일반적으로 필로티 건축물은 상부층의 수직재와 하부층 수직재의 힘의 흐름이 불연속적인 구조로, 충분한 강도와 연성 확보를 위해 현행 내진설계기준(KDS 41 17 00)에 의해 특별 지진하중과 필로티 콘크리트 기둥의 내진 상세가 적용되어야 한다. 하지만 2005년 이전의 지어진 저층 다가구 필로티 주택(6층 이하)은 내진설계가 이뤄지지 않아 축력에는 일부 안전율을 가지고 있으나, 수평 하중으로 인한 전단력은 내력을 초과하여 내진 성능이 부족할 수 있다. 이처럼 기존 필로티 건축물의 부족한 내진성능 규명과 필로티 구조의 거동 분석에 관한 다양한 연구가 진행된 상황이지만, 보강이 필요한 대상 선정과 보강 방법 및 보강량 산정에 관한 연구는 미흡한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 Aramid FRP와 모서리 보강재로 구속한 엔지니어링플라스틱 보강을 통해 기둥의 횡구속 능력을 증대하여 콘크리트 피복 및 압괴 파괴를 지연시킴으로써 휨 항복 후 연성 거동을 유도하여 기존 저층 필로티 건축물의 내진 성능을 확보하는 방법을 제시하고 저층 필로티 건축물의 내진 취약요인을 분석하여 필요한 전단보강량을 산정, 제안공법의 목표전단보강을 설정하는 것을 목적으로 한다.
기존 저층 필로티 건축물의 부족한 내진 성능을 확보하기 위해 ‘엔지니어링 플라스틱을 활용한 기둥 전단 보강공법’을 제안하였다. 보강의 대상은 4층 필로티 콘크리트 기둥의 전체 수직재로 설정하였다. 보강법의 시공은 DIY(Do-It-Yourself)용 조립 형상으로, 초급 기술자가 손쉽게 시공할 수 있다는 장점이 있다.
보강의 정도를 파악하기 위하여 필로티 구조의 내진 취약요인인 건물의 연면적, 평면의 중심-강심 편심율, 기둥 면적/벽체 면적을 기준으로 실제 피해를 입었던 ‘장성동 48개 필로티 4층 건축물’을 수신자판단특성 곡선(ROC Curve)을 활용하여 분석하였다. 분석 결과, 연면적 753m² , 중심-강심편심율 18%, 기둥면적/벽체면적 1.69 이상일 경우 피해도가 급증할 확률이 높아졌기 때문에 이를 보강이 필요한 임계점으로 예측하였다. 예측한 보강임계점을 기준으로 필로티구조의 거동 특성을 파악하여 제안 공법의 전단보강량 산정을 위해 예제모델의 횡력저항비, 층간변위비, 기둥전단력을 비교하였다. 예제모델의 횡력저항비를 비교한 결과, 편심율이 커질수록 기둥의 횡력부하비가 커지는 것을 확인하였으며, 기존 필로티 건물에서 평면이 편심유형군에 속할 경우 벽체에 비해 작은 전단강도를 가진 기둥은 적절한 설계와 보강이 필요한 것을 확인하였다. 층간변위비 비교 결과, 외측 모서리 기둥에서 최대 변위가 발생하였고 편심율이 증가할수록 X방향의 층간변위비가 증가함을 확인하였다. 이는 기둥이 벽체에 비해 횡력저항능력이 낮은 상황에서 편심율이 증가할수록 기둥의 횡력분담 비율이 커지고 강성중심으로 회전하려는 수평비틀림모멘트가 증가하여 모서리 기둥의 변위가 증가한 것으로 판단된다. 기둥 전단력 비교 결과, 모서리 외곽기둥에서 연면적이 증가한만큼 전단부하도 증가하였으며, 편심율 증가비와 전단부하의 증가비가 선형적인 관계인 것을 확인하였다. 또한 편심율이 증가할수록 수평비틀림모멘트()에 의한 추가 전단부하가 커지는 것을 확인하였다. 편심유형을 가진 필로티 구조물을 보강설계시, 질량중심과 강성중심차로 발생하는 수평비틀림모멘트()에 의한 추가 전단력을 고려하여 적절한 설계와 보강 검토가 필요할 것으로 판단된다.
보강 임계점 기준으로 예제모델을 구조해석한 결과, 특별지진하중을 적용하지 않을 경우 연면적 648m² ST-A3(2축편심-모서리)에서 보강이 필요하였고, 연면적 1249m²에서 ST-B0(중심코어)를 제외한 모든 편심유형에서 보강이 필요하였다. 특별지진하중을 적용할 경우 연면적 648m² ST-A0(중심코어)를 제외한 모든 유형에서 보강이 필요하였다. 특별지진하중 적용 시, 휨-축력 내력 초과비율이 타 유형군에 비해 낮은 ST-A1(1축편심)을 참고하여 연면적 750m² 이하와 1축 편심 중심-강심 편심율 18%이하, 기둥 면적/벽체 면적 1.85이하에 해당될 경우에는 본 논문에서 제안하는 ‘엔지니어링 플라스틱 전단 보강법’을 적용할 수 있는 경계로 제한하고자 한다. 예제모델은 코어벽체 이외의 벽체를 고려하지 않았고 최대 편심길이를 반영하였으므로 실제 중심-강심편심율은 제한 경계보다 낮을 수 있고 기둥의 최소 철근비를 기준으로 검토하였기에 전단보강이 가능한 제한 경계라 추측된다.
보강 임계점에 대한 고찰을 근거로 연면적 750m²이하, 1축편심 중심-강심편심율 18% 이하, 기둥 면적/벽체 면적 1.85이하에 해당 될 경우에는 엔지니어링플라스틱을 활용한 저층 필로티 기둥의 전단보강법을 적용하는 경계로 설정하였다. 전단보강법 적용 제한 경계인 ST-A1의 전단보강량은 EP 패널 최소 5mm 두께 이상 필요한 것으로 나타났다.