[논문]철골브레이스에 의한 기존 RC건축물의 강도상승형 내진보강을 위한 설계고려사항

안충원; 윤정환; 송동엽; 장범수; 민찬기

doi:10.5000/eesk.2013.17.6.293

철골브레이스에 의한 기존 RC건축물의 강도상승형 내진보강을 위한 설계고려사항
The design considerations of steel braced frame for seismic retrofit through increasing the lateral strength of existing RC buildings 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.17 no.6 = no.94, 2013년, pp.293 - 303

안충원 (한국시설안전공단 건축실) , 윤정환 (한국시설안전공단 건축실) , 송동엽 (한국시설안전공단 건축실) , 장범수 (한국시설안전공단 시설안전연구소) , 민찬기 (한국시설안전공단 시설안전연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with steel braced frame as increasing the lateral strength and ductility in order to seismic retrofit of existing buildings and discusses the designing criteria and calculation method of retrofitted buildings. The addition of steel braced frame can be effective for increasing the lateral strength and ductility of existing buildings. However, There is a problem in utilizing this method. It is the approach to provide an adequate connection between the existing RC frame and the installed steel braced frame, because global strength by failure mode(three type) depends on detail of connection and strength of existing RC frame. So, the designer must be confirmed if it satisfies the required performance or not. Failure mode of type I is the most appropriate for increasing the lateral strength and ductility. Seismic performance evaluation and strength calculation of seismic retrofit are performed by guideline by KISTEC(Korea Infrastructure Safety & Technology)'s "seismic performance evaluation and rehabilitation of existing buildings" and Japan Building Disaster Prevention Association. Buildings are modeled and non-linear pushover analysis are performed using MIDAS program.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

보강효과의 관점에서 본다면 간접접합보다 직접접합이 유리하다고 볼 수 있으나 기존기둥과 보의 철근간섭의 문제 등 시공성에 의해 간접접합의 실적이 많은 편이고, 외부설치의 경우 공사 중에도 건물의 사용이 가능하고 이전 및 대체시설물이 요구되지 않는다는 이점으로 관리주체가 선호하여 최근 증가추세에 있으나 기존골조와 보강부재의 편심발생 및 접합부공사가 어렵다는 단점이 지적되고 있으며 기존건물의 내진보강의 역사가 상대적으로 긴 일본의 경우 보강실적이 내부설치 간접접합공법에서 외부설치 직접접합으로 증가추세이다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 현재까지 사용실적이 많은 철골프레임틀이 부착되고 4면이 기존부와 접합된 간접접합에 의해 기존 RC조 가구부와 일체화된 내부설치 간접접합을 대상으로 서술하며 외부설치 직접접합공법의 과제에 대하여 논하기로 한다.
따라서 본 연구에서는 기존의 중·저층 철근콘크리트 건축물에 많이 사용되는 철골브레이스 신설(프레임부착)에 의한 강도상승형 내진보강에 대하여 실무자들이 기존 건물의 내진성능평가, 보강후 성능평가, 보강계산의 과정에서 반드시 고려해야 할 점을 중심으로 서술한다.
본 장에서는 철골브레이스에 의한 강도상승형으로 계획, 설계되고 보강된 건물이 전장에서 서술한 각 타입별로 어떠한 보강효과가 있는지를 파악하기 위하여 예제를 선정, 한국시설안전공단 요령[2]과 일본건축방재협회[8]에 따라 평가에서 성능향상, 보강후 성능의 확인 과정에 대하여 서술한다. 한국시설안전공단 요령[2]의 내진성능 향상편에서 제시하는 내진성능 향상절차와 이를 토대로 보강부의 각 파괴형식을 고려한 설계방법을 Fig.

가설 설정

a : 증설벽판에서 기둥으로 전달되는 수평력이 집중적으로 작용한다고 가정했을 때의 작용점에서 주두 보 페이스 위치까지의 거리로 특별히 검토하지 않을 때에는 a = D/3으로 한다.
0에 대한 실험결과 및 Mattock[11]로부터 얻어진 것이다. 축력을 더한 실험체의 경우에는 축력에 의한 마찰저항에 의해 전단력은 증가한다고 가정하였으며, 이 실험식은 전단스팬이 짧은 부재에 대한 유익한 추정식이라고 고려되지만, 후프나 스파이럴 등의 전단보강근의 영향은 무시하고 유도되었다.

