안녕하세요! 오늘은 내진성능평가와 내진성능설계에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 비전문가분들은 두 개를 서로 혼동하는 경우가 있는데 내진성능평가와 내진성능설계는 서로 다릅니다.
좀 더 넓게 보면 내진성능평가, 내진보강설계, 일반내진설계, 내진성능설계는 전부 다 각기 다른 업무 범위입니다. 그렇다면 이제부터 내진성능평가와 내진성능설계에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
1. 내진성능평가와 내진성능설계의 목적 : 기존 구조물과 신축 구조물의 차이
-내진성능평가의 목적
내진성능평가는 기존 건축물의 내진 성능을 평가하는 것을 목표로 합니다. 이 과정은 지진 발생 시 건축물이 얼마나 견딜 수 있는지, 그리고 어떤 부분이 취약한지를 파악하는 데 중점을 둡니다. 즉, 기존에 건축된 구조물에 대해서 지진에 대해서 저항할 수 있는 성능이 있는지 판단하기 위한 일이라고 보시면 됩니다!
-내진성능설계의 목적
내진성능설계는 새로운 건축물을 설계할 때, 지진에 대한 성능목표를 설정하고 이를 달성하기 위한 설계 과정을 의미합니다. 우리나라에서는 주로 아파트를 설계할 때 내진성능설계를 수행합니다. 그 이유는 아파트의 경우 전단벽구조 형식을 가지는데 이러한 전단벽 시스템에서는 보통전단벽 시스템과 특수전단벽 시스템이 존재합니다. 그런데 아파트의 높이가 60m가 넘어가고 내진설계범주 D에 해당한다면 보통전단벽 시스템으로 설계를 할 수 없습니다. 이것은 건축구조기준에 의한 사항이고 그러므로 특수전단벽 시스템을 적용해야 하지만 특수전단벽시스템은 현실적으로 시공하기 매우 까다롭습니다. 그래서 예외 조항을 적용하여 보통전단벽 시스템으로 설계를 수행합니다. 그 예외 조항이 바로 내진성능설계를 하여 성능목표를 만족하게 설계가 되었다면 내진설계범주 D, 높이가 60m를 초과해도 보통전단벽 시스템을 적용할 수 있습니다.
전단벽구조란?
전단벽은 건물 구조에서 지진하중 및 풍하중에 저항하는 중요한 역할을 하는 수직 요소입니다. 전단벽은 강성 및 연성에 따라 보통전단벽과 특수전단벽으로 나눌 수 있습니다. 이 두 유형은 설계기준, 성능 등이 다릅니다.
-보통전단벽
보통 전단벽은 일반적인 건축 구조물에서 널리 사용되는 전단벽 시스템입니다. 이들은 비교적 단순한 설계와 시공을 할 수 있으며, 중소 규모의 건물에 주로 사용됩니다.
-특수전단벽
특수 전단벽은 더 높은 연성과 강성을 가지도록 설계된 전단벽 시스템입니다. 이들은 중요한 건축물이나 고층 건물에서 사용되며, 복잡한 설계와 고성능 재료를 필요로 합니다. 특수전단벽을 적용하여 압축단부 횡보강을 하게되면 특수한 횡보강 상세를 적용해야하기 때문에 시공이 굉장히 어려워지고 물량이 증가해서 건설원가의 증가와 시공성 저하가 될 수 있습니다.
간략하게 비교해보면 다음과 같습니다.
| 특징 | 보통 전단벽 | 특수 전단벽 |
| 설계 기준 | 간단 | 엄격 |
| 연성 | 낮음 | 높음 |
| 강성 | 높음 | 높음 |
| 적용 사례 | 중저층 건물, 일반 건물 | 고층 건물, 중요한 건물 |
| 장점 | 설계 및 시공이 간단, 비용 저렴 |
높은 연성 및 강성, 대규모 지진 저항 |
| 단점 | 대규모 지진에 취약 | 설계 및 시공 복잡, 비용 높음 |
내진설계범주란?
내진설계범주(seismic design categories, SDC)는 건물이나 구조물이 지진 하중에 대해 어떻게 설계되고 평가되는지를 규정하는 분류 체계입니다. 이 범주는 구조물의 중요도, 사용 용도, 위치, 지반 조건 등을 고려하여 결정되며, 각 범주에 따라 다른 설계 기준과 요구 사항이 적용됩니다. 자세한 내용은 ASCE 7 (American Society of Civil Engineers) 표준과 국제 건축 법규(International Building Code, IBC), KDS 41 17 00을 참고하시면 될 것 같습니다.
이것 외에도 성능설계를 하는 이유는 다양합니다. 예를 들어서 중요한 국가기관, 반도체와 같은 중요 장비들이 있는 공장 등에서 발주처의 요구에 따라 내진성능설계를 수행합니다. 즉, 내진성능설계는 신축 구조물이 내진성능을 보유할 수 있도록 설계를 수행하는 것입니다.
