KR101631447B1 - 콘크리트 충진 강관기둥과 합성보를 이용한 지하구조물의 역타공법 - Google Patents

콘크리트 충진 강관기둥과 합성보를 이용한 지하구조물의 역타공법 Download PDF

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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02DFOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D29/00Independent underground or underwater structures; Retaining walls
    • E02D29/045Underground structures, e.g. tunnels or galleries, built in the open air or by methods involving disturbance of the ground surface all along the location line; Methods of making them

Abstract

본 발명은 콘크리트 충진 강관기둥과 합성보를 이용하여 강재의 사용량을 줄이면서 보의 춤을 절감시켜 슬림플로어를 도모할 수 있는 지하구조물의 역타공법에 관한 것으로서, a) 흙막이 벽체를 구축하는 단계; b) 기둥을 설치하는 단계; c) 부분굴토를 완료한 후 합성보와 슬래브로 이루어지는 바닥구조체를 설치하는 과정을 반복하여, 지상 1층으로부터 지하 최하층까지에 대한 바닥구조체의 설치를 완료시키는 단계;를 포함하여 이루어지되, 상기 b) 단계에서 지중에 설치되는 기둥은 콘크리트 충진 강관기둥으로 이루어지고, 상기 기둥의 외면에는 한 쌍의 거더 거치대와 한 쌍의 데크 거치대로 이루어지는 브라켓 유닛이 설치되며, 상기 적어도 지하 1층 이하에서의 기둥과 바닥구조체의 접합은 시공중에 모멘트 재분배과정을 통해 상기 접합된 부위에서는 바닥구조체의 자중을 제외한 나머지의 하중에 의한 휨모멘트만이 발생되도록 하고, 상기 합성보를 구성하기 위한 거더는 브라켓 유닛의 거더 거치대에 거치되면서 일방향 슬래브 구조를 가지도록 하는 복합조립체이며, 상기 흙막이 벽체와 슬래브 사이에는 래티스 지지체를 매개로 하여 연결되되, 흙막이 벽체의 배면토압의 전부를 상기 래티스 지지체가 직접 슬래브에 전달하도록 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

