KR101632255B1 - Pc 압착(壓着) 관절 공법에 의한 내진 설계법 - Google Patents

Pc 압착(壓着) 관절 공법에 의한 내진 설계법 Download PDF

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Abstract

PC 구조의 내진 설계법에 있어서, 고강도 프리캐스트·프리스트레스 콘크리트 부재인 기둥 및 빔을, PC 강재에 의해 압착 접합한다. 그라우트를 충전하여 부착시킨다. 소정의 지진 하중 설계값까지의 지진에 대해서는, 모든 구조 부재가 손상되지 않도록, 1 단계째의 선형 탄성 설계로 한다. 상기 소정의 지진 하중 설계값을 초과하는 지진에 대해서는, 그라우트의 부착이 끊어지는 것으로 지진 에너지를 흡수하고, 주요한 구조 부재가 손상되지 않도록, 2 단계째의 선형 탄성 설계로 한다. 1 단계째의 선형 탄성 설계와 2 단계째의 선형 탄성 설계를 조합한 비선형 탄성 설계로 함으로써, 내진 설계 레벨을 대폭 높이고, 진도 6강을 초과하는 지진에도 견딜 수 있도록 할 수 있다.

Description

PC 압착(壓着) 관절 공법에 의한 내진 설계법{EARTHQUAKE RESISTING DESIGN METHOD ON THE BASIS OF PC BINDING ARTICULATION CONSTRUCTION METHOD}
본 발명은, 프리스트레스트(prestressed) 콘크리트 구조(이하 「PC 구조」라고 한다)의 내진 설계법에 관한 것이다. 본 발명에서의 PC 구조란, 고강도의 프리캐스트·프리스트레스트 콘크리트(PCaPC) 부재끼리(기둥·빔)를 PC 강재(鋼材)로 PC 압착 접합하여 구성된 것을 가리키는 것으로 한다.
종래의 철근 콘크리트 구조(RC조)가 염가로 강성(剛性)이 높고 거주성이 우수한 것에 의해, 집합 주택이나 사무소 등의 건물에 많이 사용되고 있다.
다른 한편, 프리스트레스트 콘크리트 구조(PC 구조)는, 미리 콘크리트 부재 단면(斷面)에 프리스트레스를 부여하고, 상정(想定)되는 하중에 대하여 저항 가능하도록 하고, 대 스반(large span)의 빔 또는 큰 하중을 지지하는 빔과 기둥을 가지는 건물에 적용된다. 또한, RC조에 비해 고도의 복원성을 가지므로, 지진에 대하여 필요한 건재성을 유지할 수 있다.
PC 구조에 대해서는, 복수의 기술(특허)이 공지가 되어 있다. 제1 공지 기술로서는, 프리캐스트 콘크리트 기둥과, 프리캐스트 콘크리트 빔과의 접합부에 있어서, 빔의 단부(端部)에 빔 측면 및 빔 바닥면으로부터 돌출된 단면을 가지는 접합부를 설치하고, 상기 접합부의 빔 하부 및 빔 상부에, 빔과 기둥을 결합하는 결합 철근을 설치하고, 또한 PC 강재를 이들의 결합 철근보다 빔 단면의 중립축에 가까운 위치에 배열하여 빔과 기둥을 결합한 것을 특징으로 하는 기둥과 빔의 연결 구조이다(특허 문헌 1).
이 기둥과 빔의 연결 구조에 있어서는, 결합부의 빔성의 상하 부분에 결합 철근을 설치하고, 단면의 중립축에 가까운 위치에 프리스트레스를 도입하는 PC 강재를 배치하였으므로, 지진 시의 하중에 대하여 결합 상하 철근이 큰 변형을 하고, 큰 변형 에너지를 흡수한다. 또한 기둥과 빔의 접합부의 압착 기능을 오로지 행하는 PC 강재는 철근에 비해 변형도 작고, 지진 시에서의 손상이 적고 안전하다, 라는 것이다.
제2 공지 기술로서는, 프리캐스트 콘크리트 빔을, 언본드 PC 강재를 이용하여 프리스트레스를 도입하고 프리캐스트 콘크리트 기둥에 압착 접합한 구조에 있어서, 기둥의 측면으로서, 빔의 부상에 의한 회전 변형에 의해 압축을 받는 부위에, 압축 변형을 흡수하여 빔의 단부 콘크리트의 압괴(壓壞)를 방지하는 탄성체가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 프리캐스트 콘크리트 빔과 기둥의 PC 압착 접합 구조이다(특허 문헌 2).
이 프리캐스트 콘크리트 빔과 기둥의 PC 압착 접합 구조에서는, 100년에 한번이라고 생각되어지는 대지진에 의해서도, 라멘 골격(skeleton)에 손상이 없고, 또는 충격재를 교환함으로써 손상의 수복(修復)을 할 수 있는 RC 시스템 건물의 건축에 기여한다, 라는 것이다.
또한, 제3 공지 기술로서는, 프리캐스트 콘크리트 빔을, 언본드 PC 강재를 이용하여 프리스트레스를 도입하고 프리캐스트 콘크리트 기둥에 압착 접합하는 RC 시스템 구조물의 자기 면진 구조법(self-seismic isolation construction method)으로서, 상기 프리캐스트 콘크리트 빔의 길이 방향으로 상기 언본드 PC 강재를 관통시켜, 상기 언본드 PC 강재의 양 단부를 상기 프리캐스트 콘크리트 기둥에 정착하여, 지진 등의 수평력에 따라 상기 언본드 PC 강재가 탄성 신장하고 변형에 따른 기둥-빔 접합계면(column-beam juncture interface)의 부상을 허용하는 구성으로 하는 것을 특징으로 하는, RC 시스템 구조물의 자기 면진 구조법이다(특허 문헌 3).
이 RC 시스템 구조물의 자기 면진 구조법에 의하면, RC 시스템 구조물의 고유 주기를, 면진 장치, 제진 장치를 사용하지 않으므로, 장 주기화할 수 있다, 또한 면진 장치, 제진 장치, 및 그들에 따른 유지보수도 필요로 하지 않으므로, 비용 삭감에 크게 공헌하는 동시에 거주성에 매우 우수하다.
또한, 제4 공지 기술로서는, PC 압착 공법에 의해 구축된 내진 구조물에 있어서, 빔과 그 양단의 기둥을 최소 단위로서 구성되는 본체 프레임 구조는, 빔과 기둥의 접합부를 가능 회전 접합부로서 주로 연직(沿直) 하중을 부담하는 구성으로 되어 빔의 재 축 방향으로 기둥까지 관통시킨 언본드형의 PC 강재에 프리스트레스를 도입한 압착 접합에 의해 구축되어 있고, 상기 본체 프레임 구조의 측면부에 빔 양단의 상기 가능 회전 접합부를 걸치는 길이의 판재로 지진 시에 본체 프레임 구조가 손상을 받는 이전에 항복해 에너지를 흡수하는 수평 저항용 부재가 더해져, 상기 가능 회전 접합부의 양측 위치가 PC 강재에 프리스트레스를 도입한 압착 접합에 의해 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, PC 압착 공법에 의한 내진 구조물이다(특허 문헌 4).
이 PC 압착 공법에 의한 내진 구조물은, 본체 프레임 구조의 기둥과 빔을 긴 언본드형(unbonded type)의 PC 강재에 프리스트레스를 도입한 압착 접합하고, 주로 연직 하중을 부담하는 구성으로 하였으므로, PC 강재의 불균일은 그 전체 길이에 있어서 평균화된다. 따라서, 대 변형시에도 PC 강재의 불균일은 탄성 한도의 범위 내에 들어가고, 구조상의 안전성이 높다. 본체 프레임 구조는, 지진 시의 대 변형에 용이하게 추종하고, 지진 후에는 PC 강재에 도입한 프리스트레스의 작용 효과로서 복원 동작하고, 잔류 변형은 영(零)으로 복귀한다, 라는 것이다.
특허 문헌 1: 일본특공 평07―42727호 공보 특허 문헌 2: 일본 공개특허 제2002―4417호 공보 특허 문헌 3: 일본 공개특허 제2002―4418호 공보 특허 문헌 4: 일본 공개특허 제2005―171643호 공보
상기 제1 공지 기술에서는, 지진 시의 하중에 대하여 빔의 상하에 배치한 철근이 큰 변형을 부담하고, 큰 변형 에너지를 흡수하도록 하고, 기둥과 빔의 접합부의 중립축에 가까운 위치에 배치한 프리스트레스를 도입하는 PC 강재는 철근에 비해 변형도 작고, 지진 시에서의 손상이 적고 안전하다고 하고 있지만, 종래의 RC설계와 마찬가지로, 철근의 소성(塑性) 변형에 의해 에너지를 흡수하기 때문에, 지진 후 철근의 잔류 변형이 크게 수복할 수 없다는 문제점을 가지고 있다.
상기 제2 공지 기술에 있어서는, 기둥의 측면으로서, 빔의 부상에 의한 회전 변형에 의해 압축을 받는 부위에, 빔의 단부 콘크리트의 압괴(crushing)를 방지하는 탄성체가 설치된 구성이지만, 기둥의 복수의 측면에 탄성체를 장착하기 위한 절결(切缺) 오목부를 동일 레벨에 복수 설치함으로써, 기둥 자체가 단면 결손(缺損)에 의해 강도는 현저하게 저하되는 것이 명백한 동시에, 빔의 단부를 지지하는 부재가 존재하지 않으므로, 반복의 지진력에 의해, 기둥과의 접합부에서 아래쪽으로의 미끄러짐이 생겨, 언본드 PC 강재야말로 용이하게 파단하여 빔과 기둥과의 압착 접합부가 파손되고 구조물이 붕괴에 이르는 위험성이 매우 크다는 문제점을 가지고 있다.
상기 제3 공지 기술에서는, 프리캐스트 콘크리트 빔의 길이 방향으로 언본드 PC 강재를 관통시켜, 그 양 단부를 프리캐스트 콘크리트 기둥에 정착하여, 지진 등의 수평력에 따라 상기 언본드 PC 강재의 탄성 신장 변형에 따른 기둥-빔 접합계면의 부상을 허용하는 것으로 하고 있지만, 이 경우의 언본드 PC 강재의 정착은, 「특별 신규한 것이 아니고, 건축 학회의 PC 규격에 나타나 있는 방법 등으로 실시되는」이라는 기재로부터, PC 강재의 규격 항복 하중의 80%인 것, 그리고, 상기 제2 공지 기술과 마찬가지로, 빔의 단부를 지지하는 부재가 존재하지 않으므로, 반복의 지진력에 의해, 기둥과의 접합부에서 아래쪽으로의 미끄러짐이 생겨, PC 강재가 파단하여 구조물이 붕괴에 이르는 위험성이 매우 크다는 문제점을 가지고 있다.
