목조 경골 격막 — 블로킹, 형상비, 그리고 유연 격막 분류

목조 경골 구조의 격막은 구조용 목질 패널을 골조에 못으로 박아 만든 수평 판이고, 그 성능은 판이 아니라 못이 정한다. 그래서 설계의 요점은 패널 사이로 전단력이 실제로 넘어가는가, 그리고 그 격막을 유연(flexible)으로 볼 것인가의 두 가지다.

이 글은 NEHRP 내진설계 기술개요 10호 「Seismic Design of Wood Light-Frame Structural Diaphragm Systems」(NIST GCR 14-917-32)을 근거로 한다.

1. 블로킹이 있고 없고가 경로를 바꾼다

격막은 블로킹이 있는(blocked) 구성과 없는(unblocked) 구성으로 나뉜다. 블로킹은 각 패널의 모든 가장자리를 지지하도록 부재를 넣는 것이고, 블로킹이 없는 격막이 더 널리 쓰인다 — 블로킹이 주는 강도와 강성이 필요하지 않을 때가 많기 때문이다.

블로킹이 없을 때 전단이 넘어가는 경로가 문서에 그대로 설명된다.

16 in 또는 24 in 간격에서 전단력은 한 패널에서 하나의 파스너를 통해 골조 부재로 빠져나가고, 골조 부재를 따라 수평으로 전달된 뒤, 다른 파스너를 통해 인접 패널로 들어간다. 그 결과 패널을 골조에 고정하는 파스너(못 또는 스테이플)가 격막의 좋은 내진 성능에 필수적이 된다. — NIST GCR 14-917-32, §3

16 in 또는 24 in 간격에서 전단력은 한 패널에서 하나의 파스너를 통해 골조 부재로 빠져나가고, 골조 부재를 따라 수평으로 전달된 뒤, 다른 파스너를 통해 인접 패널로 들어간다. 그 결과 패널을 골조에 고정하는 파스너(못 또는 스테이플)가 격막의 좋은 내진 성능에 필수적이 된다. — NIST GCR 14-917-32, §3

격막의 면내 강도와 강성을 함께 결정하는 것은 다섯 가지다 — 패널 두께, 파스너의 종류와 크기, 파스너 간격, 골조의 수종, 골조 부재의 두께. 설계값은 SDPWS 표 4.2A(블로킹 격막)와 표 4.2C(비블로킹 격막)에서 선택하며, 파스너 간격이 좁아질수록 블로킹 격막의 표 값이 비블로킹보다 크게 높아진다.

스테이플의 특징도 정리된다 — 스테이플의 다리 지름이 격막용 못보다 훨씬 작아 시공 중 골조의 쪼개짐을 줄이고, 그래서 아주 좁은 간격으로 시공할 수 있다.

2. 형상비에는 한계가 있다

구성최대 L/W

블로킹 격막4

비블로킹 격막3

여기서 W는 검토하는 하중 방향과 나란한 치수, L은 그에 직교하는 치수다. 이 한계를 넘는 격막은 SDPWS 규정에서 그 사용이 인정되지 않는다. 개방형 전면(open front)이 있는 경우에는 더 엄격한 형상비 제한이 적용된다.

개방형 전면 구조에는 별도의 조건이 붙는다 — 이런 구조에서는 격막의 회전을 통한 비틀림 힘 분배가 일어나지 않아야 하고, 그러려면 격막이 ASCE 7 §12.3.1에 따라 유연 격막으로 분류되어야 한다. 그 결과로 생기는 제약이 명시된다 — 세 면에 벽이 있고 네 번째 면이 완전히 무보강인 건물은 성립할 수 없다. 그런 구성은 지진 안정성을 격막의 회전에 의존하게 되기 때문이다.

3. 유연 격막으로 볼 수 있는가

ASCE 7은 규정적(prescriptive) 조건과 계산에 의한 조건 두 갈래로 유연 격막 이상화를 허용한다.

구분조건

규정적 조건 (예)단독·2세대 주택 · 경골 구조에서 무피복이거나 1½ in 이하의 비구조 토핑을 가진 목질 패널 격막으로서 각 수직요소 라인에서 코드의 층간변위 한계를 만족하는 경우

계산에 의한 조건지진하중에 대한 격막 중앙부 처짐이 아래층 지지 전단벽 평균 층간변위의 2배를 초과할 때

중요한 단서목질 패널 격막은 이 계산 조건을 만족하지 못하는 경우가 많다

강체 이상화ASCE 7의 강체 규정 조건은 합성 강데크·콘크리트 격막에만 적용된다

그 외유연도 강체도 아니면 반강체(semi-rigid)로 분류·해석해야 하며, 격막과 벽의 상대 강성을 명시적으로 고려해야 한다

2010년판 ASCE 7에 새로 들어온 세 번째 규정 조건에 대한 평가도 실려 있다 — 이 조항은 경골 구조의 거의 모든 새 목조 격막에 유연 격막 모형화를 허용하는 것으로 해석될 수 있고, 이는 역사적인 모형화 관행과 일치한다.

