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ISSN : 1226-525X(Print)
ISSN : 2234-1099(Online)
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea Vol.26 No.3 pp.127-136
DOI : https://doi.org/10.5000/EESK.2022.26.3.127

Development of Computational Tools for Seismic Design of Architectural Components in Negative Pressure Isolation Wards

Chu Yu Rim1)*, Kim Tae Jin2)
1)Senior Engineer, TI Structural Engineers
2)President, TI Structural Engineers
*Corresponding author: Chu, Yu Rim E-mail: chuyurim92@naver.com
January 5, 2022 March 10, 2022 March 17, 2022

Abstract


Recently, an unprecedented emerging infectious disease has rapidly spread, causing a global shortage of wards. Although various temporary beds have appeared, the supply of wards specializing in infectious diseases is required. Negative pressure isolation wards should maintain their function even after an earthquake. However, the current seismic design standards do not guarantee the negative pressure isolation wards’ operational (OP) performance level. For this reason, some are not included in the design target even though they are non-structural elements that require seismic design. Also, the details of non-structural elements are usually determined during the construction phase. It is often necessary to complete the stability review and reinforcement design for non-structural elements within a short period. Against this background, enhanced performance objectives were set to guarantee the OP non-structural performance level, and a computerized tool was developed to quickly perform the seismic design of non-structural elements in the negative pressure isolation wards. This study created a spreadsheet-based computer tool that reflects the components, installation spacing, and design procedures of non-structural elements. Seismic performance review and design of the example non-structural elements were conducted using the computerized tool. The strength of some components was not sufficient, and it was reinforced. As a result, the time and effort required for strength evaluation, displacement evaluation, and reinforcement design were reduced through computerized tools.



음압격리병동의 건축 비구조요소 내진설계를 위한 전산 도구 개발

추유림1)*, 김태진2)
1)티아이구조기술사사무소 팀장
2)티아이구조기술사사무소 대표

초록


    1. 서 론

    과거 여러 차례 세계적으로 감염병이 유행한 바 있으나 2019년 12월 말 부터 코로나바이러스감염증-19(COVID-19, 코로나19)와 같은 전례 없는 신종 감염병이 급격히 확산되면서 결국 세계보건기구(WHO)는 2020년 3 월 ‘코로나 19 세계적 대유행(팬데믹)’을 공식 선언하였다. 감염병 환자의 격리 및 치료를 위해서는 격리병동이 반드시 필요하지만 COVID-19의 높 은 전염성과 계속되는 변이 발생으로 인해 세계 각국에서는 병동 부족 문제 를 겪고 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해 컨테이너 임시 음압병상이 등장 했으나 일부 전문가들은 컨테이너 특성 상 좁고 난방이 취약하며 부피가 큰 의료기기를 비치하기 어려워 중증 환자의 치료보다는 회복기에 접어든 환 자를 수용하는 것이 더욱 적절하며 오히려 이러한 임시 병상이 교차감염이 나 집단감염을 야기할 위험이 있음을 지적하였다[1]. 이에 따라 감염병 중 증 환자를 대상으로 한 보다 적극적인 치료를 위해 충분한 장비와 환경을 갖 춘 감염병 전담병원의 공급이 요구되었다.

    일반적으로 의료시설은 다른 용도의 건축물에 비해 건설비용 중 비구 조요소가 차지하는 비율이 높기 때문에 상대적으로 지진 발생 시 경제적 피해가 크다[2]. 이와 더불어 비구조요소의 손상으로 인한 의료기능의 마 비는 직․ 간접적으로 인명피해를 유발할 수 있다. 이러한 의료시설의 중요 성을 고려하여 건축구조기준 총칙(KDS 41 10 05)[3]과 건축물 내진설계 기준(KDS 41 17 00, 이하 KDS 41 17)[4]에서는 종합병원, 수술시설이 나 응급시설이 있는 병원을 중요도(특), 내진특등급으로 분류한다. 만약 응급 또는 수술시설이 포함되지 않으면 중요도(1), 즉 내진Ⅰ등급으로 분 류한다.

    공중 전파 위험이 높은 감염병을 앓는 환자들은 병실 내의 공기가 밖으 로 빠져나가지 못하도록 실간 차압이 음압으로 유지되는 음압격리병실에 서 치료되어야 한다. 이를 포함하여 진료지원공간, 직원공간, 환자 및 보호 자편의공간 등을 갖춘 시설이 음압격리병동이다[5]. 감염병 환자의 동선은 외부에서 음압격리구역에 진입할 때까지 타 부서, 환자, 의료진 등을 거치 지 않고 분리되어야 한다. 따라서 이미 사전에 감염 대응이 필요한 것으로 분류된 중증 환자의 치료를 위해 독립된 형태의 감염병 전담병원을 신축하 는 경우에는 다수의 환자를 한 공간에 수용하고 즉각적인 응급처치 등을 제 공하는 응급실 없이 계획되기도 하며 응급시설이나 수술시설이 포함되지 않기 때문에 내진Ⅰ등급으로 분류될 수도 있다.

