골조의 소성힌지 이음

내진설계를 진행하여 중연성도나 고연성도구조로 설계된 건축물이 있습니다. 내진설계를 적용하더라도 바닷가 가까운 곳처럼 지반이 연약한 경우를 제외하고는 거의 중연성도로 설계하는 것이 일반적입니다. 그런데 이처럼 중·고연성도 구조로 설계된 건축물에서 소성힌지구간에 이음을 할 때 주의할 필요가 있습니다.

 

콘크리트구조물의 내진설계에서 모멘트골조는 수직하중과 횡력을 보와 기둥으로 구성된 라멘골조가 저항하는 구조방식을 말합니다. 보와 기둥을 강절로 접합하여 횡하중을 휨강성에 따라 분배하는 작용을 하며, 횡하중에 대해 부재의 휨강성을 통해 저항하는 골조입니다. 모멘트골조는 저연성도와, 중연성도, 고연성도가 요구정도에 따라 각각 보통모멘트골조(OMRCF), 중간모멘트골조(IMRCF), 특수모멘트골조(SMRCF)로 분류합니다.

 

보통 모멘트골조(OMRCF ; Ordinary Moment Resisting Concrete Frame)는 지진 시 연성거동을 확보하기 위해 특별한 설계나 배근상세를 갖지 않는 골조를 말합니다.
 

중간모멘트골조의 이음관련 구조설계기준

구조설계기준을 보면 다음 두 기준이 있습니다.
  
 KDS 41 17 00
9. 콘크리트구조의 고려사항
9.3.2 철근의 이음 및 정착
(1) 보와 기둥의 소성힌지구간에서는 겹침이음과 용접이음이 허용되지 않는다.
(2) 기계적이음의 강도는 철근의 강도보다 커야 하며, 이음에서 취성파괴가 발생하지 않아야 한다.
(3) 철근의 이음과 정착은 콘크리트의 손상이 적을 것으로 예상되고 해당 철근의 인장력이 작은 구간에 설치한다.
 
 KDS 14 20 80
4.4 특수모멘트골조의 휨부재
4.4.2 축방향철근
(3) 휨철근의 겹침이음은 이음길이 부분에 후프철근이나 나선철근이 배치되어 있는 경우에만 사용할 수 있다. 겹침이음 철근을 둘러싸는 횡방향 철근의 간격은  이하, 또한 100mm 이하이어야 한다. 겹침이음은 접합부의 내부, 접합면부터 부재 깊이의 2배 이내의 거리 구간, 구조해석에서 골조의 비탄성 횡변위에 의한 휨 항복이 일어나는 곳에서 사용할 수 없다.
 
4.5 휨모멘트와 축력을 받는 특수모멘트골조 부재
4.5.3 축방향철근
(2) 겹침이음은 부재의 중앙부에서 부재 길이의 1/2 구역 내에서만 할 수 있고 인장이음으로 설계하여야 하며, 또한 4.5.4((2), (3))의 규정을 따르는 횡방향 철근으로 둘러싸야 한다.
 
현행 KDS 체계에서는 시설물 기준을 우선 순위로 적용하기 때문에 KDS 14 20 80보다는 KDS 41 17 00을 더 우선해서 적용해야 합니다.
 

소성힌지구간에서의 이음

지진력이 점점 커져서 건축물에 힘을 가하게 되면 기둥이나 보의 단부에 소성힌지가 생기고, 가해지는 힘이 더 이상 증가하지 않고 일정한 상태에서도 점점 더 회전하게 되는 것입니다. 
 
 

 
 
소성힌지에 대한 더 자세한 내용은 다음 글을 참고하시기 바랍니다.

철근콘크리트 부재는 연성파괴를 유도하기 위해서 휨인장 파괴가 먼저 일어나도록 구조설계합니다. 또한 보에서 파괴가 진행하도록 하여 기둥에는 피해가 적게 발생하도록 합니다. 따라서 기둥의 경우 중앙부에서만 겹침이음을 하도록 규정하고 있습니다.
 
  기둥의 이음
따라서 기둥에서의 이음은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
 

  보의 이음
위의 기준에 따르면 지진력 저항시스템으로 설계된 보의 경우에는 상하부 철근 모두 겹침이음이나 용접이음이 금지되어 있습니다. 따라서 보의 하부철근의 경우에도 중앙부에서만 이음이 가능합니다.
 
현행의 기준으로는 철근을 추가한다거나 후프철근을 추가로 배치하는 식으로 이음위치를 조정하는 것은 불가능합니다. 앞으로 기준이 개정될지도 모르겠지만 지금 시점으로는 중간모멘트골조의 경우에도 상하부 철근 모두 겹침이음이나 용접이음이 금지되어 있습니다.