고층건물 시공시 구조감리의 개선방안에 관한 연구

박병문 서울산업대학교 산업 대학원 2008 국내석사

최근 건축물은 점점 대형화, 고층화, 복합화 되어가는 추세로 세계 각국도 초고층건물을 경쟁이나 하듯이 서로 앞 다투어 건설하고 있다. 우리나라도 많은 고층건물들이 건설되고 있으며 용산 국제 업무단지에 160층 규모의 초고층건물이 추진되고 있는 현 시점에도 크고 작은 공사현장의 구조물 붕괴사고는 계속 발생되고 있다. 이러한 현상이 반복되는 이유는 여러 가지가 있을 수 있지만 부실시공이 하나의 중요한 원인이며 부실시공의 원인은 결국 부실한 감리에서 연유되고 있다. 따라서 건실한 시공을 제공할 수 있는 감리제도의 현실상을 조명해보고 구조안전에 대한 시공시의 문제점을 파악하여 건축물의 구조감리제도에 대한 개선방안을 제시하고자 한다. 본 연구의 범위 및 방법으로는 감리제도에 대한 관련법령과 문헌, 자료 및 구조감리사례들을 수집·분석하였다. 1) 건축물의 감리제도 공사감리란 건축물이 설계도서대로 시공되는지 여부를 확인하고 품질, 공사, 안전관리 등을 지도·감독하는 행위를 말한다. 건축물감리제도 관련법체계는 공공공사와 민간공사의 다중이용건축물은 건설기술관리법, 일반건축물 및 300세대 미만의 공동주택은 건축사법, 300세대 이상의 공동주택의 건설공사는 주택법의 규정에 따라 건축사 또는 감리전문회사를 지정하여 감리업무를 각각 수행하도록 하고 있으며 건설기술관리법에서는 감리구분에 따른 업무의 범위를 다음과 같이 정하고 있다. -책임감리: 시공감리+발주청의 감독권한 대행 -공사감리: 검측감리+품질·시공·안전관리 등의 기술지도 -검측감리: 설계도서, 관계서류 및 법령의 내용대로 시공여부를 확인 선진외국의 설계·구조감리제도와 관련하여 미국은 제도적 장치는 없으나 책임보증보험의 의무가입에 따라 전문영역별로 업무를 수행하고 있으며, 독일은 감리제도가 잘 확립되어 모든 건축물에 설계·구조감리제도를 수행하고 있으며 특히 중요건축물에 대해서는 행정관청에서 구조감리를 추가로 수행하고 있다. 일본은 제도적 장치는 없으나 종합감리제도 내에 구조상담 분야가 있어 구조업무를 보완하고, 싱가포르에서는 구조는 구조전문가의 고유권한으로 독립되어 각각 수행·운영되고 있다. 2) 구조감리의 현황 및 실태 건축구조기술사는 2007년 7월 현재 755명이 배출되어 이중 577명이 구조안전 확인관계기술자로 등재되어 있으나 법과제도의 미비로 건축물의 구조안전 확인을 위한 대부분의 구조설계도서작성이 구조기술사가 아닌 건축사의 책임아래 수행되고 있다. 건축사법 제4조에서 건축물의 건축을 위한 설계 및 감리는 건축사만이 수행하도록 함으로써 구조기술사가 자기책임 하에 구조설계 및 구조감리업무의 수행을 불가능하게 할뿐 만아니라 건축사법 제2조에서 건축사보에 기술사를 포함하여 건축사와 종속관계에 있도록 함으로써 구조기술자의 역할을 왜곡하고 있다. 또한 건축법시행령 제32조에서 지진 또는 구조안전 확인대상건축물로 3층 이상, 연면적 1,000㎡이상, 건축물높이 13m이상, 처마높이 9m이상, Span 10m이상으로 규정하고 있으나, 제91조의3에서 구조기술사의 구조계산 대상건축물을 16층 이상, Span 30m이상, 다중이용건축물, 차양 등 3m이상 돌출건축물로 규정함으로써 이 외에는 구조계산을 하지 않아도 되어 법의모순과 함께 구조안전을 오히려 제한하고 있다. 뿐만 아니라 구조안전의 확인은 구조기술사의 구조계획, 구조도면, 구조계산, 공사시방서(구조분야) 등 구조설계도서 작성과정을 거쳐서 이루어지는데, 마치 구조계산만으로 구조안전을 확인하는 것으로 이해되어 구조기술자가 아닌 비전문가가 구조도면을 작성하고 있어 이렇게 작성된 구조도면의 적정성이 확보되었다고 보기는 어려운 실정이다. 건축물의 감리제도 역시 건축, 토목, 기계, 전기, 통신 및 소방 등 세분화되어 운영되고 있으나 유독 구조분야는 배제되어 전문성이 부족한 비구조전문기술자의 판단과 수행으로 이루어지고 있어 충분한 구조검토 및 안전 확인과정이 미비한 상태이다. 이러한 결과 서울의 삼풍백화점, 부평의 LG백화점 가설구조물 및 이천물류센터의 붕괴사고 등 코고 작은 건축물 및 공사현장의 붕괴사고는 계속되고 있으며 귀중한 인명과 막대한 재산피해는 물론 건설산업에 있어서 대외적인 신인도하락 및 국가경쟁력은 점점 약화되고 있다. 3) 공사단계별 구조감리사례 공사착공 전에 현장점검을 위한 일반사항, 흙막이공사, 기초 및 지반, 지하구조체, 콘크리트공사, 철골공사 및 마감공사 등 공종별 주요항목별로 구조검토를 하여 구조안전여부를 확인하여야한다. 또한 공사착수 후에도 현장여건에 따른 공법변경이나 신공법적용에 따른 구조검토를 수행하여야하나 구조전문가를 확보하고 있는 극소수의 대형회사를 제외한 대부분의 감리사들은 구조검토를 자체적으로 수행하지 못하고 있는 실정이다. 본인이 근무하고 있는 00회사에서 서울시내 00자치구에서 발주한 00청사신축공사의 건설사업관리(CM) 용역에서 29건의 구조검토를 수행한 결과 구조재검토 6건, 일부보완 9건, 당초공법으로 환원 1건, 적정의견 13 Resently buildings are constructed in larger and higher scales and becoming more complex. Every country in the world is competing to build high-rise buildings. Korea also has and is constructing high-rise buildings, like the 160 story Yongsan International Business Complex. However from small to large scale buildings and on construction sites there still are structural collapses that occur continuously. Therefore to improve structural supervision system, examining the actual supervision conditions and understanding structural safety problems. Supervision system related regulations, documents, and structural supervision cases were collected and analyzed for the study. 1) Building Construction Supervision System Construction supervision is defined as reviewing whether the construction was built as the design documents and supervising quality control, construction, and safety management etc. In relation to the regulations systems related to building construction supervision system, public works and multiplex use buildings of private work are Construction Technology Management Act, general structure and less than 300 residential apartment houses are Certified Architects Act, over 300 residential apartment houses construction are to be accomplished by Certified Architects or a professional supervision company by the Housing Act, and by the Construction Technology Management Act the supervision work and range has been set as the following. -Responsible Supervision: Construction Supervision+act as director -Construction Supervision: Inspector Supervision+directing technic like quality control, construction, safety management etc. -Inspection Supervision: Design documents, related documents and construction reviewed as noticed in the law In case of advanced nations, US has no regulations but has an obligation to join an insurance which divides work into professional fields. Germany has well established design?structure supervision system, especially for major buildings, the administration government office executes structure supervision additionally. Japan does not have regulations but through the general supervision system there is a structure counsel area which complements the structural work. Singapore has a separate system which is structural work operated and done by professionals. 2) Status and condition of Structure Supervision As of September 2007 there are 755 structural professional engineer. 577 are structural safety related engineers, however due to the lack of system and law, most of the buildings structure safety supervision is done by Certified Architects instead of structural professional engineers. The Certified Architects Act, article 4 states that only the Certified Architects are allowed to execute design and supervision of the building which makes impossible for structural professional engineers to execute structure design and supervision work. Also Certified Architects Act article 2, states the Certified Architects supplementary member and the professional engineer in a subordinate relationship which distorts the structural professional engineer's role. Enforcement Decree of Building Act article 32 states, a building which needs confirmation on earthquake or structure safety, which are, buildings equal or higher than 3 story, total floor area of over 1,000m², height equal or higher than 13m, eaves height equal or higher than 9m, span equal or wider than 10m. However, article 91 line 3 states that calculation of the structure is in necessary only when building is equal or higher than 16 story, equal or over 30m span, multiplex use buildings, equal or over 3m in sunshade etc., which makes contradiction between calculation and law even limiting structural safety. More over structural safety is confirmed by structural professional engineers' structure plan, structure drawings, structure calculation, work specifications (structure field) etc. However, it is known thant structural calculation is the only factor in confirming structural safety, therefore when a non professional structure engineer creates a structure drawings it may not be appropriate and reasonable. Construction supervision system is divided into architect, civil, mechanic, electric, telecommunication, and fire fighting. The structure field is excluded, which results in lack of profession in reviewing structure and confirming safety. Such results as the Seoul Sampoong Department Store, Bupyong LG Department Store's temporary construction structure, Leechun Distribution Center collapse accidents and large and small building construction site has collapse accidents continuously occurring, lives, property losses moreover influencing weakening national competitiveness. 3) Structure Supervision Cases on Each Construction Phase Before the start of the construction, on-site general matters, soil guard work, basis and foundations, underground structure, concrete work, steel structure and finishing work etc. need to be reviewed on structural aspects and confirmed on structural safety for each type of construction. Also after construction, considering on-site conditions there maybe changes in construction methods or new construction methods to be adopted which need to be executed with structural review. However, most supervisors cannot execute the process, except for few large scale company with structure experts. Among 29 structure supervision cases, 6 calculation-review of the structure, partial complement 9, adopting previous method 1, proper method adopted 13 etc., thus about 55% prevented a structure defect and reinforced etc by structure supervision. 4) Supervision System Improvement Plan To secure structure with structural safety, supervision system must be improved immediately. First, Building Act article 19 should be modified to have structure design executed by a structural professional engineer. In Certified Architects Act article 2, professional engineer should be removed in Certified Archit

