성능 기반 설계의 미래

구조 공학자로서 우리는 스스로 만든 환경 속에서 종종 제약을 받습니다. 정보 접근이 용이하고, 방대한 데이터를 수집 및 분석할 수 있는 능력을 갖추고 있으며, 강력하고 신뢰할 수 있는 분석 및 설계 소프트웨어를 사용할 수 있음에도 불구하고, 우리가 만든 규범적인 코드와 표준이 이러한 능력을 충분히 활용하지 못하게 합니다. 안전성, 경제성, 유지관리, 지속 가능성, 견고성 등 다양한 설계 목표를 갖고 있지만, 규범적인 해결책을 따라야 해서 종종 어떤 목표도 최적으로 충족시키지 못합니다.

 

대부분의 현대 설계 규격은 일정 수준의 성능을 추구하지만, 구체적인 성능 수준을 설정하지는 않습니다. 대신, 재료, 구성, 디테일, 강도 및 강성에 대한 규범적 기준의 준수가 원하는 성능이 달성될 것이라고 간주됩니다. 우리는 구조물이 안전하다고 믿지만, 실제 안전 여유나 다른 설계 솔루션이 더 나은 성능을 제공할지 거의 알지 못합니다. 더 나쁜 것은, 우리가 달성해야 할 성능 수준을 거의 명시하지 않고, 심지어 알지도 못한다는 것입니다.

 

이로 인해, 우리는 설계 과정에서 전체 능력을 발휘할 수 없게 됩니다. 우리는 규범적 규정의 복잡함을 빠르게 파악할 수 있는 능력으로 가치를 더하는 '코드의 달인'으로 진화하고 있지만, 다양한 문제에 대한 창의적이고 혁신적인 해결책을 개발하는 데는 그렇지 못합니다. 우리가 섬기는 사회는 시간, 돈, 에너지, 재료의 제한된 자원을 최대한 활용하지 못하고 있습니다. 대신, 모든 조건을 만족시키려는 규범적 코드에 의해 제한된 설계를 받고 있으며, 설계가 처방적이기 때문에 성능을 정량화하거나 직접 평가하지 않아 신뢰성이 불확실합니다.

 

성능 기반 설계는 구조 시스템이 특정 성능 목표를 충족해야 한다는 원칙에 기반을 두고 있습니다. 완성된 설계에 대한 구체적인 성능 기대치를 설정하고, 프로세스는 최소한으로 규정됩니다. 이러한 접근 방식은 설계 과정을 뒤집어, 최종 목표를 시작점으로 설정합니다. 그런 다음, 엔지니어는 불필요하고 때로는 역효과를 낼 수 있는 규범적 요구 사항에 구애받지 않고 구조 및 재료 역학의 원리를 활용하여 창의적이고 혁신적인 방법으로 여러 가지, 때로는 상충하는 목표에 대한 최적의 해결책을 찾습니다. 설계는 분석, 시뮬레이션, 시험 또는 이들의 조합을 통해 성능이 준수됨을 입증하며 완성됩니다.

 

성능 목표를 명확히 하는 것은 이 과정에서 중요합니다. 이는 설계에 대한 기대를 설정하기 때문입니다. 우리 직업군은 구체적인 강도에서 특정 목적과 사용 용도로 구조물에 작용하는 다양한 위험에 대해 달성 가능한 피해 수준 또는 서비스 상태를 대중에게 설명할 필요가 있습니다. 예를 들어, 성능 기반 접근법을 따르는 공학 실무에서는 구조물이 최대 고려 지진 발생 시 붕괴 가능성이 10% 미만이어야 하고, 10년에 한 번을 넘지 않는 바람 사건이 주민들에게 불편을 줄 정도의 흔들림을 유발해야 한다는 등의 정량적 기준이 필요합니다. 이러한 성능 목표를 설정하고 이해관계자 간에 합의하는 것은 도전적이지만 프로세스에 있어 중요합니다.

 

기존 건물의 리모델링을 진행할 때, 과거의 설계 코드와 현재 적용되는 새로운 건축 규범 사이에 상충이 발생하거나, 기존 구조물이 현재의 규범을 충족하지 못하는 경우가 종종 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 성능 기반 설계(Performance-Based Design, PBD) 접근 방식을 사용하는 것은 매우 유익할 수 있습니다. 이 방식은 기존 건물의 성능을 정확히 평가하고 필요한 경우 보강을 통해 요구 성능을 달성하도록 돕습니다.

성능 기반 설계의 접근 방식

1. 성능 평가: 먼저, 기존 구조물의 현재 성능 수준을 평가합니다. 이는 구조물의 안전성, 내구성, 그리고 서비스 가능성 등을 포함한 다양한 성능 지표를 포함할 수 있습니다. 성능 평가는 시각적 검사, 구조적 건전성 검사, 그리고 필요한 경우 비파괴 검사 등을 통해 이루어질 수 있습니다.
2. 성능 목표 설정: 리모델링의 목적과 건물의 사용 용도에 따라 적절한 성능 목표를 설정합니다. 예를 들어, 건물이 학교나 병원과 같이 고위험 건물로 사용될 경우 더 높은 성능 기준이 요구될 수 있습니다.
3. 보강 설계: 성능 평가 결과와 성능 목표를 비교하여, 필요한 보강 조치를 결정합니다. 이 단계에서는 구조적 보강뿐만 아니라, 내화 보강, 기계적 및 전기적 시스템의 업그레이드도 고려할 수 있습니다. 보강 설계는 가능한 한 경제적이고 효과적이어야 하며, 구조물의 기존 조건을 최대한 활용하는 방향으로 진행됩니다.
4. 성능 검증: 보강 후의 설계가 설정된 성능 목표를 충족하는지 확인하기 위해 분석과 시뮬레이션을 수행합니다. 이는 보강된 구조물이 예상치 못한 부하나 사건에도 안정적으로 반응할 수 있음을 보장합니다.

성능 기반 설계의 이점

• 목표 지향적: 기존 건물의 특정 요구 사항과 위험 프로필에 맞춘 맞춤형 보강이 가능합니다.
• 비용 효율적: 불필요한 과도한 보강을 방지하고, 필요한 최소한의 개입으로 요구 성능을 달성할 수 있습니다.
• 유연성: 다양한 구조적 및 비구조적 해결책을 통해 성능 목표를 달성할 수 있으며, 기존 자산을 최대한 활용할 수 있습니다.

결론

성능 기반 설계를 통해 기존 건물의 리모델링을 접근하는 것은 현대 건축 규범과 과거 설계 간의 간극을 효과적으로 해소할 수 있는 방법입니다. 이는 리모델링 과정을 더욱 목표 지향적이고 경제적으로 만들어 주며, 건물의 사용성을 증가시키고 장기적인 안전성을 보장하는 데 기여할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 특히 복잡하거나 고가치의 건축물, 그리고 고위험 건물에 있어서 매우 중요할 수 있습니다.