외장석재(건식) 내진설계 절차

 

1. 개요

외부마감을 화강석 등 석재로 하는 경우, 공사단계에서 착공전에 '건축물의 구조기준 등에 관한 규칙' 제4조와 '국가건설기준 KDS 41 17 00 건축물 내진설계기준' 제18장에 따라 내진검토를 실시하여야 한다.

외장으로 화강석 등의 석재 건식으로 지지하는 앵커프레임의 종류와 검토의 개략적인 내용 등을 정리하여 소개한다.

 

2. 앵커프레임 종류

구분	단열재가 없는 경우	단열재가 있는 경우
종류	세트앵커지지형	스트롱앵커지지형(앵글,조정판 일체형
		스트롱앵커지지형(앵글,조정판 조합형)
		스트롱앵커+지지볼트추가형
		말굽형
		실린더형

 

〈세트앵커지지형〉

 

〈 스트롱앵커지지형 (앵글,조정판 일체형) 〉

 

〈 스트롱앵커지지형 (앵글,조정판 조합형) 〉

 

〈스트롱앵커+지지볼트추가형 〉

 

〈말굽형〉

 

〈실린더형〉

3. 검토하중 종류

구분	X축방향	Y축방향	Z축방향
하중종류	수평방향 면외 지진하중	수평방향 면내 지진하중	고정하중(화강석자중)
	풍하중(정압)		수직방향 면내 지진하중
	풍하중(부압)

4. 앵커프레임 구성재 및 검토내용

   - 말굽형을 예시로 그 구성재와 검토내용을 살펴본다.

  1) PIN (핀촉 및 핀홀)

      (1) 핀촉 강재의 전단파괴 검토

강재로서 핀촉이 전단력에 항복파괴되지 않고 안전한지 검토한다. 바람이 지배하는 경우는 X축으로 작용하는 풍하중 정압과 부압 중 최대 절대값을, 지진이 지배하는 경우는 X축으로 작용하는 수평방향 면외 지진하중과 Y축으로 작용하는 수평방향 면내 지진하중을 SRSS조합값을 소요전단강도로 산정하고, 핀촉을 보수적으로 취성강재요소로 고려하여 설계전단강도로 산정한다.

      (2) 핀홀 주변 석재의 측면 전단파괴 검토

핀촉이 전단력에 저항할 때, 이 전단력이 석재판에 전달되면서 취성재료로서 측면파열되지 않고 안전한지 검토한다. 석재두께 중심의 필홀을 기준으로 내측 또는 외측의 석재부분이 이 전단력에 안전하게 저항하여야 한다. 일반적으로 석재두께는 30㎜이고, 두께 중심에 드릴링되는 핀홀을 기점으로 내측 또는 외측의 두께는 얇아서 정압방향 전단력이 크면 핀홀 주변 외부면에 크랙이 발생함과 동시에 석재판이 내측으로 전도될 것이고, 부압방향 전단력이 크면 핀홀 주변 외부면에 크랙이 발생함과 동시에 석재판이 외측으로 전도하여 추락하면서 지상 인명에 상해 또는 사망사고를 유발할 수 있다. 석재는 인장응력이 없으므로 미세균열이 발생할 정도가 되면 핀홀 주변으로 U자형으로 펀칭되는 특징이 있다.  수평방향 면외 지진하중은 방향만 대칭일 뿐 크기는 동일하지만, 건물의 주변환경과 형상 등의 특성에 따라 풍하중 산정시 적용하는 외장재설계용 풍압은 석재검토시 대체로 정압보다 부압이 더 크며, 따라서 과도한 수평하중 작용시 석재 측면파괴는 외측면보다 내측면에서 발생할 가능성이 높기 때문에 곧바로 추락할 우려가 크다. 따라서 건식석재공사에서 에폭시본드는 사용하여서는 안되지만, 건축구조기술사의 분석과 검토를 통해 대책공법으로서 핀홀 내측면에 탄소섬유보강을 위한 접착제로서 상당히 제한적이고 주의깊게 처방될 수는 있다. 그러나 석재의 가로, 세로폭을 감소시키는 것이 더 일반적이고 효과적이다. 석재의 측면파열강도 산정시 가장자리영향수정계수, 균열발생고려계수, 부재두께고려계수 등을 현장여건에 맞게 적용하여야 하고, 취성재의 불확실성을 고려하여 불리한 강도감소계수를 적용한 설계강도에 0.75배를 더 고려해야 한다. 통상 핀촉의 전단파괴 보다 석재의 측면 전단파괴가 더 지배적이다.