제안 방법

4) 기존 RC골조의 각 기둥 극한강도는 원칙적으로 철골패널 및 모르타르 등의 보강접합부재를 무시한 기존단면에 대해서 구한다.
Fig. 10과 같이 철골보강부의 위치는 건물의 사용성을 고려해 개구부와 조적허리벽이 설치된 경우를 상정하였으며 Fig. 11과 Fig. 12는 각각 기준층 구조평면도, 철골 브레이스의 위치이며 보강 철골 브레이스는 건축물의 성능을 목표수준 내로 증가시켜주면서 또한 각각 브레이스 성능수준도 건축물의 목표성능수준까지 만족하도록 적용하였다. 예제 건물의 위치는 지진구역I, S_D 지반이며 평가를 위한 구조해석은 MIDAS GEN[12] 프로그램을 사용하였고 해석모델은 Fig.
9(좌)와 같이 기존 건축물의 평가결과 목표로 하는 성능수준을 만족하지 못함에 따라 결함부재 혹은 다른 부분을 보강하여 전체적인 성능수준을 만족하도록 하는 경우 보강에 따른 강도, 강성, 변형능력의 변화를 고려하여 성능향상 이후의 구조물의 내진성능수준을 다시 평가하여야 하며 기존 구조물과 새로 설치되는 부분 사이의 접합부와 보강재 증설로 인한 중량 증가가 발생할 경우 등에 대하여 고려하라고 되어있으며 본 장에서는 기존연구고찰에서 제시된 방법에 따라 보강후 성능의 확인에 대하여 논한다. Fig. 9(우)와 같이 설계자는 보강이 필요한 건물에 대하여 개략적인 보강량(브레이스단면)을 산정하여 신설되는 보강부재주변의 개구부, 조적허리벽을 고려하고 후타설앵커 등 접합부 강도를 달리하여 파괴타입을 결정한 후 각 타입별 비선형모델을 작성하여 보강후 성능평가를 수행한다.
9에 수록한다. Fig. 9(좌)와 같이 기존 건축물의 평가결과 목표로 하는 성능수준을 만족하지 못함에 따라 결함부재 혹은 다른 부분을 보강하여 전체적인 성능수준을 만족하도록 하는 경우 보강에 따른 강도, 강성, 변형능력의 변화를 고려하여 성능향상 이후의 구조물의 내진성능수준을 다시 평가하여야 하며 기존 구조물과 새로 설치되는 부분 사이의 접합부와 보강재 증설로 인한 중량 증가가 발생할 경우 등에 대하여 고려하라고 되어있으며 본 장에서는 기존연구고찰에서 제시된 방법에 따라 보강후 성능의 확인에 대하여 논한다. Fig.
Type II, III의 경우는 Type I만큼 횡하중을 분담하기 위하여 Type I을 기준으로 기둥의 횡강성을 증가시켰다. 각 Type별 파괴형태의 특성이 반영된 보강후 건물 전체의 성능곡선을 구한다. 기타 보강재의 모델링 파라메터와 허용기준은 한국시설안전공단 요령[2]에 따른다.
보강후의 성능평가를 수행하는 첫 단계로 보강부를 구성하는 기존부, 접합부, 보강부를 고려하여 파괴형식별 타입을 결정해야 한다. 보강 전(BF)과 보강 후 파괴타입 별 모델로 구분하였다. 예를 들어 ‘Type1’의 의미는 보강 후 파괴형식 Type I인 철골 브레이스, 패널 파괴형이다.
보강 후 성능평가를 위한 비선형모델의 작성은 내진성능평가와 동일하게 한국시설안전공단 요령[2]의 내진성능평가방법으로 성능평가 수행을 한다. 보강 후의 성능은 기존RC 부재와 보강접합부의 조건에 따른 보강부의 파괴 형태에 따라좌우되며 기존 연구고찰을 통해 3가지 유형의 철골브레이스보강골조의 파괴형태에 따라 건물 전체의 성능수준의 차이에 대한 관계를 파악하기 위하여 Fig. 14와 같이 각 Type별 파괴형태의 특성이 반영된 비선형모델의 작성에 대하여 논한다.
한국시설안전공단 요령[2]에 따라 예제건물 2동에 대한 내진성능 평가에서 현재 실무에 가장 많이 사용되는 철골브레이스신설에 의한 강도상승형 내진보강의 사례를 서술하였다. 이를 통해 2가지 유형의 건물을 선정하여 선형, 비선형해석에 의한 내진성능 평가에서 조적허리벽 및 기존부재, 접합부의 강도 등에 따라 보강 후의 성능에 차이가 있는 것을 확인하였으며, 이를 정리하면 다음과 같다.
한국시설안전공단 요령[2]에 따라 예제건물 2동에 대한 내진성능 평가에서 현재 실무에 가장 많이 사용되는 철골브레이스신설에 의한 강도상승형 내진보강의 사례를 서술하였다. 이를 통해 2가지 유형의 건물을 선정하여 선형, 비선형해석에 의한 내진성능 평가에서 조적허리벽 및 기존부재, 접합부의 강도 등에 따라 보강 후의 성능에 차이가 있는 것을 확인하였으며, 이를 정리하면 다음과 같다.

