[논문]KBC 비구조요소 내진설계 하중

김대곤

doi:10.9712/kass.2014.14.1.077

문제 정의

본 논문의 목적은 건축구조기준 2009에서 제시하는 비구조요소에 가해지는 등가 정하중의 적절성을 살펴보는 것이다. 이를 위하여 저층인 3층, 중층인 10층, 그리고 고층인 30층의 2차원 골조를 채택하여 옥상층 또는 건물의 중간층에 비구조요소가 설치되어 있다고 가정한 후에 이 비구조요소에 가해지는 건축구조기준의 등가 정하중을 산정하였다.
적용한 시간이력해석 방법은 첫째, 사용 지진파들에 대한 비구조요소가 설치된 층의 층가속도를 먼저 구한 후 비구조요소를 단자유도로 모델링하여 해석하는 층 응답 스펙트럼 해석법을 사용하였으며 둘째, 전체 구조물과 비구조요소를 한꺼번에 고려한 전체구조물 시간이력해석 방법을 사용하였다. 이때 골조는 지진 발생동안 비선형 거동을 할 수도 있지만 비선형거동에 의해 증가되는 감쇠능력 때문에 비구조요소에 작용되는 지진력은 골조가 탄성거동을 할 때보다 대체로 작기 때문에³⁾ 본 논문에서는 비구조요소에 가장 큰 지진력이 가해지는 경우를 고려하기 위하여 골조는 탄성거동을 하는 것으로 하였다.

가설 설정

반응수정계수 R_P는 비구조요소 자체와 이의 주구조재에의 접합부에서 기대되는 상대적 연성도를 고려하기 위하여 사용되어 진다. 본 논문에서는 지진 발행 후에 비구조요소가 본래의 기능성을 유지하기 위하여 지진 발생동안 탄성 거동을 한다고 가정하였고 따라서 반응수정계수 R_P=1.0을 사용하였다.
이에 따라 단주기 및 주기 1초의 설계 스펙트럼 가속도를 구하였다. 비구조요소의 가동중량은 15kN으로 가정하였으며 비구조요소는 병원의 수술실 설비처럼 지진 발생 후 본래의 기능을 유지하여야 하는 중요 비구조요소로 가정하였다. 반응수정계수 R_P는 비구조요소 자체와 이의 주구조재에의 접합부에서 기대되는 상대적 연성도를 고려하기 위하여 사용되어 진다.

