[논문]기존건축물의 내진성능 보강을 위한 리모델링 제진댐퍼 적용

임지혜; 정인용; 고창균

기존건축물의 내진성능 보강을 위한 리모델링 제진댐퍼 적용
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임지혜 ((주)DRB동일 면진제진사업팀) , 정인용 ((주)DRB동일 면진제진사업팀) , 고창균 ((주)DRB동일 면진제진사업팀)

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문제 정의

따라서 본 고에서는 연성능력 및 감쇠능력을 추가하는 제진댐퍼의 설계부터 시공까지 오사에서 진행한 기존건축물 내진보강 사례에 대해 다루어 보고자 한다.

제안 방법

제진댐퍼를 적용하여 리모델링을 한 사례들을 다루어보며 제진댐퍼의 효과에 대하여 살펴보았다. 꾸준히 증가하고 있는 지진 발생 빈도와 그로 인한 피해에 대해 우려가 커지며 기존건축물들의 내진성능 보강에 대한 필요성이 많이 대두되고 있어 이에 따라 다양한 내진성능 보강법이 제시되고 있고, 현재에도 많은 연구가 진행 되고 있다.

대상 데이터

마포 현석 아파트는 서울시 마포구에 위치한 공동주택으로 2011년~2013년에 국내 최초 2개동 수직증축하며 수평, 수직으로 확장하였다. 그림 18과 같이 간막이벽 사이에 벽식 EaSy Damper를 설치하고 인방보형 댐퍼 설치하여 강도 및 강성 보강 뿐만 아니라 연성능력과 감쇠능력을 추가하였다.
신라호텔은 서울시 중구에 위치한 호텔로 2013년에 리모델링 공사를 진행하며 목표성능을 인명안전에서 거주가능 수준으로 향상시키기 위하여 그림 17과 같이 기존 브레이스를 활용하여 MEED Damper를 설치하였다.

