비구조 시스템 및 구성 요소의 설계는 건축물의 안전성과 기능성을 유지하기 위해 중요합니다. 이들 구성 요소는 건물의 주요 구조 부분이 아니지만, 지진과 같은 자연 재해 시에 건물의 사용성에 영향을 미칠 수 있습니다. 비구조 시스템에는 전기 및 배관 시스템, HVAC 시스템, 엘리베이터, 계단, 창문 및 문과 같은 요소가 포함됩니다.
비구조 시스템의 설계는 다음과 같은 기본 원칙을 따라야 합니다:
- 안전성 보장: 모든 비구조 요소는 사용자의 안전을 보장할 수 있도록 충분한 강도와 안정성을 갖추어야 합니다.
- 내진 설계: 지진 발생 시 건물 내의 비구조 요소가 기능을 유지하고, 추가적인 피해를 방지할 수 있도록 내진 설계가 포함되어야 합니다.
- 유지보수의 용이성: 설계는 유지보수가 용이하도록 계획되어야 하며, 필요한 경우 쉽게 교체하거나 수리할 수 있어야 합니다.
- 통합성: 비구조 요소는 건물의 다른 시스템과 효과적으로 통합되어야 하며, 서로 간의 작동에 지장을 주지 않아야 합니다.
이러한 원칙을 통해, 비구조 시스템 및 구성 요소의 설계는 건물의 전반적인 안전성과 기능성을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다. 따라서, 건축가와 엔지니어는 이러한 요소들을 설계 초기 단계에서부터 고려하여, 최종 구축물이 예상치 못한 상황에서도 최대한의 성능을 발휘할 수 있도록 해야 합니다.
건물의 비구조적 구성 요소에 초점을 맞춘 장의 요약입니다. 특히 지진 활동의 맥락에서 다루고 있습니다. 여기에 개요된 주요 포인트는 다음과 같습니다:
- 비구조적 구성 요소: 이들은 건물의 주요 구조적 틀의 일부가 아니지만 건물 투자의 상당 부분을 차지합니다. 여기에는 건축, 기계 및 전기 시스템 및 구성 요소가 포함됩니다.
- 브레이싱 및 내진 지지: 지진 중에 이러한 구성 요소가 실패하지 않도록 제대로 고정하는 것이 중요합니다. 이는 파이프, 덕트, 도관 및 기타 설치물의 브레이싱을 포함합니다.
- 건축적 구성 요소: 외부 커튼 벽, 클래딩, 비내력 벽, 천장 시스템 및 간판 및 표지와 같은 장식적 기능을 의미합니다.
- 기계 및 전기 구성 요소 브레이싱: 보일러, 에어컨 장치, 엘리베이터, 에스컬레이터 및 HVAC 덕트워크 및 배관 시스템과 같은 중요 시스템이 강조됩니다.
- 전기 구성 요소: 이 카테고리에는 변압기, 패널, 스위치기어, 도관 및 케이블 트레이 시스템이 포함됩니다.
- 안전성 및 기능 중단: 이 구성 요소들의 실패는 건물의 기능을 방해할 뿐만 아니라 탈출 경로를 막고 구조 활동을 방해하는 등 심각한 안전 위험을 초래할 수 있습니다.
- 설치 및 고정: 이 장에서는 이러한 구성 요소의 고정 및 브레이싱에 대해 논의하며, 그것들이 지상이나 상층 또는 지붕에 설치되었는지에 관계없이 구조적 틀에 의해 수직 및 수평으로 지지되도록 하는 데 중점을 둡니다.
- 사례별 접근 방식: 일부 일반 원칙을 적용할 수 있지만 많은 항목은 개별적으로 고려해야 하며, 특히 건설 후 소유자나 사용자가 설치하는 항목에 해당됩니다.
이 요약은 지진대에 있는 건물의 전반적인 안전성과 기능성에 비구조적 구성 요소가 중요한 역할을 하며, 그 설계와 설치에 신중을 기할 것을 촉구합니다.
