[논문]수직 중축형 리모델링 안전진단 내구성 평가기준 합리화에 관한 연구

윤상천; 신동철

doi:10.11112/jksmi.2020.24.6.197

수직 중축형 리모델링 안전진단 내구성 평가기준 합리화에 관한 연구
A Study on the Durability Evaluation Criteria for the Vertical Extension Remodeling of Apartment 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.6, 2020년, pp.197 - 205

윤상천 (가천대학교 건축공학과) , 신동철 (가천대학교 건축공학과)

초록
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주택법(2014년)에 근거하여 철근콘크리트 공동주택의 리모델링 시 수직 및 세대수 증축이 가능하게 되었다. 수직증축 리모델링 가능 여부는 안전진단 기준 및 매뉴얼을 바탕으로 기울기 및 침하, 내하력, 내구성 평가 부문에 대한 평가를 통하여 판정하도록 되어 있다. 그러나 증축형 리모델링 기준 및 매뉴얼 제정 당시, 국내에서는 수직증축 리모델링 안전진단 사례가 전무하여 평가기준 등에 대한 공학적 근거 제시에 한계가 있었으며, 특히 내구성 평가 기준에 대한 합리화 및 관련 기준과의 부합을 위한 개선이 필요한 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서는 국내외 내구성 관련 기준을 근거로 콘크리트 탄산화, 염분함유량, 균열, 철근부식, 표면노후도의 허용치와 평가기준에 대한 검토·분석을 통하여 수직증축형 리모델링 안전진단 내구성 평가방법의 합리화 방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In 2014, The Housing Act amended to allows vertical extension and increases the units of housing (or total floor area) to site. Currently, the feasibility of performing vertical extension is evaluated based on safety diagnosis provisions and manuals with 1st investigation stage on slope, uneven settlement, load-bearing capacity, and durability. However, a need for more reasonable evaluation criteria for the investigation is still required because there had not been any other case study on the diagnosis for the vertical extension, and the engineering basis on evaluation criteria were not suggested. Accordingly, this study is intended to suggest feasible evaluation criteria on the carbonation, chloride ion contents, corrosion of reinforcements, crack and surface deterioration of concrete for durability assessment by codes and standards of domestic and foreign countries. The results of this study are expected to be beneficial for establishing more reasonable durability evaluation criteria, and in turn, more reliable assessment protocol for vertical extension.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1 Codes and Standards on the Durability of Concrete Structures
그림 Fig. 1 General flowchart for assessment of existing structures (Adapted from ISO 13822 – Annex)
표 Table 2 Allowable Carbonation Depth in Different Codes
표 Table 3 Revised Grades on Carbonation Assessment
표 Table 4 Maximum Chloride ion Content for corrosion Protection in different codes
그림 Fig. 2 Limit States and Durability Levels for Corrosion Reinforcement
표 Table 5 Probability of Corrosion (ASTM C876 and BS 7361)
표 Table 6 Standard for Corrosion Potentials of Reinforcing Steel(MLIT)
표 Table 7 Significance level of corrosion potentials of reinforcing(NSI)
표 Table 8 Evaluation Criteria* for the Degree of Corrosion
표 Table 9 Evaluation Grade of Reinforcement Corrosion(Revision)
표 Table 10 Limiting Crack Width in Different Codes
표 Table 11 Evaluation Grades of Crack Assessment(Revision)
표 Table 12 Evaluation grades of Surface deteriorations

AI 본문요약
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문제 정의

평가 결과는 평가등급에 의거하여 모두 B 등급 이상인 경우 수직증축 리모델링 가능, 평가항목 중 어느 하나가 D 등급 이하인 경우는 증축형 리모델링 불가, 이외는 수평증축 리모델링 가능으로 판정하고 있다. 본 연구에서는 수직증축형 안전진단 매뉴얼에서 설정한 철근콘크리트조 공동주택의 내구성 평가항목인 콘크리트 탄산화, 염분함유량, 철근 부식, 균열, 표면 노후화에 대한 국내외 관련 코드 및 기준에서의 평가기 준을 검토하여, 이에 대한 공학적 근거자료를 마련하고, 수직 증축형 리모델링 안전진단에서의 내구성 평가 기준의 합리화를 가능하게 하고자 한다.
본 연구에서는 안전진단 매뉴얼에서의 내구성 조사항목인 콘크리트 탄산화, 염분함유량, 철근 부식, 균열, 표면 노후화의 5개 항목에 대하여 국내외 코드 및 지침과 비교 검토한다. (Table 1).
본 연구에서는 철근콘크리트조 건축물의 내구성과 관련된 국내외 관련 코드 및 기준 등에 대하여 검토하고, 증축형 리모델링 안전진단 매뉴얼의 내구성 조사항목별 허용치 등에 의한 내구성 평가 기준 및 등급의 합리화 방안을 마련하고자 한다.
이상에서 국내외 내구성 관련 코드 및 기준을 검토하여, 조사항목별 허용 허용치와 평가등급의 합리화를 위한 대안을 제시하였다. 향후 성능에 근거한 내구성 평가지침으로 활용하기 위해서는 실 구조물에서의 내구성에 대한 데이터 축적과 검증, 국내 환경 조건에 적합한 열화 예측 모델과 수치해석 모델의 수립을 위한 연구가 지속되어야할 것으로 생각된다.

