KR20160044089A - 조적줄눈부 매립형 보강철물에 의한 비보강 조적조 내진보강공법 및 그 보강구조물 - Google Patents

Abstract

본건발명의 내진보강공법은 내진보강이 필요한 건축물 외벽에 수평보강철근을 상기 외벽의 단부까지 연장시켜서 매립하는 단계, 상기 외벽을 감싸는 정착철물을 상기 외벽의 단부에 설치하는 단계, 상기 정착철물과 상기 외벽을 정착 앵커로 고정하는 단계를 포함한다.

Description

조적줄눈부 매립형 보강철물에 의한 비보강 조적조 내진보강공법 및 그 보강구조물{Seismic Reinforcement Method of Unreinforced Masonry Structure using Masonry-Joint Embedded Reinforcement Steel and its Reinforcing Structure}

본 발명은 내진보강공법 및 보강구조물에 대한 것으로서, 구체적으로는 저층 구조물의 내진보강공법 및 그 보강구조물에 대한 것이고, 보다 구체적으로는 저층의 비보강 조적조의 내진 보강공법 및 그 보강구조물에 대한 것이다.

최근 구조물 내진설계기준이 강화되면서 학교건축물을 시작으로 중층이상의 주요 관공서 등에 내진보강시장이 활성화되어 다양한 종류의 내진보강공법이 개발 보급되어 있으나, 국내 개인 건축물의 대부분을 차지하고 있는 저층 비보강 조적조 건축물에 대해서는 기술개발 및 보강대책이 미흡하다. 국내외로 저층 비보강 조적조 건축물은 중층이상의 구조물에 비해 취약한 구조성능을 보유하고 있기 때문에 해마다 각종 자연재해 및 노후화로 갑작스런 벽체의 균열, 전도, 붕괴 등의 많은 피해를 입고 있다(하기 표 1 참조).

일반적으로 저층 비보강 조적조 건축물은 대부분 개인소유의 건축물로서 막대한 비용이 요구되는 기존 내진보강공법을 적용하여 보강하기에는 현실적으로 무리가 있다.

따라서 개인소유의 저층 비보강 조적조 건축물을 대상으로 경제성, 시공성, 구조적 안정성이 복합적으로 고려된 보강공법 개발이 시급하며, 이를 통해 개인소유 건축물에 대한 안전성 확보로 급격한 붕괴, 전도 등으로 인한 인명피해와 재산피해를 최소화 시킬 수 있다.

저층 비보강 조적조의 피해 사례

한편, 내진보강이란 지진에 저항하기 위한 건축물의 내진성능이 부족하다고 판단되었을 경우 최소한의 비용으로 예상되는 피해를 최소화하기 위한 방법이다. 내진보강을 위해서는, ① 붕괴 방지 ② 지진 후의 기능유지 ③ 건축물의 자산가치 보전과 같은 조건을 만족시키면서 지진 시에 건축물이 어떻게 움직일 것인가를 명확히 예상한 후 이에 따라 구체적인 보강작업이 이루어져야 한다.

내진보강은 주로 다음과 같은 경우를 대상으로 하는데 앞서 말한 비보강 조적조 내진보강공법은 주로 하기 ① 번이 해당될 것이다.

① 구설계법에 의해 건설된 건축물로서 내진성능이 부족한 경우 ② 건축물을 증·개축하거나 용도변경을 위해 새로운 내진성능 향상이 필요한 경우 ③ 피해를 입은 건축물에 대해 보강하여 재사용하는 경우

또한, 위와 같은 내진보강공법은 건축물 내력을 증가시키는 것(강도증가), 건축물의 변형 능력의 향상(연성의 개선)의 관점에서 시행된다. 연성능력의 향상법에는 기존부재의 횡구속, 붕괴기구의 변화를 위한 기둥보강, 취성파괴가 예상되는 부분의 국부보강 등 있으며, 강도증가법과 비교했을 때 연성개선법과 달리 반응수정계수(R) 값을 증가시켜 강도요구량을 감소시킬 수 있게 된다.

