왜 성능 기반 설계인가요?

우리의 현대 설계 규격은 특정 설계 이벤트 동안 거주자의 안전을 보장하기 위해 최소한의 설계 요구사항을 정의함으로써 일정 수준의 성능을 달성하고자 합니다. 재료, 구성, 디테일, 강도 및 강성에 대한 규범적 기준의 준수는 원하는 성능이 달성될 것이라는 증거로 간주됩니다.

그러나 수많은 재해를 통해 건물이 건축 규정을 준수하더라도 심각한 피해가 발생할 수 있음이 드러났습니다. 우리는 우리의 구조물이 안전하다고 믿지만, 실제 안전 여유나 다른 설계 솔루션이 더 나은 성능을 제공할 수 있을지는 잘 모릅니다. 더욱이 우리는 우리가 달성해야 할 성능 수준을 거의 명시하지 않으며, 심지어 그 수준이 무엇인지조차 모르는 경우가 많습니다.

되돌아보면, 우리는 설계 과정에 우리의 모든 능력을 적용할 수 없었습니다. 우리는 코드의 전문가가 되어가고 있으며, 규범적 규정의 복잡성을 빠르게 탐색하는 능력으로 가치를 더하고 있습니다. 하지만 이는 창의적이고 혁신적인 솔루션을 개발하여 다면적 문제를 해결하는 것보다 우선시되고 있습니다. 우리가 봉사하는 사회는 시간, 돈, 에너지, 재료와 같은 제한된 자원에서 최대의 가치를 얻지 못하고 있습니다. 대신, 모든 조건과 모든 구조물, 모든 목적을 다루려는 규범적 코드에 의해 제한된 디자인을 받고 있으며, 이는 설계가 성능을 직접적으로 평가하거나 정량화하지 않기 때문에 신뢰성이 불확실합니다.

성능 기반 설계는 구조 시스템이 특정 성능 목표를 충족해야 한다는 전제 하에 설립되었습니다. 완성된 디자인에 대한 구체적인 성능 기대치가 설정되며, 과정은 최소한의 용어로 규정됩니다. 따라서 성능 기반 설계는 설계 과정을 뒤집어 최종 목표를 시작점으로 정의합니다. 그 후, 엔지니어는 창의성과 혁신을 발휘하여 여러 가지, 때로는 상충하는 목표에 대한 최적의 솔루션을 식별합니다. 설계는 분석, 시뮬레이션, 테스트 또는 이들의 조합을 통해 성능 준수를 입증함으로써 완성됩니다.

최근 고층 건물 건설의 붐은 구조 엔지니어에게 지진 공학에서 최첨단을 발전시킬 기회를 제공하였습니다. 성능 기반 설계 개념 자체는 새로운 것은 아니지만, 높은 지진 활동이 있는 지역에서 새롭게 건설된 고층 건물의 설계에 적용되는 것은 비교적 최근의 일입니다.

규범적 설계와 성능 기반 설계(PBD)의 차이점

전통적인 규범적 설계 방법( traditional prescriptive design method )과 성능 기반 설계(PBD) 사이의 중요한 차이점은 설계 목표에 있습니다. 규범적 설계의 목표는 수용 가능한 수요 대 용량(D/C) 비율을 달성하는 것을 요구하는 반면, 성능 기반 설계의 목표는 적절한 결과와 관련하여 특정 성능 수준을 달성하는 것입니다. 이러한 결과는 금전적 비용을 포함한 여러 방법으로 측정될 수 있습니다. 이 두 방법 모두 설계 반복을 요구하며, 규범적 설계의 경우 수용 가능한 D/C 비율이나 성능 기반 설계의 경우 원하는 성능 수준이 달성될 때까지 계속됩니다.

규범적 설계와 성능 기반 설계(PBD) 사이에는 계산 기반에서의 또 다른 차이점이 있습니다. 규범적 설계는 용량과 수요에 관련되며, 구조적 안정성 방법을 기반으로 합니다. 반면, PBD는 위험, 취약성 및 결과를 고려하는 위험 방법에 기반을 두고 있습니다.

두 접근 방식 사이의 세 번째 주요 차이점은 설계 고려 사항을 다루는 과정에서 나타납니다. 전통적인 규범적 방법에서는 지진 위험 수준과 구조물의 허용 가능한 피해 수준이 기존의 건축 및 설계 규정에 의해 결정됩니다. 성능 기반 설계에서는 이러한 고려 사항이 설계 과정 중에 함께 다뤄지며, 예상되는 결과와 설계 및 분석 과정의 불확실성도 함께 고려됩니다. 이러한 결정들은 미리 정해진 규정의 집합이 아닌, 원하는 성능 수준을 기반으로 합니다.

