성능기반설계에 대한 개인적인 고민

양단부 힌지가 아닌 단부+중앙부 힌지를 가정할 경우 동일한 횡하중과 수평변형 하에서소성힌지에 걸리는 소성변형각은 훨씬 커져 시스템의 연성능력이 예상치보다 크게 감소하게 된다.

 현 기준 상으로 성능설계를 위해 주로 쓰는 집중소성힌지 모델의 경우 휨강도에 대한 힌지는 부재 양 단부에만 구현된다. 이 경우에 중앙부의 힌지 발생에 의한 파괴매커니즘 검증 대상이 아니게 된다. 현재는 실험적으로 이력거동을 시켰을 때 어느시점을 붕괴시점으로 볼지 단부의 소성변형각을 기준으로 판단하여 기준에서 정의하고 있다. 다만 이것은 중앙부의 내력이 실제 중력하중에 대해 충분한 여유치가 있는 경우의 파괴매커니즘이다. 이것은 1.2DL+1.6LL과 1.4DL 중 큰 값에 대해 고려하는 일반적인 신축구조물의 경우 적합한 가정이다. 다만 1.0DL+1.0LL 수준의 하중에 대해서도 dcr값이 굉장히 빠듯하게 설계된 오래된 기존구조물의 경우 개인적인 의구심이 생긴다. 이러한 구조물에 대해 현재의 성능설계지침을 만족한다해서 실제로 안전하다 말할 수 있는가는 내 지식수준에서는 자신이 없다. 오히려 비양심적인 생각으로 혹시라도 내가 지금 다른 무엇인가를 놓쳐서 잘못 보강 설계하는 경우라도 나중에 지침의 한계로 인한 면죄부를 얻을 수 있지 않을까 하는 생각으로 굳이 교수님들께 질문도 해보지 않은 부분이었으나, 요새 여러 경험으로 엔지니어로서의 양심이 자극되는 부분이 많아졌기에 이런 글이라도 남긴다.

성능설계의 경우 실제와 가까운 하중을 고려하기에 기준 상으로 중력하중을 1.0DL+0.25LL을 입력하고 중력하중에 대해 일단 붕괴되지 않았으면 횡력을 추가하여 해석을 진행하게 된다. 사실 중력하중 조합이 무엇이 되었든 모멘트 재분배를 고려하여 단부의 dcr값을 0.9수준, 중앙부에 대해 0.85 수준으로 중앙부의 dcr값을 낮게 조정하여 중앙부에서의 1차 소성힌지 발생을 방지하는 것을 신경써서 탄성설계를 했다면 이러한 우려가 덜할 테다. 그나마 감안할 수 있는 것은 탄성설계에서 중력하중에 대한 계수하중을 보는 값보다 성능설계에서 보는 중력하중 값이 작고, 횡하중에 대해서는 같은 수준의 하중을 보고 있기 때문에 위의 그림에서 보는 것처럼 일단 기준대로 탄성설계를 한 구조물의 경우 단부힌지가 중앙부보다 훨씬 이른 시점에 1차적으로 발생한다는 것이다. 물론 앞서 말한대로 이것만으로 확실히 안전성이 유효한지 단정하기엔 내 지식이 부족하다.  아래 글에서 처럼 좀 여유가 있을 때 다시 생각해보니 중앙부 정모멘트의 DCR 값보다 단부 정모멘트 DCR값이 더 타이트하게 잡혀 있다면 문제없이 양단 힌지가 유도된다. 즉 단부의 부 모멘트 뿐 아니라 정모멘트 역시 DCR ratio를 중앙부보다 높게 잡아서 단부 힌지 발생을 유도할 필요가 있다.  그리고 단부의 정/부 설계 ratio는 비슷한 수준이어야 접합부에 의도하지 않은 하중 흐름이 생기는걸 방지할 수 있다.

 다만 이것과 관련해서 어느정도 값 이상이 안전하고 어느정도 비율차이가 적정선이고 그런 것 까지는 하중 조합 형태에 따라 달라지는 모양새라 이것을 정량화 하지는 아직 못하였고, 일단 대충 그런 주의사항이 있으니 탄성설계에서부터 가능하다면 수평 부재의 단부 설계 ratio는 90~98% 수준에서 정/부 모멘트 DCR값이 위치하는게 최적화 측면과 안전성 측면 모두에서 더 적절하지 않은가 싶다.(가끔 현장에서 일하는 관리자나 감리들이 애매하면 무작정 넉넉하게 넣으라 하는 경우도 있는데... 성능설계가 반영된 건물이라면 그렇게 하면 오히려 성능이 크게 떨어질 수 있다...)

 

================================= 아래 내용은 글 작성 이후 3개월 가량 지나서 다시 고민한 결과이다.====

(여러가지 붕괴모드 case를 고민해 본 결과 1차적으로 내린 결론은 다행스럽게도 수평부재 내의 파괴모드만 생각한다면, 중앙부의 힌지는 횡력에 의해 발생하기 어렵다는 것이다. 기본적으로 횡력에 의한 수평부재의 모멘트도를 생각하면 뻔한데, 정모멘트를 받는 방향에서 항복이 먼저 발생하면 모멘트도가 끌어올려져서 추가되는 하중에 의해서는 부모멘트만 추가되게 된다. 반대로 부모멘트를 받는 단부에서 먼저 항복이 발생하면 모멘트도가 끌어내려져서 추가되는 횡하중에 의해 정모멘트가 추가되지만 단부 정모멘트 설계 ratio가 타이트하다면 문제없다. 또한 이와 관련해서 접합부의 강도 보강을 가정한 후 힌지를 안으로 offset하는 경우 보 단부의 정/부 모멘트 dcr 값이 비슷하지 않은 경우 접합부 측에 탄성해석 시와 상당히 차이가 있는 모멘트 전달양상이 나타난다는 것을 알게 되었고 이 부분이 구조물 성능에 악영향을 끼칠 수 있다는 것도 확인하였다.)