      (3) 핀촉 변형에 대한 핀촉 주변 석재의 프라이아웃 전단파괴 검토

핀촉은 상하부 석재에 대해서 수평방향으로 자유이동을 제어하는 역할을 하고 석재판에 작용하는 수평하중을 앵커프레임에 전달하여 저항하도록 하는 기능을 한다. 풍하중이나 지진하중 등 X축과 Y축으로 작용하는 수평하중이 크면, 약간의 유격이 있는 핀홀 직경 내에서 핀촉의 선단이 지렛대효과(Pryout Effect)를 발휘하여 핀홀 내부측면 석재에 집중하중을 작용시킨다. 핀홀을 기준 석재두께의 절반과 핀홀깊이를 고려한 가장자리영향수정계수,균열발생고려계수, 석재균열계수 등을 현장여건에 맞게 적용하여야 하고, 취성재의 불확실성을 고려하여 측면 전단파괴시와 같이 불리한 강도감소계수를 적용한 설계강도에 0.75배를 더 고려해야 한다.

 

  2) PLATE (조정판)

      (1) 조정판 휨파괴 검토

앵글과 조정판을 연결하는 볼트위치를 임계단면으로 하여 Z축 수직방향으로 작용하는 하중에 대하여 조정판이 휨항복파괴 및 휨인장파괴가 되지 않고 안전한지 검토한다. 볼팅의 재료 특성상 체결이 마찰접합 수준으로 강하게 시공될 수도 없고, 설령 그렇다 하더라도 단일볼팅 체결부로서 핀접합으로 볼 수 밖에 없으므로 Z축을 중심으로 X또는 Y축으로 조정판은 자유회전한다고 가정할 수 있다. 수평하중에 대하여 저항은 조정판 부재가 아니라 더 불리한 볼트에서 저항하여야 한다.

      (2) 조정판 전단파괴검토

앵글과 조정판을 연결하는 볼트위치부터 석재판 내측 구간중 가장 불리한 단면을 갖는 볼트위치를 임계단면으로 하여 수직방향으로 작용하는 하중에 대하여 조정판이 전단항복파괴 및 전단파단파괴이 되지 않고 안전한지 검토한다.

 

  3) BOLT

      - 볼트 전단파괴 검토

앵글과 조정판을 연결하는 볼트가 전단력에 항복파괴되지 않고 안전한지 검토한다. 소요전단강도는 바람이 지배하는 경우는 X축으로 작용하는 풍하중 정압과 부압 중 최대 절대값을, 지진이 지배하는 경우는 X축으로 작용하는 수평방향 면외 지진하중과 Y축으로 작용하는 수평방향 면내 지진하중을 SRSS조합으로 산정한다. 볼트는 나사산 부분의 유효단면적을 기준으로 보다 불리하게 검토한다.

 

4) ANGLE

      (1) 앵글 휨파괴 검토

앵글이 휨항복파괴가 되지 않고 안전한지 검토한다. 수직하중에 대하여 절곡부에서 발행하는 소요휨강도, 수평하중에 대하여 앵커볼트체결부에서 발생하는 소요휨강도를 산정하고, 각각의 임게 단면에서의 설계휨강도를 산정하며, 지배적인 하중성분 특성에 따라 ABS 또는 SRSS법으로 조합하여 안전성을 검토한다.

