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문제 정의
- 철근공사에서 작업시간을 단축하기 위해 철근 선조립 공법을 사용하고 있지만 철근의 이음을 커플러 이음으로할 경우 많은 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 선조립 커플러 이음 공법의 문제점을 분석한 후 반조립 커플러 이음 공법을 제시한다.
- 따라서 본 연구에서는 기존의 일방향 나사식 커플러 이음방식을 개선한 양방향 나사산 체결방식을 활용한 완전 밀착형 커플러(이하 양방향 나사산 커플러)를 제시하였고, 이를 이용한 철근 이음의 시공성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 기존 선조립 커플러 이음 공법에서 발생할 수 있는 문제점을 개선하기 위하여 반조립 커플러 이음 공법을 제안한다. Figure 3은 반조립 커플러 이음 공법을 나타낸 것으로서 기존 선조립 커플러 이음 공법에 비해 주근을 고정하지 않는 것이 특징이다.
- 본 연구에서는 기존의 일방향 나사산 커플러 이음을 개선한 양방향 나사산 체결방식을 활용한 완전밀착형 커플러를 제안하고 시공성을 분석하였다. 시공성을 분석하기 위해 실물 실험 모형을 설치하여 실험하였다.
- 본 연구에서는 기존의 일방향 나사산 커플러를 개선한 양방향 나사산 커플러를 제안하였으며, 수평철근과 수직 철근을 대상으로 실물 모형 실험을 실시하여 현장 적용가능성을 분석하였다. 수평철근은 매트기초의 수평철근을 대상으로 하였으며, 수직철근의 경우 기존의 선조립 커플러 이음 공법의 문제점을 분석하여 반조립 커플러 이음 공법을 제시하였다.
- 본 연구에서는 양방향 나사산 커플러의 시공성을 평가하기 위해 실물 실험 모형을 설치하여 직접 실험하였다. 실험은 커플러가 활용될 수 있는 매트기초의 수평근과 기둥의 수직방향 주근을 대상으로 두 가지 모형을 제작하여 실시하였다.
제안 방법
- 매트기초의 경우 작업자의 작업 시간을 측정 하여 기존 공법과 정량적으로 비교하였다. 기둥 주근의 경우에는 본 공법의 특성을 활용할 수 있도록 반조립공법을 제안한 후, 작업시간을 측정하여 현장 활용가능성을 검토하였다.
- 상부철근은 양방향 나사산 커플러와 기존 커플러를 D25 3개씩, D29 3개씩을 배치하여 총 열두 개를 배치하여 순서대로 체결할 수 있도록 하였다. 동일한 조건에서 실험하기 위하여 이음할 철근이 100mm 떨어진 위치에서 체결을시작하였으며, 매 실험을 진행할 때마다 실험 순서를 바꾸어 진행하였다. 또한 동일한 조건을 적용하기 위해서 기존 커플러 이음은 커플러가 철근에 체결되지 않은 상태에서 작업을 하는 것으로 보고 각 이음 방법을 비교하였다.
- 그러나 기존 선조립 커플러 이음 공법을 적용 하였을 때 커플러가 완전히 체결되지 않아서 작업시간을 측정할 수 없는 경우 있어 직접적인 비교가 불가능하였다. 따라서 반조립 커플러 이음 공법의 기둥 주근의 커플러 체결 시간만 측정하였다. 띠철근의 결속 시간은 일반 띠철근의 결속 시간과 동일하다고 판단하여 별도로 측정하지 않았다.
- 수직철근의 한쪽 끝을 슬리브에 집어넣어 나사로 체결한 후 모서리에 있는 네 개의 주근에만 띠철근 두 개를 묶어 배근하였다. 또한 기둥 주근을 커플러로 체결한 후 띠철근 결속을 용이하게 하려고 일정한 간격으로 띠철근 두 개를 묶고 나머지 띠철근은 결속된 띠철근 위에 결속하지 않고 얹혀놓는 방식으로 실험하였다. 반조립 철근을 인양하는 장비는 공장 내부에 설치된 크레인으로 하였다.
