1. 서론
건물의 비구조적 구성 요소는 구조적 시스템의 일부가 아니며, 기본 건물 구조에 지지되고 고정된 영구적 요소입니다. 기계, 전기, 배관, 소방, 의료 가스, 천장, 벽 등이 포함되며, 지진과 같은 자연재해에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 구성 요소의 손상은 큰 경제적 손실을 초래하고 건물 거주자의 생명 안전을 위협할 수 있습니다.
2. 비구조적 구성 요소의 중요성
비구조적 구성 요소는 건축 파티션, 배관 시스템, 천장, 건물 내용물, 기계 및 전기 장비, 외장 마감 등을 포함합니다. 이들은 구조적 프레임보다 더 큰 투자가 이루어지며, 지진과 같은 재해 시에 핵심적인 역할을 수행합니다. 지진 후 시설이 기능을 상실하는 것을 방지하기 위해 강력한 비구조적 구성 요소의 설계가 필수적입니다.
비구조적 구성 요소의 전형적인 예로는 건축 파티션, 배관 시스템, 천장, 건물 내부 장비, 기계 및 전기 설비, 외벽 마감 등이 있습니다. 사무실, 호텔, 병원 건설에서 구조적 프레임과 비구조적 구성 요소, 건물 내용물에 대한 투자 비율은 각각 다음과 같습니다:
- 사무실: 구조적 18%, 비구조적 62%, 내용물 20%
- 호텔: 구조적 13%, 비구조적 70%, 내용물 17%
- 병원: 구조적 8%, 비구조적 48%, 내용물 44%
예를 들어, 샌퍼낸도 지진 이후 다양한 베테랑스 행정 병원을 평가한 결과, 많은 시설이 구조적으로는 온전했지만 필수 장비와 물품의 손실로 인해 기능을 상실했습니다.
지진으로 인한 비구조적 손상은 또한 상당한 경제적 손실을 초래할 수 있습니다. 1994년 노스리지 지진 동안 발생한 건물 피해로 약 185억 달러의 손실이 발생했으며, 이 중 약 50%가 비구조적 손실로 추정됩니다(Kircher, 2003). 이러한 상당한 수치는 효과적인 지진 설계 및 비구조 요소의 보강 전략이 단순한 투자 보호뿐만 아니라 지진 발생 후 중요 시설의 기능 유지에 필수적임을 강조합니다.
3. 바닥에 설치된 구성 요소의 위험성
바닥에 설치된 구성 요소는 지진 중에 미끄러지거나 넘어질 위험이 있으며, 이로 인해 경제적 손실과 인명 피해가 발생할 수 있습니다. 이러한 아이템들은 내부 메커니즘의 고장으로 기능을 상실하거나 필수 시스템의 작동에 지장을 줄 수 있습니다. 전기 장비의 손상은 전기 및 화재 위험을 초래할 수 있습니다.
4. 비구조적 구성 요소 설계의 중요성
비구조적 구성 요소의 설계는 이들이 지진 하중을 견딜 수 있도록 충분히 견고하게 이루어져야 합니다. 특히, 바닥에 설치된 구성 요소는 강력한 고정 장치를 필요로 하며, 적절한 설계와 고정은 지진 발생 후 긴급 운영의 지속을 가능하게 합니다. 이는 병원과 긴급 대응 센터와 같이 지진 발생 직후에도 중단 없이 운영되어야 하는 시설에서 매우 중요합니다.
5. 설계 매개변수
바닥에 설치된 구성 요소는 그 크기, 무게, 중심의 위치에 따라 설계가 달라집니다. 구성 요소의 크기와 무게는 지진 중의 반응을 결정하며, 중심의 높이와 위치는 넘어짐과 미끄러짐의 위험성을 결정합니다. 구성 요소를 고정하는 방법은 안정성에 중요하며, 사용되는 재료의 유연성과 강도는 진동 흡수능력에 영향을 미칩니다. 환경적 요인도 구성 요소가 설치될 환경에 따라 설계에 영향을 미칩니다.
비구조적 구성 요소의 중요도와 설계 매개변수
비구조적 구성 요소의 중요도는 그 기능과 지진 발생 후의 필수성에 따라 다르게 평가됩니다. 특히, 지진 직후에 즉시 기능이 필요한 구성 요소는, 그것이 중요도 4등급 구조물에 속하지 않더라도 중요도 계수 Ip=1.5를 부여받아야 합니다. 이는 응급 의료 시설, 소방 시스템, 안전 시스템 등이 포함될 수 있습니다. 반면, 일상적인 운용에 필수적이지 않은 다른 비필수 구성 요소들은 중요도 계수 Ip=1을 가집니다.