상기 제4 공지 기술에 있어서는, 본체 프레임 구조의 측면부에 빔 양단의 가능 회전 접합부를 걸치는 길이의 판재로 지진 시에 본체 프레임 구조가 손상을 받는 이전에 항복해 에너지를 흡수하는 수평 저항용 부재가 더해져, 상기 가능 회전 접합부의 양측 위치가 PC 강재에 프리스트레스를 도입한 압착 접합에 의해 연결되어 있다. 결과적으로, 수평 저항용 부재에 집중하여 손상을 촉진하고 소성 변형을 생기게 하여, 지진 에너지를 흡수하고, 응답을 저감하고 쇠약 효과를 발휘하게 하는 것으로 하고 있지만, 역시 종래와 같은 소성 설계이며, 소성 변형된 수평 저항용 부재는 수복할 수 없기 때문에, 지진 후에 전부의 수평 저항용 부재를 교환하지 않으면 안 되므로, 현장 작업의 수고를 요하는 동시에, 현저하게 비용이 높아지는 문제점을 가지고 있다.
또한, 제2 ~ 제4 공지 기술에서의 공통 문제로서, 언본드 PC 강재의 충전재로 하는 그리스(grease)가, 시간이 경과하면 오일 분리 현상(oil separation phenomenon)이 일어나 방청 성능(corrosion control performance)을 크게 손상시키므로, 기둥과 빔의 PC 압착 접합 구조에 언본드 PC 강재를 사용하는 것은 바람직하지 않다.
그런데, 일본에서의 현행의 내진 설계 기준은 진도 5강 정도로 구조체의 손상을 허용하고, 생명의 안전성을 확보한 설계를 행하면 도괴(倒壞)하는 것도 허용하여 왔다. 진도 6을 초과하는 거대 지진 시에, RC조나 S조 및 SRC조 등의 건물이 붕괴하거나, 또는 크게 변형되는(층간 변형각 1/100 이상의 소성 변형) 동시에 손상하고, 지진 후 잔류 변형이 남은 채로 수복할 수 없다는 피해가 많이 발생하였다고 하는 보고가 있었다.
그리고, 「진도」란, 어느 지점(地点)에서의 지진의 요동의 정도를 나타낸 지표(指標)로서, 일본 기상청에 의해 사용되는 지진 계급(Japan Meteorological Agency seismic intensity scale)을 가리킨다.
특히, 일본은 지진이 많이 발생하는 나라이며, 언제 대지진이 일어나도 이상할 것이 없는 국토이다. RC조 또는 S조의 건물을 건축하는 현재의 설계법은, 지진 시에 철근과 철골을 소성 영역까지 이용하는 「소성 설계」이며, 그와 같은 국토에서는, 국정에 적당한 설계법은 아니다. 또한, 철근 콘크리트 구조의 기본인 소성 변형에 의한 에너지 흡수 이론에 기초하여 설계한 건물은, 패널 영역의 소성 변형에 의해 지진의 에너지를 흡수하고, 결과적으로 패널 영역이 전단(剪斷) 파괴해 지진동에 의한 손상 및 잔류 변형이 커서 지진 후의 수복을 할 수 없다는 문제가 있다. 요컨대, 종래의 설계법에 의한 RC 라멘 구조(RC rigid frame structure)에 있어서는, 대지진 시의 파괴는, 패널 영역(기둥-빔 접합부)이라고 정해져 있기 때문에, 패널 영역의 전단 파괴에 의해 기둥이 먼저 파괴하는 형태로 구조 전체가 파괴한다.
어느 것으로 해도, 종래의 PC 구조에 있어서, 부재 단면에 배치된 PC 강재의 긴장 도입력은, 정착 완료에서는 상기 PC 강재의 규격 항복 하중(standard yield load)(Py)의 80%로 하고 있다. 지진에 대한 현행의 내진 설계법에서는 RC조와 같이 최대 설계 하중 시에서는 PC 강재의 항복을 허용하고 있다. 그 결과, 상시 하중시에 PC 강재에 보유하고 있는 여력이 그다지 없기 때문에, 최대 설계값 시에 PC 강재가 항복해 소성 변형되어 버려, PC 구조의 우수한 복원성이 없어져, 구축 부재의 변형을 되돌리는 힘이 없어져 지진 후에는 잔류 변형이 남아 있으므로, 발생한 균열을 폐쇄할 수 없이 균열이 시간 경과 (經時)에 크게 진행하고, 구조 골격에 악영향을 주어 사용 수명이 대폭 감소한다.
또한, RC조 등과 같이, 지진 에너지를 흡수하기 위한 패널 영역이 변형되는 것을 허용하는 「소성 설계」를 이용하고 있으므로, 역시 대지진 시에는 패널 영역(기둥-빔 접합부)에서의 전단 파괴는 피할 수 없다. 또한, 내진 설계 레벨을 초과하는 진도 6 이상의 거대 지진 시에, 기둥과 빔의 압착 접합부에 있어서, 빔을 지지하는 턱(cogging)이 없으므로, 빔이 아래쪽으로 미끄러지기 시작해 PC 강재가 선행 파단(破斷)하고, 구조 부재의 파손과 함께 빔의 전단 파괴가 발생하고 건물이 붕괴에 이르는 위험성이 있다. 또한, RC조 보다 하중 변형 곡선의 루프의 면적이 작고, 이력 특성에 있어서 구조물의 소성 변형에 의한 에너지 소비가 적은 것이 문제로 되고, 대지진에 대하여 바람직한 성질은 아니라고 말해지고 있다.
본 발명자는, PC 구조에 관한 내진 성능에 관한 다양한 문제점을 해결하기 위해, 쇼와 62년(1987년) 이래, 내진 성능이 우수한 건물을 만들기 위해서 오랜 세월을 거쳐 연구개발하는 동시에, 본 발명자의 발상에 기초한 각종 실험에 의해 검증된 PC 압착 관절 공법을 확립하였다.
본 발명자가 목표로 하고 있는 내진 성능이 우수한 건물이란, 대지진 시에 주요 구조 부재가, 손상되지 않는다는 것이 대전제이다. 또한 대지진이 끝나도 그 후의 여진 등에도 건전한 상태이며, 또한 건물로서의 기능을 손상되지 않고, 계속적으로 사용할 수 있는 건축물이다.
본 발명은, 현행의 내진 설계 기준보다 내진 설계 레벨을 대폭 업(UP)시켜, 진도 6강을 초과하는 극대(極大) 지진에 대해서도, 탄성 설계를 기본으로 하는 신규한 PC 압착 관절 공법에 의한 PC 구조의 내진 설계법(이하 "본 설계법"이라고 함)을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적 수단으로서, 본 발명의 제1 태양(態樣)은, PC 압착 관절 공법에 의한 PC 구조의 내진 설계법을 제공한다. 상기 PC 구조는, 라멘 구조의 건물이며, 기초와 기둥과 빔을 가진다. 상기 기둥과 상기 빔이란, 고강도 프리캐스트·프리스트레스트 콘크리트 부재이다. 상기 기둥의 기둥-빔 접합부(패널 영역)에 턱을 설치한다. 상기 턱 상에 상기 빔을 탑재한다. 상기 기둥과 상기 빔과의 사이에 압착 조인트부를 설치한다. 상기 빔과 상기 기둥-빔 접합부(패널 영역)를 관통하는 2차 PC 강재(2차 케이블)를 설치한다. 상기 2차 PC 강재를 긴장시킴으로써 상기 기둥과 상기 빔을 압착 접합하여 일체화한다. 상기 2차 PC 강재에 그라우트(grout)를 부착시켜 고정시킨다. 상기 내진 설계법은, 하중이 소정의 지진 하중 설계값을 초과한 경우에, 상기 압착 조인트부의 부근에 있어서 상기 2차 PC 강재와 상기 그라우트와의 부착이 끊어지도록 설계한다. 이로써, 상기 하중이 상기 지진 하중 설계값을 초과하지 않는 지진이 발생한 경우에는, 상기 압착 조인트부가 풀 프리스트레스(full prestress) 상태를 유지하여, 상기 기둥과 상기 빔과 상기 2차 PC 강재가 선형 탄성 범위 내에서 변형되어 손상되지 않는다. 상기 하중이 상기 지진 하중 설계값을 초과하는 지진이 발생한 경우에는, 상기 2차 PC 강재와 상기 그라우트와의 부착이 끊어지는 것에 의해, 상기 압착 조인트부가 파셜·프리스트레스(partial prestress) 상태로 된다. 상기 압착 조인트부가 마우스를 열어 이격되어 회전 가능해지고, 상기 2차 PC 강재가 빠져나가는 것에 의해 상기 2차 PC 강재의 신장량이 증가해, 상기 2차 PC 강재의 탄성 범위 내에서 지진 에너지를 흡수하고, 상기 기둥과 상기 빔과 상기 2차 PC 강재가 선형 탄성 범위 내에서 변형되어 손상되지 않는다. 전체로서, 상기 PC 구조는, 상기 하중이 상기 지진 하중 설계값을 넘지 않을 경우의 1 단계째의 선형 탄성 설계와, 상기 하중이 상기 지진 하중 설계값을 초과한 경우의 2 단계째의 선형 탄성 설계를 조합한 비선형(非線形) 탄성 설계로 한다.
상기 지진 하중 설계값은, 진도 6약의 지진에 상당하는 하중이라도 된다. 상기 2차 PC 강재의 긴장력은, 상기 2차 PC 강재의 규격 항복 하중의 40%~60%이라도 된다. 상기 PC 구조는, 상기 기초와 상기 기둥의 기둥 다리와의 사이에 제2 압착 조인트부를 설치해도 된다. 상기 기초와 상기 기둥 다리를 관통하는 제2의 2차 PC 강재를 설치해도 된다. 상기 제2의 2차 PC 강재를 긴장시킴으로써 상기 기초와 상기 기둥을 압착 접합하여 일체로 해도 된다. 상기 제2의 2차 PC 강재에 제2 그라우트를 부착시켜 고정시켜도 된다. 상기 내진 설계법은, 하중이 소정의 제2 지진 하중 설계값을 초과한 경우에, 상기 제2의 2차 PC 강재와 상기 제2 그라우트와의 부착이 끊어지도록 설계해도 된다. 이로써, 상기 하중이 상기 제2 지진 하중 설계값을 초과하지 않는 지진이 발생한 경우에는, 상기 제2 압착 조인트부가 풀 프리스트레스 상태를 유지하여, 상기 기둥과 상기 제2의 2차 PC 강재가 선형 탄성 범위 내에서 변형되어 손상되지 않는다. 상기 하중이 상기 제2 지진 하중 설계값을 초과하는 지진이 발생한 경우에는, 상기 제2의 2차 PC 강재와 상기 제2 그라우트와의 부착이 끊어지는 것에 의해, 상기 제2 압착 조인트부가 파셜·프리스트레스 상태로 된다. 상기 제2 압착 조인트부가 마우스를 열어 이격되어 회전 가능해지고, 상기 제2의 2차 PC 강재의 탄성 범위 내에서 지진 에너지를 흡수하고, 상기 기둥과 상기 제2의 2차 PC 강재가 선형 탄성 범위 내에서 변형되어 손상되지 않는다. 상기 기둥 다리는, 전술한 기초와 상기 기둥과의 사이에 설치된 베이스 블록(base block)이어도 된다. 상기 제2의 2차 PC 강재의 긴장력은, 상기 제2의 2차 PC 강재의 규격 항복 하중의 40%~60%라도 된다. 상기 PC 구조는, 면진 공법을 조합시켜 구축된 PC 면진 구조이라도 된다.
