강재 특수모멘트골조 — 노스리지가 바꾼 것, ±0.04 라디안과 인성 숫자

강재 특수모멘트골조는 보-기둥 접합부가 반복적인 소성회전을 견디는 것을 전제로 설계하는 골조다. 이 전제가 실제로는 성립하지 않았다는 사실이 1994년에 드러났고, 지금의 기준은 그 실패를 수습한 결과물이다. 그래서 이 골조의 규정은 부재 강도보다 접합부의 인증, 재료의 인성, 시공 품질에 훨씬 많은 분량을 쓴다.

이 글은 NEHRP Seismic Design Technical Brief No. 2, "Seismic Design of Steel Special Moment Frames: A Guide for Practicing Engineers" (2판, NIST GCR 16-917-41)의 본문을 인용한다. 인용 규정은 AISC 341(내진규정), AISC 358(사전인증 접합부), AWS D1.8, ASCE 7이다. 콘크리트 쪽의 같은 문제는 RC 특수모멘트골조 편에서 다뤘다.

1. 1994년에 드러난 것

노스리지 지진 이후 로스앤젤레스 지역의 용접 강재모멘트골조 접합부에서 나온 손상은 기존 설계·시공 절차의 신뢰성 자체를 문제로 만들었다. 가이드의 서술이 정확하다 — "중간 정도의 비탄성 요구만 받은 보-기둥 접합부에서 손상이 발생했다".

파단의 형태는 세 가지로 정리된다 — 보 하부 플랜지-기둥 플랜지 완전용입 그루브 용접의 파단, 보 플랜지의 균열, 그리고 기둥 단면을 관통하는 균열이다.

그리고 원인은 하나가 아니었다.

파단은 기본적인 접합부 형상, 모재 물성의 관리 부재, 본질적으로 인성이 낮은 용접재의 사용, 관리되지 않은 용착 속도, 부적절한 품질관리, 그 밖의 요인들이 겹친 결과였다. — NIST GCR 16-917-41, §2

파단은 기본적인 접합부 형상, 모재 물성의 관리 부재, 본질적으로 인성이 낮은 용접재의 사용, 관리되지 않은 용착 속도, 부적절한 품질관리, 그 밖의 요인들이 겹친 결과였다. — NIST GCR 16-917-41, §2

후속 연구가 SAC Steel Project이고, 그 결과가 FEMA 350·351·352·353·355 시리즈다. 가이드는 이 보고서들이 "현행 강재 특수모멘트골조 설계 기준 요구사항의 토대"라고 적는다.

2. 지금의 요구 — ±0.04 라디안

기준이 접합부에 요구하는 것은 계산이 아니라 입증이다.

AISC 341은 강재 특수모멘트골조에 쓰이는 접합부가 사전인증 상세와의 부합 또는 실물 시험을 통해, 증가하는 변위의 반복 재하를 받을 때 최소 ±0.04 라디안의 전체 회전을 강도 저하 없이 수용할 수 있음을 입증하도록 요구한다. — NIST GCR 16-917-41, §2

AISC 341은 강재 특수모멘트골조에 쓰이는 접합부가 사전인증 상세와의 부합 또는 실물 시험을 통해, 증가하는 변위의 반복 재하를 받을 때 최소 ±0.04 라디안의 전체 회전을 강도 저하 없이 수용할 수 있음을 입증하도록 요구한다. — NIST GCR 16-917-41, §2

0.04 라디안은 층간변위비 4%에 해당한다. 이 값을 계산으로 보이는 방법은 없다 — 실제 크기 시험체를 반복 재하해서 보이거나, 이미 그렇게 입증된 AISC 358의 사전인증 접합부를 쓰는 수밖에 없다.

사전인증 목록에는 축소보단면(RBS), 볼트 접합 엔드플레이트, 볼트 접합 플랜지 플레이트, 보강 없는 플랜지 용접-웨브 용접(WUF-W) 같은 일반 상세와, Kaiser 볼트 브래킷 · ConXL · SidePlate · Simpson Strong Frame · 더블티 같은 특허 접합부가 함께 들어 있다. 이 중 Simpson Strong Frame만 부분강도 접합부이고 나머지는 전강도·완전구속 접합부다.

적용 범위에도 조건이 붙는다 — AISC 358의 사전인증은 대체로 H형강 보가 H형강 기둥의 강축에 접합되는 평면 골조를 대상으로 하며, "기둥이 수평 골조의 위아래로 연장되는 접합부를 전제하므로 최상층 조건에는 명시적으로 적용되지 않는다". 실무에서는 커버플레이트를 기둥 상단으로 연장하거나 기둥을 최상층 위로 조금 더 세우는 방식으로 대응한다.

3. 항복을 어디에 나눌 것인가 — 보와 패널존

RC 골조와 달리 강재 골조에는 항복을 나눠 가질 수 있는 세 번째 자리가 있다 — 기둥 웨브의 패널존이다.

가이드는 AISC 341의 입장을 이렇게 정리한다 — "패널존의 높은 연성 비탄성 거동과 그 거동이 보의 손상을 최소화하는 능력을 인정하여, AISC 341은 보의 소성힌지 구역과 패널존 사이의 균형 잡힌 항복을 수용하는 설계를 장려한다".

다만 패널존에도 고유한 파괴모드가 있다.

보 압축 플랜지 반대편의 웨브 압축 좌굴

웨브 전단 좌굴

보강용 더블러 플레이트를 쓴 경우 용접부 파단

그래서 기준은 최소 전단강도와 스티프너 플레이트로 이 거동들을 제어한다. 패널존을 너무 약하게 만들면 접합부 변형이 여기에 몰려 용접부가 위험해지고, 너무 강하게 만들면 보 힌지에 모든 요구가 몰린다 — 균형이 규정어인 이유다.

