KR101059028B1 - 지하실 하향 공법 과정에서 편심, 경사, 비틀리게 시공된 기둥을 수정하는 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하실 하향공법 과정에서 필연적으로 잘못 시공된 편심, 경사, 비틀어진 철골기둥을 그대로 수용하면서도 후속 공정인 보를 설계상 목표했던 바대로 축선에 맞춰서 시공할 수 있는 기둥과 보의 접합 방법을 제시한다.

기둥자재는 철골구조에서 가장 많이 사용하는 H형강(10) 대신 원형강관(40)으로 하여 앞의 3가지 오차 중 기둥의 비틀림 문제점을 해소하고 기둥의 패널존 보강은 4분강관토막(44)을 덧대는 방법으로 간략화하고 보를 단일본으로 제작하는 대신 양단에 브라킷(Bracket)을 부착하고 표준길이로 제작한 중간토막을 재래식 공법으로 현장 조립하게 한다. 기둥 중심이 설계 도면상의 위치를 벗어나서 보의 길이가 달라지는 것은 브라킷의 길이로 조정하고 중심이 벗어나면서 기울어진 기둥과 보 브라킷의 접합은 브라킷의 내단부와 4분강관토막(44)과의 공장 편심용접으로 해결한다. 강관 기둥 내부의 빈 공간에 콘크리트(41)를 채우는 것은 상향공법을 적용하기 이전에 완료하며 콘크리트의 초기경화수축을 고려하여 높이 6m 이내 마다 단계적으로 분리 타설한다.

4분 강관토막, 지하실 하향 공법, 비틀림

Description

지하실 하향 공법 과정에서 편심, 경사, 비틀리게 시공된 기둥을 수정하는 공법{Adjusting Method of Eccentrically, Inclined and/or twisted Column during Downward Construction of Basement}

전 세계적으로 우리나라는 지하실의 연면적이 가장 많고 지하실 깊이도 가장 깊다. 따라서 지하실 하향공법을 적용한 실적도 가장 많을 것인데 지금도 이 같은 공사 과정에서 기둥이 바로서지 못하여 어려움을 겪는 현장이 상존하고 있다. 지하실 하향공법은 지하실 공사를 위한 흙파기 공사를 먼저 시행하는 정상적인 공법(Open cut)과는 달리 지상에서 기둥을 설치할 위치지반에 구멍을 뚫어 공사 중 상부 하중을 지탱할 기초와 지하실 철골기둥과 지하실 벽체(주로 연속벽공법)를 먼저 설치한 후에 땅을 1개층씩 파내려가면서 보를 기둥에 부착하고 바닥판을 타설하는 방법을 반복해 내려간다. 이렇게 마련한 보와 바닥판은 지하실 벽체에 가하는 토압과 수압을 수평방향으로 안전하게 지탱해 주므로 별도 흙막이 공사를 하지 않아도 주변 건물에 유발하는 피해를 최소한으로 줄이는 장점이 있다.

이 공법은 바닥 판을 선시공한 상태에서 그 하부의 흙을 파 내려가야 하며 직상부 기둥과 벽체 콘크리트가 선시공된 상태에서 그 하부 수직재(기둥, 벽 등)에 콘크리트를 부어 넣어야 하는 거꾸로 된 공사의 번거로움 때문에 공사 기간이 늘어 나는 단점이 있다. 따라서 이를 만회하기 위하여 지상 1층을 기준으로 지하 1층 → 지하 8층 등의 순서로 하향 시공하는 동시에, 지상 2층 → 15층 등 상부로도 시공하는 이른바 TOP-DOWN 공사를 시행함으로 인하여 늘어나는 하향 지하실 공사의 공기를 만회하기도 한다,

