 그러나 비틀림 효과를 고려한 댐퍼의 설계방법에 대한 명확한 기법이 제시되어 있지 않아, 댐퍼의 설치에 따른 내진성능 향상 효과를 검증하기 위해서는 반복적인 해석이 불가피하게 수반되고, 반복시행에 의한 최종 해석결과에 따라 댐퍼를 설계하는 것에 의존하고 있다.
본 연구에서는 현행 하중기반설계가 가지고 있는 불합리성을 제고하고, 이와 동시에 비틀림 효과에 대응하여 제진구조의 내진성능을 향상시키기 위한 설계방법을 제안하고자 한다. 이를 통해, 시간이력해석에 의한 정밀평가 이전에 최적에 가까운 댐퍼의 특성치를 설계단계에서 산정하고, 제진구조의 응답을 예측할 수 있는 설계방법을 제안하고자 한다. 결과적으로 제진구조의 성능을 향상시키는 것과 동시에 설계자가 의도한 성능을 실현시키는 제진구조의 설계절차를 제시하는 것을 목적으로 한다.
제진구조의 성능설계를 위한 설계방법으로서 본 연구에서는 에너지의 개념을 이용하였다. 지진으로 인해 구조물에 입력되는 총입력에너지와 구조물의 이력거동에 의하여 소산되는 이력에너지의 관계를 이용하여 구조물을 설계하는 에너지기반설계는, 기존 하중기반설계가 가지고 있는 불합리성을 제고하고 최근 주목받고 있는 성능기반설계를 실현하기 위한 합리적인 방법으로 평가되고 있다. Akiyama (1985)에 의해 제안된 에너지평형식에 기반한 내진설계에서는 지진에 의한 구조물에의 하중효과를 에너지 입력으로 고려한다. Akiyama (1985)는 평면골조를 가지는 일반 내진구조를 대상으로, 구조물에 입력되는 총에너지가 각 층 및 각 부재에 어떻게 분배되는지, 에너지 분배를 지배하는 설계변수는 어떤 것인지를 에너지의 관점에서 요약해 내진설계 체계를 구축하였다. 에너지기반설계를 이력형 댐퍼가 설치된 제진구조의 설계에 확대 적용하고 그 적용성을 평가한 연구가 수행되어왔다. 그러나 에너지의 개념에 기초한 제진구조설계와 관련한 현재까지의 연구에서는 제진구조의 설계와 관련되는 설계변수의 고려 범위가 다소 제한적이며 설계식을 일반화하기 위해 필요한 변수해석이 충분히 이루어지지 않았다. 또한 평면골조에 댐퍼가 설치된 제진구조로 그 대상이 한정되어 있고 댐퍼를 제외한 구조부재가 탄성 거동을 하는 것으로 가정하고 있다. 또한 제진구조의 비틀림 효과 및 이로 인한 응답증폭의 영향을 에너지의 관점에서 고려한 설계방법에 관한 연구는 거의 전무한 실정이다.
이상의 연구 배경에 따라 비틀림 효과를 고려한 제진구조의 에너지기반 설계절차를 제안하기 위해 본 연구에서 수행한 세부 연구는 다음과 같다.
첫째, 에너지평형식에 기반하여 제진구조를 정식화하였다. 정식화에 따라 개략설계에 필요한 응답예측식을 도출하였다. 둘째, 설계에 필요한 변수들의 조합에 따른 응답해석을 실시하여, 골조와 댐퍼의 손상분담 특성을 분석하였다. 이에 따라 골조의 손상분담을 최소화하기 위한 설계변수의 적정 설계범위를 제안하였다. 또한 설계층전단력 분포에 따른 댐퍼의 층 손상분포 특성을 분석하여, 각 층에 배치된 댐퍼에 손상이 골고루 분포되도록 유도하는 설계조건을 제안하였다. 셋째, 구조물의 비틀림 효과를 고려한 응답해석을 통해 제진구조에 입력되는 에너지의 특성을 분석하고 에너지응답스펙트럼의 안정성을 평가하였다. 넷째, 편심비에 따른 골조와 댐퍼의 손상분담을 평가하여 비틀림 효과가 존재하는 경우에도 골조의 손상이 최소화되고 댐퍼가 대부분의 지진에너지를 전담하여 흡수하도록 하는 설계조건을 제시하였다. 다섯째, 비틀림 효과가 작용하더라도 특정 층의 댐퍼에 손상이 집중되지 않고 각 층에 배치된 댐퍼의 손상이 균등하게 분포되도록 유도하는 설계층전단력 분포를 제안·검증하였다. 이상의 연구에서 도출된 결과를 종합하여 최종적으로 비틀림 효과를 고려한 제진구조의 에너지기반 설계절차를 제안하였다. 제안형 설계절차의 적용성을 검증하기 위하여 예제구조물을 설계하고 시간이력해석에 의해 내진성능을 평가하였다.