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안전확인서 Structural Safety Report

국토해양부에서 별지 제 2호 서식으로 구조물의 구조 안전과 내진설계를 확인하기 위한 보고서의 일종입니다
양식은 아래의 표와 같으며 구조계획, 지반 및 기초, 내진설계개요, 기본 지진력 저항 시스템, 내진설계주요결과 그리고 구조요소 내진설계 검토사항 등이 들어갑니다.

 

안정계수 Stability factor

안정계수는 P-Δ효과를 고려할지 여부를 결정하기 위한 중요한 변수입니다. 기초는 θ를 사용하며 수식은 아래와 같습니다.

Px = x층 및 그 상부층의 수직하중 합. 단, Px 산정 시 각 하중의 하중계수는 1.0을 넘을 필요가 없다.
Δ = Vx에 의한 설계층간변위
Vx = x층과 x-1층 사이의 지진하중 전단력
hsx = x층 아래의 층높이
Cd = 변위증폭계수

여기서 구한 θ가 0.1이하인 경우에는 층전단력과 모멘트로 인한 부재력 및 층간변위의 산정에 P-Δ효과를 고려하지 않아도 좋습니다.
위의 방법에 따라 산정한 안정계수 θ는 다음 식에 의한 θmax를 초과할 수 없다. θ가 θmax를 초과할 경우에는 구조물이 불안정한 가능성이 크기 때문에 다시 설계하여야 합니다.

여기서, β : x층과 x-1층 사이의 설계전단강도에 대한 소요전단강도의 비이며, 별도의 산정 없이 안전측으로 β =1을 사용할 수 있습니다.
안정계수 θ가 0.1보다 크고, θmax이하일 경우에는 합리적인 방법으로 P-Δ해석을 수행하여 층간변위와 부재력을 구하여야 합니다. P-Δ해석 대신에 증폭계수 αd=1.0(1-θ)를 곱하여 층간변위와 부재력을 증대하여 사용하여도 좋습니다.

암석의 분류 Group of Rock

암석은 지반조사시 TCR, RQD, 시추굴진상태 및 시추굴진속도, 풍화상태를 관찰하여 건설표준품셈을 기본으로 하여 국∙내외 여러 분류지군을 참고로 하여 풍화암, 연암, 보통암, 경암으로 구분하며, 터널 및 깎기구간에 대한 공학적 암반분류(RMR, Q system)는 별도로 시행합니다. 토공의 작업성(리퍼빌리티)에 의거한 분류는 토사, 리핑암, 발파암으로 구분합니다. 한국토지공사에 의한 분류와 서울시 표준지반 분류는 다음과 같습니다.

(한국토지공사에 의한 분류)

(서울시 표준지반 분류)

N : 표준관입시험(SPT)의 관입저항치 T.C.R: 코어회수율 R.Q.D: 암질 표시율
qu: 자연함수비 상태의 코어시료 일축압축강도
Js: 절리면 간격이며, TCR 및 RQD는 NX 공경 다이아몬드 빗트와 이중 코어배럴을 사용한 시추시의 측정임.

앵커볼트 Anchor bolt

철골구조 또는 목조 기둥의 밑부분이나, 교량의 철제 거더와 같은 구조물과 콘크리트 또는 철근콘크리트 기초를 연결하는 볼트를 말합니다. 그 길이의 대부분을 기초속에 묻어 넣고 일부분을 기초면 위로 나오게 하여 그것에 상부 구조체를 꽂아 너트로 얽어맵니다. 묻어 넣는 부분은 끝을 구부리거나, 앵커판을 장치하여 잘 빠지지 않게하고, 또 가시볼트를 사용하기도 합니다. 앵커볼트를 기초 속에 묻기 위해서는 콘크리트를 사용하는데, 완전히 묻을 경우에는 철분질의 수축 그라우트재(주입재)를 사용합니다.