이 논의의 배경도 서술된다. 1994년 노스리지 지진에서 연약층 터크언더 주차 건물의 성능이 나빴던 뒤 유연 격막 가정이 크게 논의되었고, 2005년판 ASCE 7이 유연 이상화 조건을 좁히면서 많은 격막이 반강체로 분류되었다. 이후 2006·2009년 IBC의 예외가 목질 패널 전단벽으로만 가새된 건물에 유연 모형화를 허용했지만, 모멘트골조나 가새골조를 포함한 경골 구조는 여전히 반강체로 분류되어야 했다. 그래서 일부 기술자는 유연·강체 두 모델을 모두 해석해 더 불리한 요구값으로 설계하는 포락(envelope) 방법을 썼는데, 이는 보수적이지만 효율이 떨어지는 설계가 된다.

기준의 최소 요건과 별개로, 거동 이해를 위한 권고도 함께 제시된다.

경골 구조의 하중-변형 거동은 바닥·천장·벽 마감재, 칸막이 등 구조 모델에 통상 포함되지 않는 요소에 크게 좌우된다.

가용 자료에 따르면 지진력이 다른 부분으로 재분배되기보다 국부적으로 저항될 때 건물 성능이 더 좋다 — 그래서 대다수 건물에 부담면적(tributary area) 해석이 권장된다.

부담면적 해석을 쓸 때는 코드의 층간변위 한계를 층 전체가 아니라 각 전단벽 라인에 적용해야 한다.

각 벽 라인에서 변위 한계를 만족할 수 없거나 전단벽 배치가 심한 비틀림 비정형을 시사하면 강체 격막 해석이 필요하고, 이때는 직교 방향 벽의 하중 조건에 특히 주의해야 한다.

4. 경계요소는 두 방향으로 설계한다

경계요소 설계는 부재 자체, 부재의 이음(splice), 그리고 부재에서 지지 전단벽으로의 힘 전달을 모두 포함한다. 유의사항은 다음과 같다.

부재는 한 방향 지진에서는 인장, 반대 방향에서는 압축을 받는다 — 부재와 접합부 모두 양방향을 검토해야 한다.

격막 내부의 집열재는 통상 구조 모델이 정의하는 양쪽 격막 영역에서 오는 전단을 함께 받는다. 따라서 집열재에 대한 패널 못박기는 양쪽 영역의 전단을 모두 집열재로 전달하도록 설계되어야 한다.

이 전달에는 격막 경계 못박기 한 줄로는 부족한 경우가 많다 — 필요한 못 간격을 계산하거나 경계 못박기를 두 줄로 설치한다.

목재 파스너의 내력은 골조 부재의 밀도에 좌우되며, 제재목에서는 주로 수종의 함수다. 엔지니어드 목재는 제조사가 공표하는 비중을 쓴다 — 이 점을 패널과 경계요소 설계 모두에서 고려해야 한다.

전단 설계에서 흔히 놓치는 부분도 지적된다 — 두 축 모두에 대한 격막 해석과 격막 개구부와 평면 치수 변화(offset)에서 증가하는 단위전단을 함께 봐야 한다. 큰 격막에서는 구역별로 파스너 간격을 달리하는 경우가 있는데, 이때는 각 구역의 최대 전단 수요에 대해, 그리고 직교 두 방향 각각에 대해 설계해야 한다.

5. 정리

비블로킹 격막에서 전단은 못 → 골조 부재 → 못의 경로로 옆 패널에 전달된다.

강도·강성은 패널 두께, 파스너 종류·크기·간격, 골조 수종과 두께가 함께 정한다.

파스너 간격이 좁을수록 블로킹 격막의 이점이 커진다.

형상비 한계는 블로킹 4, 비블로킹 3이며, 개방형 전면에서는 더 엄격하다.

세 면에 벽이 있고 네 번째 면이 완전히 무보강인 구성은 성립하지 않는다.

유연 이상화는 규정 조건 또는 중앙부 처짐이 층간변위의 2배 초과라는 계산 조건으로 판정한다.

목질 패널 격막은 계산 조건을 만족하지 못하는 경우가 많다.

강체 규정 조건은 합성 강데크·콘크리트 격막에만 적용된다.

거동 이해 측면에서는 부담면적 해석이 권장되며, 변위 한계는 각 전단벽 라인에 적용한다.

집열재의 못박기는 양쪽 격막의 전단을 모두 전달해야 하며, 경계 못박기 한 줄로는 부족한 경우가 많다.

목조 격막에서 계산서에 남는 값은 단위전단이지만, 그 값을 실제로 전달하는 것은 패널 가장자리를 따라 박힌 못들이다. 그래서 이 지침이 반복해서 돌아오는 지점도 같다 — 전단이 어디를 통과해 어디로 가는지를 그려 보지 않으면, 표에서 고른 용량은 도면 위에서만 성립한다.