{Q} 건물골조시스템을 건축계획상 코어가 편심이 크게 배치되어 해석 시 1차모드가 z방향(비틀림 방향)일때도 적용가능한가?

질문은 "해석상으로 전단벽이 횡력을 다 가져간다고 가정하더라도, 실제 건물은 비틀림 때문에 골조가 엄청난 변형을 겪는데 이를 무시해도 되는가?"이다. 질문자의 판단처럼 편심이 심하고 1차 모드가 비틀림인 경우, 건물골조시스템을 적용하는 것은 가능은 하지만, '골조에 영향을 주지 않으면서 전단벽이 횡력을 다 받는다'는것은 어렵다고 판단된다.

1. "횡력 부담 25% 미만"의 함정 (힘 vs 변형)

KDS 41(건축구조기준)에 의하면 건물골조시스템의 정의는 "전단벽이 횡력의 대부분(약 75 ~ 100%)을 저항하고, 골조는 주로 중력하중을 지지하는 시스템"이다. 하지만 이것은 힘(Force)의 분배에 관한 이야기일 뿐, 변형(Displacement)에 대한 얘기가 아니다. 즉, 해석상으로 모델링에서 전단벽 강성이 커서 골조가 가져가는 전단력이 25% 미만으로 나올 수 있지만, 지진 시 실제 거동은 코어(전단벽)를 중심으로 건물이 비틀린다. 코어에서 먼 쪽의 골조는 부채꼴 모양으로 매우 큰 횡변위를 겪게 되므로, 골조가 횡력(전단력) 자체는 적게 받더라도, 강제로 발생되는 변형(Drift)을 견디지 못하면 기둥이나 보에서 파괴가 발생하여 건물이 붕괴될 수 있다.

2. 필수 검토 사항: 변형적합성 (Deformation Compatibility)

KDS 41 17 00 (내진설계기준)에서는 이러한 문제를 방지하기 위해 '변형적합성' 조항을 두고 있다. 변형적합성 요건은 주지진력저항시스템(여기서는 전단벽)에 포함되지 않는 부재(골조)라 하더라도, 설계지진변위(\( \delta u \) )에 의해 발생하는 변형을 견딜 수 있도록 설계해야 한다. 즉, "골조가 횡력을 안 받으니 OK"가 아니라, "비틀림으로 인해 골조가 찢어질 듯이 휘어질 텐데, 그걸 버틸 수 있는가?"를 계산해서 검토해야 한다.
특히 1차 모드가 비틀림일 정도면 외곽 기둥의 변형량이 매우 크기 때문에, 이를 무시하고 일반 중력 저항용으로만 설계하면 문제가 발생할 가능성이 매우 크다.

3. 규제 사항

1) 해석법 제한

1차 모드가 비틀림 모드(z방향)라는 것은 해당 건물이 '비틀림 비정형'에 해당할 확률이 매우 높다. 이 경우에 동적 해석 필수적으로 필요하고, 등가정적해석법 사용이 금지될 가능성이 높으며, 반응수정계수(R) 등을 이용한 3차원 동적해석을 반드시 수행해야 한다.

2) 비정형 계수 적용

우발편심 고려 시 한쪽 모서리의 변위가 평균의 1.2배(비틀림 비정형)를 초과하면, 전단벽 설계를 할 때 증폭계수(\( A_x \))를 곱해서 설계를 강화해야 한다.

3) 시스템 제한

내진설계범주(Seismic Design Category)가 D등급인 경우, '비틀림 비정형' 건물의 건축이 제한되거나 구조 시스템 자체를 재검토해야 할 수 있다.

4. 실무 고려 사항

편심이 심하여 1차 모드가 비틀림으로 나오는 경우, '건물골조시스템'을 고집하여 골조를 약하게 설계하는 것은 바람직하지 않다.

1) 변형적합성 검토 수행

해석 프로그램(Midas Gen 등)에서 골조 기둥까지 모두 모델링에 포함시킨 후, 비틀림에 의한 변위를 강제로 입력했을 때 기둥이 항복하거나 파괴되지 않는지 확인해야 한다.

2) 이중골조시스템 고려

차라리 골조가 횡력의 25% 이상을 부담하도록 골조 강성을 키우거나 전단벽 배치를 조절하여 '이중골조시스템(Dual System)'으로 가는 것이 구조적으로 훨씬 안정적이고 경제적일 수 있다. (변형을 못 버티면 어차피 철근을 더 넣어야 하기 때문이다.)

요약하면 전단벽이 횡력을 다 받아준다는 논리로 골조 검토를 생략하면 안 된다. 비틀림 때문에 외곽 골조는 큰 변형을 겪게 되며, 이를 견디도록 내진설계를 하여야 한다.