지하실 흙파기 공사를 하기에 앞서 지상에서 기둥 위치에 구멍을 뚫는 장비로 가장 많이 사용하는 것은 대구경 천공장비인 RCD나 중대구경 천공장비 PRD가 일반적인데 이들을 적용하는 기둥 설치의 수직도 목표치는 기둥 길이의 1/500 (지하실 깊이 30m일 경우 6cm)이나, 실제 현장실정은 편심거리가 20cm에 다다를 때도 있다. 또한 대부분의 지하실은 주차장으로 사용하는데 건축사는 제한된 평면 내에 주차 대수를 최대한으로 확보하기 위하여 기둥 중심 간격에서 단 1cm 도 여유 없이 설계하는 경향이 있으므로 시공도중 기둥 위치가 조금이라도 정위치를 이탈하면 준공검사를 받지 못하게 된다. 그러므로 대부분의 경우는 지하실 기둥을 철골 철근콘크리트로 설계하여 단면 중앙에 배치한 철골기둥의 편심 오차를 주변에 감싸는 철근콘크리트로 보정하는 기법을 사용한다. 여기서 사용하는 철골기둥은 1960년대 말에 일본에서 개발한 고하중(高荷重) 기둥 전용 400시리즈 H형강인데 이는 외곽크기가 40cm 내외로 작은 반면 두께가 두꺼워서 단면적은 크지만 길이가 긴 기둥일 경우 약축 방향의 단면2차반경이 작아 좌굴 위험이 있는 것이 큰 단점이다.

TOP-DOWN 공사의 순서는 공사 기간이 긴 하향 지하실 공사를 하는 동안 비교적 공사 기간이 짧은 지상층 상향 공사를 될수록 많이 해야 전체 공기를 단축할 수 있다. 그러나 지하실 굴토공사 지연으로 철골기둥 주변에 철근콘크리트 피복을 하 기도 전에 너무 큰 상재(上載) 하중이 작용하면 철골기둥이 좌굴할 염려가 있어서 상향 공사시기를 의도적으로 지연시키거나 지하실 기둥을 임시로 보강해야 한다. 지하실 기둥은 시공 과정에서도 한층 한층 누적되는 상부 하중을 전부 안전하게 지탱하여야 하는 주요 구조부재이므로 소홀히 다루면 대형 안전사고로 이어질 수 있기 때문이다.

H형 기둥은 땅속 깊이 삽입하는 과정에서 중심 위치를 벗어나고(수평방향으로) 기울어지기도 하지만(수직방향에서) 꼬임 현상으로 인해 4각형인 외형이 비틀리기도 한다. 그러나 중심위치 이탈, 기울어지고 비틀리는 등 정상 위치에서 벗어난 기둥에 그대로 보를 접합하면 그 후속 공사는 잘못된 첫 단추에 따라 다음 단추를 계속 잘못 끼우는 격이 되어서 점점 더 부실한 공사로 이어지는 결과를 초래한다(도3). 따라서 이를 비교적 쉽게 보완하기 위하여 철근콘크리트 구조로는 무리한 기둥스팬과 큰 하중을 지지해야 하는 구조임에도 불구하고 철골보 대신 철근콘크리트보로 설계하는 경향이 있다.

지하실 공사를 TOP-DOWN 방식으로 시행하면 지하실은 굴토심의에서 자동적으로 흙막이 공사를 허가를 받을 수 있을 정도로 안전성이 보장된다. 그러나 철골공사 업체는 지하실 공사를 하는 동안 항상 손해를 감수한다고 알려져 있다. 그 이유는 철골공사의 특성상 적어도 3개층 정도를 1개 절(節)로 제작, 운반 조립하는 능률을 기본으로 하는데 하향공법에서는 층마다 기둥중심 위치와 수직도 및 평면상 X, Y축을 벗어나 비틀어지기 때문에 공사가 진행되는 과정에서 매층 현장 실측한 후 철구공장에서 제작도(Shop Drawing)를 작성하고 패널존의 보강 부재들과 보를 이형(異形)으로 정밀 재단하여 현장에 반입 설치하여야 한다. (도2) 지하실 보를 설치하는 것도 상부 바닥이 완성된 상태이므로 보를 타워크레인으로 들어서(揚重) 지하실 기둥에 조립할 수 없고, 제한된 인입구를 통해 지하실에 반입하여 굴삭기, 지게차 등 별도 장비를 동원하여 비뚤어진 기둥에 현장 맞춤을 하여야 하는 어려움이 있다. 그 때문에 철골구조라야 타당한 장스팬, 고하중(高荷重) 보임에도 불구하고 무리하게 철근콘크리트 구조로 선회하는 것이다.

