가변형 철골프레임에 의한 구조물 개구부의 내진보강구조 및 그 시공방법{Seismic Retrofit of Building Structures Using Changeable Steel-Frame and Construction Method Thereof}

본 발명은 양측의 수직구조체와 상·하부 수평구조체로 둘러싸인 구조물의 개구부에 사각의 철골프레임을 설치하여 내진 보강하는 내진보강구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조물의 개구부에 설치하는 사각의 철골프레임을 크기 변경이 가능한 가변형 구조로 구성한 내진보강구조와 바람직한 시공방법에 관한 것이다.

일반적으로 건물에는 채광, 통풍, 유출입 등을 위한 창호를 위해 개구부가 마련된다. 개구부는 다른 부분에 비해 응력 집중이 심한데, 특히 지진 등 수평하중이 가해질 경우 개구부에서 인장균열이 시작하여 건물 붕괴로 이어질 수 있다. 이에 따라 내진설계기준이 제정된 1989년 이전에 준공된 철근콘크리트 건물의 경우, 내진성능이 충분치 못하여 지진 발생 시 개구부에서 기인하는 구조손상으로 인해 큰 피해가 발생할 수 있다.

지진으로부터 인적 피해 및 물적 피해를 최소화하기 위해 다양한 내진보강방법이 적용되고 있다. 대표적인 내진보강방법으로 제진장치를 설치하는 방법이 있는데, 제진장치로서 가새형 댐퍼를 대각 방향으로 설치함으로써 지진에 의한 반복하중이 가해질 때 소성이력거동에 의해 에너지를 소산시키는 방법이다. 그러나 종래의 제진장치 설치방법은 가새형 댐퍼를 지지하기 위한 기둥이나 보와 같은 큰 강성을 갖는 구조부재가 필요하여 시공이 까다롭고, 또한 별도의 설치공간이 필요하여 적용성이 제한적이며, 개구부의 시야를 가린다는 단점이 있다.

가새형 댐퍼의 단점을 개선하기 위해 도 1과 같은 내진보강방법이 제안되었다. 보는 바와 같이 모서리에서 회동 가능하게 힌지결합된 사각프레임을 건물 개구부에 고정 설치하는 방식으로, 사각프레임의 내부 모서리에 진동에너지를 흡수하여 소성거동하는 댐퍼를 설치하는 방식이다. 이 방식은 모듈화가 가능하고, 거주자의 시야 방해를 최소화하여 창호 설치공간을 충분히 확보할 있다는 점에서 장점이 있다. 하지만 프레임과 댐퍼가 모든 하중을 지지하는 방식이므로 지진력에 대한 하중 분산의 효율성이 떨어지고 또한 효과적인 보강을 위해서는 단면성능이 큰 부재가 요구되며, 모서리 댐퍼에 의해 여전히 시야가 가려지는 단점이 있다.

도 1의 내진보강방법을 개선하기 위해 본 발명자는 도 2와 같은 내진보강방법을 제안하였다. 도 2의 내진보강방법은 특허 제10-1165320호에 따른 것으로, 건물 개구부에 철골프레임을 설치하고 철골프레임의 내측 하부에 철근콘크리트벽체를 시공하는 방식이다. 건물 개구부의 하부를 철근콘크리트벽체로 내력을 보강하는 한편 철골프레임이 지지해야 하는 모멘트 팔길이를 줄인 방식이 된다. 그런데 도 2의 내진보강방법은 철골프레임을 구조물의 개구부 크기에 맞춰 제작해야 하기 때문에, 구조물의 개구부 크기가 다양한 경우에는 그에 따라 철골프레임도 다양한 크기로 제작해야 하는 불편이 있다. 또한 고가의 H형강으로 철골프레임을 제작하고 특히 모서리부분(패널존)의 전단보강을 위해 가새프레임을 부가하여 제작했기 때문에 자재비 증가에 따른 공사비가 증대하는 단점이 있다.

