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과제기본정보

경제성과 시공성 확보를 위한 중연성도 내진 벽체 시스템 및 설계 방법 개발1년차

사업개요
사업개요
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 21CTAP-C163972-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | 핵자료 기술 | None 적용분야 건설업
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 원자력 | None | None 과제유형 응용
과제명 경제성과 시공성 확보를 위한 중연성도 내진 벽체 시스템 및 설계 방법 개발
주관연구기관 서울대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 박홍근
소속 국립대학법인서울대학교 직위 정교수
전화번호 02-880-1522 FAX 02-873-2684
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 비용
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 160,000,000 0 0 0 160,000,000
과제기본정보
연구개발개요 국내 대부분의 주택은 고층 아파트 내력벽식 구조로 설계되고 있으며, 이로 인해 국민 생명안전과 재산권 보호를 위하여 고층 내력벽 구조의 내진 안전성이 중요함. 현재 내진설계는 구조물의 연성능력 증가를 통하여 에너지 소산 능력의 증대로 지진하중에 저항하도록 설계함. 이를 위해 건축구조기준에서 반응수정계수(R)와 변위증폭계수(Cd)를 적용한 선형동적해석인 응답스펙트럼해석을 명시하고 있음. 또한 최근에는 비선형정적해석 및 비선형동적해석을 통하여 구조물의 목표성능수준을 달성하는 성능기반내진설계법이 활성화되고 있는 실정임.
현행 건축물내진설계기준(KDS 41 17 00)에서는 내진설계범주 D와 구조물의 높이가 60m 이상의 조건에 속하면서 철근콘크리트 보통전단벽으로 설계할 수 없을 경우에 배근이 복잡한 특수전단벽의 내진상세를 적용한 설계를 요구하고 있음. 또한 연결보에는 대각선 철근 다발을 배근한 복잡한 상세를 적용하도록 하여 시공의 어려움을 더욱 증가시킴. 본 연구에서는 시공성을 증대시키고 경제적 구조설계를 위한 중연성도 내진 벽체 및 연결보의 상세를 개발하고 실험적 연구 및 해석적 연구로 이를 검증하고자 함. 더불어 본 연구에서 개발한 시스템을 성능기반 내진설계에서 활용할 수 있도록 해석 모델링 설계값을 제안하고, 실제 현장 적용을 위한 시공 메뉴얼을 수립할 것임.
최종목표 ○ 연구의 비전 및 목표
● 비전
: 경제성과 시공성 향상을 위한 중연성도 내진 벽체 시스템 개발

● 연구개발과제의 최종 목표
: 본 연구의 최종목표는 철근콘크리트 내력벽식 고층공동주택이 지진하중을 받을 시 밑면전단력 및 전도모멘트에 저항하는 중추 구조부재인 내력벽의 내진성능을 원가절감 및 시공성 증진 관점에서 효율적으로 확보하기 위하여 중연성도 내진 횡보강 상세를 개발하고, 중연성도 내진 벽체와 함께 사용할 수 있는 연결보 상세를 제안하여 중연성도 내진 벽체 시스템을 수립하는 것임.

● 개발목표
- 중연성도 내진 벽체 시스템의 전단벽 경계요소 횡보강 상세 개발
- 중연성도 내진 벽체 시스템의 연결보 상세 개발
- 중연성도 내진 벽체 시스템의 성능 평가
- 벽체 경계요소 횡보강 상세의 변형능력 정량적 평가를 위한 실험 방법 개발
- 성능 평가 결과와 해석적 연구를 통한 중연성도 내진벽체 시스템 실무활용방안 제시
연구내용 및 범위 ○ 연구개발 대상 및 범위
- 본 연구개발 사업에서의 내진 벽체 시스템 개발 대상은 주거용 철근콘크리트 건축물에서 휨거동을 하는 벽체 시스템의 내진상세 개발에 초점을 맞추었음.

