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파일기초 Pile Foundation

토질이 너무 취약하거나 건물하중이 너무 커서, 기초 저면의 지반이 건물하중을 적절히 지지하지 못할 때는, 그 하중을 파일이나 우물통기초에 의해 더 낮은 단단한 지층으로 전달시켜야 합니다. 파일기초는 상부 받침을 통해 파일 단부를 암반 등의 강한 지층에 직접 지지시키거나 흙과의 마찰력을 이용해서 상부 하중을 지지합니다.

파일기초는 보통 하나 또는 두개 이상의 파일군으로 형성되며, 줄기초의 밑에서는 일렬배치가 되기도 합니다. 파일의 지지내력은 각 파일이 균등하게 지지한다고 가정하기 때문에 보통은 파일 중심과 작용하중의 합력의 위치가 일치되도록 설계합니다. 그러나 경우에 따라서는 파일기초가 편심하중에 의해 좌우되기도 합니다.

파일군이 편심하중이나 전도 모멘트의 영향을 받으면 파일 중 몇 개는 인발력(uplift forces)에 의해 좌우될 수도 있습니다. 인발력에 대한 파일의 저항력은 파일 측면과 지반과의 마찰과 밀착을 통해 증가되는데 경험적으로 마찰말뚝의 인발력을 직압력의 40~50% 정도로 근사적으로 계산할 수 있습니다.

파일간의 간격은 최소 2.5d이상의 간격을 유지해야 하며, 여러 개의 파일들이 무리를 지어 군을 형성할 때는 파일내력을 감소시키며 파일간의 떨어진 거리가 멀수록 감소율은 저하됩니다.

파일내력(압축,인발) Pile Strength(Compression, Pull-out)

말뚝(Pile)이란 땅 속에 박아 넣는 기둥을 말하는데 기초를 타설하기 위해 필수적입니다. 말뚝은 지지말뚝과 마찰말뚝으로 나뉩니다. 지지말뚝은 말뚝의 선단이 단단한 지반까지 도달하여 지지되는 것을 말하며, 마찰말뚝은 주위의 지반과 말뚝과 마찰력에 의해서 하중을 지탱하는 것입니다.

상반부가 지반 위에 노출된 말뚝은 여기에 구조물을 연결하게 되는데 보통 교량(橋梁)과 같은 구조물이나 수중에서의 잔교(棧橋)의 교각(橋脚)의 일부로서도 이용됩니다. 지반 내에 전부가 박히는 기초말뚝은 기초지반이 약한 경우에 이용되는 일종의 기초공사에 속하며, 말뚝을 연약한 지반에 박음으로써 기초지반의 강도를 높이고 그 위에 실리는 무거운 하중에 견디게 하려는 것입니다. 말뚝을 재료에 따라 분류하면, 나무 말뚝, 콘크리트 말뚝, 철근콘크리트 말뚝, 프리스트레스트콘크리트 말뚝, 강철 말뚝 등이 있습니다.

말뚝의 성질에 따라서 분류하면, 지지말뚝과 마찰말뚝으로 나누어집니다. 지지말뚝은 말뚝의 선단이 단단한 지반까지 도달하여 지지되는 것을 말하며, 마찰말뚝은 주위의 지반과 말뚝과 마찰력에 의해서 하중을 지탱하는 것으로, 연약한 지층이 깊이 계속되어 말뚝을 굳은 지반까지 도달시킬 수 없을 때 사용합니다.

말뚝이 견딜 수 있는 힘을 파일 내력이라고 하며, 크게 압축력과 인발력으로 나누어집니다. 압축력은 파일에 축 방향의 힘이 작용했을 때 견딜 수 있는 하중이며, 인발력은 재료를 당기는데 필요한 힘을 말합니다.

패널존 효과 Panel Zone Effects

토목, 건축구조물에서 골조부재로 구성되는 구조체는 요소중립축간의 교차점 사이의 거리를 해당요소의 길이로 간주하여 해석을 수행하기 때문에 실제의 경우보다 다소 큰 변위가 계산되고, 단부 및 중앙부의 모멘트 또한 크게 계산됩니다. 이와 같이 단부에 형성되는 편심 및 기둥과 보의 접합부에 형성되는 패널존 효과(Panel Zone Effects)를 고려하기 위해 midas eGen에선 2가지 방법이 사용됩니다.