철근콘크리트 건축구조물의 구조도면 자동제작 시스템 개발 : 4대 부재를 중심으로(Concentrated on four major structural members)

金東九 대전대학교 2002 국내석사

A development of Automatic Structural Drawing System(ASDS) is able to reduce a tremendous time and cost. An integrated applying program which has an effectiveness, accuracy, and precision is associated with both economy and safety of buildings directly. Building an accurate structural drawing system, one can make automatically the process of structural drawing which is repetitive. The automated structural drawing system which was based on an experience and a technology of structural engineer can be used in practice. The structural drawings focused on four major structural members(slab, beam, column, foot) in the RC(Reinforced Concrete) buildings are produced through the database which contain geometrical information, structural analysis, and the results of member design. The Visual Basic 6.0 as object oriented programming tool is utilized to visualize the interface module and ACCESS is applied as database tool. Also ODBC(Open DataBase Connectivity) is used to connect with other softwares which is related to database. The ODBC is able to reduce the occurrence of the errors that might happen during processing. ASDS is composed of three stage modes. Firstly, the stage of structural plan shows both the shape of buildings and the section of members ; structural plan, structural section, lists of individual members. Secondly, the stage of shop drawing presents the individual members including the rebar size, anchorage, and splice. Thirdly, the stage of detail drawing exhibits shop drawing of members with rebar length, rebar spacing, and the detailed information those are required to simulate almost real rebar placement as scale of one tenth in general. It is possible to produce multiple structural drawings of structural design without efforts of engineer through the developing the reference module between Visual Basic and AutoCAD for interfacing, and the database which manages with a huge data. As a result of the system developed, structural drawings with three stage are automatically plotted through a control interface module, database on computer screen. It is demanded a sustained researches to produce the member drawings and to systematize bar list and bar schedule. It is necessary to develop system that is able to account many factors. These are related to the structural system of buildings and the applying structural design codes. This study is composed of 5 chapters as followings ; Chapter one presents about the background, purpose, scope, methodology of the study and reviews the related research of the preliminary design. Chapter two reviews the process of structural design, optimization of data for the member design. Chapter three gives the concept and the method of building system. Chapter four shows the demonstration of a developed system to verify the validity. Chapter five provides the conclusions of present study and for future research.

조적끼움벽을 고려한 철근콘크리트골조 구조물의 내진성능평가 및 보강

김혜진 단국대학교 대학원 2011 국내석사

최근 들어 전세계적으로 지진의 발생빈도가 높아져가고 있으며, 우리나라도 과거 지진사례를 분석해 볼 때 그 발생빈도가 지속적으로 증가하고 있는 것으로 보고되고 있다. 하지만 국내 내진규정이 처음으로 제정된 것은 1988년이며 이전에 지어진 건축물에는 내진설계가 적용되지 않았다. 이후에도 내진규정이 엄격하지 않았으므로 내진설계가 적용되지 않은 건축물이 다수이다. 특히 학교건축물은 특정시간에 인구밀집도가 높고 주 이용대상이 10대 학생들이므로 자연재해 발생 시 어른들에 비해 상대적으로 대피능력이 떨어져 인명피해가 클 것으로 예상된다. 따라서 학교건축물의 내진설계는 더욱 시급하다고 할 수 있다. 학교건축물은 조적끼움벽이 있는 철근콘크리트 모멘트 골조(조적을 포함한 RC골조)로 이러한 골조는 오래 전부터 많은 부분에서 사용되었지만 구조해석모델에서 비구조재로 간주되어 조적끼움벽과 RC골조 사이의 구조적 상호작용은 무시되어왔다. 하지만, 실제로 조적끼움벽은 RC골조의 내진성능에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있으며, 이는 다양한 지진 피해사례 및 실험결과로부터 확인할 수 있다. 따라서, 조적을 포함한 RC골조로 이루어진 학교건축물의 내진성능평가방법에 대한 제안과 조적벽체에 대한 적절한 내진보강 방안이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 조적끼움벽을 고려한 학교건축물의 내진성능 평가를 수행하기 위한 기초자료를 제공하기 위하여 ① 기둥전단강도의 평가방법, ② 보강성의 차이, ③ 구조물에 작용하는 축력의 크기, ④ 조적끼움벽의 유무 등에 따른 RC골조의 비선형 정적(푸시오버)해석을 수행하여 각 변수의 역할을 분석하였다. 또한, 실제 학교 건물에 분석결과를 적용하여 조적끼움벽의 영향을 고려하는 경우와 고려하지 않는 경우의 구조물의 거동 및 내진성능에 따른 차이를 비교함으로써 기존 학교건물의 내진성능평가 기법을 제안하고자 하였다. 또한, 학교건물에 적절한 보강방법을 선정하여 보강방법에 따른 내진성능향상을 실험을 통하여 검증하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다. 1) 기둥전단강도의 평가는 FEMA356에 제시된 식을 사용하였으며, k1과 k2값의 변화에 따른 각 모델들의 기둥전단강도를 평가하였다. RC골조모델과 조적채움벽을 가진 RC골조모델은 k1과 k2값의 변화의 유무에 따른 구조물의 거동의 차이가 없는 것으로 나타났다. 하지만, 조적허리벽을 가진 RC골조모델은 k1과 k2값의 변화에 따라 기둥에 모멘트파괴 또는 전단파괴가 발생하는 파괴 양상이 나누어진다. 전단파괴 발생 시 취성파괴되므로 변수 값에 따른 기둥전단강도의 평가에 따라 전체 골조의 거동에 큰 차이를 발생시켰다. 따라서, 조적끼움벽이 있는 RC골조모델의 경우 정확한 기둥전단강도의 평가가 중요하며, 기둥의 국부적인 전단파괴를 발생시킬 우려가 있으므로 정확한 내진성능평가와 이를 보완하기 위한 보강방안의 마련이 필요할 것으로 사료된다. 2) 보-기둥 강성비의 변화에 따라 RC골조모델과 조적허리벽이 있는 RC골조모델의 경우 초기강성과 항복강도가 보-기둥 강성비에 비례하는 것으로 나타났으며, 조적채움벽이 있는 RC골조모델은 초기강성이 조적벽의 강성에 의해 지배되므로 보강성에 따른 구조물의 거동의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다. 3) 구조물에 작용하는 축력에 따라 RC골조모델과 조적채움벽이 있는 RC골조모델의 경우 적당한 축력은 기둥 강도를 증가시킨다. 따라서, P·Δ 효과를 발생시키지 않는 범위 내에서의 기둥에 작용하는 축력의 증가는 전체 골조의 거동에 긍정적인 영향을 발생시키는 것으로 나타났다. 반면, 조적허리벽이 있는 RC골조모델의 경우 축력의 증가는 기둥에 작용하는 전단력의 증가를 초래하기 때문에 전체 골조의 거동에 부정적인 영향을 발생시키는 것으로 나타났다. 4) RC골조모델에 비해 조적채움벽이 있는 RC골조모델과 조적허리벽이 있는 RC골조모델의 경우 골조 전체의 초기강성과 강도가 크게 증가되나 RC골조모델에 비해 연성도가 감소하여, 구조물의 급격한 파괴가 발생하는 것을 확인하였다. 5) 실제 학교 건축물의 내진성능평가를 수행한 결과 조적끼움벽을 고려하지 않았을 경우 안전하다고 판단되었던 건축물도 조적끼움벽을 고려하여 해석할 경우 붕괴 위험이 있는 것으로 판단되는 것을 확인하였다. 이처럼, 내진성능평가시 조적끼움벽의 유무를 고려하는 것이 평가 결과에 큰 차이를 초래하므로 조적끼움벽의 구조재 판정여부에 따라 평가결과에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 6) 학교건축물의 전형적인 형태인 조적허리벽이 있는 골조에 대하여 탄소섬유시트, 아라미드섬유스트립, 하니컴시스템을 이용한 보강을 수행한 후 일방향정적가력 시험을 수행한 결과 보강실험체의 강도, 강성, 연성이 모두 증가한 것으로 확인되었다. 하지만, 보강방법이나 보강부위의 선정 등에 따라 증가 정도가 다르므로 상황에 맞는 적절한 보강방법을 적용하는 것이 중요할 것으로 판단된다. 또한, 추가적으로 면외방향으로 발생하는 지진하중에 저항할 수 있는 보강성능에 관한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