    KDS 41 17은 내진안정성을 위해 건축물의 내진설계에서 고려되어야 하는 내진등급별 최소성능목표를 규정하고 있으며 이를 Table 1에 나타내 었다. 여기에서 성능수준(Performance level)은 건축물에 대한 것으로, 이 를 만족하기 위해 구조요소와 비구조요소가 각각 갖추어야할 성능수준은 Table 2와 같다. 대상 건축물을 KDS 41 17의 사양기반설계절차에 따라 설 계하면 구조요소와 비구조요소 모두 건축물의 최소성능목표를 만족하는 것으로 간주한다. 해당 기준의 해설에 따르면 단일 성능목표를 만족함으로 써 다른 재현주기지진 및 그에 상응하는 성능수준도 만족할 것으로 예상할 수 있다. 예를 들어 내진특등급 건물을 대상으로 할 경우, 2400년 재현주기 지진에 대한 LS 수준을 만족하면 1000년 재현주기지진에 대한 기능수행 (Operational, OP) 수준도 만족할 것으로 예상할 수 있다. 이와 더불어 KDS 41 17의 18장에서 규정하고 있는 비구조요소 내진설계 적용범위에는 소방 시설, 피난경로상의 비구조요소, 독성이나 폭발위험 물질 등을 저장하는 비 구조요소와 함께 내진특등급 건물의 비구조요소가 포함되어 있다. 이러한 점들을 종합해볼 때 KDS 41 17을 기반으로 하는 사양기반설계절차가 내 진특등급 건물의 OP 성능수준은 보장하지만 내진Ⅰ등급에 해당하는 음압 격리병동의 OP 수준은 보장하고 있지 않은 것으로 판단할 수 있다. 그러나 감염병 중증 환자들은 거동이 어려워 자력으로 피난하는 것이 쉽지 않기 때 문에 비구조요소의 낙하, 탈락 등으로 인한 상해에 취약하다. 또한 호흡기 감염원을 다루는 음압격리병동에서 각종 건축비구조요소의 미세균열이나 국부손상이 발생할 경우 건축물의 기밀성(또는 밀폐성능)이 저하되어 환자 및 의료진들이 감염원에 노출될 위험이 있다. 따라서 필수설계대상을 포함 한 음압격리병동 내 주요 비구조요소들은 지진 발생 후에도 기능수행이 가 능해야 한다. 다시 말해서 지진 발생 전과 후에 모두 동일한 수준의 기능을 제공할 수 있도록 내진설계 되어야 한다.

    한편, 대한건축학회[6]에서는 비구조요소 내진설계 시 비구조요소에 사 용되는 자재특성에 따라 내진보강 방법과 공사비가 달라지므로 시공단계 에서 최종 선정된 자재를 대상으로 설계 할 것을 제안하였고, KDS 41 17의 해설에는 이를 고려한 설계절차를 Fig. 1과 같이 제안하였다. 이처럼 대부분 의 비구조요소 내진설계가 건축물의 시공단계와 동시에 진행되면서 실무에 서는 비구조요소에 대한 안정성 검토 및 보강설계를 촉박한 시간 내에 완료 해야 하는 경우가 많다. 이뿐만 아니라 급격히 증가하는 감염병 중증 환자들 에게 빠른 시간 내 의료서비스를 제공하기 위해 전체적인 설계 절차를 신속 하게 완료하는 것이 요구된다. 따라서 비구조요소 내진설계 전산도구를 개 발하는 것이 설계 시간을 단축시키면서도 여러 인적과실(Human error)을 방지하고 실무 편의성을 향상시키는 데 유용할 것으로 판단된다.

    이러한 배경을 바탕으로 본 연구에서는 음압격리병동 내 비구조요소의 기능수행 성능을 보장할 수 있도록 강화된 성능목표를 설정하고, 이에 대 해 신속하게 검토․ 설계하기 위한 전산도구 개발을 목적으로 하였다. 설계 절차를 전산화할 비구조요소를 특정하기 위해 미국보훈부(United States Department of Veterans Affairs, VA)의 ‘Medical/Surgical Inpatient Unit & Intensive Care Units Design Guide[7]’와 대한민국 질병관리청 (Korea Disease Control and Prevention Agency, KDCA)이 발간한 ‘국 가지정 입원치료병상 운영과 관리지침[8]’을 참고하였다. 특정된 각 비구 조요소의 구성요소와 설치간격, 설계절차를 정리하고 이를 바탕으로 스프 레드시트 기반의 전산도구를 개발하였다. 또한 실제 음압격리병동 도면을 참고하여 선정한 예제 비구조요소를 대상으로 향상된 성능목표에 대한 설 계를 수행하였다. 단, 기계․ 전기 비구조요소(공조설비, 급․배기시스템, 소 화설비 등) 자체에 대한 설계는 일반적으로 관련 전문가에 의해 수행되고 KDS 41 17의 설계절차를 통해서는 주로 해당 비구조요소와 구조요소 사 이의 정착부를 설계한다는 점, 그리고 이에 대해서 이미 Chai et al.[9], Kim et al.[10] 등 여러 연구가 수행된 바 있다는 점을 고려하여 본 연구에서는 건 축비구조요소에 초점을 맞추었다.

    2. 음압격리병동의 특징 및 비구조요소

    2.1 격리병동의 종류와 특징

    기본적으로 격리병동은 격리병실과 그 외 공간으로 구성된다. 격리병실 의 종류는 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 한국의료복지건축학회(Korea Institute of Healthcare Architecture, KIHA)[5]에 의하면 첫째, 일반격리 병실은 단순히 접촉을 피해야하거나 타 환자들과의 격리가 필요한 환자를 수용하기 위한 병실이다. 일반적으로는 전실이 없는 1인실로서 병실 내부 의 공기압이 양압이나 음압으로 조절될 필요는 없다.

    두 번째, 양압격리병실(Protective Environment, PE)은 공기 중 감염으 로부터 면역력이 약한 환자를 보호해야하는 경우에 사용되는 시설이다. 따 라서 방 내부의 압력을 주위보다 높게 하여 외부의 공기 유입을 막을 수 있 도록 해당 격리병실은 인접 공간에 대해 양압의 조건을 갖추어야 한다.

