KR101210368B1 - 커플러와 볼트를 활용하여 가설 흙막이벽과 지하실 외벽을 일체화하는 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선시공된 지하실 굴토용 가설 흙막이벽을 구성하는 엄지말뚝(1) 또는 CIP(2)를 후시공하는 지하실 외벽과 전단연결재를 활용하여 물리적으로 일체화시켜 영구적으로 합성내력을 발휘하게 하는 공법이다.

H형강 엄지말뚝은 보링한 구멍에 H형강을 삽입하고 빈 공간에 콘크리트를 채워 넣은 것이고, CIP는 보링한 구멍에 철근망을 삽입한 후 콘크리트를 부어넣은 것인데, H형강과 철근망을 보링구멍에 삽입하기 전에 커플러를 부착하여 굴토 후에 시공하는 지하실 외벽과 일체화시키는 매개체로 활용하는 방법이다. 커플러는 시어커넥터(Shear Connector)의 역할을 하는 볼트와 타이바를 연결하는데 활용한다. 보링공 내에 콘크리트를 부어 넣을 때 커플러 자유단의 끝 단부가 콘크리트로 막히는 것을 차단하기 위해 가설마개(7)를 부착한다.

흙파기 공사가 끝나면 엄지말뚝과 CIP의 노출면을 청소 후 커플러가 부착된 위치를 찾아 가설마개를 제거하고, 볼트를 돌려 채워 전단연결재로 활용하며 후속 공정인 철근콘크리트 외벽을 합벽으로 시공한다. 이 때 상기 커플러 중 일부는 필요에 따라 외벽 거푸집 시공을 위한 타이바 부착용으로 활용할 수 있다. 상기 타이바도 볼트와 동일하게 전단연결재 역할도 겸하는 것은 당연하다.

Description

커플러와 볼트를 활용하여 가설 흙막이벽과 지하실 외벽을 일체화하는 공법{Uniting Method of Temporary earth wall with basement exterior Wall using Couplers and Bolts.}

본 발명은 지하실 축조를 위한 가설 흙막이벽의 주종을 이루는 통칭 CIP공법의 H형강 엄지말뚝과 철근콘크리트 말뚝을 커플러와 볼트를 활용하여 지하실 외벽과 일체화시켜 합성내력을 발휘하게 하는 공법이다.

국내의 지하실 공사는 가설 흙막이벽의 설계와 시공, 감리업무를 토질기초기술자에게 맡기고 지하실 본체는 건축기술자가 담당하도록 별도로 발주하는 것이 관행이다. 또한 '가설구조'라는 뜻은 본체 공사를 하기위한 임시구조로 마치 콘크리트 공사에서의 거푸집처럼 후에 회수하여 재활용하는 것으로 인식하고 있다. 그러나 CIP공법은 지반에 구멍을 뚫고 그 구멍에 H형강이나 철근망을 삽입하고 콘크리트를 부어넣은 말뚝이어서 지하실 본체 공사가 완료된 후 이를 해체하는 것이 오히려 어려우며 영구히 그 자리에 방치하는 것이 대부분이다.

H형강은 별도 보호조치 없이 땅에다 그대로 삽입해도 훌륭하게 영구말뚝 구실을 하는 고급 재료인데 여기서 사용하는 엄지말뚝은 구멍 속에 H형강(1)을 삽입 하고 남은 공간에다 콘크리트(5)를 채운 것이므로 일반 H형강 말뚝보다도 내구성이 더 좋은 고급구조재이다. 또한 CIP라는 현장타설 콘크리트 말뚝도 품질관리만 잘 하면 훌륭한 영구구조재로서 손색이 없는 원형말뚝 또는 기둥임에도 불구하고 가설 흙막이벽이라는 이름 때문에 그대로 방치하고 있는 실정이다. 한편 일부 구조기술자들은 상기 H형강 엄지말뚝에 한해 지하실 외벽과 합성설계 하여 지하실 외벽(10) 단면을 줄이는 시도를 하고 있다. 그러나 H형강 엄지말뚝은 콘크리트 속에 묻혀 있어서 이를 노출시키기 위한 까내기 작업의 어려움 때문에 이를 포기하는 경우가 많다. 또한 [도 6]과 같이 소음, 먼지를 무릅쓰고 H형강을 노출시킨 후에도 현장에서 스터드 시어커넥터(9)를 용착시키기 위한 대용량 전력 적어도 80KVA가 추가로 필요하여 별도 발전기를 준비하여야 하는 어려움을 겪기도 한다. 그러므로 건축물 본체를 설계 할 때에는 대부분 상기 가설 흙막이벽을 없는 것으로 간주하여 방치하고 건축기술자가 별도의 지하실 외벽을 설계하여 시공하는 것이 대부분인데 이는 자원 낭비이기도 하지만 좁은 대지여건상 지하실 면적을 조금이라도 더 확보하고자 하는 건축주의 염원을 묵살하는 아쉬움이 있다.

