사용성 설계 완전 가이드: 처짐 한계값 하나가 아닌 다섯 상태 — 치올림·수평변위·진동·미끄럼과 물고임

기준이 사용성을 기능·외관·유지관리·내구성·거주자 편안함 다섯으로 정의하는 이유부터, 여덟 개 검토 항목이 각각 막으려는 실패, 도면에 크기·방향·위치를 명시해야 성립하는 치올림, 사용하중과 계수하중으로 두 번 검토하는 수평변위, 시간이 지나 강도 문제가 되는 마감 손상과 연결부 미끄럼, 그리고 기울기

사용성 설계는 구조물이 무너지지 않는지가 아니라 쓸 만한지를 판정하는 작업이고, 기준은 그 "쓸 만함"을 다섯 가지로 정의한다. 기능, 외관, 유지관리, 내구성, 그리고 거주자의 편안함이다. 처짐 한계값 하나로 대신할 수 있는 것이 아니다.

이 검토가 결과를 바꾸는 자리는 셋이다. ① 장경간 바닥 — 강도는 여유가 있어도 처짐과 진동이 먼저 한계에 닿는다. ② 고층 건물 — 수평변위가 칸막이와 외장재를 깨뜨리고, 흔들림이 거주자에게 먼저 감지된다. ③ 평지붕 — 처짐이 배수를 막고 물이 고이면 강도 문제로 넘어간다.

이 글은 KDS 14 31 55 강구조 사용성 및 물고임 설계기준(하중저항계수설계법)의 조항 구조와 규정 문언을 인용한다. 유연도상수 도표와 식은 옮겨 적지 않는다.

1. 사용성은 다섯 가지 상태다

사용성은 건축물을 일상적으로 사용할 때 건축물의 기능, 외관, 유지관리, 내구성 및 거주자의 편안함 등이 확보되는 상태를 말한다. 이러한 사용성에 대한 평가에 이용되는 최대변위 및 가속도 등의 구조반응은 적절한 하중조합을 고려하여야 한다. — KDS 14 31 55, 4.1.1 (1)

다섯 항목이 서로 다른 것을 요구한다. 기능은 문이 닫히고 크레인이 다니는 것이고, 외관은 처진 보가 눈에 보이지 않는 것이며, 유지관리는 반복 보수가 필요 없는 것이다. 내구성은 변형이 마감을 깨 물이 들어오지 않는 것이고, 거주자의 편안함은 흔들림이 불쾌하지 않은 것이다.

그리고 마지막 문장이 강도 검토와의 경계를 긋는다 — 사용성 평가에는 적절한 하중조합을 쓴다. 한계상태설계법 편에서 본 대로, 강도는 계수하중으로 보고 사용성은 사용하중으로 본다. 기준의 처짐·수평변위 조항이 모두 "사용하중에 의한"으로 시작하는 것이 그 때문이다.

2. 여덟 개 항목이 서로 다른 실패를 막는다

4.1은 사용성을 여덟 항목으로 나눈다. 각 항목이 막으려는 실패가 다르다.

항목막으려는 실패조항

치올림시공 후 처짐이 눈에 보이는 것4.1.2

처짐기능·외관의 저해4.1.3

수평변위칸막이·외장재 손상, 인접 건축물과의 충돌4.1.4

진동보행·기계 진동으로 인한 불편과 기능 저해4.1.5

바람에 의한 수평진동흔들림으로 인한 거주자 불편4.1.6

팽창과 수축외부마감재 손상 → 누수와 부식4.1.7

연결부 미끄럼볼트 미끄럼에 의한 사용성 저해4.1.8

물고임지붕 처짐이 배수를 막아 생기는 불안정4.2

여기서 두 항목이 특히 눈에 띈다.

팽창과 수축은 사용성 항목인데 결과가 내구성 문제로 넘어간다. 조문이 인과를 직접 적는다 — "강구조 건축물 외부마감재의 손상은 누수와 부식을 야기할 수 있으므로 열팽창과 수축에 의한 효과를 고려하여 설계하여야 한다"(4.1.7). 변형이 마감을 깨고, 깨진 마감으로 물이 들어와 구조체를 부식시킨다. 사용성 실패가 시간이 지나 강도 문제가 된다.

연결부 미끄럼도 마찬가지다. 조문은 미끄럼 효과를 고려하라고만 하지 않고 한 단계 더 나간다 — "이를 위하여 연결부(접합부)에 미끄럼현상이 발생하지 않도록 설계하는 것을 원칙으로 한다"(4.1.8). 볼트 구멍 여유만큼의 미끄럼은 강도상 문제가 아니지만 누적되면 구조물이 예상보다 물러진다. 접합부 설계 편에서 본 마찰접합 요구가 사용성 쪽에서도 나오는 이유다.

3. 치올림은 도면에 적어야 성립한다

치올림(캠버)은 보를 미리 위로 휘어 만들어 시공 후 처짐을 상쇄하는 방법이다. 기준은 이 항목에 대해 계산이 아니라 기록을 요구한다.

치올림을 고려하여 설계하는 경우에는 치올림의 크기, 방향, 위치를 구조설계도면에 명시하여야 한다. — KDS 14 31 55, 4.1.2 (1)

세 가지를 모두 요구하는 데는 이유가 있다. 크기가 없으면 얼마나 휠지 모르고, 방향이 없으면 거꾸로 만들 수 있으며, 위치가 없으면 어느 부재에 주는지 모른다. 치올림은 설계자의 계산이 아니라 공장에 내리는 제작 지시이고, 도면에 없으면 존재하지 않는 것과 같다.

