KR101827200B1 - 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법 - Google Patents

상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법 Download PDF

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박기홍
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Abstract

본 발명은 상부에 형성된 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 문형의 철골프레임을 기존 건물 골조에 앵커링하여 외관을 해치지 않으면서 지진 발생시 지진에너지의 소산 효과로 붕괴를 방지할 수 있도록 한 기존 건물의 내진 보강 방법에 관한 것이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기존 건물의 내진성능을 보강하는 방법에 있어서, 철골프레임을 문형으로 용접한 후, 철골프레임의 좌우측 및 하부는 기존 건물의 골조에 앵커링하고, 철골프레임의 상부 부분에 단절된 변형구간을 두고, 그 변형구간에 에너지 소산수단을 연결 설치하여, 지진발생시 1차적으로 철골프레임에 의해 보강된 기존 건물의 골조로 지진력에 저항하고 층간변위 발생시 2차적으로 에너지 소산수단으로 지진 에너지를 흡수하도록 한 것을 특징으로 하는 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법을 제공한다.

Description

상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법{Seismic retrofit method of existing building using steel frame with energy dissipation device at disconnected gap of the upper portion}
본 발명은 상부에 형성된 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 문형의 철골프레임을 기존 건물 골조에 앵커링하여 외관을 해치지 않으면서 지진 발생시 지진에너지의 소산 효과로 붕괴를 방지할 수 있도록 한 기존 건물의 내진 보강 방법에 관한 것이다.
지진하중은 순간적이며 사전에 예측하기 힘든 자연 현상으로서, 내진설계가 미비한 건물에 거대한 피해를 발생시키고 있다. 최근 수년간 일본, 이탈리아, 알제리, 모르코, 터키, 파키스탄, 중국 등에서 지진에 따른 학교 건물 붕괴로 수많은 어린 학생이 희생되어 큰 충격을 주고 있다.
국내의 경우, 기존 학교건물의 현황에 적합한 내진성능평가법 및 내진보강에 대한 구체적인 지침이 없는 실정으로, 대부분 국외기준을 적용한 내진성능 평가결과 및 보강안에 관한 연구가 주류이며, 평가방법의 어려움으로 인한 고도의 전문적 지식이 필요한 상황이다.
기존 학교건물을 포함한 철근콘크리트 구조물에 지진하중이 작용할 경우, 구조물의 주요 부재인 기둥은 구조물 중량에 대한 축력과 횡하중을 동시에 받게 된다. 기둥은 보통 축력에 대하여 안전할 수 있도록 설계된다. 그러나 내진설계가 반영되어 있지 않은 기둥은 횡하중에 대한 저항능력이 크지 않기 때문에 횡하중에 의한 휨파괴 혹은 전단파괴가 일어날 수 있다. 특히 전단파괴는 구조물을 지탱하는 기둥의 급작스러운 파괴를 유도하기 때문에 구조물 및 인명의 피해를 볼 수 있다.
따라서 인명 피해를 방지하기 위해서는 지진이 발생하였을 때 전단파괴가 예상되는 기둥의 전단강도를 향상시켜 취성파괴가 아닌 연성파괴, 즉 연성거동 후 휨파괴를 유도할 수 있도록 해야 한다. 따라서 지진 발생시 기존 건물에 연성거동이 일어나면서 지진에너지를 소산시키는 하는 것이 요구된다.
본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 등록특허 등록번호 제10-1348577호로서, '건물의 개구부에 설치된 수평보형 댐퍼를 이용한 내진보강방법'이 제안되어 있다. 이는 보의 중앙부 저면에 중앙지구를 고정시켜 지진하중에 의한 보의 휨 변형이 중앙 T형지그에 전달되도록 하고, 상기 기둥부 내측면에 댐퍼프레임을 설치하고, 상기 중앙 T형지그와 댐퍼프레임 사이에 수평보형 댐퍼를 설치하되 상기 수평보형 댐퍼가 개구부의 상부에 위치하도록 하는 단계를 포함하여, 건물의 내진성능을 향상시키는 것이다.
