KR101942855B1 - 철근콘크리트 구조물의 외부에 건식으로 접합되는 유공 강판전단벽 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 강판전단벽 시스템은 철근콘크리트 구조물의 외부 보(B)와 기둥(C)에 접합되는 강판전단벽으로서. 구조물의 외부와 면하고 있는 보(B) 또는 기둥(C)의 외측면에 노출되어 설치되는 H-형강(10); 테두리에 ㄷ자 형태로 접힌 절곡부를 갖는 유공강판(20); 및, H-형강(10)과 유공강판(20)을 접합할 때 유공강판(20)의 절곡부에 끼워넣어 접합부의 두께를 보강하는 보강철판(30);을 포함하여 이루어지며, H-형강(10)의 플랜지, 유공강판(20)의 절곡부와 보강철판(30)을 고력볼트(40)를 이용해 건식으로 접합하는 것을 특징으로 한다. 이를 통해 내진 성능이 우수하고, 외벽체로써 채광과 통풍이 가능하며, 설치 보수를 위해 탈부착이 용이한 유공 강판전단벽을 제공한다.

Description

철근콘크리트 구조물의 외부에 건식으로 접합되는 유공 강판전단벽 시스템{Perforated steel plate shear wall system with dry connecting method applied outside RC structure}

본 발명은 최초 내진설계로 시공되지 않은 철근콘크리트 구조물의 외부를 강판전단벽으로 내진보강 함에 있어, 철근콘크리트 구조물에 건식으로 접합되어 탈부착이 용이한 유공 강판전단벽 시스템에 관한 것이다.

국내 건축물의 내진 확보율은 2015년 현재 6.8%로 지진 발생 시 비내진 설계된 건물의 심각한 경제적 손실 및 인명 손상이 예상되므로 반드시 내진보강이 되어야 한다. 2015년 기준 건물의 97.2%를 차지하는 5층 이하의 건물이 2005년 이전까지 내진설계 대상에서 제외되었기 때문이다. 내진 설계되지 않은 중소규모의 기존 철근콘크리트 건물의 내진성능 향상을 위한 보강이 절실하다.

철골 구조물 또는 철근콘크리트 구조물에 대한 내진보강으로 강성증진형, 연성증진형, 감쇠증진형 등의 방법이 있지만, 최근에는 얇은 강판을 이용해 전단벽을 형성하는 강판전단벽(SPSW, steel plate shear wall) 시스템이 매우 경제적이면서 구조안전성 측면에서 지진하중에 저항하는 강성, 지진에너지를 흡수하는 연성 능력 및 에너지 소산능력 등 우수한 성능을 가진 효율적인 내진시스템이라는 연구 결과가 국내·외에서 다양하게 보고되고 있으며 이 시스템을 적용한 시공사례도 점차 늘고 있다.

강판전단벽 시스템은 강판의 두께에 따라서 내진 강성을 조절할 수 있으며, 얇은 강판의 경우 변형이 작은 초기에는 강성이 큰 면내 강성으로 작용하다 변형이 커지면 강판에 좌굴(buckling)이 발생하여 강판에 작용하는 인장력에 의하여 강판에 항복이 발생한다. 이러한 항복에 의하여 유효 등가감쇠비가 크게 되면서 지진에 의한 에너지를 외부로 방출하는 시스템이다. 따라서, 이 기술분야에서 지역과 구조물의 종류에 맞춘 적정한 수준의 내진설계에 다양하게 적용될 수 있는 경제적이고 시공성이 우수한 내진시스템의 개발이 더욱 요구되고 있다.

기존의 강판전단벽 시스템은 경계 기둥과 경계 보에 직접 강판을 용접으로 부착하거나, 골조에 설치된 철골 부재에 두터운 강판을 덧대고 현장에서 얇은 벽강판을 용접으로 부착하여 설치한다. 두 경우 모두 현장 용접을 하여야 한다.