기둥재로 가장 흔하게 사용하는 강재는 H형강이다. H형강은 열간압연재이고, 강관은 후판을 이용하여 2차 가공하므로 H형강이 강관에 비해 단위 단가가 낮기 때문이다. 한편 강관을 기둥재료로 활용하면 외형이 천공장비가 뚫는 구멍과 같이 원형이므로 필요하면 천공시 사용하는 케이싱으로도 겸용할 수 있다. 또한 강관은 비틀림 저항 내력이 크며 방향성이 없기 때문에 설치 과정에서 다소간 비틀려도 외관상 아무런 영향을 주지 않고, 강관 내부에 콘크리트(41)를 채우면 압축력을 더 많이 받을 수 있는 장점이 있다. 강관은 점대칭 단면이어서 어느 방향으로도 단면2차반경이 일치하며 크다. 따라서 압축재로 사용하기에 가장 합리적이며 높이가 높아도 임시 보강 없이 큰 상재하중을 받으면서 하향 공사를 할 수 있는 장점도 갖추고 있다.

마지막으로 한 가지 더 비교의 대상이 되는 것은 기둥이 지상층과 같이 제 위치에 제대로 시공하는 것이 당연할 때는 지금까지 보편화된 H형 기둥과 보가 만나는 패널존 보강에 아무런 어려움이 없지만 하향공법에서는 원형강관 패널존 보강 이 더 간편한 것임에 관심을 기울일 필요가 있다.

철골구조에서 가장 중요하게 다루는 사항은 각 부재의 접합 상세다. 특별한 경우를 제외하면 기둥은 수직, 보는 수평 방향으로 배열하며 기둥과 보는 가로세로 직각 방향으로 배열한다. 간혹 기울어진 기둥이나 직각을 벗어난 보로 설계하기도 하지만 이는 설계 당시부터 그렇게 한 것이어서 어렵기는 하지만 도면에 따라 사전 준비하여 제작 조립하는 순서를 따르면 된다. 그러나 하향공법은 층마다 기둥의 위치와 각도가 설계 도면과 달라질 뿐만 아니라 매 층 서로 불일치하게 정상위치를 벗어나고 기울어지고 비틀린 상태인 것을 땅을 판 후에라야 정확하게 파악할 수 있다. 또한 이렇게 잘못 설치된 기둥을 바로잡는 것이 불가능하여 이를 수용할 수밖에 없는 것이 하향 공법의 단점이며 특성이다. 철구공장에서 작업 능률을 올리려면 같은 규격의 부재를 반복 작업으로 제작 가공해야 하는데 오랜 기다림 끝에 한개층 굴토를 하여 실측한 기둥의 상태가 층마다 달라 매번 별도로 제작도를 재작성하고 각기 다른 길이와 서로 다른 양단부 각도로 부재를 절단하고 구멍을 뚫어 현장 반입 조립하는 것은 손실의 지름길이 되므로 이를 개선하여야 한다.

H형 기둥은 단면의 외곽부 형태에 굴곡이 많아 패널존 보강에 많은 노력이 필요하다. 더구나 원래 중심위치를 벗어나 수직도가 맞지 않고, 평면상 X, Y축에서 이탈하여 비틀어진 경우는 더 복잡해진다. 따라서 이를 간단히 해결할 수 있는 기둥 단면을 찾아내는 것도 해결하여야 할 과제이다. H형 기둥은 약축 방향의 좌굴에 취약하므로 이를 개선해야 한다, 또한 하향공법 특성상 제한된 인입구를 통해 보를 지하실에 반입하여 조립하므로 보 길이를 줄이고, 보 규격을 통일하여 제작 및 적재, 운반 후 선별 조립이 용이해야 한다. 물론 접합부의 제작과 운반, 현장 부착도 용이해야 한다.

기둥이 기울어져서 중심점을 이탈하고 수직도를 벗어나고 평면상 X, Y 축을 이탈하여 비틀어진 H형강(10) 기둥에 보를 설계상 원하는 제 위치에 접합시키려면, 보 길이는 정상보다 길게 또는 짧게 준비해야 하고, 단부를 직각으로 절단하는 대신 다른 각도로 제작하여 거기에 맞춰 볼트구멍을 뚫어야 한다(도2). 또한 기둥의 패널존에는 위 이형(異形)보 단부와 접합하기 위한 별도의 이형 스티프너 및 플랜지를 부착하여야 접합이 가능하다. 이는 매우 번거로운 일이어서 "철골공사답지 않다".

