KR101266215B1 - 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템은 복층 건물에 있어서, 내력기둥, 내력보, 내력슬래브를 주요 골조로서 포함하는 동시에 벽식구조의 내력슬래브와 내력벽을 주요 골조로서 포함하며, 내력슬래브가 상하부 플랜지로, 엇갈려 배치된 내력격간벽이 웨브로 구성되어 전체적으로 H형의 보의 역할을 하며, 내력격간벽이 시공된 중앙부 통로의 인방보가 H형강으로 이루어지고 내력슬래브에도 H형강을 삽입하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 재료비를 절감하고 가변성능이 우수하며, 모멘트 저항골조에 비해 층고가 낮아 수익성이 좋고, 횡 하중에 대한 연성적 거동의 확보로 인해 구조적 안정성이 높아져 공동 주택의 평균 수명을 늘려 자원 낭비와 건설폐기물로 인한 환경파괴를 막을 수 있는 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템이 제공된다.

Description

내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템 {Improved seismic performance of Staggered wall system with central hall}

본 발명은 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가변적이면서 자유로운 내부 설계와 횡 하중에 대하여 구조적인 안정성의 확보할 수 있는 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템에 관한 것이다.

벽식구조는 골조가 슬래브와 내력벽으로 이루어진 구조로서, 슬라브 - 내력벽 - 기초의 순으로 하중을 전달하며, 특별히 굵은 치수의 기둥이나 보가 없이 하층, 지붕 및 벽 등의 면이 하중을 지지 또는 전달시키는 기능을 한다.

시공이 간편하기 때문에 공동주택 건축물 공사에 많이 적용되며, 종래 공동주택에서 벽식구조는 세대를 구분하는 세대경계벽뿐만 아니라 세대 내부의 공간을 구획하는 칸막이 벽도 건물의 하중을 지지하는 내력벽체로 되어 있으며, 그 결과 상층 및 하층의 벽체가 상하 연직방향으로 동일 위치에 설치되는 연속적인 구조로 이루어지게 된다.

아파트의 경우 냉난방, 상하수도 등의 설비를 위하여 여러 배관이 필요한데 벽식구조에는 보가 없기 때문에 이들이 자유롭게 배치될 수 있으며, 보가 실내에 돌출되는 것을 가리기 위하여 필요한 장마감이 없어지거나 간략하게 처리될 수 있음으로 인하여 건물의 층고가 낮아짐으로써 공사비가 대폭 절감될 수 있고 건물 전체의 높이가 낮아짐으로 대지의 활용도가 높아지는 등의 장점을 갖추고 있다.

하지만, 이러한 벽식구조는 내력벽의 존재로 인하여 가변성 및 융통성이 없어 입주자의 다양한 주거공간에 대한 요구를 만족시키지 못하는 문제가 있으며, 나아가 요즈음 건설되는 아파트에서는 지하층에 주차공간을 두는 경우가 많은데, 이러한 경우에 지상층의 내력벽 위치에 지하층에도 내력벽이 있어야 하므로 주차공간의 계획이 어려워지는 등 구조적인 무리가 따르게 된다.

상기와 같은 이유로, 종래의 벽식구조의 이점을 이용하면서 라멘구조와 결합한 격간벽구조 시스템이 대한민국 등록특허 제0720823호(명칭:격간벽구조 시스템 및 이를 적용한 공동주택)에 잘 나타나있다.

도 1은 종래 격간벽구조 시스템의 개념을 나타낸 사시도이고,도 2는 종래의 격간벽구조 시스템의 평면도이다.

상기 도면에서 도시하는 바와 같은 종래의 격간벽구조 시스템은, 호텔과 같이 횡 방향으로 동일한 유닛이 반복되는 구조물을 위한 경제적인 구조 시스템으로, 건축 계획적인 측면에서 효율적인 공간 구성을 가능하게 하므로 주로 장방형의 중층 주거건물에 적용되며, 층마다 벽체를 엇갈려 배치한 격간벽구조 시스템에는 벽체가 두 층마다 존재하므로 건축 계획상의 유연성을 확보할 수 있어 가변성능이 우수한 구조형식이다.

즉, 상기 도면에서 도시하는 바와 같은 종래의 격간벽구조 시스템은, 내력기둥(10), 내력슬래브(11), 내력보(12)를 주요 골조로서 포함하는 동시에, 벽식구조의 내력슬래브(11)와 내력벽(13)을 주요 골조로서 포함하며, 상기 내력보(12)와 내력벽(13)을 통상의 위치에 배치 시공하는 것이 아니라, 내력보(12)는 단변 방향으로만 배치 시공하고 내력격간벽(13)은 장변 방향으로만 격간벽이면서 층간 엇갈리도록 배치 시공된다.

