자유단    Free End

보나 축 등 1차원 연속체로 취급되는 계에 있어서 아무런 구속도 받지 않는 단으로 완전히 자유로운 단을 말합니다. 대표적인 예로 캔틸레버보의 선단이 이에 해당됩니다.

좌굴    Buckling

가느다란 기둥을 축 방향으로 누르거나 얇은 판에 판과 평행한 방향으로 압축력을 가하면 어느 순간에 휘어지는 횡 방향 변위(lateral displacement)가 발생합니다. 물체의 이러한 거동을 좌굴 혹은 붕괴라고 정의하며 구조물의 안전성에 치명적인 문제점을 야기시킵니다. 좌굴이 발생하기 전까지 물체는 정적인 평형상태를 유지하지만, 일단 좌굴이 발생하면 평형상태가 깨어지고 횡 방향으로 큰 변형(deformation)이 발생하여 외부 하중을 지탱할 수 없게 됩니다.

이러한 좌굴은 비단 가느다란 기둥이나 얇은 판의 휨 좌굴(flexural buckling)에만 국한되는 것은 아닙니다. 물체의 국부 영역에만 발생하는 국부 좌굴(local buckling), 전단력에 의하여 야기되는 전단 좌굴(shear buckling) 그리고 비틀림에 의해 발생하는 비틀림 좌굴(torsion buckling) 등이 있습니다. 한편 좌굴에 따른 변형이 구조물이 이루는 평면 내에서 있느냐 아니면 평면 바깥에 있느냐에 따라 면내 좌굴(in-plane buckling) 그리고 면외 좌굴(out of plane buckling)으로 구분하기도 합니다. 좌굴(buckling)은 거의 대부분 물체의 형상이나 하중 조건의 불완전성(imperfection)에 기인합니다. 예를 들어, 원형 단면 기둥에 정확히 축 방향으로 집중 압축력을 가한다고 생각하면 이론적으로는 측면 방향으로 휨을 발생시킬 하중이나 모멘트 성분이 전혀 없기 때문에 좌굴은 발생할 수 없습니다. 하지만 실제 상황에서는 기둥이 정확히 원형 단면이 아닐뿐더러 압축력이 작용하는 지점도 정확히 축의 중심에 위치하지도 않습니다. 따라서, 기하학적인 불완전성과 축 중심에서 어느 정도 편심된 위치에 압축력이 작용함에 따른 편심력에 따라 횡 방향으로의 변위가 발생하게 됩니다.

좌굴은 물체의 가느다란 정도를 나타내는 형상 종횡비(aspect ratio)가 클수록 쉽게 발생합니다. 다시 말해 길이가 긴 기둥이 짧은 기둥에 비해 좌굴이 보다 쉽게 발생합니다. 그리고 좌굴은 동일한 재질, 형상 및 하중조건에서도 물체를 구속하는 경계조건(boundary condition)에 크게 영향을 받습니다. 좌굴을 일으키는 하중의 크기를 임계하중(critical load)이라 부르고, 좌굴의 가능성은 좌굴 하중계수(buckling load factor, BLF)로 판단합니다.

적설하중    Snow Loads

특수한 지역에서는 눈에 의하여 구조물에 작용하는 하중이 매우 크기 때문에, 이런 설하중에 의한 파괴의 가능성을 막는 것이 매우 큰 관심사일 수 있습니다. 설하중(snow loads)의 설계하중은 일반적으로 건물의 형태와 지붕의 형태, 바람에 대한 노출 그리고 위치에 영향을 받습니다. 풍하중과 같이 설하중은 일반적으로 50년의 재현 기간을 가진 최대 적설량의 지역도로부터 구합니다. 예를 들어 미 중서부 지역에서는 0.96 kN/m²의 설하중이 설계에 이용됩니다. 설하중에 대한 시방 규정은 ASCE 7-05 규정에 잘 나타나 있으나, 하나의 조항으로는 이런 형태의 하중에 대한 모든 의미를 다 포함 할 수는 없습니다. 그러므로 기술자는 비 또는 건물의 난방 등의 모든 효과를 고려하여 판단해야 합니다.

지붕 적설하중 산정 시 사용되는 지상 적설하중은 아래 표에 의합니다. 아래 표를 사용할 경우, 지역적 기후와 지형에 따라 국부적인 변화를 초래할 수 있다는 점을 고려하여야 합니다. 같은 지역이라도 고지대나 산간지방 같은 특정한 지형조건에서는 다음 표를 사용할 수 없습니다. 그리고 특정지역에 대한 지상 적설하중은 실제의 조사∙연구에 의한 수직 최심적설깊이 및 눈의 평균 중량들을 고려하여 산정할 수 있습니다. 또 최소 지상 적설하중은 0.5kN/m²로 합니다.