그런데 벽돌을 한장 한장 쌓아올려 구축하는 조적조의 구성 특성상 테두리보와 같은 일체성 확보 방안이 없으면 횡하중에 대하여 매우 취약하게 된다. 특히 철근콘크리트 구조와 비교하였을 때 조적조 건축물은 지진하중에 대한 거동이 특히 ① 면외 변형, ② 개구부 주변 특히 상부 모서리 부분, ③ 슬래브와의 접합부, ④ 구조벽체의 대각 균열 등에서 취약한 것으로 알려져 있다.

대한건축학회, "건축물의 내진설계 제도개선 연구" 2008.11

이에 본건발명에서는 비보강 조적조의 내진보강공사 완료후에 조적조 원형을 최대한 보존 시키며, 시공성과 경제성이 뛰어나며, 구조적으로 안정된 저층 비보강 조적조 건축물의 내진보강공법 제공하고자 한다.

특히 아래와 같은 사항을 중점적으로 해결할 수 있는 내진보강공법을 제공하려고 한다.

- 벽체의 전단보강은 물론 면외 변형에 충분히 대응 가능한 구조성능을 확보할 것

- 벽체의 휨보강 성능확보와 슬립, 줄눈부 휨균열 발생을 최소화 시킬 것

- 시공완료 후 원형을 최대한 보존할 것

- 건축물 규모에 따른 수평보강재 보강량, 정착철물 규격 등을 정량화 할 것

- 다양한 디자인의 건축물에 적용 가능한 정착상세를 확보 할 것

- 제품손상에 따른 추가 보강 및 유지관리가 간편할 것

본건발명의 내진보강공법은 내진보강이 필요한 건축물 외벽에 수평보강철근을 상기 외벽의 단부까지 연장시켜서 매립하는 단계, 상기 외벽을 감싸는 정착철물을 상기 외벽의 단부에 설치하는 단계, 상기 정착철물과 상기 외벽을 정착 앵커로 고정하는 단계를 포함한다.

또한, 본건발명의 내진보강공법에서는 상기 건축물은 조적조 건축물이고, 상기 외벽에 수평보강철근(10)이 매립될 줄눈부에 홈파기를 하는 단계, 상기 정착철물이 설치될 위치를 치핑하는 단계, 상기 정착 앵커가 삽입될 외벽에 앵커홀을 가천공하는 단계를 포함할 수 있다.

본건발명의 내진보강공법에서는 상기 줄눈부와 가천공된 앵커홀에 수평보강철근과 정착 앵커와 외벽사이의 부착성능이 향상되도록 줄눈부 및 앵커홀에 본드와 같은 화학적 결합제를 주입하는 단계를 포함할 수 있다.

본건발명의 내진보강공법에서는 상기 외벽은 2개 방향으로 서로 교차하고 상기 외벽이 교차하는 부분에 상기 정착철물이 'ㄴ'자형 단면으로 설치될 수 있다.

본건발명의 내진보강공법에서는 상기 교차하는 두 외벽은 조적조와 철근콘크리트 구조물이고, 상기 수평보강철근이 상기 철근콘트리트 구조물과 상기 조적조 사이를 가로질러 연결하는데 상기 철근콘크리트구조물쪽의 단부에서 상기 수평보강철근이 정착철물을 향해서 굽어지도록 배근하여 수평보강철근의 인발강도가 향상되도록 할 수 있다.

본건발명의 내진보강공법에서는, 상기 외벽은 조적조의 개구부를 구성하는 벽체이며, 상기 정착철물과 정착 앵커가 개구부 외벽의 좌우측에 설치될 수 있다.

본건발명의 내진보강구조물은 내진보강이 필요한 건축물 외벽의 줄눈부에 매립되고 상기 외벽의 단부까지 연장되는 수평보강철근, 상기 외벽의 단부에 설치되어 상기 외벽을 감싸는 정착철물, 상기 정착철물과 상기 외벽을 고정하는 정착 앵커를 포함할 수 있다.

