강구조 내진설계 요구사항

왜 배우는가: 강구조는 지진 때 큰 비탄성변형을 받으므로, 설계지진력을 낮추는 만큼 부재와 접합부의 연성 상세가 안전을 좌우한다. 기술사 시험에서는 기준이 요구하는 재료, 보·기둥 강도 관계, 접합부 회전능력을 항목별로 묻기 때문에 반복 출제된다.

출제 이력: 제125회 1교시 4번, 제121회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

강구조 내진설계 요구사항은 지진력저항시스템의 강재, 보·기둥, 접합부가 큰 비탄성변형에서도 강도와 연성을 유지하도록 정한 규정이다.

핵심 키워드: 지진력저항시스템, 내진구조용 강재, 연성(ductility), 강기둥-약보, 보-기둥 접합부 회전능력, 기둥 휨강도, 소성힌지, 반응수정계수

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 큰 지진이 왔을 때 강구조물이 무너지지 않고 크게 변형하며 에너지를 흡수하도록 만드는 요구사항이다. 그 능력을 연성이라고 한다. 강구조는 탄성 범위에서 버티는 것보다 항복 이후에 천천히 변형하면서 버티는 것이 유리하다.

정식으로는 지진력저항시스템을 구성하는 부재와 접합부에 대해 재료 성능, 부재 강도 관계, 접합부 변형능력을 규정한 것이다. 건축물의 지진력저항시스템 구분과 설계지진력 산정은 「건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)」이 정하고, 강구조 부재의 상세 요구사항은 「건축물 강구조 설계기준(KDS 41 31 00)」이 정한다. 두 기준은 함께 적용된다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 지진력저항시스템: 설계지진력을 부재의 탄성 또는 비탄성 거동으로 견디도록 구성한 골조 체계다. 모멘트골조, 가새골조 등으로 나뉜다.
• 내진구조용 강재: 항복강도의 상한, 인장강도와 항복강도의 비, 충격인성 등 연성 확보에 필요한 성능을 규정한 강재다. 일반 구조용 강재와 구분하여 지정한다.
• 강기둥-약보(strong column-weak beam): 지진 시 보에 먼저 소성힌지가 생기고 기둥은 탄성을 유지하도록 강도 관계를 정하는 원칙이다. 기둥이 먼저 무너지면 층 붕괴로 이어지기 때문이다.
• 보-기둥 접합부 회전능력: 접합부가 강도를 잃지 않고 요구되는 소성 회전각을 확보하는 능력이다. 용접 접합부의 취성파괴를 막는 상세가 핵심이다.
• 반응수정계수(R): 탄성 설계지진력을 연성 거동에 따라 줄이는 계수다. 설계지진력을 낮춘 만큼 연성 상세가 반드시 뒤따라야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

1994년 미국 노스리지 지진과 1995년 일본 고베 지진에서 용접 강재 모멘트접합부가 취성적으로 파괴되는 사례가 다수 보고되었다. 이 피해를 계기로 강구조 접합부의 연성과 강재의 인성이 설계 요구사항으로 정리되었다. 국내에서도 지진 설계가 내진구조 중심으로 정착되면서 강구조 부재의 연성 상세 기준이 필요해졌다.

필요성은 두 가지로 설명한다. 첫째, 설계지진력을 탄성 값보다 낮게 잡으면 부재가 항복하며 에너지를 흡수하는데, 이때 항복 위치와 순서를 설계자가 정해야 한다. 둘째, 실제 항복강도가 설계 기준보다 높으면 접합부가 먼저 파괴될 수 있으므로 재료의 항복 편차와 인장강도 여유를 관리해야 한다.

따라서 요구사항은 재료, 부재, 접합부를 하나의 연결된 체계로 본다. 강재가 과도하게 강하면 기둥이 먼저 항복하고, 접합부 회전능력이 부족하면 보의 소성 변형을 활용하지 못한다. 세 요소가 맞아야 지진력저항시스템이 설계 의도대로 거동한다.

시험에서는 이 배경을 한두 문장으로 쓰고, 재료·보기둥 강도비·접합부 회전능력을 요구사항의 세 축으로 나누어 답안을 구성하면 된다.

4. 구성요소·원리·절차

강구조 내진설계 요구사항은 지진력저항시스템을 구성하는 내진구조용 강재, 보-기둥 접합부, 기둥 의 세 요소가 함께 연성 거동을 확보하도록 정하는 체계다. 지진 시 에너지는 부재의 소성변형으로 흡수하므로, 재료·접합·부재 강도의 관계를 먼저 정해 두어야 한다.

위 표의 세 요소는 서로 독립이 아니다. 강재가 연성을 잃으면 접합부 회전능력이 줄고, 기둥이 먼저 항복하면 층 붕괴 위험이 커진다. 따라서 설계자는 재료, 접합, 부재를 순서대로 검토한다.

원리는 강기둥-약보(strong column-weak beam) 개념이다. 지진 시 보에서 소성힌지가 먼저 생기고 기둥은 탄성을 유지하도록 강도를 정한다. 이 개념이 기둥의 휨강도 요구와 기둥-보 강도비 규정의 근거가 된다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 지진력저항시스템의 종류와 내진등급을 정한다.
• 강재 재료 시험 성적서로 항복강도, 인장강도, 항복비, 샤르피 흡수에너지를 확인한다.
• 보-기둥 접합부의 설계 회전각 요구를 정하고 접합 상세를 선택한다.
• 기둥 축력을 구하고 기둥의 설계휨강도를 검토한다.
• 기둥-보 강도비가 기준을 만족하는지 확인하고 패널존을 검토한다.
• 정·동적 해석 결과와 함께 상세도에 반영한다.

계산 예제 개념으로 기둥-보 강도비는 다음과 같이 쓴다.

$\frac{\sum M_{pc}}{\sum M_{pb}} \ge 1.0$

여기서 M_{pc}는 접합부에서 기둥의 공칭휨강도(축력 고려), M_{pb}는 보의 소성휨모멘트다. 단위는 kN·m이다. 값이 1.0 미만이면 기둥이 먼저 항복하므로 단면을 키우거나 보 강도를 낮춘다.

5. 관련 법령·기준·표준

강구조 내진설계 요구는 「건축구조기준」 체계의 내진설계기준(KDS 41 17 00)과 건축물 강구조 설계기준(KDS 41 31 00)에 나뉘어 규정된다. 전자는 지진력저항시스템의 종류와 내진설계 일반을, 후자는 강재 재료, 접합, 부재의 세부 요구를 정한다. 두 기준은 함께 적용하며, 설계 지진력 산정은 내진설계기준의 값을 따른다.

기초 설계는 「기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)」을 따르며, 이 기준은 기초의 내진등급과 내진성능수준을 상위 내진설계 기준(KDS 17 10 00)에 연결한다. 기초 구조물은 기능수행수준에서 탄성 거동, 붕괴방지수준에서 취성파괴와 좌굴이 없도록 요구한다. 강구조 부재 자체의 요구는 KDS 41 31 00에서 정한다.

위 표의 수치는 강구조 요구의 대표 값이다. 설계 시에는 적용 조건(시스템 종류, 내진등급, 강재 등급)에 따라 세부 값이 달라지므로 조건을 함께 기록한다. 기초 기준의 값은 기초 구조물에만 적용된다.