성능 기반 설계 접근법은 전통적인 규정에 대한 즉각적인 대체제로 제안되는 것이 아닙니다. 오히려, 커뮤니티 이해관계자의 목표에 맞게 설계를 개선하고 맞춤화할 수 있는 기회로 볼 수 있습니다. 이 접근 방식은 구조 설계에 있어서 보다 정밀하고 맞춤화된 해결책을 제공하여 건축물이 커뮤니티의 필요와 더욱 잘 부합하도록 할 수 있습니다.

기술적 도전과제

PBD(성능 기반 설계)를 사용하여 여러 고층 건물을 완성한 후, 지금까지 관찰된 몇 가지 명백한 도전과제는 다음과 같습니다:

응답 수정 계수: PBD 고층 건물의 첫 세대는 최소 요구 설계 강도를 설정하는 데 전통적인 접근 방식을 대부분 채택했습니다. 특정 사이트에 대한 설계 기준 지진(DBE)이 정의된 후, 전통적으로 규정된 응답 수정 계수 R에 의해 다소 임의로 감소되었습니다. 이 접근 방식은 전통적인 규범적 설계와 일관성을 제공하려는 의도였습니다. 그러나 이러한 계수는 고층 건물에 흔한 독특한 응답 특성이나 프레임 시스템을 고려하여 개발되지 않았습니다. 또한, 이 접근법은 PBD의 전제와 직접적으로 충돌합니다: 수요를 정의하고 건물 성능을 직접 평가하는 대신, 수요 수준에 인위적인 수정을 가하여 숫자 놀음보다 별로 나아지지 않은 설계를 초래합니다.

고차 모드 효과: 강한 지반 흔들림에 노출된 고층 건물의 응답이 높은 진동 모드의 영향을 크게 받는 것은 일반적입니다. 그러나 전통적인 공학 실무는 강도 요구사항과 횡력 분포를 설정할 때 첫 번째 이동 모드에만 초점을 맞추었습니다. 고층 건물의 경우, 두 번째 또는 심지어 세 번째 진동 모드가 전체 설계에 있어서 동등하게, 더 중요할 수 있습니다.

이러한 높은 모드의 진동의 영향은 건물 기초를 훨씬 뛰어넘는 상당히 높은 굽힘 요구와 일반적인 규범적 설계에서 예상되는 것보다 세 배에서 네 배 더 큰 전단 요구를 초래할 수 있습니다. 이러한 요구를 탑의 설계에 인식하고 통합하지 못하면 바람직하지 않은 성능으로 이어질 수 있습니다.

동료 검토: 고층 설계의 복잡성과 고급 수학적 모델링에 의한 평가는 건축 관계자가 이러한 프로젝트의 상세한 동료 검토를 요구하도록 하였습니다. 이러한 검토는 PBD의 성공적인 구현의 필수적인 부분으로, 중요한 설계 매개변수가 적절히 고려되도록 보장합니다.

그러나 이러한 검토는 그 초점과 사려 깊음에 있어 크게 다를 수 있습니다. 선택된 동료 검토자는 고층 건물 설계 경험이 있어야 합니다. 또한 검토가 경험 많은 고위 직원에 의해 이끌려야 하며 경험이 적은 사람들에게 위임되어서는 안 됩니다. PBD의 수치적 측면에는 더 많은 엄격함이 있지만, 분석 결과의 해석은 여전히 예술 형태이며 심사숙고가 필요합니다.

성능 기반 설계의 요소들

성능 기반 설계(PBD)의 세 가지 기본 단계는 위험 추정, 취약성 평가, 그리고 결과 계산입니다. 이는 아래 도식에서 보여지듯이 구성됩니다. PBD를 사용할 때, 설계 위험 수준을 결정하기 위해서는 지진 사건과 발생 확률을 평가해야 합니다. 이는 단순히 위험 수준과 설계 스펙트럼의 형태를 선택하는 것에서부터 지진 가속도 시간 이력의 그룹을 생성하는 등 더 복잡한 과정에 이르기까지 다양할 수 있습니다. 대부분의 상황에서, 설계자는 회귀 기간과 최대 지반 가속도와 같은 문제를 다루어야 합니다.