현장에서는 흔히 앙카볼트라고 부릅니다. 앵커볼트의 앵커는 배에 다는 닻이라는 뜻입니다. 역할도 명칭과 같아서 고정해 주는 것입니다. 물론 고정시킨다면 못도 있고 나사도 있지만 앵커볼트는 그 힘이 다릅니다. 못의 경우는 길이 방향으로 어느정도 힘이 가해지면 빠지게 됩니다. 볼트가 못보다 그 지지력이 강하지만 그마저도 나사의 돌출된 날이 부재를 파고들어 그 날이 지지하는 것이므로 이 또한 어느정도 힘으로 잡아당긴다면 빠져버립니다. 그러나 앵커볼트는 지지방식이 나사와는 사뭇 다른 것이 조이면서 볼트를 감싸는 부분이 옆방향으로 늘어납니다. 단지 콘크리트가 제대로 시공되지 않은 경우나, 앵커볼트와 달대 사이를 연결하는 부분이 부식되어서 단락되는 경우는 있지만 앵커볼트 자체의 힘은 대단합니다.

철골공사에서 기둥이 받는 하중을 기초판에 전달하는 베이스 플레이트를 고정시키기 위해 설치되는 기초 앵커볼트 매입공법은 크게 고정매립법, 가동매립법, 나중매립법으로 나눌 수 있습니다.

유효좌굴길이 Effective Length

철골기둥의 장주는 탄성곡선식(1)으로부터 유도된 Euler식(2)에 따라 좌굴하중이 결정되며, 중간주에 대해서는 Engesser와 Shanely의 접선계수이론에 따른 식(3)이 제안되었습니다.

(1)

(2)

(3)

여기서 은 좌굴하중, 은 좌굴응력도, A는 기둥의 단면적, 는 기둥의 세장비, 는 한계세장비, 는 강재의 항복응력도입니다.

설계기준은 기둥의 유효길이의 권장값을 제시하고 있으나 실제 설계에서는 일반적으로 권장된 값보다 더욱 안전측의 값을 사용하고 있습니다. 부재단부를 완전 고정시키는 것은 거의 불가능하므로 고정단을 가진 기둥에 대하여 이론값의 유효길이를 적용하기가 곤란합니다. 또한 기둥의 수평이동과 절점회전에 대한 판단이 필요합니다. 그러므로 기둥의 유효 좌굴길이를 결정하는 데에 실무기술자에게는 많은 어려움이 있습니다. 경우에 따라서는 이를 과대하게 결정하게 되므로 유의해야 합니다.

와이어 프레임 Wire Frame

컴퓨터 화면상에 물체의 형상을 가시화 하기 위해서는 CAD라고 불리는 프로그램으로 물체의 형상을 모델링 하여야 합니다. 하나의 형상을 CAD로 모델링 하는 과정에는 다양한 모델링 기법들이 적용됩니다.

단순한 예로, 육면체를 모델링 한다고 가정합니다. 단순히 CAD프로그램 내 라이브러리에 저장되어 있는 육면체 모양을 활용하여 한번에 형상을 정의할 수 있습니다. 아니면 육면체의 각 모서리 점을 지정하고 각 모서리 점들을 연결하여 선들을 정의한 다음 선들을 이용하여 각각의 면을 정의합니다. 그리고 마지막으로 면들을 이용하여 육면체를 정의하고, cad 형상에 색상, 명암 그리고 거칠기 등을 부여하여 마치 화면상에서 실물을 보는 듯한 생동감을 부여합니다.

하지만 와이어 프레임은 물체의 외곽을 선들로만 연결시켜 놓은 상태의 모델을 말합니다. 다시 말해 화면상에서 물체를 실제로 보는 듯한 느낌을 주기 위한 랜더링(rendering) 작업을 하지 않은 상태, 즉 인체로 비유하자면 골격만을 나타낸 모델이라고 말할 수 있습니다. 그리고 이 용어 자체도 물체의 형상을 마치 철사로 이어 놓은 듯한 느낌을 주기 때문에 붙여진 것입니다.