본 발명에 관한 제2 태양은, 상기 PC 압착 관절 공법에 의한 내진 설계법에 의해 구축된 건축물이다.
본 발명에 관한 PC 압착 관절 공법에 의한 내진 설계법에 의하면, 다음과 같은 우수한 효과를 얻을 수 있다.
1. 소정의 설계값까지의 하중에 대하여, 모든 구조 부재가 손상되지 않는다.
진도 6약의 지진에서도, 종래의 설계법으로 구축된 RC조나 SRC조는, 소성 변형이 발생하여 손상 파괴되어, 지진 후의 수복(restoration)은 거의 불가능해진다.
이에 대하여, 본 설계법으로 구축된 PC 구조는, 상기 설계값의 하중에 대하여 저항하는 힘(프리스트레스 힘 및 부재 각도 변화에 대하여 저항하는 기둥·빔의 PC 체결력)이, 상기 기둥이나 상기 빔 등의 콘크리트 부재 내에 내부 에너지로서 부여되어 있다. 이로써, 구조체 자체가 탄성 변형되고, PC 기둥의 복원력으로 변형을 작게 억제하고, 부재 내에 축적된 내부 에너지에 의해 지진 에너지를 흡수하고, 풀 프리스트레스 상태를 유지한다. 이로써, 지진 재해 후에도, 건물이 건재한 상태이며, 건물로서의 기능이 손상되지 않고 계속적으로 사용할 수 있다.
2. 소정의 설계값을 초과하는 하중에 대해서도, 패널 영역에서의 손상 파괴를 없앤다.
하중이 상기 설계값을 초과하는 지진이 발생한 경우, 압착 조인트부가 마우스를 열어(회전하고) 파셜·프리스트레스의 상태로 되도록 설계한다. 이 파셜·프리스트레스의 영역에서는, 압착 조인트부가 마우스를 열어 이격되고 회전을 일으키는 경우에 의해, 패널 영역에 걸리는 응력 증가가 작아져, 패널 영역의 손상 파괴는 없다.
실험에 의해 이하의 사실이 확인되었다. 상기 지진 하중 설계값의 하중을 더하면, 압착 조인트부가 풀 프리스트레스의 상태로 변형되고, 패널 영역의 상하로 작은 균열이 발생한다. 하중이 설계값을 넘으면, 압착 조인트부가 파셜·프리스트레스 상태로 되어, 마우스를 열어, 기둥과 턱 상에 있는 빔이 이격되어 회전하고, 패널 영역의 상하의 작은 균열은, 반대로 폐쇄되어 간다. 이로써, 패널 영역이 그 이상 균열이 가는 것을 방지한다.
종래의 RC조에서는, 대지진 시에, 패널 영역의 소성 변형에 의해 지진의 에너지를 흡수하고, 결과적으로 패널 영역이 전단 파괴해 구조물이 붕괴에 이르게 되어, 이른바 기둥 파괴 선행형(column failure preceding type)으로 된다.
이에 비교하여, 본 설계법에 의한 PC 구조의 기둥-빔 압착 접합부는, 소정의 지진 하중 설계값까지의 하중에서는, 압착 조인트부가 이격되지 않지만, 하중이 설계값을 초과하는 극대 지진 시에는, 압착 조인트부가 이격되는 것에 의해 패널 영역은 전단 파괴하지 않도록 하고, 그 결과, 기둥, 빔, 패널 영역 등의 주요 구조 부재의 손상을 방지한다. 압착 조인트부가 마우스를 오픈함으로써 건물 구조를 지킬 수 있다. 지진이 지나가 버리면, 2차 PC 강재의 탄성 복원력으로 오픈된 마우스가 폐쇄되어 이격된 압착 조인트부가 원래 상태로 돌아온다. 구조물은, 잔류 변형이 없는 건전한 상태이며, 압착 조인트부가 만일 경미한 손상을 받았다고 해도 보수하여 계속적으로 사용할 수 있다.
3. 극대 지진 시에 입력값을 내린다.
하중이 소정의 설계값을 초과하는 극대 지진이 발생한 경우, 기둥-빔 압착 접합부가 마우스를 열어 회전 가능해진다. 압착 조인트부 부근에 있어서 필요한 길이의 범위에서 2차 PC 강재와 그라우트와의 부착이 끊어진 상태로 되어, 2차 PC 강재가 빠져나가 신장량을 증가시킴으로써, 지진 에너지를 흡수한다. 2차 PC 강재가 부담하는 장력이 오르지 않고, 2차 PC 강재를 탄성 범위 내에 유지할 수 있고, 그에 따라 입력값을 작게 할 수 있다. 즉, 하중이 소정의 설계값을 초과하는 극대 지진이 발생한 경우, 2차 PC 강재의 탄성 변형 직선이 수평에 가까워지므로, 입력값을 내릴 수 있는 것이다. 또한, 압착 접합부에 있어서, 2차 PC 강재(2차 케이블)의 긴장력은, 상기 2차 PC 강재의 규격 항복 하중(Py)에 대하여 50% 정도(Py의 40%~60%)로 제어한다. 이로써, 하중이 소정 설계값을 초과하는 극대 지진이 일어난 경우라도, 2차 PC 강재에 충분히 여력이 있어, 최후까지 탄성 범위에 있다. 2차 PC 강재가 스프링과 같이 작동하여, 지진에 의한 건물 변형에 저항하는 힘을 발휘하고, 2차 PC 강재의 탄성 저항력에 의한 프리스트레스의 복원력이, 변형된 건물을 원래 상태로 되돌리려고 하는 힘이 된다. 요컨대, 프리스트레스에 의한 제진 효과(vibration control effect )가 얻어진다.
4. 기둥 다리부에서의 기둥 손상을 없앤다.
또한, 하중이 소정의 설계값을 초과하는 극대 지진에 조우(遭遇)한 경우에는, 기둥 다리 아래의 압착 조인트부(제2 압착 조인트부)가 마우스를 열어, 파셜·프리스트레스의 상태로 된다. 2차 PC 강재를 탄성 범위로 유지하면서 압착 조인트부가 마우스를 오픈함으로써, 지진 에너지를 흡수한다. 이로써, 건물 전체를 지지하는 가장 중요한 부분인 기둥 다리부에서의 기둥 손상 파괴를 없앨 수 있다. 그리고, 기둥 다리부의 압착 조인트부에 있어서, 2차 PC 강재(제2의 2차 케이블)는, 최후까지 소성 변형되지 않고 탄성 범위로 계속 유지하고 있기 때문에, 지진 후, PC 복원력에 의해 마우스가 다시 폐쇄되어 조인트부가 원래로 상태로 되돌아오므로, 건물을 계속적으로 이용할 수 있다.
5. 면진 및 제진 효과와 비용 삭감 효과를 가지는 건축물을 얻을 수 있다.
본 설계법과 면진 공법을 조합한 PC 구조인 PC 면진 구조는, 탄성 설계로 상부 구조가 비선형 탄성 영역 내에 들어가는 PC 복원력 특성을 가진다. 이로써, 내진, 면진에 더하여, 제진 효과가 얻어진다. 도입되어 있는 프리스트레스가, 지진에 의한 변형 후에는 건물을 원래 상태로 되돌리려고 하는 복원력이 되어, 제진 효과를 발휘한다.
또한, RC조에 비하여, 상부 구조의 기둥과 빔의 단면을 20% 정도 작게 할 수 있고, 슬림화에 의한 비용 삭감에 기여할 수 있다.
또한, 면진 구조의 경우에는, 아이솔레이터(isolator)의 배치에 관계하여, 면압을 크게 할 필요가 있으므로, 지지 스팬(supporting span)을 크게 할 필요가 있다. 상부 구조가 본 설계법에 의한 라멘 구조인 경우, 지지 스팬을 크게 할 수 있고, 장기 하중에서의 균열의 염려도 없는 것이다.
또한, 도입된 프리스트레스의 복원력에 의해 지진 시의 요동을 현저하게 작게 억제할 수 있고, 지진 후, 건물이 원래 상태로 돌아오기 때문에, 지진에 의한 반복의 요동이나 변형을 억제하므로, 우수한 제진 효과가 얻어진다. 요컨대, 면진 효과와 프리스트레스에 의한 제진 효과가 얻어지는 것이다.
6. 슬래브(slab)의 균열 방지 효과가 얻어진다.
종래의 RC조 등에 있어서, 상시 발생하는 바람 하중(wind loads)이나 중소 지진 하중에 의한 요동이나 진동을 받아 콘크리트 슬래브에 균열이 자주 발생하는 동시에 과도한 굴곡 변형이 생기는 경우가 많고, 건축물의 사용성과 내구성(耐久性)에 큰 지장을 초래한다.
이에 대하여, 본 설계법에 의한 PC 구조의 PC 복원력에 의해, 강성을 대폭 향상시켜 상시적으로 발생하는 요동이나 진동을 현저하게 작게 억제할 수 있고, 슬래브의 균열을 방지할 수 있다.
또한, 프리캐스트 빔(beam) 부재에 설치된 1차 PC 강재(1차 케이블) 및 2차 PC 강재(2차 케이블)를 스팬의 중앙 단면에서 편심(偏心)시켜 배선함으로써, 빔에 상방향 캠버(camber)를 형성할 수 있다. 이로써, 사용 시 하중에 의한 굴곡 변형이 상쇄되어 사용 시에 장애가 되는 변형이 생기지 않는다.
도 1은 본 발명의 PC 압착 관절 공법에 의한 PC 구조의 내진 설계법이 적용되는 대표적인 PC 건축물을 나타낸 측면도이며, 배선 형상을 포함한 일부를 단면으로 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 본 설계법의 기본 원리를 나타낸 설명도이며, 도 2a는 낚시대 이론, 도 2b는 관절 이론을 나타낸다.
도 3은 본 설계법에서의 에너지 흡수의 개념도이다.
도 4는 본 설계법에서의 PC 압착 접합의 상태를 나타낸 설명도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 설계법에서의 2차 PC 강재의 부착 상태를 나타낸 설명도이며, 도 5a는, 2차 PC 강재가 부착되어 있어, 긴장력이 도입되어 있는 상태를 나타내고, 도 5b는, 부착이 끊어져 2차 PC 강재에 신장(expansion)이 발생하고 있는 상태를 나타낸다.
