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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.1 pp.25-31
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.1.025

Dynamic Seismic Performance Evaluation of a Full-Scale Seismic Curtain Wall Capable of Withstanding Dynamic Seismic Waves

Heon-Seok Lee1, Myung-Hwan Oh2, Kim, Woo-Suk3
1Ph.D Candidate, Department of Architectural Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
2Senior Research Engineer, Energy Division Demonstration Test Center, KCL, Chungnam, Korea
3Associate Professor, Department of Architectural Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea

본 논문에 대한 토의를 2021년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 04월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Woo-Suk School of Architecture, Kumoh National Institute of Technology, 61 Daehak-ro, Gumi, Gyungbuk 39177, Korea Tel: +82-54-478-7591, Fax: +82-54-478-7609 E-mail: kimw@kumoh.ac.kr
December 11, 2020 December 21, 2020 December 21, 2020

Abstract


Recently, as the frequency and intensity of earthquakes in Korea have increased, seismic design and seismic structural technology have been applied to major structural parts of the building to prepare for earthquakes. However, for the nonstructural components, such as curtain walls and windows, sufficient consideration for earthquakes has not been made. To develop curtain walls that can satisfy dynamic seismic performance criteria, this study aims to identify the dynamic seismic performance of developed curtain walls through experiments by applying earthquake displacement respond fasteners that can respond to earthquakes without breaking under dynamic seismic waves. The results of the dynamic seismic performance test confirmed that the curtain wall using the three-axis mobile fasteners presented in this study can withstand the actual seismic waves.



동적 지진파 대응 가능한 실대형 내진커튼월의 동적 내진성능평가

이 헌석1, 오 명환2, 김 우석3
1금오공과대학교 건축공학과 박사수료
2(재)한국건설생활환경시험연구원 에너지본부 옥외실증센터 선임연구원
3금오공과대학교 건축학부 부교수

초록


최근 국내 지진 발생 빈도 및 강도가 증가함에 따라 지진 발생시 건물 주요 구조부에 대해서는 내진설계 및 내진 구 조기술이 적용되어 지진에 대비하고 있으나, 비구조 요소인 커튼월과 창호에 대해서는 내진에 대비한 충분한 고려가 이루어지 지 못하고 있다. 본 연구에서는 동적 내진성능 기준을 만족할 수 있는 커튼월을 개발하기 위해 동적 지진파 인가 시 커튼월이 파손 없이 대응 가능한 지진 변위 대응 패스너를 적용하여 동적 내진성능실험을 통해 이를 규명하고자 한다. 동적 내진성능실 험을 수행한 결과, 본 연구에서 제시한 3축 이동형 패스너를 활용한 커튼월이 실제 지진파에 대응 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport(MOLIT)
    20CTAP-C153174-02

    1. 서 론

    국내에 지진 발생 빈도 및 강도가 증가함에 따라 건 물의 비구조 외장재인 커튼월에 대한 지진파와 유사 한 동적내진 성능 기준을 만족할 수 있는 커튼월 개 발이 시급한 실정이다. 국내에서 가장 규모가 큰 지 진은 2016년 9월 경주에서 발생한 진도 5.8 규모이 고, 두 번째는 2017년 11월 포항에서 발생한 진도 5.4 규모로서, 진도 5.0 이상의 강진이 자주 발생하 고 있다(Lee et al., 2016;Park, 2018;Yoon, 2018). 이 러한 상황에서 건물 주요 구조부에 대해서는 내진 설계 및 내진 구조기술이 적용되어 그나마 대비 및 관리가 되고 있으나, 비구조 요소인 커튼월과 창호 에 대해서는 내진에 대비한 충분한 고려가 이루어지 지 못하고 있는 실정이다. 이러한 커튼월과 창호는 지진 발생 시 변형되고 진동으로 인해 유리나 부속 품 등의 낙하로 인명 및 재물에 대한 2차 피해가 발 생될 우려가 있다(Lee et al., 2010;Yim et al., 2010;Kwak et al., 2016;Oh & Park, 2018;Jung et al. 2018).

    이러한 문제로 인하여 최근 들어 국내에서도 커 튼월 및 창호와 같은 비구조요소의 내진설계 및 보 강에 관한 연구를 수행하고 있으며, 관련 기준도 정 비하고 있으나 아직 미흡한 수준이다(Yim et al., 2010;Yoon & Ryu, 2011;Chang & Park, 2014;Nam et al., 2015;Kwak et al., 2017;Jung et al., 2018;Kwon et al., 2019;Jeong et al. 2020;Oh et al., 2020).