○ 연구개발 내용
- 현행 건축물내진설계기준(KDS41 17 00)은 철근콘크리트 보통전단벽(반응수정계수, R=4.0)과 특수전단벽(반응수정계수, R=5.0) 두 가지 철근콘크리트 내력벽 구조시스템만을 제시함.
- 보통전단벽과 특수전단벽 사이의 연성능력을 발휘할 수 있는 중연성도 내진 벽체 시스템을 제시하여 특수전단벽과 연결보의 상세 보다 완화된 상세 및 설계 지침을 개발하고자 함.
- 기존의 페쇄형후프철근과 연결철근으로 구성된 상세는 고층공동주택 벽체의 경계요소 시공 시 복잡한 배근 및 과도한 철근량 요구로 인하여 경제성 및 시공성을 저하시키므로, 모듈화된 선조립 횡보강 상세 개발로 인건비와 재료비, 공정을 단축시켜 시공성 및 경제성 향상하고자 함.
- 개발 상세의 압축 및 인장변형성능을 검증하기 위하여 벽체 경계요소 모사 주기 반복하중 실험을 수행하고, 특수전단벽의 상세와의 비교검증으로 개발 상세의 실효성을 검증하고자 함.
- 개발한 경계요소 상세를 실물 크기의 RC 벽체에 적용하여 반복 횡하중을 실험을 수행하고, 철근비, 축력비, 횡보강 영역 등의 다양한 변수를 통하여 중간 내진 벽체의 연성능력을 검증함.
- 향상된 상세를 적용한 연결보에 대한 실험을 통하여 개발 상세를 적용한 연결보의 회전각 성능을 검증함.
- 실험적 연구를 토대로 유한요소해석 및 비선형동적해석을 수행하여 실제 구조설계 시 성능기반 내진설계에서 활용할 수 있도록 벽체 및 연결보의 모델링 설계값을 개발할 것임.
- Mock-up 제작을 통해 시공성 및 경제성 향상 정도를 정량적으로 평가하고, 개발 시스템에 대한 이해를 도울 수 있도록 할 것임.

● 시공성 향상 : 중연성도 내진 벽체 시스템을 통하여 현행 구조기준에 명시된 특수철근콘크리트 구조벽체와 연결보의 복잡한 배근 상세보다 간단하고 모듈화된 경계요소 횡보강 상세 및 연결보 상세를 개발하고 현장조립뿐만 아니라 부재단위 선조립 공법에도 활용
● 경제성 향상 : 부재 단위가 아닌 철근 현장조립 단계에서의 부분 선조립을 통한 공정 감소 및 필요 인력 감소, 물량 감소를 통해 경제성을 확보
● 안전성 확보 : 내력벽 단부 횡보강 상세에 의한 품질확보를 통해 위험으로부터 안전 확보
● 기술의 보급 및 표준화 : 안정성과 경제성을 보장할 수 있는 지진력저항시스템과 표준 상세를 개발하고, 설계방법과 지침을 개발하여 기술을 보급
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 ○ 연구개발목표(1차년도)
- 주관연구개발기관(서울대학교) : 중연성도 내진 벽체 시스템 적용 횡보강 상세, 경계요소 반복 주기하중 실험을 통한 개발 상세의 변형성능 검증
- 공동연구개발기관(건국대학교) : 중연성도 내진 벽체 시스템 연결보 상세 개발, 경계요소의 변형률 및 응력 모사를 위한 주기 축하중 실험방법 개발
○ 주관연구개발기관(서울대학교)
1) 모듈화된 선조립 횡보강 상세 개발
: 건축구조기준(KBC2016) 0520.7의 철근콘크리트 특수전단벽 상세는 폐쇄형 후프와 135도 갈고리의 연결타이를 적용하거나 대안상세로 U형 스터럽과 연결타이를 적용할 수 있음. 하지만 이는 복잡한 상세가 요구되므로 전문기능공의 인력이 필요하며 현장조립이 요구되어 많은 인력이 소요되고 공사기간이 길어짐. 더불어, 횡보강 상세의 수직 간격이 벽체 두께의 1/3로 매우 좁기 때문에 콘크리트 품질 및 철근의 배근 품질이 저하될 우려가 있음. 이와 같은 이유로 철근콘크리트 보통전단벽과 특수전단벽 사이의 성능수준을 만족시킬 수 있으면서 철근의 조립시간을 단축하면서 RC벽체의 품질을 높일 수 있는 단부 횡보강 상세의 개발이 요구됨. 본 연구에서는 폐쇄형 후프(Closed hoop)와 연결타이(cross-tie)를 U형 타이(U tie)를 이용한 모듈 상세로 대체하고, 상세를 공장 제작하여 철근의 조립에 소요되는 시간을 대폭 감소시키면서 전문기능공이 아니더라도 쉽게 공법을 적용할 수 있는 상세의 개발의 개발을 목표로 함.

