이중골조시스템

왜 배우는가: 이중골조시스템은 전단벽과 모멘트골조가 함께 횡력에 저항하는 방식으로, 장변 방향 전단벽이 부족한 무량판 아파트 등에서 설계 적용 여부를 판단해야 한다. 기술사 시험에서는 이중골조의 정의, 골조가 맡는 횡력 비율, 요구사항이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제120회 3교시 6번, 제90회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

이중골조시스템은 이중골조(Dual System) 로, 수평하중의 25% 이상을 보통 모멘트골조가 부담하고 전단벽이나 가새골조와 조합된 구조방식이다.

수평하중의 25% 이상을 연성 모멘트골조가 부담하며 전단벽 또는 가새골조와 조합된 구조방식

키워드: 이중골조시스템, 모멘트골조, 전단벽, 가새골조, 횡력 분담, 연성 모멘트골조, 내진설계범주

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 건물이 지진에 흔들릴 때 큰 힘을 전단벽이 주로 받고, 기둥과 보가 강접으로 붙은 골조도 일정 몫을 나눠 받는 구조다. 골조가 전혀 힘을 받지 않으면 단순 벽식구조이고, 골조가 주된 저항 요소이면 골조시스템이다. 이중골조는 둘 사이의 중간에 있는 방식이다.

정식 정의는 다음과 같다. 이중골조시스템은 지진력저항시스템의 한 형태로, 수직하중은 주로 골조가 지지하고 수평하중은 연성 모멘트골조와 전단벽 또는 가새골조가 함께 저항한다. 골조가 부담하는 횡력 비율이 기준 이상이어야 이중골조로 인정된다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 보통 모멘트골조: 보와 기둥이 강접으로 연결되어 휨으로 횡력에 저항하는 골조. 연성 상세가 요구되는 중간 또는 특수 모멘트골조와 구분한다.
• 전단벽: 면내 전단력에 저항하는 벽체. 횡력의 대부분을 부담하는 주저항요소다.
• 횡력 분담비: 전체 밑면전단력 중 골조와 벽체가 각각 부담하는 비율. 이중골조 판정의 기준이 된다.

골조 자체의 거동 원리는 다음과 같다. 골조는 보와 기둥의 휨강성에 따라 횡강성이 정해지므로, 횡력이 커질수록 골조의 전단과 모멘트가 증가한다. 이때 골조의 연성이 확보되어야 전체 구조가 에너지를 흡수하며 버틴다.

3. 등장 배경과 필요성

고층 건물의 발전 과정에서 모멘트골조는 가장 기본적인 횡력 저항 방식으로 쓰였다. 평면 제약이 적고 시공이 쉬우며, 일부 부재가 손상되어도 어느 정도 거동을 유지하는 장점이 있다. 그러나 수평하중을 부재의 휨에만 의존하므로 층수가 늘면 부재 크기가 커져 비경제적이 된다. 일반적으로 20~30층 이상의 건물에는 가새골조나 전단벽을 병용하는 것이 바람직하다고 알려져 있다.

전단벽 시스템은 강성이 커서 수평변위를 효과적으로 억제하지만, 벽체 위치가 고정되어 평면 계획이 제한된다. 아파트와 호텔처럼 공간이 일정 면적으로 구획되는 건물에 주로 쓰인다. 그래서 두 시스템의 장점을 합친 이중골조가 필요해졌다. 벽체로 강성과 강도를 확보하고, 골조로 추가 연성과 여유 강도를 확보하는 방식이다.

특히 판상형 무량판 아파트처럼 장변 방향 전단벽이 적은 구조에서는 장변 방향 횡력을 골조가 일부 맡아야 한다. 이때 골조가 횡력의 일정 비율 이상을 부담하면 골조를 지진력저항시스템의 일부로 인정할 수 있다. 이것이 이중골조를 적용하는 실무적 배경이다.