    국내 모든 커튼월의 내진 성능은 AAMA 501.4 (American Architectural manufacturers Association, 2009)와 501.7(American Architectural manufacturers Association, 2017)에 의한 정적(Static) 내진 성능평가 기준을 따르고 있고, 횡축(건물의 폭방향)으로 지점 간 거리의 1/100에 해당하는 변위만을 1∼2회 인가 하여 이에 대한 만족 여부를 판단하고 있다. 그러나 실제 지진이 발생하면 지진파에 의해 건물은 3축(건 물의 폭방향, 높이방향 및 깊이방향)으로 변위를 동 반한 진동이 가해지는데, 이에 대해서는 대응이 불 가하다는 문제점이 있었다.

    따라서 본 연구에서는 이와 같은 문제점을 해결 하기 위해 동적 지진파에 커튼월이 파손 없이 대응 가능하도록 하는 커튼월의 지진 변위 대응 패스너 (Fastener)를 적용하여 동적 내진성능실험을 통해 이 를 규명하고자 한다. 또한, 동적 지진파에 대한 동적 거동이 가능하면서도 커튼월의 시공상 편리성도 달 성할 수 있는 횡축 이동 가능 패스너 및 내진 커튼 월 실험체를 유리 및 연결부위 탈착 방지 효과 등 성능평가를 수행하여 이를 검증하고 이러한 결과를 국내 비구조 요소 내진성능설계 관련 기준을 제정하 는데 있어 기초적 자료로 제공하고자 한다.

    2. 비구조요소의 동적 내진 평가

    2.1 내진등급

    커튼월과 같은 비구조요소의 내진성능은 건축물의 내진등급에 따라 허용되는 층간변위가 다르다. 건축 구조기준(KBC 2016, 2016)에서는 내진등급 (특)등급 건축물은 층고의 1/100, (I)등급 건축물은 층고의 1.5/100, (II)등급 건축물은 층고의 2/100를 최대허용 층간변위로 보고 있다. 여기서, 커튼월, 상점유리, 칸 막이벽에 유리가 끼워진 경우는 식(1)과 같이 1.25의 안전율 및 IE 중요도 계수를 추가적으로 고려하고 있다.

    1.25 D p I = D p I E
    (1)

    여기서,

    • DpI : 지진에 의한 상대변위

    • IE : 내진설계 중요도계수

    • Dp : 식(2)의 규정에 의해 산정되는 상대변위

    지진 발생 시 상대변위를 산정하기 위해서는 건 축물에 따라 구조계산을 통해 산정해야 한다. 하지 만 구조계산이 이뤄지지 않은 경우 Table 2의 최대 허용층간변위를 기준으로 식(2)에 따라 비구조요소에 미치는 상대변위를 산정할 수 있다.

    D p = ( X Y ) Δ a A h s x
    (2)

    • X : 구조물 밑면으로부터 상부부착지점 x까지의 높이

    • Y : 구조물 밑면으로부터 하부부착지점 y까지의 높이

    • ΔaA : Table 2 구조물의 허용층간변위

    • hsx : 허용층간변위를 정의하기 위하여 사용된 층고

    위와 같은 방법으로 커튼월에 미치는 최대 상대 변위를 계산해 보면 Table 3과 같다. 층고에 따라 최 대허용상대변위가 달라지며, 층고가 6,000mm인 경우 내진등급 (II)등급 건축물은 150mm까지 견딜 수 있 어야 한다. 현행법상 건축구조기준에서는 내진등급 (특)등급 건축물에 대해서만 비구조요소의 내진설계 를 하도록 되어 있지만, 건축주 또는 발주처의 요청 이 있을 경우 내진설계를 할 수 있음에 따라 150mm 까지 내진성능을 확보할 수 있는 커튼월 개발이 필 요하다.

    이에 따라 본 연구를 통해 150mm까지 견딜 수 있는 내진 커튼월을 제시하고자 한다. 커튼월의 경 우 기본적으로 커튼월 프레임에 유리가 끼워질 수 있도록 홈을 구성하고 있다. 복층 혹은 삼중유리와 유리가 끼워지는 홈 사이에는 움직일 수 있는 간격 (Clearance)이 존재한다. 대략적으로 그 간격 5mm에 서 20mm 사이로 커튼월의 종류에 따라 다르다. 이 간격에 의해 지진발생 시 좌⋅우 완충은 가능하고, 내진성능을 확보할 수 있는 간격을 확보하더라도 시 공 시 간격에 대한 정확한 감리, 감독이 이뤄지지 않을 경우 실제 지진 발생 시 유리가 파손되어 탈락 될 가능성이 있다.