대상 데이터

예제 건물로는 조적허리벽의 영향을 많이 A, B건물을 선정하였으며 A의 경우 전단벽이 존재하고 비교적 강도가 큰 경우이며, B의 경우는 순수골조로 구성된 비교적 강도가 작은 2가지 건물을 선정하였다. 조적 허리벽이 있는 건물을 선정한 이유는 학교를 포함하여 기존 국내 철근콘크리트 건물은 허리벽이 존재하여 그로 인해 기둥이 단주가 되어 하중지배형태인 전단파괴가 일어나 대부분 성능수준이 좋지 않기 때문이다.

데이터처리

12는 각각 기준층 구조평면도, 철골 브레이스의 위치이며 보강 철골 브레이스는 건축물의 성능을 목표수준 내로 증가시켜주면서 또한 각각 브레이스 성능수준도 건축물의 목표성능수준까지 만족하도록 적용하였다. 예제 건물의 위치는 지진구역I, S_D 지반이며 평가를 위한 구조해석은 MIDAS GEN[12] 프로그램을 사용하였고 해석모델은 Fig. 13과 같다.

이론/모형

평가방법은 한국시설안전공단 요령[2]의 기준에 따른다. 2개의 예제건물 모두 1차모드의 질량참여율이 75%이상인 저층 건물인 경우로 비선형정적 푸시오버해석에 의한 평가를 수행하며 구조 부재의 소성힌지 특성의 정의 등은 역시 한국시설안전공단 요령[2]의 제 5장을 따랐다. 선형정적해석(1단계) 결과와 비선형정적 푸시오버해석(2단계) 결과를 이용하여 보강후의 개별 부재의 성능을 평가 한 후 전체 건물의 성능 수준은 Table 6과 같이 거주가능(IO), 인명안전(LS), 붕괴방지(CP), 붕괴위험(CL)의 4가지로 정의된다.
각각의 보유강도 산정식은 건축구조기준(KBC2009)[9]을 원칙으로 하고 일본 건축방재협회[8]의 내용을 참조한다.
보강 후 성능평가를 위한 비선형모델의 작성은 내진성능평가와 동일하게 한국시설안전공단 요령[2]의 내진성능평가방법으로 성능평가 수행을 한다. 보강 후의 성능은 기존RC 부재와 보강접합부의 조건에 따른 보강부의 파괴 형태에 따라좌우되며 기존 연구고찰을 통해 3가지 유형의 철골브레이스보강골조의 파괴형태에 따라 건물 전체의 성능수준의 차이에 대한 관계를 파악하기 위하여 Fig.
따라서 본 연구에서는 기존의 중·저층 철근콘크리트 건축물에 많이 사용되는 철골브레이스 신설(프레임부착)에 의한 강도상승형 내진보강에 대하여 실무자들이 기존 건물의 내진성능평가, 보강후 성능평가, 보강계산의 과정에서 반드시 고려해야 할 점을 중심으로 서술한다. 본문에서의 보강지침, 보강산식은 기본적으로 한국시설안전공단 요령[2]에 의하며, 요령에 없는 경우는 일본 건축방재협회[8]의 기준을 참고로 한다.
예제건물에 대한 보강후 성능평가는 선형정적해석(1단계)과 비선형정적 푸시오버해석 수행(2단계)로 평가하며 비선형정적 푸시오버해석 은 김태완[13]의방법을 참고한다. 선형정적해석에 의한 평가를 위하여 모든 부재의 거동은 변형지배거동 혹은 하중지배거동으로 구분하고 그에 맞게 하중조합을 다르게 해주어야 한다.
선형정적해석에 의한 평가를 위하여 모든 부재의 거동은 변형지배거동 혹은 하중지배거동으로 구분하고 그에 맞게 하중조합을 다르게 해주어야 한다. 평가방법은 한국시설안전공단 요령[2]의 기준에 따른다. 2개의 예제건물 모두 1차모드의 질량참여율이 75%이상인 저층 건물인 경우로 비선형정적 푸시오버해석에 의한 평가를 수행하며 구조 부재의 소성힌지 특성의 정의 등은 역시 한국시설안전공단 요령[2]의 제 5장을 따랐다.