2) 변형성능 검증을 위한 개발 상세 경계요소 반복 주기하중 구조 성능 실험
: 본 연구에서 개발한 모듈화된 선조립 횡보강 상세를 포함한 내진상세를 변수로 설정하여 개발 공법의 변형성능을 비교 검증하고, 철근의 종류와 철근비, 경계요소 세장비, 하중 프로토콜 등을 변수로 설정하여 개발 공법의 콘크리트 구속효과 및 단부의 안정성 향상을 검증할 예정임. 경계요소에 대한 다양한 변수의 영향을 경제적으로 실물실험에 반영하기 위해 벽체의 경계요소에 대한 1축 반복 압축-인장 실험방법을 고안하여 실시할 예정임.

○ 공동연구개발기관(건국대학교)
1) 연결보 상세 개발
: 전단벽은 출입구 및 창문 등 건축적이고 기계설비적인 이유로 인하여 개구부가 발생할 수 있으며, 두 전단벽이 보로 연결된 구조시스템을 병렬전단벽이라고 함. 연결보는 병렬전단벽 시스템에서 두 벽체를 연결하는 구조부재로써, 연결보의 성능은 병렬전단벽의 구조성능을 결정하는 중요한 요인으로 평가됨. 특히 세장비가 작은 연결보의 경우 전단에 의한 파괴가 지배적으로 발생할 수 있으므로 대각선 철근 가새를 적용한 특별상세를 현행 구조기준에서 규정하고 있음. 하지만 이 대각철근 보강상세는 연결보와 전단벽을 대각으로 가로지르기 때문에 시공성이 매우 떨어지며, 배근이 복잡함. 지금까지 여러 연결보 상세가 개발되었지만, 대각 보강 공법 위주의 상세 개발이 이루어졌기 때문에 시공성 위주의 개발은 아직 미비한 실정임. 본 연구에서는 중연성도 내진 벽체 시스템의 성능 수준에 맞는 연결보의 허용회전각을 제시하고, 이를 만족시킬 수 있는 연결보 상세를 개발할 것임.