두 번째 세대의 지진 PBD 노력에서, 선택된 지진 위험의 확률은 설계 입력 필요의 중요한 부분입니다. 두 번째 세대 지진 PBD의 또 다른 특징은 고유한 지진 수준과 같은 단일 시나리오 또는 다양한 회귀 기간을 가진 여러 지진 수준을 기반으로 할 수 있다는 것입니다. 후자의 접근 방식은 설계 계산을 각 시나리오에 대해 수행해야 하므로 분명히 시간이 더 많이 소요됩니다. 그러나 여러 시나리오 접근 방식의 장점은 건물의 전체 수명 동안 더 완벽한 그림을 제공한다는 것입니다. 앞서 언급했듯이, 규범적 설계 방법은 발생 확률이나 결과를 다루지 않으며, 이는 설계 규정 개발을 통해 암묵적으로 다루어집니다.

지진 입력이 정의된 후 건물 설계 과정이 시작됩니다. 두 설계 접근 방식 사이의 주요 차이점은 수용 기준, 분석 기법 및 분석 목표에 있습니다. 전통적인 규범적 설계에서는 일반적으로 생명 안전을 보장하기 위해 수용 기준이 명시되어 있습니다. 반면, 성능 기반 설계(PBD)는 구조물에 대한 지진 피해의 허용 가능한 수준을 결정하는 기준에 따라 다양한 수용 기준을 허용합니다.

성능 기반 설계 과정

성능 기반 설계(PBD) 과정은 잠재적인 위험 이벤트와 관련된 다양한 조건에서 건물 시스템이 어떻게 수행될 것인지를 명시적으로 평가합니다. 이 과정은 잠재적인 이벤트의 빈도와 규모를 정량화하는 데 내재된 불확실성을 고려하고, 건물 시스템의 실제 반응과 이러한 시스템의 성능이 건물의 기능성에 미칠 수 있는 잠재적인 효과를 평가합니다. 시설의 성능 능력을 식별하는 것은 설계 과정의 중요한 부분으로, 수행해야 할 많은 설계 결정을 안내합니다.

일반적으로 수용 가능한 위험은 특정 수준의 위험 강도와 빈도에 대한 수용 가능한 손실로 표현됩니다. 이는 지정된 시간 동안 건물에 영향을 미칠 수 있는 모든 잠재적인 위험과 그 발생 확률을 고려합니다. 전체 분석은 위험 이벤트의 발생 강도와 빈도뿐만 아니라, 중대한 운영 중단 없이 이벤트를 견딜 수 있는 건물 시스템의 효과성과 신뢰성도 고려합니다.

리모델링 건물에 성능 기반 설계의 필요성

리모델링 프로젝트에 대한 설계 접근 방식은 신축 건물에 적용되는 규범적 설계 코드를 그대로 적용하기 어렵습니다. 특히 역사적 가치가 있는 건축물이나 구조적 제약이 있는 건물의 경우, 기존의 규범적 설계 코드만으로는 현실적인 해결책을 제공하기 어렵습니다. 이러한 상황에서 성능 기반 설계는 매우 중요한 대안이 될 수 있습니다.

규범적 설계의 한계

규범적 설계는 일반적으로 신축 건물을 위해 개발되었습니다. 이는 특정 재료, 구조, 시공 방법에 대한 명확한 지침을 제공하며, 건축물이 최소한의 안전 기준을 충족하도록 보장합니다. 그러나 리모델링을 대상으로 하는 건물의 경우, 이러한 코드가 반영하기 어려운 독특한 구조적 특성이나 과거 건축 방법을 가지고 있는 경우가 많습니다. 예를 들어, 기존 구조가 현대의 건축 자재와 호환되지 않거나, 구조적 강화가 필요한 영역이 규범적 설계 기준과 상충할 수 있습니다.

성능 기반 설계의 접근 방식

성능 기반 설계는 구조물이 특정 성능 목표를 충족하도록 설계하는 것을 목표로 합니다. 이는 리모델링 과정에서 매우 유용하며, 다음과 같은 이유로 필수적입니다:

1. 유연성: 성능 기반 설계는 건물의 기존 조건과 구조적 제약을 고려하여, 더욱 유연한 접근 방식을 제공합니다. 이를 통해 기존 구조물의 특성을 보존하면서도 필요한 성능 목표를 달성할 수 있는 솔루션을 찾을 수 있습니다.

2. 맞춤화: 각 리모델링 프로젝트는 독특합니다. 성능 기반 설계는 프로젝트의 특정 요구 사항에 맞춰 설계 목표를 설정할 수 있게 해줍니다. 이는 특히 구조적 안정성을 향상시키거나 에너지 효율을 높이는 등의 목표에 유용합니다.

