제137회 건축구조기술사 1교시 참고답안
1. 건축구조물 고유주기의 약산법 (KDS 41 17 00)
건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)에 따른 고유주기 약산법은, 복잡한 고유치 해석(동적 해석)을 수행하기 전, 밑면전단력(V)을 산정하기 위해 건축물의 근사적인 기본 고유주기(T_a)를 구하는 간단한 경험식입니다.
이 약산주기(T_a)는 건축물의 높이(h_n)와 구조 시스템의 종류에 따라 결정됩니다.
약산식
T_a = C_t × (h_n)^(x)
- T_a: 건물의 근사기본주기 (sec)
- h_n: 밑면에서 최상층(지붕)까지의 높이 (m)
- C_t, x: 구조 시스템의 종류에 따라 결정되는 계수 (아래 표 참조)
구조 시스템별 계수 (C_t, x)
| 구조 시스템 | C_t | x |
|---|---|---|
| 강 모멘트골조 (횡력의 100% 저항) | 0.0724 | 0.8 |
| 철근콘크리트 모멘트골조 (횡력의 100% 저항) | 0.0466 | 0.9 |
| 강 중심가새골조 | 0.0731 | 0.75 |
| 강 편심가새골조 | 0.0731 | 0.75 |
| 기타 모든 구조물 (예: 전단벽 구조 등) | 0.0488 | 0.75 |
* 참고: 철근콘크리트 또는 철골 전단벽 구조물의 경우, T_a = 0.0058 × (h_n) (단, h_n은 피트 단위) 라는 별도 약산식을 사용할 수도 있습니다. (KDS 41 17 00 5.4.2.2 (2))
* 해석 고유주기(T)는 약산주기(T_a)의 C_u배를 상한값으로 하여 사용해야 합니다.
2. 비감쇠 강제진동 (c=0)의 일반해 및 공진
제시된 운동방정식 my'' + cy' + ky = P₀cos(ωt) 는 강제진동 시스템을 나타냅니다. 여기서 c=0 이라는 조건은 감쇠(Damping)가 없는 '비감쇠 강제진동' 시스템을 의미합니다.
방정식: my'' + ky = P₀cos(ωt)
1) 일반해 (General Solution)
비감쇠 강제진동의 일반해 y(t)는 '자유진동해(y_h)'와 '강제진동해(y_p)'의 합으로 구성됩니다.
y(t) = y_h(t) + y_p(t)
- 자유진동해 (y_h, Homogeneous Solution):
- 외부 하중이 0일 때의 해. (my'' + ky = 0)
- y_h(t) = A·sin(ω_n·t) + B·cos(ω_n·t)
- (단, A, B는 초기조건(y(0), y'(0))에 의해 결정되는 상수)
- (ω_n = sqrt(k/m) = 시스템의 고유진동수)
- 강제진동해 (y_p, Particular Solution):
- 외부 하중(P₀cos(ωt))에 의해 발생하는 정상상태(Steady-state) 응답.
- y_p(t) = (P₀ / (k - mω²)) × cos(ωt)
- (ω = 외부 하중의 강제진동수)
- 최종 일반해:
y(t) = A·sin(ω_n·t) + B·cos(ω_n·t) + (P₀ / (k - mω²)) × cos(ωt)
2) 공진현상 (Resonance) 발생조건
공진은 외부 하중의 진동수가 시스템의 고유진동수와 일치할 때 발생하는 현상입니다.
- 발생 조건: ω = ω_n (강제진동수 = 고유진동수)
- 현상 설명:
- 위 일반해의 강제진동해(y_p) 분모를 보면 (k - mω²) 입니다.
- 고유진동수 ω_n = sqrt(k/m) 이므로, k = mω_n² 입니다.
- 만약 ω = ω_n 이 되면, 분모는 (k - mω_n²) = (k - k) = 0 이 됩니다.
- 분모가 0이 되므로, 강제진동해(y_p)의 진폭(Amplitude)이 이론적으로 무한대(∞)로 발산하게 됩니다.