첫째, 기둥부재와 보부재가 만나는 모든 패널존에 대해 강단이격거리를 자동 고려하도록 하는 방법

패널존에서 휨변형과 전단변형 등이 발생되지 않는다고 가정하면 골조부재의 휨변형과 전단변형에 대한 유효강성길이는 = -(+) 과 같이 표현할 수 있습니다. 여기서, 은 부재의 양 중립축 교차점(양단절점) 사이의 길이이고, 와 는 양단의 강단이격거리(rigid end offset length)입니다. 여기서 요소의 길이를 상기의 으로만 고려하게 되면, 미소하지만 접합부위에서 발생되는 변형(rigid zone deformation)을 무시하는데 따른 오차가 발생하게 됩니다. 이와 같은 오차를 보정하기 위해 다음과 같은 강단이격거리 보정계수(offset factor)를 사용하고 있습니다. =- (+) 여기서, 가 강단이격거리 보정계수를 의미합니다.

패널죤 보부재의 단면중심이 story level과 일치하는 것으로 가정             보부재 단면의 상부가 story level과 일치하는 것으로 것으로 가정

기둥부재의 강단이격거리

강단이격거리 보정계수는 0부터 1.0까지의 값으로 입력되며, 접합부의 기하학적 형상과 보강재의 사용여부에 따라 달라집니다. 보정계수는 축 방향변형과 비틀림변형에 대해서는 영향을 미치지 않으며, 이들 변형을 계산할 때는 요소의 전체길이가 사용됩니다. midas eGen에서는 panel zone effects기능을 사용하여 강단이격거리를 자동으로 고려하고자 하는 경우에 부재력 출력위치 “output position”에서 “offset position”을 선택하면 요소강성과 자중 및 분포하중의 고려방법, 그리고 부재력의 출력위치가 강단이력거리 보정계수에 의해 조정된 이격위치에 따라 변하게 됩니다. 그리고 “panel zone”을 선택하면 요소강성의 계산에 사용되는 요소의 길이만 강단이력거리 보정계수에 따라 조정됩니다. 

부재의 강단이격거리

둘째, 보요소의 양단에 강단이격거리를 직접 입력하는 방법

우선 양절점에서 이격거리(offset length)를 전체좌표계 기준으로 X, Y, Z축 방향의 성분거리로 입력하는 방법이 있습니다. 접합부의 편심거리를 입력하는데 주로 사용되며, 요소강성을 계산하거나 분포하중 또는 자중을 계산할 때 고려되는 거리는 이격된 양절점 사이의 전길이가 고려됩니다. 그리고 부재력의 출력위치 또는 단부자유도해제조건에 대해서도 이격된 위치를 기준으로 조정됩니다.

다음으로 양절점에서의 이격거리를 요소좌표계 축 방향의 거리로 입력하는 방법으로 축 방향의 편심거리를 입력하는데 사용됩니다. 이 방법은 요소강성을 계산과 부재력의 출력위치 또는 단부자유도해제조건에 대해서는 panel zone effects 기능에서 “panel zone”을 선택하고 강단이격거리 보정계수를 1.0을 입력한 경우와 같은 효과를 가지나, 분포하중에 대해서는 조정된 거리 대신 양절점 사이의 전체길이를 사용합니다.

편심 Eccentricity

건물은 각 층에서 여러 개의 기둥으로 지지되어 있는데, 기둥 하나만으로 지지해도 건물이 수평적으로 균형을 유지할 수 있는 가상의 점이 어느 층의 바닥에나 반드시 하나는 있습니다. 그 점을 그 층의 중량의 중심(center of gravity)이라 합니다.

지진력은 바로 그 위치에 작용하게 됩니다. 그리고 각 층의 기둥, 벽, 브레이스를 내진요소라고 하며 지진력에 대해 이들의 강도에 의해 저항하여 각각 수평방향으로 변형되어 갑니다. 내진요소는 수평단면적이나 폭과 높이의 비에 의해 같은 힘에 대한 강성이 다릅니다. 각 층에는 강성의 중심, 즉 강심(center of rigidity)이 반드시 하나는 있으며 중심과 강심이 어긋나는 것을 편심(eccentricity)라고 합니다.