3. 포괄적 분석: 성능 기반 설계는 건물의 반응과 행동을 종합적으로 분석하여, 지진이나 기타 위험 상황에서의 건물의 행동을 예측합니다. 이러한 분석을 통해 설계자는 리모델링이 필요한 구체적인 영역을 정확하게 식별할 수 있습니다.

리모델링 건물의 설계에서 규범적 설계의 한계를 극복하고, 건물의 사용 가능성을 최대화하며 안전성을 보장하기 위해 성능 기반 설계가 반드시 필요합니다. 이 접근 방식은 건축물의 기존 가치를 유지하면서 현대의 성능 요구 사항을 충족시킬 수 있는 유일한 방법으로, 리모델링 프로젝트의 성공을 위한 핵심 요소입니다.

요약

성능 기반 설계는 규범적 설계에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다. 첫째, 성능 기반 접근 방식을 적절히 실행하면, 특히 손상 상태에 초점을 맞춘 덕분에 원하는 성능을 더 큰 확신과 신뢰성 기대를 가지고 달성할 수 있습니다. 둘째, 설계의 성능 목표가 명확하게 정의되어 있기 때문에, 이해관계자들은 자신의 필요에 맞고 적절한 예상 성능 수준을 선택할 수 있습니다. 셋째, 성능이 엔지니어링 과정의 일부로 직접 평가되기 때문에, 엔지니어는 규범적 솔루션에 맞추어야 하는 요구에 제한받지 않고, 새로운 재료와 시스템을 사용하거나 기존 재료와 시스템을 새로운 방식으로 사용함으로써 혁신과 창의성을 발휘할 수 있습니다. 이러한 PBD의 장점은 모든 관련 도전을 해결하는 것을 가치 있는 목표로 만듭니다.

성능 기반 설계 방식은 대부분의 구조물에 필수적이지는 않습니다. 앞으로 우리는 구조 설계에 대한 이중 코드 방식을 손쉽게 도입할 수 있을 것입니다. 일반적인 구조물 설계는 기본적으로 규범적 요구사항을 따르되, 그 혜택을 탐색하고자 하는 이들에게는 성능 기반 옵션을 제공할 수 있습니다. 하지만 성능 기반 설계 과정은 복잡하고 가치가 높으며 중대한 임무를 수행하는 구조물(예: 병원, 응급 시설 및 대피소, 고층 및 상징적 건물 등)에 대한 공식적인 절차가 되어야 합니다. 이 구조물들을 사용하는 커뮤니티는 성능 기반 접근법이 촉진하는 혁신과 창의성의 혜택을 받게 될 것입니다.

요약

성능 기반 설계는 규범적 설계에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다. 첫째, 성능 기반 접근 방식을 적절히 실행하면, 특히 손상 상태에 초점을 맞춘 덕분에 원하는 성능을 더 큰 확신과 신뢰성 기대를 가지고 달성할 수 있습니다. 이는 특히 기존 건물의 리모델링에서 중요하며, 규범적 설계가 적용하기 어려운 경우에 유용합니다. 둘째, 설계의 성능 목표가 명확하게 정의되어 있기 때문에, 리모델링을 고려하는 이해관계자들은 자신의 필요에 맞고 적절한 예상 성능 수준을 선택할 수 있습니다. 셋째, 성능이 엔지니어링 과정의 일부로 직접 평가되기 때문에, 엔지니어는 기존 구조의 한계와 규범적 솔루션에 맞추어야 하는 요구에 제한받지 않고, 새로운 재료와 시스템을 사용하거나 기존 재료와 시스템을 새로운 방식으로 사용함으로써 혁신과 창의성을 발휘할 수 있습니다. 이러한 PBD의 장점은 리모델링 프로젝트의 복잡성을 해결하는 것을 가치 있는 목표로 만듭니다.

성능 기반 설계 방식은 대부분의 구조물에 필수적이지는 않으며, 앞으로 구조 설계에 이중 코드 방식을 손쉽게 도입할 수 있을 것입니다. 일반적인 구조물 설계는 기본적으로 규범적 요구사항을 따르되, 리모델링을 포함하여 그 혜택을 탐색하고자 하는 이들에게는 성능 기반 옵션을 제공할 수 있습니다. 하지만 성능 기반 설계 과정은 복잡하고 가치가 높으며 중대한 임무를 수행하는 구조물(예: 병원, 응급 시설 및 대피소, 고층 및 상징적 건물 등)에 대한 공식적인 절차가 되어야 합니다. 이러한 구조물들을 사용하는 커뮤니티는 성능 기반 접근법이 촉진하는 혁신과 창의성의 혜택을 받게 될 것입니다.