강판전단벽을 용접으로 접합하는 경우, 지진에 의한 벽강판의 거동시 접합부에서 파단이 발생하지 않도록 이음부 전체를 용접(모살용접 또는 그루브용접)해야 하므로 현장에서 많은 량의 용접작업이 필요하며, 강판전단벽의 핵심 요소인 벽강판이 두꺼울수록 연성 능력과 에너지 소산 능력이 감소하여 제 기능을 발휘하지 못하므로 최대한 얇은 강판을 사용해야 하는데 강판이 얇으면 이음부 전체의 용접 품질을 확보하는데 취약할 수밖에 없다. 이음부의 용접 품질을 확보하기 위해 공장에서 모든 부재를 일체로 용접 접합하는 경우 이번에는 부재가 커져 이동성과 시공성이 떨어지는 문제가 발생한다.

또, 이 시스템은 지진하중이 작용할 때 변형 초기에 벽강판이 좌굴하여 구조물의 골조에 미치는 지나친 강성 증가를 방지함으로써 구조물의 파괴나 붕괴를 막을 수 있는 장점이 있으나, 중약진의 진동에서도 강판에 손상이 발생할 수 있으므로 강판을 자주 교체하여야 하는 단점이 있다. 따라서 기존의 강판전단벽 시공을 용접으로 하는 경우 유지 보수를 위한 시공성이 떨어져 이를 개선하는 방안이 개발되어야 한다.

현재 강판전단벽을 설치함에 있어, 일반적으로 보와 보, 기둥과 기둥이 마주보는 내측면에 H-형강을 설치하고, H-형강에 이음철판(fish plate)을 용접으로 접합하고 이음철판에 벽강판(infill plate)을 용접 접합하는 방법이 쓰이고 있다. 도 1은 용접에 의해 접합되는 강판전단벽의 설치 단면도이다(한국강구조학회 논문집 제18권 4호, 2006년 8월에서 인용).

이와 같이 강판전단벽을 보와 기둥에 용접으로 강접합하는 경우 지진하중이 벽강판으로 직접 전달되는 구조로 강판전단벽으로서의 성능을 발휘하게 된다. 그런데, 지진하중 작용시 얇은 강판에 압축 좌굴과 인장이 발생하면서 2방향 인장 변형에 의한 에너지 흡수가 이루어지면서 상대적으로 얇은 강판이 손상을 입게 되므로 지진 후 얇은 강판만 교체하여 복구비용이 저렴하고 시공이 용이한 기술의 개발이 요구되고 있다. 강판이 얇을 경우, 약진의 경우에도 강판에 변형이 쉽게 발생하여 강판에 손상이 생긴다. 이런 방식으로 벽강판이 거동함으로써 지진으로부터 본 구조물의 피해를 최소화하는 것이 강판전단벽 시스템의 특징이기도 하다. 이러한 경우, 손상된 강판을 쉽게 교체하기 위해 강판을 고정하는 프레임과 탈부착이 용이한 구조로 설계가 되어야 그 시공성이 높다.

그러나, 모든 부재가 용접으로 강접합되는 강판전단벽은 일단 설치되면 보수나 교체가 용이하지 않은 단점을 안고 있다. 본 발명은 용접으로 접합되는 기존 강판전단벽의 이러한 단점을 극복하고 강판의 탈부착이 용이한 강판전단벽의 볼트 접합방법을 개발하고자 한 것이다.

선행기술인 등록특허 10-0617242호(철근콘크리트 골조와 일체거동이 가능하게 결합된 강판전단벽 및 그 시공방법)은 골조 공사시 스터드볼트가 달린 강판(보조철물)을 골조용 거푸집 안쪽에 매입하여 골조와 일체화시킨 후 골조 표면에 노출된 강판에 벽강판을 용접으로 결합하는 구조로 된 강판전단벽을 제시하고 있다. 이러한 내진구조는 구조물의 신축단계에서 골조공사와 동시에 진행되어야 하며, 기존에 축조된 구조물에 대한 추가적인 내진보강구조로서는 그 효용성이 없다. 본 발명은 기존에 내진설계가 되지 않고 축조된 철근콘크리트 구조물의 외부에 설치되는 내진보강을 위한 유공 강판전단벽을 효과적으로 시공할 수 있도록 개발되었다.

