KR101193796B1 - 기둥과 보 골조 내진보강공법 - Google Patents

Abstract

기둥과 보로 이루는 대부분 건물의 지진피해 상황은 패널존 하부, 보 하단에서 기둥과 접합부가 파손되는 것이다. 그러므로 이 부분을 집중 보강하여 어느 한쪽 보를 통하여 진입되는 지진동이 기둥을 통하여 반대편 보까지 원활하게 전달되게 하는 공법이다. 이는 지진으로 파손된 건물에서 바닥판 쪽 보 상단에서는 파손이 크지 않다는 것에 착안한 보강방법이다. 즉 보 하부에도 상부의 바닥판처럼 다이아프램을 추가하는 것이며 그 구체적인 방법은 기존 철근콘크리트 구조, 철골구조 및 TSC 보 등 합성구조로 구분하여 설명한다. 또한 패널존 하부 즉 기둥의 주두부분 보강방법도 제시한다. 이들 내진보강방법은 공사 기간도 짧고 공사비도 저렴하며 마감재 손상이 적을 뿐만 아니라 보강 후 외관도 크게 손상도지 않는 장점이 있다.

Description

기둥과 보 골조 내진보강공법{Seismic Reinforcing Method of Column ＆ Girder Frame}

국내 내진구조설계기준의 시발은 1987년이지만 이는 11층 이상 주거건물에 국한되어 있다가 2009년에 들어서야 전 건물에 내진설계를 하도록 법제화하고 있다. 그러므로 초·중·고등학교를 비롯한 대부분의 기존건물은 내진설계와 무관하다.

외신에 의하면 최근 빈번하게 발생하는 대규모 지진발생시 학교 건물의 피해가 부각되는 데 그 이유는 학교가 수업시간에 지진피해를 입을 경우 다수의 학생들이 집단피해를 입기도 하지만 재난 발생시 휴교령만 내리면 학교 건물을 난민 수용소로 사용하는 것이 편하기 때문이기도 하다. 이에 착안하여 각 교육청에서는 학교건물의 내진보강에 관심을 가지고 있으나, 간편하고 효과적인 보강공법이 없는 것이 실정이다. 이에 착안하여 본 발명자는 다음과 같은 기둥과 보 골조 내진보강공법을 제시한다.

기둥과 보 골조는 학교 건물뿐만 아니라 모든 건물의 표준 공법이다. 그런데 지진피해건물을 보면 대부분의 피해발생 위치가 기둥과 보의 접합부분(패널존 = Panel Zone)의 하부임을 발견할 수 있다. 위와 같은 지진피해를 줄이기 위한 재래식 보강방법은 각각의 보와 기둥의 접합부분을 별도로 보강하거나 도 8과 같이 기둥과 보 프레임 내에 X, 또는 K형의 브레이싱을 추가하는 공법을 많이 사용하고 때로는 댐퍼를 부착하여 지진진동 감쇄효과를 노리기도 한다. 기둥과 보 골조는 크게 철근콘크리트와 철골 및 "TSC 보" 등 합성구조로 대별할 수 있다. TSC 보는 강판 영구 거푸집에 콘크리트를 부어 넣어 강콘크리트 합성보이다. 그러므로 본 발명에서는 철근콘크리트 구조와 철골구조, TSC 보 등 합성보를 대상으로 내진보강공법을 제시하며, 신축 철근콘크리트 건물의 내진설계는 별도 특허출원을 할 예정이다.

기둥과 보 골조가 지진피해를 입은 건물의 피해 상황은 대부분 기둥과 보의 접합부분인 패널존 하부에서 발생한다. 그 이유는 지진발생으로 구조물이 격렬한 횡변위가 반복되면, 도 1과 같이 패널존 상부에는 바닥판이 다이아프램(Diaphragm=剛床效果) 역할을 하여 피해 발생을 저감시킨다. 그러나 하부에는 바닥판의 도움도 없으며, 대부분의 보 단부는 상단이 주응력=인장력을 견디도록 보강하여 상대적으로 약한 하단이 집중 피해를 입고 그 결과 기둥과 보 접합부가 이완되어 접합부 직하의 기둥이 파손되는 것이다. 그러므로 기둥과 보의 접합부인 패널존 하단부를 상단부의 바닥판처럼 보강하는 것이 본 발명의 핵심 기술이다.

