Seismic Design of Nonstructural Building Components

Federal Laws, Executive Orders, Building Codes, Standards

비구조 건물 구성요소의 지진 설계에 대해 다룬 이 글은 연방 법률, 행정 명령, 건축 규정, 기준들이 어떻게 적용되는지에 대한 여러 가지 측면을 강조합니다. 모든 내용을 포함하고 있지는 않지만, 새롭게 추가되거나 종종 간과되는 요구사항들을 다룹니다. 특정 비구조 건물 구성요소와 지진 흔들림 방지 구성요소에 대한 참고사항도 제공됩니다.

Executive Order 13717

2016년 2월 2일, 오바마 대통령은 '연방 지진 위험 관리 기준 설정'이라는 제목의 행정 명령(EO 13717)에 서명했습니다. 이 명령은 새로운 연방 건물, 기존 연방 건물의 개선, 그리고 연방 임대, 자금 지원 또는 규제 건물들의 지진 안전에 대한 요구사항을 설정하도록 지시합니다. EO 13717은 또한 연방 자금이 지원하는 건물들이 연방 보조금, 대출, 또는 대출 또는 모기지 보험 프로그램을 통한 보증 자금을 포함한다고 명시합니다.

이 행정 명령에 따르면, 명령에 의해 적용되는 모든 새 건물은 2016년 5월 2일 이후 프로젝트 가정, 범위, 예산 및 건물 시작 전략을 수립할 때, 2015년 또는 그 이후 버전의 국제 건축 코드(IBC)의 지진 조항을 준수해야 합니다.

EO 13717에 따르면, 국립 표준 기술 연구소(NIST)는 현재 국립 지진 위험 감소 프로그램(NEHRP)을 위한 건설 안전간 연방 기관 위원회(ICSSC)를 주도하고 있으며, 이러한 지진 위험 감소 조치를 시행하는 데 연방 기관을 지원할 것입니다. 각 연방 기관은 또한 EO 준수를 위한 중심점으로 활동하고 ICSSC에 참여할 지진 안전 조정관을 지정해야 합니다.

Federal Law, NEHRP, IBC and ASCE 7

NEHRP, IBC 및 ASCE 7에 관한 연방 법률 101-614호 공공 법과 EO 12699는 1993년 1월 4일 이후 시작된 새 건물 건설, 기존 연방 건물, 연방 임대 또는 규제 건물, 그리고 연방 보조금 또는 대출을 통해 자금이 지원되거나 연방 대출 또는 모기지 보험 프로그램을 통해 보증된 건물에 NEHRP를 적용합니다. 새 EO 13717의 적용은 이와 거의 동일합니다. NEHRP 기준은 완전한 건축 코드가 아니므로 가장 실용적인 구현 방법은 모델 건축 규정을 통한 것이었습니다. 모델 건축 규정은 ICBO 통일 건축 규정(UBC), 국가 건축 규정(BOCA), 표준 건축 규정(SBCCI)이었습니다. 재해 구호 자금의 자격을 판단하는 FEMA 때문에, 모델 코드 조직은 NEHRP 준수를 입증하기 위해 그들의 지진 요구사항을 조정하고자 했습니다.

ASCE 7 Seismic Design Requirements for Nonstructural Building Components

ASCE 7에 의한 비구조 건물 구성요소의 지진 설계 요구사항 ASCE 7과 IBC에 의해 요구되는 작업의 중요 부분은 비구조 건물 구성요소의 지진 보호이며, 이 요구사항들은 건축 규정의 구조 설계 요구사항에 포함되어 있습니다. ASCE 7의 13장은 이들의 지진 설계 요구사항을 담고 있습니다. 비구조 건물 구성요소의 지진 설계 범주(SDC)는 해당 구성요소가 위치하거나 부착된 건물의 것과 같습니다. 그러나 구성요소 중요도 인자(Ip)는 건물 중요도 인자와 같지 않습니다. 건물의 중요도 인자는 1.0, 1.25, 또는 1.5일 수 있지만, 비구조 건물 구성요소의 중요도 인자는 1.0 또는 1.5입니다. ASCE 7-10은 생명 안전을 포함하는 구성요소, 독성 또는 유해 물질을 충분히 포함하여 공중에 방출될 경우 위협이 될 수 있는 구성요소, 위험 등급 IV 구조물의 지속적 운영에 필요한 구성요소, 충분한 위험 물질을 포함하여 구조물을 위험하다고 분류할 수 있는 경우 Ip를 1.5로 해야 합니다. 그 외 모든 비구조 건물 구성요소의 경우 Ip는 1.0입니다.