- 이를 공진(Resonance)이라 하며, 실제 구조물에서는 감쇠(c)가 존재하므로 무한대가 되지는 않지만, 매우 큰 진폭이 발생하여 구조물이 파괴될 수 있습니다.
3. 불연속 접촉면 발생 시 해석방법
구조물의 부재 사이에서 불연속 접촉면(Discontinuous Contact Surface)이 발생할 경우, 이는 일반적인 선형(Linear) 해석으로는 거동을 정확히 예측하기 어렵습니다. 이러한 접촉면은 인장력(Tension)은 전달하지 못하고 압축력(Compression)만 전달하거나, 특정 한계 이상의 마찰력이 작용해야 미끄러지는 등 비선형적(Non-linear) 거동을 보이기 때문입니다.
이러한 불연속 접촉면을 해석하는 방법은 비선형 유한요소해석(Non-linear FEA)이며, 특히 '접촉(Contact) 해석' 기법을 사용합니다.
1. 접촉 해석 (Contact Analysis)의 개념
접촉 해석은 두 개 이상의 부재가 서로 접촉하거나 분리될 때 발생하는 복잡한 물리적 상호작용(힘 전달, 마찰, 변형)을 모델링하는 해석 기법입니다.
2. 접촉 해석의 주요 모델링 요소
- 접촉 쌍 (Contact Pair) 정의:
- 유한요소모델에서 어느 면이 서로 접촉할 가능성이 있는지 정의합니다.
- 일반적으로 변형이 더 클 것으로 예상되는 면을 '접촉면(Contact Surface)', 상대적으로 강성이 큰 면을 '대상면(Target Surface)'으로 지정합니다.
- 접촉 거동 정의 (수직 방향):
- 접촉 전 (Gap): 두 면이 떨어져 있는 상태. 힘 전달이 없음.
- 접촉 후 (Compression): 두 면이 접촉하면, 압축력(수직력)만 전달합니다. (인장력 전달 불가)
- 침투(Penetration)를 허용하지 않거나(Hard Contact), 미세한 침투를 허용(Soft Contact)하는 모델을 사용합니다.
- 접촉 거동 정의 (접선 방향):
- 마찰 (Friction): 접촉면 사이의 접선 방향 거동을 정의합니다.
- 쿨롱 마찰 모델 (Coulomb Friction): 가장 일반적으로 사용되며, 마찰계수(μ)를 입력합니다. (접선력 F_t ≤ μ × F_n (수직력))
- 접선력이 최대 정지 마찰력보다 작으면 미끄러지지 않고(Sticking), 크면 미끄러집니다(Sliding).
3. 해석 기법
- 비선형 해석: 접촉/분리/미끄러짐 상태는 하중에 따라 계속 변하는 '경계 비선형성(Boundary Non-linearity)'입니다.
- 증분 해석 (Incremental Analysis): 하중을 한 번에 가하지 않고, 여러 단계로 조금씩 나누어(증분) 각 단계마다 접촉 상태(Contact Status)가 변하는지(개방, 폐쇄, 미끄러짐)를 반복 계산(Iteration)하여 최종 해를 구합니다.
4. 프리스트레스트 콘크리트(PSC)의 응력손실
프리스트레스트 콘크리트(PSC)의 응력손실(Prestress Loss)은 긴장재(Tendon)에 도입된 초기 프리스트레스(긴장력)가 시간의 경과 및 다양한 요인에 의해 영구적으로 감소하는 현상을 말합니다. 이는 설계 시 반드시 고려해야 하는 중요한 요소입니다.
1) 응력손실의 발생 원인별 구분
응력손실은 크게 '즉시 손실'과 '시간 의존적 손실'로 구분됩니다.