    마지막으로 음압격리병실(Airborne Infection Isolation Room or Negative pressure isolation ward)은 기침 또는 비말 등을 통해 감염원이 환 자로부터 전파되는 것을 막기 위한 격리시설이다. 이를 위해 인접 공간과의 실간 차압을 음압으로 유지할 수 있는 공조시설과 환기시스템, 그리고 전실 을 갖추어 병실의 공기가 외부로 빠져나가지 못하게 한다. 공통적으로 이러 한 격리병실들은 격리된 환자의 불필요한 이동을 막기 위해 병실 내에 부속 화장실이 함께 존재한다. 음압격리병동은 이와 더불어 간호스테이션, 오염 물(폐기물) 처리실, 직원탈의실 및 샤워실, 보호복 보관공간, 창고 등을 갖 추고 있다.

    2.2 음압격리병동의 비구조요소

    VA[7]와 KDCA[8]에 의하면 음압격리병실(병실전실, 병실, 부속화장 실)과 그 외의 공간은 칸막이벽을 통해 구획되어있고 이와 맞닿는 천장, 바 닥의 이음새 부분은 잘 밀폐되어야 한다. 오염된 손으로 출입문에 접촉하는 것을 피하기 위해 병실전실, 복도전실 및 병실 등의 출입문은 자동문으로 설 치한다. 복도와 병실 사이 칸막이벽이나 병실 및 전실 출입문에는 관찰창 등 을 설치하여 내부를 관찰할 수 있도록 하는 것이 권장된다(Fig. 2). 공조설 비와 급․배기시스템은 음압구역과 비음압구역 사이에서 서로 분리되도록 계획하며 급기구에는 헤파필터 혹은 동급 이상의 필터를 설치한다. 또한 실 간 차압을 제어하고 음압을 유지하기 위해 공조 제어기를 설치한다. 그 외 소화전이나 스프링클러시스템, 조명, 비상전원장치, CCTV, 통신설비 등 여러 건축비구조요소 및 기계․ 전기 비구조요소들이 존재한다. Table 3에 는 음압격리병동에 존재하는 주요 비구조요소를 건축 비구조요소와 기계․ 전기 비구조요소로 구분하여 정리하였으며 본 연구의 대상이 되는 비구조 요소를 음영 표시하였다.

    빠르게 증가하는 감염병 중증 환자의 수용 및 치료를 위해 음압격리병동 의 건설 역시 신속하게 이루어져야 한다. 이러한 이유로 철근콘크리트구조 보다는 철골구조를 사용한다. 비구조요소 역시 시공시간을 단축시키고 의 료서비스를 빠르게 제공할 수 있는 건식공법이 많이 사용된다. 이와 관련하 여 VA는 격리병실에 사용되는 비구조요소들의 재료나 구성, 마감 등을 보 다 구체적으로 규정하고 있다. 그 중에서도 건축비구조요소와 관련한 내용 을 살펴보면, 칸막이벽은 메탈 스터드 및 러너를 설치한 후 석고보드로 마감 하는 경량칸막이벽을 사용한다. 천장재는 기본적으로 비부착식 방음타일 (lay-in acoustic ceiling tile)이 권장된다. 이와 같은 내용들을 종합하면 음 압격리병동에는 주로 석고보드로 마감된 경량철골 칸막이벽과 매달린 천 장시스템이 사용되는 것으로 이해할 수 있다.

    3. 음압격리병동의 건축비구조요소 내진설계

    KDS 41 17[4]의 절차에 따르면 비구조요소의 중요도계수(Ip )가 1.5인 요소와 파라펫, 건물외부의 치장벽돌 및 외부치장마감석재는 해당 기준의 규정에 따라 내진설계가 수행되어야 한다. IP = 1.5인 비구조요소에는 ① 소화배관과 스프링클러 시스템 등 지진 후에도 반드시 기능해야하는 요소, 손상 시 피난경로확보에 지장을 주는 요소, 일반대중에게 개방된 적재장치, ② 위험물을 저장하거나 지지하는 요소, 그리고 ③ 내진특등급에 해당하는 구조물의 기능수행을 위해 필요한 비구조요소가 있다. 음압격리병동은 내 진Ⅰ등급에 해당하는 건축물이기 때문에 ①과 ②에 속하지 않는 비구조요 소들에 대해 Ip = 1.0을 적용해 전도나 탈락을 방지하는 수준으로 설계하거 나 아예 설계대상으로 고려하지 않을 가능성이 높다. 본 연구의 대상이 되는 비구조요소들(경량칸막이벽과 천장시스템)은 정착부의 손상으로 인해 발 생할 수 있는 인명피해뿐만 아니라 음압구역과 비음압구역의 구분, 음압격 리병실의 음압유지, 감염원의 유출 방지 등을 위해 미세한 손상도 방지되 어야 한다. 따라서 목표 성능수준이 OP 수준이어야 하며 이를 위해 본 연 구에서는 음압격리병동의 성능목표를 내진특등급과 동일한 수준으로 설 정하였다.