기존의 골조시스템에서는 라멘구조와 같이 상층 슬래브에 작용하는 하중을 별도 설치된 보에 전달시킨 다음 기둥으로 전달하거나, 벽식구조와 같이 연직방향으로 연속된 내력벽체로 전달하는 방식이었지만, 격간벽구조 시스템은 내력슬래브의 하중을 매 층마다 엇갈려 설치된 내력격간벽을 통해 바로 내력기둥으로 전달하는 방식이기 때문에 내력격간벽이 보와 벽체의 역할을 동시에 수행하는 벽보가 되는 것이다.

또한, 전단벽을 한 층 걸러 설치함으로써 재료비를 절감하고 가변 성능이 우수하며, 모멘트저항골조에 비해 층고가 낮아 수익성이 좋은 장점이 있다.

도 6은 종래의 격간벽구조 시스템의 비선형거동 그래프이며, 도 7 및 도 8은 종래의 격간벽구조 시스템의 내진성능 평가 그래프이다.

도 6의 그래프에서 도시하는 바와 같이, 구조적인 안정성을 비선형해석 프로그램을 이용하여 검토한 바에 의하면, 일반적인 격간벽구조 시스템의 비선형 정적해석 결과는 횡력에 의해 최상층 변위가 25mm 이동했을 경우 하중을 받다가 구조물의 내력이 급감하며 갑자기 파괴되는 취성적인 거동을 보이며, 비렌딜 패널의 인방보에서 소성힌지가 발생한 후에 기둥이 항복함에 따라 구조물의 내력이 급감함을 볼 수 있다.

도 7의 그래프는 구조물의 최대 층간변위비를 나타낸 것으로, 벽식구조 시스템의 경우 특정 층에서 층간 변위가 크게 발생하지 않는 반면에 격간벽구조 시스템은 상대적으로 벽체가 많이 제거된 층에 약층이 발생하여 다른 층에 비해 층간 변위가 크게 나타났으며, 횡 방향으로 하중이 가해진 경우 변화의 폭이 벽식구조 시스템에 비해 크고, 최상층의 층간 변위가 벽식구조 시스템에 비하여 2배 이상 크게 발생한다.

도 8의 그래프는 비선형 시간이력해석 결과 벽식구조 시스템과 격간벽구조 시스템의 최상층 변위 응답을 나타낸 것으로, 벽식구조의 경우에는 전체 벽체의 약 17%에 해당하는 부재가 항복하고, 격간벽구조 모델에서는 전체 기둥의 20%, 벽체의 5.6%에 해당하는 부재에서 항복이 발생한다.

결과적으로 격간벽구조 시스템의 소성거동이 벽식구조 시스템 모델에 비해 크게 나타났으며, 격간벽구조 시스템 모델에 약 10mm의 영구 변위가 발생한다.

상기와 같이, 종래의 격간벽구조 시스템은 벽식구조 시스템을 단점을 보완하지만, 비선형 정적해석에 의하면 횡 하중에 대해 취성적인 거동을 보이며, 지진하중에 대한 구조물의 연성도 확보는 내진성능 향상의 측면에서 가장 중요한 부분이므로 횡하중에 대한 내진 보강이 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 격간벽구조 시스템의 횡 하중에 대한 연성적 거동을 확보하여 구조적 안정성을 보강할 수 있는 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템을 제공함에 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 복층 건축물에 있어서, 단변방향의 2행과 장변방향의 다수열을 포함하도록 배치 시공되는 2개층 이상 높이의 내력기둥;과, 상기 내력기둥 상호간을 연결하면서 상층과 하층의 층간 구분이 되도록 시공되는 내력슬래브;와, 동일 행에 위치하는 내력기둥 상호간을 연결하면서 상기 내력슬래브 아래에 시공되는 내력보;와, 동일 열의 내력기둥 상호간을 연결하면서 상기 상층과 하층의 내력슬래브 상호간을 연결하도록 시공되는 벽체로서, 중앙부 통로가 형성되며, 내력기둥 열 사이를 건너뛰면서 배치 시공되고, 상층과 하층에서 서로 엇갈리도록 배치되는 내력격간벽; 및 상기 건축물의 연성거동이 확보되도록 상기 내력격간벽의 중앙부 통로 상단에 H형강으로 이루어지는 인방보;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템에 의해 달성된다.