    또한, 기존 커튼월의 경우 X축 면내방향 내진성 능 확보는 가능하더라도, 대부분 Y축, Z축에 대해 고려가 되지 않고 있다. 이는 내진설계를 검증하는 방법이 X축 면내 방향에 대한 구조해석만 진행되거 나, 시험을 진행해야 하는데 커튼월 내진시험에 대 한 국내 표준이 현재 존재하지 않기 때문이다. 해외 표준에 따라 내진시험을 진행하더라도, 대표적인 시 험방법인 AAMA 501.6-18 (American Architectural manufacturers Association, 2018)도 X축 면내 방향에 대한 성능평가만을 고려하고 있다. 지진 발생 시 X, Y, Z축 모두 변위가 발생할 수 있음에 따라 모든 경 우에 대한 검증이 필요하고, 3축에 대해 대응 가능 한 커튼월 시스템이 요구된다. 이에 따라 본 연구에 서는 Fig. 1과 같이 3축 대응한 Fastener에 대한 연구 를 통해 커튼월 시스템이 지진 발생 시 대응 가능하 도록 설계를 진행하였다.

    2.2 내진 패스너

    기존 연구(Lee et al., 2020)에서 커튼월 및 내진 커튼 월에 대한 구조해석을 통해 내진성능 확보가 가능한 설계안을 도출한 뒤 본 연구에서는 이를 보완한 내 진 패스너를 적용하여 내진실험을 수행하고자 한다. Fig. 2는 Steel 소재인 커튼월의 지진변위대응 패스너 로 N층의 건물에서 임의의 n층의 천정 슬래브에 상 부가 고정되는 커튼월의 하부를 n층의 바닥 슬라브 에 연결하되, 지진파에 의한 외력으로 발생된 건물 의 진동이 커튼월로 전달되지 않도록 상기 커튼월의 하부를 건물의 폭방향과 높이방향으로 슬라이드 이 동 가능하게 바닥 슬래브에 연결하는 구조를 갖는 다. 또한, 좌⋅우 이동이 가능한 레일과 이동형 앵글 로 구성되며 구조체에 볼트체결 또는 용접으로 고정 할 수 있는 방식으로 좌측 및 우측으로 150mm를 대 응할 수 있도록 제작하였다.

    3. 동적 내진성능실험

    3.1 AAMA 501.6-18

    본 연구에서는 동적 내진성능실험을 위해 AAMA 501.6-18에서 권장하는 실험방법을 토대로 하여 동적 내진성능실험을 수행하고자 한다. AAMA 501.6-18에 서는 해당 실험체가 요구되는 층고대비 백분율에서 탈락(Fallout)이 발생하지 않았을 경우, 다음 사항이 만족되면 다른 입면 구성의 커튼월(The other assembly)에 대한 내진성능 자격이 있는(Qualifies) 것 으로 규정되어 있다.

    • 1) 해당 실험체의 유리보다 크기가 같거나 작은 유리로 구성된 경우(단, 유리의 가로 세로의 비(Aspect ratio)의 효과가 탈락(Fallout)에 어떠 한 영향을 주는지는 표준에서 다루지 않고 있 음) (AAMA 501.6-18 10.1 참조)

    • 2) 해당 실험체의 유리-프레임 간격(Clearance)보다 크거나 같을 경우(AAMA 501.6-18 10.1 참조)

    • 3) 접합유리의 접합필름 두께가 동일하거나 두꺼 울 경우(AAMA 501.6-18 10.2 참조)

    • 4) 해당 실험체의 유리사양(강화 및 접합사양)과 동일하거나 이상인 경우(AAMA 501.6-18 10.3 참조)

    • 5) 해당 실험체와 동일한 Glazing systme이고, 해 당 실험체의 프레임(Standard frame)보다 커지 거나(Deeper) 작아지는(Shallower) 경우(AAMA 501.6-18 10.5 참조)

    3.2 실험방법

    Fig. 3은 동적 내진성능실험을 위한 실험 계획을 나 타낸 것이다. AAMA 501.6-18에 따라 Fig. 4와 같이 75mm까지는 0.8 Hz, 150mm까지 0.4 Hz로 진동을 가 하였고, 6mm 간격으로 4 Cycle씩 점차 변위량을 증 가시키며 실험을 진행하였다.

    실험체 크기는 4,000mm(W) × 4,200mm(H)이고, 4m 층고기준으로 실험을 진행하였다. 프레임은 60mm × 175mm의 알루미늄 바를 사용하였고, 열교 차단재는 PVC 소재를 사용하였다. 최대 유리크기는 1,279mm × 1,449mm이고, 유리 물림깊이는 12mm, Clearance는 9.5mm로 하였다. 동적 내진성능평가를 위한 실험체 상세는 Table 4와 같다. 실험장소는 충 청남도 서산시에 위치한 K기관 실험동이며 실험시 환경조건은 온도 22.6 ± 0.5℃, 습도 93.9 ± 2.0% R.H., 기압 988.1 ± 1.0 hPa로 기록되었다.