기존 철근콘크리트 구조물 내진성능의 효과적인 예비 및 상세평가법 제안

조원선 단국대학교 대학원 2013 국내석사

최근 들어 전 세계적으로 지진의 규모와 발생빈도가 높아져가고 있다. 우리나라는 환태평양 지진대에 위치하는 주변국보다 비교적 안전한 지역으로 인식되었으나, 최근 지진발생 빈도가 높고 진원지가 수도권 내륙인 경우도 있어 지진재해에 대한 우려가 고조되고 있다. 특히, 내진설계되지 않은 비율이 80% 이상인 학교건축물과 공동주택은 대규모의 인명피해를 집중적으로 유발시킬 수 있어 이에 대한 내진보강의 필요성이 대두되고 있다. 따라서 내진설계되지 않은 기존 건축물의 내진성능을 정확히 평가할 수 있는 내진성능평가법의 개발 및 이를 바탕으로 한 효과적인 내진보강 기법이 요구된다. 본 논문에서는 다수의 건축물의 내진성능평가를 효율적으로 수행하기 위해 건설연도, 부재형상, 조적채움벽의 높이 등의 건축물의 개략적인 정보만을 사용하는 예비평가 방법을 제안하였다. 이를 위해 연도별 기본 재료강도를 제시하였고, FEMA, ACI, 일본 등의 기둥 강도 산정식을 비교하여 국내 기존 RC 건축물의 내진성능평가에 사용하기 적절한 기둥유효전단응력값을 제안하였다. 예제구조물에 대한 예비평가법 적용 결과 제안 목적에 적합하게 비교적 보수적이면서도 정확한 평가결과를 보여, 비용과 시간이 많이 소요되는 상세한 비선형 해석 수행 전에 제안된 연도별 재료강도와 설계도서만을 통해 합리적이고 간략한 평가가 가능하다. 상세하고 정확한 내진성능평가를 위해 사용되는 비선형정적해석의 원리와 절차에 대해 설명하고, 구조부재 모델링에 사용되는 소성힌지설정의 영향요소를 파악하였다. 기둥의 모멘트힌지 설정 시 축력의 영향을 파악하였으며, 전단힌지와 모멘트힌지가 동시에 고려되는 경우 선행되는 파괴모드에 따른 거동을 보이는 것을 확인하였다. 따라서, 전단항복강도를 정확하게 산정하여 입력해야 하며, 소성힌지에 사용되는 관계는 양단부의 회전각이 아닌 층간변형을 부재길이로 나눈 이므로, FEMA356에서 제안하는 모델링 변수 중 소성회전각의 정확한 산정이 중요함을 확인하였다. 양단에 보가 걸려있는 벽체의 경우, 보의 전단력에 의한 커플모멘트로 인해 벽체에 걸리는 모멘트를 감소시켜 실제 벽체가 지지할 수 있는 모멘트를 증가시키는 효과가 있으며, 조적끼움벽은 대각압축부재로 작용하여, 구조물의 강성과 극한하중을 증가시키나 취성파괴의 경향을 보이며, 허리벽의 경우 기둥의 단주효과를 가져올 수 있어 이의 영향을 내진성능평가에 반드시 고려해야 함을 확인하였다. 이러한 영향요소에 따른 골조의 거동을 고려하여 부재 별 소성힌지 모델링 기법을 제안한 후, 3층 RC골조 구조물의 실물실험 결과와 비교하여 유효성을 평가하였다. 평가결과, 구조물의 이력거동에 의한 콘크리트 탄성계수의 저감에 따른 강성저하를 고려할 경우 구조물의 비선형 거동을 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다. 최종적으로, 제안된 예비평가방법과 비선형정적 해석을 사용하여 기존 학교건축물의 내진성능을 평가하고 조적채움벽의 영향, 기둥의 파괴모드 등을 분석하였다. 본 연구의 결과를 활용하여 기존건축물의 내진성능평가를 보다 빠르고 정확하게 수행할 수 있고, 이에 기초하여 내진보강 대상 건축물 및 보강량을 정확하게 결정할 수 있을 것으로 사료된다. 추후 국내 기존건축물에 많이 존재하는 T형, L형 등 비정형 벽체와 슬래브 등의 효과를 고려할 수 있는 보다 상세한 내진성능평가 기법의 개발이 요구된다. Recently, seismic damages of RC buildings have been frequently reported all over the world. Also, the number and magnitude of earthquakes have increased steadily in Korea. The seismic provision, however, had not been included in Korea Building Code before 1988, and most existing school buildings and apartment house are supposed to be very vulnerable to any small earthquake. As well, since the school buildings can be used as a shelter place when an earthquake occurs, it should be noted that the seismic evaluation and retrofitting of the existing school buildings are very important. In this study, preliminary evaluation method of seismic performance of the existing RC structures using the rough information on such as construction year, member shape, and elevation of the masonry infill walls, was presented. To this end, first, the default values of the material strength according to construction year were proposed, which could be used for preliminary evaluation before detailed field investigation on material properties. And the shear and flexural strengths of a RC column were evaluated by using Japanese code, ACI 318, and FEMA 356. The column failure modes according to the clear length were identified and the effective shear strength was presented. By multiplying the effective shear strength and the column area, the seismic capacity could be easily estimated in the preliminary evaluation stage. The parametric nonlinear static (push-over) analyses were performed for the detailed seismic performance evaluation. First, the effect of the plastic hinge properties on plastic behaviors of the structure was analytically evaluated. The effects of the axial force, masonry infill on the column strength and nonlinear behavior was studied and the interaction between the frame and wall was investigated. Also, the modeling methods for the walls with H-shape section were proposed and it was presented that the increases of strength and stiffness due to the flange wall section should be considered for the accurate seismic capacity evaluation of existing RC building structures. Finally. the effectiveness of the proposed preliminary and detailed evaluation methods was verified by conducting both numerical analyses and experimental tests. A school building was chosen as a numerical example, and the results form forced test on actual three story apartment structure was used. Both numerical and experimental results indicated that the proposed method could exactly estimate the seismic behaviors of the existing RC buildings. Further researches on the effects of atypical wall and slab are required for more detailed and accurate evaluation of seismic performance of the existing RC buildings.

