새로운 건축구조기준 KDS 41에 대한 견해

지반등급 변경, 파라펫·외부치장벽돌·외부치장마감석재 내진반영, 지하구조물 내진설계

 

새로운 건축구조기준 KDS 41에서 가장 주목할 점은 KDS 41 17 건축물 내진설계기준의 변경입니다.

 

기존 KBC2016에서는 하중편 속에 지진하중 챕터로 포함되었었는데, 금번 2019년 3월 14일자로 개정되면서 KDS 41 17 건축물 내진설계기준으로서 한편의 기준으로 자리잡게 되었습니다.

KDS 41 17에서 가장 주목할 것은 크게 세가지 변경내용입니다.

 

구조실무를 진행하시는 분들에게는 업무내용이 크게 바뀌는 부분이며, 건축사사무소와 현장실무자 그리고 인허가권자도 최소한 무엇이 바뀌었는지를 알아둬야 업무상 중대한 실수를 예방할 수 있습니다.

 

변경된 세가지는 지반등급의 변경, 비구조요소의 내진반영, 지하구조물의 내진설계입니다.

 

내진설계가 기준으로 채택된 근 20년 중 가장 큰 이슈라고 생각됩니다. 따라서 건축구조기술사 1차 필기, 2차면접에서도 출제될 가능성이 높다고 기대됩니다.

 

KDS 41 17은 국가건설기준센터(www.kcsc.re.kr)에서 회원가입 없이 다운받거나 열람(http://www.kcsc.re.kr/StandardCode/Viewer/30146)할 수 있습니다. 또는 이전 기준과 비교하기 위해서는 국토교통부(http://www.molit.go.kr/USR/I0204/m_45/dtl.jsp?idx=15988)에서 신구조문대비표를 다운받아 비교해 볼 수도 있습니다.

 

위 세가지 변경내용에 대해서 하나씩 설명드리겠습니다.

설명은 엔지니어링이 아닌 연구개발업으로서 BMTARS의 견해가 상당히 포함되어 있습니다.

 

1. 지반등급의 변경

 

본 내용은 KDS 17 10 내진설계일반 기준과도 관련됩니다.

기존에는 지반등급을 Sa, Sb, Sc, Sd, Se로 구분했었고, 직전 기준인 KBC2016에서는 한반도의 지반특성을 고려해서 좀더 구체적으로 Sc와 Sd등급에서 기반암 깊이가 20m 이내인 경우와 더 깊은 경우에 대한 지반증폭계수를 세분화하여 응답스펙트럼가속도를 달리 산정하도록 하였습니다.

 

금번 KDS 41 17에서는 S1, S2, S3, S4, S5, S6로 명칭을 수정하였고, 이전과 달리 SPT(시추주상도) 자료에 의한 N치의 평균치로부터 분류하는 기준이 삭제되고, 기반암깊이(H) 또는 토층평균전단파속도로만 분류하도록 바뀌었습니다.

토층평균전단파속도는 시추공을 NX로 하는 경우에나 다운홀이나 업홀로 하는 탄성파시험으로 전단파 파악할 수 있습니다.

비교적 저렴한 BX로 하는 경우에도 기반암깊이를 대략 추정할 수는 있지만, 기준에서 정하는 기반암의 정의가 760m/s는 풍화암에서도 있을 수 있고 아닐수도 있으므로 경암은 아니더라도 연암까지는 안정적으로 파악되어야 하는데, 통상 풍화암층에서 시추가 종료되므로 결국 760m/s 이상인 지층이 어디인지 파악하는 것이 중요하고 이를 위해서는 결국 NX로 시추되어야 할 것으로 봅니다.

 

이 기반암 깊이가 20m이내가 되면 S4등급이 S2등급으로 될 수 있고, S5등급이 S3등급이 될 수 있습니다. 등급 숫자가 낮을 수로 내진설계시 부재크기나 배근에서 경제적인 설계가 가능해집니다.

