진동대 실험을 이용한 금속마감 천장시스템의 동적특성 및 내진성능평가에 관한 연구

Abstract

최근 국내에서는 경주(2016), 포항지진(2017) 발생이 잇따르며, 건축물 내진성능에 대한 우려가 높아졌다. 국내 발생 지진의 경우 중급규모에 해당하며, 이는 구조재 손상으로 인한 건축물 붕괴가 발생하지 않더라도 비구조요소의 손상에 따른 인명 및 재산피해로 이어질 수 있다. 앞선 두 차례의 국내 지진을 통해 비구조요소의 손상으로 인한 피해를 경험하였다. 이에 따라 비구조요소의 지진에 대한 안전성이 요구되고 있으나, 현재 국내의 비구조요소 관련 기준 및 규격은 해외 선진 국가(미국, 일본)에 비해 정립이 미흡한 실정이다.

건축물의 비구조요소 중 매달린 천장의 경우, 지진발생시 마감재의 탈락 또는 천장골조 붕괴로 인해 건물 내부의 인명피해 및 재산피해로 직결될 수 있으며, 대피경로 상 장애요소로 부차적인 피해로 이어질 수 있다. 그럼에도 불구하고 국내에는 천장시스템 내진성능 관련 연구사례가 극히 드물며, 천장시스템의 동적거동을 이해하고 지진으로 인한 손상 원인을 분석하는 것에 다소 어려움이 따른다.

다양한 천장시스템 제품 중 스틸패널 적용 T-BAR 천장시스템의 경우, 시공 및 유지관리 용이성에 초점을 맞춘 제품으로, 오늘날 대형 오피스건물, 지하철, 철도, 공항 내부 등 보편적으로 층고가 높고, 천장면적이 넓은 대공간에 시공되어 널리 사용되고 있다. 시장 내 해당 제품에 대한 수요가 증가함에도, 타 천장시스템 대비 구조성능이 취약할 것으로 예상되었으며, 다른 스틸패널 천장시스템과 달리 탈락방지클립, 고정클립 등 추가적인 보강 부재가 존재하나, 이들의 내진성능 효과에 대해 검증된 바는 없다.

본 연구에서는 포항지진 당시 포항역사에 사용되어, 대표적인 천장 피해사례인 스틸패널 적용 천장시스템을 대상으로 진동대 실험(ICC-ES AC156 기준, 1축 진동대 실험)을 수행하였으며, 그 결과를 통해 해당 천장 제품의 동적특성을 파악하고 파괴양상 확인 및 내진성능을 평가하였다. 더불어, 손상의 원인 분석을 통해 향후 해당 제품의 내진성능 향상을 위한 보강 방안에 대해 제시하였다.

본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1) 국내 천장 관련 규격 및 기준, 제품 동향을 분석하고, 해외 선진사례(미국, 일본)와의 비교를 통해 국내 규격 및 기준, 제품 수준을 객관적으로 파악하였다. 그 결과, 국내 현행 천장 규격은 일본의 산업규격을, 내진설계 기준은 미국의 설계기준을 답습하는 수준임을 확인하였다. 향후 국내 실정을 고려한 규격 및 기준 정립이 필요하며, 이를 통한 제품 개발이 이루어져야 할 것으로 사료된다.

(2) 국내 대규모 건축물에 널리 사용되는 스틸패널 적용 T-BAR 시스템을 대상으로, 진동대 실험을 진행하였다. ICC-ES AC156 (Acceptance Criteria for Seismic Certification by Shake-Table Testing of Nonstructural Components) 기준을 근거로, 진동대 실험을 계획하였다.

(3) AC156 기준, 최소 응답스펙트럼을 만족하는 인공지진파를 생성하고, 이에 따라 입력가속도를 가진 단계별로 증가시켜, 실험을 진행하였다.

(4) 실험결과를 토대로 스틸패널 적용 T-BAR 시스템의 동적특성을 파악하고, 가진 단계별 손상 상태를 정의함으로써 해당 천장시스템의 내진성능을 평가하였다. 나아가, 주요 손상에 대한 원인을 분석하여 .스틸패널 적용 T-BAR 시스템의 향후 제품 보강 방향성을 제시하였다.

본 연구는 국내 천장시스템 내진설계 및 보강 기준의 발전 및 활성화를 위한 초기 기획 단계 연구로서 포항지진 발생 당시 손상사례의 제품을 대상으로 하여 동적실험을 수행하였다. 실험을 통해 대상 천장시스템의 동적특성 및 failure mechanism을 파악하고, 내진성능 향상을 위한 제품 개발 방향성을 제시하였다. 향후, 본 연구를 토대로 천장시스템의 동적표준해석모델 개발을 위한 추가 연구 및 정적·동적실험이 실시되어야 할 것으로 사료된다.