| 구분 | 손실 항목 | 발생 원인 |
|---|---|---|
| 즉시 손실 (Immediate Loss) |
탄성 수축 (ES) | - PSC 도입 시 콘크리트 부재가 압축되면서, 콘크리트 내의 긴장재도 함께 수축하여 발생하는 손실. |
| 정착장치 활동 (A) | - (포스트텐션) 긴장재를 정착(Anchorage)시킬 때, 웨지(Wedge) 등이 밀려 들어가면서 발생하는 미세한 길이 손실. | |
| 마찰 손실 (F) | - (포스트텐션) 쉬스(Sheath) 관과 긴장재 사이의 마찰(파상마찰, 곡률마찰)로 인해 긴장력이 끝단까지 100% 전달되지 못하는 손실. | |
| 시간 의존적 손실 (Time-dependent Loss) |
크리프 (CR) | - 콘크리트가 지속적인 압축력(PSC)을 받으면서 시간에 따라 천천히 변형(수축)하여 발생하는 손실. |
| 건조 수축 (SH) | - 콘크리트 내부의 수분이 증발하면서 체적이 수축하여 발생하는 손실. | |
| 긴장재 릴랙세이션 (RE) | - 긴장재(PS 강재) 자체가 일정한 길이(높은 인장)로 유지될 때, 시간이 지남에 따라 응력(긴장력)이 스스로 감소하는 재료적 특성. |
2) 공법별 계산순서가 달라지는 이유
프리텐션과 포스트텐션은 콘크리트 타설과 긴장력 도입의 순서가 다르기 때문에, 각 손실 항목이 서로에게 미치는 영향이 달라져 계산 순서가 달라집니다.
- 프리텐션 (Pre-tension): 긴장재 긴장 → 콘크리트 타설/양생 → 긴장력 해제 (PSC 도입)
- 긴장력 해제(PSC 도입) 시점에 '탄성수축'이 발생합니다.
- 따라서, 이전에 발생한 '릴랙세이션'(타설~양생 기간)은 탄성수축의 영향을 받지 않고, 이후 발생하는 릴랙세이션은 탄성수축만큼 줄어든 응력을 기준으로 계산됩니다.
- 포스트텐션 (Post-tension): 콘크리트 타설/양생 → 긴장재 긴장/정착 (PSC 도입)
- 긴장(Jacking) 시점에 '마찰'과 '정착장치 활동'이 발생합니다.
- 긴장 완료 후(PSC 도입) '탄성수축'이 발생합니다. (단, 여러 개를 순차 긴장 시 먼저 긴장한 긴장재가 영향받음)
- 크리프, 건조수축, 릴랙세이션은 이 모든 즉시 손실이 반영된 후의 응력을 기준으로 발생합니다.
3) 응력손실 계산순서
| 프리텐션 (Pre-tension) | 포스트텐션 (Post-tension) |
|---|---|
| 1. (PSC 도입 전) 릴랙세이션 (RE) | 1. 마찰 (F) |
| 2. 탄성 수축 (ES) | 2. 정착장치 활동 (A) |
| 3. 크리프 (CR) | 3. 탄성 수축 (ES) (순차 긴장 시) |
| 4. 건조 수축 (SH) | 4. 크리프 (CR) |
| 5. (PSC 도입 후) 릴랙세이션 (RE) | 5. 건조 수축 (SH) |
| (최종 유효 프리스트레스 산정) | 6. 릴랙세이션 (RE) |
| (최종 유효 프리스트레스 산정) |
5. 프리캐스트 콘크리트(PC) 걸침부 지압력 파괴모드 및 보강상세
그림과 같이 프리캐스트 콘크리트(PC) 보 또는 슬래브가 코벨(Corbel)이나 다른 보의 걸침부에 지지될 때, 지압력(수직력 Vu, 수평력 Nu)에 의해 복합적인 응력이 발생하며, 다음과 같은 5가지 주요 파괴모드가 발생할 수 있습니다.
1) 5가지 파괴모드 (파괴양상)
- 지압 파괴 (Bearing Failure):
- PC 부재와 지지부(코벨)의 접촉면에서 높은 지압 응력(압축력)으로 인해 콘크리트가 국부적으로 압괴(Crushing)되는 파괴.
- 수평 사인장 균열 파괴 (Splitting Crack):
- 지압력(Vu)이 부재 내부로 전달(분산)될 때, 힘의 흐름에 직각 방향으로 수평 인장력(Splitting Force)이 발생하여 부재 단부가 수평으로 쪼개지는 파괴. (가장 일반적)
- 스트럿-타이 모델 파괴 (Strut-and-Tie Failure):
- 걸침부가 깊지 않은 보(Dapped-end)로 거동할 때, 내부 힘의 흐름(스트럿-타이) 모델에서 인장 타이(Tie) 역할을 하는 주철근이 항복하거나 정착이 파괴되는 모드.