그러나 상기 배경기술은 수평보형 댐퍼의 구조가 복잡해져 시공비용이 상승되는 문제가 있다.
한국 등록특허 등록번호 제10-1348577호
본 발명은 상부에 에너지 소산수단이 설치된 문형의 철골프레임을 건물 골조에 앵커링하여 외관을 해치지 않으면서 지진 발생시 지진에너지의 소산 효과로 기존 건물의 붕괴를 방지할 수 있도록 한 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기존 건물의 내진성능을 보강하는 방법에 있어서, 철골프레임을 문형으로 용접한 후, 철골프레임의 좌우측 및 하부는 기존 건물의 골조에 앵커링하고, 철골프레임의 상부 부분에 단절된 변형구간을 두고, 그 변형구간에 에너지 소산수단을 연결 설치하여, 지진발생시 1차적으로 철골프레임에 의해 보강된 기존 건물의 골조로 지진력에 저항하고 층간변위 발생시 2차적으로 에너지 소산수단으로 지진 에너지를 흡수하도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 철골프레임은 기존 건물의 골조 외측에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 철골프레임은 기존 건물의 개구부에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 변형구간은 상기 철골프레임의 상부 중앙에 1개소 구비되거나 철골프레임의 상부에 대칭적으로 2개소 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 철골프레임은 좌,우측 수직프레임과; 좌,우측 수직프레임의 하단에 양단이 접합되어 있는 하부프레임과; 일단이 좌측 수직프레임에 접합되어 있고 타단이 에너지 소산수단에 연결되어 있는 좌측 외팔프레임과; 일단이 우측 수직프레임에 접합되어 있고 타단이 에너지 소산수단에 연결되어 있는 우측 외팔프레임으로 구성되되; 상기 좌측 외팔프레임과 우측 외팔프레임의 사이에는 단절된 변형구간이 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 철골프레임은 좌,우측 수직프레임과; 좌,우측 수직프레임의 하단에 양단이 접합되어 있는 하부프레임과; 일단이 좌측 수직프레임에 접합되어 있고 타단이 에너지 소산수단에 연결되어 있는 좌측 외팔프레임과; 일단이 우측 수직프레임에 접합되어 있고 타단이 에너지 소산수단에 연결되어 있는 우측 외팔프레임과; 좌측 외팔프레임과 우측 외팔프레임의 사이에 위치된 상부중앙프레임으로 구성되되; 상기 좌측 외팔프레임과 상부중앙프레임의 사이, 그리고 상부중앙프레임과 우측 외팔프레임의 사이에는 각기 단절된 변형구간이 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에너지 소산수단으로 변형 부분에서 마찰로 에너지를 소산시키는 마찰댐퍼 또는 강재의 소성변형으로 에너지를 소산시키는 강재댐퍼가 적용된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 철골프레임에 대칭적으로 배치되어 철골프레임의 상부와 측부를 연결하는 한 쌍의 보강브레이스가 더 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 좌측 외팔프레임 및 우측 외팔프레임은 충진제가 충전된 보강보조기둥을 합성시킨 증타형 합성기둥 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 좌측 외팔프레임 및 우측 외팔프레임은 H 단면을 갖고 강축 방향으로 위치하여 앵커볼트로 골조에 고정되고, 동시에 좌,우측 수직프레임과 골조에 형성되는 폐단면에는 몰탈이 충진되고, 좌,우측 수직프레임에는 몰탈과의 합성을 위해 전단연결재가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상부에 단절된 변형구간을 둔 철골프레임이 구비된 기존 건물의 내진보강방법에 따르면, 철골프레임이 문형으로 제작되어 건물 골조에 앵커링되어 외관을 해치지 않는 보강 시공이 가능하다. 또한 지진 발생시 철골프레임이 1차적으로 기존 건물의 강성을 보강하여 지진력에 저항하며 2차적으로 상부에 설치된 마찰댐퍼 또는 강재댐퍼로 에너지 흡수가 이루어져 기존 건축물의 손상을 최소화하거나 방지하고 붕괴를 예방할 수 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 기존 건물의 골조를 나타낸 개략도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법에 따른 철골프레임이 외벽에 설치된 사시도.