성능/효과

MCE Level에 대하여 일반 가새를 적용한 경우와 제진댐퍼를 적용한 경우를 비선형 동적해석으로 검토한 결과, 일반 가새를 적용한 경우보다 전반적으로 우수한 내진 거동을 보였다. 그림 11~그림 13과 같이 제진댐퍼를 적용한 경우가 최대 응답 가속도와 최대 층전단력이 10% 감소하였으며, 최대 층간 변위는 10~15% 감소하였고 허용층간변형 또한 만족하였다.
그림 16과 같이 비선형 정적해석을 검토한 결과비선형 정적해석을 검토한 결과, 구조물의 성능곡선이 제진 장치 적용 후 연성능력이 증가되었음을 확인하였고, 비선형 동적해석을 검토한 결과, 제진댐퍼 적용 전에는 내진 Ⅰ등급을 만족하였으나, 제진댐퍼 적용 후에는 내진 특등급을 만족하여 거주가능 수준의 내진성능을 보유하고 있는 것으로 나타났다.
비선형 동적해석을 통하여 인명안전 수준과 붕괴방지 수준에 대한 층간변형을 검토한 결과, 그림 19 ~ 그림 20과 같이 모두 허용 층간변형각을 만족하여 내진성능을 충분히 만족하는 것으로 나타났다. 인명안전 수준에서의 허용 층간변형각은 1.
서울시 종로구에 위치한 국립현대미술관은 2011년 ~2013년에 리모델링 공사가 진행되어 브레이스형 댐퍼를 그림 21과 같이 방향별로 두 개소씩 설치하여 구조물의 강도 및 강성을 보강하고 연성능력 및 감쇠능력을 추가하였다. 비선형 정적해석 검토 결과, 그림 23과 같이 X방향과 Y방향 모두 제진댐퍼 적용 후 강도와 강성이 보강된 것으로 나타났으며 연성능력이 확연하게 증가한 것으로 확인되었다. 국립현대미술관의 1층의 기념품 상점에는 그림 24와 같이 제진댐퍼를 노출시켜 인테리어 효과를 얻으며 눈으로 댐퍼 형상을 확인할 수 있는 기회를 제공하고 있다.
비선형 정적해석 검토 결과, 기존에는 횡력 저항 시스템의 내력이 설계 지진력의 86%, 80% 수준으로 내진 성능 수준 (인명안전 수준)에 도달하지 못하고, 취성 파괴의 양상을 보여 내진 보강을 통한 내진 성능 향상과 연성확보가 요구되었다. 이에 대해 제진댐퍼를 적용한 결과 횡력 저항 시스템의 내력이 향상되어 국내 내진 성능 기준을 만족하고, 건물 전체에 걸쳐 댐퍼에 소성 힌지가 집중적으로 발생하여 기존건축물의 손상을 최소화하며 연성 거동을 보였다.
비선형 정적해석 검토 결과, 기존에는 횡력 저항 시스템의 내력이 설계 지진력의 86%, 80% 수준으로 내진 성능 수준 (인명안전 수준)에 도달하지 못하고, 취성 파괴의 양상을 보여 내진 보강을 통한 내진 성능 향상과 연성확보가 요구되었다. 이에 대해 제진댐퍼를 적용한 결과 횡력 저항 시스템의 내력이 향상되어 국내 내진 성능 기준을 만족하고, 건물 전체에 걸쳐 댐퍼에 소성 힌지가 집중적으로 발생하여 기존건축물의 손상을 최소화하며 연성 거동을 보였다.
비선형 동적해석을 통하여 인명안전 수준과 붕괴방지 수준에 대한 층간변형을 검토한 결과, 그림 19 ~ 그림 20과 같이 모두 허용 층간변형각을 만족하여 내진성능을 충분히 만족하는 것으로 나타났다. 인명안전 수준에서의 허용 층간변형각은 1.0%으로 X방향, Y방향이 0.48%, 0.41% 으로 나타났으며, 붕괴방지 수준에서의 허용 층간변형각은 2.0%으로 X방향, Y방향이 0.67%, 0.62% 으로 나타나 허용치를 여유 있게 만족하여 구조적 안정성을 충분히 보유하고 있는 것으로 판단된다.
한반도의 지진 발생 빈도와 크기는 그림 1과 같이 2000년대 이후에 꾸준히 증가하는 것으로 나타났다. 이로 인해 내진설계의 도입 이전에 시공된 구조물과 구체화되기 이전의 내진설계가 반영된 구조물의 내진 안정성에 대한 우려의 목소리가 커져가고 있다.

후속연구

건축계획에 영향을 미치지 않으며 구조물의 강도 및 강성뿐만 아니라 연성능력을 보강하여 내진성능을 향상시키고, 감쇠능력을 추가하여 구조물의 안정성을 증대 시킬 수 있는 제진댐퍼의 활용성이 확대되고, 향후 기존 건축물을 리모델링하는 사례가 더욱 많아질 것으로 예상되어 다양하게 적용될 것으로 사료된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

제진댐퍼 설치 보강 방법이란?

제진댐퍼 설치 보강 방법은 장치의 소성거동에 의한 일부 지진에너지의 소산으로 구조물이 부담하는 지진력을 감소시키며 연성능력을 증가시키는 방법이다. 그림 6의 순서로 제진설계가 진행되며 구조물의 성능설계를 바탕으로 장치 용량 및 배치를 결정하여 실제 비선형 해석을 통해 구조물의 거동 및 성능수준을 확인 가능하다.

구조부재의 단면을 증설하거나 구조부재의 추가 설치하는 것의 단점은?

강도 및 강성을 보강하는 방법으로는 그림 3과 같이 구조부재의 단면을 증설하거나 구조부재의 추가 설치가 있다. 하지만 변형 능력에는 변화가 없고 자중의 증가로 기초보강 비용이 추가되며 습식공법으로 공사기간이 증가되기 때문에 경제성이 크게 저하될 우려가 있다.

강도 및 강성을 보강하는 방법에는 무엇이 있는가?

강도 및 강성을 보강하는 방법으로는 그림 3과 같이 구조부재의 단면을 증설하거나 구조부재의 추가 설치가 있다. 하지만 변형 능력에는 변화가 없고 자중의 증가로 기초보강 비용이 추가되며 습식공법으로 공사기간이 증가되기 때문에 경제성이 크게 저하될 우려가 있다.

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