 

비구조 건물 구성 요소의 지진 설계 범주(SDC)는 해당 구성 요소가 위치하거나 부착된 건물과 동일합니다. 그러나 구성 요소의 중요도 인자(Ip)는 건물의 중요도 인자와 같지 않습니다. 건물의 중요도 인자는 1.0, 1.25, 또는 1.5일 수 있지만, 비구조 건물 구성 요소의 경우는 1.0 또는 1.5입니다. ASCE 7-10은 생명 안전을 위한 구성 요소(예: 소화 스프링클러 시스템 포함), 해당 지역 관할 당국이 해당 구성 요소가 공개될 경우 공중에 위협이 될 수 있는 충분한 양의 독성 또는 유해 물질을 포함하고 있다고 판단하거나, 위험 등급 IV 구조의 지속적 운영에 필요하거나, 충분한 양의 위험 물질을 포함하여 구조물을 위험하게 만드는 경우 Ip를 1.5로 취급해야 한다고 요구합니다. 그 외 모든 비구조 건물 구성 요소의 경우 Ip는 1.5입니다.

Designated Seismic Systems

ASCE 7-10의 13장에서는 지진 설계 요구사항의 일반적인 예외 사항들을 다룹니다. 이러한 예외에는 높이 6피트 이하의 대부분의 저장 캐비닛, 일시적 또는 이동 가능한 장비, Ip가 1.0인 SDC A 또는 B의 건축 구성 요소(패러펫 및 전단 벽 제외), Ip에 관계없이 SDC A 또는 B의 기계, 전기, 배관(MEP) 장비, Ip가 1.0일 때 SDC C의 MEP 장비, SDC D, E 및 F에서 Ip가 1.0일 때 MEP 장비 등이 있으며, 이는 구조물에 확실히 부착되고, 구성 요소와 관련된 덕트, 파이핑 및 전선 사이에 유연한 연결이 제공됩니다. 또한 구성 요소의 무게가 바닥에서 4피트 위 중심으로 400파운드 미만이거나, 구성 요소의 무게가 20파운드 미만이거나, 구성 요소가 피트당 5파운드 미만인 분배 시스템인 경우에 해당합니다.

 

지정된 지진 시스템 일부 지정된 지진 시스템은 특별 인증이 필요합니다. 지정된 지진 시스템은 Ip = 1.5인 비구조 건물 구성 요소로, SDC C부터 F까지의 13장에 따라 지진 설계가 요구됩니다. 설계 지진 후에도 작동해야 하는 활성 기계 및 전기 장비에 대해서는 제조업체의 특별 인증이 요구됩니다. ASCE 7 C13.2.2에 따르면, “활성” 지정 지진 장비는 부품이 회전하거나 기계적으로 움직이거나 작동 중에 전기가 공급되는 지정된 지진 시스템의 제한된 하위 집합으로, 규칙적으로 10마력 이상 또는 200 MBH(1 MBH는 1000 BTU/hr) 이상의 전기 모터를 가진 장비로 제한될 수 있습니다. 파이프, 덕트, 도관 및 유사 장비는 활성 장비가 아닙니다. 설계 지진 후에도 유지 관리를 위해 위험 물질을 포함한 구성 요소에 대해서는 제조업체의 특별 인증이 필요하며, 이는 ICC-ES AC156과 같은 흔들림 테스트 또는 경험 데이터에 기반하여 인증되어야 합니다. ASCE 7 C13.2.2는 또한 "과거 지진 경험은 대부분의 활성 장비가 본질적으로 견고하다는 것을 보여주었습니다"라고 언급합니다.

Concrete Anchor Capacities Prying and Overstrength

13장의 다른 지진 설계 요구사항 중 하나는 연성 또는 비연성 재료에 기반한 파이핑에 대한 허용 스트레스와 사용된 연결 방법, 그리고 콘크리트에 대한 더 보수적인 설계 요구사항을 고려하는 것입니다. ASCE 7-05 발표 이후 콘크리트에 후설치된 앵커는 ACI 355.2에 따라 지진 전처리가 요구되었습니다. 콘크리트에 후설치된 앵커는 오랫동안 ASCE 7에 의해 ACI 318 부록 D에 따라 설계되어야 하며, 프라잉과 편심의 영향을 고려해야 했습니다. 그러나 프라잉의 영향은 비구조 건물 구성 요소의 지진 스웨이 브레이스 설계에서 간과되었습니다.