이중골조는 전단벽 단독 구조보다 골조가 에너지 흡수 능력을 더해 주므로, 지진 시 전체 구조의 여유도를 높이는 효과가 있다. 반대로 골조가 횡력을 충분히 분담하지 못하면 이중골조로 인정받지 못하고, 설계 계수와 상세 요구사항이 달라진다는 점을 함께 기억해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

이중골조시스템은 연성 모멘트골조와 전단벽(또는 가새골조)이 한 건물 안에서 함께 횡력에 저항하는 구조방식이다. 두 골조의 역할을 나누는 것이 핵심이며, 전단벽이 대부분의 횡력을 부담하고 모멘트골조는 나머지를 부담하면서 변형능력을 보강한다.

구성요소는 다음과 같다.

전단벽은 강성이 커서 초기 횡력의 대부분을 받는다. 지진이 커지면 전단벽에 균열과 항복이 먼저 생기고, 그 뒤에도 모멘트골조가 골조 자체의 연성으로 횡력을 나누어 받는다. 그러므로 두 시스템의 강성 비율과 연성 능력을 함께 확보해야 한다.

이중골조시스템의 해석과 설계 절차는 다음 순서를 따른다.

• 건축물의 구조계획에서 전단벽과 모멘트골조의 배치를 정한다.
• 각 골조의 강성을 산정하고 전체 횡강성에 대한 분담 비율을 구한다.
• 정적 또는 동적 해석으로 층전단력을 구하고, 각 골조에 배분되는 횡력을 계산한다.
• 모멘트골조가 전체 횡력의 25% 이상을 부담하는지 확인한다.
• 모멘트골조를 보통 또는 중간 모멘트골조 요구사항에 맞추어 설계한다.
• 전단벽과 골조의 접합부, 수집재, 바닥판의 전달 강도를 검토한다.

전단벽의 설계전단강도는 콘크리트의 공칭전단강도와 전단철근의 전단강도를 더하여 구한다. 전단철근 기여분은 수평 및 수직 철근비로 정해지며, 중간모멘트골조의 보와 기둥은 접합부의 전단강도를 별도로 검토한다.

$V_n = V_c + V_s$

여기서 V_n은 공칭전단강도(N), V_c는 콘크리트가 부담하는 전단강도(N), V_s는 전단철근이 부담하는 전단강도(N)이다. 설계전단강도는 강도감소계수 \phi를 곱한 값 \phi V_n이다.

모멘트골조는 전체 횡력의 25% 이상을 부담하는 것을 기준으로 한다

전단벽은 강성이 크므로 강성 분담이 설계의 출발점이다. 모멘트골조의 강성이 지나치게 작으면 이중골조로 인정받지 못하고, 골조가 과도하게 크면 전단벽의 효과가 줄어든다.

다음 도식은 횡력 저항 체계의 구성과 흐름을 보인다.

5. 관련 법령·기준·표준

이중골조시스템은 국내 건축구조 기준의 내진설계 규정에 따라 적용한다. 설계 기준은 건축구조기준(KDS)의 내진설계 편을 따르며, 콘크리트 구조는 콘크리트구조 설계기준(KDS 14 계열)의 상세 규정을 함께 적용한다. 기준의 세부 조항 번호는 확실한 범위에서만 인용한다.

핵심 기준은 다음과 같다.

중간모멘트골조는 보통 모멘트골조보다 큰 연성을 요구한다. 보와 기둥의 단부 상세, 전단철근 배근, 접합부의 전단강도 검토가 추가된다. 설계기준은 개정될 때마다 중간모멘트골조의 세부 요구사항을 조정하므로, 적용 시에는 현행 기준의 해당 편을 기준으로 삼는다.

개정 연혁으로는 내진설계 기준의 체계가 건축구조기준(KDS)으로 통합된 흐름이 있다. 이에 따라 과거 기준의 명칭과 조문 체계는 현행 KDS 명칭으로 바꾸어 쓴다.

아래 표는 이중골조시스템의 주요 수치를 정리한 것이다.

6. 유형과 비교

이중골조시스템은 횡력을 나누어 부담하는 방식에 따라 몇 가지 조합으로 나뉜다. 가장 흔한 구분은 모멘트골조와 짝을 이루는 전단벽이냐 가새골조냐에 따른 것이다. 같은 모멘트골조라도 연성 등급(보통, 중간, 특수)에 따라 요구되는 상세와 설계 전단강도가 달라지므로, 유형은 골조 종류와 연성 등급을 함께 적어야 답안이 완성된다.