- 반조립 커플러 이음 공법에서는 철근을 들어 올리는데 필요한 슬리브에 철근 직경보다 약간 크게 구멍을 뚫고, 나사로 고정하여 철근이 고정되지 않고 상하방향으로 자유롭게 움직일 수 있도록 하였다. 또한 기존 선조립 커플러 이음 공법에서는 모든 띠철근을 기둥 주근에 결속하는데 반해 본 공법에서는 두 개 정도의 띠철근만 결속하는 방식으로 하였다. 기둥 주근과 띠철근이 모두 결속되면 커플러 이음부의 철근이 밀착되지 않고 간격이 발생할 수밖에 없기 때문에 주근의 움직임을 어느 정도 허용할 수 있도록 띠철근을 두 개만 결속하였다.
- 동일한 조건에서 실험하기 위하여 이음할 철근이 100mm 떨어진 위치에서 체결을시작하였으며, 매 실험을 진행할 때마다 실험 순서를 바꾸어 진행하였다. 또한 동일한 조건을 적용하기 위해서 기존 커플러 이음은 커플러가 철근에 체결되지 않은 상태에서 작업을 하는 것으로 보고 각 이음 방법을 비교하였다.
- 양방향 나사산으로 가공하면 Figure 1과 같이 커플러를 회전시켜 조일 때 양쪽 철근이 서로 당겨지면서 조여 지기 때문에 간편하게 체결할 수 있으며, 최종적으로 철근끼리 서로 밀착된 상태로 조일 수 있다. 또한 본 연구에서 제안하는 커플러의 경우 Figure 1과 같이 철근의 단부에 요철가공을 하여 커플러로 결합되는 철근이 서로 완전히 밀착시킬 수 있도록 하였다. 현장 작업 측면에서도 커플러 1회 회전에 철근이 양쪽에서 동시에 회전되어 체결되므로 커플러의 회전 횟수를 절반으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
- 실험은 커플러가 활용될 수 있는 매트기초의 수평근과 기둥의 수직방향 주근을 대상으로 두 가지 모형을 제작하여 실시하였다. 매트기초의 경우 작업자의 작업 시간을 측정 하여 기존 공법과 정량적으로 비교하였다. 기둥 주근의 경우에는 본 공법의 특성을 활용할 수 있도록 반조립공법을 제안한 후, 작업시간을 측정하여 현장 활용가능성을 검토하였다.
- Figure 4는 양방향 나사산 커플러의 수평철근 이음 시공성을 분석하기 위하여 설치한 실물 모형을 나타낸 것이다. 매트기초의 일반적인 배근 상태를 재현하기 위하여 하부철근을 300간격으로 배치한 후 상부철근을 커플러로 체결하는데 걸리는 시간을 측정하였다.
- 본 연구에서 제안하는 양방향 나사산 커플러는 현재 사용하고 있는 일방향 나사산 커플러(이하 기존 커플러) 이음과 비교하여 두 가지 점을 개선한 것이다. 기존 커플러는 한 방향으로만 나사산이 가공되어 있으나, 본 공법의 양방향 나사산 커플러는 커플러의 가운데를 기준으로 양쪽의 나사산의 방향이 서로 다르게(오른 나사와 왼 나사가 대칭으로) 가공된 것이다.
- 상부철근은 양방향 나사산 커플러와 기존 커플러를 D25 3개씩, D29 3개씩을 배치하여 총 열두 개를 배치하여 순서대로 체결할 수 있도록 하였다. 동일한 조건에서 실험하기 위하여 이음할 철근이 100mm 떨어진 위치에서 체결을시작하였으며, 매 실험을 진행할 때마다 실험 순서를 바꾸어 진행하였다.
- 수평철근은 매트기초의 수평철근을 대상으로 실험하였다. 수직철근의 경우 기존 선조립 커플러 이음 공법의 문제점을 분석하여 반조립 커플러 이음 공법을 제안한 후 적용하였다. 적용결과 수평철근의 경우 D25와 D29 모두 양방향 나사산 커플러 이음의 체결시간이 기존 커플러 이음보다 짧은 것으로 나타났다.
