슬래브에 설치된 비구조 요소 내진설계 예시: 전기 발전기

1. 개요 및 설계 조건

본 사례 연구는 5층 규모의 비상 대응 센터 내 3층(높이 36ft)에 설치된 전기 발전기의 내진 성능을 평가합니다. 발전기는 진동 방지 마운트(Vibration Isolation Mount)에 의해 지지되며 주요 조건은 다음과 같습니다.

• 장비 무게 ($W_p$): 15.0 kips
• 설치 위치: 3층 ($z=36ft$, 전체 높이 $h=60ft$)
• 지진 조건: Seismic Zone 3, 토양 프로파일 SD ($S_{DS}=0.73g$)
• 마운트 특성: 4개소 설치, 측면 강성 각 3 kips/inch
• 장비 주기 ($T_a$): 약 0.36초 (유연한 장비로 간주)

2. 설계 기준별 내진 하중 계산

다양한 설계 코드에 따라 산출된 설계 횡력($F_p$)과 그에 따른 전단력 및 인장력의 차이를 분석합니다.

1) 1994 UBC

가장 간단한 접근 방식으로, 장비의 유연성을 고려하여 $C_p$ 값을 2배(1.5)로 할증 적용합니다.

• 설계 횡력 ($F_p$): 약 10.125 kips
• 마운트당 전단력 ($V$): 2.6 kips
• 마운트당 인장력 ($F_t$): 1.3 kips

2) Tri-Services Manual

특정 도표와 증폭 계수($A_p$)를 사용하며, 중요도와 구성 요소 계수의 곱에 제한치(3.75)를 둡니다.

• 설계 횡력 ($F_p$): 약 16.9 kips
• 마운트당 전단력 ($V$): 4.2 kips
• 마운트당 인장력 ($F_t$): 4.2 kips

3) 1997 UBC (허용 응력 설계 수준)

건물의 높이에 따른 가속도 증폭을 고려하며, 최종적으로 ASD 수준인 1.4로 나누어 산출합니다.

• 설계 횡력 ($F_p$): 32.4 kips (상한치 적용)
• 마운트당 전단력 ($V$): 5.8 kips
• 마운트당 인장력 ($F_t$): 7.7 kips

4) 1997 NEHRP (FEMA 273)

지반 가속도($S_{DS}$)와 높이비($z/h$)를 직접적으로 사용하며, 진동 방지 마운트의 경우 설계력을 2배로 할증합니다.

• 설계 횡력 ($F_p$): 28.8 kips
• 마운트당 전단력 ($V$): 5.1 kips
• 마운트당 인장력 ($F_t$): 6.6 kips (순 인장력 기준)

3. 코드별 결과 비교 요약

각 기준에 따라 계산된 마운트당 요구 성능을 정리하면 다음과 같습니다. (단위: kips)

코드 기준	전단력 ($V$)	인장력 ($F_t$)	복잡도 및 보수성
1994 UBC	2.6	1.3	낮음 / 가장 경제적
Tri-Services Manual	4.2	4.2	중간
1997 UBC	5.8	7.7	높음 / 가장 보수적
1997 NEHRP	5.1	6.6	높음 / 최근 추세 반영

4. 분석 및 결론

비교 결과, 1994 UBC가 가장 낮은 설계력을 제공하는 반면, 1997 UBC와 1997 NEHRP는 건물 상층부에서의 가속도 증폭과 진동 방지 장치의 취약성을 반영하여 훨씬 높은 설계력을 요구합니다.

최근의 지진 데이터는 구조물의 상부로 갈수록 지진동이 크게 증폭됨을 보여주고 있으며, 진동 방지 마운트의 파손 사례가 빈번함에 따라 1997 UBC 이상의 보수적인 설계 기준을 적용하는 것이 안전 확보 측면에서 타당합니다.

5. 설계 시 고려사항

• 앵커링 상세: 계산된 인장력과 전단력을 견딜 수 있는 앵커 볼트의 규격과 매립 깊이를 선정해야 합니다.
• 포스트 텐션 슬래브: 슬래브 내 강선의 위치를 정확히 파악하여 앵커 타공 시 간섭이 없도록 주의해야 합니다.
• 변위 제어: 진동 방지 마운트의 과도한 변위를 제한할 수 있는 스너버(Snubber) 설치를 검토하십시오.