도 2b는 도 2a의 정면도.
도 2c는 도 2a에 적용된 철골프레임측 좌,우측 수직프레임의 설치상태도.
도 2d는 도 2a에서 변형된 철골프레임의 설치상태도.
도 3은 도 2a에 설치된 철골프레임이 지진 발생시 거동하여 강재댐퍼가 에너지 소산 작동을 보이는 작동상태도.
도 4는 도 2b에 설치된 마찰댐퍼에 대체하여 강재댐퍼가 설치된 정면도.
도 5는 본 발명에 적용되는 철골프레임의 좌,우측 프레임의 변형된 구성을 나타내는 도면.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법에 따른 철골프레임이 개구부에 설치된 정면도.
도 6b는 도 6a에 도시된 철골프레임이 지진 발생시 거동하여 강재댐퍼가 에너지소산 작동을 보이는 작동상태도.
도 7a는 본 발명에 따른 철골프레임의 변형된 구성도.
도 7b는 지진발생시 도 7a에 도시된 철골프레임의 거동에 따른 강재댐퍼의 에너지소산 작용을 설명하는 작동상태도.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명은 도 1과 같이 기존 건물(10)의 내진성능을 보강하기 위해 골조(12)에 앵커링되는 외부 보강 방법과 내부 보강 방법을 사용한다.
본 발명에서 외부 보강 방법은, 도 2a 내지 도 3과 같이, 철골프레임(20)을 기존 건물(10)의 외벽(14) 즉, 골조(12)의 외측에 설치하는 것을 의미하며, 내부 보강 방법은, 도 6과 같이, 철골프레임(20)을 기존 건물(10)의 개구부(16) 즉, 골조(12)의 내부 공간에 설치하는 것을 의미한다.
먼저, 철골프레임(20)을 기존 건물(10)의 외벽(14)에 설치하여 내진성능을 보강하는 방법을 설명한다.
도 2a 및 도 2b와 같이 철골프레임(20)은 문형으로 용접된다. '문형'이란 창문, 출입문 등의 개구부를 갖는 형태를 의미한다. 따라서 철골프레임(20)은 예로 사각틀 형태로 제작될 수 있다.
철골프레임(20)의 좌,우측 및 하부는 기존 건물(10)의 골조(12)에 앵커볼트(15)를 통해 앵커링되어 설치된다. 이때 철골프레임(20)의 상부 부분에 단절된 변형구간(G)을 두고, 그 변형구간(G)에 에너지 소산수단(30)이 연결 설치된다.
철골프레임(20)의 상부에 형성시킨 변형구간(G)의 거리는 풍하중이나 지진 발생시 기존 건물(10)의 설치 위치에 따라 발생되는 변위를 고려하여 설정될 수 있다.
따라서 지진 발생시 1차적으로 철골프레임(20)이 기존 건물, 특히 기둥의 강성을 보강하여 지진력에 저항하게 되며, 그 후 층간변위가 발생할 경우 변형구간(G)에 설치된 에너지 소산수단(30)이 지진에너지를 흡수 및 소산시키게 된다.
변형구간(G)은 도 2b와 같이 철골프레임(20)의 상부 중앙에 1개소 구비되거나 도 7a와 같이 철골프레임(20)의 상부에 대칭적으로 2개소 구비될 수 있다.
도 2와 같이 일 형태의 철골프레임(20)은 좌,우측 수직프레임(201,202)과, 좌,우측 수직프레임(201,202)의 하단에 양단이 접합되어 있는 하부프레임(203)과, 일단이 좌측 수직프레임(201)에 접합되어 있고 타단이 에너지 소산수단에 연결되어 있는 좌측 외팔프레임(204)과, 일단이 우측 수직프레임(202)에 접합되어 있고 타단이 에너지 소산수단에 연결되어 있는 우측 외팔프레임(205)으로 구성되고, 좌측 외팔프레임(201)과 우측 외팔프레임(205)의 사이에는 단절된 1개소의 변형구간(G)이 형성되도록 구성된다.
