구조설계 원칙

왜 배우는가: 구조설계 원칙은 모든 구조계획과 구조해석의 출발점이므로 실무에서 설계 판단의 기준이 된다. 기술사 시험에서는 안전성·사용성·내구성·친환경성을 항목별로 설명하라는 형태로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제117회 1교시 4번, 제111회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

구조설계 원칙은 건축물이 수명 기간 동안 하중에 저항하고 사용 기능과 내구성을 유지하며 환경 부하를 줄이도록 정한 구조설계의 기본 방향이다.

• 구조설계 원칙
• 안전성
• 사용성
• 내구성
• 친환경성
• 강도설계법
• 한계상태설계법
• 하중계수
• 강도감소계수

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 건물이 무너지지 않고, 쓰기 불편하지 않고, 오래 버티며, 환경을 덜 해치도록 구조를 짜는 기본 약속이다. 이 약속을 정리한 것이 구조설계 원칙이다.

정식으로는 건축구조기준 총칙이 제시하는 구조설계의 기본 원칙을 가리킨다. 구조물이 요구되는 성능을 설계수명 동안 만족하도록 안전성, 사용성, 내구성, 친환경성의 네 측면에서 목표를 세운다.

핵심 용어는 다음과 같다. 안전성은 설계하중이 작용할 때 붕괴나 파괴에 저항하는 능력이다. 사용성은 처짐, 진동, 균열이 건물의 사용 기능을 해치지 않는 성질이다. 내구성은 환경 작용을 받아도 성능이 설계수명 동안 유지되는 성질이다. 친환경성은 자원과 에너지 소비, 환경 부하를 줄이는 성질이다.

네 원칙은 서로 독립적이지 않다. 안전성을 확보하려고 부재를 키우면 자중과 자원 소비가 늘어 친환경성에 불리하다. 반대로 사용성을 엄격히 잡으면 강성이 커져 부재가 커질 수 있다. 그래서 설계에서는 네 원칙을 함께 조정한다.

안전성을 검토하는 대표적 방법이 강도설계법이다. 강도설계법은 하중에 하중계수를 곱한 소요강도가 공칭강도에 강도감소계수를 곱한 설계강도보다 작거나 같도록 한다.

$\phi R_n \ge \sum \gamma_i Q_i$

여기서 \phi는 강도감소계수, R_n은 공칭강도, \gamma_i는 하중계수, Q_i는 하중 성분이다. 이 식은 재료 강도의 변동과 하중의 불확실성을 계수로 반영하는 방식이다.

사용성은 강도설계법만으로 충분히 보장되지 않는다. 그래서 처짐과 균열을 사용하중 수준에서 따로 검토한다. 한계상태설계법은 안전성과 사용성을 하나의 설계체계로 묶어 두 검토를 함께 수행하는 방법이다.

3. 등장 배경과 필요성

구조설계 원칙이 체계화된 배경은 설계법의 변화에 있다. 초기 허용응력설계법은 부재에 생기는 응력이 재료의 허용응력을 넘지 않도록 했다. 계산이 간단했지만 부재의 실제 강도를 알기 어렵고, 서로 다른 재료를 조합할 때 일정한 안전도를 유지하기 어려웠다. 또 성질이 다른 하중을 설계에 반영하기도 힘들었다.

이 한계를 보완하여 극한강도 설계법, 즉 강도설계법이 도입되었다. 강도설계법은 파괴에 대한 안전성을 확보하기 쉽고 하중 종류별 계수를 달리 적용할 수 있다. 다만 사용성은 별도로 검토해야 한다는 점이 남았다. 이 두 설계법의 장단점이 안전성과 사용성을 한 체계에서 다루는 한계상태설계법의 필요성으로 이어졌다.

구조 측면의 현실적 필요도 있다. 고강도 철근을 사용하면 철근 수가 줄고 철근 간격이 커져 폭이 큰 균열이 생기기 쉽다. 따라서 폭이 큰 균열 몇 개보다 미세한 균열이 많은 편이 바람직하다는 점이 강조된다. 이는 사용성과 내구성을 함께 검토해야 하는 이유가 된다.

내구성의 필요성은 구조물의 노후화에서 나온다. 모든 구조물은 공용기간이 늘어나면서 재료 물성과 구조성능이 떨어진다. 이 열화가 사용성과 내구성 저하로 이어지므로 설계 단계부터 내구성을 규정해야 한다. 삼풍백화점 붕괴사고는 계획, 설계, 시공, 유지관리 전 단계의 부실이 얼마나 큰 피해를 낳는지 보여 준 사례다.