유연성 및 연성 계수 설정
장착 시스템의 유연성도 중요한 설계 요소입니다. 유연한 스프링 유형의 장착 시스템은 증폭 계수 ac=2.5를 사용하여 설계되어야 하며, 이는 진동과 충격을 더 효과적으로 흡수할 수 있도록 합니다. 이와 대조적으로, 다른 모든 장착 시스템은 ac=1을 사용합니다. 바닥에 설치된 구성 요소의 경우, 연성 재료를 사용하지 않는 한, 연성 계수 Rc=1로 안전하게 간주되어야 하며, 이는 이러한 구성 요소들이 높은 변형 없이도 충분한 내성을 갖추도록 보장합니다.
구성 요소의 안정성 보장
구성 요소의 중심 중력에 작용하는 수평 지진력은 구성 요소의 전도를 유발할 수 있으며, 이는 구성 요소의 기초에서 인장(Rvt)과 압축(Rvc)의 형태로 전달됩니다. 구성 요소의 무게와 크기는 이러한 전도가 지배적인 실패 모드가 될지 여부를 결정합니다. 지진력으로 인해 기초에서 미끄러짐이 발생할 수 있는데, 이는 적절한 고정 장치를 통해 방지할 수 있습니다. 지진 스프링, 스너버, 지진 앵커를 포함한 고정 장치는 구성 요소가 위치를 유지하고 안정적으로 작동하도록 보장합니다. 또한, 수평 브레이스는 기초 고정 장치와 결합하여 사용될 수 있으며, 이는 추가적인 지지와 안정성을 제공합니다.
이러한 설계 매개변수와 고정 방법을 통해 비구조적 구성 요소는 지진 시에도 기능을 유지할 수 있으며, 지진 발생 후에도 건물의 주요 기능과 안전을 보호하는 데 기여할 수 있습니다. 이는 전체 건물 시스템의 안전성과 더불어 경제적 가치를 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.
충격 계수의 중요성
충격 계수는 스너버와 진동 절연 장치 사이의 물리적 간격과 재료 특성에 따라 달라집니다. 예를 들어, 탄성 패드가 있는 스너버는 간격이 6mm 미만일 경우 계수가 1이며, 탄성 패드가 없고 금속 접촉을 하는 경우는 1.5입니다. 간격이 6mm를 초과하는 경우, 탄성 패드의 유무에 따라 계수는 2 또는 3이 될 수 있습니다. 이 충격 계수는 지진 하중을 견딜 수 있는 구성 요소의 설계에 반드시 고려되어야 합니다. 이는 구성 요소가 지진 시 안정적으로 기능을 유지하도록 하며, 잠재적 손상을 최소화하는 데 기여합니다.
6. 규정검토
바닥 설치형 내진 요구사항 준수를 위한 일반적인 문제를 검토합니다. 바닥 설치형 구성 요소의 준수를 위해 고려해야 할 주요 사항들은 아래에 요약되어 있습니다:
6.1. 지지 구조 받침대와 기둥은 종종 많은 독립형 요소들을 지지합니다. 설계 초기 단계에서 시공업자가 구조 엔지니어 및 내진 전문가와 협력하여 받침대와 기둥이 내진 하중을 견딜 수 있도록 설계되었는지 확인하는 것이 중요합니다. 설계 단계에서 내진 요구사항을 기둥과 받침대에 통합하는 것은 직관적일 수 있지만, 일단 구축되면 개조가 매우 어렵고 비용이 많이 들 수 있습니다. 그림 5-1부터 5-3은 바닥 설치형 구성 요소/받침대가 받침대에 고정되는 몇 가지 방법을 보여줍니다. 모든 방법에서 시공업자는 받침대의 보강, 콘크리트 강도 및 받침대의 슬래브 및 구성 요소의 받침대/슬래브에 대한 고정이 구성 요소로부터 기본 구조물로 부과된 하중을 전달하도록 설계되었는지 확인해야 합니다.
6.2. 하중 고려 상당한 무게를 가진 구성 요소로부터의 하중은 기본 구조물의 구조 컨설턴트와 확인해야 하며, 이러한 부과된 하중이 설계 단계에서 고려되었는지 확인해야 합니다. 이 하중 일정은 내진 전문가에 의해 제공될 수 있습니다.