편심이 커지면 건물은 강심을 중심으로 회전하면서 수평으로 비틀림변형이 일어나기 때문에 강심으로부터 가장 먼 기둥의 수평변형이 커지고 거기에 피해가 집중됩니다. 이런 현상을 건물의 편심에 의한 피해라고 합니다. 위에서 말한 중심(center of gravity)과 강심(center of rigidity)이 일치하면 지진이 작용했을 때에서 건물이 비틀리지 않고 여분의 힘을 받지 않습니다. 하지만 건물 끝에 옥탑이나 기계실이 있어 중량이 균일하지 않거나 건물 한쪽에 벽이 집중되어 있거나 하면 지진을 받았을 때 건물이 비틀리게 됩니다. 이러한 피해를 막기 위해서라도 기둥이나 벽을 균형 있게 배치하고 중심과 강심이 가까이 있는 건물로 하는 것이 이상적이며, 지진이나 태풍 등의 수평력에 대해서도 강한 건물이라 할 수 있습니다.

눈앞에 직사각형의 상자가 있다고 생각해 보면 아래에서 한 점으로 지지할 수 있는 곳을 찾을 수 있을 것입니다. 그곳이 중심이 되며 건물의 무게 중심인 것입니다. 다음은 상자를 옆에서 밀어보면 건물이 회전하지 않고 이동하는 곳이 발견될 것입니다. 긴 방향과 짧은 방향의 양 방향에서 찾아 이들이 교차하는 곳에 표시를 하면 이곳이 강심이 되며 건물의 단단함의 중심인 것입니다. 강심은 벽이나 가새의 배치에 의해 정해집니다.

중심과 강심의 위치가 어긋나는 것을 편심이라고 합니다. 지진력은 중심에 작용하며 이에 저항하는 것은 강심으로 대표되는 건물의 단단함입니다. 편심이 큰 경우에는 지레의 원리와 같으며 적은 힘으로도 건물이 비틀리기 때문에 편심이 작은 건물일수록 지진에 대해 강하다고 말할 수 있습니다.

편심가새골조

편심가새골조(EBF)는 기둥, 보 및 가새로 구성되며 편심가새골조의 차별적 특성은 최소한 가새부재의 한쪽 단부는 링크라는 보의 짧은 요소에 전단력 및 휨을 전달할 수 있도록 접합하는 것입니다. 편심가새골조는 설계지진하중 작용 시 비탄성거동을 주로 링크로 국한시켜 링크 내에서 반복항복이 안정적으로 발현되도록 하여 에너지를 소산시키는 시스템입니다. 따라서 링크가 항복 및 변형도경화 구간으로 진입했을 때의 하중에 대하여 대각가새, 기둥 및 링크외부의 보요소가 탄성범위에 있도록 설계되어야 합니다.

사용강재 규격 및 단면의 판폭두께비 제한(0713.6.1 및 0713.8.2) 다음과 같습니다.

• 내진성이 뛰어난 강재인 SN및 SHN강 또는 TMC강을 사용합니다.

• 편심가새골조의 링크 및 기둥부재에 사용 가능한 단면의 분류: 내진콤팩트 단면

• 편심가새골조의 가새부재에 사용 가능한 단면의 분류: 콤팩트 단면

편심가새골조는 중심가새골조의 횡강성과 모멘트골조의 연성을 함께 제공하는 복잡한 시스템으로 설계핵심은 링크보 설계로 링크길이에 따라 전단항복, 휨-전단항복, 휨항복으로 거동합니다. 다음 그림은 철골편심가새골조의 형상들입니다.

표피철근 Skin/Surface Reinforcement

전체 깊이가 900mm를 초과하는 휨부재 복부의 양 측면에 부재 축 방향으로 배치하는 철근을 말합니다. 2003년도 콘크리트구조설계기준은 표면철근이란 용어를 사용하였으나 2007년 기준에서 표피철근이라는 용어로 개정되었습니다.

춤(depth)이 큰 보는 춤이 작은 보에 비해 상대적으로 양쪽 측면 표면에 균열이 발생하기 쉬우며, 이를 억제하기 위하여 인장 수직면 가까이에 부재길이 방향으로 표피철근을 배근합니다. 인장 외단으로부터 멀리 떨어진 보 중심부 웨브의 휨균열 폭이 인장 외단의 휨 균열폭보다 클 수가 있으며, 이는 전단강도 및 사용성에 문제를 야기할 수 있습니다. 깊은 보, 벽체 및 프리캐스트 패널에 대해 보다 많은 철근을 요구하는 곳에는 그들의 간격 요구사항과 함께 배근하여야 합니다.