전단벽-슬래브댐퍼 시스템을 이용한 저층구조물의 진동제어

김현진 단국대학교 2009 국내석사

전 세계적으로 학교건축물의 지진피해가 많이 보고되고 있다. 특히 지난 2008년 발생한 쓰촨성 지진에서 수많은 학생들이 학교건축물의 붕괴로 사망하면서, 학교건축물의 지진취약성 및 내진보강에 대한 관심이 국내외적으로 증대하고 있다. 학교건축물은 재난 발생 시 피난시설로 이용되기 때문에 자연재해에 더욱 안전하게 설계되어야 하나, 국내 학교건축물은 내진설계기준이 재정된 1988년 이전에 준공된 건물이 대부분이며, 이후에 지어진 경우에도 대부분 5층 이하여서 2005년 이후에나 비로소 내진설계 되기 시작하였다. 따라서, 국내 학교 건축물은 지진과 같은 횡 하중에 대한 저항능력이 매우 부족하여 실제 지진 발생 시 엄청난 인명피해가 발생할 수 있다. 학교건축물의 경우 수직 및 수평증축과 함께 내진보강이 수행되는 경우가 많고, 공사 중 수업이 진행되어야 하는 관계로 건축물 내부공사를 최소화하고 외부공사를 위주로 진행되는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 이러한 제한사항을 고려하여 수평증축을 고려한 전단벽-슬래브 댐퍼 시스템을 제안하였다. 전단벽-슬래브댐퍼 시스템은 증축 전단벽과 기존 구조물의 접합부에 강재이력 댐퍼(damper)를 설치하여 전단벽과 기존구조물간의 변위응답차에 의한 강재이력댐퍼의 에너지 소산을 통하여 구조물의 안전성을 확보하는 시스템이다. 본 연구에서는 전단벽-슬래브댐퍼 시스템의 진동제어성능 확인에 앞서, 기존 학교 건축물의 내진성능을 일본 내진성능평가법과 응답스펙트럼법, 비선형정적해석법 등을 이용하여 평가하였다. 평가결과, 대부분의 국내 학교건축물은 내진성능이 부족한 것으로 나타났고, 층수가 높아질수록 건물의 내진성능은 낮아짐을 확인하였다. 비선형 정적해석 및 응답스펙트럼 해석결과 저층부 기둥에 전단응력과 변형이 집중되는 전단파괴 양상을 보였다. 또한 평면상의 비정형에 의해 나타나는 강성불일치는 건물의 변위가 증폭되는 결과를 낳는 것으로 확인 되었다. 전단벽-슬래브댐퍼 시스템의 진동제어 성능의 검토를 위하여 수치해석을 수행하였다. 강재이력댐퍼의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 항복강도의 변화에 따른 구조물의 거동을 수치해석을 통해 확인하고 댐퍼의 최적의 항복강도의 범위를 설정하였다. 또한 슬래브댐퍼의 변위제어 성능뿐만 아니라 증축되는 전단벽의 안전성 확인을 위하여 댐퍼의 설계변수 변화에 따른 전단벽의 층 전단력의 변화를 확인하였다. 해석결과, 댐퍼의 항복강도를 밑면전단력의 10∼100%로 변화시킴에 따라 항복강도가 20%일 때, 구조물의 변위가 가장 크게(약 50%) 감소하는 것으로 나타났다. 또한 전단벽의 층 전단력 확인결과 전단벽과 기존골조를 강체로 연결한 기존골조-전단벽 시스템에 비해 층전단력을 최대 60% 감소시키는 것을 확인하였다. 소형 2층 구조물을 이용하여 전단벽-슬래브댐퍼 시스템의 진동제어 성능 검증을 위한 진동대 실험을 수행하였다. 실험결과 댐퍼 설치 위치에 관계없이 기존구조물의 응답이 감소하여 댐퍼의 진동제어 성능을 확인하였다. 본 실험 결과를 통해 기존골조와 신설 전단벽을 연결하는 슬래브에 수평으로 강재이력 댐퍼를 설치함으로써 기존 구조물에 발생하는 지진에너지를 슬래브 댐퍼에 집중시켜 기존구조물의 피해를 최소화 시킬 수 있을 것으로 판단된다.