본건 발명에 따르면, 표면 노출형이 아닌 매립형 보강시스템 도입으로 보강공사 완료후에 조적조 원형을 최대한 보존할 수 있고, 벽체의 전단보강은 물론 면외 변형에 충분히 대응 가능하고, 보강 및 정착상세가 건물의 형상이나 디자인에 관계없이 다양한 디자인의 건축물에 적용 가능한 것이고, 건축물 소요강도에 따른 수평보강 철근량 및 규격, 정착철물 규격 등의 변경이 용이하며, 사용연한 경과에 따른 추가 보강 및 유지관리가 간편한 유리한 효과가 있다.

본건발명에 따른 내진보강공법은 개인소유 저층 비보강 조적조 건축물의 저예산 내진보강공법으로 활용될 수 있고, 신축 조적조 건축물 내진설계 방안으로 활용할 수 있고, 안전이 요구되는 소규모 공공건축물의 간이 내진보강공법으로 활용될 수 있고, 조적조 근대건축물 보강방안으로 활용될 수 있고, 전도가 우려되는 라멘구조 벽체 보강방안으로 활용될 수 있으며, 추가적인 보강 디테일과 함께 다양한 구조형식에 긴급 보강공법으로 활용될 수 있다.

도 1은 본건발명의 조적조 내진보강공법을 설명하는 사시도.
도 2는 본건발명의 조적조 내진보강공법의 개구부 보강법을 설명하는 사시도.
도 3a는 조적조 모서리 접합부의 상세도.
도 3b는 RC기둥-조적조 접합부의 상세도.
도 3c는 조적조 개구부 정착부의 상세도.
도 3d는 조적도 개구부의 다른 정착부의 상세도.

이하에서는 본건발명의 내진보강공법과 그 보강구조물의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본건발명의 내진보강공법 및 그 보강구조물의 실시예를 보여주는 개념사시도이다.

도 1에서 개략적으로 볼 수 있다시피 본건발명의 내진보강공법과 그 보강구조물은 아래와 같은 특징을 가지고 있다.

첫째, 저층 비보강 조적조 건축물의 내진성능을 보강할 수 있고(단, 저층 조적조 건축물에 한정되는 것은 아니며, 본건발명의 보강공법과 보강구조물의 원리가 적용될 수 있는 다른 구조물, 예를 들어 철근콘크리트 구조물에도 적용될 수 있음은 물론이다)

둘째, 벽체의 전단보강과 외부치장벽체가 면외방향으로 전도되는 것을 방지하기 위해 조적조 줄눈부에 수평방향으로 보강재(철근, 강선, 와이어 등)(10)을 매립 설치하고,

셋째, 모서리와 개구부에는 수평보강재(철근, 강선, 와이어 등)(10)를 정착과 동시에 벽체 휨내력 보강을 위한 소정의 디테일의 정착철물(20, 21)을 설치하고,

넷째, 정착철물(20, 21)의 안정적인 거동을 위해 하부기초와 상부보에 정착앵커(30)로 철물을 고정시키고,

다섯째, 수평 보강재(철근, 강선, 와이어 등)(10) 매립부를 기존 줄눈부와 동일한 색상의 모르타르 또는 접착제로 마감처리하고,

여섯째, 단부 정착철물(20, 21)도 모르타르 마감, 스테인레스 덮개, 도색 등으로 마감한다.

본건 발명의 조적조 내진보강공법에서는 도 1에서와 같이 벽체(1)와 벽체(1)가 만나는 부분의 모서리에 정착정물(20)을 부착한다. 위 정착정물(20)은 벽체와 벽체가 만나는 부분의 모서리의 길이방향을 따라서 건물 높이방향으로 연장되어 벽체를 구속하게 된다. 한편, 위 정착철물(20)은 맞닿는 두 개의 벽체의 각각의 길이방향으로 각각의 벽체를 감싸는 형상으로 구성된다. 그렇기 때문에 위 정착철물(20)은 대체적으로 'ㄴ'자 단면을 가지게 된다.

또한, 상기 정착철물(20)과 벽체(1)는 정착철물과 벽체를 관통하는 앵커(30)에 의하여 연결된다. 이를 통해서 정착철물(20)과 벽체 사이의 부착력이 강화될 수 있다. 선택적으로 정착철물(20)과 벽체 사이에 별도의 화학적 결합수단이 부가될 수도 있다.