풍하중 Wind Loads

바람은 정적인 성질과 동적인 성질을 갖습니다. 바람의 속도는 일정한 값의 평균적 속도와 순간순간 변화되는 가스트속도, 즉 순간최대속도로 나누어 생각할 수 있습니다. 일반적으로 평균풍속은 아래 그림에서 보는 것과 같이 고도가 높아질수록 증가되는데 그 증가율은 지표의 조도(roughness)에 따라 다릅니다.

바람은 지표부근의 마찰로 감속되기 때문에 지형이나 나무, 건물 등의 주변 물체에 의한 방해가 커질수록 최대풍속(Vmax)이 나타나는 고도가 그림과 같이 높아지게 됩니다. 따라서 같은 높이의 경우 평균풍속은 장애물이 많은 대도시의 중심부분 쪽이 해상에 비하여 훨씬 작아집니다. 그러나 장애물로 인해 야기되는 바람의 교란은 대도시 쪽이 해상보다 훨씬 커집니다. 일반적으로 바람교란의 강도는 풍속변동의 평균풍속으로 나눈 것으로서 정의 됩니다.

풍압은 이와 같은 평균풍속과 순간최대풍속으로부터 생깁니다. 정적인 평균풍속은 장시간 동안 일정하기 때문에 풍압도 일정하며, 건물에도 일정한 변위가 생깁니다. 돌풍에 의한 순간최대풍속은 평균풍속일 때 건물에 생기는 변위와 같은 정도로 부가적인 변위를 생기게 하는 동적인 풍압을 발생시킬 수 있습니다. 이러한 동역학적인 운동을 돌풍진동(gust buffeting)이라 하며, 이러한 일정치 않은 돌풍에 의한 풍압은 일반적으로 풍향과 수직한 방향으로 건물을 진동시킵니다. 

프와송비 Poisson’s Ratio

지면에 놓여있는 축구공의 윗면을 나무 판으로 누르면 축구공이 타원형 모양으로 찌그러질 것이라는 것은 누구나 쉽게 상상할 수 있습니다. 나무 판으로 누르는 방향으로 축구공의 반경은 줄어들지만, 이 방향과 수직하는 다른 두 방향으로는 축구공의 반경이 증가합니다.

이처럼 지구상의 대부분의 물체는 한 방향으로 힘을 가하여 압축시키거나 혹은 늘어나게 하면 이 방향과 수직한 나머지 두 방향으로는 물체가 반대로 늘어나거나 혹은 압축됩니다. 이러한 거동을 프와송 효과(Poisson’s effect)라고 부르는데, 이 현상을 최초로 연구한 프랑스의 수학자 프와송(Poisson, 1781~1840)의 이름을 따서 불리게 된 것입니다. 그리고 힘을 가하는 방향으로의 물체의 길이 변화량에 대한 다른 두 방향으로의 프와송 효과에 의한 길이 변화량의 상대적인 비율을 프와송 비(Poisson’s ratio)로 정의하고 있습니다.

대부분의 금속은 보통 0.3 근처의 값을 가지며 암석이나 콘크리트는 0.15~0.25 범위의 값을 가집니다. 대표적인 비압축성 재료인 고무는 0.5의 값을 가집니다. 정의 그 자체로부터 알 수 있듯이 프와송 비가 높다는 것은 물체가 압축이나 인장에 대한 저항력이 낮음을 의미합니다.

예를 들어 고무는 금속에 비해 압축이나 인장하중을 받으면 측면으로 현저히 쉽게 늘어나거나 오그라들게 됩니다. 프와송 비는 탄성계수(elastic modulus) 및 전단 탄성계수(shear elastic modulus)와 더불어 물체의 변형률(strain)과 응력(stress)사이의 상관관계를 표현하는데 사용되는 물체 고유의 물성치(material properties)입니다. 

프레임 Frame

프레임이란 골조를 뜻하는 말입니다. 단어에서 시사하듯 구조물의 뼈대나 짜임새를 뜻하는 말입니다. 고층건물의 시작과 동시에 발전한 가장 기본적인 라멘구조는 보와 기둥을 강성으로 연결하는 형식입니다. 수평하중에 저항하는 평면격자 형태를 강접으로 연결된 수평∙수직부재(보와 기둥)로 구성된 구조시스템을 모멘트저항 골조시스템이라고 합니다. 모멘트저항 골조시스템은 건축계획에 있어 평면제약이 비교적 적고 시공이 용이한 장점이 있습니다. 특히, 콘크리트 구조인 경우, 재료의 일체성으로 비탄성영역에서도 구조내력을 발휘할 수 있으며 한 개 이상의 부재가 파괴되더라도 어느 정도 구조적 거동을 유지할 수 있는 안전성을 갖습니다.