    건축비구조요소와 지지부는 기준에 따라 산정한 설계지진력을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 설계지진력은 등가정적해석으로 산정하거나 동 적해석으로 구한 구조물의 가속도 응답을 이용해 산정할 수 있다. 또한 구조 물의 중요도에 따른 허용층간변위에 근거하여 상대변위를 산정하고 이를 수용할 수 있도록 설계되어야 한다. 이는 주로 외장재, 계단, 창문, 배관시스 템 등 충분한 이격거리를 확보해야 하는 비구조요소에 대한 요구사항이다. 본 연구에서는 앞서 특정한 음압격리병동의 주요 건축비구조요소를 기준 에 부합하도록 검토 또는 설계할 수 있는 전산도구의 개발을 위해 시방서를 참고하여 구성, 설치간격 등을 조사하고 이에 대한 내진설계절차를 정리하 였다.

    3.1 경량칸막이벽

    3.1.1 경량칸막이벽 상세

    음압격리병동에는 각 실을 구분하는 용도의 일반 경량칸막이벽과 병실 외부에서도 환자를 관찰할 수 있도록 유리창을 포함하는 경량칸막이벽이 사용된다. 한국산업표준(KS)[11]과 석고보드 칸막이벽 설치 관련 시방서 [12, 13]를 참고하면 수평재인 상/하부 스틸런너(Steel runner)와 수직재인 스틸스터드(Steel stud)가 경량칸막이벽의 기본적인 뼈대를 이룬다. 여기 에 추가적으로 수평보강 찬넬이 사용되기도 한다. 런너는 콘크리트 못 등을 사용하여 바닥과 천장에 고정시킨다. 이때 고정못(Nail) 간격은 중앙부에 서는 600 mm 이내, 연결부나 끝부분은 200 mm 이내로 한다. 스터드의 설 치간격은 455 mm를 초과할 수 없고 런너에 나사못(Screw)으로 고정시킨 다. 석고보드(Gypsum board)는 한 겹 또는 두 겹으로 시공한다. 부착 시의 나사못 간격은 가로방향으로 450 mm, 세로방향으로는 400 mm 이내로 한 다. 이때 천장에서부터 10 mm 정도 이격 시켜 부착하며 필요에 따라 실란 트로 마감한다. 또한 석고보드는 횡방향(스터드와 직교하는 방향)이나 종 방향(스터드와 나란한 방향)으로 시공이 가능하지만 내화구조 칸막이벽일 경우에는 종방향으로만 시공되어야 한다. Fig. 3에는 일반적인 경량칸막이 벽의 상세를 나타내었다.

    3.1.2 경량칸막이벽 내진설계절차

    경량칸막이벽의 내진설계절차는 크게 설계하중산정절차, 강도 및 변위 검토절차로 구분할 수 있다. 설계하중은 고정하중, 활하중, 지진하중을 포 함하고 있으며 이들을 조합할 때는 설계기준에서 규정하는 일반적인 하중 조합을 사용한다. 고정하중은 비구조요소의 중량(Wp )을 의미하며 설계대 상 칸막이벽의 시공상세를 참고하여 산정한다. 활하중은 건축물의 내벽에 가해지는 손스침을 고려하여 벽면의 직각방향으로 0.25 kN/m2 이상의 등 분포하중을 적용한다. 지진하중은 앞서 언급한 바와 같이 등가정적해석 또 는 동적해석을 통해 구할 수 있다. 등가정적해석을 사용할 경우에는 단주기 설계스펙트럼가속도(SDS)가 사용되는 식 (1)을 통해 수평설계지진력(Fp ) 을 산정한다.

    F p = 0.4 a p S D S W p ( R p / I p ) ( 1 + 2 z h )
    (1)

    여기에서 ap는 비구조요소의 증폭계수, Rp는 비구조요소의 반응수정계수, Ip는 비구조요소의 중요도계수이다. 경량칸막이벽에 대해 ap = 1, Rp = 2.5, Ip = 1.5를 사용한다. z는 구조물의 밑면으로부터 비구조요소가 부착 된 높이, h는 구조물의 밑면으로부터 지붕층 평균높이이다.

    동적해석을 사용할 경우에는 i층의 층응답가속도(ai )가 사용되는 식 (2) 를 통해 Fp를 산정한다.

    F p = a i a p W p R p / I p
    (2)

    이와 같이 산정된 Fp는 0.3SDSIpWp 이상, 1.6SDSIpWp 미만이어야 한다. 콘크리트나 조적조에 설치되는 정착부 설계 시에는 비구조요소의 초과강 도계수(ohmp )를 Fp에 곱하여 지진하중을 구한다. 경량칸막이벽의 ohmp 는 2.0이다.

    강도검토는 스터드, 고정못, 석고보드 각각에 대해 이루어져야 한다. 런 너의 탈락이나 손상은 고정못의 거동에 좌우될 것으로 판단하여 본 연구에 서는 런너에 대한 강도검토는 생략하였다. 스터드는 수직재로서 칸막이벽 자체의 자중으로 인한 압축력과 벽체에 작용하는 면외하중에 의한 휨 및 전 단력에 저항해야 한다. 스터드의 강도는 건축물 강구조 설계기준(KDS 41 31 00)[14]을 참고하여 산정한다. 먼저, 일반적으로 강재의 압축강도(Pn ) 는 단면의 분류(조밀, 비조밀, 세장판)에 따라 휨좌굴, 비틀림좌굴, 휨-비틀 림좌굴 한계상태를 고려하여 산정한다. 그러나 Fig. 4에서 알 수 있듯이, 양 면이 면재로 구속된 스터드가 압축력을 받을 때의 파괴모드는 국부좌굴 (Local buckling), 강축(Major axis)에 대한 좌굴, 약축(Minor axis)에 대 한 좌굴의 형태로 나타난다. 따라서 스터드의 압축강도(Pn,stud) 산정 시 비 틀림과 관련된 한계상태는 생략한다. 이때 약축에 대한 좌굴길이는 나사못 간격(df)의 2배임을 주의한다. 휨강도(Mn,stud)는 벽체의 면외하중, 즉 스 터드를 기준으로 강축휨에 저항하는 강도이기 때문에 소성휨모멘트 또는 횡비틀림좌굴강도와 같다. 따라서 스터드의 비지지길이(Lb)와 소성한계 비지지길이(Lp ), 비탄성한계 비지지길이(Lr )의 관계로부터 횡좌굴영역을 판정하여 구한다. 또한 스터드는 휨과 압축이 동시에 작용하는 1축 대칭부 재이므로 조합력에 대해 추가 검토한다. 전단강도(Vn,stud)는 웨브의 폭두 께비에 따라 전단항복, 비탄성좌굴, 탄성좌굴 한계상태를 고려하여 산정 한다.

