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반력 Reation Force

반력을 뜻하는 말입니다. 아래그림에서 사각형을 건물이라 하고 빗금친 부분을 지반이라고 가정하겠습니다. P1과 같이 위에서 아래로 누르는 힘이 가해졌을 때 누르는 만큼 땅으로 내려가 버린다면 그 건축물은 안전된 구조물이 아닙니다. 즉 P1의 힘이 가해지면 안정된 구조가 되려면 반드시 R1과 같은 반력이 작용해야 건물은 가라앉지 않게 됩니다. P1을 수직하중이라 하고 R1을 수직반력이라고 합니다.

또한 P2와 같이 건축물에 강한 바람이나 지진과 같은 횡력 가해질 때 튼튼한 건물이라면 옆으로 이동하지 않고 지탱을 하고 있기 위해서 R2와 같은 반력이 작용해야 합니다.

P2를 수평하중이라 하고 R2를 수평반력이라고 합니다. 또한 M과 같이 건물을 쓰러뜨릴려고 하는 모멘트가 발생했을 때 MR과 같은 부류의 모멘트가 작용하지 않으면 건물을 쓰러지게 됩니다. MR을 회전반력이라고 합니다.

위와 같은 건물처럼 지반에 단단히 고정되어 있고 수직반력, 수평반력, 회전반력 3개의 반력이 존재하는 구조형태를 고정지점이라고 합니다.

반응수정계수 Response Modification Factor

부재의 탄성한계에서 내진설계를 할 경우에 비경제성을 극복하기 위해서 건물의 수직하중 부담능력이나 수명에 손상을 주지 않을 정도로 비선형 에너지 흡수능력을 가진 건물에 대해서 그 건물의 비탄성 거동을 고려할 수 있도록 하는 계수입니다. 건물의 반응수정계수는 예측되는 설계 밑면전단력에 대한 선형 탄성구조물에서 얻어지는 지진에 대한 밑면전단력의 비이며 붕괴의 위험이 없는 범위내에서 주기적인 비탄성 변형과 에너지를 흡수할 수 있는 능력을 나타내는 척도가 됩니다.

지진해석에서 중요하게 고려되는 이 반응수정계수는 지진저항시스템에 따라 달라지게 되는데, 기본적으로 구조물이 전적으로 선형탄성응답을 가진다면 주어진 지진동 아래 달성하게 되는 힘과 주어진 설계하중에 대한 비를 나타냅니다.

반응수정계수는 항상 1보다 큽니다. 따라서 모든 구조물은 완전선형탄성응답을 일으키는 구조물에서의 설계 지진동하중보다 작은 하중으로 설계됩니다. 이 하중 감소는 여러가지 이유로 가능합니다. 한 가지는 구조물이 항복하여 비탄성적으로 변형이 시작되면, 구조물 응답의 유효 고유주기는 길어지게 되고, 이렇게 됨으로써 많은 구조물은 소요강도가 감소하게 됩니다.

베이스 플레이트 Base Plate

강구조물의 기둥을 주각에서 기초에 정착하기 위하여 주각의 끝에 붙여서 앵커볼트로 고정하기 위해 쓰이는 강판을 말합니다. 상부의 하중을 기초 또는 기타 부재로 전달하는 역할을 하며 밑창판이라고도 합니다.

일반적으로 슬래브, 보, 기둥으로 전해진 하중은 기초에 전달됩니다. 철골 기둥의 경우 H BEAM 순수 단면적보다 소정의 철판을 붙어주면서 단면적을 넓혀 하중을 분산하여 안전하게 기초에 전달 시켜줍니다. 이 철판을 베이스 플레이트라 합니다.

벽 Wall

건물을 구성하는 벽체들에는 풍력이나 지진력 등의 수평력에 저항하게 설계된 전단벽(shear wall)과 수직하중에 저항하는 내력벽(bearing wall)이 있고 건물의 지하 부분을 형성하면서 토압 및 수압에 저항하는 지하벽(basement wall)이 있고, 대지조성을 할 때 주변 지형의 붕괴방지를 위항 옹벽(retaining wall) 등이 있습니다.