또한, 조적조 벽체는 벽돌과 벽돌 사이에 수평줄눈(2)이 형성되는데 그 수평줄눈에 수평보강철근(10)을 삽입할 수 있다. 수평보강철근(10)은 벽체(1)와 벽체(1)에 각각 수평방향으로 매립될 수 있으며, 그 일단은 정착철물(20)까지 연장된다.

요약하면 본건발명에 따른 조적조 내진보강공법에서는 조적조 벽체(1)와 벽체(1)사이에 건물 길이방향으로 연장되고 또한 각각의 벽체를 감쌀 수 있는 단면의 정착철물을 이용하여 벽체(1)의 구속력을 강화하고, 상기 벽체(1, 1)와 정착철물(20) 사이에 결속력을 강화하기 위하여 앵커(30)를 벽체( 1)와 정착철물(20) 사이에 삽입하고, 벽체(1)와 벽체(1)의 각각의 수평줄눈(2)에 수평보강철근(10)을 삽입한 후 그 수평보강철근(10)이 정착철물(20)까지 연장되어 정착철물(20)에 구속되게 한다. 이로써 기존 건물외형을 거의 변화시키지 않으면서도 벽체의 면외 변형 등을 방지하거나 최소화할 수 있고, 하기에서 설명하는 바와 같이 상기 정착철물의 단면 형상을 자유롭게 선택할 수 있으므로 다양한 디테일로 변형실시가 가능하여 보강대상부재의 단면변화에 능동적으로 대처할 수 있게 된다. 또한, 수평철근의 배근량의 조절 등을 통해서 필요 보강강도 역시 자유롭게 변경할 수 있게 된다.

상기 수평보강철근(10)은 도 3a와 도 3c에서와 같이 정착철물(20)과의 연결부가 곧게 형성될 수도 있지만 도 3b와 도 3d에서와 같이 굽어지게 형성될 수도 있다. 위와 같이 수평보강철근(10)과 정착철물(20)과의 연결부를 굽어지게 하는 경우 수평보강철근(10)의 외벽(1)이나 기둥(3)과의 구속면적이 증가하므로 수평보강철근과 외벽(1)이나 기둥(3)과의 일체성 증대로 접합부의 결합강도가 증가할 수 있다.

또한 도 3a에서와 같이 수평보강철근(10)은 일반적으로 맞닿는 외벽 각각에 설치되고 정착철물(20) 역시 맞닿는 외벽(1)을 모두 감싸게 되므로 앞서 설명한 것처럼 'ㄴ'자형 단면을 가지게 된다. 하지만 개구부 보강에서와 같이 선택적으로 필요에 따라서는 어느 일 외벽에만 수평보강철근이 설치되고 정착철물이 장착될 수도 있다(도 2, 도 3d 참조). 또한, 도 3b에서와 같이 어느 일 외벽(1)과 기둥(3) 사이의 보강, 특히 조적조 외벽과 콘크리트 기둥(3) 사이의 보강이 필요한 경우에는 이미 콘크리트 기둥에서는 일반적으로 인장철근이 배근되어 있으므로 추가적으로 수평보강철근(10)이 필요없을 수 있고, 정착철물 역시 일방향으로만 설치될 수 있다. 그 이유는 본 발명의 내진보강공법은 지진력에 대한 저항강도가 낮은 조적조의 내진성능을 보완하기 위함인데, 조적조와 RC 기둥이 접합하는 단면에서는 이미 RC 기둥은 별도의 내진보강성능을 발휘하고 있을 것이므로, 도 3b에서와 같이 외벽(1)에 일방향의 수평보강철근(10)을 삽입하고 일자형 정착철물(20)을 RC 기둥(3)과 외벽(1) 사이에 배열한 후 앵커(30)를 이용하여 정착철물(20)과 RC 기둥(3)을 일체화시키게 된다. 특히 이와 같은 단면의 경우에는 RC 기둥(3)과 외벽(1)의 연결부의 일체적 거동이 중요한데 앞서 설명한 것처럼 수평보강철근(10)을 일단을 굽어지게 형성하여 수평보강철근(10)에 가해지는 인발력에 대한 거동이 우수해져 RC기둥(3)과 외벽(1) 사이의 접합부 강도가 향상될 수 있다. 마찬가지로 도 3d에서도 개구부 외벽(1)에 정착철물(21)이 일자형으로 설치되어 있는데 이 경우에도 수평보강철근(10)이 일단이 굽어져 있으므로 수평보강철근(10)에 가해지는 인발력에 대한 거동이 우수해질 수 있다.

