내진설계의 고려사항은 지난 수십 년 동안 발전되어 왔다. 인명안전(LS; life safety)만을 주요 고려사항으로 설계하였던 과거의 내진설계와는 달리, 근래의 내진설계는 인명안전 외에도 즉시거주(IO; immediate occupancy), 붕괴방지(CP; collapse prevention) 등과 같이 다양한 고려사항을 설계에 반영한다. 발전시설 등과 같이 구조물의 종류에 따라 인명안전(LS) 외에도 내부 기기의 장애가 발생하지 않도록 하는 기능성(functionality)도 중요한 고려사항이 될 수 있다. 이러한 주요 고려사항을 구조물의 '성능한계(PL; performance limit)' 또는 '한계상태(LS; limit state)'라 한다.
일반적으로 건축물의 '내진성능수준(seismic performance level)'은 다음과 같은 4단계 분류를 따른다(FEMA-273, 1997).
[1단계] '기능수행수준(operational level; OP)'
대상 지진 발생 후에도 이전과 동일하게 정상적으로 건물을 사용할 수 있다.
[2단계] '즉시거주수준(immediate occupancy level; IO)'
대상 지진 발생 후에도 건물에 계속 거주할 수 있으며, 정상적으로 사용하기 위해 경미한 보수가 필요할 수 있다.
[3단계] '인명안전수준(life safety level; LS)'
대상 지진에 의해 건물 및 설비에 상당한 손상이 발생하여 재사용을 위해서는 상당한 복구비용이 소요된다.
[4단계] '붕괴방지수준(collapse prevention level, CP)'
대상 지진에 의해 건물이 붕괴되지는 않으나 여진 발생 시 붕괴 가능성이 크고 보수에 의한 건물의 재사용은 거의 불가능하다.
내진설계에는 지진의 발생빈도와 발생한 지진에 대한 구조물의 파괴확률의 개념이 들어가 있다. 유사한 확률의 예를 들면 "우리나라 국민이 평생 교통사고가 날 확률은 35.2%, 사망확률은 1.02%로 나타났다(출처: YTN, 2010.02.09)"라는 기사가 있다. 이 경우를 내진설계와 굳이 비유한다면 교통사고가 날 확률을 지진이 발생할 확률에 해당하고 발생한 교통사고에 대해 사망할 확률이 구조물이 파괴될 확률에 해당한다고 볼 수 있다.
구조물의 내진설계에서는 지진의 크기에 따라 다른 '내진성능목표(SPO; seismic performance objective)'를 사용한다. 예를 들어,
(1) 자주 발생할 수 있는 작은 규모의 지진에 대해서는 주요 부재가 전혀 손상을 입지 않아 지진 후 즉시거주할 수 있도록 하며(기능수행수준, 즉시거주수준),
(2) 가끔 발생하는 중간 규모의 지진에 대해서는 주요 부재가 큰 손상을 입지는 않아 지진 후 손상을 복구하여 구조물을 사용할 수 있으며(즉시복구수준, 장기복구/인명보호수준),
(3) 아주 가끔 발생할 수 있는 희귀하게 큰 규모의 지진에 대해서는 주요 부재가 큰 손상을 입어 복구하여 재사용을 할 수는 없지만, 구조물의 붕괴가 발생하지 않아 인명피해가 발생하지 않도록 설계하는 것이다(붕괴방지수준).
지진의 규모별로 구조물의 성능한계를 정하여, 성능한계를 만족하도록 구조물을 설계하는 것을 '성능기반설계(performance based design; PBD)'라 한다.
설계 세부요건(즉, 사양 또는 규정)을 세세하게 규정하는 과거의 내진설계기법을 '사양설계(prescriptive design; 규정중심설계; code prescriptive design)'라고 한다. 개념상으로 환자가 의사에게 진찰 후 받은 처방전(prescription; 사양)을 약사에게 갖다 주면, 약사는 처방전에 나와 있는 약을 그대로 제조하여 환자에게 제공한다. 약사의 환자에 관한 경험과 약의 선별과 제조에 관한 기술이 전혀 반영되지 않는다.