도 6은 본 설계법에서의 2차 PC 강재의 부착이 끊어졌을 때의 하중과 신장과의 관계를 나타낸 개념도이다.
도 7a~도 7c는 본 설계법에서의 구축 부재에 도입된 프리스트레스 힘(내력)에 의한 제진 효과를 나타낸 모식도이며, 도 7a는 빔, 도 7b 및 도 7c는 기둥을 나타낸다.
도 8a~도 8c는 본 설계법에 관한 건축물로서, 실물 크기 1/3 스케일로 내진 실험체로서 사용한 십자형 뼈대를 나타낸 도면이며, 도 8a는 전체의 측면도, 도 8b는 기둥의 확대 단면도(斷面圖), 도 8c는 빔의 확대 단면도이다.
도 9는 상기 내진 실험체와 종래 구조를 사용한 실험의 결과를 나타낸 그래프도이다.
도 10은 본 설계법에 의한 PC 구조물과 종래의 RC 구조물에 있어서, 지진 시에 구조물에 입력되는 응력과 요동 폭 및 잔류 변형량을 나타낸 개념도이다.
본 발명에 관한 PC 압착 관절 공법에 의한 내진 설계법을 도시한 실시형태에 기초하여 상세하게 설명한다.
PC 압착 관절 공법에 의한 건물의 기본 구성은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 기초(1), 기둥(2), 빔(3)을 가지는 라멘 구조이다. 구축 부재(construction members)인 기둥(2)과 빔(3)은, 고강도 프리캐스트·프리스트레스트 콘크리트 부재이다. 기초(1)와 최하층의 각 기둥(2)과의 사이에, 기둥 다리로 하는 베이스 블록(14)을 설치한다. 베이스 블록(14) 아래에 압착 조인트(6)(압착 조인트부)를 설치한다. 기초(1), 베이스 블록(14), 기둥(2)을 관통하여 PC 강재(13)(제2의 2차 PC 강재)를 설치한다. PC 강재(13)에 의해 기초(1)로 베이스 블록(14) 및 기둥(2)을 압착 접합하여 일체화하고, 기둥 다리부(15)를 형성한다. 즉, 베이스 블록(14)은, 기둥(2)의 기둥 다리로서 기둥 다리부(15)에 배치된다. 기둥(3)에는 턱(4)을 설치한다. 상기 턱(4) 상에 빔(3)을 탑재한다. 빔(3)에는, 1차 케이블로서 배치한 PC 강재(5)(1차 PC 강재)로 프리스트레스가 도입되어 있다. 기둥(2)과 빔(3)과의 사이에 압착 조인트(6)를 설치한다. 2차 케이블로서 배치한 PC 강재(7)(2차 PC 강재)에 의해, 기둥(2)과 빔(3)을 압착 접합한다. 1차 케이블인 PC 강재(5)는, 장기 하중에 대하여 배치하는 것이며, 그 긴장력은, 종래와 마찬가지로, 긴장 정착 완료 시에서는 PC 강재의 규격 항복 하중의 80%까지로 한다. 또한, 프리스트레스의 인가 방법은, 프리 텐션 방식과 POS 텐션 방식(pre-tensioning system and a post-tensioning system)(빔단 긴장 정착하는 타입)의 어느 것이라도 된다. 빔(3)에 설치된 1차 케이블(5) 및 2차 케이블(7)의 몇 가지는, 스팬의 중앙 단면에서 편심시켜 배치한다.
그리고, 프리캐스트 기둥의 시공을 안전하고 용이하게 행하기 위해 베이스 블록을 사용하는 것이 바람직하지만, 도시와 반대로, 베이스 블록을 형성하지 않아도 된다.
2차 케이블인 PC 강재(7)는, 기둥(2)과 빔(3)을 압착 접합하여 일체화하기 위해 사용하고, 그 긴장력을 종래의 PC 구조의 설계값보다 낮게 설계하고, 압착 조인트부에서의 긴장력은 PC 강재(7)의 규격 항복 하중에 대하여 50%±10% 정도로 한다. 또한, 기둥(2)에도 복수의 긴장용의 2차 PC 강재(13)를 설치한다. 패널 영역(기둥-빔 접합부)에 있어서, 스팬 방향의 빔인 대들보(great beam), 길이 방향의 빔인 형빔(girder beam) 및 기둥 부재도 프리스트레스를 부여한다. 이로써, 패널 영역은, XYZ 모든 방향으로부터 3차원적으로 프리스트레스 힘을 받게 된다. 그리고, PC 강재(7, 13)는, 본드 타입이며, 모두 미리 설치하고 있는 시스(sheath)(8) 내를 삽통(揷通)하여 설치되고, 긴장 정착 후 그라우트를 충전한다. 또한, 빔(3)의 상면에는 각 층마다 슬래브(9)가 타설(打設)된다. 이로써, 관절 기구(機構)를 가지는 라멘 구조가 구성된다.
라멘 구조에 있어서, 지진력에 의한 응력 중, 패널 영역(기둥-빔 접합부) 주변(周邊)의 빔단(beam ends) 및 기둥면(柱面), 및 최하층의 기둥 다리부(column base portion)에 발생하는 것이 최대이다. 그러므로, 본 설계법은, 패널 영역, 기둥 다리부, 이들 주변의 압착 조인트부(6) 및 2차 PC 강재(7, 13)의 긴장력을 주된 설계 대상으로 한다.
본 설계법의 기초가 되는 PC 압착 관절 공법은, 본 발명자가 창조한 낚시대 이론과 관절 이론과의 2개 이론에 기초하여 확립된 것이다. 그 PC 압착 관절 공법이 내진 성능이 우수하다는 것은, 이 2개의 이론으로부터 설명할 수 있다.
[낚시대 이론]
도 2a에 나타낸 실제의 낚시 도구에 있어서, 큰 물고기나 쓰레기(rubbish), 또는 돌에 낚싯바늘이 걸려 버렸을 경우에, 억지로 당기면 고가의 낚시대(10)가 부러지거나 또는 낚싯줄(11)이 끊어져 버린다. 낚시대(10), 낚싯줄(11)이 손상되지 않도록 하기 위해, 선단에 낚싯바늘이 붙은 하리스 부분(12)만을 약하게 하여 둔다. 하리스 부분(12)이 끊어지는 것으로, 낚시대(10)와 낚싯줄(11)에 손상을 주지 않는다. 이 이론에 있어서, 낚시대(10)는, 라멘 구조의 기둥(2)에 상당하고, 낚싯줄(11)은 빔(3)에 상당하고, 하리스 부분(12)은, 턱(4) 상에 실린 빔(3)의 단부의 조인트 부분인 압착 조인트부(6)에 상당한다. 즉, 약한 하리스 부분(12)에 상당하는 압착 조인트부(6)로부터 먼저 손상되는 것이다.
[관절 이론]
인간의 관절은, 뼈와 뼈가 관절 부분에서, 회전 가능하도록 연결되어 있다. 접속면은 유연한 연골 부분이 있어, 뼈 상호는 주위의 강하게 탄력성이 풍부한 근육에 의해 접속되어 있다. 이와 같은 구조로 되어 있으므로, 구르거나 무언가에 부딪쳤을 때 충격을 완화시키거나 흡수할 수 있다. 이 이론에서는, 도 2b에 나타낸 기둥-빔 접합부가, 인간의 관절과 같은 기능을 한다. PC 압착 관절 공법에 있어서, 턱(4) 상에 실린 빔(3)의 조인트부분인 압착 조인트부(6)가 관절에 상당하고, PC 강재(7)가 상기 뼈와 뼈를 연결하는 인간의 탄성 근육에 상당한다.
전술한 구조 내진 성능와 관련된 문제점을 해결하기 위해, 본 설계법은 PC 강재의 특징을 이용한 프리스트레스트 콘크리트 구조에 의한 탄성 설계로 대지진에 대처하는 것을 기본으로 한다.
이 2개의 이론을 구축 부재인 기둥(2)과 빔(3)과의 압착 조인트부(6)에 응용하면, PC 구조에 매우 우수한 내진 성능을 갖게 할 수 있고, 또한 경제적인 설계가 가능해진다.
종래의 RC조나 S조 및 SRC조에서는, 진도 6약(弱) 정도의 지진으로 건물이 크게 변형되어(층간 변형각 약 1/100) 부재가 손상하거나, 또는 붕괴해 수복할 수 없었던 것이다.
본 설계법에서는, 진도 6약 정도의 지진에 대하여, 미리 부여된 프리스트레스에 의한 콘크리트 부재 내에 축적되어 있는 내부 에너지로 대항하는 탄성 설계를 기본으로 한다. 구조물 자체를 탄성 변형되고, 층간 변형각이, RC조에 비해(대체로 1/150까지) 매우 작아진다. 풀 프리스트레스 상태가 유지되어 지진 재해 후 그 건물이 건전한 상태를 유지한다.
이에 대하여, 상기한 것보다 큰 극대 지진에 대해서는, 구조체 자체는 탄성 설계이지만, 압착 조인트부(6)가 부분적으로 파셜·프리스트레스 효과를 발휘함으로써 대응한다. 요컨대, 극대 지진에 있어서도, 건물을 손상되지 않는다. 이것은, 중요한 설계 조건으로서, 본 설계법의 특징이다.
그리고, 파셜·프리스트레스 효과란, 지진 입력에 의해, 압착 조인트부(6)가 일단 마우스를 열고, 지진이 지나가 버린 후, PC 복원력에 의해 마우스가 다시 폐쇄되는 것을 의미한다.
같은 레벨의 지진 하중을 받아도, RC조나 SRC조 등 종래의 건축물보다 층간 변형각이 작게 억제되는 것은, PC 부재 내에 축적된 내부 에너지와 기둥의 PC 복원력(제진 효과) 및 기둥·빔 고정 효과에 의해, PC 구조의 변형에 저항하기 때문이다. 예를 들면, 진도 6약 정도의 지진의 경우에는, RC조나 SRC조에서는, 층간 변형각 약 1/100 이상의 소성 변형이 발생하지만, 본 설계법에 의한 PC 구조에서는, 층간 변형각이 대체로 1/150까지로 되고, RC조에 비해 변형량이 매우 작아진다. 단, 층간 변형각의 값은, 구조 형식뿐 아니라 건물의 규모나 형상, 높이 및 지반 등 다양한 조건에 따라 변경되므로, 전술한 값은, 어디까지나 설계의 참고값이다.
또한, 층간 변형각과 진도와의 사이에는, 정확한(엄밀한) 변환이 없기 때문에, 본 설계법에서의 층간 변형각은, 기준으로서의 설계값이며, 표시하고 있는 값은, 「대강」 「대체로」 「대략」 「약」등의 의미를 포함한다. >
이상의 이론에 근거한 본 설계법에서는, 하기의 요건을 만족시키도록 설계한다.
· 기둥 파괴 선행형(column failure preceding type)으로 파괴되지 않는다.
· 대들보 파괴 선행형(great beam failure preceding type )으로 파괴하지 않는다.
