비구조요소 내진설계

왜 배우는가: 비구조요소는 천장·칸막이·설비 등 건축물 본체가 아닌 부재이지만, 지진 시 탈락·전도로 인명과 피난로에 직접 피해를 주므로 설계 대상으로 명시되었다. 기술사 시험에서는 대상 범위, 설계지진력 산정식, 예외조건을 묻는 문항이 반복적으로 출제되어 체계적으로 정리해 둘 필요가 있다.

출제 이력: 제130회 1교시 9번, 제129회 2교시 6번, 제125회 2교시 3번, 제124회 1교시 11번, 제122회 4교시 4번, 제120회 2교시 5번, 제96회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 비구조요소 내진설계는 건축물의 주구조체가 아닌 천장·칸막이벽·설비 등이 지진력에 의해 탈락, 전도, 파손되지 않도록 설계지진력을 산정하고 고정·지지 방법을 정하는 설계이다.

키워드

• 비구조요소(nonstructural element)
• 설계지진력(design seismic force)
• 등가정적하중(equivalent static load)
• 증폭계수(amplification factor)
• 반응수정계수(response modification factor)
• 매달린 천장(suspended ceiling)
• 칸막이벽(partition wall)
• 앵커(anchorage)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 건물이 흔들릴 때 구조 뼈대는 버티지만 그 위에 붙은 천장, 벽, 설비가 떨어지거나 넘어지지 않도록 따로 계산하고 붙이는 일이다. 구조체와 비구조요소가 함께 움직이므로 비구조요소에도 지진력을 작용시켜야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 비구조요소 내진설계는 건축물의 구조내력에 기여하지 않는 부재 및 장치가 설계지진 시 자체 파괴나 주변 구조체와의 분리 없이 기능을 유지하도록 설계지진력을 산정하고 연결부를 검토하는 과정이다. 건축물 내진설계기준 KDS 41 17 00에서 이 내용을 규정한다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

• 비구조요소: 구조내력을 담당하지 않지만 지진 시 피해가 사람에게 전달될 수 있는 건축 요소 및 설비이다. 천장, 칸막이벽, 외장재, 설비기기, 배관 등이 포함된다.
• 설계지진력: 비구조요소의 질량에 가속도 계수를 곱해 구한 수평력으로, 부착 위치의 높이에 따라 증폭된다.
• 등가정적하중: 동적 해석 없이 식으로 설계지진력을 구하는 방법으로, 실무에서 가장 많이 쓴다.

이 개념의 기준 체계는 구조설계와 같은 내진 개념을 공유하지만, 비구조요소의 증폭과 연결부 검토가 별도로 다뤄진다. 기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)도 등가정적 해석과 동적 해석을 구분하여 규정하므로, 같은 해석 틀을 비구조요소에 적용하는 흐름을 이해하면 된다.

3. 등장 배경과 필요성

국내에서는 2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진 이후 비구조요소 피해가 실제 문제로 드러났다. 이 때문에 기준에서 비구조요소의 설계 대상과 방법을 명확히 규정할 필요가 커졌다.

또한 고층 건물과 대공간 건축물이 늘면서 천장 질량과 설비 중량이 커졌다. 비구조요소의 피해는 구조 안전과 별개로 피난, 기능 중단, 복구비 증가로 이어진다. 그래서 설계 단계에서 구조체와 함께 검토하는 것이 필요하다.

국내 소방 분야에서도 비구조요소 설계지진력 산정방법을 건축물 내진설계기준의 비구조요소 규정에 따르도록 정하고 있다. 이는 비구조요소 내진설계가 건축뿐 아니라 설비 분야까지 공통으로 적용되는 체계임을 보여준다. 따라서 구조기술사는 건축 비구조재와 설비 비구조재를 같은 원리로 설명할 수 있어야 한다.