[논문]yLRC 강재기둥의 구조적 특성과 시공사례

강지연; 김형근

문제 정의

본 기술개발의 목적은 기본적으로 시공 현장에서 가장 인력과 시간이 많이 소요되는 공정인 거푸집 및 철근 배근 작업을 단순화할 수 있는 기둥을 개발하는 것으로 현장 적용성에 주안점을 두었다.
본 연구에서는 기존 합성기둥 개선하여 건축물 구조체공사의 공기단축과 인력절감을 목표로, 구조 부재의 사전제작을 통한 현장 작업량을 간소화하는데 연구 주안점을 두었다. 또한 개발공법의 내력실험을 통해 구조 성능을 검증하였고, 실제 건물 시공사례를 통해 현장적용성을 평가하였다.
본 연구에서는 현장작업의 단순화, 시공의 효율성 및 품질향상, 공기단축을 위하여 현장 거푸집작업과 철근작업을생 략할 수 있는 yLRC 강재 기 둥을 개 발하였다. r 형 강을 기둥의 네 모서리에 배치하고 그 사이에 얇은 강판을 용접하여 구조체와 거푸집의 역할을 겸하게 하고, 내부에 콘크리트를 채움으로써, 강재와 콘크리트의 복합구조인 기둥의 구조성능 및 현장적용성을 검토한 결과는 다음과 같다.

제안 방법

1mm내외의 얇은 y형 강판은 그림 3에서 보듯이 콘크리트측압에 충분히 저항하고 콘크리트의 충전성도 개선할 수 있도록 강판을 구부려 접합하는 형태로 제작하였다.
개발된 yLRC 강재기둥의 구조성능 규명 및 이를 통한 현장 적용 가능성 검토의 기초자료를 마련하고자, yLRC 강재 기둥의 축소(2(小200><1, 000(顾)) 및 실물크기 (5(X)x500x 3, 000(nm)) 기둥의 압축강도 실험을 수행하였다.
기존의 특수제작이 필요한 강관을 소재로 하는 CFT기둥과 달리, 시중의 r 형강과 강판을 조합하여 제작하였다. 그러므로 두께를 줄이는데 한계가 있는 CFT기둥을 개선하여, 구조적으로 가장 취약한 기둥의 네 모서리에 r형강을 배치하고 그 사이에 강판을 접합하여 최소의 강재량을 사용하므로 경제적이다.
또한 개발공법의 내력실험을 통해 구조 성능을 검증하였고, 실제 건물 시공사례를 통해 현장적용성을 평가하였다.
또한 기존 여러 합성보와 yLRC 강재기둥의 접합이 용이하도록 대표적인 합성보인 TSC보, MHS보, iTech보, Slim빔을 대상으로 그림 6과 같이 맞춤형 접합부를 개발하였다.
시험시공현장 중 지하주차장(지하 1층, 연면적 70, 105m!, 기본모듈 16.5x7.4m)에 시공된 사례를 바탕으로 yLRC 강재 기둥을 적용한 공사의 경제성을 분석하였다.
앞 장의 구조성능결과, yLRC 강재기둥의 구성요소인 r 형강과 y형 강판이 구조재로서 역할을 하는 것으로 나타났으므로, 이에 대한 실용화를 위해 근린생활시설(6층), 사무동(2층), 공동주택 지하주차장(지상 15층, 지하 1층)의 시험시공을 실시하여 현장적용성을 평가하였다.

이론/모형

yLRC 강재기둥의 실제 적용을 위한 응력산정 및 내력검토는 철근콘크리트 구조이론 및 콘크리트 구조설계기준 (1999)에 따라 산정한다. 이는 강구조 한계상태 설계법 (KBC₂₀®)으로 산정시, 합성기둥 압축재의 구조제한 중 강재 단면적(4)은 총단면적(/、)의 3%이상이어야 하나, yLRC 강재기둥의 경우 이 제한을 만족하지 못한다.