층 붕괴를 막는 장치는 RC와 동일하다 — AISC 341 §E3.4의 강기둥-약보 요구로, 각 접합부에서 기둥 휨강도의 합이 보 휨강도의 합을 초과해야 한다. 여기에 강재 특유의 조건이 붙는다 — 기둥의 가용 휨강도를 정할 때 "휨 요구와 동시에 존재할 축력을 함께 고려"해야 한다. 그리고 이 요구는 최상층 기둥에는 적용되지 않는다.

4. 보호구역 — 건드리지 않기로 정한 자리

강재 골조에만 있는 개념이 보호구역(protected zone)이다. 비탄성 변형이 집중될 것으로 예상되는 부재 구간을 지정해 다른 작업을 금지한다.

근거는 시험이다 — "SAC Steel Project에서 수행된 시험은 상당한 비탄성 변형을 겪는 보 구간이 용접, 급격한 단면 변화, 관통, 시공 관련 결함으로 인한 불연속에 민감하다는 것을 보였다".

실무에서 중요한 것은 범위를 누가 정하는가이다.

AISC 358은 사전인증 접합부의 보호구역 위치와 범위를 지정한다.

AISC 358에 없는 접합부는 인증시험에서 나타난 비탄성 거동에 근거해 기술자가 지정한다.

중력하중이 큰 보에서는 소성힌지가 접합부에서 멀리 떨어진 경간 내부에 생길 수 있다 — 그런 경우 "그 추가 구역에도 보호구역을 지정해야 한다".

같은 맥락에서 횡좌굴 방지 조건도 숫자로 규정된다. 보의 상·하 플랜지는 집중하중 지점, 단면 변화 지점, 해석상 소성힌지가 생기는 위치 근처에서 횡지지되어야 하고, 간격은 0.095 ry E / (Ry Fy) 이하다. 여기서 Ry는 규정 항복강도에 대한 기대 항복강도의 비다 — 재료가 스펙보다 강할 것을 불리한 쪽으로 반영한다.

5. 인성이 숫자가 되다

노스리지의 원인 중 재료와 용접에 해당하는 부분은 지금 샤르피 흡수에너지로 규정된다.

대상요구 인성

두꺼운 모재 — 플랜지 두께 1½ in(38 mm) 이상의 열간압연 형강, 두께 2 in(51 mm) 이상의 판샤르피 V노치 20 ft-lb @ 70 °F (15 J @ 21 °C)

지진력저항시스템의 모든 용접 (AWS D1.8)용접재 최소 20 ft-lb @ 0 °F (15 J @ −17.8 °C)

수요-임계 용접(demand critical)추가로 40 ft-lb @ 70 °F (73 J @ 21 °C)

두 온도에서 두 값을 동시에 요구하는 구조가 핵심이다. 가이드의 설명대로 "이 이중 요구는 용접재가 저온에서의 최소 인성과 상온에서의 높은 인성을 모두 제공하도록 보장"한다. 하나의 시험 온도만 통과해서는 안 된다는 뜻이다.

두꺼운 재료에 별도 요구가 붙는 이유도 명시적이다 — 무거운 형강과 두꺼운 판의 물성이 "지진력저항시스템의 다른 모든 부재에 대해 가정한 것과 일치"하도록 하기 위해서다. 볼트에도 조건이 있다 — AISC 341 §D2.2a는 고장력 볼트의 조임(pretension)을 요구한다.

6. 정리

1994년 노스리지에서 중간 정도의 비탄성 요구만 받은 접합부가 파단했고, 원인은 형상·모재 관리·저인성 용접재·용착 속도·품질관리가 겹친 것이었다.

SAC Steel Project와 FEMA 350~355가 현행 기준의 토대다.

접합부는 ±0.04 라디안의 전체 회전을 강도 저하 없이 수용함을 사전인증 또는 시험으로 입증해야 한다 — 계산으로는 대체할 수 없다.

AISC 358의 사전인증은 H형강 평면 골조를 전제하며, 최상층 조건에는 명시적으로 적용되지 않는다.

AISC 341은 보 힌지와 패널존의 균형 잡힌 항복을 장려하되, 패널존의 웨브 압축좌굴·전단좌굴·더블러 용접 파단을 최소 전단강도와 스티프너로 제어한다.

강기둥-약보는 축력을 동시에 고려해 판정하며, 최상층 기둥은 예외다.

보호구역은 용접·단면변화·관통·시공결함을 금지하며, 중력하중이 큰 보에서는 경간 내부에도 지정해야 한다.

횡지지 간격은 0.095 ry E/(Ry Fy) 이하이고, Ry로 기대 항복강도의 초과를 반영한다.

인성은 모재 20 ft-lb @ 70 °F, 용접재 20 ft-lb @ 0 °F, 수요-임계 용접 40 ft-lb @ 70 °F로 규정된다.

이 가이드를 관통하는 것은 계산으로 확인할 수 없는 것들의 목록이다. 접합부의 회전능력은 시험으로, 용접재의 인성은 시험성적서로, 보호구역은 도면 표기와 현장 통제로, 볼트 조임은 시공 검사로 확인된다. 노스리지가 남긴 교훈은 설계식이 틀렸다는 것이 아니라, 설계식이 가정한 연성이 재료와 시공에서 만들어지지 않았다는 것이었다. 지금 기준의 분량이 접합부 인증과 품질관리에 몰려 있는 이유가 여기에 있다.