과거의 사양기반설계와는 달리 근래의 성능기반설계는 성능목표(즉, 각 지진의 크기에 따라 다중 성능한계)를 규정하고, 구조물이 성능목표(즉, 다중 성능한계)를 만족할 수 있도록 설계자가 각자의 기술과 취향을 반영하여 구조물을 설계하는 것이다. 즉, 의사(즉, 설계기준)는 병명(즉, 성능목표)을 진단하고, 이에 대한 세세한 조치는 약사(즉, 설계자)가 경험과 기술에 따라 약을 제조하는(즉, 설계를 하는) 것이다.
한국지진공학회와 한국건설기술연구원에서 연구하고 건설교통부에서 1997년 12월에 편찬한 "내진설계기준연구(II)"가 시작점이 되었고, 2017년 7월부터 변경되어 시행된 "내진설계기준 공통적용사항(이하 공통적용사항)"을 정리하였다(KDS 17 10 00 : 2024 내진설계 일반).
구조물의 내진등급은 중요도에 따라서 3가지 등급(내진 Ⅱ등급, 내진 Ⅰ등급, 내진 특등급)으로 분류하며, 구조물별 구체적인 분류기준은 해당 구조물의 내진설계 성능기준에서 규정한다.
구조물은 기능수행수준과 붕괴방지수준의 두 가지 내진성능수준을 만족하도록 설계되어야 한다. '기능수행수준'이란 설계지진 작용 시 구조물이나 구조물에 발생한 변형이나 손상은 그 구조물이나 구조물의 기능을 차질 없이 수행할 수 있는 범위 내로 제한되는 성능수준을 의미한다. '붕괴방지수준'이란 설계지진 작용 시 구조물이나 구조물에 상당한 변형이나 손상이 발생할 수는 있지만, 그 수준과 범위는 구조물이나 구조물이 붕괴되거나 또는 구조물이나 구조물의 손상으로 인하여 대규모 피해가 초래되는 것을 방지될 수 있는 성능수준을 의미한다. 각 성능수준의 구체적인 정의는 해당 구조물의 내진설계 성능기준에서 규정한다.
공통적용사항(2017)에서는 기존의 2단계(기능수행수준, 붕괴방지수준)에서 다음과 같이 4단계(기능수행, 즉시복구, 장기복구/인명보호, 붕괴방지)로 세분화하였다.
설계지반운동의 수준은 '평균재현주기(mean return period)'를 사용하여 분류하고, 등급별 구조물은 규정된 평균재현주기를 갖는 설계지반운동에 대하여 기능수행수준, 즉시복구수준, 장기복구/인명보호수준, 붕괴방지수준을 만족할 수 있도록 설계되어야 한다. 또한 평균재현주기별 최대유효지반가속도의 비를 의미하는 위험도 계수(I)는 평균재현주기 500년 지진의 가속도를 근간으로 작성된다.
건축물의 구조설계는 1) 안전성, 2) 사용성, 3) 내구성을 확보하고 4) 친환경성을 고려한다. 이중에서 내진설계는 안전성과 관련되며, 적절한 구조계획을 통해 지진하중에 대해 건축물이 구조적으로 안전하도록 한다. 설계초기단계인 구조계획에서 1) 구조 재료, 2) 구조물 형태, 3) 구조 방식(즉, 지진력저항시스템) 등의 선택을 통해 안전성을 확보하는 것이 중요하다.