모듈러 구조물의 이중보 시스템 구조성능 평가

박현진 단국대학교 2008 국내석사

냉간성형강은 중량비 강도가 일반 열간성형강에 비해 매우 우수하여 구조물의 전체 무게를 감소시킬 수 있으며, 사용자의 요구대로 사용 목적에 맞게 그 단면형상과 크기를 설계 및 제작이 가능하다. 또한 형상의 조합을 통하여 요구되는 강도를 쉽게 얻어 낼 수 있는 장점을 가지고 있어 냉간성형강을 이용한 모듈러(Modular) 건축 공법은 선진국에서는 활용도가 높다. 국내에서도 박스형의 공장 생산된 모듈러 유닛을 현장으로 운반, 조립하여 건축물을 완성하는 철골조 모듈러 건축 공법에 대한 수요가 점점 증가하고 있으며 모듈러 건축의 적용성 확대를 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 그러나 고가의 제작원가와 과도하게 소요되는 물량은 모듈러 건축의 한계로 인식되어왔다. 과도한 제작원가를 줄이기위해 비대칭 바닥판 형상을 가지고 비교적 스팬이 짧은 모듈러 건축물의 용도에 적합한 롤포밍(roll-forming) 방식의 신형상보(Modular Construction Optimized Beam; MCO Beam)가 개발되었으나 현장조립의 용이성 및 경량화, 대경간화를 추구하다보니 기둥에 비해 보 부재의 춤이 상대적으로 큰 강한 보, 약한 기둥 시스템이 되어 구조적 불합리성이 나타나고 있다. 특히, 완성된 모듈이 그 자체로서 하중을 지지할 수 있어야 하는데 공장에서 생산된 모듈러 유닛은 천장 및 바닥에 모두 보가 설치어 독립된 유닛으로서는 큰 문제가 없으나 다층 건물로 조립하다 보니 하부 모듈의 천정보는 모듈 조립 후에는 구조적 기능이 거의 없어지게 되고 층고 및 하중만을 증가시켜 모듈러 구조의 경제적 장점을 희석시키게 되었다. 따라서 본 연구는 이러한 천정보의 구조적 기능을 활용하기 위하여 상부 모듈의 바닥보와 하부 모듈의 천정보를 볼트접합을 통해 강판으로 연결하여 구조적 안정성을 검토였다. 연결재를 중심으로 상?하?좌?우 대칭으로 연결된 신형상 단면의 합성보를 대상으로 가력실험을 수행하여 보 단면의 치수, 연결재의 치수, 볼트 개수, 상?하 보 간격의 영향을 조사하고 강도 평가를 수행함으로써 보다 작은 단면을 사용하여 물량을 감소시키고 층고를 줄일 수 있는지 확인하고 다음과 같은 결론을 얻었다. (1)연결재의 전단 변형을 고려한 수치해석 모델을 통하여 연결재의 최적위치는 단부에서 경간의 20%지점이며 연결재의 최적개수는 2개임이 확인 되었다. 이를 바탕으로 실험을 수행한 결과 이중보 시험체는 하중의 증가에 따라 연결재-보 사이에 슬립이 발생하고 최종적으로는 단부의 용접부에서 소성힌지가 형성되어 파괴되었으며 하중 재하의 중심과 좌우로 연결된 시험체 중심의 불일치로 인한 시험체 전체적인 비틀림이 발생하였다. 또한 시험체 별 연결재-보 접합부의 조기 슬립이 발생한 시험체의 하중은 LL와 DL+LL수준으로 나타났다. (2) 이중보의 하중-변위 관계를 살펴보면 재하 초기에는 단부 지그의 변위를 고려한 수정지지 조건의 이중보 해석모델과 유사한 성능을 보였으나 하중이 증가하면서 연결재의 슬립이 발생하여 한계상태에서는 축력만 전달 가능한 링크로 연결된 모델로 접선강성이 수렴해 감을 확인할 수 있었다. (3) 강도평가를 위해 유한요소 해석프로그램인 Ansys(Version 9.0)을 사용하여 이중보의 구조적 거동을 살펴보았다. 우선, 해석용 모델의 신뢰성을 확인하기위해 실험결과 유한요소 해석 결과의 휨 모멘트를 비교한 결과 실험결과와 유사함을 확인 하였으며, 가상일의 원리를 적용한 소성 설계식의 값과 실험값 그리고 해석값을 비교해 본 결과 설계값과 해석값은 6~8%, 설계값과 실험값은 13.7%정도의 차이가 발생하였다. 따라서 설계식을 적용할 경우 안전을 고려하여 설계식의 값보다 약 15% 낮게 설계하는 것이 바람직 할 것으로 사료된다. The self-weight of the whole structure could be reduced by using the cold-formed steel, because it has high weight-strength ratio than the square steel tube. The cold-formed steel could be designed and produced through the section shape and size corresponding to the requirement of user and the purpose of use. Because the CFS has the advantage of producing the required strength easily through the combination of the shape, it is widely used on the modular construction which consists of the CFD in many developed countries. The steel framed modular construction has the modular unit which is made in a factory, transported to and set up in a construction site is increasing demand, in domestic construction market. However, it has been recognized that the extremely required costs of production and the quantity of materials in the limit of the steel framed modular construction. For reducing the extremely required costs of production, the Modular Construction Optimized Beam (MCO Beam) with an asymmetry floor shape has been developed by the roll-forming method in order to use the modular construction with short span comparatively. However, because it is required the light weighting in seismic design and the long span for space design due to producing the workability in construction, the modular unit becomes having irrationality such as a strong beam and a weak column system, relatively. Especially, the constructed modular structure which is connected the floor and the ceiling with beams in a factory should have capacity to resist the gravity load. As a singular unit, the ceiling beam has the capacity to resist the gravity load, but as a multiply connected unit, it has the lower performance in becoming only dead load component and making the useless space because the ceiling beam located below the floor beam can not participate the structural member. So the ceiling beam make the modular unit construction system have not an economical profit in a multistory modular unit structure system. Therefore, in this study, to make the best use of the ceiling beam, coupled beams which consist of the floor beam of the upper unit and the ceiling of the lower unit that are connected by steel plates with bolts. The structural reliability of the coupled beam was investigated experimently. Through the implementing of monotonic loading tests of the MCO section coupled beam which connected symmetrically in up, down, left and right of the coupling plate, the effects of the beam section dimensions, coupling plate dimensions, number and shape of bolts, and clearance between upper and lower beams are investigated. Also, the structural reliability of the coupled beam in this study was figured out through the comparing the strength of implementing the experiment, the plastic analysis and the finite element analysis using ANSYS. The conclusions from this study is as follows; (1) It was figured out that the optimal position and number of the coupling plates in the coupled beam was the 20% point from the end of the beam length and two point in the beam, respectively. From experimental results, the slip phenomenon was occurred between the coupling plate and the beam and the plastic hinge was occurred in the end of the beam in the specimen of the coupled beam. On the other hand, the local buckling was occurred in the flange of the single beam and global torsion was occurred due to discordance between the center of the load and the specimen. (2) Also, in the specimens, the first slip loads which was observed in the earlier slipped specimen and in the other specimen were the live-load and sum of the live-load and the dead-load, respectively. From the load-displacement relation, it was observed that the result of the coupled beam specimen from the earlier loading condition shows the similar performance with the numerical model of the modified boundary condition which considered the displacement of the end jig of the beam specimen, but the result of the coupled beam specimen from the increasing loading condition shows the convergence of the tangent stiffness to the numerical model which linked only to transfer the axial forces due to the slipping phenomenon of the coupling plate. (3) The comparison results between the measured bending moments from the test and the calculated bending moments from the ANSYS analysis shows the reasonably agreement. Comparing between the ultimate fracturing load of the plastic design from the test result which is applied to the virtual work method and that of the measured bending moments from the test, the fracturing mode was figured out in the center of the upper beam and the ultimate fracturing loads from the plastic design was overestimated about 13.7%. Therefore, it is the more reasonable that the strength of the member could be designed about 15% lower applying to the plastic design.

볼트조립형 U형 합성보와 포밍앵글 선조립 기둥의 설계 및 구조성능평가

김형섭 단국대학교 대학원 2023 국내박사

현재 건설현장에서는 공사기간과 공사비용 뿐 아니라 안전사고를 줄이기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 선조립 합성구조는 현장에서 작업이 주로 이루어지는 비계공사, 철근작업, 고소작업 등을 최소화하여 안전사고의 위험을 줄이기 위해 개발된 구조시스템이다. 여기서 합성구조란 건축구조시스템 중 SRC(철골 철근 콘크리트) 구조에 해당하지만 단면이 기존과는 다른 변형된 형태의 좁은 의미를 말한다. 합성구조 다양한 장점으로 인해 다양한 형태의 합성구조가 연구 및 개발되고 있고, 많은 합성구조로 건설된 건축물들이 준공되어 사용되고 있다. 하지만 지금까지는 합성구조를 설계하는데 있어 기존의 건축구조기준으로는 안전성 판단의 근거가 불명확했고, 새로운 형태의 합성구조에 대한 검증 및 인증시스템도 명확하지 않았다. 또한 학회 및 관련단체의 적용방식 및 기준이 다르기 때문에 건축물에 합성구조를 적용함에 있어 많은 혼선이 있었다. 최근에“건축물 강-콘크리트 합성구조설계기준(KDS 41 40 10: 2022)”이 기준에 추가되면서 합성구조의 검증 절차에 대한 명확한 기준을 제시하였다. 이에 본 연구에서는 기준에서 제시하는 합성구조의 검증 절차(KDS 41 40 10, 4.5.2 검증 절차)에 따라 볼트조립형 U형 합성보(CG 합성보)와 포밍앵글 선조립기둥(FAC 기둥)으로 이루어진 합성골조에 대해 구조성능 평가 및 기준적합 여부를 검토하고 설계방법을 제시하였다. CG 합성보는 볼트조립형 U형 합성보로 보 내부에 콘크리트가 충진되어 진동 및 처짐에 우수하지만, H형강 노출형 합성보와는 다른 설계 시 검토사항들이 있다. CG 합성보의 구조성능 확인을 위해 정⋅부 휨강도 실험, 전단강도 실험, 그리고 빔-거더 접합부 휨강도 실험을 수행하였다. 강재의 판폭두께비에 따라 약간의 다른 특성을 보였지만, 현 기준에서 요구하는 강도 이상의 성능과 파괴시까지 매우 높은 연성능력을 보유하고 있음을 확인하였다. 특히, 기준에서 요구하는 전단강도보다 약 2.0배의 강도를 가지고 있었으며, 그 외 설계 시 고려사항들을 파악하였다. FAC 기둥 실험은 P-M 상관도를 기준으로, 휨이 없는 중심 압축강도실험, 압축력이 없는 순수 휨강도실험, 그리고 3단계의 축력작용하에서 횡하중 반복가력실험을 수행하였다. 압축강도실험과 휨강도 실험에서는 현행 건축구조기준을 만족하는 결과를 얻을 수 있었고, 특히 휨강도 실험에서는 매우 우수한 연성능력을 확인할 수 있었다. 횡하중 반복가력실험에서는 축력비가 작을수록 매우 우수한 연성능력을 보였으며, 축력이 높아질수록 취성적 파괴양상을 보였다. 모든 실험에 대해 H형강 SRC 기둥과 비교 실험을 진행하였는데, FAC 기둥은 H형강 SRC 기둥과 동일한 강재량을 사용하더라도 압축강도와 휨강도가 증가하였으며, 연성능력도 많이 증가하였다. CG 합성보와 FAC 기둥으로 이루어진 합성골조의 내진접합부 성능검증을 위해, 내부 접합부와 외부 접합부로 나눠서 내진성능검증을 진행하였고, 두 접합부 모두 건축구조기준에서 제시하는 합성특수모멘트골조의 성능을 만족하는 것을 확인하였다. 결론적으로, CG 합성보와 FAC 기둥은 현행 건축물 구조설계기준(KDS 41 30 20 건축물 강합성구조 설계기준 & KDS 41 40 10 건축물 강-콘크리트합성구조 설계기준)에 따른 성능평가 및 구조설계가 가능함을 확인하였다.