가설 설정

Table에 의하면 염화물 이온을 수용성과 산용해성으로 구분하여 콘크리트 내부에 포함된 염분함유량을 단위시멘트량에 대한 백분율(%) 또는 염 화물이 온 총량(kg/m3 ) 등으로 규정하고 있다. ( )에 표기한 염분함유량은 우리나라 기준과의 비교를 위하여 단위시멘트량을 350kg/m3 으로 가정하고 염화물 총량으로 환산하여 나타낸 것이다.

제안 방법

본 논문에서는 증축형 리모델링 안전진단 매뉴얼의 내구성 조사항목인 콘크리트 탄산화, 염분함유량, 철근 부식, 균열, 표면 노후화의 5개 항목에 대하여 국내외 내구성 및 철근콘크리트 구조 상태 또는 성능평가 관련 코드 및 기준을 검토하였으며 결론은 다음과 같다.
수직 증축형 리모델링에서 구조 안전성 확보 방안으로 기존 재건축 안전진단 기준 및 매뉴얼을 기반으로 평가 기준을 강화하고 안전진단 및 구조설계에 대한 전문기관의 안전성 검토를 의무화하였다.
국내외 콘크리트 내구성 및 공동주택의 안전진단 기준에 대한 검토 결과, 한국에서는 건축 및 토목 분야에서 철근콘크리트 구조물에 대한 설계, 시공, 유지관리를 위한 KCI 학회 기준 (2017)을 제안하였다. 여기에서는 노출 환경 조건을 일반, 탄산화, 염화물, 동결융해, 황산염으로 구분하고, 유럽과 일본 등에서 진행되어 온 성능기반 내구성 설계기반을 구축하였다.
이와 같은 공동주택은 주차장 부족, 설비 노후화 등 거주자 생활과 관련된 불편 사항이 제기되고 있으며 이의 개선을 위한 리모델링에 대한 요구가 증대되고 있다. 이에 정부는 주택법 (제42조의3 제5항) 및 증축형 리모델링 안전진단 기준 (국토교통부 고시 제2014-000)에 의거하고 공동주택 안전성 확보를 전제로 세대수 증가형(15% 이내) 또는 수직 증축형(최대 3개 층) 리모델링이 가능하도록 하였다.
유럽의 경우 1998년 콘크리트 구조체의 보수비 증대 및 내 구성에 대한 사회적인 관심이 집중됨에 따라 Duranet(Steinar Helland, 2013)라는 네트워크를 구성하고 ISO TC-71 전문 위원회와의 공조 시스템을 구축하였다. 이후 유럽, 북미 및 남미, 일본 등으로 구성된 전문가 그룹을 통하여 fib Model code for service life Design (bulletin No. 34), ISO 2394 (General principles on reliability for structures)를 “parent document”로 한계 상태 및 신뢰성 개념에 근거한 fib Model Code(2010), ISO 16204 “Durability- Service life design of concrete structures를 제정하였다. 이에 의해 실 구조물의 환경 조건별 한계 상태에 의한 내용연수 평가 및 신뢰성 확보 등이 가능하게 되었다.