      (2) 앵글 전단파괴 검토

앵글이 전단항복파괴 및 전단파단파괴가 되지 않고 안전한지 검토한다. 소요전단강도는 성분별 하중조합을 고려하여 X축과 Y축 수평력과 Z축 수직력을 하중성분별로 선택하고 적용하여 SRSS로 조합함으로써 보다 불리한 값으로 산정한다.

5) SUPPORT LEG (말굽지지대)

      - 지지대 압축좌굴파괴 검토

외단열이 설치되는 경우는 지지구조체인 콘크리트면에서 석재면까지 거리가 180㎜ 이상으로 상당하다. 이 경우 말굽형이나 실린더형 또는 지지볼트 추가형은 단열재 훼손을 최소화하여 건물의 단열성능을 우지한다는 명분 외에도, 구조적으로 중요한 의미를 갖는다. 이러한 단열구간 지지체들이 없으면 앵글이나 조정판의 길이를 길게 해야하는데, 이 경우 충분한 저항능력을 갖기 위한 단면성능을 확보하기 위하여 폭을 넓게 하거나 두께를 두껍게 해야한다. 휨저항 측면에서 폭을 크게 하는 것보다 두께를 두껍게 하는 것이 더욱 효과적이지만, 석재판 사이 줄눈이 통상 6㎜이고 이에 따라 조정판 두께는 여유격을 고려하여 5㎜를 초과하면 곤란하다. 그러나 단열구간 지지체를 추가하면 구조적으로 앵글과 조정판의 단면을 키울 필요가 없는 장점 1과, 지지체의 강성조력효과로 앵커가 부담하는 하중이 감소(일부 경우는 지렛대효과로 증가하는 경우도 있기도 함)하는 장점 2와, 지지체의 강성조력효과로 앵커프레임 전체의 수직변형을 감소시키는 장점 3 등 구조적으로 유리한 특성이 있다. 말굽형 단열구간 지지체는 다리구간이 압축좌굴파괴가 되지 않고 안전한지 검토한다. 소요압축강도는 수직하중으로 발생하는 휨모멘트와 수직하중으로 발생하는 휨모멘트를 지지체의 규격 특성에 따라 압축력으로 변환시켜 합산하여 산정한다. 수평하중이 풍하중이 지배적인 경우는 풍하중(정압)으로 발생하는 휨모멘트를 적용하고, 지진하중이 지배적인 경우에는 수평방향 면외 지진하중으로 발생하는 휨모멘트를 적용하며, 면내 지진하중으로 발생하는 휨모멘트는 특별히 유의미할 정도로 크지 않는 한 무시할 수 있다. 설계압축강도는 콘크리트면에 닿는 선단부와 가랑이부를 모두 검토한다. 이때 유효좌굴길이계수는 지지체가 힘을 받을 때의 변형형상을 고려하여 합리적으로 정한다. 가랑이가 있는 변단면의 다리는 측면에서 보이도록 세워서 상기 그림과 같이 설치되어야 한다. 시공미숙으로 제대로 시공되지 않으면 수직방향 휨모멘트 팔길이가 짧아지므로 동일 휨모멘트에 대해서 더 큰 소요압축좌굴강도가 발생하고 더 큰 수직변경을 야기하므로 시공 및 감독시 유의해야 한다.

 

  6) ANCHOR BOLT (앵커 볼트부)

      (1) 볼트부 강재 인장파괴 검토

앵커는 몸통부분이 콘크리트 내에 매입되고 볼트부는 콘크리트 면 밖으로 돌출되어 말굽형지지대를 관통하여 앵글판에서 너트로 체결된다. 볼트부는 강재 인장파괴가 되지 않고 안전한지 검토한다. 소요인장강도는 말굽형이나 실린더형 또는 지지볼트 추가형으로 지지구조체가 있는 경우로서 더욱 불리하게 지렛대효과로 발생하는 인장력으로 산정한다. 설계인장강도는 앵커볼트가 콘크리트에 지지되므로 KDS 14 20 54 콘크리트용 앵커 설계기준에 따라 취성강재요소의 강도에 의해 지배되는 인장력을 받는 앵커로서의 강도감소계수를 적용하여 산정한다.