구조 재료의 특성과 함께 건물이 건설될 지역, 안전성, 경제성과 건축 계획 등을 고려하여 적합한 구조 재료를 선택하여야 한다. 내진성능이 좋은 구조물의 재료는 다음과 같은 특성을 지녀야 한다.
| 재료 성질 | 구조 재료의 특성 |
|---|---|
| 연성 | 연성 재료는 에너지 흡수능력으로 강도가 약해서 입게되는 피해를 줄일 수 있고, 반복하중 시 에너지 소산능력이 있다. |
| 강도/강성 |
1. 강도비: 항복강도 대비 충분한 인장강도 가져야 한다. '강도비' = 인장강도/항복강도 '항복비' = 항복강도/인장강도 = 1/강도비 2. 항복강도: 설계기준강도 대비 과도하지 않아야 한다. 3. 강도저하: 반복하중 작용 시 강성과 강도의 저하가 낮다. |
| 강도에 대한 무게 비 | 재료가 가벼울수록 관성력인 지진하중이 줄어들기에 가볍고 강한 재료를 선택한다. |
| 균질성 | 재료가 균질하여 지진 시 재료분리가 발생하지 않는다. |
| 부재간 연결성 | 부재간의 연결 시 접합부의 내진성능이 좋은 구조형식을 선정한다. |
| 경제성 | 월등한 내진성능을 가진다 할지라도 경제적으로 불리한 내진구조계획은 부적정하다. |
강재는 일반적으로 강도에 비해 가볍고 연성이 크므로 고층 건물에 적합하다. 강구조인 철골 구조에 횡강성을 추가하려면 가새(brace)로 보강하거나 철근콘크리트 전단벽을 도입할 수 있다. 철골 구조는 앞서 언급한 좋은 구조 특성을 가지고 있으나 중저층 구조물의 경우에 경제성이 뒤떨어질 수 있다.
내진성능이 불리한 구조물의 형태는 큰 피해를 입기 쉬우므로 건물을 계획하고 설계할 때에 이러한 구조물 형태를 충분히 고려하여 설계해야 한다.
구조물에 대한 내진설계를 할 때 최상의 결과를 얻으려면 설계자는 기능성과 경제성을 고려하여 지진 시 구조물이 의도한 내진성능에 부합하는 파괴모드를 가질 수 있도록 구조 재료와 구조물 형태 등을 결정해야 된다. 지진에 절대적으로 유리한 이상적인 구조물의 형태는 없지만 보편적으로 건축물의 외형은 다음과 같은 형태를 갖는 것이 지진 시 유리하다.
1) 단순성(simplicity): 단순한 형태
2) 대칭성(symmetry): 대칭인 형태
3) 정형성(regularity): 입면이나 평면에서 길이와 폭의 비가 크지 않은 형태
4) 연속성(continuity): 강성과 강도가 균일하고 연속적으로 분포된 형태
5) 강기둥-약보(SC-WB): 부재의 항복이 기둥보다 보에서 먼저 발생하는 형태
부적절한 형태를 갖는 구조물은 응력집중과 비틀림, 불리한 파괴모드 등에 의해서 그렇지 않은 구조물보다 피해를 입을 확률이 높다.
일반적으로 내진설계에서 고려해야 할 평면의 형태를 다음과 같이 1) 단순성, 2) 대칭성, 3) 정형성으로 구분하여 설명한다.
단순한 외형을 가지는 구조물이 지진 시 복잡한 외형들 가지는 구조물보다 더 좋은 거동을 한다. 구조설계에서 복잡한 구조물보다 단순한 구조물이 선호되는 이유를 열거하면 다음과 같다.
1) 단순한 구조물의 거동 예측이 쉽다.
2) 단순한 구조물의 상세설계가 쉽다.
3) 단순한 구조물의 시공이 쉽다.
건물 형태의 대칭은 평면에서 뿐만아니라 입면에서도 매우 중요한 개념이다. 또한 건물의 형태와 함께 구조적으로도 대칭을 이루어야 지진에 대하여 효율적으로 거동을 할 수 있다. 외형적 또는 구조적으로 구조물이 대칭성을 잃으면 지진 시 비틀림이 발생하므로, 설계 시 3차원 해석이 필요하며 상세설계 시에도 주의가 필요하다.
내진설계기준에서는 건축 구조물을 평면 비정형성 및 수직 비정형성 구조물로 유형을 구분한다. 비정형 구조물은 응력집중, 약층 등 지진에 취약하고 지진 시 거동 예측이 복잡하다.