그러나, 적정높이 이상의 건물에서는 비경제적인 구조시스템이 됩니다. 일반적으로 라멘구조에서는 수평하중으로 인한 변형량은 전단수평이동으로 불리는 골조의 전단변형에 의하여 주로 발생하고 기타부분은 기둥축소 등의 부수적인 영향에 의해 발생합니다. 따라서, 수평하중에 저항하는 모멘트저항골조가 기본적으로 부재의 휨에만 의존하기 때문에 이러한 수평전단력에 비례하여 부재의 크기와 강성을 증가시키는 방법으로만 대응하기 때문입니다. 그래서 모멘트저항 골조시스템을 적정높이(20~30층 이상) 이상의 고층건물에 적용할 경우에는 가새골조시스템을 병용하는 구조시스템이 바람직합니다.

이러한 이유로 건물의 규모와 특성을 고려하여 어떠한 형식의 골조로 건물을 지을지 결정하게 됩니다. 40~50층의 규모의 건물에는 가새골조시스템이 모멘트저항 골조시스템과 함께 사용됩니다. 이 외에도 전단벽 구조시스템, 코어 및 아웃리거 구조시스템, TUBE 구조, 골조 튜브(Framed Tube), 트러스, 트러스 튜브(Truss Tube), 묶음 튜브(Bundled Tube)등의 시스템이 존재합니다. 일반적으로 건물 뼈대를 구성하는 것이 철근콘크리트일 경우 철근콘크리트를 골조공사라고 하며, 철골이 뼈대를 이룰 경우 철골공사가 골조공사가 됩니다.

 

프레임-전단벽 Shear Wall – Frame

10층 규모의 저층건물부터 50층 이상의 고층건물까지 광범위하게 사용되는 방식으로 40~50층 정도까지 경제성 있는 것으로 판단되고 있으며, 헌치보를 두어 70~80층 범위의 고층건물에 이 구조방식이 적용되기도 합니다.

기본적으로 횡하중에 대하여 전단벽체는 캔틸레버와 같이 휨변형을 하는 반면 강접골조는 전단변형을 하게 됩니다. 수평변위의 적합성은 두 구조방식의 상호작용으로 나타납니다. 강접구조의 선형변형이 전단벽의 포물선 변형과 결합될 경우, 건물의 하부에서 전단벽이 강접구조를 구속하며 건물 상부에서는 강접구조가 전단벽을 구속하게 됩니다. 따라서 하부에서는 횡력의 대부분을 전단벽이 부담하며, 높이가 높아질수록 상부에서는 강접골조가 횡력을 부담하여 전체 구조물의 강성이 증가됩니다.

구조물의 조합된 거동은 두 구조방식의 상대강성과 변형형태에 지배됩니다. 그러나 실제 건물에서는 건축이나 다른 분야의 요구사항들이 구조부재의 배치에 영향을 미치므로 상기와 같은 구조체의 상호작용은 거의 적용되지 않습니다. 보통 저층 건물 설계 시, 전단벽이 전 횡력을 부담하는 것으로 하여도 큰 무리는 없습니다. 철근콘크리트조의 경우 한 층에서 전단벽의 강성이 총 기둥 강성의 6배 이상일 경우 버팀지지가 된 것으로 규정하고 있습니다. 이것은 철근콘크리트 기둥의 설계에 매우 중요한 개념으로 기둥에 대한 벽체의 상대강성을 나타내므로 전단벽의 길이, 두께를 결정할 때 유의해야 합니다. 실제 20~30층 정도의 건물은 한층 내 벽체의 총 강성이 기둥 총 강성의 6배 이상이면 거의 모든 횡력을 전단벽이 지지하는 것으로 설계하고 있습니다.

전단벽이 구조체의 강성을 크게 하여 풍하중이나 지진하중에 효율적이지만 전단벽의 강성이 클수록 연성이 감소되므로 적절한 강성의 조절이 필요합니다. 