따라서 보 단부 일부분(브라킷)을 절단 후 고정단만 이형(異形)으로 별도 제작하여 기둥에 접합하게 하고 보의 나머지 중간 긴 토막은 정상적인 규격대로의 제작 현장조립이 가능하도록 유도하는 것이 본 발명에서 추구하는 과제의 해결 수단이다. (도5) 또한 대부분 현장에서 사용하는 H형강(10) 기둥은 개략 외형이 4각형이므로 비틀어져서 평면상 X, Y 축을 벗어나면 거기에 접합할 보의 단부 각도가 달라져야 하므로 단위 중량당 단가가 높음에도 불구하고 원형강관을 기둥으로 활용하기로 한다. 일반적인 H형강 기둥은 400 Series 단면이며 TOP DOWN 공사 중 철골기둥이 상부 하중 전부를 지탱하여야 하므로 부담스럽지만 강관을 기둥으로 활용하면 사전에 강관 단면의 내부 공간을 콘크리트(41)로 채우면 상재 하중을 합성단면이 공동으로 부담하게 되므로 더 경제적인 설계가 가능하다. 또한 강관은 재래식 외다이아프램(External Diaphragm) 방식으로의 패널존 보강 대신 강관 외부에 4분강관토막(44) 덧댐 방식을 적용하여 간략화 하기로 한다.

지상에서 천공 장비를 이용하여 땅속 깊이 구멍을 뚫고 그 구멍에 기초 콘크리트와 철골기둥을 정확히 설치하는 것이 어렵다는 것을 인정할 수밖에 없다면 이를 적극적으로 수용하면서도 품질저하를 최소화하는 공법이 필요하다. 아래 설명하는 내용은 하향공법에서 강관을 기둥 재료로 활용할 때 기대할 수 있는 효과들이다.

1. 점대칭 단면이어서 기둥축이 평면상 X, Y 방향에서 벗어나게 비틀린다 해도 외관상 아무런 차이가 없으며, 강관은 단면 특성상 비틀림 저항이 큰 것이 장점이다.

2. 단면2차반경이 크며 일정하여, 기둥 길이가 길어도 좌굴 영향을 적게 받는다.

3. 단면 내부에 폐쇄된 빈 공간에 콘크리트(41)를 채우면 더 큰 압축력을 받을 수 있다. 또한 강관 외부에 철근콘크리트를 추가하여 기둥크기를 확대하면, 평면상 보가 차지하는 면적을 제외한 4구석 부분의 면적이 커서(넓은 작업공간) 철근 배근과 콘크리트를 부어 넣기에 편리하다(도 11).

4. 기둥 위치에 지반 천공시 삽입한 케이싱 강관을 기둥으로 겸용할 수 있 다.

5. 강관 외부에 4분강관토막(44)을 용접하는 간단한 방법으로 패널존을 보강할 수 있다. 이 때 강관을 4등분하여 기둥에 용접하면 용접장이 길어져서 보강 효과가 크다. (도8b)

6. 중심축을 벗어나거나 수직도를 벗어난 기둥에도 4분강관토막(44)을 덧대는 방식의 패널존 보강을 하면 단부 브라킷을 손쉽게 부착할 수 있으므로 공기 지연을 만회할 수 있다.

7. 이상 장점들을 적극 활용하면 강관이 H형강에 비하여 고가임에도 불구하고 결과적으로는 경제적인 설계가 가능하다.

하향공법으로 지하실 기둥을 시공하는 과정에서 필연적으로 발생하는 편심(중심위치 이탈), 수직도를 벗어난 기울어짐, 평면상 X, Y 축선을 벗어나고 비틀어짐이 있음에도 불구하고 최소한의 부분 조치만으로 후속 공사인 보 설치를 정상으로 시행하게 하는 방법에 관한 것이다. 먼저 기둥 단면은 원형강관(40)을 선택하여 평면상 X, Y 축선을 벗어나고 비틀어짐 문제를 원천적으로 해결한다. 원형강관은 점대칭으로 방향성이 없기 때문에 축방향이 비틀어진다 해도 외관상 아무런 영향을 주지 않는다.