다음 표에 나열된 특징 중 하나 이상에 해당되는 건물은 '비정형성(irregularity)'을 가진 것으로 정의한다.
| 번호 | 유형 | B | 내진설계범주 D |
|---|---|---|---|
| H-1 | 비틀림 비정형 (T) | δmax > 1.2 δave | C, D |
| H-2 | 요철형 평면 (R) | 돌출부분의 치수가 같은 방향 평면치수의 15% 초과 | - |
| H-3 | 격막의 불연속 (D) | 뚫린 격막 부분이 전체 격막 면적 또는 강성의 50% 초과 | - |
| H-4 | 면외 어긋남 (O) | 횡력저항 수직부재의 면외 어긋남 | B, C, D 특별지진하중 적용 |
| H-5 | 비평행 시스템 (N) | 횡력저항 수직부재의 주축에 평행하지 않거나 비대칭 | C, D |
| 번호 | 유형 | B | 내진설계범주 D |
|---|---|---|---|
| V-1 | 강성 비정형-연층 (S) | 1) 횡강성 70% 미만 인접층 연층 2) 횡강성 80% 미만 평균 연층 3) 변위각 130% 미만 예외 4) 2층 이하 건물 예외 |
D |
| V-2 | 중량 비정형 (W) | 유효중량 150% 초과 | D |
| V-3 | 기하 비정형 (G) | 수평치수 130% 초과 | D |
| V-4 | 횡력저항 수직요소 비정형 (I) | 하부층 강성감소 발생 | B, C, D 특별지진하중 적용 |
| V-5 | 강도 불연속-약층 (W) | 직상층 횡강도의 80% 미만 강도 65% 미만 약층 → 구조물 높이는 2층 또는 9m 이하이어야 함. 단, 약층이 설계하중× Ω0를 지지할 수 있다면 높이 제한을 적용하지 않음 |
B, C, D |
내진설계를 고려한 입면에 대한 구조 계획은 다음과 같은 사항들이 고려될 수 있다.
높이 대 폭의 비(즉, 세장비)가 3 또는 4가 넘으면 지진 시 다음과 같은 문제가 발생할 수 있으므로 주의해야 한다.
1) P-Δ 효과에 의한 큰 횡변위 발생
2) 구조물에서 발생하는 큰 전도모멘트를 안정하게 지지할 큰 기초 필요
3) 상부 구조물의 동적 거동에 미치는 고차 진동모드의 영향 증가
질량 중심이 건물의 상부에 위치할 경우, 지진 시 질량 중심에 작용하는 관성력으로 건물의 하층과 기초에 큰 전단력과 전도모멘트를 작용시키므로 주의해야 한다.
건물의 수평 방향 강성 분포가 급격히 변하는 것을 피하기 위하여 건물의 입면 형태가 급격히 변하는 것을 피해야 한다. 입면의 형태가 한 층간에서 큰 차이가 일어나는 것을 '셋백(setback, 후퇴)'이라 하는데, 이 경우에는 셋백이 발생한 층에서 동적 응답이 크게 변화하여 응력집중이 발생한다. 이러한 응답을 분석하기 위해서는 고급정밀해석이 필요하다.
일반적으로 건물에서 인접한 두 층사이의 평면적의 변화가 25% 이상 차이가 나면 셋백이 있다고 보고, 셋백이 발생한 층에서의 응력집중과 전단력의 전달 경로에 대한 특별한 고려가 필요하다.
골조 중앙에 위치한 거더 중앙에서 기둥을 통한 중력하중과 지진하중의 간섭이 발생한다.
인접한 두 건물이 동일하게 보일지라도, 지진 시 같은 위상으로(즉, 동일한 방향으로) 거동한다고 보장할 수 없다. 따라서 인접한 두 건물을 연결하는 통로는 횡방향 이동을 허용하는 경계조건(예: 롤러)이 될 수 있도록 한다.
높이가 다른 바닥판 배치는 횡방향 구조부재와 수직방향 구조부재와의 강결가정을 무효로 만들 수 있다. 건물의 동적응답 중에 발생하는 수평 관성력은 특히 짧은 내부 기둥에 과도한 부재력을 발생시킬 수 있다.