KBC 2009 <표 0304.2.2> 기본지상적설하중(S_g)

전단다리    Shear Stirrup

압축응력과 인장응력에 저항하는 철근을 보통 주철근이라 하고, 전단응력에 저항하는 철근을 전단철근이라 합니다. 전단철근의 배근은 주철근을 감싸주는 형태로 배근하는데 그 모양이 ‘ㅁ’자 또는 ‘ㄷ’이고 원형 기둥에는 원형 또는 나선형입니다. 이 전단철근을 영문으로 스터럽이라고 합니다. 이 전단철근의 단면 소요량은 구조해석에 의한 전단응력 값에 따라 다르게 됩니다.

‘ㅁ’자 형태의 전단철근은 상부주철근과 하부주철근을 다리로써 감싸게 되고, 스터럽의 폭으로 상부의 주철근을 감싸고, 또한 하부의 주철근을 감쌉니다.

그러나 ‘ㅁ’자 형태는 배근하기가 어려워 ‘ㄷ’자 형태를 위에서 아래로 배근하거나 아래에서 위로 배근하게 되는데 이것 역시 어려워서 보통은 ‘ㄱ’자를 겹쳐서 사용합니다.

전단벽    Shear Wall

아파트나 호텔과 같이 주로 공간이 일정한 면적으로 분할 구획되는 주거공간에 사용되는 구조방식으로 축력과 횡력을 동시에 지지하는 방식입니다. 즉, 수평력은 다이어프램으로 작용하는 바닥구조에 의해 전단벽에 전달되는데, 전단벽은 높은 강성을 가지므로 전단과 전도에 의한 휨을 지지합니다. 일반적으로 30층 이하의 건물에 많이 사용되고 있습니다.

전단벽 구조는 선형 벽의 배열에 따라 장변방향 벽구조, 단변방향 벽구조, 2방향 벽구조, 방사형 구조 등으로 나눌 수 있습니다.

전단벽 구조의 반응은 구조재료, 벽체 사이의 상호작용, 벽체의 위치, 벽체의 연속성과 수평바닥 면과 수직벽체의 상호작용에 따라 변화합니다. 즉, 벽체와 벽체, 벽체와 바닥 사이의 연속 정도에 따라 달라집니다. 벽체의 압축응력은 벽체의 간격, 건물의 높이 및 사용형태, 벽체의 개구부 위치 및 배치 등에 따라 달라지는데 압축응력이 집중되지 않도록 주의해야 합니다.

대부분의 전단벽에는 불연속부나 개구부가 있기 때문에 강성이 약해지며, 이러한 개구부의 크기 및 위치는 벽체의 거동에 영향을 미칩니다. 개구부로 인하여 분할된 전단벽은 연결보(Coupler Beam)의 사용으로 휨강성 및 변형에 대하여 보강효과를 볼 수 있습니다.

횡력에 대한 벽체의 반응은 구조체 전체의 강성에 좌우되는데 슬래브를 휨이 없는 무한강성의 다이어프램으로 가정하여 분배할 경우 벽체와 벽체 사이의 보나 슬래브가 충분한 강성을 갖도록 하여 횡력을 전달할 수 있도록 하여야 합니다. 충분한 강성을 갖지 못할 경우 벽체에 전달되는 횡력이 달라지게 되므로 이에 대한 고려가 설계에 필요하게 됩니다.

전단벽-골조상호작용시스템    Shear Wall-Frame Interactive System

전단벽-골조상호작용시스템은 전통적으로 구조물이 내진설계범주 A 또는 B와 같이 낮은 내진설계범주(SDC)에 속해있을 때 지진력저항시스템으로 사용되어 왔습니다. 이것은 KBC2005의 표에 기본 지진력저항시스템으로 포함되어 있지 않지만, 건축구조기준2009에 포함되므로 전단벽-골조상호작용시스템에서 전단벽과 골조는 각각의 횡강성에 따라 설계횡하중에 저항합니다.

전단벽-골조상호작용시스템에서 전단벽의 전단강도는 각층에서 최소한 설계 층 전단력의 75% 이상이어야 하고, 골조는 각층에서 최소한 설계층 전단력의 25%에 대해서 저항할 수 있어야 합니다.

전단철근    Shear Reinforcement

전단응력에 저항하는 철근을 말합니다. 철근콘크리트 보에는 사인장 균열이 발생하는데 이는 보에 직각으로 일어나는 휨균열과 달라서 갑작스러운 파괴를 유발합니다. 이를 방지하기 위해 따로 철근을 배치하는데 그 배치되는 철근을 전단철근이라 합니다.

보의 상부에 발생하는 전단+압축, 보의 하부에 발생하는 전단+인장에 의한 파괴를 방지하기 위한 중요한 철근입니다.

전단탄성계수    Shearing Modulus

강성률(剛性率, Rigidity)·전단탄성률(剪斷彈性率)·층 밀리기 탄성률이라고도 합니다. 즉, 층 밀리기 탄성률은 단위면적당 가해지는 힘이 물체의 길이당 얼마나 옆으로 물체가 밀리게 했는지를 말해줍니다.
 