성능/효과

1) 보강부재가 접합되는 기존부재의 강도와 접합부의 강도에 따라서 Type I(강도･연성저항형), Type II(강도저항형), Type III(연성저항형), Type IV(극취성단주형)으로 분류되며, 각각의 경우에 따라 목표성능이 달라지므로 설계자는 이를 사전에 충분히 감안하여 보강설계를 수행, 보강후 목표성능이 의도한대로 되는지 확인하여야 한다.
2) 보강 후 파괴 및 저항형식은 Type I의 강도 및 연성이 동시에 증대되는 형태를 기대하기 위해서는 기존부재의 강도와 접합부의 강도설계 및 보강부 전체회전여부 등에 주의하여야 한다.
3) 철골브레이스 보강부의 전단강도는 기존 RC골조조부의 극한강도, 철골가구부 및 보강접합부 강도 중 가장 작은 값으로 한다.
3) 패널을 이용한 철골신설브레이스 경우의 강도는 원칙적으로 패널이 전단항복 하도록 단면설계를 한다. 그러기 위해서는 flange가 휨항복 하지 않고, 전단좌굴을 일으키지 않도록 일정 간격으로 스티프너를 배치한다.
5) 기존 RC골조의 각 기둥의 극한강도는 특별한 경우를 제외하고, 철골 프레임 및 모르타르 등의 보강접합부재의 존재를 무시한 기존 단면에 대해서 구한다.
A건물의 Type별 성능수준은 Type I이 거주가능(IO), Type II, Type III가 인명안전(LS)으로 목표성능수준을 만족하였다. 따라서 A건물의 목표성능이 인명안전(LS)이라면 세 가지 Type으로 보강이 가능하나 목표성능이 거주가능(IO)라면 재검토가 필요하다.