Evaluation on the Fire Resistance Properties of Ultra High Strength Fiber Reinforced Concrete Member

이태규 忠南大學校 大學院 2014 국내박사

최근, 건축구조물의 (초)고층화, 대형화에 따라 국ㆍ내외에서는 높이 200m급 또는 그 이상의 구조물들이 다수 계획되어지고 있다. 주요 핵심기술은 초고강도콘크리트로서 약 1cm2당 800~1,000kg의 하중에 내력을 갖는 강도 80~100MPa의 콘크리트가 적용되어지고 있으며, 최근에는 200MPa급의 초고강도콘크리트가 일부 적용되고 있다. 이러한 초고강도 콘크리트의 고성능화 기술은 크게 3가지 항목 즉 콘크리트의 배합기술, 구조성능, 내화성능을 들 수 있으며, 이중 내화성능은 주로 인위적인 영향요소가 큰 항목으로 대규모의 인적ㆍ물적 피해를 일으킬 수 있는 위험성이 있다. 한편, 고강도 콘크리트는 화재 등과 같은 고온에 노출되면 초기에 폭렬(explosive spalling)현상이 발생할 수 있으며, 폭렬이 방지된 상태에 있어서도 압축강도 및 탄성계수의 저하, 크리프변형, 열팽창 변형 등이 발생할 수 있고, 급격히 구조적인 내력을 상실한다는 문제가 제기되고 있다. 이에 많은 연구자들은 콘크리트의 열적특성과 고층건축물의 구조/화재안전성의 대책으로 폭렬방지 등의 내화대책을 강구하고 있다. 이에, 국외에서는 콘크리트 건축구조물의 내화성능을 평가하기 위해서 실험규준을 제시하고 있으며, 실험규준은 국제표준으로 인정되고 있는 RILEM Committee 129-MHT(Test Methods for Mechanical Properties of Concrete at High Temperatures)의 소형공시체를 활용한 내화시험방법과 실 부재를 사용한 시험방법인 ASTM E119, ISO 834, JIS A 1304 등이 있다. 국내에서도 고강도콘크리트를 사용한 구조물의 내화성능에 관한 법률을 규정하는 등 건축법의 성능규정화에 따라 건축구조물의 내화성능을 달성하기 위하여 KS F 2257 (건축구조 부재의 내화시험방법)과 ISO 834(Fire-resistance tests. Elements of building construction) 등의 시험방법을 제시하고 있다. 이는 시방규정으로부터 성능규정으로의 변환이 이루어지고 있다고 할 수 있으며, 건축주 및 사용자의 건축적 요구성능에 대한 인식이 향상되어 건축구조물의 안전성능, 사용상의 성능 등에 대하여 명확하게 이해하고자 하는 요구가 대두되고 있는 실정이다. 또한, 콘크리트구조물은 사용목적에 따라 상이한 역학적 특성, 열적특성, 환경조건을 고려해야 하며 장기간 고온에 노출된 콘크리트는 일반 콘크리트구조물과 상이한 거동특성을 나타내므로 이에 대한 평가방법이 필요하다. 최근에는 실제 환경에서의 열적특성을 고려한 화재안전성에 대한 관심이 고조되고 있어 이에 대한 평가방법 및 부재의 성능향상기법에 관한 연구들이 진행되고 있지만 주로 법적기준을 만족시킬 수 있는 기술이 대부분을 차지한다. 또한 독자적인 기술발전보다는 현상을 해결하는데 급급한 경우가 대부분을 차지하고 있어 체계적인 정립이 필요하다. 초고강도콘크리트는 일반콘크리트에 비해 내부조직이 치밀하여 화재발생에 의한 고온하에서 콘크리트부재의 표층이 박리ㆍ비산하는「폭렬현상」발생이 현저하기 때문에 고강도콘크리트를 사용한 구조물은 화재시 단면손실에 의해 부재 내부로 온도의 확산이 촉진되어 일반콘크리트 구조물에 비해 더 큰 위험성을 잠재하고 있다. 이에 정부에서는 고온의 가열을 받을시 고강도콘크리트구조물의 안전성에 대한 검토를 의무시하기 위해「고강도 콘크리트 기둥․보의 내화성능 관리기준 제정」등의 성능규준화에 따른 정책들을 만들어 고강도콘크리트의 화재에 대한 안전 및 방지대책을 강구하고 있다. 화재시 급격한 온도상승으로 인해 표면부가 박리·비산하는 고강도콘크리트의「폭렬현상」을 방지하기 위한 대책으로서는 국내ㆍ외에서 많은 연구들이 이루어지고 있다. 이와 같은 다양한 내화성능 향상 방안 중 부재에 내화피복을 실시하는 방법과 유기섬유 또는 합성섬유를 콘크리트 내에 혼입하여 내폭렬 성능을 향상시키는 방법이 주로 사용되어 지고 있다. 내화피복을 실시하는 방법은 콘크리트부재 외부에 추가적인 피복시공을 실시함으로서 근본적으로 부재가 열에 노출되는 것을 막는 것이다. 유기섬유 또는 합성섬유를 혼입하는 방법은 콘크리트 내부에 미리 섬유를 혼입하여 화재 시 발생하는 열에 의해 용융되어 콘크리트에 미세한 공간을 만들어주며, 이 공간이 표층의 열팽창 응력 또는 내부에서 팽창한 기체의 압력을 완화하는 역할을 하여 콘크리트 표층의 박리ㆍ비산을 방지한다. 내화피복에 의해 내화성능을 향상 시킬 경우 기둥의 직경이 5%정도 증가하여 거주공간이 축소되며, 공기와 공비도 증가된다. 따라서 일반적으로 직경 0.012~0.2mm, 길이 5~20mm의 합성섬유를 콘크리트 부피에 대하여 0.10~0.35% 혼입하여 고강도 콘크리트의 내화성능을 향상시키는 방안을 주로 사용하고 있다. 한편 콘크리트구조물은 사용목적에 따라 상이한 역학적 특성, 열적특성, 환경조건을 고려해야 하며 장기간 고온에 노출된 콘크리트는 일반 콘크리트구조물과 상이한 거동특성을 나타내므로 이에 대한 평가방법이 필요하다. 또한 실제 환경에서의 열적특성을 고려한 화재안전성에 대한 관심이 고조되고 있어 이에 대한 평가방법 및 부재의 성능향상기법에 관한 연구들이 진행되고 있지만 주로 건축법의 성능기준화에 따라 법적기준을 만족시킬 수 있는 기술이 대부분을 차지한다. 또한 독자적인 기술발전보다는 현상을 해결하는데 급급한 경우가 대부분을 차지하고 있어 체계적인 정립이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트부재의 내화성능을 평가 및 향상시키기 위한 연구의 일환으로써 고강도콘크리트 부재의 내화성능설계 시스템을 바탕으로 폭렬을 효과적으로 평가할 수 있는 기법과 초기폭렬뿐만 아니라 20℃~800℃ 온도범위, 혹은 그 이상에서의 콘크리트의 특성에 대한 전문적인 지식이 필요하며, 초고층구조물에 사용이 증대되고 있는 초고강도 콘크리트 영역(100~200MPa)에서의 고압축강도, 탄성계수, 열팽창변형, 크리프와 같은 재료특성을 측정하기 위한 시험방법 및 예측모델이 필요하며 이에 대한 시험방법 및 평가기법을 제안하고자 한다. 부재의 내화성능을 평가 및 향상시키기 위한 연구의 일환으로써 100, 150, 200MPa의 초고강도 콘크리트를 대상으로 폭렬을 효과적으로 평가할 수 있는 기법과 초기폭렬뿐만 아니라 20℃~800℃ 온도범위, 혹은 그 이상에서의 콘크리트의 특성에 대한 전문적인지식이 필요하며, 초고층구조물에 사용이 증대되고 있는 초고강도 콘크리트 영역(100~200MPa)에서의 고압축강도, 탄성계수, 열팽창변형, 크리프와 같은 재료특성을 측정하기 위한 시험방법 및 예측모델이 필요하며 이에 대한 시험방법 및 평가기법을 제안하고자 한다. 본 연구에서는 선행연구를 바탕으로 초고강도 콘크리트의 내화성능을 평가 및 향상시키기 위한 일환으로써 폭렬방지성능을 기초로 사용자가 요구하는 성능에 따른 내화성능평가 및 향상기법에 관한 연구를 수행하고자 하며, 이를 요약하면 다음과 같다. 제 1장은 본연구의 서론으로서 초고강도 콘크리트의 사용배경과 고온을 받을 경우 폭렬 및 역학적 특성의 저하의 원인에 대하여 서술하고 이를 개선하기위한 기존의 방법들에 대하여 서술하였다. 또한 기존의 내화성능평가 방법의 문제점에 대하여 분석하고 체계적인 평가 및 향상기법에 대하나 필요성을 바탕으로 본연구의 내용 및 범위에 대하여 기술하였다. 제 2장은 고강도 콘크리트의 내화성능 평가 및 향상 기법에 관한 문헌적 고찰로서 고강도 콘크리트의 폭렬억제 방안 및 평가를 위한 국내외 연구동향을 파악하고 고온역학적 특성을 평가하기 위한 방법을 분석하여 본연구를 수행하기 위한 기초자료로 제시하였다. 제 3장은 폭렬을 효과적으로 제어하기 위하여 섬유혼입공법에 대한 배합에 대한 기초실험과 내부 공극분포에 대한 폭렬성상, 내부수증기압, 섬유공극분석 등을 통하여 초고강도 콘크리트의 폭렬을 방지할 수 있는 섬유, 혼입률에 대하여 실험을 실시하고 최적 조건에 대하여 분석하였다. 제 4장은 재하조건에 따른 초고강도 콘크리트의 고온역학적 특성을 평가한 것으로 ∅100mm×200mm 공시체를 사용하여, 하중을 0.0fcu, 0.25fcu, 0.4fcu 재하한 상태에서 각각의 온도에서 응력-변형, 잔존압축강도, 잔존탄성계수, 열팽창변형, 고온 크리프변형(Transient creep strain)등을 평가하여 고온에서 초고강도 콘크리트의 내력을 분석하고 기둥부재의 설계를 위한 기초자료로 제시하였다. 제 5장은 재료특성 평가결과를 바탕으로 비재하가열 및 재하방법에 의한 초고강도 콘크리트 부재의 폭렬성상, 온도이력, 수축변형량, 잔존강도를 평가함으로서 내화성능프로세스의 적용성을 확인하였다. 제 6장은 열해석에 의한 소형시험체의 섬유손실량 분석 및 철근콘크리트 부재의 내화시간, 잔존강도를 분석하였다. 또한 최적배합, 열해석 분석 결과를 활용하여 실기둥부재를 제작하여 내화성능평가를 행함으로써 내화성능설계기법의 적합성을 확인하였다. 제 7장은 본논문의 종합결론으로서 재료성능설계, 섬유용융 및 기화량 평가, 부재실험등의 결과를 요약한 것으로 초고강도 콘크리트의 내화성능설계를 위한 프로세tm를 체계적으로 정리하고 향후 부재의 내화성능 평가를 위한 가이드 라인을 제시하였다.