- (그림의 코벨 형태) 코벨 내부의 압축 스트럿(Strut)이 압괴되거나, 인장 타이(Tie) 철근(수평)이 항복하는 파괴.
- 수직 전단 파괴 (Vertical Shear):
- 지지면 단부에서 PC 부재가 수직으로 잘리는 형태의 전단 파괴.
- 펀칭(뚫림) 전단 파괴 (Punching Shear):
- 지압판(Bearing Plate)이 없는 경우, 집중된 하중(Vu)이 지압면 주위의 콘크리트를 뚫고(Punching) 들어가는 파괴.
2) 파괴모드에 대한 일반적인 보강상세
이러한 복합적인 파괴를 방지하기 위해 걸침부 단부에는 철근을 조밀하게 보강해야 합니다.
- (A) 수평 사인장균열 방지 (Splitting):
- 수평 스터럽(Stirrup) 또는 U바를 걸침부 단부에 조밀하게(예: @100) 배치하여 수평 쪼갬 파괴에 저항합니다.
- (B) 지압 파괴 방지 (Bearing):
- 필요시 강재 지압판(Bearing Plate)을 매립하여 지압 면적을 넓히고 응력을 분산시킵니다.
- (C) 스트럿-타이 (전단 및 휨):
- (코벨) 상부에 수평 주철근(인장 타이)을 배치하고 단부를 90도 또는 180도 후크로 확실하게 정착.
- (PC보 단부) 하부 주철근을 지압면까지 충분히 연장하여 정착시킵니다.
- (D) 수직 전단 방지:
- 수직 스터럽을 단부에 조밀하게 배치하여 전단 내력을 확보합니다.
6. 강재의 종류, 특징 및 용도
강재는 KS 규격에 따라 화학 성분, 기계적 성질, 용도 등에 따라 분류되며, 기호는 그 특성을 나타냅니다. (예: 355는 항복강도 355MPa 수준)
| 강재 기호 | 표준명 (분류) | 최소인장강도 (MPa) | 특징 및 주요 용도 |
|---|---|---|---|
| (1) SS410 |
일반구조용 압연강재 | 410 ~ 550 | - 가장 일반적인 강재. (SS: Steel Structure) - 용접성 보증이 없음. - 용도: 일반 건축물, 교량의 비주요 구조부, 볼트/너트, 기계 부품. (SS275로 개정됨) |
| (2) SM355 |
용접구조용 압연강재 | 490 ~ 610 | - 용접성(Weldability)을 보증하는 강재. (SM: Steel Marine/Structure) - 탄소 당량을 규제함. - 용도: 건축물, 교량, 선박 등 용접이 필요한 주요 구조부. |
| (3) SN355 |
건축구조용 압연강재 | 490 ~ 610 | - (SN: Steel New structure) - 내진성능(항복비, 내충격성)과 용접성을 확보한 건축 전용 강재. - 용도: 건축물의 내진용 기둥, 보. |
| (4) SHN355 |
건축구조용 열간압연 H형강 | 490 | - (SHN: Steel H-shape New) - SN재의 성능을 만족하는 H형강 전용 규격. - 용도: 건축물의 내진용 H형강 기둥, 보. |
| (5) HSA650 |
고성능 교량구조용 압연강재 | 760 ~ 930 | - (HSA: High-performance Steel for Bridge) - 항복강도 650MPa급의 초고강도 강재. (800MPa급은 HSA800) - 용도: 장대 교량, 대공간 건축물 등 초고강도가 요구되는 구조물. |
| (6) FR355 |
내화(내열)강 | 490 ~ 610 | - (FR: Fire Resistant) - 고온(600°C)에서도 상온 항복강도의 2/3 이상을 유지하는 내화성능 확보. - 용도: 내화피복을 절감해야 하는 기둥, 보. |
| (7) SSC275 |
냉간 성형 각형 강관 | 400 이상 | - (SSC: Steel Square Cold-formed) - 냉간 프레스 성형으로 제작하는 각형 강관(□). - 용도: 중소형 건축물의 기둥, 트러스 부재. |
| (8) SGT355 |
기계구조용 탄소강관 | 490 이상 | - (SGT: Steel General Tube) - 일반적인 원형 강관. - 용도: 토목/건축의 일반 구조물, 기계 부품. (SPS, SPSR로 개정됨) |
7. 매입형 합성기둥 중간 내진시스템 횡방향 철근 요구사항 (KDS 14 31 85)
매입형 합성기둥(철골이 콘크리트 내부에 완전히 매입된 기둥)을 중간 내진시스템으로 설계할 경우, 지진 발생 시 콘크리트의 조기 압괴를 방지하고 심부 콘크리트를 구속(Confinement)하여 연성 능력을 확보하기 위해, KDS 14 31 85는 다음과 같은 엄격한 횡방향 철근(띠철근) 요구사항을 규정하고 있습니다.