건물을 구성하는 요소는 크게 두가지로 구분되는데, 수직요소와 수평요소입니다. 그 중에서도 수평요소는 반드시 수직요소에 의해 지지되고, 수직요소는 건물의 전체 높이에 비해 일반적으로 가는 부재로 구성되며, 그 자체로는 매우 불안정한 요소이므로 반드시 수평 요소에 의해 지탱되고 있습니다. 두 요소는 상호 작용에 의해 각층의 하중이나 횡력을 수직요소에 전달하게 되고, 실제 설계에도 두 요소를 어떻게 하면 효과적으로 조합하는가에 따라 경제적이고 안전한 구조가 될 수 있을 것입니다. 그리고 두 요소의 조합에 의한 2차원 또는 3차원적인 건물 구조형식이 있을 수 있습니다.

벽체는 매우 견고한 구조 요소로서 벽체를 3차원으로 구성한다면 계단실이나 엘리베이터박스 등의 견고한 구조가 되며, 횡력에 저항하는 구조로서 아주 유용한 구조입니다. 그리고 일반적으로 선형 수직요소인 기둥이 수평요소인 보에 의해 잡혀있는 Beam-Column system의 구조형식이 있으며, 이 두가지의 구조 형식을 조합한다면, 여러가지 형태의 구조가 될 수 있을 것입니다.

건물의 공간 구성에 있어 벽체는 건축적으로 외벽과 내벽으로 나누는데 여기서의 외벽은 건물의 형태를 결정하고 내벽은 각실을 구분하는데 사용됩니다. 그리고 구조적으로는 각층에서의 수직∙수평하중을 전달하고 저항하는 가장 중요한 구조요소가 됩니다. 2차원의 벽체는 일반적으로 벽체의 길이 방향으로는 큰 강성을 가지고 있으나 두께 방향으로는 취약합니다.

그러므로 벽체의 배치 계획에 있어 가장 중요한 요소는 벽체와 벽체를 직교하게 배치하고 벽체의 두께 방향으로 횡력을 부담하는 경우를 최소화시켜야 할 것입니다. 그 다음에 고려할 사항은 비틀림(torsion)으로 직교하는 전단저항의 중심이 건물에 작용하는 횡하중의 중심과 거의 일치할 때 가장 좋은 구조계획이 됩니다.

변위등고선 Displacement Contour

MIDAS eGen에서 변위의 형태를 색깔로서 구분하여 나타낼 때 보여지는 형상입니다. 일반적으로 구조해석 프로그램에서 변위, 변형 등을 나타낼 때 색깔로 구분함으로써 한눈에 변위가 많이 생기는 부분을 파악할 수 있습니다.

변형 양상이 많이 생기는 부재를 붉은 색, 적게 생기는 부분을 파란색으로 나타낼 때, 중간 값에 대해서는 두 색의 중간 색으로 적절하게 표현됩니다.

보 Beams

보(beams)는 보통 연직 하중을 받기 위한 직선 수평부재입니다. 또 보는 부재의 지지 방식에 따라 구분됩니다. 특히, 단면의 형상이 변하는 보를 테이퍼(tapered)혹은 헌치(hunched)보 라고 합니다. 또한 보의 단면은 여러 판들의 조립으로 형성될 수 있습니다. 보는 기본적으로 휨 모멘트를 지지하기 위하여 사용됩니다. 그러나 보가 비교적 길이가 작으면서 상대적으로 큰 하중을 지지하는 경우에는, 내부 전단력이 매우 커지므로 이 부재의 거동에 가장 중요한 인자가 될 수도 있습니다.

만일 보에 사용된 재질이 강철이나 알루미늄 같은 금속류일 경우에는 H 같은 형상의 단면을 가지는 것이 가장 효율적입니다. 이 경우 부재에 작용하는 모멘트는 상하 플랜지(flange)라고 하며 이것은 통산 공장에서 최고 23m 길이를 갖는 하나의 부재로 제작됩니다. 만약 더 짧은 길이의 것이 필요하다면, 플랜지가 테이퍼된 단면을 사용합니다. 만일 보가 상당히 큰 길이를 요구하고 작용하는 하중이 비교적 크다면, 그 단면은 플레이트 거더(plate girder)형식을 택할 수도 있습니다.