 

지반을 분류할 수 있는 자료가 충분하지 않은 경우에는 KDS 41 17 00. 4.1.1.(3)의 근거로 S5일 가능성이 없다고 판단하는 경우에 S4를 적용할 수 있습니다.

그러나 건축법시행규칙 별표4의 2에 따라 특별한 경우가 아니면 착공신고시 지반조사보고서를 반드시 제출하도록 되어 있고, 소규모건축물로 지반조사를 실시하지 않는 경우에는 최저등급을 가정하도록 되어 있습니다.

이에 대해서 무조건 최저등급인 S6으로 설계하는 것은 불합리하다고 생각되고, 건축구조기술사의 판단에 따라 S5 또는 S4등급으로 가정하는 것이 합당하다고 생각하는데, 무엇보다 엔지니어인 건축구조기술사의 합리적인 기술적 판단에 따라야 한다고 생각합니다.

내진설계시 지반조사보고서 자료가 충분하지 않을 때 가정하는 지반종류 KDS 41 17 00 「건축물 내진설계기준」 4.1.1.(3)에 '대상지역의 지반을 분류할 수 있는 자료가 충분하지 않고, 지반의 종류가 일 가능성이 없는 경우에는 지반종류 를 적용할 수 있다.'라고 명기되어 있습니다.   위 내용은 상기 '국가건설기준센터'로 링크시킨 한글파일을 다운받으시면 13페이지에서 확인할 수 있습니다.   지반종류는 KDS 17 10 00 「내진설계 일반」 표4.2-4에 명시되어 있습니다.  건축구조기술사의 경험적 판단에 따라, 기반암깊이가 20m를 초과하면서 토층평균전단파속도가 180m/s미만으로 우려되는 경우이거나, 기반암깊이와 무관하게 토층평균전단파속도가 120m/s이하인 지반은 S5로 가정하고, 그렇지 않으면 S4로 가정합니다.

 

보다 실질적인 내진설계로 사용자들의 안전을 위하고 건축주에게 내진에 따른 건설비용 부담을 최소화하기 위해서는 그래도 비교적 정밀한 NX방식의 시추와 탄성파시험을 실시하는 것이 유리합니다.

 

그 외에 지반등급 변경과 더불어 지반증폭계수 특히 단주기지반증폭계수(Fa)값이 유효지반가속도에 2.5를 곱하는 방식에서 그대로 사용하는 방식으로 바뀌었고, 특히 근사고유주기 약산법에서 지진저항시스템별 계수(Ct)가 바뀌었고, 건물전체높이(hn)에 일괄 적용하던 3/4승을 지진저항시스템별로 달리 적용하도록 바뀌었습니다. 이에 따라 지진응답계수(Cs)값이 바뀌면서 등가정적해석법에서의 밑면전단력 값이 달라지고, 동적해석법에서는 보정계수인 Scale Up Factor가 다소 바뀔 수 있습니다.

 

이런 변화는 긍정적이라 생각됩니다.

지반운동과 건물의 반응을 조금씩 더 실제적이고 구체적으로 정립해 가는 과정이라고 생각됩니다.

 

2. 비구조요소의 내진반영

 

건축비구조요소는 구조내력을 부담하지 않는 구성요소로서 대부분의 내외부 마감재와 조적벽 그리고 파라펫과 광고판 등이 모두 포함됩니다. 그렇다고 모든 마감재 등이 내진대상이 되는 것은 아닙니다.

 

이전 기준 KBC2016에서는 내진설계범주 중 일부에만 해당되었습니다.

단, ① 인명안전과 관련되고 지진후에도 작동되어야 하는 것과, ② 발화물질 등 위험물을 지지하는 것과, ③ 대형 창고형 매장 등에서 일반인에게 개방된 적재장치와, ④ 내진등급(특)에 해당하는 주요시설물의 지속적인 가동을 위해 필요한 것 등 4가지 경우의 비구조요소는 내진대상이었고 이 부분은 금번 변경 후에도 그대로 적용됩니다.

