2012-04-18 13:15 입력

  

 

오상훈
부산대 건축공학과 교수

 

1. 서론
국민 생활 수준의 향상과 함께 보다 쾌적한 주거환경을 조성하려는 욕구가 커지고 있다. 과거의 아파트에서 만족시켰던 주차대수가 현재로선 엄청난 주차난으로 주차전쟁을 치르고 있고 노후화된 설비와 각종 전기시설은 주민들의 불편을 해소시켜주지 못하고 있다.

 

일반적으로 콘크리트와 같은 구조재료는 50년 내지는 100년 이상을 충분히 강도를 유지하지만  삶의 질을 개선하기 위한 욕구가 커지고 있으며 이러한 욕구를 충족시키고자 재건축이나 리모델링을 선택하게 된다. 최근 공동주택에 대한 리모델링은 단순한 내외장재 교체 및 구조부재의 보강에 머무는 리모델링이 아니라 단위세대 및 아파트 전체의 평면 및 입면을 변경하고 지하주차장 및 엘리베이터 코어 등을 신설하여 주거환경을 대폭 개선함으로서 공동주택으로서의 가치를 높이고 있다.

 

그러나 리모델링 대상이 되는 공동주택은 대부분 노후화문제 뿐 아니라 현재의 구조설계기준에 비추어 볼 때 내진설계가 되어 있지 않아 내진보강이 불가피하며 수직증축 시 비용이 많이 드는 기초보강이 예상된다.

 

특히 해외사례에서도 보듯이 예상치 못한 큰 지진이 막대한 재산피해는 물론 상당한 인명피해를 발생하게 하고 있다. 우리나라도 지진에 대한 안전지대라 할 수 없기 때문에 지진발생시 많은 사람들이 거주하는 공동주택이 붕괴가 되지 않도록 내진보강이 시급한 실정이며 리모델링을 통해 지진에 대한 안전성을 확보하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 그러나 이러한 내진보강은 신축건물이 아니고 기존건물에 적용해야 하므로 실질적인 내진보강 효과를 얻기 위해서는 보다 검증된 방법과 절차에 따라 리모델링설계를 해야 한다.

 

또한 공동주택의 리모델링은 거주자의 경제성 내지는 사업성을 도모하기 위해 얼마간의 수직증축이 필요하다. 그러나 수직증축은 전체연직하중이 증가하여 결국 기존의 기초를 보강해야 하는데 이러한 기초보강은 고비용이기 때문에 리모델링사업의 걸림돌이 될 수 있다.

 

따라서 내진보강과 기초보강문제에 대한 경제적이고 실용적이면서도 안전성을 충분히 확보할 수 있는 방안이 요구되고 있다. 따라서 본 고에서는 비용이 많이 드는 기초보강 등을 최소화하면서 내진성능이 부족한 공동주택을 수직증축 리모델링을 통해 내진성능을 확보할 수 있는 구조 시스템을 제시하고자 한다.

 

 

2. 이중분리형 골조 시스템의 원리 및 성능
건축물의 구조설계에서 의도적으로 수평강성이 큰 부재와 작은 부재를 혼합하여 사용하는  유강혼합구조를 이용하는 경우 수평강성이 작은 요소는 탄성에 머물게 할 수 있으며, 이러한 원리를 이용하여 골조 시스템을 이중으로 분리하고 골조의 강성을 서로 다르게 하여 탄성요소를 고강도강을 사용하는 시스템을 〈그림1〉에 나타내었다. 이러한 이중 분리형 골조 제진구조시스템의 특징은 다음과 같다.

 

1) 내진구조(외곽구조)와 내부구조부분의 2개의 독립된 구조체로 구성된다.
2) 장주기화(내부구조)에 의해 진동(가속도)을 저감, 대지진 시의 안전성 확보
3) 제진댐퍼, 연결제진효과에 의해 건물의 진동 에너지 흡수
4) 내부구조의 손상을 방지하여, 만일의 건물손상 시에도 계속 이용할 수 있는 손상제어 설계

 

 

〈그림1〉의 구조시스템에서 내부구조는 무게를 지지하도록 하여 무거운 구조가 됨과 동시에 휨강성을 작게 하여 고유주기가 길게 설계한다. 무게를 지지하기 위한 내력을 발휘하면서 휨강성을 작게 하기 위해서는 작은 단면에 큰 내력을 발휘할 수 있어야 한다.