이중골조 시스템 Dual System

이중골조방식이란 모멘트연성골조와 전단벽 또는 가새골조(brace frame)가 공동으로 연직하중 및 횡하중에 저항하도록 설계된 구조방식이며 강한 지진에 의해 전단벽이나 가새골조의 피해가 발생하였을 때에 대비하여 모멘트 연성골조가 전 지진하중의 25%와 연직하중을 저항할 능력이 있을 때에는 이중모멘트골조로 간주할 수가 있습니다. 그러므로 전단벽이나 가새구조가 모멘트 골조와 함께 전 지진하중을 부담하고 연성 모멘트골조만으로 전 지진하중의 25%를 부담하는 조건을 만족시킬 수 없는 경우에는 이를 이중골조로 간주할 수 없게 됩니다. 따라서 설계대상 구조물이 이중골조방식이라고 가정하기 위해서는 전단벽이나 가새구조가 있는 상태와 제거된 상태에서 지진하중의 25%를 받을 수 있도록 모멘트연성골조를 설계해야 합니다.

이중골조시스템은 다음과 같은 특징을 갖는 구조물입니다.

(1) 반드시 완전한 공간골조가 이루어져서, 중력하중을 저항하여야 한다. 
(2) 최소 설계전단력의 25%를 모멘트연성골조가 저항할 수 있도록 설계해야 한다. 
(3) 2개의 횡력저항 시스템(모멘트저항골조, 전단벽)은 강성에 비례하여 설계전단력을 분할하여 저항하여야 한다.

이중골조시스템은 모멘트골조가 특수모멘트골조인 경우와 중간모멘트골조인 경우로 분리해서 인식합니다. 내진설계범주D로 해당하는 건물도 특수모멘트골조와 철근콘크리트 특수전단벽을 가진 이중골조는 어떤 높이의 제한 없이 사용할 수 있습니다. 중간모멘트골조와 철근콘크리트 특수전단벽을 갖는 이중골조로도 또한 사용할 수 있으며, IBC2006에서는 내진설계범주D에서는 높이를 50m로 제한하나, 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)에서는 높이제한이 없습니다. 특수 또는 중간 모멘트골조를 가진 철근콘크리트 특수전단벽을 갖는 이중골조시스템은 어떤 제한 없이 사용할 수 있습니다.

SRSS 합성법 Square Root of Sum of Squares

여러가지 모드 합성법(mode combination) 중에서 가장 일반적인 방법으로 알려진 SRSS(square root of sum of squares) 합성법은 Goodman, Rosenblueth 및 Newmark에 의해 제안된 방법입니다. 이 방법은 각 모드의 진동수가 잘 분리되어 있는 구조물에는 실제 반응과 매우 근접한 결과를 얻을 수 있으나, 각 모드의 진동수가 잘 분리되지 않고 어떤 구간에 집중적으로 분포되어 있는 경우에는 과대 혹은 과소평가될 가능성이 큽니다. 이는 각 모드 사이에 작용하는 상관관계를 나타내는 연관항(coupling terms)을 고려하지 못하기 때문입니다.

SRSS 법에서 구조물의 반응(변위, 속도, 가속도 등)은 다음의 식으로 표현됩니다.

위의 식에서 벡터 와 는 모드 i와 j에 의한 반응이며,  는 상관계수(correlation coefficient)로써 일 때 1이고 일 때는 0입니다.

우발편심 Accidental Eccentricity

최근 우리나라에서는 복합용도 건물의 증가와 건축적 요구로 인해 건물의 형태가 정형화된 틀에서 벗어나 다양한 형태의 건물이 급증하고 있습니다. 이와 같은 건물에서는 지진이 발생할 경우 질량중심과 강성중심이 일치하지 않기 때문에 발생하는 구조적 비틀림이 발생할 뿐만 아니라, 건물의 불확실성 또는 기타의 원인으로 인한 우발비틀림도 고려해서 설계해야 합니다.