본 발명은 종래 철골프레임에 의한 내진보강구조에서 일정 크기로 제작되는 철골프레임을 사용함에 따른 단점을 개선하고자 개발된 것으로서, 구조물 개구부의 다양한 크기에도 유연하게 대응하면서 적용할 수 있도록 사각의 철골프레임을 가변형 구조로 구성한 내진보강구조와 이의 바람직한 시공방법을 제공하는데 기술적 과제가 있다.

또한 본 발명은 고가의 형강재 사용을 줄이는 대신 저렴한 콘크리트를 이용함으로써 자재비를 절감할 수 있는 새로운 철골프레임에 의한 내진보강구조를 제공하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하고자 본 발명은 양측의 수직구조체와 상·하부 수평구조체로 둘러싸인 구조물의 개구부를 내진 보강하기 위한 내진보강구조로서, L형 사각강관으로 마련되어 구조물 개구부의 네 모서리 각각에 고정 설치되는 코너프레임; 양단부가 코너프레임의 사각강관 내부에 인입된 상태에서 인입 길이를 조절하면서 코너프레임 사이를 연결하도록 설치되는 길이프레임; 코너프레임의 사각강관 내부에 충전되어 코너프레임과 길이프레임을 일체화시키는 충전재;를 포함하여 구성되어, 상기 길이프레임의 인입 정도에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 가변형 철골프레임에 의한 구조물 개구부의 내진보강구조를 제공한다.

또한 본 발명은 구조물 개구부의 내진보강구조를 시공하는 방법으로, 구조물 개구부의 크기에 맞추어 코너프레임과 길이프레임을 사각프레임으로 조립하는 제1단계; 제1단계에서 조립된 사각프레임을 구조물의 개구부에 맞추어 고정 설치하는 제2단계; 코너프레임 내부에 충전재를 충전하는 제3단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변형 철골프레임에 의한 구조물 개구부의 내진보강구조 시공방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 본 발명은 내진보강을 위해 구조물 개구부에 설치한 사각의 철골프레임을 사각강관에 의한 코너프레임과 통상의 철골부재에 의한 길이프레임으로 구분하여 길이프레임을 코너프레임 내부에 인입 가능한 구조로 구성함으로써 길이프레임의 인입 길이를 조절하는 것으로 전체 사각프레임의 크기를 다양하게 조절할 수 있다. 이에 따라 본 발명은 일정 규격의 자재를 가지고도 구조물 개구부의 다양한 크기에 유연하게 대응하면서 적용할 수 있다.

둘째, 본 발명은 고가의 형강재를 대신하여 강관과 충전재를 이용하기 때문에 자재비를 절감할 수 있다.

셋째, 본 발명은 사각의 철골프레임에서 내력이 집중되는 모서리부분(패널존)을 강관과 충전재로 합성하여 합성구조(CFT구조)로 완성하기 때문에 부가적인 보강재 없이도 모서리부분의 내력을 효과적으로 강화할 수 있으며, 이로써 본 발명은 우수한 내진보강 성능을 발휘하게 된다.

도 1은 종래 구조물 개구부의 내진보강구조를 도시한다.
도 2는 특허 제10-1165320호에 따른 구조물 개구부의 내진보강구조를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 가변형 철골프레임에 의한 구조물 개구부의 내진보강구조에 대한 설치개요도이다.
도 4는 도 3에서 코너프레임과 길이프레임의 결합상세도이다.

이하 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 가변형 철골프레임에 의한 구조물 개구부의 내진보강구조에 대한 설치개요도이다. 본 발명은 양측의 수직구조체(S1)와 상·하부 수평구조체(S2)로 둘러싸인 구조물 개구부에 사각의 철골프레임을 설치하여 내진 보강하는 내진보강구조에 관한 것으로, 사각의 철골프레임을 모서리부분에 설치하는 코너프레임(110)과 모서리 사이의 길이부분에 설치하는 길이프레임(120)으로 구분하는 한편, 코너프레임(110)을 사각강관으로 마련하여 그 내부에 길이프레임(120)의 단부를 인입시킨 상태에서 충전재(130)를 충전하도록 구성된다는데 특징이 있다. 구조물 개구부의 맞춰 설치되는 사각의 철골프레임에서 모서리부분(패널존)은 CFT구조로 완성하는 한편, 길이부분은 철골구조로 완성하는 것이다. 특히 내력이 집중되는 모서리부분을 철골과 충전재가 합성된 CFT구조로 완성하기 때문에 별다른 보강재(헌치, 가새 등)를 마련하지 않고도 우수한 전단내력을 발휘하게 된다.