친환경성은 건축물의 전 생애에서 환경 부하를 줄이려는 요구에서 강조되었다. 그린빌딩은 에너지와 자원을 절약하고 자연환경을 보전하며, 설계부터 폐기까지 환경 피해를 최소화하는 건축물로 정의된다. 구조설계도 자재 생산과 수송, 시공, 유지관리, 해체 단계의 자원 소비를 함께 고려해야 하므로 친환경성이 구조설계 원칙에 포함되었다.

4. 구성요소·원리·절차

구조설계 원칙은 하나의 목표를 여러 기준으로 나눠 검증하는 체계다. 안전성, 사용성, 내구성, 친환경성 네 항목은 서로 독립적으로 만족해야 하며, 어느 하나를 보완한다고 다른 항목이 자동으로 충족되지는 않는다. 구성요소는 설계하중과 하중조합, 부재 강도 검토, 처짐과 균열 등 사용성 검토, 재료 선정과 피복두께 등 내구성 확보, 에너지와 자원 절약 등 친환경 계획으로 이루어진다.

표의 네 항목은 모두 설계 단계에서 검토해야 하며, 시공과 유지관리 단계까지 이어진다. 검토 순서는 하중 결정, 부재력 해석, 강도 검토, 사용성 검토, 내구성 검토 순으로 진행한다.

원리는 하중과 저항의 관계로 설명한다. 안전성은 하중계수를 곱한 소요강도가 강도감소계수를 곱한 설계강도 이하가 되도록 하는 것이다. 강도설계법에서는 이 조건을 소요강도 ≤ 설계강도로 표현한다. 사용성은 사용하중 상태에서 변형과 균열이 허용 범위에 있는지를 따로 검토한다. 파괴 안전성을 먼저 확보하고 사용성을 별도로 확인하는 것이 강도설계법의 기본 구조다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 건축물 용도와 지반 조건에 따라 설계하중을 정한다.
• 하중조합을 구성하고 부재력을 해석한다.
• 부재별 설계강도를 계산하여 소요강도와 비교한다.
• 처짐과 균열폭을 사용하중 상태에서 검토한다.
• 노출 환경에 따른 피복두께와 재료 기준을 확인한다.
• 에너지·자원 절약 계획을 반영하고 설계 문서에 기록한다.

강도 검토식은 다음과 같다. 여기서 U는 소요강도, \phi는 강도감소계수, R_n은 공칭강도이다.

$\phi R_n \ge U$

안전성은 소요강도가 설계강도를 넘지 않도록 하는 검토다.

도식 구성은 다음과 같다.

도식의 되먹임 화살표는 사용성이나 내구성 검토에서 부재 치수를 바꾸면 강도 검토를 다시 한다는 뜻이다.

5. 관련 법령·기준·표준

구조설계 원칙은 건축구조기준(KBC 2016)을 기본으로 한다. 이 기준은 건축법에 따라 구조내력, 하중, 내진 설계의 기준을 정한다. 콘크리트 구조는 KDS 14 20 00을 따르며, 이 기준은 무근콘크리트, 철근콘크리트, 프리스트레스트콘크리트의 설계, 시공, 유지관리 요구사항을 제공한다. 두 기준은 안전성, 사용성, 내구성을 모두 요구하는 공통 틀을 가진다.

건축구조기준 체계에서 설계의 기본은 한계상태설계법이며, 강도설계법은 콘크리트 구조 설계에 채택된 주요 원칙이다. 강도설계법을 적용할 때는 하중계수와 강도감소계수를 사용한다. 두 계수는 구조물의 안전 여유를 확보하는 장치다.

친환경성은 건축물의 계획, 설계, 시공, 유지관리, 폐기 전 과정에서 에너지와 자원을 절약하는 것을 목표로 한다. 친환경 관련 세부 기준은 국내 그린빌딩 인증제도와 연계하여 운용된다. 인증 기준의 구체적 항목과 점수 체계는 제도 개정에 따라 바뀌므로 설계 시 최신 제도를 확인해야 한다.

기준값 표는 다음과 같다.

표의 값은 항목별 대표 기준이다. 세부 수치는 부재 종류와 노출 조건에 따라 달라지므로 설계 기준서의 해당 조항을 함께 적용한다. 개정 연혁은 KBC 2016 이후 기준이 반영되어 있으며, 지진 관련 기준은 최근 개정 사항을 학교시설 내진설계 기준 등에 반영하는 방향으로 진행 중이다.

6. 유형과 비교

구조설계 원칙은 설계법의 발전과 함께 성격이 달라져 왔다. 허용응력 설계법은 부재에 생기는 응력이 허용응력을 넘지 않도록 하는 방식이고, 극한강도 설계법은 계수하중에 따른 소요강도가 설계강도를 넘지 않도록 하는 방식이다. 한계상태설계법은 안전성과 사용성을 하나의 체계로 묶는다. 시험에서는 이 차이를 파괴 안전성과 사용성 확보 방식으로 나누어 설명하는 것이 핵심이다.