    4. 실험 결과

    Table 5는 동적 내진성능실험 후 실험결과를 나타낸 것으로, AAMA 501.6-18에 따라 ΔFallout은 필수요건 이며, ΔSeal cracking 및 ΔCracking은 선택사항으로 고려하여 실험을 수행하였다. 여기서 ΔFallout은 유 리가 탈락(낙하)된 시점의 변위량을 나타낸 것으로 동적 지진파 0.4Hz, 변위량 ±150mm(층고대비 백분율 3.75%)로 가력했을 경우 유리가 탈락되지 않는 것으 로 관찰되었다. ΔCracking은 유리가 깨져서 금이 발 생한 시점의 변위량을 나타낸 것으로 이 역시 동적 지진파 0.4Hz, 변위량 ±150mm로 가력했을 경우에도 유리가 깨지거나 금이 발생하지 않았다. 또한 ΔSeal cracking은 실란트의 파손이 발생한 시점의 변위량을 나타낸 것으로 실험 전과정 동안 실란트의 파손이 발생하지 않았다.

    Fig 5는 실험 종료 후 점검한 과정을 보여주고 있으며, 우선 Fig. 5(a)는 실험 종료 후 실험체 전면 으로 전체적으로 유리 크랙 및 탈락 발생은 없는 것 으로 나타났다. Fig. 5(b)에서는 실험 종료 후 실험체 외부 및 내부에 실리콘 크랙이나 파손 발생이 없는 것으로 나타났고, Fig. 5(c)는 커튼월 하단으로 패스 너에 이상이 없는 것으로 나타났으며, Fig. 5(d)는 커 튼월 상단으로 이 역시 패스너에 이상이 없는 것으 로 나타났다.

    동적 내진성능실험을 수행한 결과 종합적으로 평 가해 볼 때 층고대비 백분율 3.75%인 150mm까지 실 리콘 크랙, 프레임 파손, 유리 크랙, 유리 탈락 등의 문제가 전혀 발생하지 않음을 확인 할 수 있었고, 이를 통해 본 연구에서 제시한 3축 이동형 패스너를 활용한 커튼월이 실제 지진파에 대응 가능하다는 것 을 확인할 수 있었다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 실제 지진파에 대응 가능한 커튼월에 대해 동적 지진파 0.4Hz, 변위량 ±150mm(층고대비 백분율 3.75%)로 가력했을 경우 동적 내진성능실험 을 통해 안정성을 검증하고자 하였고, 국내 최초로 AAMA 501.6(변위량 ±150mm, 0.4Hz 파형)에 대응 가능한 내진커튼월의 내진성능을 평가하는데 그 연 구 목적을 두었다.

    동적 내진성능실험을 수행한 결과 ΔFallout은 동 적 지진파 0.4Hz, 변위량 ±150mm로 가력했을 경우 유리가 탈락되지 않는 것으로 관찰되었다. Δ Cracking은 역시 동적 지진파 0.4Hz, 변위량 ±150mm 로 가력했을 경우에도 유리가 깨지거나 금이 발생하 지 않았다. 또한 ΔSeal cracking은 실험 전과정 동안 실란트의 파손이 발생하지 않았다. 이를 종합적으로 평가해 볼 때 층고대비 백분율 3.75%인 150mm까지 실리콘 크랙, 프레임 파손, 유리 크랙, 유리 탈락 등 의 문제가 전혀 발생하지 않음을 확인 할 수 있었 고, 이를 통해 본 연구에서 제시한 3축 이동형 패스 너를 활용한 커튼월이 실제 지진파에 대응 가능하다 는 것을 확인할 수 있었다.

    본 연구에서 수행한 3축 동적 지진파 대응 가능 커튼월 시스템은 국내 중⋅고층 건축물에 적용되어, 지진 발생 시 2차 피해를 방지하는데 활용될 수 있 을 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    The authors thank the Infrastructure and Transportation Technology Promotion Research Program funded by the Ministry of Land, Infrastructure, and Transport of the Korean government for funding this work under the grant [code# 20CTAP-C153174-02].

    Figure

    KOSACS-12-1-25_F1.gif
    Seismic Curtain Wall Specimen and Basic Shape of Fastener
    KOSACS-12-1-25_F2.gif
    Seismic Fastener
    KOSACS-12-1-25_F3.gif
    Seismic Performance Evaluation Method Based on AAMA 501.4 Standard
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    Loading History
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    Inspection after Test

    Table

    Seismic Design Importance Factor according to the Importance of Buildings
    Maximum Allowable Interfloor Displacement
    Maximum Allowable Relative Displacement according to Story Height
    Test Specimen Details
    Test Results of Dynamic Seismic Performance Evaluation

    Reference

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