내진설계범주 D 구조계획

왜 배우는가: 내진설계범주 D는 고진동 지역에서 가장 엄격한 구조계획 요건이 적용되는 범주다. 구조계획이 잘못되면 상세설계로 보완하기 어려워 실무 설계 초기 단계의 판단이 중요하다. 시험에서는 시스템 제한과 구조계획 고려사항을 묻는 형태로 반복 출제된다.

출제 이력: 제138회 1교시 7번, 제117회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 내진설계범주 D는 설계스펙트럼 가속도 수준이 가장 큰 지역의 건축물에 적용되는 최상위 내진설계범주로, 구조계획 단계부터 불규칙성 억제, 구조시스템 제한, 상세 요건 강화를 요구하는 범주이다.

• 내진설계범주(Seismic Design Category, SDC)
• 내진설계범주 D
• 구조계획
• 비정형성(irregularity)
• 지진력저항시스템(seismic force-resisting system)
• 구조격막(structural diaphragm)
• 내진등급

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 지진이 강하고 건물이 중요할수록 구조계획을 더 보수적으로 짜야 한다는 뜻이다. 내진설계범주는 지반운동의 세기와 건축물의 중요도를 함께 보고 A에서 D까지 나눈 등급이다. 범주 D는 가장 큰 지진력을 받는 범주로, 구조계획 자체가 내진성능을 좌우한다.

정식 정의로는 설계스펙트럼 가속도와 내진등급에 따라 결정되는 설계범주 중 가장 높은 것이 D이다. 범주가 올라갈수록 허용되는 구조시스템이 줄고 해석방법은 더 정밀해진다.

구조계획은 평면과 입면의 형상, 강성 배치, 골조 형식을 정하는 단계다. 비정형성은 평면이나 수직 방향으로 강성·질량·형상이 불규칙한 상태를 뜻한다. 범주 D에서는 이 불규칙성을 줄이는 계획이 필수 요건이다.

구조격막은 바닥이나 지붕이 수평력을 모아 수직 저항요소로 전달하는 판이다. 격막이 약하면 수평력 전달 경로가 끊기므로 계획 단계에서 연속성을 확보해야 한다.

범주 D는 구조계획 단계에서 불규칙성과 시스템을 먼저 제한하는 범주다

3. 등장 배경과 필요성

지진 피해 자료를 보면 같은 지진력이라도 평면이 복잡하거나 강성이 급변하는 건물에서 피해가 집중됐다. 연성설계 원칙에서도 전단파괴보다 휨파괴가 먼저 일어나고 접합부가 부재보다 강해야 한다는 요건이 제시된다. 이런 원칙을 구조계획 단계에서 확보하지 못하면 해석과 상세설계로는 한계가 있다.

또한 내진성능수준과 설계지반운동 수준은 시설물의 중요도에 따라 달라진다. 내진등급이 높고 지진구역계수가 큰 지역에서는 같은 구조라도 요구 성능이 커진다. 따라서 구조계획을 범주별로 나누어 최소 요건을 정해 두는 것이 필요하다.

건물 형태의 기본 원칙도 구조계획의 출발점이다. 단순하고 대칭적이며, 평면과 입면의 길이·폭 비가 과도하지 않고, 강도와 강성이 고르게 분포되어야 한다. 범주 D에서는 이 원칙이 선택이 아니라 의무 요건으로 강화된다.

4. 구성요소·원리·절차

내진설계범주 D는 설계지진의 크기가 커서 구조계획 단계에서 골조 형식과 형상을 먼저 제한해야 하는 범주다. 구조계획의 구성요소는 지진력저항시스템, 구조 정형성, 구조격막, 기초·지반, 비구조요소 연결로 나눈다. 각 요소는 수평력을 받아 지반으로 전달하는 하중 경로의 한 부분이다.

표의 각 행은 설계 단계에서 빠지면 안 되는 검토 항목이다. 지진력저항시스템은 설계범주에 따라 허용 여부가 달라지므로 가장 먼저 정한다. 형상과 격막은 선택한 시스템이 제대로 작동하도록 뒷받침하는 조건이다.

연성설계 원리는 지진 입력 에너지를 부재가 탄성으로 견디기보다 연성 있는 소성변형으로 흡수하도록 하는 것이다. 따라서 강도와 연성을 함께 확보하고, 전단파괴보다 휨파괴가 먼저 일어나도록 설계한다. 접합부는 연결되는 부재보다 강해야 한다. 지진력저항시스템은 설계범주에 따라 허용 여부가 정해진다.

밑면전단력은 V=C_s W로 구한다. 여기서 V는 밑면전단력(kN), C_s는 지진응답계수(무차원), W는 건물의 유효중량(kN)이다. 설계범주 D에서는 C_s의 적용 조건과 해석법 선택에 제한이 붙으므로, 구조계획이 해석법까지 함께 결정한다.

비정형성은 평면이나 입면의 형상이 불규칙하여 강성과 질량의 중심이 어긋나는 상태를 말한다. 비틀림 응력이 커지므로 계획 단계에서 형상을 단순하게 만든다. 구조격막은 바닥판이 수평 강성을 가지고 수평력을 골조에 나눠 전달하는 면이다. 격막이 끊기면 수평력이 골조에 도달하지 못하므로 수집재를 연속시킨다.

절차는 다음과 같다.

• 내진등급과 요구 내진성능수준을 정한다(KDS 17 10 00 4.1.1, 4.1.2).
• 지진구역과 지반종류를 정하고 설계지반운동을 정한다.
• 내진설계범주를 판정하고 허용되는 지진력저항시스템을 고른다.
• 평면·수직 비정형성을 검토하고 형상을 조정한다.
• 격막과 수집재로 수평력의 하중 경로를 연속시킨다.
• 해석방법을 정하고 부재와 접합부를 설계한다.

5. 관련 법령·기준·표준

내진설계의 기본 체계는 내진설계 일반(KDS 17 10 00)이 정한다. 이 기준은 내진등급, 내진성능수준, 설계지반운동 수준의 공통 틀을 제시하고, 구체 기준은 시설물별 내진설계기준에서 정한다. 건축물의 설계범주와 시스템 제한은 건축구조기준(KDS 41 17 00)이 정한다. 법적 근거는 「지진·화산재해대책법」과 그 시행령이다.

설계범주의 판정과 시스템 제한은 건축구조기준의 표로 주어진다. 설계자는 그 표를 건물의 용도와 중요도, 지반 조건에 맞춰 적용한다. 아래 표는 구조계획에서 함께 쓰는 핵심 기준값이다.

기반암은 전단파속도 760m/s 이상인 지층으로 정의한다. 토층 평균전단파속도가 120m/s 이하인 지반은 연약한 지반으로 분류하며, 기반암 깊이와 무관하게 적용한다. 지반 분류는 기초와 지반-구조물 상호작용을 거쳐 구조계획에 영향을 준다.

지진구역계수는 지진구역별로 정해진 값이다. 유효수평지반가속도는 이 값에 위험도계수를 곱하여 평균재현주기별로 구한다. 내진설계범주 D는 설계스펙트럼가속도 수준이 기준 이상인 건축물에 적용된다. 보통모멘트골조는 내진설계범주 D에서 허용되지 않는다.