성능/효과

(1) yLRC 강재기둥의 구조성능을 기둥의 압축강도 실험을 통해 고찰한 결과, 축소 및 실물모형 실험에서 실험체의 최대내력이 RC기둥의 설계강도보다 약 10% 이상 크게 나타났다. 따라서 yLRC 강재기둥의 강도는 안정적인 여유를 가지고 신뢰할 수 있는 우수한 결과를 보이며, 설계법도 RC기둥과 동일하게 강도를 산정하여 적용할 수 있는 것으로 평가되었다.
(2) 현장적용성을 기존공법과 비교분석한 결과, 현장 거푸집 공사를 없애고 복잡한 공정을 단순화시켜 인력 절감과 공기단축이 크다고 평가되었다. 특히 3일에 1개 층 시공이 가능하여 6층 건물시공시 RC구조에 비해 1 개월 정도의 공기가 단축되므로 그 효과가 뛰어나다.
(3) 경제적인 측면에서 기존 철근콘크리트구조에 비해 제작비 등의 직접공사비는 약 30%증가하였으나, yLRC 강재기둥을 적용하였을 경우 공기단축 및 이에 따른 금융비용 감소 등으로 총 공사비가 약 12% 정도 감소하는 결과가 나타났다. 또한 무거푸집 공법으로 거푸집 폐기비용을 절감할 수 있으며, 현장 인력의 절감, 품질향상으로 인한 보수비용절감 등 경제적 파급효과가 클 것으로 기대된다.
구조재로 거동함을 확인할 수 있었다. r 형강의 단면 크기와 강종, 보강철근의 개수가 증가할수록 최대하중은 증가하였으며 특히 보강철근의 효과가 큰 것을 알 수 있었다.
yLRC 강재기둥 적용시, 공기단축과 현장관리비 절감에 따른 금융비용 절감으로 간접비용이 감소하여 표 3에서 나타난 바와 같이, 기둥의 전체 공사비는 약 12.4%가 절감되었다.
yLRC 강재기둥의 축소 및 실물모형 실험 결과, 주요변수인 r 형강의 단면적에 비례하여 기둥의 최대하중이 증가하여 r 형강이 구조재로 거동함을 확인할 수 있었다. r 형강의 단면 크기와 강종, 보강철근의 개수가 증가할수록 최대하중은 증가하였으며 특히 보강철근의 효과가 큰 것을 알 수 있었다.
「형강과 y형 강판은 3점 점용접 (spot welding)으로 부착하며, RC기둥의 띠철근이 가지는 강도이상 발휘하는 것을 시험을 통해 확인하였다.
크게 나타났다. 따라서 yLRC 강재기둥의 강도는 안정적인 여유를 가지고 신뢰할 수 있는 우수한 결과를 보이며, 설계법도 RC기둥과 동일하게 강도를 산정하여 적용할 수 있는 것으로 평가되었다.
먼저 RC기 둥과 yLRC 강재 기 둥, CFT기둥의 개당 기둥공사비를 비교하면, 표 2에서 보는 바와 같이 RC기둥 대비 yLRC 강재기둥은 30.0%, CFT기둥은 84.2%가 증가하였다. CFT기둥이 다소 고가로 나타난 것은 일반적으로 중고층 건물에 적합한 시스템으로, 폭/두께비를 고려한 강관 사이즈를 고려했을 때 지하주차장에 적용하기엔 비경제적이기 때문인 것으로 보인다.
반면 실험값과 철근콘크리트 설계기준에 의한 내력 산정값의 비는 약 110T30%의 범위를 나타내어 잘 일치하는 것으로 나타났다. 그러므로 yLRC 강재기둥의 실제 적용을 위한 내력검토는 철근콘크리트 구조이론 및 콘크리트 구조설계기준 (1999)을 적용하는 것이 적절하다고 판단된다.
이상의 결과에 따라 외부를「형강과 강판을 조합하여 만든 강관을 둘러싸고 내부에 콘크리트를 타설한 형태인 yLRC 강재기둥은「형강이 주근으로, y형 강판은 띠철근으로 이용되어 기존의 RC기둥과 같이 구조재로 적용이 가능하다고 판단되었다.
즉, yLRC 강재기둥은 기존공법인 RC기둥에 비해 직접 공사비는 증가하지만, 공기단축과 현장작업의 최소화로 간접비용이 감소하여, 간접비와 부대비용(현장관리비, 금융비용)까지 고려할 때 공사비 절감효과가 있는 것으로 확인되었다.

후속연구

감소하는 결과가 나타났다. 또한 무거푸집 공법으로 거푸집 폐기비용을 절감할 수 있으며, 현장 인력의 절감, 품질향상으로 인한 보수비용절감 등 경제적 파급효과가 클 것으로 기대된다.
이는 가설작업이 복잡하고 공기가 긴 현장일수록 그 경제적 효용가치가 클 것으로 기대된다.
특히 아파트 지하주차장과 같이 모듈화 대공간 지하구조물의 경우, 규격화된 합성보들과 조합하여 적용된다면 그 효과가 더욱 파급적일 것으로 기대된다.

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