- 적용 범위: 기둥 양단부의 소성힌지 구간 (기둥 순 길이의 1/6, 기둥 단면 최대 치수, 450mm 중 가장 큰 값)에 적용.
- 최소 횡방향 철근량 (A_sh): (두 가지 기준 중 큰 값 적용)
- (단면적 기준) A_sh ≥ 0.3 × (s × b_c × f_ck / f_yt) × [ (A_g / A_ch) - 1 ]
- (철근량 기준) A_sh ≥ 0.09 × (s × b_c × f_ck / f_yt)
- (s: 횡철근 수직간격, b_c: 심부 콘크리트 폭, f_ck: 콘크리트 강도, f_yt: 횡철근 항복강도, A_g: 총단면적, A_ch: 심부단면적)
- 최대 간격 (s):
- 횡방향 철근의 수직 간격(s)은 다음 값 중 가장 작은 값 이하여야 합니다.
- 축방향 철근(주근) 직경의 6배
- 횡방향 철근 직경의 24배
- 기둥 단면 최소 치수의 1/2
- 150 mm
- 기타 상세:
- 횡방향 철근은 135° 갈고리로 마감하여 심부 구속력을 확보해야 합니다.
- (소성힌지 구간 외의 중앙부는 일반 띠철근 규정을 따를 수 있습니다.)
8. 강구조 내화구조설계 시 인장재의 설계내력 산정 고려사항
강구조 부재는 고온(화재 시)에 노출되면 온도가 상승함에 따라 항복강도(Fy)와 탄성계수(E)가 급격히 저하됩니다. 따라서 강구조 내화구조설계(성능기반 설계)에서 인장재의 설계인장강도(ΦP_n)를 산정할 때는 상온이 아닌 화재 시 고온 상태(T)에서의 강도 저하를 반드시 고려해야 합니다.
고려사항 (KDS 14 31 10 기준)
- 고온 재료 강도 (강도 저감):
- 상온(Fy, Fu) 강도가 아닌, 화재 시 예상되는 강재 온도(T)에서의 유효항복강도(F_y(T)) 및 유효인장강도(F_u(T))를 사용해야 합니다.
- F_y(T) = K_y(T) × F_y (K_y(T): 온도 T에서의 항복강도 저감계수, 1.0 이하)
- 고온 탄성계수 (E_T):
- 탄성계수 역시 고온에서 저하되므로, 상온 탄성계수(E)가 아닌 유효탄성계수(E(T))를 적용합니다.
- 설계인장강도 (ΦP_n(T)):
- 인장재의 설계강도는 '총단면 항복'과 '유효순단면 파단' 중 작은 값으로 결정됩니다. 이 두 가지 모두 고온 강도를 적용하여 재산정합니다.
- 가. 총단면 항복: ΦP_n = Φ (A_g × F_y(T))
- 나. 유효순단면 파단: ΦP_n = Φ (A_e × F_u(T))
- (단, Φ는 저항계수(화재 시 1.0), A_g는 총단면적, A_e는 유효순단면적)
- 열팽창 고려 (Thermal Elongation):
- 강재는 고온에서 열팽창(ΔL = α·ΔT·L)으로 인해 길이가 늘어납니다.