우발편심을 고려해야 하는 원인은 해석모델과 실제 건물 사이에 발생할 수 있는 차이, 고정하중과 활하중의 불균등한 분포, 계단 또는 내부칸막이 벽 등과 같은 비구조요소들로 인해 발생할 수 있는 구조적 강성의 차이, 기초의 크기에 따라 지반운동이 다르게 작용함으로 인해 구조물에 비틀림력으로 작용하는 지반운동 등이 있습니다. 이와 같은 불확실성을 정량화하는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에, 기준에서는 우발편심거리를 적용하여 이를 고려하고 있습니다.

정적해석에서는 지진하중이 작용하는 방향과 직각방향으로 건물평면치수의 5%에 해당하는 편심을 추가함으로써 우발비틀림모멘트로 구하고, 동적해석에서는 3차원 모델을 사용하여 해석모델에서 질량의 위치를 이동하여 우발비틀림의 영향을 고려하도록 합니다. 질량중심의 위치를 이동시켜 동적해석을 수행하는 방법과 정적 비틀림력으로 우발편심을 고려하는 방법을 제시하고 있습니다.

우리나라의 비정형 건물에 대해 해석을 수행하고, 해석방법에 따라 하부골조의 수직부재의 축력과 모멘트의 관계를 비교한 결과 다음과 같은 결론에 이르렀습니다.
대상건물에서 선택된 기둥의 최대 설계부재력은, 우발편심 5%만 적용하였을 때 가 10%증가하였으며, 우발편심 5%와 비틀림 증폭계수를 적용하였을 때는 가 18% 증가하였습니다. 정적방법으로 우발비틀림을 적용하여 구한 최대설계부재력이 질량중심을 이동시켜 동적해석법으로 구한 최대 설계부재력보다 축력에서는 5%, 에서는 8% 큰 값을 보여준 반면, 에서는 2% 작은 값을 보여주어 대체로 매우 비슷한 결과를 나타내었습니다.

역추형시스템 Cantilevered Column Systems Detailed to Conform to the Requirements for

역추형 구조물은 상부 부근에 그들 질량의 상당부분이 집중되어 있습니다. 그러므로 수평이동방향으로는 하나의 자유도만을 갖습니다. 이런 구조물은 다른 시스템에 비하여 더 적은 에너지소산능력을 갖습니다.
역추형 구조물을 지지하는 기둥은 밑면에 작용하는 휨모멘트 및 밑면 휨모멘트의 1/2에 해당하는 최상부 휨모멘트 사이에 선형으로 변하는 휨모멘트에 대하여 설계해야 합니다.

연단간격 Edge Distance

건축구조에서는 말뚝의 간격을 말뚝 지름의 2.5배 또는 나무말뚝, 말뚝의 작은 지름의 2.5배로 제한하고 있습니다. 또한 말뚝의 연단거리도 제한하고 있는데, 말뚝의 연단거리는 말뚝 지름의 1.25배로 말뚝 중심에서 기초 끝까지의 거리를 말합니다. 말뚝 사이 연단거리가 확보되지 않을 경우 무리말뚝이 되어 지지력에 영향이 생길 수 있으며 말뚝과 기초판 끝 선과의 거리가 확보되지 않을 경우 발생응력이 설계응력에 비하여 불안정하게 되기 때문에 설계 시 위의 사항을 염두 해두어야 합니다.

서로 다른 PLATE를 볼트로 연결할 시, 연단거리는 PLATE의 가장자리에 최소 필요로 하는 볼트피치를 뜻합니다. 가장자리에서 볼트가 가까이 위치할 경우 그 사이에 균열이 발생하여 박리, 박락 등의 현상이 생기기 쉽기 때문에 일정 간격 이상으로 정하는 것입니다.

BASE PLATE-25x500x300 W/2-M20 ANCHOR BOLTS(2 NUTS,L=600) 위와 같은 식으로 도면에 표현되어 있을 때 W/ 는 WITH의 약자로 BASE PLATE에 공칭규격 M20짜리로 길이가 600mm인 ANCHOR BOLT와 너트를 2개 사용하라는 의미입니다.

보통 해당 프로젝트의 STANDARD DRAWING의 GENERAL NOTE에 약어표현에 대한 기준이 있습니다.