한편, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 조적조의 외벽은 그 내부에 단열재(4)와 내벽(5)이 설치되게 되고, 수평보강철근(10)은 단열재(4)와 내벽(5)의 외측에 있는 외벽(1)에 설치된다.

도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본건발명의 내진보강공법은 조적조 개구부에서 적용될 수 있는데, 개구부에 설치되는 겨웅에는 개구부의 단면형태에 따라서 일자형 정착철물(도 2의 개구부 좌측일단)와 'ㄴ'자형 정착철물(도 2의 개구부 우측일단)을 혼용하는 것도 가능하다. 즉, 기본적으로 서로 만나는 두 방향의 단면(X방향 부재와 Y방향 부재)을 감싸서 구속력을 강화하도록 'ㄴ'자형 정착철물이 이용될 수 있지만, 단면 특성상 일방향 부재만을 보강하고자 하는 경우에는 일자형 정착철물만이 사용된다.

시공순서

번호	공정	설명도
1	- 줄눈부 홈파기 - 철물정착부 치핑 - 앵커 설치부 드릴 천공
2	-표면 먼지 제거 -줄눈부 및 앵커설치부 본드 주입
3	- 수평보강 철근 설치 - 철물정착 앵커 설치
4	-모서리 및 개구부 철물 설치 -정착부 용접 또는 볼트에 의한 접합 -3번과 병행 시공
5	- 벽체 철근 노출부 마감 처리 - 정착철물 마감처리

위 표 2는 본건발명에 따른 비보강 조적조 내진보강공법의 시공순서를 예시적으로 설명하는 것이다. 단, 위 일련번호(1 내지 5번)는 예시적인 순서를 나타내는 것이며 반드시 위 시공순서로 한정되는 것은 아닌 것은 당연하다.

1번 공정은 준비단계로서 수평보강철근(10)이 매립될 줄눈부에 홈파기를 하고 정착철물이 설치될 철물정착부를 치핑하고 용이한 앵커 삽입을 위하여 앵커가 삽입될 구멍을 가천공하는 단계이다. 다음으로 2번 공정은 수평보강철근(10)이나 앵커(30, 31)가 각각 외벽(1)과 정착철물(20, 21)로의 부착성능이 향상되도록 보조적으로 줄눈부 및 앵커설치부에 본드 등의 화학적 결합제를 주입하는 단계이다. 다음으로 3번 공정은 수평보강철근과 앵커를 외벽에 설치하는 단계인데 앵커는 정착철물(20, 21)을 시공하는 4번 공정과 병행될 수 있다. 마지막으로 외관을 미려하게 하기 위하여 수평보강철근과 정착철물이 설치된 부위를 모르타르 등으로 마감처리하게 된다.

이러한 조적조 건축물의 내진 성능 확보하는 데 있어서 중요하게 고려할 사항은, 조적조에 있어서 가장 치명적인 벽체의 전도(면외방향 변형)를 방지하는 것이다. 벽체방향이 아닌 수직방향으로 힘이 작용하여 벽체를 넘어지도록 하는 것으로 휨 응력(인장력)에 취약한 조적벽체로써는 저항하기 어려운 변형이며, 건축물 전체를 급속한붕괴에 이르게 하는 것이다.