본 발명에서 코너프레임(110)은 L형 사각강관으로 마련되어 구조물 개구부의 네 모서리 각각에 고정 설치된다. 코너프레임(110)은 여러 방식으로 구조물 개구부의 수직·수평구조체(S1, S2)에 고정 설치할 수 있으나, 바람직하게 케미컬 앵커(F1)로 수직·수평구조체(S1, S2)에 고정하고 사이 틈에 필러(F2, 무수축몰탈, 고기능 주입제 등)를 채우는 방식으로 처리하면 수직·수평구조체(S1, S2)와 일체화를 도모할 수 있다. 또는 필러(F2) 대신에 탄성단열재를 설치하면서 케미컬 앵커(F1)로 고정할 수도 있는데, 탄성단열재는 유연하게 대응하면서 틈새없이 설치되기 때문에 단열성능 확보에 기여하고 더불어 지진하중 흡수에도 기여한다. 케미컬 앵커(F1)로 고정한 후에는 앵커머리에 밀봉캡을 씌워 케미컬 앵커(F1)를 보호하도록 한다. 한편 코너프레임(110)은 사각강관으로 마련하기 때문에 앵커(F1)를 설치하는 것은 용이하지 않으므로, 사각강관 코너프레임(110)의 아웃코너 판면에 윙플레이트(111)를 연장 접합하고 윙플레이트(111)에 앵커(F1)를 설치하는 것이 바람직하다(도 3(b) 참조).

본 발명에서 길이프레임(120)은 코너프레임(110) 사이를 연결하도록 설치되는 부재로, 양단부가 코너프레임(110)의 사각강관 내부에 인입 설치된다. 이때 길이프레임(120)의 인입 길이를 자유롭게 조절할 수 있으므로, 코너프레임(110)과 길이프레임(120)의 조립으로 완성되는 사각의 철골프레임은 다양한 크기로 변경할 수 있는 가변형 구조가 된다. 길이프레임(120)은 코너프레임(110) 내부에 인입 설치되기 때문에 코너프레임(110)의 사각강관 내주 단면과 동일하거나 작은 크기로 마련하는데 H형강, 앵글, 채널, 사각강관 등 플랜지를 구비한 철골부재이면 적당하며, 가장 바람직하게는 H형강으로 마련한다. H형강에 의한 길이프레임(120)은 중간 중간에 보강스티프너(123)는 접합하여 보강할 수 있다. 도 3(b)에서는 코너프레임(110)의 사각강관 단면보다 작은 크기의 H형강 길이프레임(120)이 코너프레임(110) 내부에 인입 설치된 상태를 확인할 수 있다.

한편 길이프레임(120)은 충전재(130)의 충전으로 코너프레임(110)과 일체화되므로 구조물 개구부에 고정 설치하지 않을 수 있으나, 설치안정성을 유리하게 확보하기 위해서는 코너프레임(110)과 마찬가지로 앵커(F1), 필러(F2), 탄성단열재 등을 이용하여 구조물 개구부의 수직·수평구조체(S1, S2)에 고정 설치하는 것이 바람직하다. 앵커(F1) 설치공간을 충분히 가지는 단면의 철골부재로 마련된 경우(가령 H형강 등)에는 길이프레임(120)의 플랜지에 앵커(F1)를 설치하면 되며, 경우에 따라 플랜지에 윙플레이트(121)를 연장 접합하고 윙플레이트(121)에 앵커(F1)를 설치하는 것도 가능하다(도 3(c) 참조). 특히 길이프레임(120)은 코너프레임(110) 내부에 인입 설치되기 때문에 최소한 코너프레임(110) 두께 이상으로 구조물 개구부의 수직·수평구조체(S1, S2)에서 유격 설치될 수밖에 없는데, 이때의 유격공간은 필러(F2)나 탄성단열재 등으로 확실하게 메울 수 있도록 한다.