일반적인 볼트피치가 아래 값으로 볼 때

M12 ---- 50mm
M16 ---- 60mm
M20 ---- 70mm

연단거리는 보통 위의 절반 정도가 됩니다.

열팽창계수 (Thermal expansion coefficient)

모든 물체는 열을 받으면 온도가 증가하고 이에 비례하여 체적이 늘어납니다. 그리고 이와 반대로 외부로 열을 방출하게 되면 온도가 감소하고 그 결과 체적이 감소합니다.

예를 들어 단일 재료로 만들어진 정육면체의 금속을 균일하게 온도를 증가시키면 정육면체는 모든 방향으로 일정한 량으로 늘어나게 되고 정육면체 모양을 그대로 유지합니다. 반면에 정육면체가 단일의 금속으로 되어 있는 등방성 물체(isotropic material)가 아니고 복합재로 만들어진 이방성 물체(anisotropic material)라면 방향 별로 늘어나는 양이 달라지고 이에 따라 더 이상 정육면체의 모양을 유지하지 않게 됩니다.

이러한 차이는 물질 고유의 열팽창계수가 전자의 경우에서는 균일하지만 후자의 경우에는 구성 재료에 따라 달라 균일하지 않기 때문입니다. 열팽창계수는 물체의 온도가 1℃ 증가하였을 때 특정한 방향으로 늘어난 길이로 정의됩니다. 등방성 물체에 있어서는 x, y 및 z 세 방향으로의 열팽창계수가 모두 동일하지만 이방성 물체에 있어서는 세 방향으로의 열팽창계수가 더 이상 동일하지 않습니다.

열팽창계수는 열전도도(thermal conductivity) 및 비열(specific heat)과 더불어 열전달 현상에 관여하는 주요한 재료 물성치(material property)입니다.

 

온도하중 Temperature Loads

구조물은 온도변화에 따라 신축합니다. 구조물이 구속되어 있지 않으면 단순히 신축만 일어납니다. 그러나 현실적으로 어떤 형태로든지 구속이 되어 있으므로 이에 따른 응력이 발생합니다. 이와 같이 온도변화에 따라 생기는 온도응력은 고정하중, 활하중, 풍하중 및 지진하중과 같은 외력에 의한 응력과는 다른 자기변형 응력이므로 건축물 설계 시 이 영향을 무시할 수 없습니다.

온도차가 큰 지역의 건축물, 온도변화에 의한 부재의 신축량이 큰 장대 구조물, 대공간 건축물, 굴뚝, 사일로, 축열조, 냉동창고 및 원자력발전소 등을 설계에는 이러한 온도응력을 고려해야 하는데 이 때 외기온도, 일사온도, 지중온도, 실내분위기 온도와 같은 조건에서 온도변화의 기본값에 근거한 온도하중을 설정하고 사용재료의 특성을 적절히 평가하여 온도응력 해석을 합니다.

콘크리트 구조물은 크리프 건조수축, 온도에 의한 탄성계수의 저하 및 균열에 의한 강성저하로 온도응력이 크게 좌우되므로 이러한 특성을 고려하여 해석합니다. 그러나 이러한 응력에 대한 검토를 위해 항상 모든 구조물에 대한 구조해석을 할 필요는 없습니다. 예를 들면, 익스팬션 조인트를 두거나 건축물에 생기는 온도차를 적게 하여 온도응력을 검토를 불필요하게 하는 경우도 있습니다. 구조기준에 따라서는 온도응력에 의한 영향을 최소화 하기 위해 익스팬션 조인트를 두어 건물의 길이를 제한하거나 사용상의 온도차를 적게 하려고 환기나 공기조화 시스템을 적극적으로 도입하여 구조체가 온도영향을 적게 받도록 하는 방법을 택하도록 권장하기도 합니다.