이러한 벽체의 전도를 방지하는 데 있어서는 벽체 면적을 최소화하고 벽두께를 최대화하는 것과 아울러 서로 만나는 벽체와 벽체의 일체성을 확보하는 것이 중요한데, 본건발명에서는 앞서와 같은 정착철물(20, 21)에 의하여 벽체의 일체성이 크게 향상될 수 있다. 또한 본건발명에서는 정착철물(20, 21)이 앵커정착부(30)에 의하여 벽체-정착철물간 부착성능이 증대될 수 있어 벽체 전도 방지에 더욱 유리하다. 또한, 본건발명에서는 앵커설치부에 본드 등의 화학적 결합제가 주입됨으로써 벽체-벽체, 벽체-정착물간의 일체성에 더욱 증대될 수 있다.

한편, 조적조 건축물에서의 개구부(opening)는 상부의 수직하중에 대해서도 취약성을 나타내며, 횡력이 가해지면 모서리부에 경사균열이 발생되어 점차 크게 확장되어 나간다. 그런데 본건발명에 따르면 개구부의 좌우측에 설치된 수직 정착철물(21)이 위 개구부의 수직하중을 좌우측벽면과 하부로 전달할 수 있기 때문에 조적조 개구부의 지진력의 취약성을 극복할 수 있게 해준다. 마찬가지로 위 정착철물(21)과 조적조 개구부의 일체성 향상이 보강성능에 크게 영향을 미치는데 정착철물(21)이 앵커정착부(31)에 의하여 부착성능이 크게 증가하게 된다.

뿐만 아니라, 본건발명에 따르면 위 정착철물(20, 21)은 벽체의 줄눈을 통하여 매립된 수평보강철근(10)에 의하여 조적조 구조물과의 일체성이 한층 더 향상되는 효과를 기대할 수 있게 된다. 결국 본건발명은 3중의 보강성능을 발휘할 수 있게 되는 것이다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나,본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다. 또한, 첨부한 도면은 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위하여, 스케일에 따라 도시하지 않고, 부분적으로 확대 및 축소하여 도시되었다.

1: 외벽
10: 수평보강철근
20, 21: 정착철물
30, 31: 앵커

Claims (7)

1. 내진보강이 필요한 건축물 외벽에 수평보강철근을 상기 외벽의 단부까지 연장시켜서 매립하는 단계,
   상기 외벽을 감싸는 정착철물을 상기 외벽의 단부에 설치하는 단계,
   상기 정착철물과 상기 외벽을 정착 앵커로 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건축물의 내진보강공법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 건축물은 조적조 건축물이고,
   상기 외벽에 수평보강철근(10)이 매립될 줄눈부에 홈파기를 하는 단계,
   상기 정착철물이 설치될 위치를 치핑하는 단계,
   상기 정착 앵커가 삽입될 외벽에 앵커홀을 가천공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건축물의 내진보강공법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 줄눈부와 가천공된 앵커홀에 수평보강철근과 정착 앵커와 외벽사이의 부착성능이 향상되도록 줄눈부 및 앵커홀에 본드와 같은 화학적 결합제를 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내진보강공법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 외벽은 2개 방향으로 서로 교차하고 상기 외벽이 교차하는 부분에 상기 정착철물이 'ㄴ'자형 단면으로 설치되는 것을 특징으로 하는 내진보강공법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 교차하는 두 외벽은 조적조와 철근콘크리트 구조물이고, 상기 수평보강철근이 상기 철근콘트리트 구조물과 상기 조적조 사이를 가로질러 연결하는데 상기 철근콘크리트구조물쪽의 단부에서 상기 수평보강철근이 정착철물을 향해서 굽어지도록 배근하여 수평보강철근의 인발강도가 향상되도록 하는 것을 특징으로 하는 내진보강공법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 외벽은 조적조의 개구부를 구성하는 벽체이며,
   상기 정착철물과 정착 앵커가 개구부 외벽의 좌우측에 설치되는 것을 특징으로 하는 내진보강공법.
7. 내진보강이 필요한 건축물 외벽의 줄눈부에 매립되고 상기 외벽의 단부까지 연장되는 수평보강철근,
   상기 외벽의 단부에 설치되어 상기 외벽을 감싸는 정착철물,
   상기 정착철물과 상기 외벽을 고정하는 정착 앵커를 포함하는 것을 특징으로 하는 건축물의 내진보강구조물.

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