기존철근콘크리트 구조물의 내진성능 보강에 관한 실험적 연구

박태원 檀國大學校 大學院 1999 국내석사

우리나라에서는 1978년 홍성지진이후 지진에 대하여 관심을 갖게 되었으나 후속조치의 부족으로 별다른 결과를 내어 놓지 못하였다. 이에 건설부에서는 대한건축학회에서 수행한 "건축물의 내진구조 및 방재에 관한 연구"를 기초로 내지설계를 위한 시행령을 제정하여 1988년 7월 1일부터 일정규모 이상의 건축물에 대하여 내진설계를 의무화 하도록 하였다. 그러나 우리나라의 경우 지진에 대한 경험이 많지 않았고 그간의 지진관련 연구도 미미하여 구조설계 실무자들이 실제 설계에 내진설계개념을 도입하는데에는 적지 않은 어려움이 있었다. 또한 1988년 7월 이전에 설계된 건축물은 지진에 대한 대책이 거의 이루어지지 않았으며 따라서 대도시 근방에 지진이 발생할 경우, 큰 피해를 입을 것으로 우려된다. 실제로 1995년 일본의 고베에서 일어났던 지진피해를 살펴보면 이러한 문제점이 심각하게 드러난다. 지진이후 수행된 일본 건축학회의 조사에 의하면 고베지진으로 피해를 입은 대부분의 구조물들은 일본 내진규준이 제정되기 이전에 설계된 구조물로서 철근콘크리트 구조물의 경우, 71년 이전에 건축된 건물의 경우 70%정도가 피해를 입은 것으로 드러났으며, 71년∼81년 사이에 설계된 건물은 35%정도, 81년 이후의 건물은 약 15%만이 피해를 입은 것으로 나타나, 그 피해의 정도는 다르지만, 새로운 내진규정을 적용한 81년 이후의 피해가 가장 적은 것으로 나타났다. 또한 저층의 일본 전통가옥들은 거의가 피해를 입었던 것으로 보아, 우리나라 저층건물에 주로 쓰이는 구법인 단순frame구조 및 조적조 건물 또한 지진에 대한 위험성을 갖고 있을 것으로 판단된다. 따라서 우리나라에서도 내진에 대한 규정이 도입되기 전에 설계 및 시공된 구조물과 내진설계가 의무화되지 않은 구조 시스템에 대해서는 이와 같은 지진이 발생할 경우 가공할만한 피해가 우려된다. 이 연구의 목적은 우리 나라에서 내진규정이 적용되기 이전에 설계된 구조물이나 88년 이후 설계되었던 구조물중 내진설계 의무 규정에서 제외된 저층 구조물과 골조 구조물에 대하여 저렴하고 시공이 용이한 내진성능 보강방법을 강구하고자 하는데 있다. 기존철근콘크리트 구조물의 내진성능 보강을 위한 실험결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 횡변위의 구속이 없는 기준시험체보다 와이어로 브레이싱 한 시험체는 35%, 시멘트 벽돌로 보강한 시험체는 147%, 강재로 X 형 브레이싱 보강한 시험체는 122%, K형 브레이싱 보강한 시험체는 46%, 단부헌치보강한 시험체는 12%의 최대내력의 증대를 나타내었다. 2. 부재별 최대 모멘트를 비교하여 보면 기둥과 보 모두 기준시험체보다 보강한 시험체가 최대모멘트가 증대된 것으로 나타났으며, X형 브레이싱 보강, 시멘트블록 보강, K형 브레이싱 보강, 와이어 브레이싱 보강, 단부헌치 보강법의 순으로 최대모멘트의 증대효과를 나타내었다. 3. 기준시험체와 보강시험체의 강성을 비교하여 보면 초기강성은 보강효과가 뚜렷하게 나타났으며, 시험체가 항복한 이후에도 모든 보강시험체가 기준시험체보다 높은 강성을 유지하고 있는 것으로 나타났다. 6. 내진설계되지 않은 기존 건축구조물에 내진성능을 보강하기 위한 방법으로 와이어 브레이싱 공법, 시멘트 블록채움 공법, 강재를 이용한 브레이싱 공법(X형, K형) 단부헌치보강 공법은 모두 강도증진형 내진성능 보강공법으로서 적절한 것으로 판단된다. 7. 향후 연구과제로는 기존콘크리트 구조물과 보강재가 접합되는 부분의 상세와 지진으로 인한 피해가 발생한 후에 구조물을 보수·보강하는 방법에 대한 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다. This paper studied the efficiency of strengthening effect of reinforced concrete structure which was not designed to endure an earthquake. The earthquake in Kobe, Japan showed that there was a great possibility of having an earthquake even in big city and the damages were concentrated on mid or low story buildings which were not designed to be protected from an earthquake. Block-filling method wire-bracing method and steel bracing method were occupied to test the degree of efficiency of the methods in case of an earthquake. These methods could make the work simpler and lower the construction cost. Also, it is expected that retrofitting specimens could have higher ductility capacity against earthquake. Conclusions of this experiment which was compared at the point of structural behavior of the specimen structures strengthened with steel bracing (X, K, end - hunch type), wire bracing and cement bricks for horizontal restraint conditions due to specimen structure non-seismic detail are listed below. The conclusions are as follows. 1. Wire braced specimen had a 35%, the cement brick strengthened specimen had a 147%, steel bracing()(-type) specimen had a 122%, steel bracing(K-type) specimen had a 46% and steel bracing (end hunch type) specimen had a 12% higher maximum internal force increase than the standard specimen. 2. In comparison with the maximum moment capacity each and every member, it was appeared that braced specimen is superior to standard specimen. And following sign of inequalities shows that which method is superior in efficiency of enlargement in the "Maximum moment" E-X>E-B>E-K>E-W>E-H>E-N 3. In phase of stiffness reinforced specimen is definitely excellent in efficiency of strengthening at initial stiffness, in contrast to standard specimen. And then after yielding, all reinforced specimen keep higher stiffness than standard specimen. 4. As the method of reinforcing seismic resistance capacity of the existing building which are not designed to endure an earthquake, it seem that wire-bracing method, block-filling method, steel bracing method (X, K type) and steel bracing method(end hunch type) method are apt as the seismic resistancd capacity reinforcement method to improve stiffness.