온도하중의 설정은 건축물의 일반적인 사용상태를 기준으로 하나, 화재나 각종 기기의 돌발적인 고장으로 비정상적인 고온이 발생하는 특수한 상황도 고려합니다. 그러나 화재로 인한 온도는 수백도 이상의 온도가 상승하여 콘크리트나 강재의 탄성계수 등의 특성에 변화를 줄 뿐만 아니라, 재료의 강도도 크게 저하하므로 온도하중에 의한 설계 시 주의해야 합니다. 최근에는 화재로 인한 고온에 대해 현저히 높은 강도를 갖는 내화강재를 개발하고 있습니다.

요소망 Mesh

한 물체의 기하학적 영역을 유한 개의 세부 영역들로 분할할 경우, 각 세부 영역 하나 하나를 유한요소(finite element)라고 부릅니다. 좁은 의미에서의 요소망은 이렇게 한 물체의 기하학적 영역을 유한개의 요소로 분할한 것 자체를 의미합니다. 하지만 보다 정확한 의미에서의 요소망은 유한요소, 요소번호(element number), 절점(node) 및 절점번호로 구성된 하나의 유기적인 요소들의 네트워크(network)입니다.

요소망 내의 요소들은 1부터 순차적으로 번호가 부여되는데 이 번호를 요소번호라고 부릅니다. 요소번호는 각 요소를 분별하기 위해 필요한 일종의 명칭입니다.

절점은 구하고자 하는 물체의 거동을 표현하기 위해 필요한 자유도(degree of freedom)가 부여되는 요소 상의 점을 의미합니다. 절점의 위치는 요소의 모양과 종류에 따라 다양합니다. 절점이 부여될 수 있는 요소상의 위치는 1차원 선요소에서는 요소의 양 끝점과 선 요소의 내부에 존재하는 점, 2차원 삼각형 및 사각형 요소에서는 요소의 꼭지점(vertex), 모서리(edge) 및 요소 내부에 위치하는 점, 3차원 요소들에 있어서는 꼭지점(vertex), 모서리(edge), 면(surface) 및 요소 내부의 점입니다.

요소와 마찬가지로 한 요소망 내에 정의된 모든 절점들도 1부터 순차적으로 번호를 부여해야 합니다. 각 절점에 부여된 번호를 절점번호라고 부릅니다. 절점번호는 그 절점의 기하학적 위치, 자유도 등의 정보를 관리하기 위해 필요합니다.

 

UCS User Coordinate System

UCS는 그리기 및 모델링을 위한 XY 평면(작업 평면) 및 Z축 방향을 설정하는 활성 좌표계입니다. 필요에 맞게 UCS 원점 및 해당 X, Y, Z축을 설정할 수 있습니다. UCS는 다음을 비롯한 기능을 조정하므로 2D 설계에서 유용하며 3D 설계에서는 반드시 필요합니다.

• 객체가 작성 및 수정되는 XY 평면(작업 평면)
• 직교 모드, 극좌표 추적, 객체 스냅 추적 등의 기능에 사용되는 수평 및 수직 방향
• 그리드, 해치 패턴, 문자 및 치수 객체의 정렬 및 각도
• 좌표 입력 및 절대 참조 각도의 원점과 방향

사용자 좌표계 시스템이라고 하며 3차원 도면 작업을 하다 보면 기본 평면도, 정면도, 측면도 3방향이 있습니다. 그러나 정작 작업을 할 수 있는 평면은 좌표계 (X, Y )평면에서 만이 원활한 작업이 이루어 집니다. 다른 평면에서도 작업을 할 수 있게 좌표계를 적절하게 변형을 시키거나 좌표축을 회전 시켜주는 역할을 하는 것이 UCS 도구막대의 역할입니다. 3차원 작업을 할 시 가장 중요한 도구막대 중에 하나입니다.