또한, 상기 내력격간벽이 시공된 열에 형성된 인방보는 H형강으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 내력격간벽의 중앙부 통로 하부에 배치된 내력슬래브에 보강부재를 삽입하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 복층 건물 최상층의 상기 내력격간벽이 시공되지 않은 열에는 내력기둥 상단의 상호간을 연결하는 수평보가 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 복층 건물 최상층의 상기 내력격간벽이 시공되지 않은 열에는 내력기둥 상호간 거리의 중앙 양측에 상기 수평보와 하부 내력슬래브 사이에 수직 방향으로 버팀기둥이 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 격간벽구조 시스템의 횡 하중에 대한 연성적 거동을 확보하여 구조적 안정성을 보강할 수 있는 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템을 제공함에 있다.

도 1은 종래의 격간벽구조 시스템의 사시도,
도 2는 종래의 격간벽구조 시스템의 평면도,
도 3은 본 발명 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템의 사시도,
도 4는 본 발명 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템의 입면도,
도 5는 본 발명 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템의 평면도,
도 6은 종래의 격간벽구조 시스템의 비선형거동 그래프,
도 7 및 도 8은 종래의 벽식구조와 격간벽구조 시스템의 내진성능 평가 그래프이고,
도 9는 본 발명 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템의 실시예에 따른 그래프이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템의 사시도이고, 도 4는 본 발명 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템의 입면도, 도 5는 본 발명 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템의 평면도이다.

도 3에서 1층과 2층 사이에만 내력슬래브(11)와 보강부재(14)를 도시하고, 나머지 내력슬래브(11)와 보강부재(14)는 상기 도면의 구조를 명확히 하기 위해 생략하였다.

상기 도면에서 도시하는 바와 같은 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽 시스템은 복층 건축물로서, 내력기둥(10), 내력슬래브(11), 내력보(12), 내력격간벽(13)을 포함하여 구성된다.

상기 내력기둥(10)은 단변과 장변을 갖는 건축물에 있어서, 단변방향의 2행과 장변방향의 다수열을 포함하도록 모서리와, 행과 열이 만나는 위치에 시공되며, 상기 각각의 내력기둥(10)은 건축물의 최상층에서 기초까지 연결되는 기둥으로, 2개층 이상의 높이로 시공된다.

상기 내력슬래브(11)는 상기 내력기둥(10)에 대하여 수직인 수평방향으로 외측면에 각각의 내력기둥(10)을 모두 포함하도록 시공되며, 상층과 하층의 층간 구분을 하도록, 설계된 층수에 맞추어 복수개 시공된다.

상기 내력보(12)는 동일 행에 위치하는 내력기둥(10) 상호간을 연결하면서 상기 내력슬래브(11) 아래에 시공된다.

상기 내력격간벽(13)은 동일 열의 대향하는 내력기둥(10) 상호간을 연결하면서 상기 상층과 하층의 내력슬래브(11) 상호간을 연결하도록 시공되는 내력벽체로서, 중앙에 중앙부 통로(18)가 형성되며, 내력기둥 열 사이를 건너뛰면서 띄엄띄엄 배치되고, 상층과 하층에서 서로 엇갈리도록 배치 시공된다.

또한, 상기 내력격간벽(13)의 중앙부 통로(18) 상부에 H형강으로 이루어진 인방보(15)가 시공되며, 상기 인방보(15)와 같은 길이의 H형강 보강부재(14)가 상기 중앙부 통로(18) 하부의 내력슬래브(11)에 삽입된다.

상기 내력격간벽(13)이 시공되지 않은 열에는, 상기 동일 열의 내력기둥(10) 상호간을 연결하면서 상기 상층 내력슬래브(11)의 하단면에 배치되는 수평보(17)가 형성되고, 상기 동일 열의 내력기둥(10) 사이의 중앙 양측에 수직 방향으로 버팀기둥(16)이 상기 수평보(17)의 하단면과 하부의 내력슬래브(11) 사이에 시공되어 양측 버팀기둥(16) 사이에 중앙부 통로(18)가 형성된다.

상기 내력격간벽(13)의 중앙부 통로(18)와, 상기 내력격간벽(13)이 시공되지 않은 열의 양측 버팀기둥(16)과 수평보(17) 사이에 형성된 중앙부 통로(18)가 나란히 일렬을 이루어 중복도를 형성한다.

