| 연구개발개요 |
● 본 제안은 특허명 “조적조의 내진보강 공법 및 이를 위한 내진보강 구조” 및 “신축 조적조의 내진보강 공법 및 이를 위한 내진보강 구조”에서 핵심기술인 토크에 의한 프리스트레스트 기법에 기반하여 기술의 업그레이드(강봉 트러스 시스템과 가새에서 스프링 또는 마찰댐퍼 기술의 적용기술을 통하여 구조적 보강 효율성의 향상)와 시공성 향상기술을 도모하여 실용화의 기반을 구축하기 위한 것임(그림 1.1).● 초기 보유기술은 조적구조물에서 조적재료의 탈락방지 및 내진성능 향상을 위하여 메쉬를 이용한 프리스트레스 장치기반이었으나 보강 장치의 무게 및 보강재의 작은 단면적, 그리고 보강효율성 및 시공성 등의 문제점으로 실용화에 한계가 있었음.● 기술의 상용화를 위해서는 시공의 편의성, 구조적 효율성과 장기거동에서의 안전성 그리고 경제성을 확보할 필요가 있었음. 이를 고려하여 기존 기술의 한계를 극복하고 새로운 개념의 보강기술로 확장하고자 함.● 기술이전 내용을 기반으로 실용화를 위해 추가 필요한 연구내용을 요약하면;① 강봉 트러스 시스템의 보강 효율성 평가: 구조적 내진거동 및 시공성 등 관점.② 스프링 또는 마찰 댐퍼 기술 융합: 댐퍼의 감쇠효과 및 구조적 보강 효율성 평가.③ 업그레이드 된 기술의 실용화를 위한 설계 및 시공 가이드라인 제시.④ 업그레이드 된 기술의 신기술 인증 추진: 기술의 독창성, 구조적 효율성, 시공성, 경제성 등의 검증. ● 기본 아이디어: 구조적 효율성(Effective performance), 운반, 설치 등의 시공의 편리성(Easy construction), 친환경성(Environmental-friendly), 경제성(Economical efficiency)☞ 토크 제어법에 의한 프리스트레스, 트러스 하중전달 기구 및 스프링 또는 마찰 댐퍼 도입을 통한 효과적인 횡하중 저항(Effective performance).☞ 정착구와 트러스 각 구성부재의 경량성 및 손쉬운 현장 조립(Easy construction).☞ 접착제 등의 미사용으로 친환경적 보강 기술(Environmental-friendly)● 제안기술은 4개의 정착구, 2개의 수직재, 2개의 수평재, 2개의 경사재로 구성되며 결과적으로 트러스 유닛을 형성함(그림 1.2). 경사재에는 구조물의 연성능력을 향상시키기 위한 스프링 또는 마찰형 댐퍼가 설치됨.● 제안기술의 트러스 유닛의 높이와 길이는 보강대상인 저층 구조물에서 보강 부재의 크기에 따라 유동적으로서 공장에서 가공되어 현장에서 설치됨. 트러스 유닛의 수직재, 수평재 및 경사재 강봉의 강도와 단면적은 지진하중에 따라 결정함.● 본 연구 과제는 위의 원천기술을 기반으로 감쇠형 트러스 기구 도입 및 현장 가변형 정착구 적용으로 확장하는 기술로서 사업화를 위한 차별 방안은 다음과 같음.● 시장에서 쉽게 구매 가능한 강봉 적용으로 경제성 확보 및 시장진입이 원활함. ● 본 사업화 기술에 대해 분쟁이 예상되는 특허 및 기존 연구자료는 조사되지 않음(첨부자료 1 특허맵 분석 참조).① 기존의 보강재를 상·하부 보 또는 슬래브에 정착하는 공법은 보강재의 정착을 위한 보강 프레임 설치가 필요함.② 현장 가변형 정착구는 트러스 구성재료 연결 등의 시공이 단순하며, 트러스 시스템의 공장 생산 현장 조립으로 시공성이 우수함.③ 제안연구에서 수행하고자 하는 감쇠형 강봉 트러스 기술과 관련된 특허는 조사되지 않음.● 위와 같은 기존기술과의 차별화을 바탕으로 사업화를 위한 연구의 주요 내용은 다음과 같음.① 조적구조물의 내진보강을 위한 감쇠형 트러스 및 정착구 설계기술 제안② 프리스트레스트, 트러스 하중전달 기구 및 스프링 또는 마찰 댐퍼 도입을 통한 구조성능 향상으로 트러스 시스템의 합리적인 보강기술 제안③ 조적구조물에서 감쇠형 강봉 트러스 시스템 설계를 위한 실험적 검증 및 이를 위한 설계모델과 가이드라인의 제시결론적으로 본 신청기술은 구조물의 기존 내진보강 공법을 개선하여 시공이 간단하며 구조적 성능도 우수한 비부착 감쇠형 트러스 시스템이라고 제시될 수 있음. 기존 기술 대비 구조적 효율성, 시공성 및 경제성 등의 향상을 기대할 수 있어 시장 경쟁력을 확보할 수 있음.● 정부의 공공시설물 내진보강추진사업에 의하여 국내는 2020년까지 평균 2,100억원 이상의 내진보강 시장이 형성될 것으로 예측됨(그림 1.37). 이는 모든 구조형식(목조, 철골, 철근콘크리트 및 순수조적조)을 포함하고 있으므로, 저층 구조물만의 시장은 매년 약 800억원 규모로 추산할 수 있음.※ 전체 구조물 중 약 40%를 차지하는 저층구조물(한국건축구조기술사회)에 대해 내진보강 예산의 0.4배로 시장규모를 추산함.