강성과 강도가 건물 높이에 따라 불연속적으로 변할 경우, 위험한 구조응답을 유발할 수 있다. 내진설계기준에서는 강성이 작은 경우를 '연층(軟層, soft story)'이라고 하고, 강도가 약한 경우를 약층(弱層, weak story)로 구분한다. 층강성의 급격한 변화로 인해 해당 구조물의 동적 변위응답은 연층에 의해 지배될 수 있다. 감소된 층강성은 강도 감소를 동반할 수 있으므로, 이러한 약층에 매우 큰 비탄성 변형이 집중될 수 있다.
지진 시 많은 건물이 약층으로 붕괴된다. 높이에 따라 층의 강성과 강도를 일정하게 또는 점진적으로 감소시키면, 강진 시 약층과 같은 특정 부분에 변형이 집중될 가능성이 줄어든다.
1층에 넓은 개방 공간을 제공하고자 할 때 설계자는 종종 건물의 전체 높이에 걸쳐 연장될 수 있는 구조벽체를 2층에서 종료할 수 있다. 이 경우 1층은 벽체들에서 횡강성이 제공되지 않으므로 약층(弱層, weak story)으로 될 것이다. 이로 인해 1층에 큰 변형이 발생되므로, 1층 기둥에 연성이 크게 요구되어 1층 기둥의 연성능력을 훨씬 초과할 수 있다. 이에 대해 '연결보(connection beam)'로 결합된 벽체를 기초부까지 연장하는 것이 대안이 될 수 있다.
하나 이상의 중간층에서 벽체를 중단하거나 제거한다면 앞서 설명한 바와 같이 해당 층에 집중적인 층간변위가 발생할 것이다. 이러한 강성과 강도의 불연속성에 대한 대안으로 높이에 따른 강성과 강도를 보강하여 예상되는 힘과 변위를 수용할 수 있도록 할 수 있다.
엇갈린(staggered) 패널 벽체는 횡지진력에 대한 단단한 하중 경로를 제공할 수 있다. 하지만 이 경우 지진력을 전달하기 위해 벽체 모서리에서 적절한 연성이 필요하며, 이 연성을 확보하기 위한 철근콘크리트 구조상세는 매우 어렵다. 이 경우 모든 패널 벽체를 하나의 단일 캔틸레버로 조립하면 골조와 벽체의 상호작용과 관계없이 우수한 횡력저항시스템을 얻을 수 있다.
2층 이상에서 축적된 지진력(즉, 전단력)이 2층 바닥판을 통해 1층 좌측의 짧은 벽체의 상부에 큰 전단력으로 전이(transfer)된다. 이것은 1층의 비틀림과 2층 바닥판의 하중전이에서 과도한 지진 요구(demand)를 필요로 한다. 이에 대한 대안으로 긴 벽을 1층까지 연장하면, 좌측의 짧은 벽으로 밑면전단력을 공유하는 효과까지 가질 수 있다.
지진에서 반복적으로 관찰되는 기둥 손상의 원인 중에 하나는 '채움벽(infill wall)'과 같은 단단한 비구조요소와 변형된 부재의 간섭이다. 조적벽의 우측 상단 모서리는 기둥의 유효길이를 줄이고 횡방향 강성을 증가시킨다. 지진력의 크기는 횡방향 강성에 비례하므로 기둥은 실제 저항할 수 있는 것보다 더 큰 전단력을 견뎌야 한다. 적절하게 소성설계가 되지 않은 기둥의 취약한 중간 부위는 이 증가된 전단력으로 인해 취성휨파괴가 발생할 수 있다. 이러한 주요 중력하중을 지지하는 1차 부재의 예상치 못한 파괴는 건물 전체의 붕괴로 이어질 수 있다. 따라서 설계자가 해야 할 중요한 작업 중에 하나는 비탄성 지진응답으로 구한 1차 부재의 변형이 간섭없이 발생할 수 있도록 보장해 주는 것이다.