기둥과 접합되는 보의 높이가 서로 다를 때 어느 보에서 "반대편 보"까지 지진동을 원활하게 전달하게 하기 위해서는 보 하부플랜지가 같은 평면 내에 있도록 하는 조치가 필요하다. 또한 패널존 직하 기둥 부분을 보강하여 내진구조의 기본인 "강기둥 약보"가 되도록 한다.
반대편 보란 기둥에 부착된 동서남북 4방향의 보에서 예를 들면, 동쪽편 보의 반대편이 되는 서쪽방향의 보 또는 남쪽방향의 반대가 되는 북쪽방향의 보이다. 강기둥 약보는 지진피해 시 상대적으로 기둥강성이 보강성보다 커야 대형사고 발생 위험이 적으므로 설계상에 강기둥 약보의 제한하는 것을 말한다.

지진동은 진앙지와 건물을 잇는 방향성을 가지고 있으므로 건물의 배치에 따라 어느 방향으로 지진이 올 것인지 예측이 불가능하다. 그러므로 진앙지와 가장 가까운 어느 보에 도달한 지진동은 기둥을 지나 반대편 보에 전달하는 매개체가 상부의 바닥판처럼 다이아프램을 형성할 수 있으면 효과적이다.

구체적인 방법은 도 2, 도 4, 도 5와 같이 보 하단면 또는 하부플랜지에 강판을 추가하여 동일 기둥에 접합된 보 하부플랜지끼리 하나가 되게 하는 것인데 보 외피에 강재가 노출된 철골보와 TSC 합성보 등은

형강(6)을 보 하부플랜지에 용접하거나 볼트로 접합할 수 있으나, 철근콘크리트 보는 ㅛ형 강판을 활용하여 볼트로 형강을 부착한다. 철근콘크리트 보의 하단면에는 일반적으로 철근 배근이 조밀하여 이들 철근을 피하여 구멍을 뚫고 "팽창볼트"를 박아 강판을 견고하게 부착하는 것이 어렵기 때문이다. 철근콘크리트 보 측면에는 일반적으로 스티럽만 배근되어 있어 볼트구멍을 뚫기가 쉽다. 팽창볼트란 기존 콘크리트에 구멍을 뚫고 볼트를 타입한 다음 인발하는 과정에서 볼트 단부에 조성한 혹이 쐐기를 팽창시켜 견고히 정착되는 익스팬션 볼트(Expansion Bolt)이다.

패널존 하부의 기둥 부분, 주두 보강은 철근콘크리트일 경우 ㄷ형강(11)을 활용하는 벨트공법을 사용하고 철골 기둥일 때는 강판을 추가 용접하거나 덧붙이는 재래식 방법을 활용한다.

어느 정도 규모의 지진이 언제 어떤 방향으로 내습할지를 예측하는 것은 불 가능하다. 그런데 같은 규모의 지진이라도 후진국에서보다 선진국에서의 피해가 적은 이유는 사전에 구조물을 내진설계 또는 내진보강을 하기 때문이다. 본 발명에서 제시하는 방법으로 내진보강을 하면 마감재 탈부착과 보강공사가 간편하여 비용이 적게 들고 보강시 외관손상도 비교적 적다. 학교 건물의 내진보강은 방학 기간을 활용하는 것이 편리하며, 본 보강은 공사 기간이 짧으므로 그것이 가능한 장점이 있다.

예기치 않은 큰 지진하중이 작용하면 기둥과 보 접합부 또는 기둥 최상단에 지진하중에 의한 파손이 발생한다. 보 상단은 슬래브에 의한 다이아프램 거동에 의해 강성이 증가하여 작용하는 변형이 크게 저감하나, 상대적으로 보 하부플랜지 부위는 응력 및 변형이 집중된다. 그러므로 기둥 최상단 또는 보(2) 하부플랜지 부분을 보강하면, 기둥 보 접합부 및 기둥파손을 최소화 할 수 있다. 보강방법은 보 하부 위치에 맞춰 플레이트를 용접 또는 고력볼트(9)를 이용하여 보강하는 방법을 적용하며, 구체적인 구조종별 상세는 다음과 같다.