- 이 열팽창이 주변 구조물(보, 기둥)에 의해 구속(Restrained)되면, 부재 내부에 높은 압축 응력(열응력)이 발생하여 인장력이 상쇄될 수 있습니다.
- 반대로 구속되지 않으면, 부재가 늘어나 처짐이 커지므로, 경계 조건(구속 여부)이 인장재의 실제 내력에 미치는 영향을 고려해야 합니다.
9. 제3종시설물 철근 부식/노출, 콘크리트 박리/박락 상태 평가 (안전등급 평가 매뉴얼)
제3종시설물 안전등급 평가 매뉴얼(건축물)에 따라, 철근콘크리트 구조부재의 철근 부식, 노출 및 콘크리트 박리/박락 상태는 결함의 심각도에 따라 a부터 e까지 5등급으로 분류합니다.
| 상태 등급 | 상태 설명 | 개략적인 그림 | 조치 내용 |
|---|---|---|---|
| a | - 콘크리트 표면에 미세한 균열이 발생했으나, 철근 부식이나 박리·박락은 없는 경미한 상태. | - 지속적인 관찰 및 점검. - (필요시) 표면처리(균열보수). |
|
| b | - 균열을 따라 백태(석회질) 또는 녹물이 미세하게 흔적으로 나타남. - 철근이 노출되지는 않은 상태. |
- 균열 보수(주입) 실시. - 녹물 발생 원인 파악. |
|
| c | - 콘크리트 피복이 탈락(박리)되어 철근이 부분적으로 노출됨. - 철근에 초기 부식(황갈색 녹)이 발생한 상태. |
- 긴급한 보수 필요. - 박리된 콘크리트 제거, 철근 녹 제거(방청), 단면복구(보수 모르타르). |
|
| d | - 콘크리트의 박리·박락이 광범위하게 발생. - 노출된 철근의 부식이 심화되어 단면 감소가 육안으로 관찰되는 상태. |
- 긴급 보수·보강. - 정밀안전진단 실시. - (필요시) 추가 철근 보강 후 단면복구. |
|
| e | - 콘크리트 박락이 심하고, 철근 부식으로 인한 단면 손실이 매우 심각함. - 철근이 완전히 분리되거나, 구조적 내력(지지력)을 상실한 상태. |
- 즉각 사용제한 및 보강. - (필요시) 긴급 지지대(Jack support) 설치. - 철거 또는 전면 개축 검토. |
10. 콘크리트의 강도 정의 (KCS 14 20 10)
일반콘크리트 시방서(KCS 14 20 10)에서 정의하는 주요 콘크리트 강도는 다음과 같습니다.
- 설계기준압축강도 (f_ck):
- 구조설계의 기준이 되는 강도.
- 구조계산서(설계도서)에 명시된 압축강도를 의미합니다.
- 재령 28일 압축강도를 기준으로 합니다.
- 배합강도 (f_cr):
- 콘크리트 배합을 결정하기 위한 목표 강도.
- 품질관리(공사)의 변동성(표준편차)을 고려하여, 현장에서 목표로 하는 품질기준강도(f_q)보다 안전측으로 할증(Margin)한 강도입니다.
- 배합강도(f_cr) ≥ 설계기준압축강도(f_ck) + (1.34 또는 2.33) × 표준편차(s)
- (즉, f_cr > f_ck)
- 품질기준강도 (f_q):
- 콘크리트의 품질을 검사하고 합격/불합격을 판정하기 위한 기준 강도.
- 일반적으로 설계기준압축강도(f_ck)와 동일한 값(f_q = f_ck)을 사용합니다.
- 호칭강도:
- 레미콘을 주문(호칭)할 때 사용하는 강도.
- 공사 시방서에서 별도로 정하지 않는 한, 일반 콘크리트의 경우는 배합강도(f_cr)를 의미하고, 경량 콘크리트의 경우는 설계기준압축강도(f_ck)를 의미합니다.
