조립식 철골프레임 외부보강공법을 적용한 비내진상세 철근콘크리트 골조의 내진성능평가 : Seismic Performance Evaluation of Non-Seismic Detailed Reinforced Concrete Frame using Externally Installed Prefabricated Steel Frame

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes a prefabricated externally installed steel frame retrofit methodto enhance the seismic performance of reinforced concrete (RC) structures withnon-seismic details, and verifies its structural behavior and effectiveness throughexperimental and analytical investigations. Existing external steel frame retrofitmethods generally require on-site welding or bolted connections using large H-shapedsteel members. As a result, their application is often limited in buildings withrestricted construction space, and construction costs and safety risks increase due tothe use of heavy equipment. To overcome these limitations, this study introduces aretrofit system based on prefabricated steel frame components, which improvesconstructability and transportability while enabling efficient on-site assembly withoutheavy equipment through the use of a simplified prestressed connection system.
The proposed prefabricated steel frame system consists of columns, beams, andjoint components manufactured in a factory and assembled on-site. Horizontalconnections between prefabricated modules are achieved using end plates welded tobeam ends and bolted during installation. Vertical connections are formed by applyingprestressing force to tendons to ensure integral behavior between stacked verticalmembers. In addition, a connection unit inserted into the interior of the column isproposed to prevent uplift of the upper module and to improve the stability androtational performance of the vertical connection.
To evaluate the fundamental structural performance of the prefabricated steelframe, preliminary analytical studies were conducted to determine appropriateconnection details, followed by component tests representing a single bay and singlestory. The experimental program measured load–displacement relationships, straindistributions of structural members, and rotational behavior at the connections. Thetest results showed that the prefabricated steel frame achieved approximately 70% ofthe load-carrying capacity of a conventional steel frame while exhibiting stabledeformation behavior. Furthermore, a finite element–based parametric study wasperformed to investigate the influence of key design parameters, including thewidth-to-thickness ratio of column members, the level of prestressing force, and theinsertion height of the connection unit. The results indicated that increases in thewidth-to-thickness ratio and prestressing force enhanced strength, stiffness, andintegral behavior of the prefabricated frame system.
Finally, a seismic retrofit design procedure based on the capacity spectrum methodspecified in ATC-40 was established and applied to an existing RC frame withnon-seismic detailing. Nonlinear static analyses demonstrated that the retrofittedstructure exhibited increases of approximately 1.35 times in initial stiffness and 1.63times in maximum base shear capacity compared to the original structure. Thesefindings confirm that the proposed prefabricated external steel frame retrofit methodeffectively improves seismic performance and enhances the structural safety ofexisting RC buildings with non-seismic detailing.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 비내진상세를 가지는 철근콘크리트 구조물의 내진성능 향상을 위한 새로운 외부설치형 철골프레임 보강공법을 제안하고, 제안공법의 구조적 거동과 성능을 해석적·실험적으로 검증하였다. 기존 외부 철골프레임 보강공법은 대형 H형강 부재를 현장에서 용접 또는 볼트로 접합하는 방식으로 시공되기 때문에, 작업공간이 협소한 경우 적용이 어렵고 중장비 사용에 따른 공사비 증가 및 시공 위험성이 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 본 연구에서는 철골프레임의 각 구성요소를 모듈화하여 운반성과 시공성을 향상시키고, 긴장력을 활용한 간편 접합 방식을 도입함으로써 중장비 없이 시공이 가능한 조립식 철골프레임 외부보강공법을 제안하였다.
제안된 공법은 기둥, 보, 접합부 등의 주요 구성요소를 공장에서 미리 제작한 후, 현장에서는 모듈 간 볼트 체결 및 강연선을 이용하여 조립하는 방식으로 구성된다. 모듈 간 수평접합의 경우 보 단부에 엔드플레이트를 용접하고 현장 설치 시 양측 모듈의 엔드플레이트에 볼트를 체결하여 완성된다. 모듈 간 수직접합에는 강연선에 긴장력을 작용시켜 수직부재의 일체성을 확보하였으며, 상부 유닛의 들뜸 현상을 방지하기 위해 기둥 내부에 연결유닛을 삽입하는 상세를 제시하였다.