 

금번 KDS 41 17에서 변경된 것은 건축비구조요소의 내진대상이 대단히 넓게 적용된다는 것입니다.

기존에 내진설계범주 별로 적용 유무가 구분되었었는데, 금번에는 내진설계 대상인 건축물이라면 무조건 파라펫(난간), 외부치장벽돌, 외부치장마감석재는 내진이 반영되어야 합니다.

 

이 건축비구조요소는 건축인허가서류에 접수되는 구조계산서 작성이 미리 내진설계를 적용할 수 없는 것이 상식입니다. 해당 전문시공업체가 선정되고 수많은 공법 중 그 업체가 제시하는 특정한 공법에 의한 시공이 내진성능을 발휘될 수 있는지를 확인해야 합니다.

 

설계단계의 구조계산서에 비구조요소를 포함시키는 것은 공사의 전체 계획·설계·시공 흐름을 보더라도 상당히 불합리합니다. 

시공단계에서 거의 대부분이 변경되므로 설계검토비가 이중으로 지출되기 때문입니다. 따라서 시공단계에서 해당전문업체가 선정된 후 제출받는 시공계획도의 내용이 안전한지를 검토받는 것이 설계검토비의 이중소요를 방지할 수 있습니다. 

특히 외부치장벽돌 규격과 쌓기 방법이나 외부치장마감석재 앵커고정방식이나 줄눈계획 등 시공계획이 수립된 이후에나 실질적인 내진검토가 가능합니다.

따라서 2018년 11월 9일자로 변경된 '구조안전 및 내진설계확인서' 양식에는 해당 건축물의 비구조요소가 내진설계 대상인지 여부만 기재하도록 되어 있습니다.

인허가서류에 포함되는 구조계산서를 작성한 건축구조기술사가 건축비구조요소까지 내진설계할 의무는 없는 것다고 생각되고, 기준에서 정한 비구조요소의 내진설계는 해당 전문공종업체 선정이후에 내진검토를 확인받아 감리자에게 제출해야 하는 것이 타당하다고 여겨집니다.

 

공사발주를 계획하고 과업지시서나 현장설명서를 작성하는 계약(발주)담당자는 '해당공종이 내진설계 대상인 비구조요소를 포함하는 경우에는 KDS 41 17 00 내용에 따라 검토된 내진관련 안전확인서를 해당업체가 제출'하도록 명기하거나, 별도 예산을 확보하여 발주하여야 하고, 민간에서 공사를 하는 경우에는 계약상대자인 시공회사와의 계약조건에 명기함으로써, 추후 불미스러운 분쟁을 미연에 방지할 수 있을 것입니다.

 

파라펫(난간)은 설계단계의 구조계산서에 상세도로 포함되기도 하고 포함되지 않기도 합니다.

해당 난간이 복배근이면서 법에서 정하는 난간높이 정도라면 내진성능을 가지고 있을 수 있고, 때로 건축구조기술사의 판단에 의해 단배근으로 명기된 경우라도 내진성능을 가지고 있을 수 있으므로, 구조계산서에 파라펫 상세가 포함된 경우라면 해당 구조기술사사무소에 내진적용여부를 문의하여 안전확인서나 구조의견서를 받아 처리할 수 있겠으며, 파라펫 상세가 없는 경우라면 별도로 내진검토를 의뢰해야 할 것입니다.

 

외부치장벽돌은 KDS 41 17 00. 18.3.9.1에 사양설계가 제시되어 있으므로 이에 따라 시공하고 감리자의 확인을 받는 것으로 내진설계를 확보했다고 인정 받을 수 있다고 생각됩니다.

그러나 해당 기준의 사양설계 대로 시공하지 않았거나, 다르게 시공하고자 하는 경우라면 건축구조기술사의 내진검토를 받아 그 안전확인서를 감리자에게 제출하여야 할 것입니다.