 

피복두께 Covering Depth

‘콘크리트 구조설계 기준’에서는 피복두께를 다음과 같이 정의하고 있습니다. 철근을 보호하기 위한 콘크리트 피복두께는 콘크리트 표면부터 철근의 가장 바깥면까지 최단거리이며, 이러한 최소 피복두께는 횡철근이 주철근을 감싸고 있는 경우에는 콘크리트 표면부터 스터럽, 띠철근 또는 나선철근의 바깥 면까지의 최단거리이고, 그렇지 않은 경우에는 가장 외단에 배치된 철근 표면까지 최단거리입니다.

피복은 화재 시 철근의 항복강도가 1/2이하로 저하되지 않도록 하기 위함이고, 철근의 녹 발생과 중성화를 방지하기 위함에 그 목적이 있습니다.

건축공사의 최소 피복두께는 다음과 같습니다.

KDS 14 20 50, 4.3 최소 피복 두께 
현장치기 콘크리트

핀접합 Pinned Connection

부재 상호간에는 작용선이 핀을 통과하고 힘은 전달하나 휨모멘트는 발생하지 않습니다. 부재 상호간의 각도는 별다른 구속이 없이 변화 할 수 있습니다. 트러스의 절점은 모두 핀접합이라고 가정합니다. 경첩과 같은 회전 기구를 갖추어서 절점에 모이는 부재간의 각도를 자유롭게 변화시킬 수 있는 돌쩌귀접합이 있습니다.

전형적인 강구조의 핀접합

전형적인 콘크리트의 롤러접합

필로티 Pilotis

필로티란 프랑스어로 건물을 지지하는 말뚝을 말합니다. 건물을 지지하는 독립기둥이 배열된 벽 없는 공간을 필로티(pilotis)라고 부르게 되었습니다. 지상 층을 자동차나 외부 보행자의 동선으로 하기 위해 르 코르뷔제(Le Corbusier)에 의해 제창된 것으로 최초의 필로티 건물은 파리의 스위스 학생회관이 대표적인 케이스입니다.

건축계획적으로는 이 방법에 의해 트인 1층 공간을 어린이들의 모래놀이장이나 주차장, 서비스 공간 등 자유로운 장소로 이용할 수 있습니다. 그런데 건축구조적으로 보면 2층 이상의 층에는 다수의 벽을 사용하고 1층은 기둥만 남는 구성이 되기 때문에 상하층의 강성 균형이 나쁜 건물이 됩니다. 균형을 좋게 하기 위해서는 1층의 기둥을 두껍게 하거나 기둥에 강도를 갖게 하는 등의 계획이 필요합니다.

보통 일반적으로 필로티 형식의 건물이란 1층을 주차장이나 상점 등으로 이용하고 상부는 집합주택이 들어서는 건물에서 볼 수 있는 형식으로 우리나라도 최근 주택이 밀집되어있어 주차 등의 공간확보가 어려운 곳에서 어렵지 않게 볼 수 있습니다. 집합주택의 가구를 나누는 경계벽은 각층에서 같은 위치에 있는데 1층에서는 공간을 널리 이용하기 위해 벽을 두지 않고 기둥으로만 되어있습니다. 건물은 지진 시 수평변형을 일으키는데 이런 유형의 건물은 1층에 변형이 집중하게 됩니다. 그래서 1층의 기둥은 충분한 변형능력과 내력을 확보해야 합니다.

이 말의 유래는 건물이 말뚝에 의해 마치 공중에 떠 있는 것처럼 보인다는 이미지에서 왔습니다. 좁은 의미로는 지상 1층이 벽으로 둘러져 있지 않고 외기에 개방된 공간을 말합니다. 이 공간은 층고가 높고 벽이 없는 개방성이 특징이어서 가새나 내진벽을 둘 수가 없습니다. 하층에서 상부 내진요소가 연속되지 않은 건물도 필로티(전이층 건물)라고 부르는 경우가 있는데 수평강성과 수평강도가 다른 층에 비해 현저히 낮으며 대규모 지진이 발생했을 경우 필로티 기둥이 파괴되기도 하는데 주상복합건물이 이에 해당하고 일본에선 대지진 시 많은 피해를 입었다고 합니다. 건물 상하방향의 균형이 나쁘기 때문에 연약한 층이 지진에너지가 집중되면 손상이 진행됨으로써 건물의 형태를 유지할 수 없게 됩니다. 기둥이 무너지지 않고 지진에너지를 얼마나 흡수할 수 있는 구조로 하느냐가 구조설계자의 몫이라고 할 수 있겠습니다.

