[FSCM KOR ver.] 파사드 구조 계산 매뉴얼 5.1 구조 설계법

 

들어가면서

 

챕터 5에서부터는 파사드 구조 계산할 때 실전에서 사용하는 개념들에 대해서 알아본다. 이번 챕터는

 

• 5.1 구조 설계법
• 5.2 단면 성능
• 5.3 재료 성능

순으로 진행되며, 이번 포스트에서는 5.1 구조 설계법을 다룬다.

 

구조 설계법은 건축 구조를 어떤 식으로 계산할지 컨셉을 정하는 단계에서 필요한 도구이다. 즉 구조 계산의 가장 큰 템플릿, 혹은 모듈이라고 표현할 수도 있겠다. 구조 사무실마다 어떤 식으로 계산을 했는지는 다를 수 있지만, 모든 모듈이 구조 계산 결과에 안전율을 가지고 있다. 다시 말하자면, 앞으로 소개할 세가지의 구조 설계법 모두 넉넉하게 건물의 안정 상태를 추구하는 것이다.

 

(1) 허용응력 설계법

 

응력-변형률 선도

 

허용응력 설계법은 재료 별로 안전율을 적용하는 시스템이다. 사용하는 재료에 따라 그 재료가 외력에 항복하는 항복점은 달라지기 마련이다. 앞서 다루었듯이 탄성변형이 일어나는 한계응력을 항복강도 (Yeild strength) 라고 하는데, 재료 고유의 항복강도에 안전율을 곱해, 재료의 실제 항복강도 보다 더 낮은 수치를 계산에서의 항복강도로 사용하는 것이다. 이렇게 되면 재료는 평소에 보다 더 넉넉한 평형 상태를 유지할 수 있다.

 

(2) 극한강도 설계법

 

허용 응력 설계법이 재료에 안전 계수를 곱하는 컨셉이었다면, 극한 강도 설계법은 하중에 안전율을 적용한다. 즉 건물에 작용하는 하중을 실제보다 크게 부풀리는 것이다. 기존보다 큰 하중을 적용하였기 때문에 하중과 재료의 응력을 비교할 때는 재료가 고유하게 낼 수 있는 극한강도(Ultimate strength) 와 비교한다. 

 

위의 그래프에서도 볼 수 있듯이 항복강도는 재료가 본래의 모습을 회복하는 탄성 구간의 종점이라고 한다면, 극한강도는 소성을 포함하며, 파단이 일어나기 직전의 소성 구간에서의 종점이다. 이처럼 극한강도는 재료의 성능을 소성 구간까지 확장하여 설계하므로 허용응력 설계법에 비해 효율적인 구조 설계법이라고 볼 수 있다.

 

(3) 한계상태 설계법

 

위 두 설계법이 비교적 전통적인 설계법이라고 한다면 한계상태 설계법은 미국, 유럽권에서 중심적으로 사용되고 있는 가장 최근의 설계법이다. 한계상태 설계법은 구조물에 관한 경험적 데이터베이스를 바탕으로 구조물의 신뢰성 분석을 한다. 따라서 건축 구조 설계에 대한 충분한 데이터가 확보된 지금에서야 가능한 설계법이라고 볼 수 있다. 신뢰성 분석을 통해 대응 신뢰도 지수와 파괴 확률을 알아내는데, 이 수치들을 적용하여 구조물의 안전도를 확률적으로 평가한다. 따라서 기존의 두 시스템에 비해 가장 실제적인 상황에 입각한 효율적 설계가 가능하다.

 

나가면서

 

설계법은 구조 계산을 하는 템플릿이라고 볼 수 있다. 토목, 건축 등 분야별로 주로 채택하고 있는 이 템플릿은 조금씩 상이한데, 앞으로 파사드 구조 계산 매뉴얼에서 다룰 구조 계산들은 주로 2번 극한 강도 설계법을 바탕으로 한다.

 

다음 포스트에서는 부재의 구조적 성능을 결정하는 가장 큰 두 요인, 단면과 재료 중 첫 번째 부재의 단면 성능에 관련된 개념들을 다룬다.