 

화강석 판재나 세라믹타일마감재 등과 같은 외부치장마감석재는 외부치장벽돌과 달리 사양설계가 없습니다.

재료판의 크기나 두께, 지지앵커의 사양이 수없이 많기 때문에 사양설계를 제시할 수 없는 것으로 이해하고 있습니다.

따라서 외부치장마감석재는 원도급 시공사나 하도급 석공사업체 또는 금속공사업체에서 건축구조기술사에게 별도의 내진검토를 포함한 구조안전확인을 요청해야 할 것입니다.

기존에는 전문공사업체에서 가장 불리한 타입과 풍환경만 가정하여 한 건의 구조검토를 여러 현장마다 제출하면서 재사용했었는데, 이제는 내진을 포함하여야 합니다.

건축물의 고유한 저항특성과 지반조건 등의 민감한 여러 특성을 반영하여야 하기 때문에 종래처럼 안전확인서를 재탕하여 사용하는 것은 곤란할 것입니다.

감리자는 제출받은 안전확인서가 해당 현장의 특성이 제대로 반영된 것인지 확인하여야 안전을 확보할 수 있고 비경제적인 추가소요를 방지할 수 있을 것입니다.

 

포항지진시 건물들 옥상에 조적난간이 무너져 차량들을 덮치는 모습, 학교와 연립주택 등에서 외부치장벽돌들이 쏟아지던 모습, 포항 ㅇㅇ아트홀 외벽마감재가 떨어져 나간 모습을 뉴스를 본 사람들이라면 누구나 기억할 것입니다.

그때 그 차량 안에 사람이 없어서 다행이었고, 쏟아지는 벽돌들과 와벽화강석 마감재들 아래로 시민과 학생들이 피해를 받지 않아서 정말 다행이었습니다.

그러나 앞으로는 이런 행운을 장담할 수 없기에, 앞으로의 지진피해를 최소화하기 위해서는 효과적인 조치라고 여겨지고, 상당히 긍정적이라고 생각됩니다.

 

3. 지하구조물의 내진설계

 

이 부분은 여러모로 그 실효성에 대해 의구심이 듭니다.

 

안전이 무엇보다 가장 중요하다는 생각은 누구나 같다고 생각합니다. 

지상층과 마찬가지로 지하층도 지진에 안전해야 하는 것이 당연합니다.

그런데 지하층에 내진설계로서 여러 관성력을 모두 고려하도록 하는 것이 실리적인지...

개정된 기준으로 내진설계를 지하층까지 했을 때 더 확보될 수 있는 안전에 대한 사회적 부담비용이 상당할 것으로 생각됩니다.

 

붕괴는 부재가 가지는 내력보다 더 큰 외력이 가해질 때 못 버티고 변형하면서 그 변형이 심대해질 때 발생합니다.

이 변형을 지진에 대한 건물의 지상부와 지하부로 나눠서 생각해보면, 지상부는 어쩔 수 없이 크든 작든 휘청거리게 되고, 이 휘청거리는 정도인 수평변형을 적게 하기위해 강성을 키우거나, 휘청거려도 파괴를 최소화시키고 전체 붕괴가 되지 않도록 연성상세를 적용합니다.

이것이 내진설계의 기본목적입니다.

그런데 건축물에서 지반에 묻히는 지하부는 대체로 지반에 구속되어 지반이동과 함께 하므로 지하의 구조부재가 지진으로 인해 직접적으로 변형되는 경우는 극히 드물다고 생각됩니다.

 

다만 지상부가 완전 붕괴되거나 특정한 기둥이나 벽체로 하중이 과대하게 집중되는 경우에는 지하층 구조도 피해가 발생할 수 있을 것입니다.

그래서 차라리 지상층의 내진을 좀더 강화시키는 편이 건물 전체의 안전을 더 확보하는 것이 아닐까하는 생각도 해봅니다.