이러한 부재는 큰 플레이트의 웹(web)판과 플렌지(flange)판을 사용하여, 두판이 만나는 끝단을 용접 혹은 볼트로 연결함으로써 제작됩니다. 거더는 운반 시 길이의 제한으로 인해 일정한 길이로 분할 된 요소로 현장에 운반됩니다. 이렇게 운반된 각 요소들은 거더에 작용하는 모멘트가 최소인 지점에서 서로 연결됩니다.

콘크리트 보는 일반적으로 현장에서 제작할 수 있도록 사각형의 단면을 갖고 있습니다. 콘크리트는 인장에 대해서는 약하기 때문에 주로 인장을 받는 부분의 단면에서는 보강재로써 철근이 설치됩니다. 프리캐스트 콘크리트 보나 거더는 같은 방식으로 작업장이나 공장에서 만들어진 후 건설 장소로 이동하게 됩니다.

보통중심가새골조 Ordinary Concentrially Braced Frame

중심가새골조(CBF)는 압축가새와 인장가새에 의해 횡력에 저항합니다. 횡력이 증가함에 따라 가새부재의 탄성범위를 넘어서면 압축가새는 좌굴이 일어나고 이후 인장가새는 항복이 일어납니다. 횡력의 방향이 바뀌면 압축가새와 인장가새의 역할도 서로 바뀌고 이러한 과정을 반복하면서 에너지 소산을 합니다. 단 가새가 비탄성변형을 하는동안 기둥과 보는 여전히 탄성상태에 있어야 합니다.

지진동하에서 중심가새골조의 붕괴모드는 저사이클 피로파괴에 의한 가새파단, 가새접합부의 파단, 그리고 기둥부재의 항복입니다. 따라서 중심가새골조의 설계개념은 모든 에너지소산은 가새의 비탄성 반복좌굴에 의한 이력거동에 의하고 나머지 보-기둥 접합부는 탄성거동을 하도록 설계하는 것 입니다.

특히 역 V자형 가새골조의 붕괴 메카니즘을 살펴보면 가새가 좌굴 이후에는 수직불균형력이 발생하기 때문에 보가 이것을 지지 해줄 만큼 강하지 못하면 원하는 붕괴메카니즘에 도달하지 못합니다. 강보의 경우 수직불균형력을 충분히 지탱하면서 보가 탄성상태에 있기 때문에 횡강성 저하가 작지만 약보의 경우 가새가 좌굴하면 인장가새가 항복에 도달하기 전에 보가 먼저 항복하여 횡강성이 현저히 저하하므로 원하는 비탄성거동을 할 수 없게 됩니다.

중심가새골조의 전반적인 구조성능은 가새부재의 축 방향 거동 즉, 가새부재의 국부 좌굴 및 세장비에 크게 영향을 받으므로 판폭 두께비와 세장비의 제한이 더욱 엄격합니다.

2개층 X형가새 및 지퍼기둥을 도입하면 내진성능을 향상시킬 수 있으나 코어 출입구 계획상 유리한 역V자형가새골조를 채택합니다. 인장력만 지지하는 가새는 사용이 불가합니다.

보통모멘트골조 Ordinary Moment Frame

수직하중과 횡력을 보와 기둥으로 구성된 모멘트 골조가 저항하는 구조방식으로, 수직하중에 대해 모든 3차원 골조가 저항해야 하고, 지진하중에 대해서는 3차원 골조 전체나 일부가 저항하도록 설계할 수 있습니다.

이때, 모멘트 골조는 주로 휨거동에 의해 휨하중(지진, 바람)에 의해 횡하중을 저항합니다. 건축물 내진설계기준(KDS41 17 00)에서는 내진설계 범주 A, B, C 에 해당하는 구조물에만 보통모멘트골조를 사용하게 되어있으면, 내진설계범주가 D일 경우에는 철골 구조물의 경우에는 사용할 수 있으나 철근콘크리트구조물에서는 보통모멘트골조를 사용할 수 없습니다. 보, 기둥이 수직하중과 횡하중에 모두 저항합니다.