보-기둥 접합부의 보강, 철근의 정착 및 이음, 강재의 접합(용접, 볼적이음) 등은 지진 시 구조물의 일체성을 유지하는 핵심 요소이다. 설계자는 상세도서와 시방서에 설계 및 시공요구사항을 정확히 제공하여 접합부의 내진성능을 확보해야 한다.
지진 발생 시 구조물의 붕괴를 방지하기 위해 보-기둥 연결부에서 가능한 한 기둥의 휨강도가 보의 휨강도보다 크도록 설계하는 원칙이다. 이는 부재의 항복이 수직재인 기둥보다 수평재인 보에서 먼저 발생하도록 유도하여 전체 구조시스템의 연성 능력을 극대화한다.
슬래브에 과도하게 큰 개구부가 있거나 평면 형태가 T, L, U형과 같이 날개(wings)가 있는 경우, 강성의 급격한 변화로 인해 응력집중과 비틀림이 발생한다. 이를 방지하기 위해 지진력저항시스템을 평면 양측 끝에 배치하거나, 슬래브 개구부를 제한하여 횡력 전달 경로의 연속성을 확보해야 한다.
구조물은 수직하중(예: 자중 등)과 수평하중(예: 지진하중, 바람하중 등)을 견딜 수 있도록 설계한다. 수평하중인 지진하중에 저항하도록 구성된 구조시스템을 '지진력저항시스템(seismic force resisting system)' 또는 '횡력저항시스템(lateral force resisting system)'이라 한다. 일반적으로 건축물의 내진설계에 사용되는 지진력저항시스템은 다음과 같다.
'내력벽시스템(bearing wall system)'은 다음과 같은 지진력저항시스템이다.
1) 수직하중에 대한 저항: 전단벽
2) 지진하중에 대한 저항: 전단벽
'전단벽(shear wall)'은 벽면에 평행한 횡력을 지지하도록 설계된 벽으로, 전단벽은 지진하중에 대하여 충분한 면내 횡강성과 횡강도를 발휘해야 한다. 이 경우 모멘트저항골조시스템에서 발생하는 지나친 횡변위가 나타나지 않고 안전성이 증가되지만, 전단벽의 취성 전단파괴가 발생할 수 있다. 철근콘크리트 전단벽의 경우에는 균일성과 연속성이 양호하면 연성 능력과 에너지 소산 능력이 증대될 수도 있다(예: 보통전단벽 vs 특수전단벽). 강재 전단벽의 경우에는 국부 좌굴이 발생하지 않도록 보강하는 것이 중요하다.
'건물골조시스템(building frame system)'은 다음과 같은 지진력저항시스템이다.
1) 수직하중에 대한 저항: 보, 슬래브, 기둥으로 구성된 골조(frame)
2) 지진하중에 대한 저항: 전단벽(shear wall)이나 가새골조(braced frame) 등
연성모멘트골조(특수모멘트골조 혹은 중간모멘트골조)가 전체 설계지진력의 25% 이상을 저항하지 못하여 이중골조시스템의 요건에 부합하지 않은 경우, 건물골조시스템에 해당한다. 건물골조시스템으로 설계 시 연성모멘트골조를 적용할 경우에는 전단벽이나 가새골조가 지진하중의 100%를 저항하도록 설계할 필요는 없으며, 골조가 지진하중의 일부를 부담하도록 설계할 수 있다. 다만, 건물골조시스템에서 보통모멘트골조로 설계하는 경우에는 설계지진력의 100%를 횡력시스템이 저항하도록 설계한다.
'가새골조(braced frame)'란 횡력에 저항하기 위하여 건물골조방식 또는 이중골조방식에서 중심형 또는 편심형의 수직트러스 또는 이와 동등한 구성체를 말한다. 가새골조는 가새가 골조에 접합되는 위치에 따라 중심가새골조와 편심가새골조로 분류한다.