3차원 및 2차원 Drawing 의 경우 항상 기본이 되는 Drawing 가능한 공간은 X-Y 평면 입니다. 3차원으로 시점을 변경하였을 때 Z축이 더 추가적으로 보이게 됩니다. 그러나 Drawing 이 가능한 공간은 X-Y 평면으로 변하는 것은 없습니다. 3차원의 가장 기본이 되는 면은 [앞뒤], [좌우], [위 밑] 이렇습니다. 위와 같은 패널티를 극복하기 위한 명령이 UCS 입니다. 사용자가 원하는 평면에 Drawing 및 편집을 위해 좌표계를 바꾸어 주는 역할을 합니다. 예를 들어 기본적으로 작업이 가능한 공간은 [위 밑] 입니다. 그러나 [앞뒤] 의 객체를 Drawing 및 편집 해야 할 경우 X-Y 작업환경을[앞뒤] 평면으로 수정을 하여 그 공간에 작업을 할 수 있게 해줍니다.

응답스펙트럼 Response Spectrum

응답스펙트럼(response spectrum)은 1932년 M.A. Biot가 최초로 소개한 이래, 1960년 초 G.W. Housener에 의해 실용화 되어, 내진설계 기술분야의 핵심적인 개념을 포함하는 기술용어로 사용되어 왔습니다. 응답스펙트럼이란 지진에 의한 지반의 운동과 같은 동적하중에 대해 단자유도 구조물이 가지는 응답(변위, 속도, 가속도)의 감쇠율이 일정한 경우에 고유진동주기에 따라 변하게 됩니다. 서로 다른 고유진동주기를 갖는 단자유도 구조물의 최대응답을 고유진동주기와 관련시켜 그린 그림을 응답스펙트럼이라고 합니다. 하나의 주어진 지진 가속도 기록에 대해서 응답스펙트럼이 얻어지면 그것을 이용하여 단자유도 구조물이 아닌 다자유도 구조물의 최대 거동도 스펙트럼으로부터 구할 수 있으며, 그 모드별 최대거동을 적당한 방법에 의해 조합하면 구조물의 최대 거동을 쉽게 예측할 수 있습니다.

일반적으로 컴퓨터를 이용한 수치해석적인 방법을 통해 변위, 속도 및 가속도의 응답스펙트럼을 구할 수 있습니다. 그러나 이 과정에는 많은 계산이 필요하므로 과거 컴퓨터가 발달되지 못했을 때에는 유사응답스펙트럼(pseudo-response spectrum)을 많이 사용하였습니다. 유사응답스펙트럼이란 상대변위, 상대속도, 상대절대가속도의 응답스펙트럼을 구할 때 단자유도 구조물의 거동이 조화운동에 가까운 점을 이용하여 조화운동(harmonic loading)을 받는 단주유도 시스템에서의 변위, 속도, 가속도 관계를 사용하여 상대변위, 상대속도, 상대가속도 및 절대가속도 응답스펙트럼을 결정하는 방법입니다. 즉, 상대변위의 응답스펙트럼을 Sa라고 하면 유사속도 밑 유사 가속도 응답스펙트럼은 Sv=ωSa, Sa= ωSv= ω²xSd 과 같이 구해집니다.

스펙트럼을 주의 깊게 관찰하여야 할 것은 각각의 스펙트럼에서 진동주기가 매우 짧거나 길 경우에 대한 스펙트럼의 값입니다. 진동주기가 매우 짧다는 것은 구조물의 강성이 매우 크다는 것을 의미하므로 질량은 지반과 동일한 거동을 하게 됩니다. 따라서 절대가속도는 최대지반가속도(peak ground acceleration: PGA)와 같아지게 되며 상대속도나 상대변위의 스펙트럼 값은 거의 0이 됩니다. 또 진동주기가 매우 긴 구조물의 강성은 매우 작으므로 구조물에 변형이 일어나더라도 질량은 거의 움직이지 않게 됩니다. 따라서 절대가속도는 거의 0이 될 것이며 상대속도나 상대변위의 스펙트럼은 최대지반가속도나 최대지반변위에 접근하게 될 것입니다.

내진설계에서는 구조물에 작용하는 지진하중을 산정하는 것이 가장 중요한 일이므로 가속도에 대한 스펙트럼을 주로 사용하게 되는데 경우에 따라서는 속도스펙트럼이나 변위 스펙트럼이 사용될 수도 있습니다. 그러므로 세 가지의 스펙트럼을 하나의 그룹으로 표시하면 효과적일 수 있는데 이것을 tripartite logarithmic plot라고 합니다.

