[[DESIGN]]이중골조에 대한 정의, 판단법, 해석법, 설계법에 대하여...

[이창용]

  전부터 이중골조시스템에 대한 정의와 평가에 대해서 논란이 있어왔다는 것은 주지의 사실입니다만 최근 횡력저항요소로 무량판을 사용하면서 이중골조시스템에 대한 관심과 논란이 더 많아지고 있는 것 같습니다. 저도 최근 이점에 대해서 주위에서 문의를 좀 받았습니다. 그래서 이참에 몇 가지 기준을 참고하여 이중골조시스템에 대해서 정리해보았습니다. 참고하시기 바랍니다.

1. 이중골조시스템(Dual System)의 정의 - 25% 횡력부담

  현재 많은 분들이 오해하고 있는 부분 중의 하나가 이중골조의 모멘트골조(Moment Frame)가 횡력의 25%이상을 분담해야 한다는 부분입니다. 사실 이중골조에 대한 모든 기준에서의 공통된 정의를 보면 횡력은 전단벽(또는 가새골조)과 모멘트 골조의 강성에 비례한 두 시스템의 조합 작용에 의해 분담하도록 하고 있으며, 이 분담율에 대해서는 별도의 규정이 없습니다(이 점에 대해서는 후반부에 별도로 언급하겠습니다). 다만 기준들에서는 이중골조시스템의 모멘트 골조는 전체 횡력의 25% 이상을 독립적으로 저항할 수 있는 능력(Capacity)을 가져야 한다고 규정하고 있습니다. 이는 실제의 횡력 중 25% 이상이 모멘트 프레임으로 전달되느냐의 여부와는 별개의 것이라고 볼 수 있습니다.

  결론적으로 말씀드리면 이중골조시스템에서의 모멘트골조는 전체 횡력의 25% 이하를 부담하여도 무방하며, 다만 전체 횡력의 25% 이상의 횡력에 대해서 독립적으로 저항할 수 있도록 설계가 이루어지면 될 것입니다. 따라서 이중골조의 성립여부를 따져보기 위해서 마이다스 프로그램에서 제공하고 있는 ‘Shear Force Ratio'기능을 사용하여 횡력분담비를 따진다거나 또는 전도모멘트를 따져서 횡력분담비를 따진다거나 하는 과정은 필요가 없습니다.

  그렇다면 가령, 모멘트프레임인 어떤 구조물의 구석에 강성이 아주 작은 전단벽을 넣고 R값 등을 감소시키기 위해서 이를 이중골조로 설계할 수 있느냐의 문제가 제기될 수 있을 것입니다. 사실 제가 파악한 바로는 이 점에 대해서 기준의 규정만으로는 그럴 수 있다는 것이 결론입니다. 그러나 FEMA450(2003)의 해설편에서는 이중골조시스템에서 주횡력저항시스템은 전단벽이나 가새골조이고, 모멘트 골조는 잉여저항력을 제공하는 시스템이라고 정의하고 있습니다. 따라서 이중골조의 대의적인 취지로 봤을 때 위에서 예로 든 구조물은 이중골조가 될 수는 없을 것입니다.

2. 이중골조시스템(Dual System)의 정의 - 독립적인 중력저항 골조의 설계

  SEAOC의 일명 ‘Blue Book(1999)'에서는, 원칙적으로 이중골조시스템에서의 모멘트골조는 중력에 대해서 저항하는 완전한 프레임이어여 한다고 규정하고 있습니다. 따라서 이중골조를 성립시키기 위해서는 중력에 저항하는 완벽한 프레임을 만들어주어야 합니다. 이러한 점에 대해서 실무시 고민을 했던 기억이 있습니다.

  대게는 30층 이상이 되는 중앙 코아벽 배치식 타워형 구조물을 설계할 때 외부 기둥과 내부의 코어로 중력을 지지하기 때문에 중앙의 코아벽을 빼고는 독립적인 골조를 구성할 수가 없어서 이에 대해서 적절한 대처방법을 찾지 못했었던 것으로 기억됩니다. 그래서 하부의 골조와 전단벽의 반력 분담비를 이용하여 판단을 하곤 했었습니다. 그런데 이러한 고민의 좋은 해결책을 SEAOC, 'Blue Book'의 해설편에서 찾을 수 있었는데 우선 직접 원문을 소개하겠습니다.

“...Columns of the frame system may also function as the boundary elements of shear walls....”

위 규정을 응용한다면 중앙코아벽의 모서리를 Boundary Elements배근 상세 규정을 만족하도록 배근하여 이를 기둥으로 고려한다면 완전한 중력저항골조를 만들 수 있을 것입니다. Boundary Elements에 대한 상세는 ACI318의 내진특별규정 중 Special RC벽체 규정을 참조할 수 있을 것이며, ACI Detail집을 보면 이러한 상세는 꼭 기둥처럼 벽체보다 단면을 크게 하여야 하는 것은 아니며 벽체와 연속되는 단면에 배근만으로도 만족하게 할 수 있습니다. 이런 관점에서 보면 최근 유행하고 있는 플랫플래이트 슬래브에도 이런 방식을 적용할 수 있으리라 판단되며, 마이다스에서 얼마전 설계한 우동 아델리스도 이중골조 시스템으로 설계되었습니다.(사실 이 프로젝트에서는 코아벽체 모서리에 boundary element개념을 적용하지는 않은 것으로 알고 있습니다만...).