 

또한 외곽기둥은 휨강성을 크게 하고 무게를 되도록 지지하지 않도록 하여 고유주기를 짧게 설계한다.
따라서 강성을 크게 하기 위해서는 일반구조용 강재를 사용하는 것이 바람직 하다. 이렇게 내부구조와 외곽구조의 강성을 다르게 설계하면 지진에 의해 내부구조는 천천히 큰 진폭으로 진동하게 되고, 외곽구조는 작은 진폭으로 빠르게 진동하게 된다.

 

따라서 내부구조와 외곽구조 사이에는 상대변위가 발생하게 되나, 이 상대변위에 의한 진동에너지를 제진댐퍼가 흡수하게 설계하면 된다. 제진댐퍼는 점성, 점탄성, 강재댐퍼 등을 사용할 수 있으며, 이러한 구조로 설계하는 경우 유요소(탄성요소)에 해당하는 내부구조는 손상을 발생시키지 않고 탄성에 머물 수 있도록 손상을 제어할 수 있다.

 

 

3. 수직증축시스템의 개념 및 설계 예
수직으로 1개 층을 증축하고, 기존 공동주택의 발코니와 공용공간인 복도를 내부공간으로사용하고, 엘리베이터와 공용설비를 증축하여 제1층에 거주하는 세대를 상부층으로 이전하여 필로티화 함으로써 1층을 공용시설로 사용하는 등의 수직증축이 필요한 구조의 설계기법을 제안하고자 한다.

 

또한 단지 차원에서 제안할 수 있는 주동차원의 리모델링과 더불어 부족한 주차장 및 공용시설 확보, 외부조경의 신축수준으로 개수하는 것으로 가정하였다.

 

이러한 경우 상부1개층 증축으로 인한 중량의 증가와 수평확장으로 인한 중량의 증가는 내진설계를 위한 지진하중 산정 시 부담으로 작용한다. 이것은 기존골조의 기초를 보강해야하는 문제와 더불어 강화된 내진설계를 만족시켜야 하므로 종래의 방법인 골조를 보강하는 방법으로 리모델링하는 것은 유효공간의 축소와 공사기간의 증가, 공사비의 증가, 시공성 등의 문제로 어렵게 될 것이다.

 

이 문제를 해결하기 위해서 주동의 전후와 좌우로 수평증축되는 부분에서 수직하중과 지진외력을 받을 수 있게 구조계획을 하고 지진시에 기존골조가 손상을 입지 않게 기존골조와 신설골조 사이에 에너지흡수장치인 제진댐퍼를 활용하면 이러한 문제를 해결 할 수 있게 된다.

 

따라서 본고에서는 수직 수평증축용 리모델링에 있어서 가장 중요한 것은 기존구조물의 구조성능을 파악하여, 효율적인 리모델링을 통한 구조성능 향상을 위하여 기존구조물은 가능한 보강을 하지 않고 신설 구조체와 탄소성 강재댐퍼를 설치하여 지진에너지를 흡수하는 시스템을 제안하고자 한다. 그리고 수직 수평증축에 의한 내진설계에 있어서 가장 중요한 문제는 지진에 의한 구조물의 하중증대 효과와 그에 대한 구조물의 저항능력을 평가하는 것이다.

 

이 구조형식은 신설골조와 기존골조사이에 내력이 크고, 항복변위가 작은 댐퍼를 부착하므로서 지진에 의한 이력에너지의 대부분을 소성변형능력에 해당하는 에너지흡수요소가 흡수하게 된다.