제안 방법

[Table 3]에서 제시하는 비구조요소에 가해지는 등가 정하중의 적절성을 살펴보기 위하여 국내 지진의 설계응답 가속도 스펙트럼을 적용하여 [Fig. 1]의 각 건물 전체에 대한 해석 모델을 작성하여 응답스펙트럼 해석을 수행하였다. 국내 지진의 설계 응답가속도스펙트럼은 지역과 지반에 따라 작성하며 [Fig.
건축구조기준 2009에서 제시하는 비구조요소에 가해지는 등가 정하중의 적절성을 살펴보기 위하여 저층인 3층, 중층인 10층, 그리고 고층인 30층 건물의 옥상층 또는 중간층에 비구조요소가 설치되어 있는 경우에 비구조요소에 가해지는 건축구조기준의 등가 정하중을 산정하였다. 산정된 기준에서 제시하는 등가 정하중의 적절성을 살펴보기 위하여 국내 지진의 설계응답가속도 스펙트럼을 적용한 응답 스펙트럼 해석과 국내 지진의 설계응답스펙트럼에 따라서 생성한 인공지진파와 국내에서 발생 가능한 크기의 지진파로서 선택한 El Centro 지진파의 50% 크기 지진파에 대한 시간 이력해석을 수행하여 국내 건축구조기준으로 구한 비구조요소의 등가 정하중과 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
국내기준의 등가 정하중의 적절성을 살펴보기 위하여 국내 지진의 설계응답가속도 스펙트럼을 적용하여 응답스펙트럼해석을 수행하였다. 또한 국내 지진의 설계응답가속도 스펙트럼에 따라서 생성한 인공지진파와 국내에서 발생 가능한 크기의 지진파로서 El Centro 지진의 50% 크기 지진파를 채택하여 시간 이력해석을 수행하여 건축구조기준으로 구한 비구조요소의 등가 정하중과 비교하였다.
국내기준의 등가 정하중의 적절성을 살펴보기 위하여 국내 지진의 설계응답가속도 스펙트럼을 적용하여 응답스펙트럼해석을 수행하였다. 또한 국내 지진의 설계응답가속도 스펙트럼에 따라서 생성한 인공지진파와 국내에서 발생 가능한 크기의 지진파로서 El Centro 지진의 50% 크기 지진파를 채택하여 시간 이력해석을 수행하여 건축구조기준으로 구한 비구조요소의 등가 정하중과 비교하였다. 적용한 시간이력해석 방법은 첫째, 사용 지진파들에 대한 비구조요소가 설치된 층의 층가속도를 먼저 구한 후 비구조요소를 단자유도로 모델링하여 해석하는 층 응답 스펙트럼 해석법을 사용하였으며 둘째, 전체 구조물과 비구조요소를 한꺼번에 고려한 전체구조물 시간이력해석 방법을 사용하였다.
본 연구에서는 비구조요소가 [Fig. 1]의 각 건물 들의 옥상층에 설치된 경우(식(1)에서 z/h=1.0)와 각 건물의 중간층에 설치된 경우(식(1)에서 설치높이 z ; 3-story=3m, 10-story=15m, 30-story=45m)에 대하여 각각 해석하였으며 [Table 2]의 값에 따라 계산된 비구조요소의 질량 중심에 작용하는 설계지진력은 [Table 3]과 같이 정리된다. 비구조요소에 작용하는 설계지진력 F_P는 식(2)에 의하여 (F_P)_max=15.
건축구조기준 2009에서 제시하는 비구조요소에 가해지는 등가 정하중의 적절성을 살펴보기 위하여 저층인 3층, 중층인 10층, 그리고 고층인 30층 건물의 옥상층 또는 중간층에 비구조요소가 설치되어 있는 경우에 비구조요소에 가해지는 건축구조기준의 등가 정하중을 산정하였다. 산정된 기준에서 제시하는 등가 정하중의 적절성을 살펴보기 위하여 국내 지진의 설계응답가속도 스펙트럼을 적용한 응답 스펙트럼 해석과 국내 지진의 설계응답스펙트럼에 따라서 생성한 인공지진파와 국내에서 발생 가능한 크기의 지진파로서 선택한 El Centro 지진파의 50% 크기 지진파에 대한 시간 이력해석을 수행하여 국내 건축구조기준으로 구한 비구조요소의 등가 정하중과 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
6(b)]에서 보여주는 국내에서 발생 가능한 크기의 지진파로서 채택한 El Centro 지진의 50% 크기 지진파이다. 이 두 가지 지진파를 [Fig. 1]의 각 건물에 적용하여 시간이력해석을 수행하여 건축구조기준으로 구한 [Table 3]의 비구조요소의 등가 정하중과 비교하였다. 적용한 시간이력 해석법으로는 간략 해석법인 층응답 스펙트럼 해석법과 상세 해석 방법인 전체구조물 시간이력 해석법을 사용하였다.
본 논문의 목적은 건축구조기준 2009에서 제시하는 비구조요소에 가해지는 등가 정하중의 적절성을 살펴보는 것이다. 이를 위하여 저층인 3층, 중층인 10층, 그리고 고층인 30층의 2차원 골조를 채택하여 옥상층 또는 건물의 중간층에 비구조요소가 설치되어 있다고 가정한 후에 이 비구조요소에 가해지는 건축구조기준의 등가 정하중을 산정하였다.
22)에 위치하고 있으며 지반의 종류는 연암지반(S_C 지반)이다. 이에 따라 단주기 및 주기 1초의 설계 스펙트럼 가속도를 구하였다. 비구조요소의 가동중량은 15kN으로 가정하였으며 비구조요소는 병원의 수술실 설비처럼 지진 발생 후 본래의 기능을 유지하여야 하는 중요 비구조요소로 가정하였다.
저층인 3층과 중층인 10층, 그리고 고층인 30층 건물에 대하여 주기가 매우 짧은 비구조요소부터 주기가 긴 비구조요소가 각 건물의 옥상층에 설치된 경우와 중간층에 설치된 경우에 대하여 각각 응답스펙트럼해석, 층응답 스펙트럼해석, 그리고 전체 구조물 시간이력해석을 수행하였다. [Table 4]는 해석에 사용된 비구조요소의 주기를 보여준다.
또한 국내 지진의 설계응답가속도 스펙트럼에 따라서 생성한 인공지진파와 국내에서 발생 가능한 크기의 지진파로서 El Centro 지진의 50% 크기 지진파를 채택하여 시간 이력해석을 수행하여 건축구조기준으로 구한 비구조요소의 등가 정하중과 비교하였다. 적용한 시간이력해석 방법은 첫째, 사용 지진파들에 대한 비구조요소가 설치된 층의 층가속도를 먼저 구한 후 비구조요소를 단자유도로 모델링하여 해석하는 층 응답 스펙트럼 해석법을 사용하였으며 둘째, 전체 구조물과 비구조요소를 한꺼번에 고려한 전체구조물 시간이력해석 방법을 사용하였다. 이때 골조는 지진 발생동안 비선형 거동을 할 수도 있지만 비선형거동에 의해 증가되는 감쇠능력 때문에 비구조요소에 작용되는 지진력은 골조가 탄성거동을 할 때보다 대체로 작기 때문에³⁾ 본 논문에서는 비구조요소에 가장 큰 지진력이 가해지는 경우를 고려하기 위하여 골조는 탄성거동을 하는 것으로 하였다.