· 지진력에 의해 구조물이 대변형해도, 대들보는 낙하하지 않는다.
· 대들보가, 기둥의 턱 상에서 아래쪽으로 미끄러지지 않고 회전할 수 있다.
· 압착 접합부의 압착력은, 진도 6약, 또는 층간 변형각 1/150 정도까지는 풀 프리스트레스 상태를 유지하도록 한다.
· 진도 6강(强) 이상, 또는 층간 변형각 1/150~1/100의 극대 지진 시에, 압착 조인트부가 파셜·프리스트레스의 상태로 되어, 턱 상에 있는 기둥과 빔의 구조 조인트부분이 마우스를 열어(이격되어) 회전 가능해지고 에너지를 흡수한다.
패널 영역(기둥-빔 접합부)의 파괴는, 기둥과 빔이 턱 상에서 마우스를 오픈함으로써 제어되고, 패널 영역이 손상을 받지 않도록 한다. 또한, 패널 영역에 3차원적으로 축 압축을 부가하고 있으므로, 프리스트레스에 의한 복원력 특성을 가지고 있다. 그러므로, 지진 후의 잔류 변형은 전혀 생기지 않는다. 종래의 설계법에 의한 RC조 및 PC 구조의 패널 영역이 파괴함으로써 에너지를 흡수하는 것과 전혀 다른 설계 사상이다.
수많은 실험에 의해 확인된 것이지만, 본 설계법에 의한 기둥-빔 접합부에 있어서, 소정의 지진 하중 설계값까지(실험에서는 층간 변형각 1/100) 풀 프리스트레스의 상태로 변형을 시키면 패널 영역의 상하로는 작은 균열이 발생한다. 변형량이 설계값을 넘으면, 턱 상에 있는 기둥과 빔의 압착 조인트부분이 파셜·프리스트레스의 상태로 되어, 마우스를 열어(이격되어) 회전 가능하게 된다. 이로써, 패널 영역의 상하가 작은 균열은, 반대로 폐쇄되어 가는 것이 검증되었다. 이로써, 패널 영역에 그 이상 균열이 생기지 않는다.
종래의 RC조에서는, 대지진 시(진도 6약 이상)에 패널 영역의 소성 변형에 의해 지진의 에너지를 흡수한다. 그 결과, 패널 영역이 전단 파괴되고, 구조물이 붕괴에 이르는, 이른바 기둥 파괴 선행형(column failure preceding type)으로 된다. 이에 비교하여, 본 설계법에 의한 PC 구조의 기둥-빔 압착 접합부는, 소정의 지진 하중 설계값까지 압착 조인트가 이격되지 않는다. 하중이 설계값을 초과하는 극대 지진 시에는, 압착 조인트가 이격되는 것에 의해 패널 영역은 전단 파괴되는 일은 없다. 최종적으로는, 회전에 의해 압착 조인트부(6)가 경미한 손상을 받지만, 대들보(3)는, 턱(4) 상에 있어, 2차 케이블로서 배선·긴장시킨 PC 강선(鋼線)(PC 강재)(7)에 의해 연결되고 있으므로, 턱(4)으로부터 낙하하지 않는다. 패널 영역을 관통하는 2차 케이블의 긴장력은, 압착 접합부에 있어서 PC 강재(7)의 규격 항복 하중에 대하여 50% 정도으로 하여 그 인장(引張) 능력에 여유(여력)를 갖게 함으로써, 변형 후의 복원력을 유지시킬 수 있다. 이 실험에 의해, 본 설계법에 의한 우수한 내진 성능이 검증되었다.
본 설계법에 의한 압착 접합부의 회전에 대하여, 대들보에 배치하여 패널 영역에 관통하는 PC 강재(7)의 양과 그 PC 강재(7)에 주어지는 장력을 적절히 설정함으로써, 빔(3)과 기둥(2)의 접합 상태를 제어한다. 압착 접합부에 있어서, PC 강재(7)의 긴장력은, 상기 PC 강재(7)의 규격 항복 하중(Py)의 40%~60%의 범위로 하고, 50% 정도로 하는 것이 바람직하다.
상시 하중 및 중소 지진 시에는, 회전이 일어나지 않는 강절(rigid connection) 상태를 유지하여, PC 구조가 보유하는 탄성 응력에 의해 하중에 대처하고, 제어한다. 진도 6약(층간 변형각 1/150)까지는, 풀 프리스트레스의 상태로 되도록 설계한다. 그 이상의 극대 지진이 발생한 경우에만, 기둥(2)과 빔(3)의 접합부가 파셜·프리스트레스 접합 상태로 되어, 회전을 일으켜, 압착 조인트부(6)가 이격되기 시작한다. 이 상태로 되어도 PC 강재(7)에는 충분한 여력이 있어, 탄성 범위 내에 있다. 따라서, PC 강재(7)가 파단(소성 변형)하는 것과 같은 일은 없다. 그리고, 지진이 지나가 버리면, PC 복원력에 의해 마우스가 다시 폐쇄되어 회전한 압착 접합부(압착 조인트부)가 원래 상태로 돌아온다. 또한, 이 압착 조인트부(6)의 이격이 발생한 때, 시스(8) 내의 그라우트에 부착되어 있었던 PC 강재(7)가 일부에 있어서 빠져나가, 부착이 끊어진다. 이 부착 조각에 의해 댐퍼 효과가 얻어진다. 즉, PC 강선이 빠져나가, PC 강선의 신장이 증가함으로써, 에너지가 흡수된다. 이로써, 극대 지진 시의 입력값을 내려 오르지 않도록 한다. 이로써, 댐퍼 효과를 가지는 구조물에 들어 온 지진에 의한 파괴 하중의 에너지를 흡수시켜 입력 하중을 작게 억제할 수 있다.
또한 본 설계법에서는, 진도 6약의 지진(층간 변형각이 1/150까지)에 상당하는 하중을 소정의 지진 하중 설계값으로 한다. 그 이하의 지진일 때는, 구축 부재와 조인트부분이 풀 프리스트레스의 상태로 되도록 설계한다. 그것을 초과하는 극대 지진, 즉 층간 변형각 1/150~1/100, 진도 6강 이상의 지진이 발생했을 때는, 구축 부재는 풀 프리스트레스의 상태에 머물고, 조인트부분은 파셜·프리스트레스의 상태로 된다.
본 설계법에서의 에너지 흡수 개념을, 도 3에 기초하여, 상세하게 설명한다.
도에서의 선분(0A)은, PC 강재(7)의 탄성 변형 직선이며, 점 A는, PC 강재(7)의 탄성 변형 한도치 Pe에 대응한다. 이 범위에서는, 부재의 하중 변형 관계가 선형이다. PC 강재(7)에 걸리는 장력이 탄성 변형 한도치 Pe를 넘으면, 장력이 거의 오르지 않고 곧 PC 강재(7)가 파단하게 된다. 삼각형 0AB의 면적은, PC 강재(7)가 흡수한 에너지를 나타낸다. 종래의 PC 구조는, 이와 같은 에너지 소비 이력 특성이 되어 있다. 높은 입력값에 비해 변형량이 적은 점이 문제가 된다. 장력이 탄성 변형 한도치 Pe를 넘으면, PC 강재(7)의 신장이 적기 때문에, 바로 PC 강재(7)가 파단되는 위험성이 있다.
본 설계법은, PC 강재(7)를 항복시키지 않도록 하는 탄성 설계를 기본으로 한다. 설계값(P1)은, 풀 프리스트레스의 영역과 파셜·프리스트레스의 영역과의 사이의 임계값이다. 설계값(P1)은, 진도 6약의 지진(층간 변형각 1/150까지)에 대응하는 입력값으로 한다. 여기까지는, 압착 조인트부(6)에 마우스(간극)가 열리지 않고 프레임 구조 전체가 풀 프리스트레스의 상태로 되도록, 제1 단계째를 설계한다. 따라서, 제1 단계째은, 선분(0C)과 나타내는 선형 탄성 설계이다.
다음에, 진도 6강 이상, 층간 변형각 1/150 이상의 극대 지진이 발생한 경우에는, 압착 접합면 부근에 있어서 필요한 길이 범위에서 PC 강재(7)와 시스(8) 내의 그라우트와의 부착이 끊어져 PC 강재(7)가 빠져나가도록, 제2 단계째를 설계한다. PC 강재(7)의 신장량(조인트 이격 변형량)을 증가시키므로, 화살표 a로 나타낸 바와 같이, 입력 하중이 하강하고, 압착 조인트부(6)가 마우스를 열어, 이격에 의한 회전이 일어나 접합 상태가 파셜·프리스트레스가 된다. 따라서, 제2 단계째는, 선분 CF로 나타내는 선형 탄성 설계이다.
결과적으로, 부재의 하중 변형 관계는, 제1 단계째의 선형 탄성 설계를 나타낸 선분 0C와 제2 단계째의 선형 탄성 설계를 나타낸 선분 CF를 접속한 꺾인 선 0CF로 나타내는 비선형이 된다. 설계값(P1)에 대응하는 점 C를 지나면, 하중 변형 곡선의 구배(勾配)가 작아져, 가로축 방향(수평 방향)으로 넘어지므로, 삼각형 CAD의 면적과 사각형 BDFE의 면적이 같아지는 점 F에 있어서, 입력값은, 점 C로부터 그다지 오르지 않는다. 따라서, 삼각형 0AB로 표현되는 에너지와 같은 에너지를 흡수해도, 부재가 파단하는 위험성은 전혀 없다. 하중이 설계값을 초과하는 지진이 발생했을 때, 부착 조각에 의해 PC 강재(7)가 빠져나가, 신장량이 증가한다. 빔(3)이 기둥(2)의 턱(4) 상에서 회전하는 일에 의해 지진 에너지를 흡수하여 입력값을 내린다. 이로써, 주요 구조 부재[기둥(2), 빔(3), 패널 영역]에 손상을 주지 않도록 한다. PC 강재(7)는, 장력이 규격 항복 하중 Py의 50% 정도이므로, 여력을 충분히 가지고 있다. 따라서, PC 강재(7)는, 탄성 범위 내에 머물어, 최후까지 소성 변형되지 않고 복원력을 계속 유지한다. 지진 후에는, 잔존 에너지에 의해, 열린 마우스가 닫히고, 이격된 조인트가 원래 상태로 복귀하여, 원점 복귀할 수 있다. 이것이 중요한 설계 포인트이다.
본 설계법에 있어서, 하중이 소정의 설계값을 초과하는 극대 지진이 발생했을 때, 압착 조인트부(6)가 마우스를 열어 이격되어, 회전을 일으키는 경우에 의해, 국부적(局部的)으로[즉, 압착 조인트부(6)를] 파셜·프리스트레스 상태로 한다. 소정의 설계값은, 예를 들면, 진도 6약의 지진(층간 변형각 1/150)에 상당하는 값으로 하지만, 층간 변형각 1/100에 상당하는 값이라도 되고, 건물의 규모, 계고, 형상 및 구조 부재의 배치 등의 조건에 따라서는, 층간 변형각 1/50에 상당하는 값이라도 된다.