기존 재건축 안전진단 사례분석과 내하력 평가를 위한 층별 가중치 산정에 관한 연구

우혜성 서울과학기술대학교 2015 국내석사

우리나라는 1970년대 이후 급격한 경제성장에 따라 다량의 공동주택이 건설된 이후 국내 건설기술의 발전, 준공된 공동주택의 경과년수에 의한 노후, 거주자의 욕구 다양화 등 여러 가지 기술적․사회적 요구에 따라 재건축의 필요성이 대두되었다. 이러한 요구에 따라 1990년대 후반 이후 기존 공동주택을 재건축하는 시도가 급격하게 이루어졌으나, 이 시기에는 재건축 제도가 제대로 정착되지 않아 대부분은 경제적 이익을 앞세운 무분별한 재건축 사업을 추진하면서 우리나라 주택 정책에 혼란을 일으켰다. 이를 해결하기 위해 합리적이고 객관적인 재건축 사업을 위한 본격적인 제도 정비가 시작되었고, 이후 공동주택은 안전 및 노후도 측면을 중심으로 재건축 여부를 평가할 수 있도록 재건축 안전진단 기준을 제정․보급하여 현재까지 이용하고 있다. 재건축 여부를 판단하는데 있어서 가장 중요한 내하력 평가에 있어서는 평가대상이 되는 모든 층을 3개(지하층, 기준층, 최상층)의 표본 그룹으로 삼분화하고, 표본 그룹을 대표하는 층의 내력비와 각 표본 그룹별로 정해놓은 가중치를 곱하여 성능점수를 산정하는 방법으로 안전성을 평가하고 있다. 그러나, 기준층 그룹의 가중치는 기준층 층수에 관계없이 고정된 값으로 정해져 있기 때문에 기준층 층수가 많은 경우에는 해당 층이 실제 구조물에 기여하는 중요도가 제대로 반영되지 않는 문제점이 발생하고 있다. 따라서, 본 연구는 기존 안전진단의 사례 분석을 통해 현행 재건축 안전진단의 평가 현황과 내하력 평가를 위한 층별 가중치 적용의 문제점을 파악하고, 정밀안전진단 기준에 따른 층별 가중치와의 비교․분석을 통해 합리적인 층별 가중치 산정방법을 제안하고자 한다. 이에 본 연구에서 수행한 재건축 안전진단 사례분석, 층별 가중치 산정 방법별 비교․분석 결과를 요약하면 다음과 같다. 1) 재건축 안전진단 사례분석 결과는 다음과 같다. (1) 단지별 종합평가 성능점수의 평균은 48.95점이며, 종합평가 성능점수에 영향을 주는 4가지 분야중 구조안전성 분야의 성능점수(59.29점)가 가장 높은 것으로 나타났다. 종합평가는 구조안전성 분야와 별다른 상관관계(R=0.46)를 갖고 있지 않으며, 이는 실질적인 구조물의 안전 및 노후도 평가보다는 재건축 사업을 추진하는데 필요한 평가점수를 확보(실제 진단시 적정 평가점수 확보후 조사․분석 종료)하기 위한 목적으로 안전진단을 실시하기 때문인 것으로 판단된다. (2) 기울기 및 침하, 내하력, 내구성 등 세가지 평가부문의 평가 결과중 최소값을 구조안전성 분야의 성능점수로 산정하고 있으며, 이중 내구성 부문의 평균 성능점수는 65.25점(구조안전성과의 상관계수(R) : 0.83)이고, 내하력 부문의 평균 성능점수는 74.17점(구조안전성과의 상관계수(R) : 0.61)으로 나타났다. 내구성은 구조물의 경과년수에 따른 노후도가 성능점수 감소에 직접적인 영향을 미치고 있으나, 내하력은 설계당시의 구조기준에 따라 내력비를 평가하여 성능점수를 산정하고 있으므로 내구성에 비해 성능점수가 다소 높게 평가되는 것으로 판단된다. (3) 동별 내하력의 평균 성능점수(74.17)에 비해 최하층의 평균 성능점수(72.10점)는 2.07점이 낮고, 기준층의 평균 성능점수(73.52점)는 0.65점이 낮고, 최상층의 평균 성능점수(80.64점)는 6.47점이 높은 것으로 나타났다. 이는 세대내부에서 용도변경 등으로 인한 하중증가시 이에 대한 영향이 최하층에서 두드러지게 나타나고, 최하층의 가중치(0.5)가 크게 설계된 평가체계 때문인 것으로 판단된다. 2) 층별 가중치 산정 방법 비교 (1) 재건축 안전진단 기준에 따른 가중치 산정방법은 최하층 또는 최상층에 대한 기준층 가중치의 저평가 또는 기준층내 층별 위치에 관계없는 일률적 평가 등 문제점이 있다. (2) 정밀안전진단 기준에 따른 가중치 산정방법은 각 층이 부담하는 축력에 따라 가중치를 부여하고 있어 재건축 안전진단에 따른 가중치 산정방법의 문제점을 해결할 수 있다. (3) 정밀안전진단 기준에 따른 가중치가 현실에 맞게 산정되었는지를 확인하기 위해 실시한 안전진단 사례에 따른 실제 구조물의 축력비 산정결과, 정밀안전진단 기준에 따른 층별 가중치와 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 3) 재건축 안전진단 층별 가중치 산정방법 제안 (1) 이상의 연구결과를 볼 때 재건축 안전진단에서도 합리적으로 층별 가중치를 산정하기 위해서는 정밀안전진단 기준에서 정하고 있는 층별 분담비율에 따른 가중치 산정방법으로 변경할 것을 제안한다. The safety diagnosis for current reconstruction divides in sample group of three parts(basement floor, typical floor, top floor) all floors regardless of space size in weighting calculation on each story for evaluation of load carrying capacity. Then, It calculates performance score to multiply weighting and evaluation results of sample data by each group. But, In case of typical floor group, The problem happens that contributing Importance to practical structures does not reflect well in Each floor Because It applies to equal weighting(0.3 or 0.4) regardless of the number of floors. This study attempts to figure out a method of weighting calculation on each story for evaluation of load carrying capacity. The method for performance study is as follows : At first, previous studies for reconstruction regulations and safety diagnosis methods were analyzed. And analysis of historical 84 safety diagnosis cases was also conducted. Secondly through a comparison and an analysis forced on weight evaluation methods following each floor, an appropriate weight evaluation method considered characteristics of each floor was proposed in this study. This study result, a method of weighting calculation according to current standards showed problems of undervalued calculation of typical floor or uniform evaluation regardless of position by floor within typical floor. A method of weighting calculation according to standards of precision safety diagnosis can solve the problem of safety diagnosis for reconstruction because of assigning weighting according to Axial force loaded of each story. Therefore, weighting calculation on each story of safety diagnosis for reconstruction suggest to apply formula in these words according to a method of weighting calculation on each story by standards of precision safety diagnosis.