대상 데이터

[Fig. 1]은 본 논문에서 사용된 저층인 3층, 중층인 10층, 그리고 고층인 30층 골조를 보여준다.
[Table 1]은 각 대상 건물의 주기를 보여주며 [Table 2]는 건축구조기준 2009에서 비구조요소 질량 중심에 작용하는 설계지진력 F_P을 구하기 위해 사용된 값들을 보여준다. 건물은 지진구역 1(지역계수 S=0.22)에 위치하고 있으며 지반의 종류는 연암지반(S_C 지반)이다. 이에 따라 단주기 및 주기 1초의 설계 스펙트럼 가속도를 구하였다.

데이터처리

6) 응답스펙트럼 해석법의 결과는 각 모드별 응답을 제곱하여 더한 후 제곱근을 취하여 구하였으며 감쇠 비는 ξ=5%에 대한 Rayleigh 감쇠를 사용하였다.

이론/모형

1]의 각 건물에 적용하여 시간이력해석을 수행하여 건축구조기준으로 구한 [Table 3]의 비구조요소의 등가 정하중과 비교하였다. 적용한 시간이력 해석법으로는 간략 해석법인 층응답 스펙트럼 해석법과 상세 해석 방법인 전체구조물 시간이력 해석법을 사용하였다.
층응답 스펙트럼해석은 [Fig. 7]에서 대표적으로 보여주는 것처럼 각 건물의 층가속도에 대한 [Table 4]의 강성이 매우 강한(주기가 매우 짧은) 비구조요소로부터 유연한(주기가 긴) 비구조요소들을 각각 단자유도로 모델링하여 Newmark의 선형 가속도법(Linear acceleration method: γ=1/2, β=1/6)을 적용하였다.