PC 강재(7)에 충분한 여력을 갖게 하는 설계이므로, PC 강재(7)가 최후까지 탄성 범위 내에 있어, 지진 후 탄성 복원력에 의해 건물 자체가 원래 상태로 돌아오는 구조 성능을 가진다.
즉, PC 강재(7)는, 여력을 가진 프리스트레스의 상태로 긴장 설치된다. 이 긴장력을 콘크리트 내에 내부 에너지로 하여 축적하고, 여력으로 지진 에너지를 흡수시킨다. 그 결과, 하중이 소정의 설계값을 초과하는 지진이 일어나도, 압착 조인트부(6)가 마우스를 오픈함으로써 건물 구조를 지킬 수 있다. 압착 조인트부(6)가 만일 경미한 손상을 받았다고 해도, 용이하게 보수할 수 있다. 따라서, 지진 후에도 건물 전체는 건전하게 계속 사용이 가능해진다. 여진이 발생하거나, 또는 극대 지진이 다시 발생한 경우라도, 건물이 우수한 내진 성능을 유지하고 있기 때문에, 같은 것이 반복된다. 이와 같이, 본 설계법은, 종래의 진도 5강 정도로 구조체의 손상(소성 변형)을 허용하는 내진 설계법과는 전혀 상이한 것이다.
PC 압착 접합의 상태를 나타낸 도 4를 사용하여, 파셜·프리스트레스의 접합 상태에 대하여 설명한다. 기둥(2)과 빔(3)과의 PC 압착 접합에 있어서, 도면의 우측은, 풀 프리스트레스의 접합 상태를, 좌측은, 파셜·프리스트레스의 접합 상태를 각각 나타낸다. 본 설계법에 있어서, 기둥(2)에 배치되는 2차 PC 강재(13)와 빔(3)에 배치되는 2차 케이블인 PC 강재(7)는, 기둥(2) 및 빔(3) 내에 배치한 시스 내에서 그라우트된 본드 타입으로 한다. 그리고, 하중이 소정의 설계값(진도 6약, 층간 변형각 1/150) 이하의 지진일 때는, 기둥-빔 압착 접합면이, 풀 프리스트레스의 접합 상태를 유지한다. 하중이 소정 설계값을 초과하는 지진(예를 들면, 진도 6강 이상, 층간 변형각 1/150~1/100)일 때는, 그라우트와의 부착이 끊어져, PC 강재(7)가 빠져나가, 신장량이 증가함으로써 압착 조인트부(6)가 마우스를 연다. 이로써, 턱(4)에 올라탄 빔(3)의 단부가 회전하고, 파셜·프리스트레스의 접합 상태로 된다.
다음에, PC 강재의 부착 조각을, 도 5와 도 6을 사용하여 설명한다.
2차 케이블인 PC 강재(7)에 정착 도구와 앵커 헤드를 통하여 긴장력을 가함으로써, 프리스트레스 힘을 콘크리트 부재에 도입한다. 긴장 정착 완료 후, 배선 시스 내에 그라우트를 충전하여 경화시킨다. 이로써, PC 강재(7)는, 시스 내의 그라우트와 완전히 부착되고, 콘크리트 부재의 내부에 응력을 전파한다. PC 강재(7)에는, 도입된 긴장력(P)에 의한 신장량 ΔL(도시하지 않음)이 이미 발생하고 있다. 기둥(2)이나 빔(3) 등의 부재에 도입된 프리스트레스 힘은, 긴장력(P)과 역방향의 압축력으로서 부재 단면에 작용하고 있다(도시하지 않음). 도 5a는, 긴장 정착 후, PC 강재(7)가 그라우트와 완전 부착이 되어 있는 조인트 상태를 나타낸다. 극대 지진이 발생하면, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 압착 조인트(6)(구조 조인트)가 마우스를 열어, 압착 조인트(6)로부터 위치 c까지의 범위(필요한 길이 범위)로, PC 강재(7)와 그라우트와의 부착이 끊어진다. 이 시점에서 PC 강재(7)에는 또한 신장량 ΔL1가 발생하고, PC 강재(7)의 장력은 P+ΔP1로 된다. PC 강재(7)의 신장량 ΔL1은, 순수(純粹)하게 PC 강재(7)의 탄성 변형에 의한 신장량 ΔLe와 그라우트의 부착이 끊어져 PC 강재(7)가 빠져나가 오는 것에 의한 신장량 ΔLn과의 합계(ΔLe+ΔLn)다. 이로써, 압착 조인트부(6)의 변형이 커지고, 또한 크게 마우스가 열려 이격되어, 회전한다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 부착이 끊어진 것에 의해, 하중 변형 관계를 나타낸 탄성 이력 곡선은, 가로축 방향으로 넘어져 구배가 작아진다. PC 강재(7)의 신장량이 증가함으로써, 지진 에너지를 흡수하고, 지진 입력값을 저하시킬 수 있다. 그리고, 부착이 끊어질 때까지의 PC 강재(7)의 신장량은, 콘크리트 부재의 변형에 관련되나, 통상은 미소(微小)이므로, 무시한다. 부착력(F)은, 부착 강도σa와 PC 강재의 표면적 A에 비례한다. 즉, F∝sa·A이다.
PC 강재의 표면적 A는, PC 강재(케이블)의 주위 길이(단면 형상과 개수에 관련됨)과 부착 길이에 비례한다. 따라서, 그라우트의 강도, PC 강재의 주위 길이, 부착 길이 등의 조건을 적절히 조정하면, 미리 최대 부착력의 크기를 설계값에 배합하여, 소정값으로 부착이 끊어지도록 설계할 수 있다.
본 설계법에 있어서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 소정 지진 레벨(진도 6약, 층간 변형각 1/150)에 대응하는 설계값(P)까지는, 압착 조인트부(6)를 풀 프리스트레스의 상태로 유지하고, PC 강재(7)로 그라우트를 완전 부착으로 한다. 극대 지진이 발생하여, 설계값(P)을 초과한 경우는, PC 강재(7)와 그라우트와의 부착이 끊어져 PC 강재(7)가 빠져나가 PC 강재(7)의 신장을 증가시킴으로써, 에너지를 흡수시킨다. 이때 압착 조인트부(6)는 마우스를 열어 이격되어 회전하고, 국부적으로 파셜·프리스트레스의 상태로 된다. 그 결과, 설계값(P)보다 앞에서, 하중과 신장의 이력 특성 곡선의 구배가 작아져, 가로축 방향으로 넘어진다. 이로써, 구조 부재에 들어가는 입력 하중은, Pe까지 오르지 않고 약간 증가해 P+ΔP1로 된다. PC 강재의 빠져나감 효과에 의해 지진 입력 하중을 화살표 a로 나타낸 바와 같이 작게 할 수 있다. 그리고, 지진이 지나가 버리면 빠져나간 PC 강재가 탄성 복원력에 의해 원래로 돌아온다. 이것은 본 설계법의 장점이다. 그리고, 본 설계법에 있어서, 하중이 소정의 설계값을 초과하는 극대 지진을 고려한 비선형 탄성 설계로 하는 것은, 구조 부재에 대하여서만이며, 2차 케이블인 PC 강재(7)는, 전 단계에 걸쳐 선형 탄성 범위를 유지하도록 탄성 설계로 한다.
본 설계법에 의한 PC 구조물은 내진 구조물뿐만 아니라 제진 구조물이기도 하다. 그 이유에 대해서는 도 7을 참조하여 설명한다.
1. 프리스트레스트 콘크리트는, 구조물이 장래 받는 외력에 대하여 저항하는 힘을 콘크리트 부재 내부에 도입하고 있는 콘크리트이다.
2. 프리스트레스트 콘크리트는, 그 부재를 제조하는 단계에서, 외력에 대한 방어 체제를 입수, 내부 에너지가 축적되어 있는 콘크리트이다. 여기서 말하는 내부 에너지란, 콘크리트 부재에 미리 도입되어 있는 프리스트레스 힘에 의한 에너지이다.
프리스트레스 힘은, 미리 부재 내부에 존재하고 있는 내력(內力)이며, 항상 부재의 변형 방향과 반대로 작용하고 있다. PC 강재가 탄성 범위 내에 있도록 설계하고 있기 때문에, 프리스트레스 힘이 스프링과 같이 작동하여, 지진 등에 의해 건물이 변형되려고 했을 때 저항하는 힘이 되어, 진자(振子)와 같이, 변형된 건물을 원래로 되돌리려고한다. 이것을 프리스트레스에 의한 복원력이라고 하고, 변형시에 원래 상태로 되돌리려고 하는 힘이다. 이 효과를 프리스트레스에 의한 제진 효과이라고 한다. 이 제진 효과는, PC 구조 에만 얻어지는 것이다.
도 7a에 나타낸 빔(3)에는, 배치되어 있는 PC 강재(7)에 장력이 도입되어 있으므로, 외력(P)에 대항하는 내력 Ps가 이미 내장되고, 이로써, 외력(P)에 의한 굴곡 변형을 없애도록 빔(3)을 들어올린다.
도 7b에 나타낸 기둥(2)에는, 빔(3)과 같이 PC 강재(13)에 장력이 도입되어 있으므로, 수평 외력(P)에 의한 전도 모멘트 Mp에 대하여, 내력 Ps에 의한 저항 모멘트 Mps가 생겨 기둥의 회전 변형을 없애고, 원래의 상태를 유지한다. 지진에 의한 반복 수평력(P)을 받는 경우, 내력 Ps에 의해 복원력이 작동하여, 변형을 억제하고, 지진 후에 기둥(2)을 원래 상태로 되돌린다는 제진 효과가 있다.
본 설계법에 의하면, 사전에 PC 강재(7)에 여력을 갖게 해 프리스트레스를 부여함으로써 부재·구조물의 안전성을 체크할 수 있어, 제진 성능을 구비한 PC 구조 로 할 수 있다.
기둥 다리부에서는, 상기한 제진 효과가 다음과 같이 작용한다. 하중이 소정의 설계값을 초과하는 극대 지진이 발생한 경우, 기둥 다리 아래의 압착 조인트부(6)가 마우스를 열어, 파셜·프리스트레스의 상태로 된다. PC 강재(13)를 탄성 범위로 유지하면서 압착 조인트부가 마우스를 열어, 지진 에너지를 흡수하고, 건물 전체를 지지하는 가장 중요한 기둥 다리부에서의 기둥 손상 파괴를 없앤다. PC 강재(13)의 양과 PC 강재(13)에 부여하는 긴장력을 적절하게 조정함으로써, PC 강재(13)를 항상 탄성 범위 내에 유지하고 있으므로, 지진 후, PC 복원력에 의해 마우스가 다시 폐쇄되어 조인트가 원래의 상태(풀 프리스트레스의 접합 상태)로 복귀하여 건물을 계속 이용할 수 있다. 그리고, PC 강재(13)에 충분히 여력을 갖게 하기 위해, 그 긴장력은, 상기 PC 강재(13)의 규격 항복 하중의 40%~60%의 범위로 하고, 50% 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 압착 조인트부 부근에 있어서 PC 강재와 그라우트와의 부착이 끊어지는 것으로, PC 강재가 빠져나가 신장량을 증가시킨다. 이로써, 지진 에너지를 흡수시키는 동시에, PC 강재가 부담하는 장력을 억제하고, PC 강재를 탄성 범위 내에 유지하여, 극대 지진의 입력값을 내릴 수 있다.