 

본고에서는 수직 수평증축용 평면을 벽식공동주택의 대표적인 평면인 개포00 아파트의 도면을 참조하여 250% 용적률을 적용하여 수직 수평증축을 위한 평면스터디를 하였으며 평면도는 〈그림2〉와 같다. 측면부의 안쪽에 브레이스를 배치하고, 수평강성을 향상시켜 층간 변위 제한치를 만족시키기 위해 CFT 기둥과 브레이스를 배치하였다. 단면도는 〈그림3〉과 같으며, 개념 모식도는 〈그림4〉와 같다.

 

이상의 구조시스템의 지진응답 성능을 검증하기 위한 해석모델은 〈그림5〉 및 〈그림6〉과 같다.

 

 

4. 기존 공동주택의 동적 지진응답 해석
■ X 방향 지진응답 해석결과 (감쇠 3%적용)
감쇠의 영향으로 가속도응답이 다소 작아지는 경향을 나타내고 있으나, 감쇠가 작기 때문에 감쇠가 없을 때에 비해 감소된 양은 매우 작았다. 감쇠를 적용하지 않은 경우와 마찬가지로 최대응답 층간변위는 Level 1에서 중층부 이상에서 1/200을 상회하였으며, 현재의 내진설계 기준은 만족시키지 못하고 있으며, 장변방향으로의 내진보강을 고려해야할 것으로 판단된다. 〈그림7〉

 

■ Y 방향 지진응답 해석결과 (감쇠 3%적용)
 감쇠의 영향으로 가속도응답이 작아짐을 알 수 있다. Level-1의 경우 최대응답 층간변위는 1/200 이내임을 알 수 있다. Leve-2의 경우에도 거의 1/200이내임을 알 수 있다. 따라서 세대간 벽체 등 벽이 많이 설치되어 있는 Y방향(단변방향)으로는 내진성능을 어느 정도 확보하고 있음을 알 수 있다. 〈그림8〉

 

 

5. 수직증축 구조시스템의 동적 지진응답 해석
1) 수직 수평증축의 해석모델=수직 수평증축골조의 지진응답해석모델은 〈그림9〉를 〈그림10〉과 같이 모델링하여 전단질점계로 치환하여 지진응답해석을 실시하였다.

 

증축부분의 골조와 기존골조 사이에 설치하는 강재댐퍼의 항복변위를 1mm, 댐퍼의 내력을 기존골조의 40%로 한 경우의 지진응답 특성을 〈그림11〉에 나타내었다.

 

각 층의 층간변형각은 설계기준을 만족하고 있으며, 어떤 특정층에 변형이 집중되는 현상이 나타나지 않고 매우 안정된 형태를 나타내고 있음을 알 수 있다.

 

또한 댐퍼의 에너지 흡수효과 및 기존골조의 소성화 정도를 검증할 필요가 있다. 이를 위하여 위의 해석모델에서의 댐퍼의 소성율과 기존골조의 소성율을 〈그림12〉에 나타내었다. 그림에서 소성율은 1이하에서는 탄성상태 즉 손상이 발생하지 않은 상태를 나타내고, 소성율이 1이상에서는 그 값이 클수록 손상이 크게 나타냄을 의미한다. 

 

댐퍼의 경우는 각 층에서 소성율이 평균 5이상의 값을 나타내어 손상이 발생하고 있으나, 기존골조에서는 1이하의 값을 나타내어 손상이 발생하지 않고 있음을 알 수 있다.

 

이는 이중분리형골조 형식 구조시스템을 채용하여 수직증축할 경우 기존골조는 손상이 발생하지 않기 때문에 특별한 내진보강이 필요 없고, 만약 지진이 발생하더라도 손상이 집중된 댐퍼만 교체하면 건물을 재사용 가능함을 의미한다.

 

따라서 공동주택의 수직증축 시스템으로 이중분리형 골조시스템을 이용하면 기존건물에 대한 내진보강을 최소화하여 공기를 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 내진보강 시스템에 비해 내진성능을 더욱 향상시켜 구조안전성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

 

※본 내용은 오상훈 부산대 교수의 연구논문인 ‘공동주택 수직증축 리모델링 시스템 개발’을 요약·정리한 것입니다. 〈편집자주〉