상기와 같이 내력격간벽(13)을 설치하면 기둥과 보가 없는 구조가 되지만, 최상층에 벽체가 설치되지 않는 열이 발생하므로 수평보(17)을 설치하여 내력기둥(10)의 상단부를 연결하고, 상기 수평보(17)의 중앙 양측에 버팀기둥(16)을 설치하여 과도한 처짐을 방지하였다.

한편, 격간벽구조 시스템의 우수한 가변성능 특성상 다양한 형태의 내부설계가 가능하기 때문에 상기 내력격간벽(13)이 시공되지 않은 열에는, 비내력벽(19) 등의 구조물이 시공될 수 있다.

또한, 강진 지역이나 기존 격간벽 건물의 리모델링 시에는 인방보(15)를 별도의 제진 장치로 대체하여 형성할 수 있다.

상기 제진 장치는, 대부분의 지진 하중을 저항하고, 인방보(15)에 작용하는 휨모멘트와 전단력을 제진장치에 의해 감소시켜 구조물의 응답 감소, 연성능력 및 강성을 확보하는 장치이며, 기초 격리장치, 수동형 에너지 흡수장치, 반능동/능동형 제어장치로 분류할 수 있다.

지금부터는 상술한 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

도 9는 본 발명 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템의 실시예에 따른 그래프이다.

본 발명에 따른 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템의 구조적인 안정성은 비선형해석 프로그램인 MIDAS Gen Ver.785를 이용하여 검토하였으며, 구조해석을 위한 설계조건과 구조 계획은 다음과 같다.

중복도 격간벽구조 시스템의 내진 성능을 평가하기 위해 6층 구조물을 설계하고, 횡 하중에 대한 격간벽구조 시스템만의 비탄성 거동을 평가하기 위해 코어 등 또 다른 횡력 저항 시스템은 배제하였으며, 장변 방향은 모멘트 저항골조(MRF)로 구성하였고, 격간벽은 단변 방향으로 배치하고 해석모델의 설계를 위하여 고정하중 4.71kN/m², 활하중 1.92kN/m²을 적용하였다. 지진하중은 IBC-2006에 따라 S_Ds=0.31g, S_D1=0.13g로 설계되었고, 내진설계범주는 B이므로 반응수정계수는 3으로 설계되었다. 설계에 사용된 콘크리트의 강도는 24MPA이며, 철근은 SD400을 사용하였다. 철근 콘크리트 부재의 설계는 ACI 318-05를 적용하였다.

FEMA-356에 제시되어 있는 비선형 이력모델을 사용하였고, 재료의 초과 강도를 고려하여 콘크리트의 압축강도는 1.5배, 철근의 항복강도는 1.25배를 사용하여취성적으로 거동하는 격간벽구조 시스템의 내진성능 향상을 위해 다양한 보강안을 고려하였다.

또한, 상기 인방보(15)의 H형강은 150mm×150mm×15mm×15mm 이고, 상기 내력슬래브(11)의 두께는 200mm로 가정하여 고정하중을 산정하였다.

따라서, 상기 내력슬래브(11)에 삽입된 H형강의 보강부재(14)는 벽체와 일체화 거동을 하게 되므로 내력슬래브(11)는 모델링하지 않고 하중으로 치환하여 비선형 해석을 수행하였다.

도 9의 (a)그래프에서 도시된 바와 같이, 철근 콘크리트로 형성된 인방보(15)의 깊이(도4에서 D로 표시)를 500mm로 설정하여 비선형 정적해석을 수행한 결과를 나타내는 실선 Ld50에 비해, 횡 하중 작용시 처음 항복이 발생하는 인방보(15)의 휨 강성을 증가시키기 위해 깊이를 800mm로 증가하여 비선형 정적해석을 수행한 결과를 나타내는 점선 Ld80은 강성과 초과강도가 약간 증가하였으나 파괴 하중에서도 지속적으로 견디는 연성 거동은 확보하지 못했다.

도 9의 (b)그래프에서 도시된 바와 같이, 내력기둥(10)의 휨강성을 50% 증가시켜 비선형 정적해석을 수행한 결과를 나타내는 Ld50_I50과 휨강성을 100% 증가시킨 결과를 나타내는 Ld50_I100 역시, 도 9의 (a)와 같이 구조물의 강성과 초과강도가 약간 증가하였을뿐 연성 거동은 확보하지 못했다.