외부의 힘에 의해서 모양은 변하지만 부피(체적)는 변하지 않는 경우에 모양이 변하는 비율을 나타냅니다. 따라서 외부의 힘에 의해서 물체의 모양이 변하기 어려운 정도를 나타내는 것으로, 물질에 따라 고유한 값을 가지며, 이 값이 작은 것일수록 같은 힘에 대해 큰 변형이 나타납니다.
 
물체가 받은 변형의 정도는 물체에 작용하는 변형력의 크기에 따라 변합니다. 변형력이 너무 크지 않으면 변형은 변형력에 비례합니다. 변형력의 변형에 대한 비를 탄성율(elastic modulus)이라 합니다. 
 
일반적으로 금속은 이 값이 큰데, 강철은 80GPa 정도, 구리는 4GPa 정도, 알루미늄이나 금은 27GPa 정도입니다. 이들에 비해 탄성고무 등과 같은 것은 그 값이 작아서 10GPa 정도입니다.

전도모멘트    Overturing Moments

전도 모멘트란 구조물을 전도시키는 작용을 하는 모멘트 입니다. 즉, 구조물을 넘어지게 하는 모멘트를 뜻합니다. 일반적으로 토목 옹벽 구조 설계를 할 때 많이 사용됩니다. 또한 구조물에 작용하는 풍하중을 고려할 때 사용됩니다.

예를 들어서 옹벽에서는 전도, 활동, 침하에 대해서 안정해야 옹벽을 설치할 수 있습니다. 전도는 옹벽 뒤쪽에서 토압, 수압이 작용할 때 앞으로 넘어지는 힘입니다. 넘어지지 않으려고 하는 저항 모멘트가 크면 그 옹벽은 전도에 대해서 안전합니다.

건축물의 구조기준 등에 관한 규칙을 보면 다음과 같은 내용을 확인할 수 있습니다.

“풍하중에 의한 전도모멘트는 건축물의 자중만으로 산정한 안정모멘트 값의 3분의 2를 초과하지 아니하도록 할 것. 다만, 이를 초과할 때에는 전도모멘트의 초과분에 버틸 수 있도록 보강조치를 하되, 전도모멘트 및 안정모멘트를 산정할 경우의 회전축의 위치는 풍하중 벽면의 수직선과 기초판 바닥 면의 평균 깊이의 수평선이 교차하는 점으로 하며, 기초판 상부의 흙은 안정모멘트를 산정할 경우에 자중에 해당하는 무게로 볼 수 있다.”

전도모멘트 감소계수    Overturning Moment Deduction Fraction

고층건물에 대해서 전도모멘트를 수정(감소)하는 것은 구조동역학 이론에 의하면 합리적이며 경제적인 내진설계의 방법이 될 수 있습니다.

건물의 최상층으로부터 10층까지는 1.0, 20층 이하에는 0.8, 최상층으로부터 11층에서 19층까지는 층수에 따라 1.0과 0.8 사이를 직선보간하는 방법을 적용합니다.

전이보    Transfer Girder

주상복합 건물에 자주 등장하는 구조형식이 벽식구조+전이층+하부라멘조 입니다. 보통 전이보(Transfer Girder)를 사용하게 되는데 요즘은 전이판(transfer plate)도 많이 사용합니다. 전이판이란 말 그대로 힘을 전이하는 판입니다. 아주 두꺼운 슬래브로 생각하면 이해하기 쉽습니다. 일반적으로 건물은 지반 위에 기초가 있고 기둥이 있습니다.

지반이 좋지 않다면 땅에 파일을 두고 기초를 형성합니다. 전이판은 상부 벽식 구조물의 기초라고 생각하면 됩니다. 전이판 하부의 기둥은 파일과 같은 역할을 하게 되고 결국 기초를 두 번 둔 꼴인데 벽식구조물을 상부에 두고 그 하부에 전이판이 있어 벽식 구조의 기초가 되고 아래에 기둥이 있고 보가 있어 라멘조를 구성하고 맨 아래에 기초 판이 다시 나오는 모양을 가지게 됩니다. 일본에서는 전이판을 인공지반이라고 표현하기도 합니다.

상부벽체와 하부 기둥의 모듈에 일정한 규칙이 있으면 전이보로 설계할 수 있지만 대각선으로 구성된다거나 공통의 선분을 발견하지 못하면 전이판을 사용하게 됩니다. 전이판으로 설계하면 구조해석과 설계는 좀 어렵지만 구조적 안정성은 좋아지게 됩니다. 전이판은 2방향 슬래브처럼 2방향으로 힘이 작용되므로 한쪽 방향으로만 힘을 보내야 하는 보에 비해 추가의 잉여력이 있어 안정성은 좋다 할 수 있습니다. 건축적 활용성 면에서도 전이판이 유리하기 때문에 최근에는 더 많이 사용하고 있습니다.