    고정못과 석고보드는 각각 전단과 휨에 대해 검토한다. 고정못의 전단강 도(Vn,nail)는 기준의 요구사항에 따라 직접 산정하거나 제조사별로 제공하 는 묻힘깊이에 따른 전단강도를 사용한다. 석고보드의 휨강도(σb,gyp )는 휨 파괴하중 시험[16]에 의해 측정된 하중을 응력 단위로 치환하여 구한다(식 (3)). 휨 파괴하중은 KS F 3504에 규정된 석고보드의 종류 및 두께별 최솟 값을 사용하거나 시험성적서를 참고한다.

    σ b , g y p = 3 P L 2 b t 2
    (3)

    여기에서 P는 휨 파괴하중, L은 지점간의 거리, bt는 각각 휨 파괴하중 시험편의 폭과 두께이다. KS F 3504에 따르면 석고보드 시험편의 크기는 300 × 400 mm, 시험편을 지지하는 봉 간의 간격은 350 mm이므로 식 (3) 에서 L은 350 mm, b는 300 mm, t는 석고보드의 두께를 적용하여 산정한다.

    경량칸막이벽의 변위검토는 구조요소의 층간변위각 결과를 이용해 간 접적으로 평가한다. 음압격리병동의 경량칸막이벽은 밀폐성능을 확보하 기 위해 밀실하게 시공되어야 하며 이로 인해 구조체 변형 시 함께 거동할 것으로 예상된다. KDS 41 17에서는 기능수행이 요구되는 건축물에 대해 구조체의 층간변위비를 내진특등급의 허용층간변위비로 제한함으로써 강성이 요구사항에 충족되는 것으로 본다. 이에 따라 구조체의 층간변위 비가 1% 이내이면 경량칸막이벽도 변위제한을 만족하는 것으로 간주할 수 있다. 그러나 Amer at al.[17]는 메탈프레임을 사용한 석고보드 칸막이벽 에 대한 반복가력실험을 통해 0.78%의 층간변위각에서 나사못이 탈락함 을 확인하였고, 지진방재연구센터(Seismic Research and Test Center, SESTEC)[18]는 경량철골 칸막이벽의 진동대 실험을 통해 약 0.59%와 1%의 층간변위각에서 각각 나사못 탈락과 보드의 모서리부 압괴를 관찰하 였다. Mcmullin & Merrick[19]는 목재 스터드를 사용한 경량칸막이벽을 대상으로 한 결과이긴 하나 개구부 주변에서는 0.25%의 층간변위각 수준 에서도 미세한 균열이 발생함을 보였다. 이러한 실험결과를 참고하여 음압 격리병동 내 경량칸막이벽의 변위제한을 0.5% 로 보다 엄격하게 제한할 필 요가 있을 것으로 판단된다.

    만약 칸막이벽에 끼워진 유리가 있을 경우 유리와 틀이 접촉하면 유리가 탈락하거나 깨질 위험이 있으므로 식 (4) ~ (6)를 이용해 유리 안정성 검토 를 추가적으로 수행한다.

    D c l e a r 1.25 D p I
    (4)

    D c l e a r = 2 c 1 ( 1 + h p c 2 b p c 1 )
    (5)

    D p I = D p I E
    (6)

    여기에서 Dclear는 유리와 유리틀 사이에 접촉이 발생하게 되는 틀의 상대 변위, DpI는 비구조요소가 수용해야 하는 상대변위, Dp는 비구조요소가 설 치되는 지점에 대한 구조물의 상대변위로서 구체적인 규정은 KDS 41 17 의 18.2.3에 따라 산정한다. IE는 건축물의 중요도계수, c1c2는 각각 유 리와 틀 사이의 좌우측 유격의 평균값과 상하부 유격의 평균값, hp는 직사 각형 유리패널의 높이, bp는 직사각형 유리패널의 폭이다.

    3.2 천장시스템

    3.2.1 천장시스템 상세

    천장시스템은 행어와이어(Hanger wire) 및 행어볼트(Hanger bolt)를 매다는 방법에 따라 두 가지로 구분한다. 행어와이어 및 볼트를 메인 T바 (Main T-bar)에 직접 연결하면 직접 매다는 형(Direct hanging), 캐링채널 (Carrying channel)에 연결하면 간접 매다는 형(Indirect hanging)으로 칭 한다. 또한 하중을 전달하는 방식에 따라 벽을 통해 하중을 전달하는 시스템 과 가새를 통해 전달하는 시스템으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 벽을 통 해 하중을 전달하는 간접 매다는 형의 천장시스템을 대상으로 한다.