6.3. 진동 및 방사선 차폐 진동 및 방사선 차폐가 필요한 경우, 시스템을 선택할 때 추가적인 주의가 필요하며, 소음 취소 및/또는 방사선 성능을 저해하지 않으면서 내진 요구사항을 충족할 수 있는 시스템을 선택해야 합니다. 이러한 시스템은 일반적으로 탑핑 슬래브 및/또는 콘크리트 스크리드 아래에 매트로 설치되며 대부분의 경우 관통할 수 없습니다. 따라서 구성 요소를 탑핑 슬래브 및/또는 기본 구조물에 연결하는 설계는 설치가 이루어지기 전에 이루어져야 합니다. 구성 요소가 설치된 후에는 기존 시스템을 수정하는 것이 매우 어렵거나 실용적이지 않을 수 있습니다. 게다가 탑핑 슬래브 및/또는 콘크리트 스크리드는 부과된 내진 하중을 견딜 수 있도록 설계 및 건설되어야 합니다.
6.4. 스프링 설치 요소를 기본 구조물/받침대에 고정할 때 스프링이 필요한 경우, 시공업자는 내진력에 충분히 견딜 수 있는 내진 등급의 스프링을 공급업체에 요청해야 합니다. 이는 추가적인 브레이스/스너버의 필요성을 피하기 위함입니다.
6.5. 고정 구성 요소를 내진 행동에 견딜 수 있도록 기본 구조물/받침대에 고정하는 앵커는 건물 중요도 수준과 구성 요소 자체의 중요성에 따라 C1/C2 내진 인증을 받아야 합니다.
6.6. 구성 요소의 견고성 구성 요소의 본체는 내진에 부과된 힘을 견딜 수 있을 만큼 충분히 견고해야 하며 단단한 객체로 작동해야 합니다. 따라서 시공업자는 구성 요소가 내진 활동이 있는 지역에서 사용될 것임을 공급업체에 알려 가장 적합한 제품을 받아야 합니다. 구성 요소의 본체가 부과된 하중을 기본에 전달할 수 없을 만큼 충분히 강하지 않은 경우, 상단 또는 중간 높이에서 수평으로 지지해야 합니다.
6.7. 구성 요소 준비 많은 구성 요소는 용접된 브래킷과/또는 제조된 구멍이 있을 수 있으므로, 시공업자는 내진 고정 세부사항이 공급업체에 의해 고려된 구성 요소를 주문해야 합니다.
6.8. 바닥에 설치된 구성 요소 바닥에 설치된 구성 요소 예를 들어 스위치보드가 있는 높은 바닥은 바닥 프레임에 확실히 고정되어야 합니다. 또한, 높은 바닥 시공업자에 의해 AS1170.4 준수 증명서가 제공되어야 합니다.
6.9. 배터리 랙 병원과 같은 중요 건물의 운영 연속성에 필수적인 배터리 랙은 지진 자극에 취약합니다. 랙뿐만 아니라 배터리 자체도 제자리에 고정되어 있어야 하며, 떨어지거나 랙에서 떨어지지 않도록 해야 합니다.
7. 결론
적절하게 고정되지 않은 비구조적 바닥 설치형 구성 요소는 건물 거주자에게 큰 안전 위험을 초래할 뿐만 아니라 지진 자극 시 거대한 경제적 및 재정적 손실을 일으킬 수 있습니다. 이 논문은 바닥 설치형 구성 요소의 설계 및 설치에 대한 현재 산업 표준 관행을 검토하고 이러한 독립형 구성 요소의 내진 설계 요구사항을 충족하기 위해 고려해야 할 사항들을 제시합니다. 업계 경험에서 AS1170.4에 따라 독립형 구성 요소를 내진 준수하게 만들기 위해 고려해야 할 사항은 구성 요소의 본체, 받침대/기둥, 구성 요소의 받침대 고정점 및 구조물 고정점이 내진 하중을 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다. 또한, 스프링과 앵커는 내진 하중을 견딜 수 있도록 인증 및 등급이 매겨져야 합니다. 바닥 설치형 구성 요소를 선택할 때, 시공업자는 공급업체에 내진 요구사항을 알려야 하며, 설계 단계에서 내진 전문가를 참여시키는 것이 총비용을 줄이는 데 도움이 됩니다.