도 9의 (c)와 (d) 그래프는 상기 Ld50에 대해 각각 인방보(15)와 내력기둥(10)에 대하여 철근량을 50%, 100% 증가시켜 비선형 정적해석을 수행한 결과를 나타내는 그래프로써, 인방보(15)의 철근량을 각각 50%와 100% 증가시킨 Ld50_LR50과 Ld50_LR100의 그래프에 나타나는 바와 같이 구조물의 강도는 상기 Ld50에 비해 크게 증가했지만 연성 거동은 확보되지 않았으며, 내력기둥(10)의 철근량을 각각 50%와 100% 증가시킨 Ld50_IR50과 Ld50_IR100 그래프에서 보는 바와 같이 내력기둥(10)의 철근량 증가는 상기 Ld50(20)과 비슷한 결과를 보여준다.

그러나, 도 9의 (e)그래프에서 도시된 바와 같이, 상기 철근 콘크리트구조의 Ld(50)을 H형강으로 대체하고 깊이를 150mm로 설정한 HLd15의 해석을 수행한 결과, 인방보(15)를 기존의 철근콘크리트에서 H형강으로 대체한 격간벽구조 시스템은 그 깊이가 150mm 임에도 불구하고 연성거동을 확보할 수 있었다.

상기의 비선형 정적해석 결과 일반적인 철근 콘크리트 인방보(15)를 사용한 격간벽구조 시스템은 상대적으로 강성이 약한 약층의 인방보(15)에서 제일 먼저 소성힌지가 발생하고 전체 인방보(15)로 소성힌지가 고르게 분포하기 전에 약층의 내력기둥(10)에서 소성힌지가 발생하여 구조물의 내력이 급감한다.

그러나 H형강으로 이루어진 인방보(15)를 설치할 경우 열 방향에 대한 구조물의 강성은 감소하지만, 전체 층에 걸쳐 H형강에 소성힌지가 먼저 발생하여 연성거동이 확보된다.

상기와 같이 중복도 격간벽구조 시스템의 인방보(15)를 H형강으로 구성 함으로써 종래에 비해 그 깊이가 얕음에도 불구하고 파괴하중에 대해 지속적으로 견디는 연성거동이 확보되었으며, 또한 강진 지역이나 리모델링 시 인방보(15)를 별도의 제진장치로 대체하여, 인방보에 작용하는 휨모멘트와 전단력을 제진장치에 의해 감소시켜 구조물의 응답 감소, 연성능력 및 강성을 확보할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

10: 내력기둥 11: 내력슬래브
12: 내력보 13: 내력격간벽
14: 보강부재 15: 인방보
16: 버팀기둥 17: 수평보
18: 중앙부 통로 19: 비내력벽

Claims (5)

1. 복층 건축물에 있어서,
   단변방향의 2행과 장변방향의 다수열을 포함하도록 배치 시공되는 2개층 이상 높이의 내력기둥;
   상기 내력기둥 상호간을 연결하면서 상층과 하층의 층간 구분이 되도록 시공되는 내력슬래브;
   동일 행에 위치하는 내력기둥 상호간을 연결하면서 상기 내력슬래브 아래에 시공되는 내력보;
   동일 열의 내력기둥 상호간을 연결하면서 상기 상층과 하층의 내력슬래브 상호간을 연결하도록 시공되는 벽체로서, 중앙부 통로가 형성되며, 내력기둥 열 사이를 건너뛰면서 배치 시공되고, 상층과 하층에서 서로 엇갈리도록 배치되는 내력격간벽; 및,
   상기 건축물의 연성거동이 확보되도록 상기 내력격간벽의 중앙부 통로 상단에 H형강으로 이루어지는 인방보;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 내력격간벽의 중앙부 통로 하부에 배치된 내력슬래브에 H형강의 보강부재를 삽입하는 것을 특징으로 하는 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 복층 건물 최상층의 상기 내력격간벽이 시공되지 않은 열에는 내력기둥 상단의 상호간을 연결하는 수평보가 형성되는 것을 특징으로 하는 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 복층 건물 최상층의 상기 내력격간벽이 시공되지 않은 열에는 내력기둥 상호간 거리의 중앙 양측에 상기 수평보와 하부 내력슬래브 사이에 수직 방향으로 버팀기둥이 형성되는 것을 특징으로 하는 내진 성능이 향상된 중복도 격간벽구조 시스템.
   

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