여기서 좌,우측 수직프레임(201,202), 하부프레임(203), 좌측 외팔프레임(204) 및 우측 외팔프레임(205)은 H형강으로 구성될 수 있다. 이때 좌,우측 수직프레임(201,202)은 도 2d와 같이 약축 방향으로 설치될 수도 있으나 도 2a와 같이 강축 방향으로 설치되는 것이 기둥의 강성을 보강하는 측면에서 바람직하다. 이때 도 2c와 같이 강축 방향으로 설치되는 좌,우측 수직프레임(201,202)은 앵커볼트(15)로 골조(12)에 고정되고, 좌,우측 수직프레임(201,202)과 골조(12)에 형성되는 폐단면에는 몰탈(209)이 충진된다. 좌,우측 수직프레임(201,202)에는 몰탈과의 합성을 위해 전단연결재(201a)가 추가적으로 설치될 수 있다.
부가적으로 도 5와 같이 좌측 외팔프레임(204) 및 우측 외팔프레임(205)은 콘크리트 등의 충진제(1201)가 충전된 보강보조기둥(1200)을 합성시킨 증타형 합성기둥 형태가 될 수 있다.
한편, 다른 형태의 철골프레임(20)은 도 7a 및 도 7b와 같이 상부 구조에 2개소의 단절된 변형구간(G)을 두기 위한 것으로, 좌측 외팔프레임(204)과 우측 외팔프레임(205)의 사이에 상부중앙프레임(206)이 추가적으로 더 구성된 것이다. 따라서 좌측 외팔프레임(201)과 상부중앙프레임(206)의 사이, 그리고 상부중앙프레임(206)과 우측 외팔프레임(205)의 사이에는 각기 단절된 변형구간(G)이 형성된다.
에너지 소산수단(30)으로는 강재의 이력거동으로 에너지를 소산시키는 강재댐퍼 또는 마찰력으로 에너지를 소산시키는 마찰댐퍼가 될 수 있다.
강재댐퍼로는 본 출원인이 개발하여 특허등록한 한국 등록특허 제10-1319698호에서 제시된 기술과 같이 판상형으로서 최대 폭을 갖는 확대정착부, 확대정착부에서 점차 축소되는 폭을 가지고 연장되어 있는 기둥부, 기둥부의 상단측에 관통된 관통홀을 갖는 단위 강재 댐퍼가 복수 개 이상 구비되고; 상기 단위 강재 댐퍼의 확대정착부에 연결되어 복수 개의 단위댐퍼를 폭 방향으로 동일 평면상에 배치 고정시키는 하부 고정판과; 상기 단위 강재 댐퍼의 관통홀에 삽입된 핀 부재; 및 상기 핀 부재를 매개로 단위 강재 댐퍼에 피봇 연결되어 있는 상부 고정판을 포함하여 구성된 것이 될 수 있다.
한편, 도 2b와 같이 철골프레임(20)에 대칭적으로 배치되어 철골프레임(20)의 상부와 측부를 연결하는 한 쌍의 보강브레이스(22)가 더 접합되어 구성될 수 있다. 보강브레이스(22)는 명확한 응력전달을 통해 댐퍼에 변형이 집중되도록 하여 에너진 소산능력을 극대화하는 역할을 한다.
내부 보강 방법은 도 6과 같이 철골프레임(20)을 기존 건물(10)의 개구부(16)에 앵커볼트(15)를 통해 고정 설치하는 것만 다르다. 물론 이 경우에도 에너지 소산수단(30)으로 마찰댐퍼나 강재댐퍼가 선택적으로 설치될 수 있고, 보강브레이스(22)의 설치가 가능하며, 철골프레임(20)의 상부 구간에 변형구간을 2개소에 구비될 수도 있다.