도 2는 철근콘크리트 기둥과 보의 내진보강방법이다. 철근콘크리트 보 복부 높이의 1/2~3/4 위치의 양면과 보 하부를 감싸도록 강판으로 ㅑ형강(4)을 제작한다. ㅑ형강은 도 3과 같이 기둥(1)과 접하는 보 단부 하단면에서 상방향으로 플레이트를 끼워서 설치하고, ㅑ형강의 플랜지는 보 폭 보다 길게 확장한다. 확장된 길이는 다른 형강과의 접합이 가능하도록 하며, 측면과 하부에는 각각 볼트구멍을 뚫고 볼트구멍을 이용하여 철근콘크리트 보와 팽창볼트(8)로 고정한다. 철근콘크리트 보 하단은 강판을 부착하기 위한 팽창볼트용 구멍을 뚫는 것이 어려우므로 강판을 ㅑ형(또는 ㅛ형)으로 제작하여 웨브 플레이트에 뚫은 볼트구멍을 통해 철근콘크리트 보의 측면에 팽창볼트로 고정한다. 또한 가능하면 보 하단에서 철근탐사를 하여 빈 공간을 찾아 철근콘크리트 보 하단에도 구멍을 뚫어 팽창볼트를 추가할 수도 있다. ㅑ형강 플랜지의 가로 폭은 기둥 폭에 맞추고 수평날개에 뚫은 볼트구멍을 활용하여

형강을 고력볼트로 조립한다.

도 2의 a, b, c는 각각 기둥에 보가 4개, 3개 및 2개가 부착된 경우의 보강방법이다. 기둥이 코너 또는 외곽부에 있는 경우, 기둥에 보가 2~3개 접합된다. 이때 기둥에 접합되는 보는 양 측면 중 한쪽 면에 보가 삭제되어 ㅑ형강은 비대칭이 된다. 그러므로 ㅑ형강(4)은 보 복부에 고정될 수직재 외측면에 보 없는 방향의 하부 플레이트를 절단한 형상이 되며, 이는 F형강(5)이 된다.

도 3은 보 위치와 기둥 보의 구조종류에 따라 사용된 형강의 형상이다. 수평재로 사용된 플레이트를 플랜지라 명하며, 수직재 플레이트는 웨브로 칭한다.

도 4는 철골 기둥과 보 접합부를 내진보강 하는 공법으로 기둥 4방향에 H형보가 접합된 경우이다. 보 하부플랜지 절반과 기둥(1) 모서리부를 연결하는 플레이트를 기둥과 보 모양에 맞춰 제작하고, 보와 기둥을 연결하는 형상은

형강으로 제작한다. 양 단부에는 볼트접합이 가능하도록 볼트구멍을 뚫고, 보 하부플랜지는 현장에서 볼트구멍을 뚫어 기둥과 직각방향으로 만나는 보 하부플랜지 편측에

형강을 고력볼트로 조립한다. 조립이 완료된 후 필요에 따라 강판용접 등 재래식 방법으로 주두를 보강한다.

도 5는 TSC 보 등 합성보 및 강콘크리트 보의 내진보강방법인데 기둥과 직각으로 만나는 보의 하부플랜지 사이에

형강을 현장용접하고, 강판용접 등 재래식 방법으로 주두를 보강한다.

도 6은 기둥에 접합되는 보의 높이가 다를 경우, 보 하부플랜지 높이를 통일하기 위한 수단으로 ㅑ형강의 좌우 웨브 플레이트 사이에 강판을 용접하여 보 높이 차이를 보정한

형강을 사용한다.