1.1 서론
대다수 건물에서 비구조적 구성 요소는 전체 자본 투자의 상당 부분을 차지합니다. 지진 발생 시, 이러한 구성 요소들의 파손은 건물의 기능을 중단시키고 구조적 손상만큼이나 사용자에게 심각한 안전 위험을 초래할 수 있습니다. 과거 지진들은 비구조적 구성 요소들의 취약성을 극명하게 드러내왔습니다.
예를 들어, 1971년 샌페르난도 지진 당시 천장 시스템이 붕괴된 모습을 그림 13-1에서 볼 수 있습니다. 이러한 유형의 파손은 조명기구로 인한 추락 위험을 초래할 뿐만 아니라, 건물의 출입을 막고 구조 작업을 방해하는 잔해를 만들게 됩니다.
그림 13-2는 1994년 노스리지 지진에서 옥상의 무거운 탱크가 그 지지대에서 떨어져 건물 하층을 침수시킨 사례를 보여줍니다.
이 장에서는 건설 중이거나 리모델링 중인 구조물에 설치되는 구성 요소와 시스템을 주로 다루며, 건축 문서에는 이들의 설계 세부사항이 명시되어 있습니다. 또한 건물 소유주나 사용자가 건물에 배치할 수 있는 내용물과 장비에 대해 간략히 언급하며, 이들의 파손은 구조물 사용자에게 큰 위험을 초래할 수 있습니다. 그림 13-3에서 이를 확인할 수 있습니다.
이러한 항목들은 다양하므로 설계자는 사례별로 그들의 고정과 지지를 처리해야 합니다. 비구조적 요소들은 일반적으로 건축적, 기계적, 전기적 시스템 및 구성 요소로 나눌 수 있습니다. 건축적 구성 요소에는 외부 커튼 벽, 클래딩, 비내력 파티션, 천장 시스템, 그리고 간판과 표지판 같은 장식품이 포함됩니다. 기계적 구성 요소와 시스템에는 보일러, 팬, 에어컨 장비, 엘리베이터와 에스컬레이터, 탱크 및 펌프뿐만 아니라 HVAC(난방, 환기, 에어컨) 덕트워크와 파이프 시스템이 포함됩니다. 전기 구성 요소에는 변압기, 패널, 스위치기어, 도관 및 케이블 트레이 시스템이 포함됩니다. 구성 요소들은 건물의 지상층이나 지하실에 설치될 수도 있고 구조물의 상층이나 옥상에 설치될 수도 있습니다.
우리의 주요 관심사는 "비건축 구조물"이 아닌 "비구조적 구성 요소"에 맞춰져 있습니다. 비구조적 구성 요소는 해당 구성 요소 자체가 아닌 구조적 프레임에 의해 수직 및 수평으로 지지되는 장비와 시스템을 포함합니다. 예를 들어, 건물 프레임에 의해 지지되는 장비가 이에 해당합니다. 또한, 지상이나 지하에 설치되는 중간 크기의 구성 요소들, 예를 들어 칠러, 펌프, 팬의 고정 및 지지에 대해서도 고려할 것입니다.
"비건축 구조물"은 지면 위나 아래에 설치되어 있으며, 수직 및 수평 안정성을 위해 다른 구조물을 필요로 하지 않습니다. 대형 산업용 보일러 및 기계, 냉각탑, 산업용 저장 랙 시스템, 압력 용기, 탱크 등이 여기에 속합니다. 비건축 구조물은 구성과 동적 특성에서 큰 차이를 보입니다. 압력 용기, 보일러, 칠러와 같은 구성 요소는 종종 강하게 만들어져 본질적인 연성이 거의 없으며, 이들의 지진 반응은 보통 연결 지점에서 미끄러지거나 전도되는 현상으로 나타납니다. 이 구성 요소들에 발생하는 손상은 주로 연결부나 앵커 볼트에서 집중되곤 합니다. 반면에, 냉각탑 같은 구조물은 유연하고 높은 중복성을 가진 경우가 많아 건물의 동작과 유사한 특성을 보입니다.