트러스메커니즘에 의하여 부재의 축력에 의하여 횡하중을 저항하는 가새골조이다. 즉, 각 부재의 중심선이 한점에서 만나는 방식이다. 중심가새골조는 횡변위가 적게 발생하여 비구조재의 파괴가 적으나, 가새의 좌굴에 의한 피해가 발생하기 쉽고 구조물의 연성이 좋지 못하다. 만일 가새가 매우 가늘어서 인장력에 대해서만 지탱할 수 있다면 가새가 인장력과 압축력을 모두 지지할 수 있는 경우보다 내진성능은 좋지 않다. 이것은 인장력만을 지탱할 수 있는 가새에서는 한쪽 방향으로 영구 변형이 누적되는 현상이 발생하기 때문이다.
경사가새가 설치되어 가새부재 양단부의 한쪽 이상이 보-기둥 접합부로부터 약간의 거리만큼 떨어져 보에 연결되어 있는 가새골조이다. 즉, 각 부재의 중심선이 한점에서 만나지 않는 방식이다. 중심가새골조에 비하여 연성능력을 향상시킬 수 있다. 편심가새골조는 가새의 축력이 보에 휨과 전단으로 전달된 후에 기둥으로 전달된다. 편심가새골조는 중심가새골조보다 연성이 좋으며, 비탄성 거동의 대부분이 보에서 발생하고 갑작스런 파괴모드의 방지가 억제되므로 파괴모드의 조절이 용이한 방식이다.
'모멘트저항골조시스템(moment resisting frame system)' 또는 '모멘트골조시스템(moment frame system)'은 다음과 같은 보와 기둥으로 구성된 가장 기본적인 지진력저항시스템이다.
1) 수직하중에 대한 저항: 모멘트골조
2) 지진하중에 대한 저항: 모멘트골조
내진설계에서 모멘트골조의 가장 큰 장점은 취성-전단파괴모드를 피할 수 있는 것이지만 횡변위가 크게 발생하는 약점이 있다. 그러므로 가새나 전단벽 등으로 보강되지 않는 골조는 전단 변형이 크므로 충분한 연성을 갖도록 접합부를 설계하여야 한다.
건축물 내진설계기준에서는 횡력에 대한 저항능력을 증가시키기 위하여 부재와 접합부의 연성을 증가시킨 모멘트골조를 '연성모멘트골조(ductile moment frame)'라고 하며, 중연성도와 고연성도의 연성능력을 발휘할 수 있도록 각 재료기준에 따라서 연성요구조건을 만족해야 한다. 건축물 내진설계기준에서는 연성능력에 따라 모멘트골조를 다음과 같이 분류한다.
1) 보통모멘트골조(ordinary moment frames; OMF)
연성거동을 확보하기 위한 특별한 상세를 사용하지 않은 모멘트골조
2) 중간모멘트골조(intermediate moment frames; IMF)
연성모멘트골조의 일종으로서 중연성도의 연성능력을 가지도록 설계된 모멘트골조
3) 특수모멘트골조(special moment frames; SMF)
연성모멘트골조의 일종으로서 고연성도의 연성능력을 가지도록 설계된 모멘트골조
모멘트골조의 횡력에 대한 저항은 주로 골조작용에 의해(즉, 골조부재 및 접합부에서의 휨모멘트 및 전단력의 전달에 의해) 제공된다. 지진하중과 같은 반복 하중이 작용하는 경우에 연성파괴를 일으키려면 부재를 접합부에 강결(剛結; rigid connection; 강하게 결합)하는 것이 바람직하다. 모멘트골조의 횡변위는 강결된 보와 기둥의 휨을 발생시키므로, 모멘트골조의 횡강성과 횡강도는 보와 기둥의 휨강성과 휨강도에 영향을 받는다.
'이중골조방식(dual system)'이란 다음과 같은 지진력저항시스템이다.
1) 수직하중에 대한 저항: 보, 슬래브, 기둥으로 구성된 골조(frame)
2) 지진하중에 대한 저항: 모멘트저항골조와 전단벽(또는 가새골조)의 조합
여기서 모멘트저항골조는 지진력의 25% 이상을 부담하는 연성모멘트골조이다.
