[논문]지하철정거장에서의 CFT기둥 설계사례

구정회; 강대완; 조무송

문제 정의

본고에서는 "00시설 사업"의 기본설계 단계에서 지하철 정거장에 국내최초로 적용한 콘크리트충전강관(CFT, Concrete Filled steel Tube)기둥 구조의 설계 및 시공방안에 대해 소개하고자 한다.

가설 설정

.충전되어 있는 콘크리트가 강관의 국부좌굴을 구속하여 좌굴에 따른 강관의 내력 저하를 방지한다.
・ 콘크리트충전기술 - CFT기등은 강관 내부에 콘크리트를 공극 없이 충전하는 것이 필수조건으로, 다이아프램 형식일 경우에는 더욱 주의해야 한다. 유동성이 우수하고, 블리딩과 침하가 적은 콘크리트의 배합계획과 타설 기술이 요구된다.

제안 방법

기둥 하부 연결부는 건축 마감을 고려 앵커볼트가 건축 마감 위로 돌출되지 않도록 계획하였고, 강관기둥내부에 콘크리트가 밀실하게 채워질 수 있도록 시공계획을 수립하였으며 상부 베이스 플레이트 구멍은 트레미관을 고려하여 계획하였다.
대한 우려가 발생할 수 있다. 따라서, 구조해석시 CFT기둥 양단을 Hinge 및 Fix 2가지 Case로 검토하여 불리한 경우를 만족하도록 설계하였다.
설계기준의 정립 또한 미비한 실정이다. 따라서, 본 설계에서는 국내·외 CFT관련 설계기준 및 내화성능기준을 검토하여 합리적인 설계기준을 적용하였다 또한 콘크리트 보와 CFT기둥의연결부에 대한 검토를 통해 보수적인 연결부 처리 방안을 계획하였다.
고품질의 시공 수준을 만족하도록 계획되었다. 또한, 타설 시 버킷에 트레미관을 연결하고, 트레미관 선단부가 타설 콘크리트의 상면으로부터 일정한 깊이로 삽입된 상태를 유지하여 콘크리트 낙하에 의한 재료 분리를 방지하며 타설하도록 하였다. 충전콘크리트는 충전시공 시에 우수한 유동성과 높은 재료 분리 저항성을 가지며, 충전 후에는 강관 내부에 발생하는 압밀에 의한 가압블리딩의 발생을 억제할 수 있도록 배합하였다.
본 설계에서 CFT기둥은『건설교통부 고시 제2005-122호』 에 따라 2시간 내화성능 시간으로 계획하였고, 2시간 내화성능을 확보하기 위해 별도의 건축 마감을 하지 않고 내화도료를 적용하여 CFT의 장점인 Slim 한 기 등을 유지하였다.
본 설계에서는 CFT기등의 내화성능기준을 만족시키기 위해 별도의 내화 피복을 비교. 검토하였으며, 내화 재료별 특징은 다음과 같다.
본 설계에서는 이러한 지하철 정거장의 문제점을 개선하기 위해 CFT기둥을 적용하여, Slim 한 기 등으로 개방감을 확보하고, 이용자 동선 장애를 최소화하여 최적의 정거장 구조물을 계획하였다.
본 설계에서는 정거장 구조물이 지하 4층과 심도 30m 이내로 『건설교통부 고시 제2005-122호』에 의거 2시간 내화성능 기준으로 적용하였으며, 해외 내화 기준인 NFPA(미국), BR(영국), NBC(캐나다) 등의 기준의 적용은 국내 기준의 제시가 미비한 부분에 대해서 추가적으로 검토하였으나, 국내 내화성능 기준과 상충되어 국내 내화성능 기준으로 설계에 반영하였다.
충전콘크리트는 CFT기둥으로서의 구조성능과 품질을 확보하기 위해 강관 내를 밀실하게 충전하였으며, 충진 성능 확보를 위해 고품질의 시공 수준을 만족하도록 계획되었다. 또한, 타설 시 버킷에 트레미관을 연결하고, 트레미관 선단부가 타설 콘크리트의 상면으로부터 일정한 깊이로 삽입된 상태를 유지하여 콘크리트 낙하에 의한 재료 분리를 방지하며 타설하도록 하였다.
콘크리트 보와 CFT기등의 연결부는 지하구조물의 특성상 가시설이 복잡하게 설치되어 있으므로, 시공성을 고려하여 노출형 주각을 적용하였으며, 노출형 주각 적용시 강결구조(모멘트, 전단력, 축력 전달)를 적용할 경우 베이스 플레이트가 과대해지고, 주 각부가 복잡하므로 힌지 구조연결부 적용상세는 다음과 같이 적용하였다.

이론/모형

상황이다. 따라서, 구조설계기준은 건축구조설계기준(KBC 2005)를 적용하였으며, 해외기준인 Eurocode 및 AISC-LRFD는 국내 기준의 제시가 미비한 부분에 대해서 추가적으로 검토하였다.

성능/효과

. 콘크리트 충전법 - 강관에 콘크리트를 충전하는 방법은 위 에 서부터 트레 미 관을 사용하여 타설하는 상부 타설 법 과 기둥 하부에 압입구멍을 만들어 하부로부터 콘크리트를 충진하는 압입법이 있으며, 일반적으로 압입법이 품질이 우수한 것으로 검토되었다.
CFT기둥 적용 시 기둥 구조물 자체만을 고려했을 경우 재료 변경에 따른 약간의 공사비 증가가 있지만, 건축마감을 고려할 경우 CFT기등은 내화도료 이외에 별도의 건축마감이 불필요해 전체 공사비는 감소하는 것으로 나타나, 경제성이 우수한 것으로 판단된다.

후속연구

아직 국내 토목 분야에서는 CFT구조의 적용이 활발히 이루어지고 있지는 않으나, 기둥단면의 감소, 우수한 내화 성능, 공기의 단축 등 여러 가지 장점을 가지고 있으므로 더욱 활발한 연구와 적용성 검토가 이루어져야 한다고 생각된다. 이를 위해서는 충전에 적합한 고강도.
또한, 정거장이 고층화, 대형화되면서 지진에 보다 효율적으로 저항하는 구조에 대한 필요성도 절실하다. 이러한 상황에 효과적으로 대처하기 위한 새로운 구조로써 합성구조(Hybrid or Mixed Structure)-S] 하나인 CFT구조가 대안으로서 검토될 필요성이 있는 것으로 판단된다.

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