또한 길이프레임(120)은 단부에 스터드(122)가 접합 설치될 수 있는데, 스터드(122)는 코너프레임(110) 내부에서 충전재(130)에 매설됨으로써 길이프레임(120)과 코너프레임(110)의 일체화를 강화하는 역할을 한다. 도 3(b)에서는 전단머리를 가지는 스터드(122)가 적용되고 있다.

충전재(130)는 코너프레임(110) 내부에 충전되어 코너프레임(110)과 길이프레임(120)을 일체화시킨다. 충전재(130)는 시멘트, 에폭시 계열로 준비하면 적절하며, 다만 코너프레임(110)과 합성되어 효과적인 합성내력을 발휘할 수 있도록 소정의 강도를 가지는 재료로 준비하는 것이 바람직하다.

도 3과 같은 가변형 철골프레임에 의한 구조물 개구부의 내진보강구조는, 코너프레임(110)과 길이프레임(120)으로 사각의 철골프레임을 조립한 후, 사각의 철골프레임을 구조물의 개구부에 고정 설치한 다음, 코너프레임(110) 내부에 충전재(130)를 충전하는 과정으로 시공하는 것이 바람직하다. 이때 코너프레임(110)과 길이프레임(120)은 각각 공장에서 일정 규격으로 제작한 후 시공할 구조물 개구부의 크기에 맞추어 길이프레임(120)의 인입길이를 조절하면서 사각의 철골프레임으로 조립하는데, 코너프레임(110) 내부에 인입 설치한 후 접합(용접 또는 볼트)하는 과정으로 조립한다. 이러한 조립과정은 코너프레임(110)과 길이프레임(120)의 제작공장은 물론 시공현장에서도 실시할 수 있다. 조립된 사각의 철골프레임은 시공할 구조물의 개구부 위치에 반입하여 고정 설치하고, 이어 코너프레임(110) 내부에 충전재(130)를 충전한다.

도 4는 도 3에서 코너프레임(110)과 길이프레임(120)의 결합상세도이다. 보는 바와 같이 코너프레임(110) 내부에 길이프레임(120)이 인입 설치된다. 길이프레임(120)이 인입 설치된 후에는 코너프레임(110) 내부에 충전재(130)가 충전되는데, 이때 충전재(130)가 코너프레임(110) 밖으로 누설되는 것을 막기 위해 코너프레임(110) 단부에는 폐쇄플레이트(140)를 접합 설치할 수 있다. 다만 폐쇄플레이트(140)를 설치하는 경우에는 충전재(130)의 충전을 위한 주입구(142)와 공기 배출을 위한 공기배출구(112)를 마련할 필요가 있는데, 주입구(142) 내지 공기배출구(112)는 코너프레임(110) 또는 폐쇄플레이트(140)에 마련하면 된다. 도 4에서는 H형강 길이프레임(120)이 폐쇄플레이트(140)를 관통하여 코너프레임(110) 내부에 인입 설치되고 있으며, 더불어 폐쇄플레이트(140)에는 주입구(142)가 마련되면서 코너프레임(110)에는 공기배출구(112)가 마련되고 있다.

이상에서 본 발명은 구체적인 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환, 부가 및 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

110: 코너프레임
111: 윙플레이트
112: 공기배출구
120: 길이프레임
121: 윙플레이트
122: 스터드
123: 보강스티프너
130: 충전재
140: 폐쇄플레이트
142: 주입구
S1: 수직구조체
S2: 수평구조체
F1: 앵커
F2: 필러