 

그래도 만에 하나를 생각해서 지하층도 내진설계를 적용하게 끔 할 때는 일정한 큰 규모이거나, 중요도가 높은 건물이거나, 필로티구조처럼 지하에 하중전이되는 부재들을 무시할 수 없는 수준인 경우 등과 같이 중요하거나 특별하거나 특이한 대상부터 점차 시행하면서 확대시키는 방향으로 나아갔으면 어땠을까라는 생각도 해봅니다.

 

보통 법이나 기준이 변경되면, 이를 실천할 가능하게 하는 시스템이나 인프라가 갖춰지도록 몇 년 또는 몇 개월의 유예기간을 두는 것이 상식인데, 금번 개정은 발표와 동시에 실행하도록 되어 있습니다.

이에따라 일정규모 이하로서 건축사가 수행할 수 있는 건축물에 조그만 지하공간이라도 있는 경우라면 내진설계를 진행하는 것이 불가능할 것으로 우려됩니다.

내진설계를 전문으로하는 건축구조기술사가 수행하는 업무량도 일례로 1건 건축물에 대한 내진설계시 1주일이 소요되었다면, 지하층의 복잡한 내진설계로 2~3주일이 소요될 수 있으므로 그 용역비용도 증가될 수 밖에 없을 것이므로 이또한 염려됩니다.

 

사회기간시설인 지하철이나 터널이 아닌, 건축물 지하층에 대하여는 우리나라 뿐만 아니라 전세계적으로도 내진설계 적용했다는 이야기는 들어본 기억은 없습니다.

어딘가에는 지하층도 내진설계를 적용한 특별한 건물이 지구상 어딘가에는 있겠지만, 이런 설계기술에 대한 사례가 전문가들 사이에서 공개되어 널리 알려져 논의되었는지도 의문입니다.

만약 지하층에 면진/제진시스템 말고, 내진설계가 적용된 사례를 알고 계시다면 댓글로 알려주시면 고맙겠습니다.

 

문제점을 좀더 구체적으로 정리해 본다면,

1. 지진피해 중 거의 유일한 지하층피해인 홍해읍 ㅇㅇ아파트 A동 지하기둥 55개 중 13개의 원인이 내진설계가 되지 않아서 발생한 것인지, 아니면 하중전이나 단주효과에 의해 발생한 것인지를 제대로 파악된 것인지. 제대로 파악한 결과로 대책을 수립한 것인지. 개정의 납득할 만한 배경은 무엇인지. 발생할지 아닐지 확신없는 것에 대하여 단지 안전구호를 주창하기 위해서는 아닌지.

2. 2017 포항지진백서 중 지진방재 개선대책 세부과제로서 65개 과제 중에 언급없던 내용이 갑자기 개정에 포함되었는데, 실무를 하는 건축구조기술사 또는 건축사가 업무에 바로 적용할 수 있도록 공청회나 세미나가 충분히 이루어 졌는지.

3. 개정 기준이 지나치게 구체적이지만, 내진설계시의 매뉴얼 수준은 되지 못하며 오히려 엔지니어의 합리적인 판단·설계의 자율성을 구속하는 것은 아닌지.

4. 지진다발지역 선진국의 내진기준들보다 불필요하고 지나치게 강화된 면은 없는지. 

 

 

이상과 같이 새로운 건축구조기준 KDS 41에 대한 설명과 BMTARS의 견해를 몇 자 적어보았습니다.

 

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참고로 BMTARS는 구조설계를 하는 엔지니어링 기술사사무소가 아니며, 새로운 내진설계의 방법으로 한국과 미국에 BM특허를 보유하고 있는 연구개발기업입니다.

따라서 구조설계·구조검토·안전확인 등의 업무를 하지 않으며, 이에 대한 문의는 건축구조기술사사무소에 문의하시기 바랍니다.

