제2장 내진설계란?
목차
2.1 구조설계
2.1.1 구조설계의 원리
구조설계의 기본 원리는 구조물을 공격하는 외부하중의 크기인 D(Demand, 요구)보다 이를 방어하는 구조물의 능력인 C(Capacity, 능력)를 크게 확보하는 것이다. 이러한 관계는 다음과 같은 '안전부등식(Safety Inequality)'으로 표현된다.
여기서 D는 지진, 바람 등 구조물에 작용하는 외력을 의미하며, C는 구조물의 하중지지능력 및 변위지지능력을 의미한다. 이 부등식은 설계 단계뿐만 아니라 유지관리 및 리모델링 등 구조물의 전체 사용 수명 기간 동안 성립되어야 안전을 보장할 수 있다. 만약 D가 C보다 커질 경우 구조물에는 과도한 변위, 균열, 진동이 발생하며 최종적으로 파괴에 이르게 된다.
2.1.2 좋은 구조물의 형상
- 강성(Stiffness): 구조물이 변형에 저항하는 능력으로, 주로 사용성(진동, 변위 제어)과 밀접한 관련이 있다.
- 강도(Strength): 구조 부재가 파괴되지 않고 견딜 수 있는 최대 하중을 의미한다.
- 연성(Ductility): 구조물이 파괴에 이르기 전까지 에너지를 흡수하며 변형될 수 있는 능력으로, 내진 성능의 핵심 요소이다.
안전성 관점에서 우수한 구조물은 외부 하중이 지표면이나 지지점으로 원활하게 전달될 수 있는 하중 경로(Load Path)를 갖춘 형상을 의미한다. 구조물의 성능을 결정짓는 주요 요소는 다음과 같다.
2.2 D(요구) vs C(능력)
2.2.1 D: 외부하중의 공격
구조물에 작용하는 하중은 시간적 변동성에 따라 정적 하중과 동적 하중으로 구분된다. 지진하중은 대표적인 동적 하중으로, 발생 확률에 기초한 '재현주기'를 통해 그 크기를 정의한다. 하중계수와 조합을 통해 산정된 소요강도는 구조물이 반드시 견뎌내야 할 최소한의 요구치(D)가 된다.
2.2.2 C: 구조물의 저항
구조물의 방어 능력(C)은 재료의 강도와 부재의 기하학적 특성에 의해 결정된다. 실제 설계 시에는 재료와 시공의 불확실성을 고려하여, 공칭강도에 강도감소계수(저항계수)를 곱한 설계강도를 산정하여 보수적으로 평가한다.
2.3 내진설계와 내진성능평가
2.3.1 구조설계 vs 내진설계
일반적인 구조설계가 중력하중에 대한 안전성에 집중한다면, 내진설계는 지진에 의한 수평 변동 하중을 고려한다. 특히 경제성과 인명 보호를 목적으로, 극심한 지진 시 구조물의 부분적인 손상(균열 등)은 허용하되 전체적인 붕괴는 방지하여 인명 피해를 최소화하는 것을 목표로 한다.
2.3.2 내진설계 vs 내진성능평가
- 내진설계: 신축 구조물을 대상으로 하며, 기준에서 정한 보수적인 설계계수를 적용하여 충분한 안전율을 확보한다.
- 내진성능평가: 이미 완공된 기존 구조물을 대상으로 하며, 현장 조사를 통한 실제 재료 강도와 상세 치수를 바탕으로 구조물의 실제적인 거동 능력을 평가한다.
2.3.3 내진설계 역사와 의무대상
(1) 내진설계 역사
국내 내진설계 기준은 1988년 최초 도입 이후 지진 발생 사례와 기술 발전에 따라 지속적으로 강화되었다. 초기 6층 이상 건축물에서 시작하여, 2017년 이후에는 2층 이상 건축물까지 대상이 크게 확대되었다.
(2) 내진설계 의무대상
현행 건축법 시행령에 따르면 2층 이상(목조 3층), 연면적 200m² 이상, 높이 13m 이상인 건축물 등은 반드시 내진설계를 수행하고 관련 확인 서류를 제출해야 한다.
(3) 내진능력 공개
지진으로부터 시민의 안전을 보호하기 위해, 내진설계 의무대상 건축물은 사용승인을 받는 즉시 건축물의 내진능력을 일반에 공개하도록 규정하고 있다.
[연습문제]
■ 내진능력 공개 (22년 건축기사)
사용승인을 받는 즉시 건축물의 내진능력을 공개하여야 하는 대상 건축물의 층수 기준은? (단, 목구조 건축물의 경우이며 기타의 경우는 고려하지 않는다.)
① 2층 이상 ❷ 3층 이상 ③ 6층 이상 ④ 16층 이상
[풀이]
❷ 2층 이상 건물 (목조건물은 3층 이상)