성능/효과

(2) 염분 함유량은 콘크리트 내부 철근의 부식 가능성을 간접적으로 평가할 수 있는 방법으로 염분 함유량 허용치는 KCI(2012) 등에서 통용되는 0.6kg/m3가 적합할 것으로 판단된다. 또한 안전진단 매뉴얼에서는 기존의 평가 등급을 준용하는 것이 적합한 것으로 판단된다.
(4) 콘크리트에서의 균열 폭의 균열 폭 허용치는 습윤환경에서는 0.3mm, 건조환경에서는 0.5mm로 설정하는 것이 일반적이며, 습윤환경에서의 허용치 변경에 따른 평가등급이 수정이 필요하다.
(5) 표면 노후화 판정은 발생면적(10%)과 깊이(피복 두께의 0.5배)에 의한 허용치와 등급 구분은 적절한 것으로 판단된다. 단지 조사항목에 대한 원인은 전문가의 의견 등으로 참고로 책임기술자가 추정하는 것이 중요하다고 판단된다.
1차 안전진단에서는 조사 결과를 종합하여 대표성능 점수 90 이상 및 성능점수 80 이상인 B등급 이상일 때 수직증축 리 모델링이 가능하고, 2차 안전진단에서는 상세 확인을 통하여 각 항목별 평가등급이 모두 B등급 이상인 경우, 수직증축 리 모델링이 가능한 것으로 판정하고 있다.
검토 결과 현행 리모델링 안전진단 기준의 탄산화 평가 기준에서 와와 같이 철근 표면 최외측까지 탄산화가 진행된 시점을 허용치로 설정하는 것이 합리적인 것으로 판단된다. 단지 일 본 토목학회 조사 결과에서와같이 페놀프탈레인 시약에 의한 변색 경계 및 pH 범위 등 탄산화 깊이 조사 및 시험 방법의 특성과 철근 표면까지의 탄산화가 철근에서의 부 동태 피막파괴 또는 철근 부식 개시 시점과 직결되지 않고 환경 조건에 영향을 받게 된다는 점을 고려해야 할 것으로 생각된다.
또한 수산이온[OH의에 대한 염소이온 농도 [Cl- ]의 비인 [Cl- ]/[OH- ]로 규정하는 보다 과학적인 방법이 보고되고 있으나 이에 의한 한계값을 규정하기 위해서는 진단 장비 및 기술의 보완이 필요할 것으로 생각된다. 따라서 염분함유량 허용치는 우리나라 및 일본 등에서 통용되는 설계 허용 값인 0.6kg/m3 으로 하고, 리모델링 안전진단 기준에서의 염분함유량 평가 등급은 기존의 것을 준용하는 것이 바람직할 것으로 생각된다.
6kg/m3가 적합할 것으로 판단된다. 또한 안전진단 매뉴얼에서는 기존의 평가 등급을 준용하는 것이 적합한 것으로 판단된다.
우리나라 안전진단 매뉴얼의 경우, 자연 전위 최대값을 – 500mV로 하고, 철근의 부식상태에 대한 육안 조사 결과에 따라 A~E의 5개 등급으로 규정하고 있다. 여기서 전연 전위 허용치는 KS F 2712 및 ASTM C 876에서 제시한 –350mV인 것으로 추론할 수 있으며, 육안 조사에 의한 등급은 A~C 등급은 일본 건축학회의 기준과 유사하였으나, D~E 등급에서 우리나라는 단면결손 20%, 일본은 부식면적 20%를 기준으로 적용하고 있었다.
열화 성능 저하 과정 및 부식 평가와 관련된 국내외 기준에 대한 검토 결과, 자연 전위 허용치는 부식이 진행될 확률이 90%가 넘는 시점인 –350mV, 육안조사에서는 “점 녹이 면녹 으로 확대되고 부분적으로 들뜬 녹이 있는 상태”로 설정하는 것이 합리적이라 판단된다.(Table 9) 다만 D~E 등급에서 20%의 단면결손이라는 용어는 수정되어야 할 것으로 생각된다.
이상에서의 검토 결과, 염분 함유량은 콘크리트 내부 철근의 부식 가능성을 간접적으로 평가하기 위한 것으로 설계 허용 값으로 규정하는 방법이 일반적인 것으로 나타났다. 또한 수산이온[OH의에 대한 염소이온 농도 [Cl- ]의 비인 [Cl- ]/[OH- ]로 규정하는 보다 과학적인 방법이 보고되고 있으나 이에 의한 한계값을 규정하기 위해서는 진단 장비 및 기술의 보완이 필요할 것으로 생각된다.
이상의 콘크리트에서의 균열 폭 허용치에 설정과 관련된 국내외 기준 검토 결과, 균열 폭 허용치를 습윤 환경에서는 0.3mm, 건조환경에서는 0.5mm로 설정하는 것이 바람직하다고 판단된다. 또한 내구성에 미치는 균열 폭평 가등급을 Table 11에 나타냈다.
(3) 철근 부식 조사 방법에는 자연 전위를 측정하는 비파괴적인 방법, 육안조사 방법, 할석 후 철근의 부식면적을 측정하는 방법 등이 있다. 철근 부식에 의한 열화 성능 저하 과정 및 부식 평가와 관련된 기준에 대한 검토 결과, 자연 전위 허용치는 –350mV, 육안 조사에서는 “점 녹이면 녹으로 확대되고 부분적으로 들뜬 녹이 있는 상태”로 설정하는 것이 합리적이라 판단된다. 다만 현행 D~E 등 급에서 20% 단면결손은 20% 부식면적으로 수정되어야 할 것으로 생각된다.
평가 결과는 평가등급에 의거하여 모두 B 등급 이상인 경우 수직증축 리모델링 가능, 평가항목 중 어느 하나가 D 등급 이하인 경우는 증축형 리모델링 불가, 이외는 수평증축 리모델링 가능으로 판정하고 있다. 본 연구에서는 수직증축형 안전진단 매뉴얼에서 설정한 철근콘크리트조 공동주택의 내구성 평가항목인 콘크리트 탄산화, 염분함유량, 철근 부식, 균열, 표면 노후화에 대한 국내외 관련 코드 및 기준에서의 평가기 준을 검토하여, 이에 대한 공학적 근거자료를 마련하고, 수직 증축형 리모델링 안전진단에서의 내구성 평가 기준의 합리화를 가능하게 하고자 한다.