도 7은 주두보강 방법으로 ㄷ형강의 마구리를 45°로 잘라 마구리판(12)을 용접하고, 기둥 주변에 서로 인접한 다른 ㄷ형강(11)과 고력볼트로 긴결하여 기둥 단면 내에 압축력을 유발함으로써 간접 보강하는 방법이다. 이렇게 기둥 4면을 보강한 ㄷ형강은 ㄷ형강밴드가 되며, 이들 ㄷ형강밴드 간의 상하간격은 20cm 내외로 하고 개수는 보 하부에 2~3개를 설치한다. 지진에 의한 기둥 파괴양상은 도 1과 같이 띠철근이 항복하여 기둥 주근이 외부 방향으로 구부러지면서 콘크리트가 밖으로 터져나가는데 이렇게 기둥 주변을 강한 ㄷ형강밴드로 묶어주면 내력이 크게 향상되는 효과가 있다. 또한 각재(13)를 ㄷ형강 상부 또는 하부 플랜지에 볼트(10)로 고정하면 석고보드 등을 설치할 수 있는 바탕재 고정 지지점으로 활용할 수 있다.

도 1은 기둥과 보 골조 중 지진피해가 가장 많은 부분

도 2는 철근콘크리트 기둥과 보 골조의 패널존 내진보강 평면도 및 단면도

도 3은 철근콘크리트 기둥과 보 골조의 패널존 내진보강 부속품 상세도

도 4는 철골기둥과 보 골조의 패널존 내진보강 평면도 및 단면도

도 5는 TSC 합성보와 기둥골조의 패널존 내진보강 평면도 및 단면도

도 6은 기둥에 접합되는 보의 높이가 서로 다를 때 철근콘크리트 기둥과 보 골조의 패널존 내진보강 단면도

도 7은 철근콘크리트 기둥의 주두보강 입면도이다.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

1. 기둥 2. 보

3. 슬래브 4. ㅑ형강

5. F형강 6.

형강

7.

형강 8. 팽창볼트

9. 고력볼트 10 볼트

11. ㄷ형강 12. 마구리판

13. 각재

Claims (6)

1. 사각형 철근콘크리트 기둥(1)과 보(2)로 구성된 기둥 보 접합부에 있어서 ;

   상기 철근콘크리트 보가 기둥과 만나는 위치 복부의 양면과 하부를 감싸도록 강판으로 2개의 웨브와 하나의 플랜지를 용접하여 제작한 ㅑ형 모양의 ㅑ형강(4) ;

   상기 ㅑ형강은 기둥과 접하는 보 하부에서 상향으로 좌우 웨브를 끼워서 설치하고, ㅑ형강의 플랜지는 기둥 폭만큼 확장하며, 측면과 하부에는 각각 볼트구멍을 뚫고 측면의 볼트구멍을 이용하여 철근콘크리트 보와 팽창볼트(8)로 고정하고 ; 및

   기둥 폭이 보 폭 보다 커서 보 폭과 기둥 폭의 차이가 발생하는 부분에는 ㅑ형강 플랜지와 기둥 모서리를 연결하도록 모서리 모양에 적합한

   

   형 모양의

   

   형강(6)을 부착하며 ;

   상기

   

   형강은 단부에 볼트구멍이 뚫려 있어

   

   형강과 ㅑ형강의 플랜지를 중첩하여 고력볼트(9)로 접합하는 것을 특징으로 하는 기둥과 보 골조 내진보강공법
2. 제1항에 있어서 ;

   기둥과 보로 구성된 기둥 보 접합부의 주두부에는 기둥 사면에 ㄷ형강(11)을 설치하고 ;

   상기 ㄷ형강은 기둥 모서리의 ㄷ형강 이음부에 마구리판(12)을 설치하고, 마구리판을 고력볼트로 접합하여 ㄷ형강밴드로 구성하며 ;

   상기 ㄷ형강밴드는 적정한 간격과 개수를 유지하고, ㄷ형강밴드의 ㄷ형강 사이 상·하부에 각재(13)를 넣고, 각재를 ㄷ형강 플랜지에 볼트(10)로 고정하여 마감재를 설치할 수 있는 바탕재 고정 지지점으로 활용하는 것을 특징으로 하는 기둥과 보 골조 내진보강공법
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