- 실험은 Figure 6과 동일한 모형으로 총 주근이 열두개로 한 변에 D25가 네 개씩 배치된 기둥으로 실험하였다. 수직철근의 한쪽 끝을 슬리브에 집어넣어 나사로 체결한 후 모서리에 있는 네 개의 주근에만 띠철근 두 개를 묶어 배근하였다. 또한 기둥 주근을 커플러로 체결한 후 띠철근 결속을 용이하게 하려고 일정한 간격으로 띠철근 두 개를 묶고 나머지 띠철근은 결속된 띠철근 위에 결속하지 않고 얹혀놓는 방식으로 실험하였다.
- 본 연구에서는 기존의 일방향 나사산 커플러를 개선한 양방향 나사산 커플러를 제안하였으며, 수평철근과 수직 철근을 대상으로 실물 모형 실험을 실시하여 현장 적용가능성을 분석하였다. 수평철근은 매트기초의 수평철근을 대상으로 하였으며, 수직철근의 경우 기존의 선조립 커플러 이음 공법의 문제점을 분석하여 반조립 커플러 이음 공법을 제시하였다.
- 본 연구에서는 기존의 일방향 나사산 커플러 이음을 개선한 양방향 나사산 체결방식을 활용한 완전밀착형 커플러를 제안하고 시공성을 분석하였다. 시공성을 분석하기 위해 실물 실험 모형을 설치하여 실험하였다. 수평철근은 매트기초의 수평철근을 대상으로 실험하였다.
- 본 연구에서는 양방향 나사산 커플러의 시공성을 평가하기 위해 실물 실험 모형을 설치하여 직접 실험하였다. 실험은 커플러가 활용될 수 있는 매트기초의 수평근과 기둥의 수직방향 주근을 대상으로 두 가지 모형을 제작하여 실시하였다. 매트기초의 경우 작업자의 작업 시간을 측정 하여 기존 공법과 정량적으로 비교하였다.
- 기둥 주근과 띠철근이 모두 결속되면 커플러 이음부의 철근이 밀착되지 않고 간격이 발생할 수밖에 없기 때문에 주근의 움직임을 어느 정도 허용할 수 있도록 띠철근을 두 개만 결속하였다. 이 띠철근은 모서리에 있는 기둥 주근 네 개에만 결속하였으며 내부에 위치한 주근을 결속하지 않고 쉽게 움직일 수 있도록 하여 커플러 체결시 기둥 주근이 서로 밀착될 수 있도록 하였다. 또한 추가로 결속할 띠철근은 결속된 띠철근 위에 올려놓아 추후 쉽게 띠철근을 체결할 수 있도록 하였다.
- 띠철근의 결속 시간은 일반 띠철근의 결속 시간과 동일하다고 판단하여 별도로 측정하지 않았다. 작업 시간 측정은 다우얼 철근에서 100mm 떨어진 위치에서 조립을 시작하는 것으로 보고 시간을 측정하였다.
대상 데이터
- 시공성을 분석하기 위해 실물 실험 모형을 설치하여 실험하였다. 수평철근은 매트기초의 수평철근을 대상으로 실험하였다. 수직철근의 경우 기존 선조립 커플러 이음 공법의 문제점을 분석하여 반조립 커플러 이음 공법을 제안한 후 적용하였다.
- 실험은 Figure 6과 동일한 모형으로 총 주근이 열두개로 한 변에 D25가 네 개씩 배치된 기둥으로 실험하였다. 수직철근의 한쪽 끝을 슬리브에 집어넣어 나사로 체결한 후 모서리에 있는 네 개의 주근에만 띠철근 두 개를 묶어 배근하였다.
데이터처리
- D25와 D29 모두 양방향 나사산 커플러 이음의 체결시간이 기존 커플러보다 짧은 것으로 나타났다. 두 이음 방식의 평균에 차이가 있는지 확인 하기 위해 T-검정을 실시하였으며, D25와 D29 모두 양측 검정에 의한 P값이 매우 작게 나와, 두 방식의 평균이 같다는 귀무가설을 기각할 수 있기 때문에 양방향 나사산 커플러의 체결시간이 짧다고 할 수 있다.