편심시공오차는 단부 브라킷의 길이로 조정한다. 보의 길이 즉 기둥과 기둥 사이 길이가 천차만별인 것을 그대로 제작, 적재 보관했다가는 중량, 장척물을 찾아서 운반 및 그 후 현장에서 또다시 찾아서 제 위치에 조립하는 것은 매우 어려운 일이다. 그러므로 보 길이의 대부분을 차지하는 중간토막을 동일한 표준 길이로 사전 제작하고, 길이에 차이가 나는 부분을 브라킷에서 흡수하게 하도록 현장 실측 결과를 단부 브라킷 제작에만 반영하여 제작하면 브라킷은 부재 크기가 작으므로 보관 및 선별하기도 용이하다. 또 한가지 장점은 하향공법의 특성상 좁은 반입구를 통해 기둥과 기둥 사이 전 길이의 무거운 보를 운반 조립하는 것이 어려운 점을 감안하여 보를 절단했다가 현장 조립하는 것이 필수적일 경우가 많은 것을 감안하여 그 방법을 적극적으로 활용하는 것이다. (도5)

기둥이 기울어졌음에도 불구하고 보의 브라킷은 축선에 맞추어 접합할 수 있도록 브라킷 내단부를 4분강관토막(1/4 원통형)과 공장용접하고 현장에서는 4분강관토막(44)을 기둥에 현장 용접하는 간단한 방법을 사용한다. 이렇게 하면 강관기둥 내부는 원형 상태 그대로 이므로 후에 콘크리트(41)를 채우면 CFT(Concrete Filled Tube)가 되어 큰 압축력을 받을 수 있게 된다. 보의 좌우 브라킷 자유단 사이에 중간토막 표준형 보를 부착하는 것은 재래식 공법과 동일하다. 공사방법은 다음과 같다.

a) 도면에 표기된 기둥 위치를 확인하여 표시하고, 천공한다(필요하면 케이싱을 삽입한다).

b) 기둥재로 적용할 원형강관(40)을 천공한 구멍에 삽입한다.

c) 원형강관의 기둥에 보가 부착되는 위치인 패널존에 접합하기 위해 원형강관 기둥의 외경과 일치하는 내경을 갖는 1/4 강관토막을 제작한다.

d) 4분강관토막에서 원형강관기둥 패널존에 용접할 폭 만큼의 여유공간을 절 단개선하며, 이것을 4분강관토막(44)으로 사용한다.

e) 4분강관토막(44)은 기둥으로 사용하는 원형강관(40)과 동등 이상의 재질과 두께로 하고, 보 춤 보다 상·하 각각 50mm 이상씩 크게 한다.

f) 4분강관토막 외면에 기둥중심이 이동함으로 인한 보 길이를 보정할 수 있는 브라킷을 부착하기 위해 기둥 수직도 기울기와 평면상 보 축선과 직각방향의 수평이동을 동시에 흡수할 수 있는 궤적을 컴퓨터 프로그램으로 확인한다.

g) 기둥이 중심에서 벗어난 것을 감안하여 좌·우 브라킷 길이와 각도대로 마킹, 절단하여 브라킷 고정단을 완성한다.

h) 브라킷은 TSC 보의 경우 □형, H형강 보의 경우 H형으로 가공한다.

i) 보 전체 길이에서 좌·우 브라킷 길이를 제외한 중앙부의 표준길이 보를 계산하여 절단한다.

j) 브라킷의 고정단을 4분강관토막(44)에 공장용접 한다.

k) 브라킷이 달린 4분강관토막을 패널존에 현장용점 한다.

l) 브라킷 자유단에 중앙부 표준길이 보를 현장 볼트접합 한다.

m) 각 접합부를 검사하여 확인하고, 원형강관(40) 기둥 내부에 콘크리트(41)를 타설한다.