2) 해석 연구를 통한 경계요소 변형률 및 응력 분포 모사 실험 방법 개발
: 본 연구에서는 벽체의 전단 파괴가 아닌 벽체의 인장 파단 또는 단부의 압축파괴가 선행되는 휨지배벽체에 대하여 집중적으로 연구함. 전도모멘트가 지배적인 고층공동주택의 벽체에서는 변형지배거동으로 에너지소산이 충분히 이루어 질 수 있도록 휨지배벽체로 설계함. 지진하중에 저항하는 휨지배벽체는 웨브와 경계요소로 이루어져 웨브는 주로 전단력에 저항하고 경계요소는 휨 성능과 연관있음. 그러므로 경계요소는 지진하중 하에서 1축 반복가력 상태로 가정하여 압축과 인장의 반복하중 상태로 해석함. 따라서 경계요소의 변형성능 실험은 지금까지 1축 반복하중 실험을 통한 압축 및 인장변형성능의 검증 방식으로 연구가 수행됨. 하지만 벽체 경계요소의 단면은 균일한 하중을 받는 상태가 아니며, 휨 모멘트와 전단력이 복합적으로 작용하는 요소임. 그러므로 해석적 연구를 통하여 벽체 경계요소의 응력상태 및 변형률 분포를 분석한 뒤 경계요소의 성능을 정밀하게 평가할 수 있는 실험 방법을 개발할 것임.
연구성과 기술적 기대성과 기존의 철근콘크리트 공사는 철근 조립 공사를 전문기능공이 건설 현장에서 진행할 수밖에 없어서 이로 인한 인건비 및 공사기간이 증가함. 이러한 철근배근공사의 부분 선조립화는 철근콘크리트 공사의 현장 시공 공정을 줄이고 현장에서 철근공사 관련 안정적인 자재조달 및 확보를 가능하게 하여 공기단축 및 비용 절감의 효과 높음. 또한 숙련공이 아닌 일반노동자도 쉽게 조립할 수 있는 공법이기 때문에 인건비를 획기적으로 줄일 수 있음. 크레인 및 양중기를 이용하지 않으므로 협소한 공간에서도 공사가 수월하게 진행될 수 있음. 또한 공장에서 정확한 간격과 규격에 맞추어 제작된 우수한 품질의 선조립 상세가 제작되므로 건물의 내진성능에 대한 신뢰를 높일 수 있으며, 궁극적으로 자원 절약과 저비용의 내진구조 시스템으로 사용이 가능함.
사회 경제적 파급효과 기존의 철근콘크리트 특수전단벽은 폐쇄형후프와 연결타이가 좁은 간격으로 복잡하게 배근되어 많은 양의 철근 물량이 소요되지만, 중간 내진 벽체 시스템의 상세는 완화된 수직 간격과 합리적인 횡보강 영역의 산출로 철근의 물량을 30% 이상 절감을 수 있을 것으로 기대됨. 산업적 측면에서 중연성도 내진 벽체 시스템은 공법 개발의 활성화를 통하여 건설산업의 발전 및 일자리 창출에 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 구조물 부재의 부분 선조립 관련 기술 및 산업의 발전에도 기여할 수 있음. 특히 경제적인 시공법 및 구조설계로 현재 활발하게 시행되고 있는 성능기반 내진설계에 반영할 수 있으며, 우수한 내진성능으로 국내 내진설계의 보편화를 이루고 중연성도 내진 벽체 및 연결보에 대한 활발한 연구 활동을 기대할 수 있음.
또한 두 차례의 큰 지진에 의한 주거 건물의 피해와 지진발생 빈도의 증가에 따라 내진시설물에 대한 전국민적인 관심이 높아졌으며, 내진설계에 대한 중요도가 어느 때보다 강조되고 있는 시점임. 특히 공동주택에 주로 사용하고 있는 철근콘크리트 벽식구조의 내진성능의 중요성이 강조됨. 하지만 지속적으로 상승하는 주택의 시장가치 속에서 내진설계의 의무화 역시 가격 상승에 일조하고 있음. 그러므로 보다 경제적인 시공을 통하여 지진에 대한 안전성을 확보할 수 있는 중연성도 내진 벽체 시스템은 지진하중에 대한 불안감과 주거 시설의 가격을 낮출 수 있는 방안으로 기대될 수 있으며, 궁극적으로 국내의 내진 성능 확보율을 높일 수 있도록 기여할 것으로 기대됨.
활용방안 본 연구에서 제안한 중연성도 내직 벽체 시스템의 모듈화된 선조립 횡보강 상세 및 연결보 상세는 철근콘크리트 특수전단벽 상세의 대안으로 개발됨. 따라서 개발 시스템은 성능기반 내진설계 지침에서 연성상세에 대한 명확하지 않은 지침과 성능기준의 제시의 미비함을 즉시 보완하여 국내 벽식구조 공동주택 내진설계에 적용할 수 있음. 본 연구에서는 개발 공법 및 시스템이 국내의 실무 구조설계 및 현장에서 성공적으로 적용될 수 있도록 중간 내진 벽체 시스템의 특허 출원 및 등록을 통하여 기술의 구체화를 이루고, 설계 지침 및 시공 매뉴얼을 보급함. 성공적인 연구 결과를 바탕으로 중연성도 내진 벽체 시스템의 건축구조기준(안)의 발안을 할 수 있으며, 다수의 논문을 게재함으써 중연성도 내진 벽체 연구의 활성화를 추진할 수 있음.
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