그리고 치올림은 어느 하중까지 상쇄할지를 정해야 한다. 자중만 상쇄할지, 마감까지 상쇄할지에 따라 준공 시점의 형상이 달라진다. 과하게 주면 준공 후에도 보가 위로 휘어 있어 외관 항목에서 반대 방향으로 걸린다.

4. 수평변위는 두 가지 다른 검토다

4.1.4는 한 항목 안에 성격이 다른 두 요구를 담는다.

사용하중에 의한 강구조 건축물의 수평변위는 내부칸막이벽과 외부마감재의 손상을 포함한 건축물의 사용성이 저해되지 않도록 설계해야 한다. 그리고 부재의 강도설계용 하중조합에 의한 수평변위는 인접건축물과 충돌을 유발하지 않도록 해야 하며 설계기준에 제시된 수평변위 제한 값을 초과해서는 안 된다. — KDS 14 31 55, 4.1.4 (1)

앞 문장은 사용하중, 뒤 문장은 계수하중이다. 같은 "수평변위"라는 이름 아래 서로 다른 하중으로 두 번 검토한다.

사용하중 검토 — 일상적으로 부는 바람에서 칸막이와 외장재가 깨지지 않는지. 이 값은 풍하중 편의 재현기간 50년 변위 검토와 같은 성격이다.

계수하중 검토 — 설계 수준의 하중에서 옆 건물과 부딪히지 않는지. 이것은 사용성이 아니라 안전 문제이고, 그래서 계수하중을 쓴다.

인접건축물 충돌은 특히 지진에서 문제가 된다. 두 건물이 서로 다른 주기로 흔들리면 위상이 어긋나 상대변위가 각각의 변위보다 커진다. 대지 경계까지의 이격거리가 구조 조건이 되는 지점이다.

5. 물고임은 사용성 기준서 안에 있는 안정성 문제다

이 기준의 제목에 물고임이 함께 들어간 것이 특이하다. 물고임은 사용성처럼 보이지만 조문이 요구하는 것은 강도와 안정성이다.

지붕시스템은 구조해석을 통하여 물고임 상태 시의 적절한 강도와 안정성을 확보하도록 검토하여야 한다. 다만, 지붕의 표면이 배수방향으로 단위미터당 20 mm 이상의 기울기를 갖는 경우 또는 물의 고임이 발생하지 않도록 적절한 배수시스템이 설치된 경우에는 검토가 제외된다. — KDS 14 31 55, 1.2 (1)

면제 조건이 설계 지침을 그대로 말해 준다. 단위미터당 20 mm 이상의 기울기를 주거나 배수시스템을 갖추면 검토가 필요 없다. 계산으로 처짐과 물의 되먹임을 쫓는 것보다 애초에 물이 고이지 않게 만드는 편이 확실하다는 뜻이다.

검토가 필요한 경우, 4.2.1은 주부재와 보조부재의 강성에 대한 두 조건을 모두 만족하도록 요구한다. 여기에 두 가지 단서가 붙는다 — 트러스와 강재 장선은 단면2차모멘트를 15% 저감해서 쓰고, 강재 데크가 주부재에 의해 직접 지지되는 경우에는 보조부재로 간주한다.

트러스의 강성을 깎는 것은 트러스가 겉보기 단면2차모멘트만큼 뻣뻣하지 않기 때문이다. 웨브재의 축변형과 접합부의 유연성이 실제 처짐을 키운다. 물고임처럼 강성이 곧 안정성인 문제에서는 이 차이가 결과를 뒤집는다.

하중 쪽에서 본 물고임은 설하중 편에서 다뤘다. 거기서는 눈 녹은 물과 비가 만드는 하중이 대상이었고, 여기서는 그 하중을 받는 지붕구조의 강성이 대상이다. 같은 현상을 하중과 저항 양쪽에서 규정한다.

6. 정리

사용성은 다섯 가지 상태다 — 기능, 외관, 유지관리, 내구성, 거주자의 편안함. 처짐 한계값 하나가 대신하지 못한다.

평가에는 적절한 하중조합을 쓴다 — 처짐·수평변위 조항은 모두 "사용하중에 의한"으로 시작한다.

치올림은 크기·방향·위치를 도면에 명시한다 — 계산이 아니라 제작 지시다.

수평변위는 두 번 검토한다 — 사용하중으로 칸막이·외장재를, 계수하중으로 인접건축물 충돌을.

사용성 실패는 시간이 지나 강도 문제가 된다 — 마감 손상이 누수와 부식으로, 연결부 미끄럼이 구조물의 무름으로 이어진다.

물고임은 기울기 20 mm/m 또는 배수시스템으로 면제된다 — 검토가 필요하면 트러스·장선은 단면2차모멘트를 15% 저감한다.

강도 검토는 통과와 불통과가 분명하지만, 사용성은 누가 언제 무엇을 불편해하는가로 판정된다. 그래서 기준이 다섯 가지 상태를 먼저 정의하고 여덟 항목으로 나눈 것이다. 처짐 한계값을 만족시키고 넘어간 설계가 준공 후 민원이 되는 경우, 대개 나머지 일곱 항목 중 하나가 검토되지 않았다.