11. 평면비정형성 및 수직비정형성의 유형과 정의 (KDS 41 17 00)
건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)은 지진 발생 시 불규칙한 거동(특히 비틀림)을 유발할 수 있는 구조물의 형태를 '비정형성'으로 규정하고, 이에 해당할 경우 동적 해석을 요구하거나 추가적인 설계를 하도록 규제합니다.
1) 평면비정형성 (Plan Irregularity)
건축물의 평면이 대칭적이지 않거나 불규칙하여, 지진 시 비틀림(Torsion)이 증폭되거나 응력이 특정 부재에 집중될 수 있는 형태입니다.
| 유형 | 정의 |
|---|---|
| 1a. 비틀림 비정형성 | - 한쪽 끝단의 변위가 반대편 끝단의 변위보다 평균 변위의 1.2배를 초과할 때. (비틀림이 심함) |
| 1b. 극심한 비틀림 비정형성 | - 한쪽 끝단의 변위가 반대편 끝단의 변위보다 평균 변위의 1.4배를 초과할 때. (1a보다 심한 상태) |
| 2. 요철(凹凸) 평면 | - 평면의 돌출부 길이(양방향)가 해당 방향 평면 전체 길이의 25%를 초과할 때. (L, T, U, + 형태) |
| 3. 격막(다이어프램)의 불연속 | - 바닥 슬래브(격막)에 개구부(Open)가 크거나(면적의 50% 초과), 유효 강성이 급격히 변할 때. |
| 4. 횡력저항요소의 편심 | - 횡력저항요소(전단벽, 가새)가 평면 한쪽에 편중되어 배치되어 비틀림을 유발할 때. (내진설계범주 C, D, E, F에 해당) |
| 5. 횡력저항요소의 비평행 | - 횡력저항요소(전단벽 등)가 주축 방향과 평행하게 배치되지 않은 경우. (예: Y자형 코어) |
2) 수직비정형성 (Vertical Irregularity)
건축물의 입면(높이 방향)으로 강성, 질량, 형상이 급격하게 변하여, 특정 층에 변위나 응력이 집중될 수 있는 형태입니다.
| 유형 | 정의 |
|---|---|
| 1a. 연층 (Soft Story) | - 특정 층의 횡강성이 직상층 횡강성의 70% 미만일 때. |
| 1b. 극심한 연층 | - 특정 층의 횡강성이 직상층 횡강성의 60% 미만일 때. (예: 1층 필로티 구조) |
| 2. 질량 비정형성 | - 특정 층의 유효질량이 인접층 유효질량의 150%를 초과할 때. (무거운 층) |
| 3. 수직 기하학적 비정형성 | - 횡력저항시스템의 평면 치수(폭)가 인접층의 130%를 초과할 때. (갑자기 넓어지는 층, Setback) |
| 4. 수직 횡력저항요소의 불연속 | - 상층부의 횡력저항요소(전단벽, 가새)가 하층부로 연속되지 않고 다른 부재(예: 보) 위에 지지될 때. (전이보) |
| 5. 약층 (Weak Story) | - 특정 층의 횡강도(내력)가 직상층 횡강도의 80% 미만일 때. (강성이 아닌 강도 기준) |
12. 풍하중에 대한 용어 (KDS 41 12 00)
(1) 가스트영향계수 (G_f, G)
가스트(Gust)는 순간적인 돌풍을 의미합니다. 바람은 일정한 속도로 불지 않고 순간적으로 강해지거나 약해지는 변동성(난류)을 가집니다. 가스트영향계수는 이러한 바람의 변동성으로 인해 구조물에 발생하는 동적(Dynamic) 효과(진동)를 정적 하중(설계풍하중)에 반영하기 위해 곱해주는 계수입니다. 강성이 큰 강체 구조물(진동이 작은)의 가스트영향계수는 0.85에 가까우나, 유연한 구조물(진동이 큰)은 1.0보다 큰 값을 가질 수 있습니다.