예를 들어 지하실 크기가 100m × 50m일 경우 일반적으로 사용하는 CIP 굵기가 450mm일 경우 [도 3]과 같이 통상의 설계방법으로 필요한 합벽의 두께가 400mm라고 하면, 본 발명의 합성외벽 적용으로 [도 2]와 같이 250mm 두께를 절감할 수 있다. 그러므로 절감되는 지하실 1개 층의 바닥 면적은 0.25×(100+50)×2=75m² 이다. 물론 벽체두께 절감에 따르는 콘크리트와 철근량 감소도 자원절약과 공사비절 감에 큰 도움이 된다.

CIP 가설 흙막이벽을 구성하는 H형강 엄지말뚝과 현장타설 철근콘크리트 말뚝의 까내기 작업을 생략하면서도 지하실 외벽(10)과 손쉽게 일체화 하여 합성외벽(20)을 조성할 수 있는 공법을 마련하는 것이 기술적 과제이다. 또한 소규모 현장의 실정상 현장에서 대용량 전류를 필요로 하는 스터드 시어커넥터의 용착작업을 생략할 수 있는 공법이 바람직하다. 한편 흙막이벽과 지하실 외벽을 합벽시공 하려면 외벽 거푸집이 지하실 내부 한 면만 있어서 좋은 반면, 상기 거푸집이 콘크리트 압력을 받기 위하여 거푸집 면을 잡아주는 타이바 설치가 불가능하여 불편하므로 이를 해결하여야 한다.

본 발명에서는 가설 흙막이 벽체를 흙파기 공사 후에 시공하는 건축물 본체 지하실 외벽과 일체화시키기 위한 수단으로 CIP 공법의 H형강 엄지말뚝과 철근콘크리트 말뚝에 커플러를 사전 용접해 두는 방법을 활용한다. 상기 커플러 중 일부는 후에 지하실 외벽을 시공하기 위한 거푸집 고정용 타이바 연결고리로 활용한다.

대부분 공사현장에서는 CIP를 가설 흙막이벽이라는 이름으로 지하실 공사중에만 일시적으로 사용하지만, 이를 건축물의 지하실외벽 본체와 일체화하여 합성외벽을 조성하면 지하실 면적 활용이 극대화 되고 공사기간 및 공사비가 절감되는 효 과가 있다. 실제로 [도 8]과 같이 공사 현장에서 흔히 사용하는 400mm 굵기의 CIP 흙막이 벽체를 예로 설명하면 이를 동등한 두께의 철근콘크리트 벽체로 환산하면 314mm 두께에 HD25mm 철근을 2열로 115.4mm 간격으로 배근한 것과 같은 효과가 있다. 이는 일반적인 지하실 벽체 설계에서 배근하는 철근량에 비하여 적어도 3배 이상의 부(富)배근에 해당된다. 또한 상기 철근은 내부에 추가하는 철근콘크리트 벽체와 합성설계 할 경우 수직 외부근의 역할을 담당하게 되는데 지하실 외벽의 휨모멘트는 [도 9]와 같이 벽체 외부단부의 휨모멘트(M _e ) 값이 벽체 내부중앙 모멘트(M _c )의 2배가 되므로 내부에 추가하는 수직 내부근은 수직 외부근 소요량의 절반 정도면 되므로 경제적인 효과가 지대하다(수직 외부근은 계산상 소요철근량의 3배 이상이 되므로 보강이 불필요하다).

본 발명은 지하실 굴토를 위한 CIP 가설 흙막이벽을 지하실 외벽과 일체화하여 합성내력을 발휘하게 하고, 영구구조화 하는 공법으로 다음과 같은 단계로 작업을 진행한다.

(1) 가설 흙막이벽이 설치될 곳에 보링으로 구멍을 뚫고 엄지말뚝(H형강)과 철근망을 제작한다. H형강의 크기와 철근망에 필요한 철근의 개수, 콘크리트 강도 등은 기존에 적용하던 방법에 준한다.

(2) [도 4], [도 5]와 같이 CIP 가설 흙막이벽의 엄지말뚝에 정해진 간격으로 커플러(6)를 용접한다. 말뚝용 철근망에는 커플러를 용접한 커플러받이강판(99) 을 2개의 주근에 걸쳐 정해진 간격으로 용접한다. 커플러받이강판의 외형은 띠철근의 곡률과 동일하게 한다.

(3) [도 1]과 같이 커플러 한 쪽은 용접으로 고정하고 반대편 자유단은 일정 구간 구멍이 뚫려 있으며, 구멍에는 나사산이 제작되어 있고 콘크리트가 볼트구멍에 유입하지 않도록 가설마개(7)를 삽입하여 막는다. 가설마개는 후에 제거하기 쉽도록 변형특성이 양호하고 적당한 강도를 지니고 있어서 쉽게 파손되지 않는 경질 스펀지 또는 합성고무제로 제작하며, 커플러의 볼트구멍에도 일부 삽입되어 콘크리트를 부어넣는 동안에는 탈락하지 않지만 제거할 때는 어려움이 없게 한다.