또한, 현재까지 강판전단벽은 주로 구조물의 내부 보강용 전단벽의 용도로 설치되었다. 그런데, 내진보강에 있어서는 구조물 외부의 골조, 즉 라멘 구조의 경우 보와 기둥의 치명적인 붕괴를 방지할 수 있는 외부 보강이 내부 보강보다 더 긴요하고 효과적이다. 그러나, 구조물의 외부 보와 기둥 간에는 통상 밀폐된 또는 창호가 달린 외벽체가 설계 시공되어 있으며 통풍과 채광 등 내부 사용자들에게 쾌적한 생활환경을 필수적으로 제공해야 하기 때문에, 기존의 내부보강용 강판전단벽을 그대로 적용할 수 없다. 따라서, 본 발명은 철근콘크리트 구조물의 외부에 강판전단벽을 설치함에 있어, 외부 벽체로서 필요로 하는 조건을 갖추고, 구조물의 외부에서의 시공성이 우수하고, 탈부착이 용이한 건식 접합방법을 개발하는 데 주안점을 두었다.

본 발명은 철근콘크리트 구조물의 외부에 강판전단벽을 설치함에 있어, 현장 용접 없이 건식으로 현장에서 조립 설치할 수 있고 유지 보수를 위해 탈부착이 용이한 즉, 시공성이 우수한 강판전단벽 시스템을 개발하고자 하였다. 또한 유공 강판을 강판전단벽에 도입하여 다양한 내진성능 요구에 적용이 가능하고, 구조물의 외부에 강판전단벽이 설치되어도 통풍과 채광 등 사용자의 생활에 필요한 편익을 최대한 보장할 수 있도록 하였다.

이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 철근콘크리트 구조물의 외부에 강판전단벽을 설치함에 있어. 상기 강판전단벽은, 상기 철근콘크리트 구조물의 외부와 면하고 있는 보(B) 또는 기둥(C)의 외측면에 노출되어 설치되는 H-형강(10); 상기 H-형강(10)으로 이루어진 프레임에 접합하여 상기 철근콘크리트 구조물의 외부와 면하고 있는 보(B) 또는 기둥(C) 간의 공간부에 벽체로 설치되고 테두리에 ㄷ자 형태로 접힌 절곡부를 갖는 유공강판(20); 및, 상기 H-형강(10)과 상기 유공강판(20)을 접합할 때 상기 유공강판(20)의 절곡부에 끼워넣어 접합부의 두께를 보강하는 보강철판(30);을 포함하여 이루어지며, 상기 H-형강(10)의 플랜지, 상기 유공강판(20)의 절곡부와 상기 보강철판(30)을 고력볼트(40)를 이용해 건식으로 접합하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 외부에 건식으로 접합되는 유공 강판전단벽 시스템을 제공한다.

즉, 공장 용접이나 현장 용접 없이, H-형강(10)과 유공강판(20)과 보강철판(30)을 현장에서 볼트 접합함으로써 건식으로 유공 강판전단벽을 조립 설치하는 것이다.

나아가, 상기 H-형강(10)의 플랜지와 접합하는 상기 유공강판(20)의 절곡부를 상기 철근콘크리트 구조물의 내부로 향하도록 배치하여 상기 고력볼트(40)를 이용한 볼트 접합부가 은폐되는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 외부에 건식으로 접합되는 유공 강판전단벽으로 설치될 수 있다.

본 발명의 효과는 다음과 같다.

첫째, 본 발명의 강판전단벽은 철근콘크리트 구조물의 외부에 설치할 수 있도록 설계되었다. 외부 골조에 강판전단벽을 설치함으로써 구조물의 내진성능 향상을 더욱 효과적으로 구현할 수 있다.

둘째, 설치공정에서 현장 용접을 배제함으로써, 얇은 벽강판을 현장 용접하는 경우 발생할 수 있는 이음부 용접 품질 저하의 문제를 차단하고, 모든 부재를 공장 가공하고 현장에서 건식으로 조립 설치하여 시공오차를 줄임으로써 실계된 내진기준에 부합하는 강판전단벽을 시공할 수 있다.

