평면·수직 비정형성

왜 배우는가: 평면·수직 비정형성은 건물 형상이 지진 시 비틀림과 층간 응력 집중을 일으키는지를 판정하는 출발점이며, 내진설계 해석법 선택과 내진설계범주별 적용 범위를 정하는 기준이 된다. 기술사 시험에서는 유형 나열과 정의를 묻는 문항이 여러 교시에 걸쳐 반복 출제되므로 정확한 명칭과 정의를 답안 형식으로 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제137회 1교시 11번, 제134회 4교시 5번, 제133회 2교시 5번, 제124회 1교시 2번, 제118회 1교시 1번, 제112회 1교시 8번, 제108회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

평면·수직 비정형성은 건물의 평면 형상 또는 입면(층별) 강성·강도·질량·형상이 규정된 정형 조건에서 벗어난 상태를 말하며, 지진하중 분포와 응답을 크게 바꾸므로 내진해석법 선택과 상세 설계에 반영한다.

• 평면 비정형성
• 수직 비정형성
• 비틀림 비정형성
• 강성 비정형성(연층)
• 질량 비정형성
• 기하학적 비정형성
• 횡력저항 수직요소의 불연속
• 내진설계범주(SDC)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 건물이 상자처럼 반듯하고 위아래가 같은 모양이면 지진이 와도 힘이 고르게 퍼진다. 그렇지 않고 평면이 찌그러져 있거나 어느 한 층만 약하면, 힘이 한쪽으로 몰리고 비틀리거나 그 층이 먼저 무너진다. 이런 상태를 비정형이라고 한다.

정식으로 말하면, 평면 비정형성은 층의 평면 형상, 강성 중심과 질량 중심의 편심, 횡력저항요소의 배치가 규정된 기준을 벗어나 비틀림 응답을 키우는 상태를 뜻한다. 수직 비정형성은 한 층에서 다음 층으로 올라갈 때 강성, 강도, 질량, 기하형상이 급격히 변하거나 횡력저항요소가 끊기는 상태를 뜻한다. 두 개념 모두 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)의 판정 항목으로 규정되어 있다.

핵심 용어는 다음과 같다. 비틀림 비정형성은 강성 중심과 질량 중심 사이 편심이 커서 수평 변위보다 회전 변위가 지배하는 현상이다. 약층(soft story)은 강성이 바로 위 또는 아래 층보다 현저히 작은 층이다. 약최상층은 최상층의 강성이 그 아래층보다 작은 경우다. 기하학적 비정형은 층의 평면 치수가 인접층보다 현저히 좁거나 넓게 변하는 형상이다.

3. 등장 배경과 필요성

국내 내진설계 규정은 1988년 내진설계 의무 도입 이후 여러 차례 개정되며 확대되어 왔다. 국내에서 발생한 공학적 지진 자료가 부족한 상황에서 외국 기준을 참고해 기준을 만들었기 때문에, 형상 불규칙에 따른 피해 사례를 기준에 반영하는 과정이 필요했다. 이 과정에서 평면과 수직의 비정형 조건이 판정 항목으로 정리되었다.

비정형 건물은 정형 건물보다 지진 피해가 집중되는 경향이 있다. 비틀림 응답, 약층 붕괴, 횡력 전달 경로의 단절은 실제 지진 피해에서 반복 확인된 취약 요인이다. 따라서 설계기준은 비정형 조건이 있으면 해석법을 더 엄격하게 쓰거나 추가 검토를 하도록 규정한다.

또한 내진설계범주가 높아질수록 비정형 판정의 중요성이 커진다. 설계범주가 높은 건물일수록 정적해석 대신 동적해석을 적용해야 하는 경우가 많고, 비정형 조건이 있으면 그 적용 요건이 더 까다로워진다. 그러므로 비정형성 판정은 해석법 선택의 첫 단계로 이해해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

본 항목은 이 부분의 범위 밖이므로 다루지 않는다.

4. 구성요소·원리·절차

비정형성은 건물의 형상이나 강성·질량·강도가 층이나 평면 위치에 따라 크게 달라지는 상태를 말한다. 정형 건물은 지진력이 강성중심을 따라 고르게 전달되지만, 비정형 건물은 강성중심과 질량중심이 어긋나 비틀림이 생기고 응력이 특정 층이나 부재에 집중된다. 그래서 설계기준은 평면과 수직 방향을 따로 판정하도록 규정한다.