성능/효과

1) 본 연구에서 사용한 대상 건물의 경우에 옥상층 또는 중간층에 설치되어 있는 비구조요소의 주 기가 0.06초 보다 긴 경우에 비구조요소에 가해지는 설계지진력은 건축구조기준의 등가 정하중 식으로 부터 F_P=15.58kN을 얻을 수 있으며, 이는 본 연구에서 채택한 비구조요소의 가동 중량 15kN과 거의 동일함을 알 수 있다. 즉, 비구조요소의 수평 설계 지진력은 구체적인 해석 없이 대략적으로 비구조요소의 수직 가동 중량 값을 취할 수 있다.
2) 국내 지진의 설계 응답 가속도 스펙트럼을 적용하여 응답 스펙트럼해석을 수행한 결과 건물의 옥상층 또는 중간층에 설치되어 있는 비구조요소의 주기가 0.06초 이하인 강성이 강한 경우, 또는 비구조요소의 주기가 각 건물의 수평 1차 주기보다 긴 경우는 국내 기준의 등가 정하중 식이 타당하다. 그러나 비구조요소의 주기가 건물의 기본 주기를 포함한 고차 주기의 범위에 있을 때는 공진현상에 의하여 비구조요소에 가해지는 설계지진력은 국내 기준에서 제시하는 등가 정하중보다 더 클 수 있다.
3) 국내 지진의 설계응답스펙트럼에 따라서 생성한 인공지진파와 국내에서 발생 가능한 크기의 지진파로서 El Centro 지진파의 50% 크기 지진파에 대한 시간이력해석법의 결과도 응답 스펙트럼 해석 결과와 유사하다. 한편, 해석적으로 정확한 전체구 조물 시간 이력해석법의 응답과 비교하여 간편 해석법인 층응답스펙트럼 해석법의 응답이 작은 값을 보이므로 이 해석법의 사용에 주의가 필요하다.
6(b)]의 지반파가 각각 작용한 경우에 비구조요소가 설치된 옥상층에서의 증폭된 층가속도(Floor Acceleration)을 보여준다. 3층과 30층 건물의 경우도 유사하게 증폭하였으며 각 건물의 경우 옥상층의 층가속도가 중간층보다 더 많이 증폭됨을 알 수 있었다.
5]에서 일반적인 경향은 첫째, 비구조요소가 건물의 옥상층에 설치된 경우가 건물의 중간층에 설치된 경우보다 비구조요소에 가해지는 수평 전단력이 큼을 보여준다. 둘째, 비구조요소의 주기가 [Table 1]에서 보여주는 것처럼 각 건물의 기본주기 및 고차주기에 근접할 경우 공진현상에 의하여 건축구조기준 2009에서 제시하는 비구조 요소에 가해지는 등가 정하중보다 훨씬 클 수 있음을 보여준다.
[Table 4]는 해석에 사용된 비구조요소의 주기를 보여준다. 따라서 본 연구에서 실행된 동적해석의 횟수는 3층 건물, 10층 건물, 그리고 30층 건물에 대하여 각각 100번, 140번, 그리고 250번이다.
13]을 각각 비교하면 전체적인 경향은 유사함을 관찰할 수 있다. 하지만 전체 구조물 시간이력해석 결과가 층응답 시간이력해석 결과보다 비구조요소에 가해지는 수평전단력이 약 25%~50% 큼을 관찰할 수 있다. 특히 비구조요소의 주기가 각 건물의 기본주기 보다 긴 경우에 이러한 경향은 뚜렷해진다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비구조요소란 무엇인가?	비구조요소(Nonstructural Element)는 건물시스템의 일부로서 건물이나 산업시설물의 주구조재에 영구히 설치된 건축, 기계 및 전기 구성요소와 그 고정 장치 및 부착물을 말하며 흔히 부구조요소(Secondary Structure)라고 칭해진다.
	국내의 비구조요소에 대한 내진규준은 어떤가?	미국기준은 크게 ‘비구조요소(Nonstructural Components)의 내진설계’와 ‘건물외구조물(Nonbuilding Structures)의 내진설계’로 나누어져 있다. 한편 국내 기준은 ‘건축, 기계 및 전기 비구조요소’와 ‘공작물의 내진설계’로 이루어져 있지만 설계기준이 미국 기준의 일부를 채택 한 상태이며 그나마 현실적으로 매우 제한적으로 적용되고 있다.
	비구조요소의 내진설계가 중요한 이유는?	지진 발행 후 주구조재의 피해가 경미하다 할지라도 건물이 원래의 기능성을 유지할 수 있기 위하 여 비구조요소의 내진설계는 매우 중요하다. 특히 소방서, 재난방지센터, 방송통신사, 발전소, 상수도 공급소, 병원 등에 설치된 비구조요소의 지진 피해가 최소화되어야 사회적으로 중요한 이들 시설물들이 시민들에게 지진 피해로 인한 화재 진압, 비상 수술, 재난 방송 등과 같은 비상조치를 제공할 수 있다.

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