성능/효과
- Table 1과 Table 2는 총 21회 반복 실험한 후 T-검정한 결과를 나타낸 것이다. D25와 D29 모두 양방향 나사산 커플러 이음의 체결시간이 기존 커플러보다 짧은 것으로 나타났다. 두 이음 방식의 평균에 차이가 있는지 확인 하기 위해 T-검정을 실시하였으며, D25와 D29 모두 양측 검정에 의한 P값이 매우 작게 나와, 두 방식의 평균이 같다는 귀무가설을 기각할 수 있기 때문에 양방향 나사산 커플러의 체결시간이 짧다고 할 수 있다.
- 기존 선조립 커플러 이음 공법에서는 선조립된 철근의 전체 무게가 커플러에 작용하기 때문에 커플러를 회전시키는 것이 거의 불가능했으나, 반조립 커플러 이음 공법에서는 철근 한 개의 무게만 커플러에 부가되어 양방향 나사산 커플러를 용이하게 회전시킬 수 있었으며, 비교적 빠른 시간에 체결이 가능한 것으로 실험 결과 나타났다.
- 수직철근의 경우 반조립 커플러 이음 공법을 적용할 경우 기둥 주근 한 개를 약 15초에 체결할 수 있는 것으로 나타났다. 기존 현장 조립 커플러 이음 공법에 비해 작업부담을 줄인 상태에서 쉽고 안전하게 작업할 수 있었으며, 기둥 주근 전체를 현장 조립 커플러 이음만큼 빠르게 체결할 수 있었으며, 띠철근을 조립하는데 걸리는 시간을 단축시킬 수 있었다. 또한 기존 선조립 커플러 이음 공법과 비교해서는 기둥 주근을 완전하게 밀착시킬 수 있었기 때문에 품질 및 비용, 공기 측면에서 충분히 활용가능할 것으로 판단된다.
- 6초이며, 커플러 한 개당 약 15초 정도가 된다. 또한 작업이 반복될수록 작업자의 학습효과가 반영되어 시간이 점점 단축되는 것을 확인할 수 있었으며, 다섯 번째 시험의 경우는 평상시 작업보다 더 빠르게 작업하도록 작업자에게 요구한 경우로서 시간이 매우 단축됨을 확인할 수 있었다.
- 이 경우 철근에 나사산을 가공할 때 한 쪽에는 커플러 나사산의 절반만 가공해도 되지만 다른 한 쪽에는 커플러가 완전히 끼워질 수 있도록 나사산의 개수를 그만큼 더 많이 가공해야 하기 때문에 철근의 내력이 약해질 수 있다. 또한 철근이 밀착된 상태로 체결되었는지 확인하기 위해 철근을 돌려 확인해야 하고, 철근을 돌려 체결해야 하는 경우도 있기 때문에 그만큼 체결시간이 증가하는 것을 알 수 있었다. 산술적으로도 양방향 나사산 커플러와 기존 커플러의 나사산 개수가 동일하다면 기존 커플러에서 커플러의 회전 회수가 두 배 이상 증가하기 때문에 체결 시간에 차이가 있다고 판단된다.
- 실험 결과 현장 조립 커플러 이음 공법과 비교할 때 반조립 커플러 이음 공법은 크레인의 작업시간이 증가하는 문제가 지적될 수 있다. 하지만, 철근공이 작업시 철근의 무게를 느끼지 않아 쉽고 안전하게 작업할 수 있고, 기둥 주근 전체를 기존 커플러만큼 빠르게 체결할 수 있으며, 띠철근을 조립하는데 걸리는 시간을 단축할 수 있다는 장점을 확인할 수 있었다.
- 실험결과 수평철근의 경우 D25와 D29 모두 양방향 나사산 커플러 이음의 체결시간이 기존 커플러 이음보다 짧은 것으로 나타났다. 수직철근의 경우 반조립 커플러 이음 공법을 적용할 경우 기둥 주근 한 개를 약 15초에 체결할 수 있는 것으로 나타났다.