    Fig. 5에서 알 수 있듯이, 간접 매다는 형의 천장시스템은 주요 구성요소 로서 T-bar가 사용되며 여기에 천장패널을 얹는다. T-bar는 메인 T바와 크 로스 T바(Cross T-bar)로 구성되는데, 메인 T바는 클립을 통해 캐링채널 에 결속하는 자재이고 크로스 T바는 메인 T바 사이에 고정되는 자재이다. 천장시스템과 벽 사이의 하중 전달이 가능하도록 하기 위해 천장시스템 단 부에 클립을 설치한다. 추가적으로 천장의 면적이 250 m2을 초과하는 경우 에는 천장가새시스템을 설치하거나 파티션 설치 등을 통해 천장 면적이 250 m2 이내가 되도록 구역을 분리한다.

    3.2.2 천장시스템의 내진설계절차

    천장시스템의 내진설계절차도 경량칸막이벽과 동일하게 설계하중산정 절차, 강도 및 변위검토절차로 구분할 수 있다. 그러나 본 연구에서는 단부 클립을 사용해 벽을 통해 하중을 전달하는 천장시스템을 다루고 있기 때문 에 벽체와 천장시스템 사이에 이격이 존재하지 않는다. 따라서 변위검토절 차는 생략한다. 고정하중(Wp )은 천장시스템 자체 및 해당 시스템에 부착되 는 기타 요소들(조명기구 등)의 무게를 포함하여 산정해야 한다. 지진하중 은 식 (1) 또는 (2)를 통해 산정하며 이때 Wp는 최소 200 N/m2 이상을 적용 한다. 이때 ap = 1.0, Rp = 2.5, ohm0 = 2.0, Ip = 1.5를 사용한다.

    강도검토는 메인 T바, 크로스 T바, 캐링채널, 행어볼트에 대해 수행한 다. 각각의 강도는 건축물 강구조 설계기준을 따라 산정한다. 메인 T바와 크 로스 T바는 중력방향과 수평방향의 하중을 고려하여 설계한다. 전자에 해 당하는 하중은Wp와 수직지진하중(Fp,υ )이 있다. Fp,υ는 식 (7)로 산정한다. 후자는 수평지진하중(Fp )과 같다. 이러한 하중들을 토대로 산정된 축력과 휨 및 전단력에 대해 검토를 수행한다.

    F p , υ = ± 0.2 S D S W p
    (7)

    T바의 강도는 T형 단면 강재의 강도 산정 절차를 참고한다. T바의 압축 강도(Pn,t )를 산정하기 위해 먼저 판폭두께비를 검토해야 한다. 그러나 T바 는 비정형 단면이기 때문에 웨브에 대한 판폭두께비 검토가 어렵다. 또한 웨 브의 상부가 폐단면임을 감안하여 국부좌굴은 발생하지 않는 것으로 가정 한다. 이러한 사항을 고려하여 휨좌굴에 대한 압축강도를 사용한다. T바의 휨강도(Mn,t )는 항복강도, 횡좌굴강도, 플랜지 국부좌굴강도의 한계상태 에 대해 고려해야 한다. 단 T바에는 천장 패널이 얹히기 때문에 횡좌굴이 발 생할 수 없다. 따라서 횡좌굴 한계상태는 고려하지 않는다[6]. T바의 전단 강도(Vn,t )는 기준에 명시된 웨브의 구속조건에 따라 산정한다. 해당 부재 는 압축과 휨을 동시에 받으므로 조합력에 대해 추가 검토한다.

    캐링채널에는 메인 T바를 통해 전달된 하중이 가해지므로 두 부재가 면 하는 지점에 중력방향 및 수평방향의 하중이 집중하중으로 작용한다. 또한 캐링채널은 벽과 접촉하지 않기 때문에 축방향 검토는 생략한다. 캐링채널 의 휨강도(Mn,c)와 전단강도(Vn,c)는 ㄷ형 단면 강재의 강도 산정 절차를 참고할 수 있으며 경량칸막이벽 스터드의 휨강도 및 전단강도 산정과 유사 하다. 단, 여기에서 Lb는 행어볼트 간격을 사용한다.

    행어볼트는 단면의 직경이 얇아 단부에서 휨에 저항하지 못한다고 가정 한다. 따라서 중력방향 하중에 대해서만 검토하며 이를 위해 인장강도 (Pn,h)를 산정한다.

    4. 비구조요소 내진설계 전산도구 및 설계예제

    4.1 비구조요소 내진설계 전산도구 개발

    건축비구조요소는 이미 대부분 규격화되어있어 시공상세의 변화폭이 크지 않다. 따라서 설계변수 및 절차가 확립되어있다면 전산도구를 통해 검 토 및 설계에 소요되는 시간을 크게 단축시킬 수 있다. 본 연구에서는 앞서 3 장에서 정리한 음압격리병동 내 경량칸막이벽 및 천장시스템의 내진설계 절차를 바탕으로 하여 스프레드시트 기반의 전산도구를 개발하였다. 총 세 개의 시트로 구성되어있으며 각각의 시트에서 일반 경량칸막이벽, 유리창 을 포함하는 경량칸막이벽, 천장시스템에 대한 검토 및 설계를 할 수 있다. 각 시트는 공통적으로 다음과 같은 구성을 갖는다.