후속연구

검토 결과 현행 리모델링 안전진단 기준의 탄산화 평가 기준에서 와와 같이 철근 표면 최외측까지 탄산화가 진행된 시점을 허용치로 설정하는 것이 합리적인 것으로 판단된다. 단지 일 본 토목학회 조사 결과에서와같이 페놀프탈레인 시약에 의한 변색 경계 및 pH 범위 등 탄산화 깊이 조사 및 시험 방법의 특성과 철근 표면까지의 탄산화가 철근에서의 부 동태 피막파괴 또는 철근 부식 개시 시점과 직결되지 않고 환경 조건에 영향을 받게 된다는 점을 고려해야 할 것으로 생각된다.
외국의 경우 유럽, 미국, 일본 등에서 한계 상태 및 신뢰성에 개념에 근거한 성능기반 내구성 관련 기준이 제안되어 활용되고 있다. 이와 같은 기준은 향후 우리나라에서도 데이터 축적을 통하여, 현행 기준 및 지침 개정을 위한 자료로 활용이 가 능할 것으로 판단된다.
이상에서 국내외 내구성 관련 코드 및 기준을 검토하여, 조사항목별 허용 허용치와 평가등급의 합리화를 위한 대안을 제시하였다. 향후 성능에 근거한 내구성 평가지침으로 활용하기 위해서는 실 구조물에서의 내구성에 대한 데이터 축적과 검증, 국내 환경 조건에 적합한 열화 예측 모델과 수치해석 모델의 수립을 위한 연구가 지속되어야할 것으로 생각된다.

참고문헌 (18)

KCI (2012), Standard Specifications for Concrete
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2013), Housing Act
Korea Infrastructure Safety Corporation (2014), Safety Inspection for Extension Remodeling Manuals
Shin, Heechul (2018.5), Sampling Number of the Durability Evaluation Method for the Extension Remodeling of the Apartment Housing, J. Korea Inst. Struct. Maint. Insp, KSMI 22(3), 60-68.

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ISO 13822 (2010), Bases for design of structures-Assessment of existing structures.
S. Helland (2013), Design for serviice liffe implementation of fib Model Code 2010 rules in the operational code ISO 16204, Structural Concrete 14(1).
L. Czarnecki and P. Woyciechowski (2015), Modelling of concrete carbonation; is it a process unlimited in time and restricted in space?, Bulletin of The Polish Academy of Sciences Technical Sciences, 63(1).

상세보기
ACI Committee 318, Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-02).
ACI 224R-01: Control of Cracking in Concrete Structures (Reapproved 2008).
ACI 224R-01: Control of Cracking in Concrete Structures.
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AIJ (1997), Recommendations for Practice of Survey, Diagnosis and Repair for Deterioration of Reinforced Concrete Buildings.
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Takewaka Koji (2015), ISO 16311 Maintenance and Repair of Concrete, Journal of JCI, 53(6).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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