영국업체에의해설계된내진구조시스템의사례

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C 본사가 들어설 대지는 지면보다 20 m가 낮고, 약 24 km2 넓이에 펼쳐진 다이페이 분지(basin)였다. 분지는 장기의 진동기간(long predominant vibration period)을 가진 연약한 침전물로 채워져 있었다. 타이완의 내진 설계기준 (TBC: Taiwan Building Code)에 따르면 이 대지는 지진위험이 높은 곳이었다. 더군다나 분지효과로 인해 기본 주기(fundamental period) 1.0초 보다 높은 건물의 지진반응은 단단한 지반에 비해 지진에 의한 외력을 빨리 감소하지 못하는 것으로 파악되었다. 지진으로 인한 지표면 운동의 확대가 타이페이 분지의 건물들에 피해를 주는 주요인으로 분석되었다. 과거 경험치에 의하면 반응 주파수 곡선 (response spectra curves)의 최고치는 침전층 깊이와 무관하게 주로 1.65초에서 관찰되는 것을 알 수 있었다. 구조설계팀은 TBC에 의한 타이페이 분지 소재 건물의 소성 반응 대역 (elastic response spectra for building)이 1994년 UBC (Uniform Building Code)에 근거한 캘리포니아 (지질 유형 3) 4구역 건물과 큰 차이가 있음을 발견하였다. 따라서 타이페이 분지에 있는 많은 유형의 중고층 건물의 경우, 최소 내진 설계 기준응력 (earthquake design base shear)은 캘리포니아 4구역의 유사한 건물에 비해 현격히 높아야 한다. 타이페이 분지의 지진위험 분석에 의하면 최고 지면 가속 (PGA: Peak ground acceleration) 값은 475년 주기 지진시 0.23g였다.
4. 이중 내진 시스템
실내면적을 극대화시키기 위해 무기둥 구조를 사용하였으며, 구조물의 구조적 성능은 복잡한 건축개념을 뒤틀림을 줄이면서 만족시킬 수 있느냐의 여부에 달려 있었다. 이러한 조건을 만족시키면서 UBC 기준보다 높은 내진 성능도 가져야 했다. 이에 최종적으로 외부 가새 골조 (External braced frames : EBF)와 모멘트 저항 골조 (Moment-resisting frames : MRF)를 기반으로 이중 내진 시스템 (Dual seismic-resistant system)이 선택되었다. 그림 1은 이중 내진 시스템의 투상도이다.
그림 1에서 확인할 수 있듯이 무기둥 내부 공간을 침해하지 않도록 8개의 보강된 콘크리트 기둥이 건물 외부로 노출되었다. 기초부터 3층까지의 바닥판에는 보강된 콘크리트 골조가 사용되었고, 3층 이상에는 복합 금속 데크 (composite metal deck)와 철골로 보강된 콘크리트 보로 이루어진 골조가 사용되었다. 그림 2에 완성된 CEC 본사 건물의 전경을 나타내었다.
그림 1과 그림 2에 나타낸 주골조는 지진 때문에 발생한 외력을 3층의 EBF로부터 1층 (영국에서는 Ground Floor라 불림)으로 전달하도록 설계되었다. 1층에는 콘크리트 골조가 양방향으로 전달된 외력을 분산하도록 배치되었다. MRF 시스템은 구조적 이중화 (Redundancy)를 제공하는데, 26.6m 간격의 트러스 모멘트 연결 (Trusses moment-connected) 방식으로 복합 (철골-콘크리트) 기둥에 접합되게 된다. 바닥판 트러스는 그림 3과 같이 복합기둥에 상부와 하부 날개(chords)를 조여 연결되었다.
EBF는 주구조물과 분리되어 있기 때문에 그림 4와 같이 전통적인 방식의 바닥 모델과는 달리 그림 3의 격판 (diaphragms)이 측면 내응력 시스템에 지속적으로 부착된 것은 아니다. 모든 횡력은 일련의 격판에 의해 EBF로 전달되었으며, 응력이 각각의 바닥 격판에 전달되면 이들은 측면 시스템에 의해 기초로 전달되었다.
5. 이중 내진 시스템에서의 접합부 설계
CEC 건물이 지진에 반응하는 특성은 EBF의 테두리 보 (link beam)의 설계에 거의 전적으로 좌우되는데, 테두리 보는 이중 내진 시스템에서 힘을 분산시키는 주요 요소이다. EBF의 골조 설계 개념은 보통보다 강한 지진 발생시 휘어지고 손상되는 부분은 일차적으로 이들 테두리 보에 국한되어야 한다는 것이다. 테두리 보의 필요 응력은 반응 대역 분석 (response spectra analysis)에 의해 먼저 결정되어 휨 능력 (flexural capacity)이 계산된다.
테두리 보는 지진활동 중 소성을 유지할 수 있도록 전단 경화 효과 (shear strain hardening effects)를 고려해 규격이 결정되며, 이후 나머지 EBF 구성 부재의 규격이 정해진다. 일례로 건축적 연결보(그림 3에서 바닥판을 얹기 위해 배치되는 보)는 테두리 보에 비해 적어도 1.5배 정도 전단력을 견딜 수 있게 설계되어야 한다. 여기에 더해, 각각의 건축적 연결보는 예측하지 못한 상황에서 비탄성 반응을 보이지 않도록 높은 휨 능력 (flexural capacity)을 갖도록 설계되어야 한다. EBF의 연결보의 상세는 UBC 기준을 엄격하게 따라야 한다. 각각의 연결-브레이스 (link-to-brace)는 오직 시스템의 측면에서 연결보의 상부 및 하부에 위치한 두개의 TS 강관 플렌지 (flange)에 의해 접합되어야 한다. EBF의 연결보 모서리 접합과 보-브레이스 (beam-to-brace) 접합은 반드시 공장용접 (shop-welded) 되어야 한다.
6. 결론
EBF는 내진을 위한 유연한 특성 때문에 철골조 건물에서 많이 사용된다. MRF와 함께 적절하게 설계된 EBF는 내진 성능을 확보함과 동시에 구조적건축적 목적에 부합될 수 있도록 철골조 자체 중량을 줄일 수 있다. 건설경영학적 측면에서 볼 때, CEC 프로젝트는 환경적 제약을 극복하면서 건축주의 요구를 만족시키기 위해서 건축 설계시 구조 및 기타 공학전문가들의 참여가 필요함을 입증한 예라 하겠다. Y
본 기고는 The Arup Journal, 1999년 3월호 ‘Resisting seismic forces: the CEC building, Taiwan' [Chang, King-Le, Jin, Limin and Zekioglu, Atila]를 토대로 하였다.

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