    • (1) 입력 영역

    • (2) 하중 산정 영역

    • (3) 소요 및 설계강도 산정 영역

    • (4) 평가 영역

    입력 영역(Input part)은 전처리 과정으로서 비구조요소의 형상이나 설 치위치, 규격 등과 같은 기본적인 정보와 하중 산정을 위한 조건, 비구조요 소의 변위 검토에 필요한 구조체의 층간변위각 결과를 입력하는 부분이다. Fig. 6은 전산도구에서 일반 경량칸막이벽과 천장시스템 시트의 입력 영역 을 나타낸 것이다. 각 비구조요소를 이루는 구성요소에 따라 입력 항목이 별 도로 정의되어 있음을 알 수 있다. 참고로 유리창이 포함된 경량칸막이벽 시 트에서는 유리창 정보 입력란이 추가된다. ‘Value’ 열에서 음영처리 된 부 분은 자동입력(또는 계산) 되는 부분이다. 하중 산정 영역(Design load calculation part)은 입력 영역의 값을 토대로 고정하중과 지진하중을 자동 산정하는 부분이다. 활하중은 필요에 따라 입력 영역에 입력한다. 소요 및 설계강도 산정 영역(Demand force and strength calculation part)에서는 경량칸막이벽 또는 천장시스템의 구성요소 각각에 작용하는 소요강도와 각 구성요소별 축, 휨, 전단에 대한 설계강도를 자동 산정한다. 이를 위해 일 반적인 역학 이론 및 설계 기준에 따른 강도 산정식 등이 적용되었다. 마지 막으로 평가 영역(Evaluation part)에서는 비구조요소의 구성요소별 강도 검토 및 변위검토 결과를 DCR(Demand –Capacity Ratio)의 형태로 출력 한다. 일반 경량칸막이벽 시트에서는 스터드에 작용하는 축력, 휨 모멘트, 전단력, 고정못에 작용하는 전단력, 석고보드에 작용하는 휨에 대한 강도검 토와 구조요소의 층간변위각 결과를 활용한 간접적인 변위검토를 다룬다. 참고로 입력 영역에서 고정못 묻힘 깊이(hef)를 입력하지 않으면 고정못 하 나에 작용하는 전단력에 저항하기 위한 최소 묻힘 깊이를 검토 결과로 제시 한다. 경량칸막이벽에 유리창이 포함된 경우에는 유리 안정성 검토가 추가 된다. 천장시스템 시트에서는 T바에 작용하는 축력, 휨 모멘트 , 전단력, 행 어볼트에 작용하는 축력, 캐링채널에 작용하는 휨 모멘트와 전단력에 대한 강도검토를 다룬다. 앞서 Fig. 6에 나타낸 입력 영역을 제외한 나머지 영역 에 대한 시트는 4.2장에서 확인할 수 있다.

    4.2 전산도구를 활용한 경량칸막이벽 검토 예제

    예제 경량칸막이벽은 실제 음압격리병동 도면을 참고하여 선정하였다. Fig. 7에는 본 연구에서 참고한 음압격리병동 평면도의 일부를 나타내었다. 예제 경량칸막이벽은 총 길이가 6.2 m, 높이는 5.85 m이며 음압격리병실 과 오염물처리실 사이에 위치한다. 해당 칸막이벽은 피난동선 상에 위치하 지 않기 때문에 내진설계 대상에 포함되지 않을 가능성이 높다. 그러나 음압 격리병동의 성능목표를 내진특등급 건물과 동일한 수준으로 설정하였다는 점과 지진 발생 후에도 음압격리병실의 음압을 유지해야 하고 감염원이나 오염물의 전달을 막기 위해 해당 칸막이벽이 기능유지 성능수준을 보유할 필요가 있기 때문에 해당 벽체를 검토 대상으로 선정하였다(Ip = 1.5). 경량 칸막이벽의 상세는 시방서에서 요구하는 수준에 부합하도록 가정하였다. Table 4에는 예제 경량칸막이벽의 구성요소별 설치간격을 정리하였다. 설 계기준항복강도(Fy )는 245 MPa을 사용하였다. 스터드는 75형(75 × 45 × 0.8 mm), 석고보드는 12.5T의 방화석고보드를 두 겹 사용한 것으로 가정 하였다. 휨 파괴하중은 방화석고보드가 종방향으로 시공되는 것을 감안하 여 KS F 3504에 규정된 방화석고보드 12.5T의 너비방향 최솟값(180 kN) 을 사용하였다. 단열재는 72 mm 두께의 글라스울이 사용된 것으로 가정하 였으며 고정하중(Wp ) 산정 시에만 고려하였다. 또한 설계대상 칸막이벽의 양면에 모두 사람의 손이 닿을 수 있으므로 손스침 하중(활하중)을 반영하 였다. 지진하중은 등가정적해석을 통해 산정하였다. 유효지반가속도(S)는 0.22 g, 지반조건은 S4, 벽체의 설치 위치는 최상층으로 가정하였다(z=h) 이러한 예제 경량칸막이벽의 기본 정보 및 하중 조건이 반영된 전산도구의 입력 영역과 하중 산정 영역을 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 9는 입력 영역 및 하중 산정 영역의 값을 토대로 자동계산이 완료된 소요 및 설계강도 산정 영 역 시트이다. 여기에는 앞서 3장에서 기술한 구성요소별 강도검토 내용이 반영되어있다. 따라서 예제 경량칸막이벽의 스터드에 작용하는 압축력 및 압축강도, 휨 모멘트 및 휨 강도, 전단력 및 전단강도, 고정못에 작용하는 전 단력 및 전단강도, 석고보드에 작용하는 휨 응력 및 휨 강도가 계산되었다.

