내부형 스틸 프레임 공법으로 보강한 R/C 건물의 내진성능 평가

Abstract

2016년 경주지진 및 2017년 포항지진 발생 이후 국내 각종 건축물 내진안전성에 심각한 위기를 나타내었으며, 이는 우리나라도 대규모 지진이 발생할 가능성이 매우 크며, 이로 인한 국가적인 재난이 발생 할 수 있다는 사실을 절실하게 보여주었다. 2017년 발생한 포항지진에서는 비내진상세를 가지는 학교시설을 포함한 새롭게 신축된 필로티 등에 심각한 지진피해가 발생하였다. 특히 그 가운데에서도 전단보강근이 부족한 철근콘크리트 기둥의 전단파괴는 향후 국내 내진대책을 위한 중요한 이슈로 부각되었다. 따라서 상기 경주, 포항지진 등 우리나라에서 발생하는 지진의 강도와 빈도 가 증가하고 있는 시점에서 대규모 지진 발생 시 건축물의 붕괴로 인한 피해를 최소화하기 위해서는 국내 지진취약 예상 건축물, 특히 기둥의 전단파괴가 예상되는 비내진상세를 가지는 R/C 건물의 내진성능을 향상시킬 수 있는 경제적이며, 효과적인 내진보강법 개발이 요구되고 있는 상황이다. 기존 R/C 건물의 내진보강방법으로 강도보강공법, 변형능력 향상법, 제진장치를 이용한 에너지흡수능력 개선법, 면진공법 등 많은 공법들이 제안되어 있다. 기존 연구결과에 의하면 국내 비내진상세를 가지는 6층 미만의 중ㆍ저층 R/C 건물의 대다수는 기둥 띠철근 간격이 약 30cm로서, 전단파괴가 발생할 가능성이 매우 높은 건물이며, 이와 같은 사실은 2017년 포항지진에서 입증되었다. 또한 극한 수평내력이 매우 부족하여 연성능력을 개선시키는 단독공법을 이용한 내진보강법은 비효율적이라고 지적하고 있으며, 국내 비내진상세를 가지는 전단파괴형 중ㆍ저층 R/C 건물의 내진성능 향상에는 강도증진법이 보다 효율적인 내진보강법이라고 보고하고 있다.

한편, 철골브레이스 보강공법은 건물의 수평력에 대해서 강도를 증진시키는 내진보강 방법이다. 그러나 기존 철골브레이스 보강법은, 작업 공간 확보가 어렵고, 이용 공간이 제한되며, 기존 골조와 보강체 접합부의 일체성 확보문제 및 시공 정확성이 요구되는 등 내진보강 공사기간이 장기화 될 가능성이 높다. 따라서 이러한 단점을 보완하고 극복 할 수 있는 국내 비내진상세를 가지는 중ㆍ저층 R/C 건축물의 내진구조특성(전단파괴형, 낮은 극한내력 등)에 적합하고, 기존 구조체와 내진보강장치의 일체성이 확보 가능한 시공공법, 공간활용이 효율적으로 가능한 새로운 강도증진형 내진보강법의 개발이 필요하다고 사료된다. 본 연구에서는 기존 철골브레이스 내진보강법의 단점을 보완ㆍ개선할 수 있는 새로운 개념의 내진보강법인 내부접합형 철골프레임 (Internal Steel Frame, ISF) 내진보강공법을 제안하였다. ISF 보강공법은 기존 건축물의 골조면내에 부착되는 조립 방식으로서 시공성이 탁월하며, 기존 골조와 보강재의 일체성 확보를 위한 접합부 심부연결을 용접으로 처리하여 접합부 내력확보가 탁월하다. 특히 필요 내진보강량 산정이 간편한 전형적인 강도증진을 통하여 내진성능을 향상시키는 보강공법이다.

ISF 내진보강공법의 보강효과를 검증 할 목적으로 기존 비내진상세를 가지는 국내 기존 R/C 학교건물의 골조는 약 60% 크기로 축소된 1스팬 1층 무보강 골조 실험체와 ISF 내진보강 실험체를 각각 제작하여 반복 횡하중을 이용한 구조실험을 수행하였다. 실험결과 보강 실험체의 경우는 무보강 실험체 대비 ISF 내진보강 실험체는 동일 변위인 10mm에서 약 2.7배의 내력을 발휘하여 내력이 증가하여 내진보강 효과가 탁월하다고 사료된다. 또한, 반복가력실험 결과를 바탕으로 ISF 내진보강 골조의 비선형해석을 위한 각 부재의 이력 및 접합부 모델을 제안함과 동시에 제안한 모델의 타당성을 검증 할 목적으로 비선형정적해석을 실시하여 반복가력 실험결과와 비교 및 분석한 결과, 실험결과 대비 해석결과의 오차범위가 5% 이내로 거의 일치하는 것을 확인하였으며, 본 연구에서 설정한 해석모델은 공학적으로 타당성을 가진다고 사료된다.

최종적으로 ISF 내진보강공법의 실용화를 위해서 ISF 내진보강공법으로 내진보강 한 R/C 건축물을 대상으로 국내 내진설계에서 규정한 지진규모를 이용한 비선형동적해석을 실시하여 내진보강 전과 후의 지진응답변위 및 피해정도를 비교 및 검토하여 내진보강 효과를 검증하였다. 비선형동적해석 결과 무보강 건물의 최종 지진피해 정도는 대규모피해로 예측되었으며, ISF 보강건물의 최종 지진피해 정도는 소규모 피해로 예측되어 본 연구에서 개발한 ISF 내진보강공법은 국내에서 발생가능한 지진에 대해서 LS수준을 만족하는 등 내진보강효과가 탁월하다는 사실을 입증하였다고 사료된다.