(2) 내압가스트영향계수 (G_ci)
가스트영향계수(G_f)가 건물 외부(주골조)에 작용하는 변동 풍하중을 고려하는 계수인 반면, 내압가스트영향계수(G_ci)는 건물 내부(Internal Pressure)에 작용하는 풍하중의 변동성을 고려하는 계수입니다. 이는 건물의 개구부(창문, 문)를 통해 유입된 바람이 내부에서 일으키는 동적 효과를 반영합니다.
(3) 밀폐형 건축구조물
밀폐형 건축구조물은 건축물 내부에 바람이 거의 통하지 않는 구조물을 의미합니다. KDS 기준에서는 각 벽면의 개구부 면적의 합계가 그 벽면 전체 면적의 0.1% 이하이고, 총 개구부 면적이 0.1㎡ (또는 전체 벽면적의 1%)와 1.1㎡ 중 작은 값 이하인 건축물로 정의합니다. 즉, 사실상 개구부가 거의 없는 밀폐된 건물로, 내압(Internal Pressure)을 거의 고려하지 않아도 되는 건물입니다.
(4) 개방형 건축구조물
개방형 건축구조물은 지붕은 있으나 벽체가 거의 없는 구조물로, 바람이 구조물 내부를 자유롭게 통과하는 형태입니다. KDS 기준에서는 각 벽면의 개구부 면적이 벽면 전체 면적의 80% 이상인 건축물로 정의합니다. (예: 캐노피, 주차장, 정자) 이러한 구조물은 외압뿐만 아니라 지붕 하부에 작용하는 강한 상향력 등을 고려하여 풍하중을 산정해야 합니다.
13. 조적식구조 경험적설계법의 횡안정성 확보 방안 (KDS 41 60 40)
경험적설계법(KDS 41 60 40)은 소규모 저층 조적조 건축물에 대해 복잡한 구조계산 없이, 과거의 경험과 구조 상식에 기반한 최소한의 구조 규정(두께, 높이, 길이 제한 등)을 준수함으로써 구조 안전성을 확보하는 설계법입니다. 이 기준에서 횡력(지진, 풍하중)에 대한 안정성(횡안정성)을 확보하기 위한 방안은 다음과 같습니다.
1. 내력벽의 길이 및 배치
- 전단벽(내력벽)의 총 길이 확보: 건물 각 평면 방향(X, Y 방향)으로 횡력저항벽(전단벽)의 총 유효길이가 해당 방향 건물 총 길이의 일정 비율(예: 1/10 ~ 1/15) 이상이 되도록 충분히 배치해야 합니다.
- 균형 잡힌 배치: 전단벽이 한쪽에 편중되지 않고 평면상에 균형 있게(대칭적으로) 배치되어야 횡력 작용 시 비틀림이 발생하지 않습니다.
2. 벽체 간의 연결 (일체성 확보)
- 테두리보 (Bond Beam): 각 층의 벽체 상단(바닥 슬래브 레벨)에는 철근콘크리트 테두리보를 설치하여, 모든 조적벽(외벽, 내벽)을 수평으로 일체화시켜야 합니다. 이는 횡력을 각 벽체에 효과적으로 분배하는 다이어프램 역할을 합니다.
- 교차부 정착: 서로 직각으로 만나는 조적벽(외벽과 내벽)은 철물(연결철물) 또는 물림쌓기를 통해 견고하게 정착시켜 서로 지지하도록 합니다.
3. 바닥/지붕 구조 (다이어프램)
- 바닥과 지붕은 수평 다이어프램(Diaphragm)으로서, 횡력을 받아서 이를 수직 부재(조적벽)로 전달하는 역할을 합니다.
- 따라서 철근콘크리트 슬래브, 목조 바닥 등은 조적벽 및 테두리보와 확실하게 정착되어야 합니다.
- 바닥 개구부는 최소화하여 다이어프램의 강성이 약화되지 않도록 합니다.
4. 개구부 제한
- 횡력을 받는 내력벽의 개구부 폭은 제한되며, 개구부와 개구부 사이의 벽체 길이는 일정 값 이상(예: 벽 높이의 1/4 또는 1.2m) 확보되어야 합니다.
- 개구부 상단에는 인방보(Lintel)를 설치하여 상부 하중을 좌우 벽체로 전달해야 합니다.