    각 구성요소별 검토 결과는 Fig. 10과 같으며 스터드의 휨 모멘트 및 휨- 압축 조합력에 대한 DCR이 1을 초과하였다. 이를 통해 예제 경량칸막이벽 의 시공 상세가 표준시방서를 만족함에도 불구하고 음압격리병동에서 요 구되는 강도를 만족하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 이에 대한 보강 방안 으로 본 연구에서는 스터드 설치 간격을 기존의 절반인 225 mm로 감소시 켰으며 모든 구성요소의 DCR이 1.0 미만이 되는 것을 확인하였다(Fig. 11).

    변위 검토는 앞서 입력 영역에 구조요소의 층간변위각 결과를 입력하지 않았기 때문에 생략되었다. 그러나 3.1.2절에서 언급한 바와 같이, 예제 경 량칸막이벽이 OP 수준을 만족할 수 있도록 해당 비구조요소의 층간변위각 이 0.5% 이내를 만족할 필요가 있으며 이를 위해 구조물의 층간변위각도 함께 제한되어야 할 것으로 판단된다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 감염병 중증 환자를 대상으로 하는 음압격리병동이 지진 발생 여부와 상관없이 정상적으로 의료서비스를 제공할 수 있도록 건축 비 구조요소의 내진설계절차를 정리하였다. 이때 격리병동에 대한 설계지침 등을 참고하여 본 연구의 대상을 경량칸막이벽과 천장시스템으로 특정하 였다. 또한 스프레드시트 기반의 내진설계 전산도구를 개발하여 비구조요 소의 검토 및 설계에 소요되는 시간을 단축시키고 인적 과실을 줄임으로써 실무 편의성과 설계결과의 신뢰성을 향상시키고자 하였다. 본 연구의 결론 은 다음과 같다.

    • 1) 감염병 전담병원의 신축 계획 시 응급시설이나 수술시설을 포함하지 않 는 경우가 있다. 이로 인해 내진Ⅰ등급 건물로 분류되면 사양기반설계절 차를 만족하도록 설계하더라도 기능수행 성능수준은 보장되지 않는 것 으로 판단된다. 음압격리병동에서는 비구조요소의 낙하, 탈락 등에 의한 피해뿐만 아니라 감염원의 노출로 인한 집단 감염을 막기 위해 건물의 밀 폐성능이 잘 유지되어야 한다. 따라서 감염병 전담병원의 내진설계 시 응급/수술시설의 유무와 상관없이 내진특등급 수준의 성능을 목표로 할 필요가 있다.

    • 2) 표준시방서의 시공 상세를 갖는 예제 경량칸막이벽에 대해 KDS 41 17 00에서 요구하는 소요강도와 비교한 결과, 스터드의 휨 모멘트와 휨-압 축 조합력에 대해 강도를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이를 해결 하기 위한 방안으로는 스터드의 재료강도 증가, 설치간격 감소 등이 있 다. 단, 비구조요소의 요구강도는 해당 비구조요소의 수직 설치위치가 주요 변수이므로 이에 따라 검토 결과가 다르게 나타날 수 있음을 주지하 는 바이다.

    • 3) 감염병 전담병원은 고유한 기능을 유지하는 데에 비구조요소의 성능이 기여하는 바가 크다. 따라서 구조요소 설계 시 내진등급에 따른 층간변 위제한보다는 비구조요소의 기능수행을 위한 변위제한을 만족하도록 할 필요가 있으며 이를 위해 해당 시설에 설치되는 비구조요소의 다양한 시공 상세별 변형능력 또는 허용변위에 대한 조사가 선행되어야 할 것으 로 사료된다.

    • 4) 정리된 내진설계절차를 토대로 스프레드시트 기반의 비구조요소 내진 설계 전산도구를 개발하였으며 이를 통해 다양한 상세의 경량칸막이벽 및 천장시스템에 대한 강도검토, 변위검토, 보강설계에 드는 시간과 노 력, 그리고 인적 과실이 감소될 수 있음을 확인하였다.

    본 연구를 통해 개발된 전산도구는 신축 건물의 비구조요소 내진설계를 포함하여 기존 건축물의 내진성능평가에도 활용될 수 있으며 음압격리병 동뿐만 아니라 다양한 유형의 건축물로 그 유형을 확장시킬 수 있을 것으로 기대된다. 단, 이를 위해서는 규격화가 되어있는 비구조요소를 대상으로 내 진설계절차가 확립되어야 한다.

    / 감사의 글 /

    이 논문은 2021년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 과학기술 일자리진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2021-브릿지-03).

    Figure

    EESK-26-3-127_F1.gif

    Non-structural element design procedure proposed by KDS 41 17 [4]

    EESK-26-3-127_F2.gif

    Composition of negative pressure isolation wards [7, 8]

    EESK-26-3-127_F3.gif

    Typical details of gypsum wallboard system with metal stud

    EESK-26-3-127_F4.gif

    Failure modes of sheathed steel studs under axial load [15] (L = Unbraced length, df = Spacing of screws)

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    Typical details of ceiling system (indirect hanging)

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    Input parts of computational tool

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    Example plan of negative pressure isolation wards

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    Input part and load calculation part of computational tool for gypsum wallboard system

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    Strength calculation part of computational tool for gypsum wallboard system

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    Evaluation part of computational tool for gypsum wallboard system

    EESK-26-3-127_F11.gif

    Evaluation part after changing the stud installation spacing

    Table

    Performance objectives of KDS 41 17 by seismic classifications [4]

    The relationship between the building performance level and structural & non-structural performance level of KDS 41 17 [4]

    The main non-structural elements of the negative pressure isolation wards [7, 8]

    Spacing of gypsum wallboard system components

    Reference

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