필로티 내진설계

왜 배우는가: 필로티 건물은 1층을 비워 두어 지진 시 기둥에 힘이 집중되는 구조이므로, 실무에서 기둥 설계와 상세를 정확히 해야 한다. 2017년 포항 지진에서 필로티 피해가 집중되어 시험에서도 기준 적용과 특별 설계 요건을 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제127회 4교시 5번, 제126회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 필로티 내진설계는 1층을 기둥만으로 비운 층의 강성·강도 불연속과 기둥 집중 전단에 대비해 기둥의 내력과 연성을 확보하는 설계이다.

핵심 키워드

• 필로티(Piloti)
• 연직 비정형성(Vertical Irregularity)
• 1층 기둥 집중 전단
• 횡보강근(Transverse Reinforcement)
• 특별지진하중
• 연성 설계(Ductile Design)
• 강기둥 약보 개념

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 필로티는 1층에 벽 없이 기둥만 세운 건물이다. 위층은 벽체로 막혀 있어 1층만 상대적으로 약하고 유연하다. 지진이 오면 흔들림이 1층에 몰린다.

정식 정의는 다음과 같다. 필로티 구조는 건축물의 한 층 이상을 벽체 없이 기둥으로만 구성하여 공간을 개방한 구조 형식이다. 내진 관점에서는 이 개방층이 주변 층보다 횡강성이 현저히 작은 연직 비정형 층이 된다.

1층 기둥은 상부 층의 전단력과 전도모멘트를 거의 혼자 받는다. 그래서 기둥 단면, 주철근, 띠철근의 상세가 건물 붕괴 여부를 좌우한다.

연성은 항복 이후에도 강도를 크게 잃지 않고 변형하는 능력이다. 필로티 기둥은 큰 변형에서도 주철근이 버티도록 횡보강근으로 구속되어야 한다.

강기둥 약보 개념은 보가 먼저 항복하도록 설계하고 기둥은 더 큰 강도를 갖게 하는 원리다. 필로티 1층에서는 보가 없거나 약해 이 원리를 그대로 적용하기 어렵다. 그래서 기둥 자체의 강도와 상세를 따로 높인다.

3. 등장 배경과 필요성

필로티는 주차 공간 확보와 대지 활용을 위해 도시 주거에서 널리 쓰였다. 공간 효율이 높아 다세대 주택과 도시형 생활주택에 집중되었다. 국내에서는 이런 건물이 많아진 반면 설계 기준의 적용은 복잡했다.

2017년 포항 지진은 이 취약성을 드러냈다. 피해가 큰 다세대 주택은 대부분 필로티 구조였다. 한 조사에 따르면 전국 도시형 생활주택 가운데 약 88%가 필로티 구조였다. 진앙 인근 장성동에서는 필로티 건물 약 131동 가운데 47동이 큰 피해를 입었다. 이 수치는 필로티의 취약성을 보여 주는 대표 사례다.

피해 원인은 크게 세 가지로 정리된다.

• 수직 비정형: 1층은 기둥만 있고 위층은 내력벽이 있어 층 사이 강성 차이가 크다.
• 평면 비정형: 계단실과 벽체가 한쪽에 치우쳐 강성 중심과 질량 중심이 어긋난다.
• 기둥 파괴: 1층 기둥에 전단과 축력이 집중되어 주철근이 이탈하고 좌굴한다.

이 때문에 필로티 건물은 일반 건축물과 다른 별도 검토가 필요하다. 2005년부터 국내 기준에 필로티 내진 규정이 반영되었지만 배근 상세가 복잡해 잘못 적용되는 사례가 잦았다. 이후 지진 취약 건축물의 방재 대책이 연구와 기준 개정으로 이어졌다.

아래 흐름은 필로티 기둥 파괴가 건물 붕괴로 이어지는 과정이다.

2005년부터 국내 기준 반영된 필로티 규정은 기둥 상세를 중심으로 하므로, 이후 설계에서는 강성 불연속과 기둥 상세를 함께 검토해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

필로티 내진설계의 핵심은 1층 기둥이 상부 건물의 수평력과 축력을 함께 받는 연성 확보와 강성 급변 억제다. 1층은 벽체 없이 기둥만 남으므로 층 강성과 내력이 상층보다 작아 지진 시 층 변위가 1층에 집중된다. 따라서 설계는 1층 기둥 자체의 전단·휨 내력과 횡보강근(띠철근·나선철근)의 구속 효과를 확보하는 데 맞춰진다.

주철근은 중력 방향과 나란히 배근되어 축력을 콘크리트와 나눠 받고, 휨에 의한 인장을 지지한다. 횡보강근은 이 주철근을 둘러싸 압축을 받는 콘크리트의 벌어짐을 억제한다. 지진 시 기둥이 반복 횡하중을 받으면 주철근이 바깥쪽으로 밀려나 좌굴하는데, 횡보강근 간격이 넓으면 이 현상이 먼저 나타난다.

필로티 기둥은 횡보강근 간격을 좁혀 주철근 좌굴과 코어 콘크리트 파괴를 동시에 막아야 한다.

절차는 다음과 같다.

• 건물 전체의 수직 강성 분포를 구하고 1층과 상층의 강성비를 계산한다.
• 수직 비정형 여부를 판정하고, 해당하면 특별지진하중 산정방법을 적용한다.
• 1층 기둥의 축력과 휨모멘트를 지진하중 조합으로 구한다.
• 기둥 전단 강도가 휨 강도에 대응하도록 횡보강근 간격과 양을 정한다.
• 횡보강근의 135° 갈고리 정착과 단부 구속 구간을 상세에 반영한다.
• 변위 검토 후 연성 능력이 부족하면 단면 크기나 보강근을 바꾸어 1로 돌아간다.

여기서 축력비와 구속 효과가 핵심 개념이다. 축력이 커지면 기둥의 변형 능력이 떨어지므로, 같은 횡보강근이라도 축력비가 높으면 더 촘촘히 배근해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

필로티 기둥의 내진 상세는 「건축구조기준」 체계의 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)에서 다룬다. 이 기준은 내진설계 일반사항과 함께 필로티 구조 기둥의 설계 요구를 담고 있다. 2017년 포항 지진 이후 필로티 기둥의 내력 확보 기준이 강화되었다는 점이 주요 배경이다.

기준 요건은 다음과 같이 정리한다. 횡보강근 간격은 관련 기준이 정한 간격 이하로 제한한다. 필로티 기둥 단부 구속 구간에서는 간격을 더 좁힌다. 이 상세 요건은 기준의 조항으로 답안에 쓴다.

횡보강근 간격과 같은 상세 수치는 설계 조건에 따라 달라지므로 시험에서는 원리와 판정 순서 중심으로 답한다. 기준 개정 연혁은 2017년 포항 지진 이후 필로티 기둥 내력 확보 기준이 보강되었다는 흐름으로 정리한다.

핵심 공식: 기둥 축력비는 $\\eta = \\frac{P}{f_{ck} A_g}$ 이다. 여기서 P는 축력(N), f_{ck}는 콘크리트 설계기준강도(MPa), A_g는 기둥 총단면적(mm²)이다. 축력비가 클수록 변형 능력이 낮아지므로 횡보강을 강화한다.

6. 유형과 비교

필로티 구조는 분리형과 연결형으로 나눌 수 있다. 연결형은 1층 기둥이 상부 구조와 한 몸으로 이어져 있고, 분리형은 1층 기둥만으로 건물 전체를 떠받친다. 지진 시 거동이 어떻게 달라지는지가 두 유형을 가르는 기준이다.