셋째, 강판을 고력볼트를 이용해 현장에서 건식으로 접합하는 시스템이기 때문에 강판의 탈부착이 용이하여 일차 설치 이후에도 교체 또는 보수를 쉽게 할 수 있다.

넷째, 유공강판을 사용하여 구조물의 외부에 설치된 강판전단벽을 통해 채광과 통풍이 가능하고, 세련된 외관을 형성할 수 있다.

도 1은 기존에 용접으로 접합되는 강판전단벽의 설치단면도이다.
도 2는 고력볼트를 이용해 건식으로 접합되는 유공 강판전단벽 시스템의 일측 접합부 단면도이다.
도 3은 볼트 접합부가 외부에서 볼 때 은폐되도록 시공된 유공 강판전단벽 시스템의 단면도이다.
도 4는 철근콘크리트 구조물의 외부에 건식으로 접합된 유공 강판전단벽 시스템의 정면도이다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 실시예와 함께 설명하면 다음과 같다.

도 2는 철근콘크리트 구조물의 외부 보(B) 또는 기둥(C)에 강판전단벽을 설치함에 있어 고력볼트(40)를 이용해 건식으로 접합되는 유공 강판전단벽의 일측 접합부 단면도이다.

본 발명의 강판전단벽 시스템은 철근콘크리트 구조물의 외부 보(B)와 기둥(C)에 설치되는 유공 강판전단벽으로서. (1) 철근콘크리트 구조물의 외부와 면하고 있는 보(B) 또는 기둥(C)의 외측면에 노출되어 설치되는 H-형강(10); (2) H-형강(10)으로 이루어진 프레임에 접합하여 상기 철근콘크리트 구조물의 외부와 면하고 있는 보(B) 또는 기둥(C) 간의 공간부에 벽체로 설치되고 테두리에 ㄷ자 형태의 절곡부를 갖는 유공강판(20); 및, (3) H-형강(10)과 유공강판(20)을 접합할 때 유공강판(20)의 절곡부에 끼워넣어 접합부의 두께를 보강하는 보강철판(30);을 포함하여 이루어지며, (4) H-형강(10)의 플랜지, 유공강판(20)의 절곡부와 보강철판(30)을 고력볼트(40)를 이용해 건식으로 접합하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 강판전단벽을 철근콘크리트 구조물의 보(B)와 기둥(C)에 설치하기 위해 H-형강(10)을 보(B)와 기둥(C)의 외측면에 설치한다. H-형강(10)은 유공 강판전단벽의 틀(frame)을 이루며, 철근콘크리트 골조와 강접합하여 지진하중 작용시 지진하중을 강판전단벽으로 직접 전달하는 기능을 한다. 기존 철근콘크리트 골조와 H-형강(10)의 접합은 보(B) 또는 기둥(C)에 케미컬앵커를 설치한 후 H-형강(10)과 용접하는 방법으로 접합할 수 있다. 이 방법은 철근콘크리트 골조와 H-형강(10)을 접합하는 통상적인 방법으로써 본 발명의 요소에 포함되지 않으며, 따라서 별도로 도시하지 않았다.

본 발명의 유공 강판전단벽은 벽체로 유공강판(20, perforated steel plate)을 사용하는 것을 주요한 특징으로 한다. 구조물 내부에 용접으로 설치되는 기존 강판전단벽의 경우 평면이 밀폐된 일반 강판을 사용하고 있다. 그러나, 본 발명에서 철근콘크리트 구조물의 외부에 강판전단벽을 설치하기 위해서는 사용자의 생활 편익과 직결되는 통풍과 채광의 문제를 반드시 해결해야 한다. 이를 위해 본 발명은 유공강판(20)을 강판전단벽의 필수적인 구성요소로 선택하였다.

유공강판(20)은 통풍과 채광의 문제 외에, 강판의 두께 또는 공장에서 가공되는 구멍의 크기와 형태를 조절함으로써 다양한 조건의 내진설계에 적용될 수 있다. 또한 강판에 있는 구멍을 이용하여 이후 설명하는 바와 같이 접합 시공성이 향상될 수 있다.