[해설]
이중골조시스템으로 설계하기 위해서는 모멘트저항골조가 설계지진력의 25%를 부담하여야 하며, 또한 연성상세 적용을 통해 일정 이상의 변형능력을 갖도록 설계되어야 한다.
(방법 1)
설계지진력의 25% 이상을 부담할 수 있는가에 대한 판단은 이중골조시스템에 대하여 산정된 지진하중 크기 및 분포의 25%에 대하여 전단벽이나 가새골조의 도움 없이 독립된 모멘트저항골조가 저항할 수 있는가에 의하여 결정된다. 이러한 요건을 만족하면, 이중골조시스템으로써 전체 지진력에 대하여 설계할 수 있다.
(방법 2)
수직적으로 구조시스템의 변화가 크지 않으며, 3차원 구조해석 프로그램을 사용하여 전체 구조시스템을 동시에 모델링하여 해석할 때에는 밑면전단력을 근거로 이중골조시스템의 해당 여부를 판별할 수 있다. 즉, 모멘트골조가 부담하는 밑면전단력이 전체 밑면전단력의 25% 이상일 경우에는 이중골조시스템으로 볼 수 있다.
'역추형시스템(逆錘形; inverted pendulum type structures; 매달린 추를 뒤집어 놓은 모양)'이란 바닥에 고정된 캔틸레버 기둥처럼 거동하며 횡력을 지지하는 지진력저항시스템을 말한다.
[해설]
상부에 중량물을 지지하는 기둥 및 골조, 세장한 벽체 등과 같이 횡력에 대하여 캔틸레버처럼 거동하는 구조물의 경우 역추형시스템으로 분류할 수 있다. 역추형시스템은 여유도와 시스템초과강도가 작고, 대부분의 비탄성 변형이 기둥 등 수직부재 하부에 집중된다. 따라서 다른 지진력저항시스템과 비교하여 역추형시스템은 상대적으로 작은 설계계수(반응수정계수, 초과강도계수, 변위증폭계수 등)를 사용한다.
'전단벽-골조 상호작용 시스템(shear wall-frame interactive system)'은 전단벽과 골조의 상호작용을 고려하여 강성에 비례하여 지진력을 저항하도록 설계되는 전단벽과 골조의 조합구조시스템이다.
철근콘크리트 보통 전단벽-골조 상호작용 시스템은 횡력에 저항하도록 설계된 철근콘크리트 보통전단벽과 철근콘크리트 보통모멘트골조의 조합을 이용한 구조시스템이다. 전단벽은 어느 정도까지 횡력에 저항할 수 있지만, 일정 수준 이상의 횡력저항능력을 갖기 위해서 골조를 추가한다.
[해설]
수치적으로 구조시스템의 변화가 크지 않으며, 3차원 구조해석 프로그램을 사용하여 전체 구조시스템을 동시에 모델링하여 해석할 때에는 각 층에서 전단벽-골조 상호작용 시스템의 해당여부를 판별할 수 있다. 즉, 모멘트골조가 부담하는 층전단력이 전체 층전단력의 25% 이상일 경우에는 전단벽-골조 상호작용 시스템으로 볼 수 있다.
KDS 41 31 00(건축물 강구조 설계기준)의 내진설계 특별 고려사항을 제외한 일반 규정만을 만족하는 시스템이다. 지진력저항시스템에 속하는 강구조 부재는 재료의 요구조건을 만족해야 하며, 반응수정계수가 작은 시스템에 주로 적용된다.
KDS 41 30 00(건축물 콘크리트구조 설계기준)에서 4.18 내진설계 시 특별 고려사항을 제외한 나머지 규정을 준수한 시스템이다.
[KDS 41] 14.3 지진력저항시스템 규정에 따라, 지상구조물의 지진력저항시스템이 지하층까지 연장되거나 지하외벽에 의해 구속되는 구조이다. 지하구조물은 지상에 비해 강성과 강도가 매우 크므로 별도의 내진 설계 원칙을 적용받는다.