필로티 내진설계

필로티 내진설계란

필로티 내진설계는 1층을 기둥만으로 비운 층의 강성과 강도 불연속에 대비하는 설계다.

이 층은 주변 층보다 횡강성이 현저히 작은 연직 비정형 층이 된다.

핵심은 1층 기둥의 내력과 연성을 확보하는 것이다.

1층에 힘이 몰리는 이유

필로티 건물은 위층이 벽체로 막혀 있고 1층만 벽 없이 열려 있다.

그래서 1층은 상대적으로 약하고 유연해, 흔들림이 1층에 몰린다.

1층 기둥은 상부 층의 전단력과 전도모멘트를 거의 혼자 받는다.

포항 지진의 피해 원인

2017년 포항 지진에서는 필로티 건물의 피해가 집중되었다.

피해 원인은 수직 비정형, 평면 비정형, 기둥 파괴의 세 가지로 정리된다.

특히 1층 기둥에 전단과 축력이 집중되어 주철근이 이탈하고 좌굴한다.

2005년부터 국내 기준에 필로티 규정이 반영되었지만 배근이 복잡해 잘못 적용된 사례가 잦았다.

연성과 횡보강근

기둥의 핵심은 연성이다. 연성은 항복 뒤에도 강도를 크게 잃지 않고 변형하는 능력이다.

횡보강근은 주철근을 둘러싸 위치를 고정하고 콘크리트의 벌어짐을 억제한다.

강기둥 약보는 보가 먼저 항복하게 하는 원리인데, 필로티 1층은 보가 없어 적용이 어렵다.

축력비가 클수록 변형 능력이 낮아지므로 횡보강을 강화한다.

설계 절차

설계 절차는 다섯 단계로 진행한다.

먼저 1층과 상층의 강성비를 계산하고, 수직 비정형이면 특별지진하중을 적용한다.

다음으로 1층 기둥의 축력과 휨을 구하고 횡보강근의 간격과 양을 정한다.

연성이 부족하면 단면이나 보강근을 바꾸어 다시 검토한다.

예시 계산: 연약층 판정

가상의 4층 분리형 필로티 건물을 생각한다. 1층 강성은 상층의 1/5 수준이라고 가정한다.

층강성 비는 K1을 K2로 나눈 값이며, 여기서는 0.2가 된다.

연약층 기준인 0.7보다 작으므로 이 1층은 연약층으로 판정된다.

정답과 시험 포인트

정답은 예다. 0.2는 기준 0.7보다 작아 이 1층은 연약층에 해당한다.

연결형은 1층부터 최상층까지 기둥이 이어져 지진력을 분산한다.

분리형은 1층 기둥이 건물 전체를 받쳐 좌우 진동에 취약하다.

필로티 기둥은 횡보강근으로 주철근 좌굴을 막고 연성을 확보해야 한다.