이런 전이판은 구조 해석만 하면 되는 것은 아니고 해석 툴과 재료 등에 대한 좀 더 깊이 있는 이해가 필요합니다. 전이판도 상부 하중과 하부 기둥의 간격에 의해 두께가 결정되는데 기초와 마찬가지로 주로 전단응력에 지배를 받습니다. 기둥간격이 8~10m 정도이면 두께는 10cm/층 정도가 필요합니다. 30개 층을 전이하려면 3m의 전이판이 필요하다는 것입니다. 두께 감소를 위한 노력은 많은 노하우와 연구가 필요합니다.

주철근    Main Reinforced Bar

일반적으로 철근콘크리트 구조물로 설계하중에 의한 계산, 설계하중을 지지하는데 필요한 철근을 말합니다.

하중에 의해서 슬래브가 아래로 처진다고 가정했을 때 슬래브는 붙어있기 때문에 슬래브 중앙의 처짐은 단변방향 그리고 장변방향으로 동일한 처짐 값(d)을 갖습니다. 그렇다면 단변방향은 짧은 길이에 대해서 d 만큼 처지고 장변방향은 긴 길이에 대해서 d 만큼 처지게 됩니다. 우리가 자 같은 것을 두 지지점에 올려놓고 손으로 눌러보면 짧은 지지점 사이에 올려놓은 자를 누를 때 긴 지지점을 갖는 자를 누르는 것보다 더 큰 힘이 필요하게 됩니다. 이런 원리로 실제로 동일한 d 만큼이 눌릴 때 단변방향이 장변방향보다 힘을 더 많이 부담한다는 이야기고 그 부담 비율은 하중이 위에 고르게 분포하고 있을 때는 길이의 4제곱에 비례합니다.

예를 들어 장변 대 단변의 길이비가 1: 2가 되면 실제는 길이의 4제곱에 비례하므로 부담하는 비율은 1:16이 되어서 단변이 93% 정도, 장변이 7%정도를 부담합니다. 실질적으로 장변방향은 거의 부담하지 않고 대부분 단변이 부담합니다. 1:2 를 넘어서게 되면 대부분 단변이 부담합니다.

위에서 살펴 보았듯이 이렇게 장변과 단변 방향 중 힘을 더 많이 부담하는 방향에 대하여 보강하는 철근을 주철근이라고 합니다.

줄기초    Continuous Footing

벽∙기둥 밑 등의 기초를 좁고 길게 연달아 도랑(줄∙띠)모양으로 파고 잡석 다짐을 한 위에 하는 기초로 연속기초, 벽밑기초, 띠형기초, 연속푸팅기초라고도 하며 주로 벽돌조 또는 무거운 조적벽체의 기초로 쓰입니다. 장대돌기초, 벽돌기초, 콘크리트기초가 이에 해당합니다.

중요도계수    Importance Factor

구조물의 종류에 따라 지진에 의한 피해 정도를 경감시키기 위하여 중요도 계수를 사용합니다. UBC(Uniform Building Code)에서는 85년까지 최고 1.5배까지 지진하중을 증가시키도록 해 오다가 88년부터는 1.25배까지로 조정하였습니다. ATC(Applied Technology Council) 3-06에서는 중요도 계수를 사용하지 않습니다. 대신에 중요도에 따라서 구조방식이나 구조 상세에 대한 규제를 강화하는 방법을 택하고 있습니다.

우리가 알고 있는 중요도 계수는 UBC의 개념입니다. 건물을 비롯한 구조물의 경우 중요도에 따라 다섯 종류로 분리하여 1.0 또는 1.25의 계수를 부여함으로써 중요한 건물에 대한 지진하중을 다른 건물에 비하여 25% 더 증가시키도록 하고 있습니다. 또한 비구조재의 경우에 적용되는 건물의 중요도 계수이며 1.0 또는 1.5의 계수를 부여함으로써 중요한 건물의 지진하중에 산정에 필요한 중요도를 50%까지 증가시키도록 하였습니다. 우리나라 내진설계 기준의 지반계수와 중요도계수대한 사항들을 잘 살펴보면 우리나라 내진설계 기준이 어떻게 해서 나온 것인지 아마도 짐작할 수 있습니다.

우리나라 내진설계 기준에서의 중요도계수는 지진이 발생하였을 때 피해의 복구 및 확대방지에 필요한 용도의 건축물과 경제적, 사회적으로 피해의 영향이 큰 건축물은 일반 건축물에 비해 내진 안전성을 높이고 일반 건축물에 대해서는 경제적인 부담이 적어지도록 하기 위하여 사용하였습니다.

KBC 2009 <표 0306.4.1> 내진등급과 중요도 계수

중량비정형    Weight Irregularity

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.

중량 비정형은 수직 비정형의 하나이며, 어떤 층의 유효중량이 인접층 유효중량의 150%를 초과할 때 중량 분포의 비정형인 것으로 간주합니다. 단, 지붕층이 하부층보다 가벼운 경우는 이를 적용하지 않습니다.