      (2) 볼트부 강재 휨파괴 검토

앵커볼트가 휨항복파괴되지 않고 안전한지 검토한다. 소요휨강도는 말굽형이나 실린더형 또는 지지볼트 추가형으로 지지구조체가 있는 경우로서 지지구조체의 일부가 휨거동에 조력함을 반영하여 휨강성비를 산정하여 앵커볼트부가 부담하는 값을 산정한다. 설계휨강도는 KDS 14 20 54 콘크리트용 앵커 설계기준의 취지를 고려해 불리한 강도감소계수를 적용하여 산정한다.

      (3) 볼트부 강재 전단파괴 검토

앵커볼트가 전단파괴되지 않고 안전한지 검토한다. 소요전단강도는 성분별 하중조합을 고려하여 X축과 Y축 수평력과 Z축 수직력을 하중성분별로 선택하고 적용하여 SRSS로 조합함으로써 보다 불리한 값으로 산정한다. 설계전단강도는 앵커볼트가 콘크리트에 지지되므로 KDS 14 20 54 콘크리트용 앵커 설계기준에 따라 취성강재요소의 전단강도에 지배되는 앵커로서의 강도감소계수를 적용하여 산정한다.

 

 

7) ANCHOR (콘크리트에 매입된 앵커 몸통부)

 

      (1) 콘크리트 뽑힘인장파괴 검토

      (2) 콘크리트 측면 뽑힘전단파괴 검토

      (3) 콘크리트 프라이아웃 전단파괴 검토

      (4) 콘크리트 표면지압파괴 검토

      (5) 인장과 전단파괴에 대한 조합 검토

상기 앵커 몸통부의 (1)부터 (5)까지는 KDS 14 20 54 콘크리트용 앵커 설계기준에 따라 검토한다.

  8) DISPLACEMENT

     (1) 평상시 하중에 대한 수직변위 검토

     (2) 지진시 하중에 대한 수직변위 검토

     (3) 수평하중에 대한 핀촉의 수평변형 검토

     (4) 수평하중에 대한 수평변위 검토

     (5) 온도변화에 대한 수평변위 검토

 

  9) CLADDING (석재)

      (1) 석재의 휨파괴 응력산정

      (2) 석재의 압축하괴 응력산정

      (3) KS기준을 고려한 석재의 최소압축강도 제안

 

5. 기타

   - 건물의 위치, 형상, 중요도 등과, 석재의 규격, 최대설치높이 등 시공계획에 따라 수평하중을 지배하는 하중은 풍하중이 될 수도 있고, 지진하중이 될 수도 있으므로, 이 두가지 하중성분을 함께 고려하여야 한다.

   - 지진하중은 면외방향, 면내방향, 수직방향 성분을 모두 산정하여 구성재별 요구강도 산정에 합당한 성분을 적용한다.

   - 고정하중, 풍하중, 지진하중은 강도와 변형 산정시에 필요한 각각의 하중조합을 적용한다.

   - 지진하중은 초과강도계수를 적용하는 경우와 그렇지 않은 경우를 구분하여 합당하게 산정한다.

   - 핀촉 부위를 포함하여 단위 석재 사이에는 에폭시본드를 사용하여서는 안된다.

   - 비구조요소 내진검토는 지진하중이 등가정적으로 산정되므로 간단히 검토될 수 있다는 착각을 할 수도 있는데, 이런 생각으로 구조검토를 실시한다면 곤란하고 큰 실수를 범할 수 있다. 각 부재요소의 특성과 역할, 시공방법 등을 충분히 이해하고 숙지했을 때 실질적인 해석이 가능하다.

   - 상기와 같이 설명한 검토내용들은 비구조요소 내진설계를 전문으로하는 구조기술사사무소의 업무기밀을 존중하여 극히 일부 기술 내용만 제공받아 공유한 것이다. 

 

.  끝.

 

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문의하실 곳 : 코어건축구조기술사사무소

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