본 발명의 유공강판(20)은 고력볼트(40)를 이용한 H-형강(10)과의 강하고 효율적인 접합을 위해 테두리를 ㄷ자 형태로 절곡한 절곡부를 갖도록 하였다. 도 1의 기존 강판전단벽에서도 이음판(fish plate)과 벽강판(infill plate)을 용접 대신 볼트로 접합할 수는 있지만, 이 경우 지진하중이 작용하는 방향과 볼트접합면이 동일평면 상에 위치하여 벽강판이 충분한 내진 거동을 하기 전에 볼트 이음부가 미끄러지는 등 이음부가 먼저 파단되기 쉬운 구조이다. 그러나, 도 2와 도 3에서 보는 바와 같이, 유공강판(20)의 테두리를 ㄷ자 형태로 절곡하여 H-형강(10)의 플랜지에 고력볼트(40)로 접합하는 경우, 지진하중이 유공 강판전단벽에 작용할 때 유공강판(20)이 거동하는 방향과 볼트 접합면의 방향이 상이하기 때문에 볼트 접합부가 먼저 파단함으로써 강판전단벽이 초기에 내진 기능을 상실하는 것을 상당히 제어할 수 있다.

그리고, ㄷ자 형태의 절곡부를 이용해 유공강판(20)과 H-형강(10)의 플랜지가 만나는 접촉면을 넓게 확보함으로써, H-형강(10)과 유공강판(20)을 더욱 강하게 접합하고 따라서 지진하중을 효율적으로 전달할 수 있다.

또 절곡부를 ㄷ자 형태로 하여 절곡부에 보강철판(30)을 끼워넣고 고력볼트(40)를 체결하는 접합시공이 더욱 용이하게 이루어질 수 있다. 유공강판(20) 절곡부를 이루는 두 절곡점의 내각이 직각인 경우에도 보강철판(30)의 유동을 잡아주는 역할을 할 수 있는데, 나아가, 두 절곡점의 내각의 합이 180도 미만이 되도록 가공하면 삽입된 보강철판(30)이 유공강판(20)의 거치 및 접합과정 중에 탈락되지 않도록 잡아주어 접합 시공성을 더 높일 수 있다.

보강철판(30)은 볼트 접합부의 두께를 보강하여 이음철판(30)의 단부 지지 강성을 증가시킨다. 지진하중 작용시 유공강판(20)에 압축 좌굴과 인장이 발생하면서 2방향 인장 변형에 의한 에너지 흡수가 충분히 이루어지기 전에 볼트 접합부가 먼저 지압파괴되는 것을 막기 위한 것이다. 또한, 보강철판(30)을 사용함으로써 고력볼트(40)의 전체 사용 개수를 줄여 시공성을 더 높일 수 있다. 보강철판(30)의 두께는 특정 구조물에 대한 내진설계에 따라 결정될 것이다.

본 발명의 유공 강판전단벽은 공장에서 가공된 유공강판(20)과 보강철판(30)을 현장으로 운반하여, 철근콘크리트 골조에 선 부착된 H-형강(10)에 고력볼트(40)를 이용해 접합하는 방법으로 건식 시공이 이루어진다.

구체적으로는, 도 2에 도시된 바와 같이 볼트 접합부가 외부에 노출되도록 접합하는 경우, 유공강판(20)을 H-형강(10)으로 이루어진 틀(frame)에 밀어넣고 보강철판(30)을 유공강판(20)의 절곡부에 끼워넣고 고력볼트(50)를 가조임 한 후 시방서 기준에 따라 고력볼트(40)를 본조임하는 방법으로, 건물의 외부에서 모든 공사가 가능하도록 접합 방법을 개선한 것이다.

도 3은 볼트 접합부가 구조물의 내부를 향하도록 배치하여 외부에서 볼 때 은폐되도록 시공된 유공 강판전단벽 시스템의 단면도이다. H-형강(10)의 플랜지와 접하는 유공강판(20)의 절곡면을 포함하는 볼트 접합부가 철근콘크리트 구조물의 내부쪽으로 향하도록 배치하여 상기 고력볼트(50)를 이용한 건식 접합부가 은폐되는 형태로 유공 강판전단벽으로 설치될 수 있다.