지내력    Soil Bearing Value

지반이 하중을 받았을 때 파괴되지 않는 강도 및 변형이 과대해지지 않는 단단함 모두를 만족하는 성질이 지내력입니다. 지내력은 지반이 지지할 수 있는 하중을 단위면적당(1m²)의 수치로 나타냅니다. 지내력은 하중이 작용하는 상태나 기초의 형상, 깊이, 심지어는 지하수의 상태 등에 따라 동일 지반이라도 값이 다릅니다. 지반의 강도는 지반의 파괴에 대한 저항력에 안전률을 곱한 값입니다.

사질토 지반에서는 순식간에 침하가 종료되는데 반해, 점성토 지반의 침하는 진행이 완만하며 장기간에 걸쳐 계속됩니다. 지반에 허용되는 침하량은 구조물에 유해한 영향을 미치지 않는 양으로 지반이나 구조층별, 기초 형식 등에 따라 다릅니다. 널리 알려진 피사의 사탑은 사질토 지반과 점성토 지반이 모두 있는 층으로 구성된 지반에 건설되어 있습니다. 사탑의 기초는 사질토 지반에 설치되어 있지만 그 하부에 있는 점성토 지반이 단단함을 만족시키지 못하는 예입니다.

지내력은 흙 자체의 파괴에 대한 저항력과 건축물의 하중에 의한 침하량을 고려하여 결정됩니다. 지내력이란 쉬운 예로 두부나 스펀지를 밟았을 때 찌그러지기 직전의 저항력을, 침하량은 스펀지가 줄어드는 양을 생각하면 이해하기 쉬울 것입니다. 침하량에 대해서는 건축물 전체가 마찬가지인데 침하할 때에는 별 문제가 없지만 피사의 사탑처럼 기울어져 생활에 지장이 생기면 안되기 때문에 허용되는 침하량을 다음과 같이 정하고 있습니다.

지내력의 단위는 kN/m² 이며, 지내력 50kN/m²라는 것은 지반에 1m²당 50kN의 하중이 놓여도 안정되면 유해한 침하가 발생하지 않는다는 것을 의미합니다. 같은 규모의 건축물이라도 지내력의 크기에 따라 기초의 종류가 다른 경우가 있습니다. 그래서 지내력은 건축물의 기초설계에 있어서 중요한 요소 중 하나입니다.

지내력을 결정하는 요소로 강도와 변형성이 있습니다. 강도란 그 자체가 파괴되는 시점의 힘의 크기를 말하며, 변형성이란 하중에 의한 침하량을 말합니다. 이들에 의해 지내력이 결정되는데, 어느 것으로 결정할 것인지는 그 지반 자체의 굳기에 따라 다릅니다. 예를 들어 기와처럼 단단하면 큰 힘을 가해도 별로 변형되지 않고 자체의 강도를 넘으면 부서져버립니다. 점토처럼 부드러울 경우는 큰 힘을 가하지 않아도 변형이 진행됩니다. 전자의 경우 내력은 강도에 의해 결정되며, 후자의 경우 변형성에 의해 결정됩니다.

강도로 결정되는 내력은 부서지는 시점에 있어서 명확한데, 변형성에 의한 내력은 어느 정도의 변형량으로 결정되는 것인지는 건물의 구조종별이나 기초 형식에 따라 다소 차이가 있습니다. 보통 몇 cm를 기본적으로 건물에 유해한 부동침하를 일으키지 않는 양으로 정하고 있습니다.

지반의 종류와 분류

지반종류

국지적인 토질조건, 지질조건과 지표 및 지하 지형이 지반운동에 미치는 영향을 고려하기 위하여 지반을 아래 표와 같이 5종으로 분류한다. 대상지역의 지반을 분류할 수 있는 자료가 충분하지 않고, 지반의 종류가 일 가능성이 없는 경우에는 지반종류 를 적용할 수 있다.

KBC 2009 <표 0306.3.2> 지반의 분류

지역계수    Zone Factor

KBC 2009 <표 0306.3.1> 지진구역 구분 및 지역 계수

*강원도 북부(군, 시) : 홍전, 철원, 화천, 횡성, 평창, 양구, 인제, 고성, 양양, 춘천시, 속초시

*전라남도 남서부(군, 시) : 무안, 신안, 완도, 영광, 진도, 해남, 영암, 강진, 고흥, 함평, 목포시

건축구조물의 내진설계를 위하여 반드시 알아야 할 사항은 건설예정 부지의 지진 위험도입니다. 해당지역에 영향을 미칠 수 있는 활성단층의 활동에 관한 자료와 활성단층에서 부지까지의 거리 및 단층과 부지 사이의 지질 등에 관한 자료 등을 이용하여 각 지역의 지진위험도를 설정할 수 있으나 이러한 과정은 대단히 번거롭고 고도의 기술이 필요하므로 원자력 발전소와 같은 특수한 구조물을 제외한 거의 대부분의 건축구조물의 내진설계를 위하여 보다 간편한 방법으로 지역의 지진위험도를 설정할 필요가 있습니다. 각국의 내진구조설계 규준에서는 지진구역을 설정하고 각각의 구역에 대한 지진위험도를 미리 산정해 둠으로써 구조물이 건설될 부지가 어느 구역에 속하느냐에 따라서 손쉽게 지진위험도를 설정하는 방법을 사용하고 있습니다.