 

프라잉(그림 1)은 앵커에 사용되는 지진 스웨이 브레이스 브래킷 또는 피팅의 기하학적 특성 때문에 앵커에 적용되는 장력 하중을 크게 증가시킬 수 있습니다. 이 상태는 더 유리한 기하학적 형태를 가진 스웨이 브레이스 브래킷 선택에 영향을 줄 수 있습니다. 또한, ASCE 7-10 보충 제1호는 과도 강도 인자(Ω0)를 13.5.1표와 13.6.1표에 추가하여, 13장의 지진 설계 요구사항이 적용되는 비구조 건물 구성 요소 범위에 대한 구성요소 증폭 인자(ap) 및 응답 인자(Rp)를 할당하며, 대부분의 경우 Ω0 값은 2.5입니다. ASCE 7-05는 콘크리트 앵커가 지진 하중의 적어도 1.3배를 견딜 수 있도록 비율을 맞추도록 요구했습니다. ASCE 7-10 보충 제1호는 Ω0을 사용하는 것으로 이 변경사항을 거의 두 배로 늘렸습니다.

NFPA 13 스프링클러 시스템 설치 표준은 최근 네 번의 변경 주기 동안 각 변경 주기마다 ASCE 7의 적용 가능한 지진 설계 요구사항을 포함하도록 수정되었습니다. 이 변경에는 파이핑의 허용 스트레스, ACI 355.2 지진 전처리 콘크리트 앵커 사용 요구사항 및 프라잉의 영향과 Ω0에 기반한 허용 지진 하중 감소 표가 포함되어 있습니다. 따라서 NFPA 13은 ASCE 7을 준수하는 표준으로서의 지위를 유지하고 있습니다.

 

Seismic Sway Bracing

ASCE 7 장 13의 지진 설계 요구사항에 따라 설계해야 하는 비구조 건물 구성 요소에는 바닥, 지붕, 벽에 설치되거나 건물 구조물에 매달려 있는 건축, 기계, 전기, 배관 설비가 포함됩니다.

일반적으로 매달린 비구조 건물 구성 요소의 지진 보호는 ASCE 7 장 13에 따라 설계되어야 하며 수평 및 수직 지진 효과를 모두 고려한 지진 스웨이 브레이싱을 설치함으로써 제공됩니다. 수직 지진 효과는 상향 및 하향 모두 발생하지만, 하향 효과는 종종 간과됩니다. ASCE 7-10 절 12.4.2는 지진 하중 효과가 수평 하중 효과와 동시에 적용되는 상향 및 하향 수직 효과를 포함해야 한다고 요구합니다.

지진 스웨이 브레이스에는 두 가지 유형이 있습니다. 하나의 유형은 수평 지진 하중의 왕복 흔들림 운동을 한 방향으로는 인장, 다른 방향으로는 압축으로 저항합니다. 그림 2는 이러한 스웨이 브레이스가 매달린 파이핑의 횡 방향에 설치된 예를 보여주지만, 동일한 원칙이 다른 매달린 비구조 건물 구성 요소에도 적용됩니다. 이러한 스웨이 브레이스는 주로 스트럿, 파이프 또는 각철을 기본 스웨이 브레이스 요소로 사용합니다.

 

 

 

두 번째 유형은 수평 지진 하중의 왕복 흔들림 운동을 인장으로만 저항합니다. 이 두 번째 유형은 기본 스웨이 브레이스 요소로 강 케이블을 사용합니다. 그림 3은 매달린 파이핑의 횡 방향에 설치된 인장 전용(케이블 유형) 스웨이 브레이스의 예를 보여주지만, 케이블 유형 스웨이 브레이스에 적용되는 원칙은 다른 매달린 비구조 건물 구성 요소에도 동일하게 적용됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

수평 지진 하중에 인장으로 저항하는 양쪽 유형의 스웨이 브레이스가 구조물과의 연결 부분에서 자유롭게 회전할 수 있기 때문에, 상향 수직 반응이 발생합니다. 그러나, 수평 지진 하중에 압축으로 저항하는 지진 스웨이 브레이스는 하향 수직 반응을 일으켜 비구조 구성 요소의 수직 지지대에 상당한 하중을 추가합니다. 인장 전용(케이블 유형) 지진 스웨이 브레이스는 수평 지진 하중에 압축으로 저항할 수 없으므로, 비구조 구성 요소의 걸이에 하향 수직 결과 하중을 가질 수 없습니다.