통상 구조물의 외부 보(B)와 기둥(C)으로 둘러싸인 부분에는 창호 등 개구부를 포함한 벽체가 설치되어 있다. 따라서, 구조물 외부에서는 크레인 등 중장비를 이용한 양중작업을 수행하고 구조물 내부에서 기존 벽체에 형성된 개구부를 통해 접합작업을 행함으로써 설치공정이 이루어질 수 있다.

그런데, 외벽체에 창호 등 개구부가 없는 밀폐형 벽체가 설치되어 있는 경우에도 본 발명의 유공 강판전단벽 시스템은 유공강판(20)을 사용하기 때문에, 기존 외벽체의 철거 없이 유공강판(20)에 가공된 다수 개의 구멍을 통해 수작업과 공구작업을 할 수 있어 내부쪽으로 배치된 볼트 접합부의 접합을 외부작업만으로 시공할 수 있다.

즉, 본 발명의 유공 강판전단벽은 강판전단벽을 구조물의 외부에 설치함에 있어 접합 시공을 위한 내부의 작업공간을 반드시 필요로 하지 않고 외부에서 유공강판(20)의 구멍을 통해 볼트를 체결할 수 있어 다양한 조건의 구조물에 폭넓게 적용할 수 있는 것이다.

강판의 유지관리 시 손상된 강판을 교체하기 위하여 강판을 빼내는 방법은 조립의 역순으로 시행할 수 있다.

도 4는 철근콘크리트 구조물의 외부에 건식으로 실치된 유공 강판전단벽의 정면도이다. 도 4에서 보는 바와 같이 본 발명의 유공 강판전단벽을 설치할 경우 내진성능 향상 이외에 구조물 내부로 통풍과 채광을 확보할 수 있고, 도 3의 방법으로 볼트 접합부를 내부로 배치하는 경우 강판전단벽의 미관 향상 뿐만 아니라 우천으로부터 볼트 접합부를 보호함으로써 볼트 접합부의 품질을 장기적으로 유지할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 유공 강판전단벽 시스템은 철근콘크리트 구조물의 외부에 강판전단벽을 설치 시공함에 적합하게 개발된 것이지만, 철골 구조물 및 철근콘크리트 구조물의 내부 골조에 적용 설치되는 것을 배제하는 것은 아니다.

본 발명을 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 변형된 실시예가 가능하며 다양한 분야에서 사용될 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 청구범위는 이 건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

B: 보(Beam) C: 기둥(Column)
10: H-형강 20: 유공강판
30: 보강철판 40: 고력볼트

Claims (2)

1. 철근콘크리트 구조물의 외부에 강판전단벽을 설치함에 있어,
   상기 강판전단벽은,
   상기 철근콘크리트 구조물의 외부와 면하고 있는 보(B) 또는 기둥(C)의 외측면에 노출되어 설치되는 H-형강(10);
   상기 H-형강(10)으로 이루어진 프레임에 접합하여 상기 철근콘크리트 구조물의 외부와 면하고 있는 보(B) 또는 기둥(C) 간의 공간부에 벽체로 설치되고 테두리에 ㄷ자 형태로 접힌 절곡부를 갖는 유공강판(20); 및,
   상기 H-형강(10)과 상기 유공강판(20)을 접합할 때 상기 유공강판(20)의 절곡부에 끼워넣어 접합부의 두께를 보강하는 보강철판(30);을 포함하여 이루어지며,
   상기 H-형강(10)의 플랜지, 상기 유공강판(20)의 절곡부와 상기 보강철판(30)을 고력볼트(40)를 이용해 건식으로 접합하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 외부에 건식으로 접합되는 유공 강판전단벽 시스템.
2. 제1항에서,
   상기 H-형강(10)의 플랜지와 접합하는 상기 유공강판(20)의 절곡부를 상기 철근콘크리트 구조물의 내부로 향하도록 배치하여 상기 고력볼트(40)를 이용한 건식 접합부가 외부에서 볼 때 은폐되는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 외부에 건식으로 접합되는 유공 강판전단벽 시스템.

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