조립식 철골프레임의 기본 성능을 검토하기 위해 예비해석을 수행하여 조립식 철골프레임의 수평 및 수직 접합 상세를 결정하고 이후 조립식 철골프레임의 강도 및 강성을 기존에 사용되고 있는 철골프레임과 비교하기 위하여 철골프레임의 한 경간 및 한 층을 대표하는 요소실험을 수행하여 실제 거동특성을 평가하였다. 실험에서는 하중-변위 거동, 부재별 변형률 분포, 접합부의 회전 거동 등을 계측하였으며, 그 결과 조립식 철골프레임은 기존의 철골프레임의 약 70% 수준의 내력을 확보하였다. 또한 접합부 상세가 전체 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해 유한요소해석 기반의 변수해석을 수행하였다. 주요 변수는 기둥부재의 판폭두께비, 수직부재 일체화를 위한 긴장재의 긴장력 수준, 연결유닛이 기둥 내부에 삽입되는 높이로 설정하였다. 해석 결과 판폭두께비가 증가할수록 강도 및 강성이 향상되었으며, 긴장력이 증가할수록 수직부재 간 일체거동이 향상되어 전체 변형이 감소하였다. 또한 연결유닛의 삽입 높이는 상부 모듈의 들뜸 방지 및 수직접합부의 회전 제어에 중요한 변수로 작용하였다.
최종적으로, 제안된 공법을 실제 비내진상세 철근콘크리트 골조에 적용하기 위한 설계 절차를 정립하였다. ATC-40에서 제시하는 역량스펙트럼법에 기반한 내진보강설계 절차를 제시하고, 보강 효과를 평가하기 위해 기존 골조와 보강 골조에 대한 비선형해석모델을 수립하였다. 수립된 비선형해석모델은 이전에 수행된 기존 골조와 보강 골조의 실험 결과를 합리적으로 반영하였으며, 기존골조와 보강골조 부착 거동을 모사하기 위해 강역요소를 도입한 결과 2층 골조 실험 수준에서 약 1.6배의 성능을 향상을 확인하였다. 이후 국내 저층 학교 건물을 대상으로 보강설계를 수행하고 비선형 정적해석을 통해 보강 효과를 평가하였다. 성능목표는 기본설계지진에 대하여 인명안전을 만족하고 최대고려지진에 대하여 붕괴방지 성능을 만족하도록 설정하였다. 보강 전 구조물은 기본설계지진 및 최대고려지진에 대해 요구성능을 만족하지 못하였다. 그러나 제안된 공법을 적용하여 보강하였을 경우 초기 강성은 1.35배, 최대밑면전단력은 1.63배 향상되었으며, 이를 통해 기본설계지진에서는 인명안전, 최대고려지진에서는 붕괴방지 성능을 효과적으로 확보할 수 있음을 입증하였다. 또한 주요 부재의 손상 상태 분석 결과, 보강 후 구조물의 변위가 전반적으로 감소하고 취약 부위였던 1,2층 기둥의 손상이 저감되어 구조적 안전성이 향상됨을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구동향 3
• 1.3 연구내용 및 방법 6
• 2. 조립식 철골프레임 외부보강공법의 개념 8
• 2.1 외부 골조보강공법의 개념 8
• 2.2 조립식 철골프레임 외부보강공법의 개념 및 구성 12
• 3. 조립식 철골프레임의 상세 결정 및 구조성능평가 19
• 3.1 예비해석 19
• 3.1.1 해석방법 19
• 3.1.2 해석결과 21
• 3.2 요소실험 23
• 3.2.1 실험계획 23
• 3.2.2 실험결과 27
• 3.3 해석적 변수분석 35
• 3.3.1 해석모델 수립 36
• 3.3.2 변수분석 결과 39
• 3.4 소결 42
• 4. 조립식 철골프레임을 활용한 내진보강설계 방법 43
• 4.1 내진보강설계 방법론 43
• 4.1.1 역량스펙트럼법 기반의 내진성능평가 43
• 4.1.2 내진보강설계 절차 49
• 4.2 내진보강설계를 위한 구조해석 모델링 방법 51
• 4.2.1 비내진상세 철근콘크리트 골조의 구조해석모델 52
• 4.2.2 조립식 철골프레임의 구조해석모델 58
• 4.2.3 조립식 철골프레임 적용을 위한 구조해석모델 61
• 4.3 소결 63
• 5. 비내진상세 철근콘크리트 골조의 내진보강설계 및 보강효과 분석 65
• 5.1 비내진상세 골조의 내진보강설계 65
• 5.1.1 대상 건축물 65
• 5.1.2 보강효과 평가를 위한 구조해석모델 수립 66
• 5.1.3 내진보강설계 결과 71
• 5.2 보강효과에 대한 해석적 평가 76
• 5.2.1 강도 및 강성 보강 효과 분석 76
• 5.2.2 구조물 손상상태 분석 77
• 5.3 소결 81
• 6. 결론 83
• 참고문헌 86
• Abstract 90