 

Code-Referenced Sway Brace Standards

스트럿, 파이프 또는 각철 유형의 지진 스웨이 브레이스 구성 요소에 대한 IBC나 ASCE 7 참조 표준은 없습니다. 그러나, 강철 케이블 유형의 지진 스웨이 브레이스 구성 요소에 대해서는 IBC와 ASCE 7 참조 표준이 있으며, 그것은 건물용 강철 케이블의 구조적 응용에 관한 ASCE 19입니다.

2015 IBC의 섹션 102.4는 그 안에 참조된 표준이 그 요구 사항의 일부로 간주되지만, 그 사이에 충돌이 있을 경우 IBC의 요구 사항이 우선한다고 명시합니다. 2015 IBC의 섹션 2208은 건물용 강철 케이블이 ASCE 19에 따라야 하며, 오직 ASCE 19만을 준수해야 한다고 요구합니다.

 

2015 IBC의 섹션 1613.1은 비구조 건물 구성 요소가 지진 동작의 영향을 견디도록 ASCE 7에 따라 설계되고 건설되어야 한다고 요구합니다. ASCE 7-10의 13장은 비구조 구성 요소에 대한 지진 설계 요구 사항을 정의하며, 섹션 14.1.6은 강철 케이블이 ASCE 19에 따라야 한다고 요구합니다.

 

ASCE 19-10의 섹션 4.1 케이블 사양은 일반 용도용 탄소강 와이어 로프에 대한 ASTM A1023 표준 사양, 표 9(아연도 강철 항공 케이블)을 포함하며, 특정 응용을 위해 해설 섹션 C4.0을 참조합니다. 해설 섹션 C4.0은 ASTM A1023, 표 9가 비구조 건물 구성 요소의 지진 스웨이 브레이싱에 사용될 수 있는 소경 강철 케이블로 나열되어 있다고 명시합니다.

 

ASCE 19-10의 섹션 3.3.1은 표 3-1의 피팅 감소 계수에 기초하여 케이블 엔드 피팅에 의해 발생하는 사용 가능한 케이블 강도의 감소를 요구합니다. 이 표는 이제 U형 케이블 클립이나 쐐기형 피팅을 포함하지 않습니다. 또한, 섹션 3.3.2는 엔드 피팅이 명목 케이블 강도보다 큰 궁극 강도를 개발해야 한다고 요구합니다. 시장에는 케이블을 한쪽으로 밀고 다른 쪽으로 밀어 넣어 케이블 루프를 확보할 수 있는 케이블 피팅이 있으며, 긴장이 가해질 때 케이블의 외부 와이어에 물릴 수 있는 톱니 모양의 이빨이 있는 쐐기를 주로 사용합니다. U형 케이블 클립과 쐐기형 피팅은 시간이 지남에 따라 케이블을 손상시키거나 풀릴 수 있기 때문에 ASCE 19에서 금지됩니다. 이러한 케이블 피팅은 명목 케이블 강도보다 큰 궁극 강도를 발전시키지 못하며, ASCE는 그 금지와 그 이유에 대한 공식 해석을 발표했습니다. 이 공식 해석은 ASCE 라이브러리 온라인에서 ASCE 19-10에 게시되었습니다.

 

결론 결론적으로, 1990년과 2016년의 행정 명령은 크게 다르지 않지만, 비구조 건물 구성 요소의 지진 스웨이 브레이싱 요구 사항은 상당히 변경되었습니다. 새로운 EO는 2015년 이후의 IBC 준수를 요구하므로, 위에서 언급된 참조 표준은 연방 소유, 임대, 규제 또는 재정 지원 건물의 설계 및 건설에 매우 중요해졌으며, 물론 모든 건물에서 국제 건축 코드 준수가 요구됩니다.