후속연구

5) 보강부재는 건물용도의 편의를 위해 외주부에 설치, 접합되는 경우가 많으므로 기존부재의 상태(주변에 개구부 또는 조적허리벽의 유무)를 확인하여 단주화 된 기둥의 전단파괴가 발생하는 지 유무를 평가와 동일하게 확인할 필요가 있다.
6) 철골브레이스가 설치되는 기존부재의 영향을 반드시 고려하여 보강후 성능평가를 수행하여 보강효과를 확인하여야 한다.
7) 기존부재의 콘크리트강도가 13.0 MPa이상의 강도를 기대 할 수 없을 때의 기존기둥 뚫림전단강도식 제안과 최근 국내에서 요구되는 외부설치 직접접합에 의한 철골브레이스 강도상승형 보강법에 대한 연구가 필요하다.
위의 결과에서 알 수 있듯이 보강부의 Type별 파괴형태에 따라 보강후의 성능평가 결과가 달라질 수 있으므로 각 각의 파괴형태를 결정하는 요소인 보강부재가 설치되는 주변의 개구부와 조적허리벽의 유무, 후타설앵커를 포함한 기존부재와 보강부의 접합부강도, 기존부재의 콘크리트강도, 보강부의 중력하중을 충분히 고려하여 보강후 성능평가를 수행하여 목표성능을 만족시켜야 하고 설계자는 이를 사전에 충분히 감안하여 보강설계를 수행, 보강후 목표성능이 의도한대로 되는지 확인하여야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내진보강을 위해 필요한 것은 무엇인가?	최근 일본을 비롯한 해외에서 발생하는 빈번한 대지진으로 인해 국내에서도 기존건물의 내진보강에 대한 관심이 매우 증가하였다. 내진보강을 위해서는 적절한 내진성능평가는 물론 보강후 적절한 평가가 선행되어야 한다. 기존건축물의 내진성능평가의 경우 국내에서는 한국시설안전공단에서 2004년에 ‘기존건축물의 내진성능 평가 및 향상요령’[1]을 발간하였고 2011년에 개정판[2]을 발간하였으며, 한국교육개발원에서는 학교 건물의 내진성능평가 및 보강을 위해 2011년에 ‘학교시설 내진성능 평가 및 내진보강 가이드라인[3]’을 발표하였고, 소방방재청에서는 2012년에 ‘건축물 내진성능평가 가이드라인’을 발표하였다[4].
	철골브레이스 신설(프레임부착)에 의한 강도상승형 보강공법의 장점은 무엇인가?	철골브레이스 신설(프레임부착)에 의한 강도상승형 보강공법의 장점은 건식공법(공장제작)으로 공기를 단축 할 수 있으며 강도상승과 어느 정도의 변형능력증진에 효과가 있다. 또한 기초보강량이 전단벽증설보다 적고 건물디자인에 유리하며 개구부 설치가 유리하여 일조, 채광에 유리하다는 점으로 실무에서 많이 사용되는 공법이나 접합부의 설계과정에 따라 보강 효과가 기대 할 수 없는 경우가 있으며 공사 후, 유지관리에 내화피복 등 방화계획이 필요하다는 단점이 있는 것에 유의하여야 한다.
	국내의 내진보강공사의 현황의 특징은 무엇인가?	한편, 국내의 내진보강공사의 현황을 보면 다음과 같은 특징이 있다. 첫째는 공사비가 비교적 소액이며, 둘째는 보강부재의 설치위치가 기존건물의 용도를 고려하여 제한적이며, 셋째는 보강공사기간에 건물을 사용 할 수 없어 공기단축에 대한 압박이 있는 것이 현실이며, 중요한 점은 보강공사에 대한 공인된 내진보강 시방서, 명확한 보강계산 지침서 등의 부재로 보강 설계에서 사후 유지관리를 포함한 설계 및 시공에 대한 품질이 확보되는지 의문이다.

참고문헌 (13)

KISC. Guidelines for seismic performance evaluation and rehabilitation of existing buildings. Kyeonggi-do, Korea: Korea Infrastructure Safety Corporation; c2004. 224p.
KISC. Guidelines for seismic performance evaluation and rehabilitation of existing buildings. Kyeonggi-do, Korea: Korea Infrastructure Safety Corporation; c2011. 115p.
KEDI. Guidelines for seismic performance evaluation and rehabilitation of school buildings. Seoul, Korea: Korean Educational Development Institute; c2011. 112p.
NEMA. Guidelines for seismic performance evaluation of buildings. Seoul, Korea: National Emergency Management Agency; c2012. 150p.
ASCE41. Seismic rehabilitation of existing buildings. Reston, VA: American Society of Civil Engineers; c2006. 411p.
JBDPA. Standard and commentary for seismic evaluation of existing reinforced concrete buildings. Tokyo, Japan: Japan Building Disaster Prevention Association; c2001.
FEMA356. Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings: Federal Emergency Management Agency; c2000.
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KBC 2009. Korean building code-structural. Seoul, Korea: Architectural Institute of Korea; c2009. 772p.
AIJ. Design Recommendations for Composite Construction(AIJ Design Composite Construction 1985): Architecture Institute of Japan; c1985.
Mattock A. H. et al. Shear Transfer in Reinforced Concrete. ACI Journal. 1969;66:119-128.
MIDAS GEN User's Manual. ver 800: MIDAS IT; c2012.
Kim TW, Min CG. Analytical Study of the Effect of Full and Partial Masonry Infills on the Seismic Performance of School Bulidings. Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea. 2013 Sep; 17(5):197-207.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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