P-Δ 효과 P-Delta Effect

수직하중 P가 작용하고 있는 건물이 수평하중을 받아 Δ 의 층간수평변형이 일어났을 때 수직하중 P x 층간수평변형량 Δ에 해당하는 모멘트가 부가모멘트로서 기둥에 작용하게 됩니다. 따라서 기둥의 수직력이 크고 층간수평변형량이 클 경우 부가모멘트는 커집니다.

일반적으로 수평력이 증가함에 따라 층간수평 변형도 증가하는 것은 역학적으로 안정된 상태일 때입니다. 하지만 대규모 지진이 일어났을 경우 건물에 큰 층간수평 변형이 생겨 부가모멘트가 건물에 가해지면 수평력에 대한 저항력이 없어져 일방적으로 층간수평변형만 진행하게 되어 역학적으로 불안정한 상태가 되기도 합니다. 또한 기둥의 응력에 대해서도 이 부가 모멘트가 가해져 발생응력이 커지기 때문에 단면에 대한 검토가 필요합니다. 일반적으로 층간변형각이 1/100을 넘으면 P- Δ효과가 기구에 미치는 영향을 고려하여 설계하는 등의 주의가 필요합니다.

P- Δ효과에 의해 감소된 등가수평저항력은 ‘ΔQ=(P X Δ)/층고(H)’ 로 나타냅니다. 시각력 응답해석을 할 경우에는 층의 강성을 P- Δ 효과에 의한 예상 등가수평력을 고려한 강성을 이용해서 해석하며, 가구나 각 부재가 인성유지 범위 내에 있는지 확인하는 것도 하나의 방법입니다. 일본에서는 비교적 간단한 검토방법으로 최대변형시의 P- Δ 효과에 의한 감소된 등가수평력 ΔQ를 구하여 그 값의 보유수평내력에 대한 비율이 10%미만인 경우는 해석상 P- Δ 효과를 무시해도 된다는 개념이 소개되었습니다.

P- Δ 효과는 부가모멘트를 층고 H로 나눈 값의 수평력이 지진력과 같은 방향으로 부가되는 효과와 같기 때문에 건물의 내력과 강성을 저하시키는 현상으로 볼 수도 있습니다. 예를 들면 지진시의 층간변형각이 1/100인 경우 건물중량 P 의 1%의 힘이 수평방향으로 부가됩니다. 초고층 건물처럼 고유주기가 긴 건물은 건물중량 P 에 대해 필요보유수평내력의 비율을 낮게 설정하기 위해 지진시 예상되는 변형 크기에 따라 P- Δ 효과의 영향을 무시할 수 없는 경우가 있습니다. 이처럼 건물의 내진설계에서는 건물의 수평내력에 여유를 두거나 P- Δ 효과를 고려하여 해석함으로써 지진 시의 변형과 부재의 손상도를 검토할 필요가 있습니다.

P-Δ 해석 P-Delta Analysis

주로 건축구조에서 사용하는 용어로서, 변위 수렴조건을 사용하여 반복 해석합니다. 건축구조는 대부분의 연직하중이 고정하중이며 수직부재의 횡력에 의한 변위가 중요합니다. 이는, 횡방향 하중이 수직부재에 휨을 발생시키므로 수직부재의 축력의 오차 값을 수렴조건으로 사용하는 것은 부적합하기 때문입니다. 연직부재의 축력은 거의 일정하게 유지된다고 가정해도 무방합니다. p-delta효과는 부재모멘트에 의한 횡방향 변위와 기둥의 축 방향 하중에 의해 2차적으로 발생되는 역학적인 효과로 종류는 두 가지입니다. 첫째는 big p-delta(P-Δ) – 구조효과, 둘째는 small p-delta(P-δ) –부재강성변화 효과 앞의 이차효과(second order effect)를 고려하기 위해 건축공학자들에 의해 여러 가지 방법들이 제안되었지만 1, 2차를 모두 고려하는 가장 강력한 방법은 Full Newton-Raphson method를 사용한 방법입니다. 다수의 논문을 살펴보면 1차 효과만 고려한 수치해석법들이 제시되어 있습니다. Midas 의 P-delta 해석 옵션은 initial stress stiffness matrix를 고려하는 방법입니다. 즉, small p-delta만 고려합니다.

기둥부재에 인장력과 횡력이 동시에 작용하는 경우

기둥부재에 압축력과 횡력이 동시에 작용하는 경우