BMTARS가 새로운 건축구조기준 KDS 41에 대한 견해를 올린 이유는 보다 많은 사람들이 내진설계에 대한 기본적인 이해도를 높여 더욱 안전한 건물에 대한 지향, 더욱 안전한 사회로의 접근을 유도하기 위해서 입니다.

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- 주요공지 -   '19년 3월 14일자, 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00) 제정에 따라 건축사 또는 감리전문업체 등 공사감리자는 기존 업무에 더하여 건축비구조요소도 내진안전을 확보하였는지 검토하여 확인하여야 합니다.   관련근거는 「건축물의 구조기준 등에 관한 규칙」 제59조(공사단계의 구조안전확인)과 상기 기준에 의합니다.   적용대상은 「건축법시행령」 제32조(구조 안전의 확인) 제2항에 해당하는, 내진설계 대상인 건축물은 모두 해당합니다.    건축비구조요소는 파라펫과, 외부치장벽돌과, 외부치장마감석재(화강석, 세라믹판넬 및 기타)는 기본 포함합니다. 그리고 KDS 41 17 00 18.1.1 및 2에 따라 해당되는 전기·기계 비구조요소가 있으면 더 추가하여야 하고, 특히 내진[특]등급 건축물은 더 많은 비구조요소들이 추가됩니다.   공사감리자가 이를 검토하여야 하는 시한은 위 규칙 조항에 따라 해당 전문공종 실제 착공일 전까지로 사료되나, 반드시 해당 인허가권자(담당 공무원)에게 문의하시기 바랍니다.   검토방법은 시공업체 또는 전문공종업체가 상세시공도면을 제출할 때, 해당 비구조요소가 내진에 안전한지 건축구조기술사가 작성한 「구조안전확인서」를 같이 첨부하여 제출하도록 지시하면 됩니다.   시공자는 자신이 시공하고자 하는 공법의 안전여부를 스스로 증명하여 공사감리자에게 시공승인을 요청하여야 하고, 이를 접수받는 공사감리자는 그 안전여부를 검토·확인하여야 합니다. 이 안전여부의 증명을 시공자는 내진 전문가인 건축구조기술사에게 위임할 수 있습니다. 그리고 공사감리자는 검토·확인의 의무를 건축구조기술사의 「구조안전확인서」로써 대신할 수 있습니다.  안전을 확인하여 날인한 건축구조기술사가 그 구조의 안전에 대한 책임을 지는 책임기술자가 됩니다.   이때 공사감리자는 반드시 「구조안전확인서」에 「기술사사무소 개설등록증」이 첨부되었는지를 확인하여야 합니다. 「기술사사무소 개설등록증」은 「기술사법」 제5조의 7에 의해 적법한 건축구조기술사임을 증명하는 서류입니다. 자격증만 첨부되고 「기술사사무소 개설등록증」이 첨부되지 않은 서류는 자격없는 자로서 원인무효에 해당할 수 있어서 법적으로 효력이 없을 수 있습니다.   아무리 작은 소규모건축물이라도 내진설계 대상이면서 상기 비구조요소를 포함한 경우에는 공사감리자는 시공자에게 강력하게 적법한 「구조안전확인서」제출을 지시하여야 합니다. 기존의 통상 업무대로 서류절차(「구조안전확인서」접수·확인) 없이 공사진행을 승인하거나, 묵과한다면 추후 곤란한 상황에 처할 수 있습니다.   보다 상세한 기준 및 절차에 대하여는 해당 지자체의 조례에 따라 다를 수 있으니 인허가권자에게 문의하시기 바랍니다.    상기 기본적인 건축비구조요소의 내진에 대한 감리업무처리에 대하여 관련글을 아래와 같이 링크합니다. 감리업무에 도움이 되시길 바랍니다.   외부치장마감석재 내진검토 : 관련 블로그   외부치장벽돌 내진사양설계 : 관련 블로그   파라펫(옥상난간) 내진검토 :  상담·문의처

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