지점조건    Support Conditions

매우 단단해서 변형이 거의 없는 지반에 구멍을 파서 기둥을 세우는 경우 기둥이 외력을 받을 때 땅속에 묻혀 있는 부분이 거의 이동이나 변형이 발생하지 않는다면 기둥은 지반에 의해 이동과 회전이 구속되어 있다고 간주하여 고정지지라고 합니다. 실제로 지반이 전혀 변형하지 않는 강체라고는 말할 수 없지만 기둥에 비교해 변형이 작다면 고정지지라고 할 수 있습니다. 하지만 기둥이 지반보다 단단하다면 고정지지라고 판단하기에는 어렵습니다.

단단해서 변형이 거의 없는 지반에 얕은 구멍을 파서 기둥을 세워보면 연직방향으로는 이동이 없으나 기둥의 밑부분을 중심으로 쉽게 움직이는 것을 알 수 있습니다. 이와 같이 회전은 자유로우나 상하, 좌우의 이동은 되지 않게 된 지지를 Pin지지로서 모델화 합니다.

상부방향으로의 이동 즉, 뽑힘의 가능성이 있어 정확히 Pin지지는 아니지만 구조물의 자중이 커서 뽑힘이 생길 염려가 없다고 판단되면 이런 경우에도 Pin지지라고 가정하여도 무관합니다.

구조물은 아니지만 전차, 자동차는 바퀴, 레일이나 도로 등을 통하여 지반에 의해 지지되어 있고 이것도 지지방법의 한가지입니다. 건축구조물에는 그다지 사용되어 지지 않지만 다리 등의 토목구조물에는 전차나 자동차와 같이 바퀴를 지지부에 설치합니다. 큰 목재 등을 둥근 나무토막을 받쳐 이동하는 방법 등의 지지방법을 이동지지라 합니다.

고정(Fix), 핀(Pin), 이동(Roller)의 기본지지 모델로서는 표현하지 못하는 지지상태가 존재하는데 연필을 한 손으로 잡고 오른손으로 눌러보면 지지부가 변형하여 연필이 회전을 하기 때문에 고정이라고 하긴 힘듭니다. 그러나 왼손에서 연필을 원형으로 돌려 놓으려는 힘이 반대로 작용하기 때문에 자유스런 Pin지지도 아닙니다. 이것을 용수철을 사용한 것으로 생각하여 외력이 크면 크게 회전을 하지만 회전에 대한 저항도 증가하는 형식입니다. 이러한 형식을 탄성지지라고 하고 용수철의 세기는 지반의 회전에 대한 저항력으로 구해집니다.

지진하중    Earthquake Loads

지진에 의해 구조물에 가해지는 하중은 구조물과 지반의 상호작용과 구조물의 응답 특성에 따라 발생합니다. 즉, 이러한 하중은 지반 운동에 의한 구조물의 변형과 구조물의 횡방향 저항 정도에 의해 발생합니다. 지진 하중의 크기는 지반 가속도(ground acceleration)의 크기와 형태, 구조물의 질량과 강성에 따라 변하게 됩니다. 지진 하중의 본질을 잘 알기 위해서 그림과 같은 간단한 구조 모델을 고려해 보면 이 모델은 단층건물을 단순화시킨 모델로, 상부에 위치한 블록은 지붕의 질량을 모사한 집중 질량을 나타내며 중간에 위치한 블록은 모든 기둥의 강성을 모사한 집중 강성을 나타냅니다.

지진이 발생하면 지반은 수평방향과 수직방향으로 진동하게 됩니다. 수평방향의 가속도에 의해 기둥에는 전단력이 발생합니다. 만약 기둥의 강성이 크고 블록의 질량이 작다면, 블록의 진동 주기는 매우 짧을 것이고, 지반 운동과 비슷한 거동을 보이면서 단지 경미한 변위만 발생하게 됩니다. 구조물에 있어서 부재에 매우 작은 응력을 발생시키기 때문에 이것은 매우 유익한 것입니다. 다른 한편으로 만일 기둥이 매우 유연하고 블록이 매우 큰 질량이라면 지진에 의한 움직임은 블록의 진동 주기는 매우 길 것이고, 큰 상대 변위를 일으키게 됩니다.

구조물 가속도, 속도 그리고 변위는 지진 응답 스펙트럼(earthquake respond spectrum)을 통하여 결정되고 나타납니다. 지진 응답 스펙트럼이 작성되면, 지진 하중은 구조 동역학 해석에 근거한 동적해석을 통하여 계산될 수 있습니다. 이 해석은 상당히 정교해야 하며 컴퓨터의 사용을 요구하게 됩니다. 구조물의 규모가 커지면 이런 해석은 필수적입니다.

