지진력저항시스템

왜 배우는가: 지진력 저항시스템은 건물의 횡력 저항 방식을 정하는 출발점이라서 설계 초기에 골조·벽체·가새 중 무엇을 쓸지 결정하는 기준이 된다. 기술사 시험에서는 KDS 41 17 00에 정의된 시스템 종류와 이중골조·전단벽-골조 상호작용 시스템의 차이를 묻는 문제가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제132회 4교시 2번, 제92회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지진력 저항시스템은 지진에 의한 수평력을 기초까지 전달하기 위해 전단벽, 골조, 가새 등 횡력 저항 요소를 조합한 구조 체계다.

핵심 키워드

• 지진력 저항시스템(Seismic Force Resisting System)
• 내력벽식시스템(Bearing Wall System)
• 건물골조시스템(Building Frame System)
• 이중골조시스템(Dual System)
• 전단벽(Shear Wall)
• 보통모멘트골조(Ordinary Moment Frame)
• 반응수정계수(Response Modification Factor)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 지진은 건물을 옆으로 미는 힘이다. 건물은 이 옆힘을 받아 바닥과 기초로 흘려보내는 통로가 있어야 버틴다. 그 통로를 어떤 부재로 만들었는지에 따라 시스템이 나뉜다.

정식 정의는 다음과 같다. 지진력 저항시스템은 설계지진력에 저항하도록 수직 부재와 수평 부재를 배치하고 연결한 구조 방식을 말한다. 시스템마다 횡력 분담 방식, 연성능력, 반응수정계수가 달라진다.

핵심 용어를 나누어 보면 다음과 같다.

전단벽은 평면 내 수평력을 벽체 자체의 전단 강성으로 받는 철근콘크리트 벽체다. 벽체 길이 방향으로 힘을 받을 때 변형이 작아 횡강성이 크다. 벽체는 직교 방향 하중에는 약하므로 두 방향에 고르게 배치해야 한다.

골조는 보와 기둥이 강접합을 이루어 횡력을 휨으로 저항하는 구조다. 벽이 없어 내부 공간 활용이 자유롭지만, 벽체에 비해 횡변형이 크게 생긴다.

가새는 기둥과 보 사이에 대각선으로 배치하여 전단변형을 줄이는 부재다. 주로 강구조 건물에서 쓰며 횡강성을 높인다.

이중골조시스템은 모멘트골조가 전단벽이나 가새골조와 조합되어 횡력을 나누어 받는 방식이다. 이 구조에서는 모멘트골조가 횡력의 일정 비율 이상을 분담해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

건물이 높아지면서 횡력이 전체 설계를 지배하게 되었다. 골조만으로는 횡강성이 부족하고, 벽체만으로는 내부 공간과 개구부 배치가 제약된다. 두 요소를 함께 쓰면 강성과 공간 활용을 모두 얻을 수 있다.

지진 피해 경험이 쌓이면서 연성 상세와 에너지 소산 능력을 기준으로 시스템을 분류하는 방식이 발전했다. 이에 따라 시스템별 반응수정계수와 상세 요구사항을 정하는 체계가 필요해졌다.

특히 내진설계범주 D 건물에서는 시스템 선택이 설계 허용 범위를 직접 결정한다. 그래서 시험에서도 시스템 정의와 함께 비교를 묻는 경우가 많다.

전단벽 골조 방식의 장점은 횡강성과 공간 효율을 함께 얻는 데 있다. 개구부 주변 응력 집중과 벽체 위치 변경의 어려움은 설계 단계에서 함께 검토해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

지진력 저항시스템은 지진으로 생긴 수평력을 기초까지 전달하는 구조요소의 조합이다. 내진설계기준(KDS 41 17 00)은 시스템을 수평력 저항 방식에 따라 나눈다. 구성요소는 수직 부재, 수평 부재, 횡력 저항 요소로 나뉜다. 수직 부재는 기둥과 내력벽, 수평 부재는 보와 슬래브이며, 횡력 저항 요소는 전단벽, 가새, 모멘트골조다. 아래 표는 시스템별 구성과 횡력 부담 방식을 정리한 것이다.

원리는 강성 배분이다. 횡강성이 큰 요소가 지진력을 더 많이 받는다. 따라서 평면 양방향에 강성 요소를 고르게 배치해야 비틀림 발생이 줄어든다. 이중골조시스템은 골조가 수평력의 25% 이상을 부담하고, 나머지는 전단벽이나 가새가 부담하는 구조다.

지진력 전달 절차는 다음과 같다.

• 슬래브가 관성력을 받아 수평 부재로 전달한다.
• 보와 다이어프램이 수평력을 횡력 저항 요소로 모은다.
• 전단벽과 골조가 층 전단력을 분담한다.
• 힘은 수직 부재를 거쳐 기초와 지반으로 전달된다.

횡력 분담은 층 전단력에 대한 강성비로 근사한다.

$V_i = V \cdot \frac{k_i}{\sum k_j}$

여기서 V_i는 i번 요소가 받는 층 전단력(kN), V는 층 전단력(kN), k_i는 i번 요소의 횡강성(kN/m), \sum k_j는 같은 층 횡강성의 합(kN/m)이다. 결과는 강성이 큰 요소가 더 많은 힘을 받는다는 원리를 보여준다.

지진력은 횡강성이 큰 요소에 더 많이 배분되므로 양방향 강성 배치가 핵심이다.

![도식](diagram {"type":"flow","title":"지진력 전달 경로","nodes":[{"id":"a","label":"관성력 발생","sub":"슬래브·질량"},{"id":"b","label":"수평 부재 전달","sub":"보·다이어프램"},{"id":"c","label":"횡력 저항 요소","sub":"전단벽·골조·가새"},{"id":"d","label":"수직 부재 전달","sub":"기둥·내력벽"},{"id":"e","label":"기초·지반","sub":"최종 전달"}],"edges":[{"from":"a","to":"b","label":""},{"from":"b","to":"c","label":""},{"from":"c","to":"d","label":""},{"from":"d","to":"e","label":""}]} )

5. 관련 법령·기준·표준

지진력 저항시스템의 기준은 건축구조기준(KDS 41 17 00 : 2022, 건축물 내진설계기준)이 기본이다. 이 기준은 시스템별 반응수정계수(R), 시스템 초과강도계수(Ω₀), 변위증폭계수(Cd) 를 규정한다. 아래 표는 기준값을 정리한 것이다.

이 값은 설계자가 내진설계범주와 재료를 고려해 적용한다. 기준 조항의 세부 적용 조건은 KDS 41 17 00 본문에 따른다.

• 내진설계범주 D에서 건물골조시스템은 연성 상세 요구가 강화된다.
• 기준의 R 값은 연성 능력을 반영하므로 시스템 선택이 설계지진력을 좌우한다.

내진설계범주와 반응수정계수는 함께 적용한다. 두 값의 관계는 설계 밑면전단력 계산의 출발점이다.

6. 유형과 비교

지진력 저항시스템은 수직부재의 구성과 수평력 분담 방식에 따라 나뉜다. 내력벽식, 건물골조, 이중골조, 전단벽-골조 상호작용 시스템을 같은 기준으로 비교하면 설계 자유도와 횡강성의 차이가 드러난다.