(4) [도 2]와 같이 가설마개가 지하실을 향하게 하여 통상의 방법으로 가설 흙막이벽의 엄지말뚝과 철근망을 보링구멍에 삽입하고 콘크리트를 타설한다.

(5) 스트럿이나 어스앵커 등 통상의 방법으로 상기 흙막이벽을 지지하면서 흙파기 작업을 마치고, 노출된 흙막이벽 표면을 청소한 후 가설마개(7)를 제거한다.

(6) 엄지말뚝과 철근콘크리트 말뚝에 노출된 커플러 구멍에 시어커넥터 역할을 할 볼트(66)를 체결한다.

(7) [도 2]와 같이 지하실외벽의 수직내부근(11)과 수평내부근(12)의 철근을 배근한다. 철근배근은 일반 지하실외벽 [도 3]과 달리 단근배근을 하며, 이는 기존 H형강 엄지말뚝과 CIP 말뚝의 철근이 합성된 지하실 벽체의 외부철근 역할을 하기에 충분하기 때문이다.

(8) 거푸집은 [도 7]과 같이 지하실 면에만 설치하면 되므로 콘크리트를 타 설할 때의 측압은 H형강 엄지말뚝이나 CIP 철근콘크리트 말뚝에 부착한 커플러 중 필요한 위치에 볼트 대신 타이바를 끼우면 인장재 구실을 하기에 충분하다. 타이바는 상기 (6)항의 볼트와 동등 이상의 전단연결재 역할을 겸하며, 강봉 양단부 또는 전장에 걸쳐 나사산을 조성한 것이다.

도 1은 엄지말뚝과 현장타설 콘크리트 말뚝에 가설마개로 자유단을 막은 커플러를 부착한 평면도와 입면도, 사시도

도 2는 가설 흙막이벽을 지하실 외벽의 일부로 영구화한 합성외벽의 평면도,

도 3은 통상의 가설 흙막이벽과 지하실 외벽을 합벽한 평면도,

도 4는 H형강 엄지말뚝에 전단연결재로 활용할 볼트 부착용 커플러를 용접한 부분 상세도,

도 5는 현장타설 콘크리트말뚝 철근망에 전단연결재로 활용할 볼트 부착용 커플러를 용접한 부분 상세도,

도 6은 통상의 H형강 엄지말뚝에 스터드 시어커넥터를 용착한 부분 상세도,

도 7은 타이바를 활용하여 거푸집을 고정하는 개념도,

도 8은 가설 흙막이벽을 철근콘크리트 벽체로 환산하였을 때의 비교 평면도,

도 9는 벽체에 발생하는 휨모멘트 개념도 및 경제적 효과이다.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

1 : 엄지말뚝(H형강)

2 : CIP(Cast In Place concrete Pile) = 현장타설 콘크리트말뚝

3 : 주근 4 : 띠철근

5 : 콘크리트 6 : 커플러

66 ; 볼트 7 : 가설마개

9 : 스터드(Stud Shear Connector) 99 : 커플러받이강판

10 : 지하실 외벽 11 : 수직 내부근

12 : 수평 내부근 13 : 수직 외부근

14 : 수평 외부근 20 : 합성외벽

21 : 타이바 22 : 거푸집

30 : 철근망

Claims (1)

1. 가설 흙막이벽을 지하실 외벽(10)으로 활용함에 있어서,

   (a) 현장타설 콘크리트말뚝(2)의 엄지말뚝(1)과 철근망(30)을 제작하는 단계 ;

   (b) 상기 철근망에는 띠철근의 곡률과 동일하게 가공한 커플러받이강판(99)을 두 개의 주근 외측에 용접으로 고정하는 단계 ;

   (c) 커플러(6)를 엄지말뚝의 플랜지와 커플러받이강판에 지하실 방향으로 용접으로 고정하는 단계 ;

   (d) 상기 커플러에 있어서, 용접으로 고정되는 반대편의 자유단은 커플러 내부에 구멍이 뚫려 있고 구멍 내부에는 나사산이 있으며, 구멍을 가설마개(7)로 막은 후 보링구멍에 엄지말뚝의 H형강과 철근망을 삽입하는 단계 ;

   (e) 엄지말뚝(1)과 철근망(30)을 삽입한 보링구멍에 콘크리트를 채우는 단계 ;

   (f) 흙파기 작업을 진행하여 가설 흙막이벽 표면이 노출되면, 커플러의 가설마개를 제거하고 노출된 볼트구멍에 볼트를 채우는 단계 ;

   (g) 지하실 외벽의 철근을 배근하고, 거푸집 설치와 타이바(21) 고정 후 콘크리트를 타설하는 단계 ;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 커플러를 활용하여 가설 흙막이벽과 지하실 외벽을 합성하는 공법

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