지진하중계수    Seismic Load Factor

지진이 발생하면 지면이 진동하게 되고 지면의 진동으로 인하여 지면에 놓인 구조물들이 진동하게 되는데 지진의 진동이 강해짐에 따라서 구조물의 거동은 선형-탄성에서 비선형-소성으로 바뀌게 됩니다. 이와 같은 구조물의 지진거동을 정확하게 파악하기 위해서는 지반의 진동특성, 구조물의 동적특성, 구조물의 비선형거동 특성 등을 매우 정확하게 알고 있어야 하는데 이것은 현실적으로 거의 불가능한 일입니다.

하중 조정계수는 설계하중과 실제하중 간의 불가피한 차이 및 하중을 작용외력으로 변환시키는 해석상의 불확실성, 환경작용 등의 변동을 고려하기 위한 일종의 안전계수입니다. 고정하중, 활화중, 풍하중, 적설하중, 지진하중 등 하중의 종류에 따라 그리고 설계 방법에 따라 하중계수를 다르게 제시하고 있습니다.

지진하중에 안전을 고려하기 위하여 사용하는 것이 지진하중계수입니다.

지표면조도    Roughness

지표면의 거칠기 상태로 일정지역의 지표면 거칠기에 해당하는 장애물이 바람에 노출된 정도의 구분을 말하면 다음과 같이 A~D로 구분합니다.

KBC 2009 <표 0305.5.3> 지표면조도구분

지하외벽하중    Basement Wall Loads

구조체 또는 벽체에 작용하는 토압은 주동토압, 수동토압, 정지토압의 3가지로 구별합니다. 주동토압은 벽체 후면의 배면토가 자중으로 벽체를 전방으로 밀어내면서 자신이 파괴되는 상태의 토압이고, 수동토압은 벽체에 작용한 토압에 의해 반대편의 흙이 밀리면서 파괴되는 상태의 토압이며 배면토의 강도가 극한상태에서 완전히 파괴될 때까지의 토압입니다. 그리고 정지토압은 배면토가 벽체의 수평방향의 이동과 회전이 없는 정지한 상태에서의 토압입니다. 일반적인 상태에서의 정지토압은 주동토압과 수동토압의 사이의 값을 가집니다.

옹벽과 지하외벽에 작용하는 토압은 벽체의 변형의 방향과 크기에 의해서 변화하기 때문에 본래 지반과 구조물의 상호작용의 결과로 결정됩니다. 이러한 상호작용은 복잡하고 명확하지 않은 부분이 많습니다. 또한, 일반적으로 실무설계에서는 구조물의 응답과 무관하게 토압을 결정하게 되므로 극한상태에 대응하는 극한토압(주동토압, 수동토압)으로 토압을 결정하게 됩니다. 정지토압 값은 모래의 0.5 내외, 점토는 0.5 보다 큰 것으로 추정되고 있습니다. 특수한 경우를 제외하고 사질 및 점토질의 정지토압계수로서 0.5를 사용하여도 무방합니다.

일반적으로 캔틸레버 옹벽은 벽체 상단의 이동이 가능하므로 주동 토압계수를 적용하고, 건물의 외벽은 횡방향 기동이 구속되므로 정지토압계수를 사용합니다. 흙의 마찰각이 30° 라고 하면, Rankine의 주동토압계수(Ka)는 0.33입니다.(아래 식 참조)

           정지토압계수

그리고 정지토압계수(Ko)는 0.5이다.(아래식 참조)

지하외벽에 작용하는 토압과 수압은 표면재하가 없는 지하외벽의 토압과 수압 상부와 하부 표면재하가 있는 지하외벽의 토압을 구분해야 하며 옹벽에 작용하는 토압은 지표면에 수평, 벽배면에 연직으로 간주할 수 있고, 벽면 마찰을 무시할 수 있다면 표면재하가 없는 경우의 토압과 표면재하가 있는 경우의 토압으로 구분해서 계산합니다.

모든 계수는 지반조사에 의해 결정되며 다음의 사항에 주의해야 합니다. 채움흙의 시료와 배면지반에서의 교란되지 않은 시료의 두 가지에 대하여 검토하고, 흙의 모든 계수의 결정에는 호우 또는 장기간 강우 등의 영향을 고려하며, 지진에 의해 토압이 현저히 증가할 우려가 있으면 지진토압을 고려합니다.

진동모드형상    Vibration Mode Shape

구조물이나 부재가 진동하고 있을 때의 진폭 분포를 말합니다. 일반적으로 각 차의 진동형이나 함수 형태로 표시합니다.

midas eGen에서 고유치 해석을 하면 그 결과가 고유진동수와 해당하는 진동수의 진동모드형상(Vibration mode shape )이 나옵니다.

진동은 구조물이 변형하면서 구조물에 축적되는 변형에너지와 구조물이 변형하는 속도에 의해 구조물에 축적되는 운동에너지가 주기적으로 변환되는 과정입니다. 즉. 구조물이 최대 변위를 가질 때 속도는 0이 되고 속도가 최대가 될 때 구조물의 변형은 0이 됩니다. 실제로는 변형의 형상이 복잡하여 위의 설명 그대로는 되지 않지만 개념적으로는 그렇습니다.