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| 최종목표 |
이 연구의 목표는 지진에 취약한 조적구조물의 면내·외 내진보강을 위한 감쇠형 강봉 트러스 시스템 (Damper performance-based steel bar truss system)의 개발임. 이를 통해 공공 안전성 확대 및 개발 기술의 사업성과 확장을 달성하고자 함.본 기술 사업화의 총괄 목표▶ 포엠과 경기대학교는 “조적조의 내진보강 공법 및 이를 위한 내진보강 구조” 및 “신축 조적조의 내진보강 공법 및 이를 위한 내진보강 구조” 특허의 기술이전을 기반으로 공법의 개선을 통해 “조적구조물의 면내·외 내진보강을 위한 감쇠형 강봉 트러스 시스템”으로 상용화할 계획임.▶ 사업화에 적합한 내진성능보강 향상기술연구로 “조적구조물의 감쇠형 강봉 트러스 시스템”에 대한 설계기준의 발판을 마련함.▶ 사업화를 위해 대량생산체제를 구축할 수 있는 보급화라인을 구축·확장할 계획임.● 주관연구기관인 포엠 주식회사는 본 기술의 사업화를 최우선 순위로 두고 3년간 “조적구조물의 면내·외 내진보강을 위한 감쇠형 강봉 트러스 시스템”을 개발하고자 함. 이를 위해 내진성능 확보(휨 내력 및 연성)를 위한 성능실험, 시제품제작 및 대량생산체제를 구축하여 사업화에 중점을 둘 계획임.○ 자료 수집 및 시장진입 리스크 분석 - 조적구조물의 내진보강 기술 자료 수집 - 조적구조물 내진보강의 시장성 분석 및 차별화 전략 수립 - 해외(베트남) 조적구조물 시장의 현황 분석○ 감쇠형 강봉 트러스 시스템으로 내진보강된 조적벽 실험체 제작 및 성능실험 - 감쇠형 강봉 트러스 시스템으로 내진보강된 조적벽 실험체 제작 (주요변수 : 개구부 고려, 보강비, 마감 고려, 프리스트레스트 량, 댐퍼 종류 등) - 감쇠형 강봉 트러스 시스템으로 내진보강된 조적벽체의 정적 내진성능 실험 (그림 2.2) - 감쇠형 강봉 트러스 시스템으로 내진보강된 조적벽체의 동적 내진성능 실험○ 개발기술의 시공성 평가 - 보강장치의 시공속도 및 효율성 평가 - 건식마감 공법의 시공속도 및 효율성 평가○ 시제품 제작 및 현장 시범적용 - 개발된 보강기술의 대량생산 체계 구축 - 개발된 보강기술의 현장 시범적용○ 시장진입을 위한 비즈니스 모델 구축 - 개발 기술의 원가분석 (마감공법 포함) - 가치제안, 표적시장, 가치사슬/조직, 전달방색 및 경쟁정략 수립 - 비즈니스 모델을 통한 수익 창출방안 제시 - 해외 시장 진출(베트남)에 대한 시장분석 및 사업화 전략 구축 - 지적재산권: 국내 출원 1건 / 해외 출원 1건● 위탁연구기관인 경기대학교는 본 기술의 효율적인 보강기술개발을 최우선 순위로 두고 3년간 “조적구조물의 면내·외 내진보강을 위한 감쇠형 강봉 트러스 시스템의 설계가이드라인”을 제시하고자 함. 특히 개발된 보강시스템과 연계하여 건식마감 공법을 개발함으로서 조적구조물의 보강 설계에서부터 마감까지 시공할 수 있는 체계를 구축하는 전략을 마련함.● 이를 위해 주관연구기관과의 협업을 통해 트러스 내진보강된 조적 벽체의 내진성능 평가의 계획 및 분석을 진행하고 분석된 결과를 기반으로 휨 및 연성에 대한 주요 설계식 및 설계가이드라인을 제시할 계획임.