비지지 길이 Unbraced Length, Lb

세장한 보가 강축 휨을 받을 경우, 충분한 횡지지가 존재하지 않고 외력이 특정 한계값 이상이 되면 면외방향의 약축휨과 더불어 단면의 비틀림이 발생하여 휨내력이 크게 저하될 수 있습니다. 이러한 횡비틀림좌굴하중의 크기는 여러가지 요인에 의해 영향을 받지만 단면형상, 횡지지거리, 지점조건, 하중형태 및 하중작용위치 등이 중요한 요인에 속합니다. 박판으로 이루어진 H형강, ㄷ형강, Z형강 같은 개방형단면의 경우 비틀림강성이 매우 낮기 때문에 횡비틀림좌굴에 특히 취약합니다. 횡비틀림좌굴을 방지하기 위해서는 압축플랜지를 직교보나 슬래브 등에 의해 적절히 횡지지해야 합니다. 횡방향 지지점 사이의 길이를 보의 비지지길이(Unbraced length)라고 하며 Lb라고 표기합니다. midas eGen에서는 부재의 강축(y-Axis) 및 약축(z-Axis)에 대한 비지지길이(unbraced length) 및 부재축에 대한 휨모멘트 작용시 압축측 플랜지의 횡지지길이(laterally unbraced length)를 입력합니다.

비틀림비정형 Torsional Amplification

건축물 내진설계기준(KDS41 17 00)에서는 수직, 수평 비정형에 따라 적용 내진설계범주가 바뀌게 됩니다. 여기서, 비틀림비정형의 경우 슬래브의 격막이 유연하지 않을 때 고려합니다. 어떤축에 직교하는 구조물의 한 단부에서 우발편심을 고려한 최대 층변위가 그 구조물 양단부 층변위 평균값의 1.2배보다 클 경우 비틀림비정형인것으로 간주하며, 비틀림비정형일 경우 내진설계범주 C, D로 제한됩니다.

구조물의 형상은 기준에서 고려하고 있는 지진동을 일으키는 강진 시 그 거동에 크게 영향을 미칠 수 있습니다. 정형건물에서는 강진이 발생하더라도 비탄성거동이 건물 전체에 걸쳐 잘 분포되어 에너지 소산과 부재의 손상도 분산되지만, 비정형 건물의 경우 비탄성 거동이 구조물의 일부영역에 일부 집중되어 이 부분에서 구조요소가 파괴될 가능성이 큽니다. 이와 같은 사실은 과거 수많은 지진피해를 살펴보더라도 정형인 형상을 가진 건물보다 비정형인 형상을 가진 건물이 더 큰 손상을 입은 것을 통해 알 수 있습니다.

모든 건축구조물은 건축구조설계기준에 의해 평면 또는 수직구조의 정형 혹은 비정형으로 구분됩니다. 평면 비정형성의 유형에는 비틀림 비정형, 요철형 평면, 격막의 불연속, 면외 어긋남, 비평행 시스템이 포함됩니다. 수직 비정형성의 유형에는 강성 비정형, 중량 비정형, 기하학적 비정형, 횡력저항 수직저항요소의 비정형, 강도 비정형이 포함됩니다.

다시한번 설명하자면, 평면의 형태가 좌우 또는 상하 등이 대칭이 아니어서 지진이 발생하였을 때 변형량이 같은 층에서 약 20%정도 차이가 났을 경우를 말하는 것입니다. 즉 격막이 유연하지 않을 때 고려하는 것인데, 어떤 축에 직교하는 구조물의 한 단부에서 우발 편심을 고려한 최대 층변위가 그 구조물 양단부 층변위 평균값의 1.2배보다 클 때 비틀림 비정형인 것으로 간주합니다. 설계범주는 C 또는 D 등급으로 분류됩니다.