구조물이 진동할 때 변형하는 모습은 실제로는 복잡한 형상입니다. 이 형상을 분석하여 보면 특정한 고유진동수(초당 변형을 반복하는 횟수)에 대해 대응되는 변형의 형태(진동모드)가 있습니다. 실제 변형은 구조물의 고유진동수가 여럿이고 이에 대응되는 변형형태가 여럿이어서 이들의 조합이 됩니다.

고유치 해석을 한다는 것은 구조물 자체의 특성인 이 고유 진동수와 대응되는 고유모드(진동모드)를 구하는 것입니다. 이들은 구조물의 특성이며 이 자체가 외부 진동이 들어오는 것에 대해 구조물이 진동하는 것을 보여주는 것은 아닙니다. 실제 진동이 들어올 때 진동의 형태는 이들 고유진동수와 고유모드의 조합으로 표현할 수 있습니다.

집중하중    Concentrated Loads

구조물의 응력해석을 할 때 부재의 어느 지점 또는 부재가 모이는 절점에 집중적으로 작용하는 외력을 집중하중이라고 합니다. 예를 들면 피아노 다리나 책상다리, 기계가대의 다리, 수조탱크가대의 다리에는 집중하중이 작용합니다. 집중하중 표시는 보통 화살표를 사용하며 ↓, → 등으로 나타냅니다. 단순보에 작용하는 예를 나타내면 아래 그림과 같습니다.

질량참여율    Participation Masses

건축구조물에서 질량참여율의 의미는 구조물의 동적거동에 각 모드의 질량이 얼마만큼 기여하느냐의 정도를 나타내는 중요한 파리메타입니다. 각 모드별로 질량참여율을 합치면 전체 질량이 됩니다. 질량참여율이 1차 모드에서 90% 이상이 나왔다면 이 건물은 1차 모드가 동적거동을 지배하고 있다는 의미고 나머지 10%가 2차 이상의 모드가 기여한 정도 입니다. 이런 건물은 1차 모드의 거동만을 고려해도 건물의 동적거동을 정확하게 평가할 수 있다는 의미입니다. 대부분이 정형적인 건물의 경우는 모두 여기에 해당합니다.

10차 모드까지 가야 90%가 나오는 건물은 고차모드의 영향이 동적거동을 지배하는 경우로서 매우 불규칙한 또는 비정형성을 가진 건물의 경우가 여기에 해당합니다. 이런 건물의 경우는 고차모드의 응답을 반드시 고려해야 건물의 동적거동을 정확하게 평가할 수 있습니다. 만약 대상구조물이 정형적인 형태를 가지는 건물이라고 하면 대부분의 1차 모드에서 질량참여율이 70% 이상은 나오며 비정형성을 가진다고 하더라도 3차 모드 정도까지 고려하면 대부분 90% 이상의 질량참여율을 확보할 수 있습니다. 만약 50차 모드까지 가도 60% 정도가 나온다면 조금은 문제가 있습니다. 일반적으로 건물에서의 모드는 저차모드에서 항상 동적거동을 지배하는 것이 일반적입니다. 대부분 주요 저차모드의 경우는 global mode라고 하며 건물의 전체가 움직이는 형태로 나타납니다. 직사각형 건물의 경우는 일반적으로 약축 방향으로 1차 모드가 형성되고 그 직교방향으로 2차 모드 그리고 3차 모드는 건물이 비틀리는 형상을 나타내며 4차 모드 정도가 수직방향으로 진동하는 형태를 보이는 전형적인 형태입니다. 즉 건물의 주요한 저차모드에서의 동적거동은 건물의 전체가 진동을 하는 형태를 보인다는 것이 중요합니다.

그런데 만약 모델링을 잘못하였거나 또는 시스템이 복합적으로 이루어진 경우, 예를 들면 이런 경우는 건물이 아닌 것이 대부분인데, 하부는 골조이며 상부의 경우는 막구조물로서 상하부의 질량과 강성의 차이가 매우 큰 구조물이 여기에 해당합니다. 건물의 경우에도 구조시스템이 복합적으로 작용하는 경우는 이러한 예가 있을 수 있습니다. 이러한 강성과 질량의 비정형성이 극도로 불규칙하고 비정형적인 경우에서는 주요저차모드에서 global mode가 아닌 local mode가 형성될 수 있습니다. local 모드라는 것은 건물이 전체적으로 진동하는 것이 아니라 부분적으로 또는 부재 몇 개가 진동을 하는 형태입니다. 이러한 경우는 하나의 모드라고 해도 질량참여율이 매우 작습니다. 국부적으로 발생하는 진동모드가 주요저차모드에서 나타나면 이것은 모델링이 잘못된 확률이 좀 높다고 할 수 있습니다. 예를 들어 골조구조물에서 만약 한 개의 보부재를 양단 힌지로서 모델링을 해버리면 아마도 이 부재의 진동모드가 주요 저차모드에서 나타나게 될 것이며 이러한 경우의 질량참여율은 매우 작게 형성됩니다.