따라서 내부 보강 방법의 경우에도 지진 발생시 기존 건물(10)의 개구부(16)에서 철골프레임(20)에 의한 강성 보강과 에너지 소산수단(30)에 의한 지진에너지 흡수로 기존 건물(10)의 손상과 붕괴를 방지할 수 있다.
또한, 내,외부 보강 방법에서 철골프레임(20)은 모두 문형 구조를 가질 뿐만 아니라 에너지 소산수단(30)이 철골프레임(20)의 상부에 포함되어 있어 외벽에 설치되거나 개구부(16)에 설치되어도 외관을 해치지 않는다.
또한, 철골프레임(20)의 상부 부분의 단절된 변형구간(G)에 에너지 소산수단(30)이 연결 설치되는 간단한 구조로서 제작 및 시공 비용이 저렴해진다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
10 : 기존 건물
12 : 골조
14 : 외벽
16 : 개구부
20 : 철골 프레임
30 : 에너지소산수단

Claims (10)

  1. 기존 건물(10)의 내진성능을 보강하는 방법에 있어서,
    좌,우측 수직프레임(201,202)과; 좌,우측 수직프레임(201,202)의 하단에 양단이 접합되어 있는 하부프레임(203)과; 일단이 좌측 수직프레임(201)의 상단에 접합되는 좌측 외팔프레임(204)과; 일단이 우측 수직프레임(202)의 상단에 접합되는 우측 외팔프레임(205);으로 구성되되 상기 좌측 외팔프레임(201)과 우측 외팔프레임(205)의 사이에는 단절된 변형구간(G)이 존재하는 철골프레임(20)의 좌우측 수직프레임(201,202)은 기존 건물(10)의 골조(12)에 고정하고,
    철골프레임(20)의 좌측 외팔프레임(201)과 우측 외팔프레임(205) 사이의 단절된 변형구간(G)에는 에너지 소산수단(30)을 설치하여,
    지진발생시 1차적으로 철골프레임(20)에 의해 보강된 기존 건물(10)의 골조(12)로 지진력에 저항하도록 하고 층간변위 발생시 2차적으로 에너지 소산수단(30)으로 지진 에너지를 흡수하도록 한 것을 특징으로 하는 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 철골프레임(20)은 기존 건물(10)의 골조(12) 외측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 철골프레임(20)은 기존 건물(10)의 개구부(16)에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 좌측 외팔프레임(204)과 우측 외팔프레임(205)의 사이에 상부중앙프레임(206)이 추가로 구성되고,
    상기 좌측 외팔프레임(201)과 상부중앙프레임(206)의 사이, 그리고 상부중앙프레임(206)과 우측 외팔프레임(205)의 사이에는 각기 단절된 변형구간(G)이 존재하며,
    상기 단절된 변경구간(G)에는 에너지 소산수단(30)이 설치된 것을 특징으로 하는 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 소산수단(30)은 강재댐퍼 또는 마찰댐퍼인 것을 특징으로 하는 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 철골프레임(20)에 대칭적으로 배치되어 철골프레임(20)의 상부와 측부를 연결하는 한 쌍의 보강브레이스(22)가 더 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 좌측 외팔프레임(204) 및 우측 외팔프레임(205)은 충진제(1201)가 충전된 보강보조기둥(1200)을 합성시킨 증타형 합성기둥 형태인 것을 특징으로 하는 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 좌측 외팔프레임(204) 및 우측 외팔프레임(205)은 H 단면을 갖고 강축 방향으로 위치하여 앵커볼트(15)로 골조(12)에 고정되고, 동시에 좌,우측 수직프레임(201,202)과 골조(12)에 형성되는 폐단면에는 몰탈(209)이 충진되고, 좌,우측 수직프레임(201,202)에는 몰탈(209)과의 합성을 위해 전단연결재(201a)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법.
KR1020170014053A 2017-01-31 2017-01-31 상부의 단절된 구간에 에너지 소산수단이 설치된 철골프레임을 이용한 기존 건물의 내진보강방법 KR101827200B1 (ko)

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