○ 현장가변형 정착구 개발 - 정착구에서 볼트 접합의 설계상세 제시 - 정착구 앵커의 부착강도 설계기준 검토 - 수직 강봉의 프리스트레스 도입을 위한 인장력-토크 관계 제시○ 댐퍼의 성능실험 - KBC 2016 변위의존형 제진장치의 성능 적합 조건을 만족하는 댐퍼 선정 - 댐퍼 에너지 소산량 평가○ 보강 후 건식마감 공법의 개발 - 건식마감을 위한 판넬 특성 조사 - 건식 판넬의 설치기법 제시 - 현장공정 최소화를 고려한 건식마감 공법 제시○ 내진성능실험 계획 및 분석(주관기관 협업) - 감쇠형 강봉 트러스 시스템으로 내진보강된 조적구조물 실험체 변수설정 및 계획 (주요변수 : 개구부 고려, 보강비, 마감 고려, 프리스트레스트 량, 댐퍼 종류 등) - 감쇠형 강봉 트러스 시스템으로 내진보강된 조적구조물의 정적 내진성능 분석 (내력, 강성, 에너지흡수능력, 등가 댐핑계수 등) - 감쇠형 강봉 트러스 시스템으로 내진보강된 조적구조물의 동적 내진성능 분석 - 설계기준과의 비교○ 휨 및 연성설계용 주요 설계모델 및 설계·시공 가이드라인 제시 - 조적구조물의 내진 보강설계 가이드라인 제시 - 에너지 소산능력과 보강지수의 관계 제시 - 감쇠형 강봉 트러스 시스템으로 내진보강된 조적구조물의 설계 가이드라인 제시 - 건식 마감공법에 대한 시공 가이드라인 제시○ 성능확보를 위한 정량적 성능 - 논문 : 국내 4건 / 해외 2건 - 설계 가이드라인 : 1건 - 기술의 정성적 목표 확보
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| 연구내용 및 범위 |
1) 감쇠형 강봉 트러스 시스템 설계를 위한 현장 가변형 정착구 및 트러스 구성재 설계 지침 개발1-1. 감쇠형 강봉 트러스 시스템 설계를 위한 요소기술 제시1-2. 스프링 및 마창형 댐퍼 적용 상세 제시1-3. 최적의 감쇠형 강봉 트러스 시스템 설계 기술 제시2) 감쇠형 강봉 트러스 시스템 적용을 위한 조적구조물의 보강 설계 및 시공 가이드라인 제시2-1. 감쇠형 강봉 트러스 시스템으로 보강된 조적구조물의 정적 내진성능 평가2-2. 감쇠형 강봉 트러스 시스템의 동적 내진성능 평가2-3. 개발 기술의 설계·시공 가이드라인 제시가) 조적구조물의 현황 및 내진피해 사례● 국내의 순수 조적구조물은 1971년~2000년에 중점적으로 신축되었지만, 현재까지도 지속적으로 지어지고 있는 구조물임(그림 1.21(a)).● 국내의 순수 조적구조물은 약 2백 7천만동이며, 이는 전체 구조물에 약 40%에 해당할 정도로 조적구조물에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 구조형식임. 하지만 이들 국내 순수조적구조물은 대부분 1~2층으로 내진설계(적용대상 3층 이상)가 적용되지 않았음.● 조적구조물은 중력하중 저항능력이 우수하지만, 진동 및 횡하중에 대한 저항능력이 부족하여 지진에 매우 취약한 구조임. 특히 면외방향(벽면의 수직방향)에 대한 취약성으로 지진하중에 의한 피해는 대부분 면외방향에서 발생됨(그림 1.22).● 경주와 포항에서 발생된 지진은 순수 조적구조물 및 조적벽 파손에 의해서 재산 및 인명에 심각한 피해를 주었음(그림 1.23(a)). 순수 조적구조물 및 조적벽 붕괴에 의한 피해건수는 1천 98건이며, 이 중 인명피해는 약 30여건으로 대부분 낙석(조적외장재 및 조적벽)에 의한 골절 및 찰과상이었음(그림 1.23(b)).