- 수직철근의 경우 기존 선조립 커플러 이음 공법의 문제점을 분석하여 반조립 커플러 이음 공법을 제안한 후 적용하였다. 적용결과 수평철근의 경우 D25와 D29 모두 양방향 나사산 커플러 이음의 체결시간이 기존 커플러 이음보다 짧은 것으로 나타났다. 수직철근은 반조립 형태로 배근할 경우 기둥 주근 한 개를 약 15초에 체결할 수 있는 것으로 나타났다.
- Table 4는 반조립 커플러 이음 공법을 적용한 경우 기둥 주근의 양방향 나사산 커플러 체결 시간을 나타낸 것이다. 커플러 체결시간을 파악하기 위해서 5회 측정한 결과 커플러 전체를 체결하는 데 걸리는 평균시간은 182.6초이며, 커플러 한 개당 약 15초 정도가 된다. 또한 작업이 반복될수록 작업자의 학습효과가 반영되어 시간이 점점 단축되는 것을 확인할 수 있었으며, 다섯 번째 시험의 경우는 평상시 작업보다 더 빠르게 작업하도록 작업자에게 요구한 경우로서 시간이 매우 단축됨을 확인할 수 있었다.
- 실험 결과 현장 조립 커플러 이음 공법과 비교할 때 반조립 커플러 이음 공법은 크레인의 작업시간이 증가하는 문제가 지적될 수 있다. 하지만, 철근공이 작업시 철근의 무게를 느끼지 않아 쉽고 안전하게 작업할 수 있고, 기둥 주근 전체를 기존 커플러만큼 빠르게 체결할 수 있으며, 띠철근을 조립하는데 걸리는 시간을 단축할 수 있다는 장점을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 수직철근은 반조립 형태로 배근할 경우 기둥 주근 한 개를 약 15초에 체결할 수 있는 것으로 나타났다. 기존 현장 조립 커플러 이음에 비해 쉽고 안전하게 작업할 수 있고, 철근을 완전하게 밀착시킬 수 있기 때문에 품질 및 비용, 공기 측면에서 충분히 활용가능할 것으로 판단된다.
- 또한 기존 선조립 커플러 이음 공법과 비교해서 기둥주근을 완전하게 밀착시킬 수 있다는 것을 실험 결과로 확인하였기 때문에 품질 및 비용, 공기 측면에서 충분히 활용가능할 것으로 판단된다.
- 기존 현장 조립 커플러 이음 공법에 비해 작업부담을 줄인 상태에서 쉽고 안전하게 작업할 수 있었으며, 기둥 주근 전체를 현장 조립 커플러 이음만큼 빠르게 체결할 수 있었으며, 띠철근을 조립하는데 걸리는 시간을 단축시킬 수 있었다. 또한 기존 선조립 커플러 이음 공법과 비교해서는 기둥 주근을 완전하게 밀착시킬 수 있었기 때문에 품질 및 비용, 공기 측면에서 충분히 활용가능할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 현장적용성을 평가하기 위해 직접 실물 모형을 제작하여 실험하였지만, 다양한 현장상황을 감안 하기 위해서는 실제 현장에 적용하는 것도 중요할 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서 제시한 반조립 커플러 이음 공법을 적절하게 개선하기 위해 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 반조립 커플러 이음 공법을 적용할 경우 작업자가 기둥주근을 조립할 때 무겁게 들어 올리지 않아도 되기 때문에 안전한 상태에서 쉽게 작업할 수 있을 것으로 판단된다. 반조립 커플러 이음 공법은 커플러 체결 후 나머지 띠철근을 결속해야 하므로 기존 선조립 커플러 이음 공법에 비해 작업속도가 약간 느릴 것으로 예상되지만, 기존 공법에서 커플러로 체결할 때 발생하는 기둥 주근 사이의 간격으로 인해 철근에 과다하게 나사산을 가공해야 하는 문제점을 개선할 수 있고, 기둥 주근 사이의 간격으로 인해 발생할 수 있는 구조적인 문제를 해결하였기 때문에 충분히 활용가능할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 현장적용성을 평가하기 위해 직접 실물 모형을 제작하여 실험하였지만, 다양한 현장상황을 감안 하기 위해서는 실제 현장에 적용하는 것도 중요할 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서 제시한 반조립 커플러 이음 공법을 적절하게 개선하기 위해 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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