비구조적 구성 요소에 대한 내진 설계 규정은 주요 구조 시스템과 비교할 때 발전이 늦어졌습니다. 내진 규정이 도입되기 전까지는 구조적 구성 요소와 비구조적 구성 요소 사이에 명확한 구분이 없었으며, 건물들은 횡력 저항 시스템을 갖추지 않고 석고나 벽돌 벽을 통해 횡력을 견뎌냈습니다. 20세기 초 지진들은 보강되지 않은 벽돌 파라펫과 외벽과 같은 건축적 요소의 취약성을 드러냈습니다. 기계 및 전기 시스템에 대한 내진 성능 관찰은 거의 이루어지지 않았는데, 이 시스템들은 기본적인 형태로만 존재했습니다.
1933년 롱비치 지진 때 소방 스프링클러 파이프의 파손으로 인해 파이프 시스템에 대한 최초의 내진 규정이 도입되었습니다. 1961년 통일 건축 규정에는 주로 건축 구성 요소의 설계 및 부착을 다루는 횡단 브레이싱 규정이 추가되었습니다. 그러나 1964년 알래스카 지진과 1971년 샌페르난도 지진이 발생하기 전까지 현대 건물의 비구조적 구성 요소와 시스템의 취약점이 충분히 드러나지 않았습니다. 이후 지진들에서 수집된 조사 보고서는 강한 지진동 동안 건물의 거주자에게 위험을 초래하고 재산 피해를 발생시킨 여러 조건과 관행을 확인했습니다. 건축 규정은 이러한 지진에서 얻은 교훈을 통합하여 지속적으로 개선되어 왔습니다. 예를 들어, 1964년 알래스카 지진은 프리캐스트 콘크리트 클래딩 시스템의 취약성을 보여주었고, 1971년 샌페르난도 지진에서는 천장 시스템과 기계 장비의 널리 퍼진 실패가 있었으며, 1994년 노스리지 지진에서는 파이핑 시스템의 실패가 발생했습니다. 이러한 사건들 이후에 건축 규정은 이러한 취약성을 해결하기 위해 수정되었습니다.
지진 중에도 계속해서 작동해야 하는 구조물은 대부분의 건축 규정에서 규정하는 수준을 넘어서는 비구조적 구성 요소의 설계가 필요합니다. 일반적으로 건축 규정은 장비와 시스템을 '블랙 박스'로 취급하며, 내진 설계는 고정과 브레이싱에 한정되지만 구성 요소 자체의 무결성은 명시적으로 고려되지 않습니다. 예를 들어, 전기 변압기의 내진 설계는 주로 구조물에 변압기 유닛을 연결하는 앵커 볼트의 설계와 변압기 인클로저의 마운팅 브래킷 검사로 이루어집니다. 그러나 유닛의 내부 구성 요소의 무결성 검사는 훨씬 덜 흔하며, 내부 구성 요소가 가속도에 민감하고 설계 고정력보다 훨씬 낮은 가속도 수준에서 손상을 입을 수 있음에도 불구하고 건축 규정에 의해 요구되지 않습니다. 파이핑 시스템의 경우, 파이핑 시스템의 붕괴를 방지하기 위해 설계된 브레이싱은 누수나 가끔의 파손을 방지하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 다음 세대의 건축 규정은 비구조적 구성 요소의 고정 및 브레이싱에 성능 기반 설계를 적용할 것입니다. 성능 기반 설계에서는 구조물의 소유자 또는 관할 건축 공무원이 원하는 또는 요구하는 내진 성능 수준에 의해 구성 요소 또는 시스템의 설계가 제어됩니다.
제1.2절에서는 다양한 비구조적 구성 요소와 시스템에 대한 성능 목표를 다룹니다. 제1.3절에서는 비구조적 구성 요소의 내진 거동의 여러 측면을 검토합니다. 제1.4절에서는 다양한 설계 기준에서의 분석적 접근 방법을 리뷰합니다. 제1-5절과 제1-6절에서는 과거 지진에서 성능이 좋았던 건축 및 기계 구성 요소와 시스템의 일부 설계 특성에 대해 논의합니다.