도 1은 일반적인 철골구조의 기둥-보 골조평면도,

도 2는 지하실 하향공법 적용시 기둥 평면상 X, Y 축 이동 및 비틀림을 무시한 정상적인 골조평면도,

도 3은 지하실 하향공법 적용시 평면상 X, Y 축 이동 및 비틀림을 수용한 비정상적인 이형골조 평면도

도 4는 정상 시공된 원형강관(40) 기둥에 브라킷과 중간토막보를 접합한 골조평면도,

도 5는 지하실 하향공법 적용시 잘못 시공된 원형강관(40)기둥에 브라킷 접합한 골조평면도,

도 6은 지하실 하향공법에서 원형강관기둥에 4 분강관토막과 브라킷을 적용한 것으로 도 6(a)와 6(b)는 각각 ㅁ형 브라킷(45)과 H형 브라킷(46)을 기둥에 적용한 접합부 평면도,

도 7은 지하실 하향공법에서 원형강관기둥에 4분 강관토막과 브라킷을 부착한 단면도,

도 8은 지하실 하향공법에서 잘못 시공된 원형강관(40)기둥에 TSC보와 H형강보를 적용한 기둥-보 접합부 상세 평면도,

도 8(a)은 TSC보에 ㅁ형 브라킷(45)을 적용한 기둥-보 접합부 상세,

도 8(b)은 H형강보에 H형 브라킷(46)을 적용한 기둥-보 접합부 상세,

도 9는 지하실 하향공법에서 정상 시공된 원형강관(40)기둥에 TSC보와 H형강 보를 적용한 기둥-보 접합부 상세 단면도,

도 10은 원형강관(40)기둥에 상·하부 외다이아프램(42, 43)을 적용한 재래식 기둥-보 접합부 상세,

도 11은 원형강관과 H형 기둥 외부에 철근콘크리트 기둥을 감싼 비교평면도이다.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

10 ; H형강 20 ; 큰보 (거더)

21 ; 상부판 22 ; 하부판

23 ; 측판 30 ; 보 (빔)

40 ; 원형강관 41 ; 콘크리트

42 ; 상부 외다이아프램 43 ; 하부 외다이아프램

44 ; 4분 강관토막 45 ; ㅁ형 브라킷

46 ; H형 브라킷

Claims (2)

1. 지하실 하향공법으로 기둥을 설치하는 과정에 있어서 ;

   a) 도면에 표기된 위치에 천공장비로 구멍을 뚫고, 그 구멍에 원형강관을 삽입하는 단계 ;

   b) 원형강관(40) 기둥에 보가 부착되는 위치인 패널존에 부착할 4분강관토막(44)을 제작하는 단계 ;

   c) 4분강관토막 외면에 기둥중심이 이동함으로 인한 보 길이와 각도를 보정할 수 있는 브라킷을 부착하기 위해 기둥 수직도 기울기와 평면상 보 축선과 직각방향의 수평이동을 동시에 흡수할 수 있는 궤적을 확인하는 단계 ;

   d) 기둥이 중심에서 벗어난 것을 감안하여 좌·우 브라킷 길이를 계산 절단하고, 브라킷의 이형(異形) 고정단을 가공하는 단계 ;

   e) 보 전체 길이에서 좌·우 브라킷 길이를 제외한 중앙부의 표준길이 보를 계산하여 절단하고, 브라킷 고정단을 4분강관토막(44) 외면에 공장용접 하는 단계 ;

   f) 브라킷은 TSC 보의 경우 □형, H형강 보의 경우 H형으로 가공하는 단계 ;

   g) 브라킷이 달린 4분강관토막을 패널존에 현장용점 하고, 브라킷 자유단에 중앙부 표준길이 보를 현장 볼트접합 하는 단계 ;

   h) 각 접합부를 검사하여 확인하고, 원형강관(40) 기둥 내부에 콘크리트(41)를 타설하는 단계 ;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하실 하향 공법 과정에서 편심, 경사, 비틀리게 시공된 기둥을 수정하는 공법
2. 제1항에 있어서,

   4분강관토막은 기둥으로 사용하는 원형강관(40)과 동일 강종으로 원형강관을 1/4 토막으로 절단 후, 용접 여유공간을 고려하여 절단 개선하며 ; 및

   보 춤 보다 상·하 각각 50mm 이상 크고, 기둥 외경과 동일한 내경으로 제작하여 원형기둥에 용접접합 되는 것을 특징으로 하는 지하실 하향 공법 과정에서 편심, 경사, 비틀리게 시공된 기둥을 수정하는 공법

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