또한, 도시는 생략하지만, 압착 조인트부의 접합면을 곡면으로 하면, 기둥 다리의 손상 방지에 효과적이다. 하중이 설계값을 초과하는 극대 지진 시에는, 조인트부가 마우스를 열어 기둥 본체가 회전함으로써, 기둥 본체의 균열 발생이나 파손 등을 방지할 수 있다.
본 설계법의 설계 내진 성능을 나타내므로, 지진의 규모와 본 설계법에서의 내진 레벨의 설계 목표인 각 부재의 상태와, 비교예로서 종래의 RC조 또는 SRC조의 부재 변형과의 관계를, 이하의 표에 정리한다.
지진의
크기
PC 부재 변형
(층간 변형각 )

본 설계법에 의한 각 부재의 상태
종래의 RC조나 SRC조의 경우
(층간 변형각 )
Moderate
지진
1/150
(진도6약에
상당)
부재: 풀 프리스트레스
압착 조인트 부분: 풀 프리스트레스
1/100
(부재 파손 또는 프레임 구조 붕괴)
Severe
지진
1/100
(진도6강 이상 에 상당)
부재: 풀 프리스트레스
압착 조인트 부분: 파셜 프리스트레스
Maximum
Credible
지진

1/50
(진도7에
상당)
압착 조인트 부분:일부 붕괴
빔의 PC강재(2차 케이블): 탄성 범위 내
빔 및 기둥: 건전
대들보: 싱글 빔으로서, 턱 상에 실려
있음
그 이상의 지진

1/25
빔단(梁端)의 압착 조인트 부분: 파괴 상태
기둥: 건재
대들보: PC강재(2차 케이블)로 턱 상에 싱글 빔으로서 실려 있는 대들보가 낙하하 지 않으므로 인명에 손상을 주지 않음
건조물: 건재

진도 6강 이상의 지진에 견딜 수 있는 건물은, 종래의 설계법으로 구축되는 RC조 등의 건물에는 거의 존재하지 않는다.
즉, RC조, SRC조 등은, 진도 6약 정도의 지진 시에는 대들보 부분의 철근이 항복하고, 콘크리트가 압괴함으로써, 에너지를 흡수하도록 설계되어 있다. 따라서, 건축물이 부분적 또는 전체적으로 도괴한다.
이에 대하여, 본 설계법에 관한 PC 압착 관절 공법에 의한 내진 구조물은, 낚시대 이론과 관절 이론에 기초하여 지진 에너지를 흡수하도록 설계되어 있다. 기둥에는 턱을 형성하고, 구축 부재에 도입하는 프리스트레스는, 패널 영역에 관통하는 PC 강재의 양과 그 PC 강재에 부여하는 긴장력에 의해 적절하게 조정되어 있다. 이로써, 진도 6강 이상의 극대 지진이 발생한 경우, 턱 부분의 조인트 모르타르(mortar)가 상부 에지 및 하측 에지 부분에 이격을 일으키고, 대들보가 턱 상에서 회전을 일으킴으로써, 지진 에너지를 흡수한다. 이로써, 매우 우수한 내진 구조물을 설계해 구축할 수 있다. 그리고, 본 설계법은, 이와 같은 우수한 내진 성능을 가지도록 설계하는 방법이므로, 종래 설계법보다 한 단계 상의 지진을 상정함으로써, 내진 레벨을 대폭 업시킬 수 있다.
특히, 본 설계법에서의 PC 부재는, 기둥·빔 부재에 미리 부여된 프리스트레스 힘이 내부 에너지로 하여 작동하여, PC 제진 효과로 변형을 억제한다. 이로써, 같은 레벨의 지진에 대하여, 종래의 RC조나 SRC조 등의 구조보다 변형이 작아진다.
또한, 본 설계법을 이용한 기둥-빔 접합부의 내진 성능에 관한 실험 검증을 행하였다. 도 8a~도 8c는, 시험체의 형상 및 그 배근(配筋) 상황을 나타낸다. 도 9는, 그 시험 결과와 종래 구조의 시험 결과를 병행하여 나타낸다. 시험체는, 실물 크기의 1/3 스케일로, 상정 건물을 계고(floor height) 및 스팬의 중앙에서 잘라낸 십자형 뼈대이다. 기둥·빔은, 프리캐스트 부재이며, PC 강연선(케이블)을 빔에 관통시켜 기둥·빔을 압착 접합하였다.
그리고, 도 9에 있어서, 가로축은 층간 변형각(R), 세로축은 층 전단력 If를 나타내고, IS는 초기 강성, RC는 RC조, PC1은 PCaPC(스틸바) 턱 없음, PC2는 PCaPC[스트랜드(strand)] 턱 있음을 나타낸다.
층간 변형각 관계에 있어서는, PC 강연선에 도입된 정착력과 같은 레벨로 인장력(引張力)이 작용하는 시점에서 압착 접합부(관절부)가 이격되어, 강성이 저하된다. 그로부터 앞은, 하중의 증가와 함께 서서히 강성이 저하되고, R=1/66 rad를 넘으면, 내력(耐力)의 증가는 적었다. R=1/25 rad로 가력(加力)을 종료할 때까지의 사이, 급격한 내력 저하는 생기지 않았다. PC 강연선에 도입되는 정착력을 규격 항복 하중의 50% 정도로 억제한 것에 의해, 복원력 특성은, 압착 접합부(관절부)의 이격으로부터 앞의 구간인 2차 구배 구간이 종래의 PC 구조(턱 없음)보다 긴 역 S자형 원점 지향형으로 되었다. 잔류 층간 변형은, 극히 작고, R=1/50 rad까지는 1/1000 rad 정도이며, 복원성이 매우 높은 경향을 나타낸다.
이에 대하여, RC 구조는, 동(同) 그래프에 나타낸 바와 같이, 본 설계법에 의한 PC 구조에 비해 매우 작은 입력 지진동에서 항복하고, 붕괴로 진행된다.
실험 결과로부터, 다음과 같은 지견을 얻었다.
1. 부재 변형각이 커지는 만큼, 압착 조인트부의 마우스의 열림은 커지게 되지만, 빔과 기둥 및 패널 영역에는 균열은 거의 발생하지 않는다.
2. 부재 변형각이 커지면, 단부가 턱에 올라탄 채 대들보가 회전하지만, 2차 케이블인 PC 강재(7)로 기둥(2)을 통해 인접한 빔(3)으로 연결되어 있으므로, 대들보(3)가 낙하하는 위험은 없다.
3. 빔단에서의 관절 회전에 의해, 부재 변형각이 커져도, 부재(대들보와 기둥)의 손상은 발생하지 않는다.
이상의 지견에 기초하여, 본 설계법에서는, 다음과 같이 설계할 수 있다. 진도 6약의 지진(층간 변형각이 1/150까지)에 상당하는 하중을 소정의 지진 하중 설계값으로 한다. 그 이하의 지진이 발생한 경우, 부재와 압착 조인트부(6)가 풀 프리스트레스의 상태로 되도록 한다. 진도 6강 이상의 극대 지진(층간 변형각을 1/150~1/100까지)이 발생한 경우, 부재는 풀 프리스트레스의 상태인 채, 조인트부분은 파셜·프리스트레스의 상태로 되도록 한다. 또한, 진도 7의 극대 지진(층간 변형각을 1/100~1/50까지)이 발생한 경우라도, 조인트부만 일부 경미한 손상을 받고, 패널 영역 및 기둥(2)과 빔(3)은 건전한 상태로 유지된다.
요컨대, 구축 부재인 기둥(2)과 빔(3)을 압착 관절 접합하기 위해 사용되는 2차 케이블인 PC 강재(7)에 도입되는 긴장력을 규격 항복 하중의 50% 정도로 함으로써, 거대 지진 시라도 구축 부재(뼈대)를 무손상 상태로 유지하는 것이 가능해진다. PC 압착 관절 공법의 연구는 계통적으로 진행되고 있으며, 1/50 rad 정도로 층간 변형각이 달해도, 잔류 소성 변형은 거의 생기게 하지 않고, 복원력 특성이 안정되어 있는 것이 확인되고 있다.
다음에, RC 구조물과 본 설계법에 의한 PC 구조물의 손상의 비교에 대해서 도 10을 참조하여 설명한다.
도 10은, 지진 시에 양 구조물에 입력하는 응력과 잔류 변형량을 나타내는 개념도이다. 세로축은 응력, 가로축은 잔류 변형량을 나타내고, RS1은 RC 구조의 요동 폭, RD1은 RC 구조의 잔류 변형량, RS2는 본 설계에 관한 PC 구조의 요동 폭, RD2는 본 설계에 관한 PC 구조의 잔류 변형량을 나타낸다.
RC 구조물에서는, 어느 정도의 응력까지는 탄성 변형을 하고, 그 이후는 소성 변형함으로써 에너지 흡수하는 것으로 하고 있다. 그러므로, 잔류 변형이 커지는 것뿐 아니라, 공명에 의해 지진 시의 요동이 증폭되어 구조물의 하중이 배가된다. 이것은, 현실에, 한신 아와지(Hanshin-Awaji) 대지진의 한신 고속도로 3호 고베선의 교각 도괴 사고로부터 명백하게 안 것이다. 당연한 것으로서, 이로써, 소성 변형이 진행하여 배가하고, 도괴에 이른다.
본 설계법에 의한 PC 구조에서는, PC 강재가 큰 응력까지 탄성 변형 내의 거동(擧動)을 나타내고, 항상 원점에 복귀하려고 하고 있다. 지진 시의 에너지는, 구조체 자체에 축적되어 있는 내부 에너지라는 내재하는 기능에 의해, PC 강재의 탄성 변형 내의 신장으로 흡수한다. PC 구조의 제진 효과에 의해, RC 구조에 비해 요동 폭이 매우 작아진다. 하중이 설계값을 초과하는 극대 지진 시에는, 조인트부가 마우스를 열어 빔이 턱의 상에서 회전하고, 부분적으로 파셜·프리스트레스의 상태로 되어, 부착이 끊어진 압착 조인트부 부근의 PC 강재의 신장에 의해 에너지를 흡수한다는 댐퍼 효과를 발휘한다. 지진이 종식한 후에, PC 강재가 탄성체로서 원래 상태로 복귀하고, PC 구조의 복원력에 의해 압착 조인트부가 마우스를 닫고, 구조물이 원래 상태로 복귀한다는 특성을 나타낸다.