2. 해석방식
내진성능평가에는 선형구조해석, m계수법, 비선형정적해석, 비선형시간이력해석(동적해석)의 방식으로 해석을 수행합니다. 또한, 내진성능평가의 지침은. 학교시설물과 기존시설물 두 가지가 있습니다. 학교시설물의 경우 별도의 지침을 교육부에서 발간하여 그 지침에 따라 내진성능평가를 수행하도록 하고 있습니다. 학교시설물 외의 시설물은 기존시설물 지침에 따라서 내진성능평가를 수행합니다. 내진성능평가에서는 주로 선형구조해석, m계수법, 비선형정적해석을 수행하고 적합한 해석법이 없다고 판단될 때 비선형시간이력해석을 수행합니다
내진성능설계에서는 비선형정적해석과, 비선형시간이력해석을 수행하는데 아파트 같은 구조물에는 비선형정적해석이 적합하지 않기 때문에 주로 비선형시간이력해석을 수행합니다. 비선형정적해석을 수행하기 적합하지 않은 이유는 고차모드 영향이 크기 때문이라고 할 수 있죠. 내진성능평가는 강구조학회, 대한건축학회, 콘크리트학회에서 발간한 지침서를 참고하여 성능설계를 수행합니다.
여기서 평가방식에 관해서 설명하도록 하겠습니다.
①선형구조해석
선형구조해석은 학교시설물에서만 사용할 수 있는 해석법입니다. 이 해석법은 신속하게 평가하기 위한 비교적 간단한 해석법입니다. 일반적으로 건축구조기준에서 사용하는 선형정적해석법을 통해 해석을 수행합니다. 그다음 각 부재의 강도비를 계산하여 부재의 종류별로 평균강도비를 계산합니다. 또한, 횡강성기여도와 평균강도비를 고려하여 최솟값을 층강도비를 계산하여 보유성능을 평가합니다.
②m계수법
m계수법은 정적해석과 동적해석이 존재합니다. 정적해석은 의사지진력을 사용하며 동적절차는 응답스펙트럼과 유사하게 각 모드의 응답을 조합하여 지진하중을 산정합니다. 또한 m계수는 구조물의 비탄성 변형능력을 나타내는 계수입니다. 이는 구조물의 재료 특성, 단면형상, 구조시스템 등에 따라 결정됩니다. m계수는 구조물이 얼마나 비탄성적으로 변형될 수 있는지를 타낸다고 보시면 됩니다. 그래서 선형거동을 비선형거동을 변환하여 성능평가하는 방법이라고 볼 수 있다.
③비선형정적해석
비선형 정적해석은 구조물의 내진성능평가에서 중요한 해석 방법의 하나입니다. 이 방법은 지진 하중이 구조물에 미치는 영향을 보다 현실적으로 평가하기 위해 사용됩니다. 비선형 정적해석은 구조물의 비선형 거동을 고려하여, 지진 하중에 대한 구조물의 응답을 평가합니다. 그러면 비선형 정적해석의 개념에 대해 자세히 설명하겠습니다.
비선형 정적해석 (Nonlinear Static Analysis), 종종 푸시오버 해석 (Pushover Analysis)이라고도 불리는 이 방법은 구조물이 지진 하중을 받을 때의 비선형 거동을 분석합니다. 이는 구조물이 탄성 범위를 벗어나 비탄성 변형을 할 수 있는 상황을 모사합니다. 구조물의 재료 비선형성(예: 강재의 항복, 콘크리트의 균열)과 기하학적 비선형성(예: 큰 변형)을 고려하여 해석을 수행합니다.
④비선형시간이력해석
비선형 시간 이력 해석(Nonlinear Time History Analysis)은 구조물의 내진성능평가에서 가장 정밀하고 포괄적인 방법 중 하나입니다. 이 방법은 지진 하중에 대한 구조물의 비탄성 거동을 시간의 함수로 상세히 분석합니다. 실제 지진 기록을 사용하여 구조물의 동적 응답을 시뮬레이션함으로써, 지진 하중이 구조물에 미치는 영향을 보다 정확하게 평가할 수 있습니다. 비선형 시간 이력 해석은 구조물에 작용하는 지진 하중이 시간에 따라 변하는 동적 하중임을 가정하고, 구조물의 비선형 재료 특성 및 비선형 거동을 고려하여 시뮬레이션하는 해석 방법입니다. 이를 통해 구조물의 실제 동적 응답, 즉 변위, 가속도, 응력, 균열 발생 등의 다양한 현상을 시간의 함수로 평가할 수 있습니다. 비선형 시간이력해석은 PERFORM-3D라는 프로그램을 주로 사용하는데 해석시간이 구조물에 따라서 차이가 있으나 평균적으로 아파트의 경우 해석만 하는데 하루에서 3일정도 걸립니다. 그리고 데이터의 양도 매우 많으므로 아파트 한 동을 해석하면 데이터가 대략 500기가 정도 나오기 때문에 굉장히 정확하지만, 해석적으로 힘들기도 합니다.
오늘은 내진 성능평가와 내진 성능설계의 차이점과 해석방식에 대해서 정말 간략하게 설명했습니다. 각각의 주제는 다뤄야 할 내용이 매우 많으므로 기회가 된다면 내진성능평가와 내진성능설계의 업무절차, 해석절차, 결과 정리까지 다뤄보는 글을 작성해보도록 하겠습니다. 감사합니다 😊