3. 실무에서의 해석 방법

  그럼 이제 해석방법에 대해서 정리해보겠습니다. FEMA450의 해설편에서는 이중골조 시스템에 대해서 명시적으로 두 번의 해석을 수행하라고 규정하고 있는데, 첫 번째는 조합골조에 대한 해석, 두 번째는 독립 프레임만의 해석으로 설명하고 있습니다. 첫 번째 해석은 해석 프로그램을 이용하면 특별히 주의할 점은 없으리라고 생각됩니다만, 두 번째 해석에서는 몇 가지 고민할 것이 있습니다. 이 두 번째 해석에 대해 "2003 IBC Structural Q&A"의 해설에서는 골조만의 해석시 주기와 밑면전단력(Base Shear)을 다시 산정할 필요는 없다고 설명하고 있으며, 각층의 횡력도 전체 구조물 해석에서 계산된 값의 25%를 그대로 사용하면 된다고 설명하고 있습니다.

  전술한 문헌을 참조한다면 개인적으로는 두 번째 해석에서는 첫 번째 해석에서 구한 하중의 25%를 취하여 정적해석을 수행하여야 할 것으로 판단됩니다. 일종의 유사동적 해석이지요. 그렇지 않으면 두 번째 해석에서 25%의 하중을 가할 방법이 없기 때문입니다.

[add 05.08.30]

   한가지 빠뜨린 것이 있는데요 두번 째 해석시 골조는 벽체 부분 중에 바운더리 엘리먼트의 요건을 갖추도록 설계한 부분을 기둥 부재로 고려하여 중력에 대해서 완전한 골조를 만들어주어야 한다는 규정을 만족하도록 모델을 만들어야 하겠지요.

4. 판상형 기둥식 아파트의 횡력저항시스템

  요즘 각 건설사에서 판상형 기둥식 아파트에 대해서 유행처럼 연구와 적용에 열을 올리고 있습니다. 마이다스에서도 몇 개의 연구 프로젝트를 했고, 며칠 전에는 포스코와 주공이 이 문제로 갈등을 빚은 일이 신문에 보도되기도 했었습니다.

  어쨌든 좀 이상한 것은 이 시스템을 주공에서는 이중골조로 보고 있다는 것입니다. 결론부터 말씀드리자면 이 시스템은 이중골조가 될 수 없다는 게 제 판단입니다. 가장 큰 이유는 외부 날개벽이 빠지면 골조만으로 독립적인 중력 저항 시스템이 성립하지 않기 때문입니다. 굳이 이중골조를 만든다면 코아벽의 모서리와 날개벽의 모서리, 그리고 날개벽의 길이가 길기 때문에 날개벽의 중간 정도에 1~2개 정도의 바운더리 엘리먼트를 구성해주어 전단벽이 지진으로 제 기능을 상실했을 경우 중력에 저항할 수 있게 설계해 주어야 하리라고 봅니다. 만약 이러한 구조적 조건들이 만족되지 않는다면 이 시스템을 이중골조로 보는 것은 무리가 있다고 판단되며, 제 개인적인 생각으로는 단변 방향으로는 전단벽식 구조, 장변방향으로는 (연성)모멘트 골조, 또는 다음번 개정될 기준에 삽입이 예상되는 Shear Wall-frame Interaction System 등이 되어야 하리라고 봅니다. 근데 마지막에 말씀드린 시스템은 별도의 다른 문제가 있는데 이는 본 글과는 다소 논의의 관점이 다르기 때문에 별도의 글에서 언급하도록 하겠습니다.

  경제성에 대한 얘기도 이번에 언급할 생각이었는데 급한대로 우선 여기까지의 글을 올리고 가능한 시일내로 정형적인 모델로 이중골조와 건물골조에 대한 물량 비교를 한 결과를 정리해 보겠습니다.

끝으로 본 글은 다음의 자료를 참고하여 작성하였음을 밝힙니다.

*FEMA450;

*IBC2003 ;

*2003 IBC Structural Q&A-Application Guide ;

*SEAOC, Recommended Lateral Force Requirements & Commentary(1999, 일명 Blue Book)

[charm]

>> 좋은 내용 감사합니다. (그것이 그것같구... 조금 햇갈리기도 하구...) 4.항의 경우 도면이 있었으면 이해하는데 도움이 되련만??? 혹, KBCS 내진설계범주 D의 경우 변형적합조건을 고려한 설계방법에 대해서... 한말씀 부탁?

[이창용]

변신맨님께 charm님이 말씀하신 도면 샘플을 하나 올려달라고 부탁을 좀 드려도 될까요? 그리고 변형 적합성에 대해서도 KBC05의 개선점으로 곧 글을 올리려고 합니다. 조금만 기다려 주세요.

[변신맨]

도면 샘플은 현재는 어렵구요... 간단한 자료 댓글로 올립니다....^^

[charm]

고맙습니다. 자료 잘 봤습니다.