이상과 같이, 본 설계법에서는, 대들보에 배치하여 패널 영역에 관통하는 2차 케이블인 PC 강재량과 그 PC 강재에 부여하는 긴장력을 적절하게 조정하고, 빔과 기둥의 접합 상태를 제어함으로써, 진도 6약의 지진(층간 변형각이 1/150까지)에 상당하는 하중을 소정의 지진 하중 설계값으로 한다.
미리 부여된 프리스트레스에 의해 콘크리트 부재 내에 축적되어 있는 내부 에너지로 대항하는 힘으로 하고, 부재와 조인트부분이 풀 프리스트레스의 상태로 되도록 설계함으로써, 종래 설계법으로 구축된 RC 구조나 SRC 구조가 크게 소성 변형되고(층간 변형각 1/100 이상), 부재가 손상 파괴되어 지진 후의 수복은 거의 불가능하게 된 지진 시라도, 본 설계법에서는 모든 구조 부재가 손상되지 않는다.
진도 6강 이상의 극대 지진(층간 변형각 1/150~1/100까지)이 발생한 때는, 부재는 풀 프리스트레스의 상태인 채, 조인트부분은 파셜·프리스트레스의 상태로 되도록 설계한다. 또한, 진도 7에 상당하는 극대 지진(층간 변형각 1/100~1/50까지)이 일어난 경우라도, 본 설계법에 의한 PC 구조물은, 조인트부의 일부만이 경미한 손상을 받아 패널 영역 및 빔과 기둥은 무손상인 상태로 유지하는 것이 가능하다.
또한, 본 설계법과 면진 공법과의 조합에 의한 PC 면진 구조는, 상부 구조가 S조인 구조와 비교하여 강성이 높고, 진동을 작게 억제할 수 있다. 또한, PC 구조 자체에 복원력에 의한 제진 효과가 있으므로, 제진 댐퍼를 면진 장치와 병용할 필요가 없다. 따라서, 상부 구조가 RC조나 SRC조인 구조와 비교하여, 비용을 대폭 감소시킬 수 있다.
이상, 본 설계법의 개념과 기본 설계 조건에 대하여 설명하였다. 본 설계법의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 건물의 제설계 조건에 따라 합리적으로 변경할 수 있다.
예를 들면, 층간 변형각의 설계값은, 지진의 규모(진도)에 의해 기준으로 하는 대강의 값이다. 실제의 설계에서는, 건물의 규모나 형상, 높이 및 지반의 상황 등의 설계 조건에 맞추어, 합리적으로 조정하여 정하는 것이 바람직하다. 또한, 변형의 설계값으로서, 층간 변형각 대신에 부재 변형각이나 회전각(빔 단과 기둥면이 이루는 각도)을 사용할 수도 있다. 이 경우에는, 이들의 값은, 본 설계법의 설계 취지에 따라 적절하게 설정하면 된다.
또한, 본 설계법에서 사용하는 고강도 콘크리트 강도 Fc는, 40 N/㎟ 이상으로 하고, 50 N/㎟ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, PC 강재는 종래와 마찬가지로 하고, 각 PC 부재의 상세 설계에 대해서는, 기술(記述)을 생략하지만, 종래의 설계와 마찬가지로 행할 수 있다.
그리고, 개념이나 이미지에 대한 도시는, 설계 사상이나 기본 개념을 나타낸 것으로서 모델화한 것이며, 간략적인 표현으로 하고 있다.
[산업 상의 이용 가능성]
본 발명에 관한 PC 압착 관절 공법에 의한 내진 설계법은, 기초로부터 기둥과 빔으로 복수 층 구축되는 건물의 라멘 구조로 하고, 기둥과 빔은, 고강도 프리캐스트·프리스트레스트 콘크리트 부재로 하고, 기둥 부재에 턱을 설치하고, 그 위에 빔을 탑재하여 압착 조인트를 설치하고, 빔에 배치하여 패널 영역(기둥-빔 접합부)에 관통하는 2차 케이블에 의해 기둥과 빔을 압착 접합하여 일체화로 하는 PC 구조의 내진 설계법으로서, 기둥-빔의 압착 접합부(압착 조인트부)에 있어서, 2차 케이블로 하는 PC 강재의 긴장력을 제어하고, 소정의 지진 하중 설계값까지, 풀 프리스트레스의 접합 상태로 되어, 모든 구조 부재의 손상을 허용하지 않는 것으로 하는 1 단계째의 선형 탄성 설계으로 하고, 전술한 소정의 지진 하중 설계값을 초과하는 극대 지진에 조우한 경우에는, 기둥-빔의 압착 접합부가 파셜·프리스트레스 접합의 상태로 되어, 압착 조인트가 마우스를 열어 이격되어 회전하고, 압착 조인트부근에 있어서 필요한 길이 범위에서 PC 강재와 그라우트와의 부착이 끊어진 상태로 되어, PC 강재의 빠져나감에 의해 PC 강재의 신장량을 증가시켜, 지진 에너지를 흡수시키는 동시에, PC 강재에 관한 장력이 거의 오르지 않고 PC 강재가 탄성 범위로 유지하여, 주요 구조 부재(기둥, 빔, 패널 영역)의 손상을 허용하지 않는 것으로 하는 2 단계째의 선형 탄성 설계로 하고, 상기 PC 구조에 관하여는 상기 1 단계째와 2 단계째의 2단계로 나누어 비선형 탄성 설계와 함으로써, 1 단계째에서는, 구조체 자체를 탄성 변형시켜, 모든 구조 부재가 손상되지 않도록 하고, 풀 프리스트레스의 상태로 유지하고, 지진 재해 후 건물이 건재한 상태이며, 건물로서의 기능이 손상되지 않고 계속적으로 사용할 수 있다. 2 단계째에서는, 소정의 설계값을 초과하는 극대 지진이 일어나는 경우라도, 조인트부가 마우스를 열어 일부만 경미한 손상이고, 패널 영역 및 빔과 기둥을 무손상인 상태에 지키는 것이 가능하므로, 넓게 PC 구조의 건축물에 적용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 기초(foundation)로부터 기둥과 빔으로 복수 층 구축되는 건물의 라멘 구조(rigid frame structure)로 하고, 상기 기둥과 빔은, 고강도 프리캐스트·프리스트레스트(prestressed) 콘크리트 부재로 하고, 기둥 부재에 턱(cogging)을 설치하고, 상기 턱 상에 상기 빔을 탑재하여 압착 조인트(binding joint)를 설치하고, 상기 빔에 배치하여 패널 영역(기둥-빔 접합부)에 관통하는 2차 케이블은, 상기 기둥과 빔에 설치된 시스(sheath)에 삽통(揷通)하여 긴장 정착하는 것에 의해 상기 기둥과 빔을 압착 접합하여 일체화로 하는 PC 구조의 내진 설계법으로서,
    2차 케이블로 하는 PC 강재(鋼材)를 긴장 정착시키는 동시에 상기 시스 내에 그라우트(grout)를 충전하여 부착시켜, 기둥-빔의 압착 접합부(압착 조인트부)에 있어서, 상기 2차 케이블의 PC 강재의 긴장력을 제어하고, 소정의 지진 하중 설계값까지는, 풀 프리스트레스(full prestress)의 접합 상태로 하여, 모든 구조 부재의 손상을 허용하지 않는 것으로 하는 1 단계째의 선형 탄성 설계로 하고,
    상기 소정의 지진 하중 설계값을 초과하는 극대(極大) 지진에 조우(遭遇)한 경우에는, 상기 기둥-빔의 압착 접합부(압착 조인트부)가 파셜·프리스트레스(partial prestress) 접합의 상태로 되어, 상기 압착 조인트가 마우스를 열어 이격되어 회전하고, 상기 압착 조인트 부근에 있어서 필요한 길이 범위에서 상기 시스 내의 상기 PC 강재와 부착시킨 그라우트와의 부착이 끊어지도록 설계하고, 부착이 끊어진 PC 강재의 빠져나감에 의해 PC 강재의 신장량을 증가시켜 지진 에너지를 흡수시키는 동시에, PC 강재에 걸리는 장력(張力)이 거의 오르지 않고 PC 강재가 탄성 범위를 유지하여, 주요 구조 부재(기둥, 빔, 패널 영역)의 손상을 허용하지 않는 것으로 하는 2 단계째의 선형 탄성 설계로 하고,
    상기 PC 구조에 관하여, 상기 1 단계째와 2 단계째의 2단계로 나누어 비선형(非線形) 탄성 설계로 하는,
    PC 압착 관절 공법에 의한 내진 설계법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1 단계째의 지진 하중 설계값은, 진도 6약(弱)까지에 상당하는 지진으로 하고,
    상기 2 단계째의 극대 지진은, 진도 6강(强) 이상 발생하는 지진으로 하는, PC 압착 관절 공법에 의한 내진 설계법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기둥-빔의 압착 접합부(압착 조인트부)에 있어서, 2차 케이블로 하는 PC 강재의 긴장력(緊張力)은, 상기 PC 강재의 규격 항복 하중(standard yield load)의 40% ~ 60%로 하는, PC 압착 관절 공법에 의한 내진 설계법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기초와 기둥의 기둥 다리와의 사이에 압착 조인트를 설치하고, 상기 기초로부터 기둥 다리에 관통하여 기둥에 설치되는 2차 PC 강재에 의해 기초와 기둥을 압착 접합하여 일체화되는 기둥 다리부에 있어서, 상기 1 단계째의 소정의 지진 하중 설계값까지, 풀 프리스트레스의 접합 상태로 되어, 모든 구조 부재의 손상을 허용하지 않는 것으로 하고, 상기 2 단계째의 소정의 지진 하중 설계값을 초과하는 극대 지진에 조우한 경우에는, 압착 조인트부가 마우스를 열어 이격되어 파셜·프리스트레스의 상태로 되어, 상기 PC 강재를 탄성 범위로 유지하면서 압착 조인트부가 마우스를 오픈(open)함으로써, 지진 에너지를 흡수하여, 상기 기둥의 손상을 허용하지 않는 것으로 하는, PC 압착 관절 공법에 의한 내진 설계법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기초와 기둥 사이에, 상기 기둥 다리로 하는 베이스 블록(base block)을 설치하는, PC 압착 관절 공법에 의한 내진 설계법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기둥 다리부의 압착 조인트부에 있어서, 2차 PC 강재의 긴장력은, 상기 PC 강재의 규격 항복 하중의 40% ~ 60%로 하는, PC 압착 관절 공법에 의한 내진 설계법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 PC 구조는, 면진 공법과 조합한 PC 면진 구조(PC seismic isolation construction)를 포함하는, PC 압착 관절 공법에 의한 내진 설계법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 내진 설계법에 기초하여 구축된 PC 압착 관절 공법에 의한 내진 건축물.
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