일방향 슬래브 One-Way Slab

1방향으로만 주철근이 배치된 슬래브를 1방향 슬래브라고 합니다. KDS 14 20 70, 4.1.1 1방향 슬래브에서 다음과 같이 정하고 있습니다.

4.1.1.1 설계 원칙

• 마주보는 두 변에만 지지되는 1방향 슬래브는 KDS 14 20 20의 규정에 따라 설계하여야 한다.
• 4변에 의해 지지되는 2방향 슬래브 중에서 단변에 대한 장변의 비가 2배를 넘으면 1방향 슬래브로서 해석하며, 
  이 경우 일반적으로 슬래브의 단변방향의 경간을 사용하여 KDS 14 20 20의 규정에 따라 설계하여야 한다.
  그리고 이때 사용하는 경간은 KDS 14 20 10(4.7)의 규정에 따라야 한다.

4.1.1.3 구조 상세

• 1방향 슬래브의 두께는 KDS 14 20 30(4.2.1)에 따라야 하며, 최소 100mm 이상으로 해야 한다.
• 슬래브의 정모멘트 철근 및 부모멘트 철근의 중심 간격은 위험단면에서는 슬래브 두께의 2배 이하이어야 하고, 
   또한 300mm이하로 해야 한다. 기타의 단면에서는 슬래브 두께의 3배 이하이어야 하고, 또한 450mm이하로 해야 한다.
• 1방향 슬래브에서는 정모멘트 철근 및 부모멘트 철근에 직각방향으로 수축,온도 철근을 KDS 14 20 50(4.6.2)에 
   따라 배치하여야 한다.
• 슬래브 끝의 단순받침부에서도 내민슬래브에 의하여 부모멘트가 일어나는 경우에는 이에 상응하는 철근을 배치하여야 
   한다.
• 슬래브의 단변방향과 보의 상부에 부모멘트로 인해 발생하는 균열을 방지하기 위하여 슬래브의 장변방향 슬래브 상부에 
   철근을 배치하여야 한다. 배치방법은 KDS 14 20 10(4.10(3))에 따라야 한다.

 

이방향 슬래브 Two-Way Slab

기둥에 하중을 전달하는 보의 유무에 관계없이 주철근이 두 방향으로 배치된 슬래브를 말하며 KDS 14 20 70에서 4.1.2.1 2방향 슬래브의 정의는 다음과 같습니다.

• 기둥 또는 벽체가 지지하는 슬래브의 c1 과 c2 그리고 순경간 n은 슬래브 하부의 접촉면에 의해 정의된 유효지지단면에 
  근거하여야 한다. 유효지지단면은 슬래브의 바닥표면 또는 지판이 있는 경우는 이의 바닥표면이 기둥 축을 중심으로 
   45º 내로 펼쳐진 기둥과 기둥머리 또는 브래킷 내에 위치한 가장 큰 정원추, 정사면추 또는 쐐기 형태의 표면과 이루는 
   절단면으로 정의된다.
• 주열대는 기둥중심선 양쪽으로 0.25와 0.25 중 작은 값을 한쪽의 폭으로 하는 슬래브의 영역을 가리킨다. 받침부 사이의 
   보는 주열대에 포함한다.
• 중간대는 두 주열대 사이의 슬래브 영역을 가리킨다.
• 보가 슬래브와 일체로 되거나 완전한 합성구조로 되어 있을 때, 보의 단면은 보가 슬래브의 위 또는 아래로 내민 깊이 
   중 큰 깊이만큼을 보의 양측으로 연장한 슬래브 부분을 포함한 것으로서, 보의 한 측으로 연장되는 거리는 슬래브 
   두께의 4배 이하로 하여야 한다.
• 슬래브와 기둥의 접합부에서 전단에 대한 위험단면을 확장시킬 때는 전단머리를 슬래브 아래로 돌출시켜야 하고, 
   돌출된 두께만큼 기둥 표면부터 최소 위험단면을 넓혀야 한다.