● 또한, 페루 아카리, 중국 쓰촨성, 네팔 카트만두 및 이탈리아 노르치아 지진은 주로 조적구조물을 붕괴하였으며, 이로 인해 약 10,000명의 심각한 인명피해가 발생하였음. 페루, 중국, 네팔 및 이탈리아의 순수조적구조물 및 조적벽이 국내의 구조물과 매우 흡사함을 감안하다면, 국내 순수조적구조물 및 조적벽에 대한 내진보강의 절실함을 인식하여야 할 때임.● 1999년 규모 7.6의 대만지진의 피해 사례를 보면 전체 건축물의 12% 정도가 구조부재의 심각한 피해를 입은 것으로 보고되고 있으며, 이들 건축물 중 철근콘크리트 건축물은 전체 건축물의 약 9% 정도 피해를 입은 반면, 조적건축물은 약 23%의 피해를 입은 것으로 조사됨(그림 1.24). 피해의 주요 원인은 역시 저층 구조물의 내진설계가 이루어지지 않은 것이 가장 큰 요인이며 규모별로는 총 460개도의 건축물 중 5층 이하 건축물의 피해 동수가 436동으로 95%를 차지함.● 결과적으로 저층에서 가장 많이 사용하는 구조형식인 순수 조적구조물 및 조적벽에 대한 내진보강 공법은 인명 및 재산피해 방지 그리고 도시재생 측면에서 국내·외적으로 시장이 꾸준히 성장하는 분야임.나) 조적구조물의 친환경 내진보강 기술에 대한 국내·외 요구 증가● 경주(2016) 및 포항(2017) 강진 이후 기존 조적구조물의 내진보강 공사에 대한 시급성이 급격히 증가함.● 특히 서울시가 관리하고 있는 재난위험시설(D등급, E등급) 중 조적조 건물이 차지하는 비율은 D등급에서 44.6%, E등급에서 85.7%로 모두 붕괴 위험이 있는 것으로 나타났으며, D등급의 경우 담장과 같은 비 건축물을 제외하면 재난위험시설 중 대부분이 조적조 건물임(그림 1.25).● 현재 우리나라 저층 주택의 대부분은 조적조가 차지하고 있으나, 이에 대한 정확한 해석이 이루어지지 않음으로 인하여 안전한 설계가 이루어지지 않고 있음. 또한, 조적조에 대한 우리나라의 건축기준은 일반적인 형식만을 갖추고 있으며, 이에 대한 검사나 감독 또한 제대로 이루어지지 않고 있는 실정임. ● 국민안전처 보도자료에 따르면 2015년 10월 현재 전국 29,558동의 학교시설 가운데 내진설계가 돼 있는 건물은 22.8%인 6,727동인 것으로 파악됨. 국내에서 일어날 수 있는 리히터 규모 6.0의 지진은 쓰촨성을 강타한 리히터 규모 8.0 지진 에너지의 900분의 1정도 수준임. 하지만 대부분의 학교 건물에 내진설계가 반영되지 않아 위험함.● 1988년 내진설계기준이 제정되기 이전에 건설된 구조체들은 지진발생 시 취성파괴를 동반하여 심각한 재난으로 연결될 수 있으므로 내력과 연성증진이 고려된 보강공법의 개발이 강하게 요구됨.● 미국은 최근 20년간 구조물 보수, 보강을 위해 약 3조 3천억 달러를 소비하였으며, 최근에는 매해 3천억 달러의 비용이 투자되고 있음.● 미국, 일본 및 유럽은 건설 총 공사비의 약 40%가 기존 건축물의 리모델링 및 보수, 보강에 투자되고 있음.3) 감쇠형 강봉 트러스 시스템의 대량생산 시스템 구축3-1. 트러스 시스템으로 보강된 조적구조물의 현장적용 및 사업모델 제시
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