콘크리트 충진 강관기둥과 합성보를 이용한 지하구조물의 역타공법{Top-Down method of underground structure using the CFT and the Composite Beam}
본 발명은 지하구조물의 시공방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 콘크리트 충진 강관기둥과 합성보를 이용하여 강재의 사용량을 줄이면서 보의 춤을 절감시켜 슬림플로어를 도모할 수 있는 지하구조물의 역타공법에 관한 것이다.
역타공법(Top-Down Method)이라 함은 흙막이 벽체를 구조체로 시공하고, 지반을 굴토하면서 슬래브 등 지하구조물을 구축해가는 공법을 말한다.
이러한 역타공법은 지하구조물의 구축과 동시에 순타에 의해 지상건축물을 구축할 수 있어 공기가 대폭 감축되고, 역타에 의해 시공되는 보나 슬래브와 같은 바닥구조체가 흙막이 벽체를 지지하기 때문에 별도의 버팀대를 사용하지 않게 되어 작업공간을 충분히 확보할 수 있고 자재사용량을 감소시키는 등 시공의 용이성 및 경제성을 확보할 수 있으며, 인접 건물에 대하여 미치는 영향이 다른 공법에 비하여 현저히 줄일 수 있기 때문에 도심지에서 가장 안전하게 시행될 수 있는 공법이다.
역타공법에 의한 지하구조물의 시공은, 흙막이 벽체의 구축이 완료되면 본 기둥용 철골기둥을 지중에 근입시키고, 굴토를 시행하면서 흙막이 벽체를 지지하기 위한 보나 슬래브와 같은 바닥구조체를 상기 철골기둥에 지지시키면서 역타로 구축하는 단계를 반복 시행하여 기초바닥콘크리트까지 완성시킨 후, 철골기둥에 철근을 배치하고 순타로 본기둥을 완성시키게 된다.
따라서 본 기둥이 완성되기 전의 철골기둥은 본 기둥의 내력과 관계없이 각 층의 바닥구조체 등 시공하중을 지지해야 하므로 과다설계될 수 밖에 없으며, 이는 강재의 과다 사용이라는 비경제적인 문제점을 야기시킨다.
또한 상기한 철골기둥으로 보통 사용되고 있는 H형강은 강축과 약축이 존재하고 있어 약축에 대한 횡좌굴을 고려해야 하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 콘크리트 충진 강관기둥을 역타공법에서 사용하고자 하는 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
소위 CFT(Concrete Filled steel Tube) 강관기둥이라 불리는 상기의 콘크리트 충진 강관기둥은, 철판을 절곡하여 사각 또는 원형의 강관형상으로 제작한 후, 상기 강관의 내부에 콘크리트를 충전한 구조를 말하는 것으로서, 얇은 외피를 이루는 강관이 그 내부에 충전된 콘크리트를 구속시키기 때문에 매우 높은 강성과 함께 내진, 내화성능도 우수할 뿐 아니라 강축과 약축이 존재하지 않아 효율적인 단면설계가 가능해 그 사용의 예가 점차적으로 증가하고 있다.
이러한 콘크리트 충진 강관기둥에 철골보나 합성보를 강접합시키고자 하는 경우에는 그 접합부위에서 외피, 즉 강판 찢어져 국부 파괴가 일어나거나 심한 경우 접합부가 조기에 파단되는 경우가 발생할 수 있어 이에 대한 보강수단이 필수적으로 요구되고 있으며, 이러한 보강수단으로 접합부에 다이아프램(diaphram)이라는 보강수단을 사용하여 휨하중을 대응하도록 하고 있다.
그런데 콘크리트 충진 강관기둥을 지하구조물의 역타공법에 적용할 때는 지하의 굴토 공간이라는 좁고 열악한 작업공간에서 시공오차를 반영하여 재단하고 용접하는 등의 다이아프램 설치작업을 진행하는 것이 매우 어렵다.
또한 역타공법을 적용할 때에는 지상1층 부분을 제외한 지하 1층 이하의 바닥층에 대하여는 하중이 크지 않으므로 핀접합부로 설계하여 시공성을 높이고, 매우 큰 하중이 작용되는 지상 1층에 대하여만 강접합시키는 방안들이 많이 적용되고 있다.
이러한 경향은 2011년 1월 10일에 공고된 등록특허공보 등록번호 10-1006411호의 'CFT기둥을 이용한 철골조 역타설 시스템 및 방법'이라는 명칭의 발명으로부터 확인할 수 있다.
도 1은 상기한 10-1006411호의 CFT기둥을 이용한 철골조 역타설 시스템을 설명하고 있다. 상기한 종래기술은 도 1에서 설명하고 있는 바와 같이, 지하층의 바닥 골조를 구성하는 지지거더가 각 CFT 기둥에 용접 설치된 접합플레이트에 볼팅되어 고정되는 핀 접합으로 각 CFT 기둥에 접합되고, 상기 지상 1층의 바닥 골조를 구성하는 지지거더가 각 CFT 기둥의 상단에 연장 시공된 소켓 기둥에 볼팅 및 용접에 의해 고정되는 강 접합으로 각 CFT 기둥에 접합되도록 함으로써 지하 1층 이하에 대한 지지거더의 접합 시공의 용이성을 도모하고 있다.
그런데, 이러한 핀접합구조는 다른 한편으로 거더의 춤을 증가시켜 층고를 크게 할 수 밖에 없고, 이는 결국 굴토의 깊이를 크게 해야한다는 또 다른 문제점을 야기시킨다.
즉 강접합구조에서는 도 2의 (a)에서와 같이, 거더의 단부와 중앙부에 휨모멘트가 각각 분산되는 효과가 있으나, 핀접합구조에서는 도 2의 (b)에서와 같이 강접합구조의 거더 단부에 발생하는 휨모멘트가 중앙부로 이전되는 결과가 되어 거더의 중앙부에 대하여는 그 만큼 거더의 춤을 크게 설계해야 한다.
다른 한편으로, 거더를 CFT 기둥에 일반적인 방법으로 강접합시키는 경우에는 도 2의 (a)에 도시된 것 처럼, 거더의 단부에 최대휨모멘트가 발생되는 바 이를 기준으로 거더를 설계할 경우 중앙부에서는 과다설계가 이루어질 뿐 아니라, 거더 단부의 접합부에 대한 CFT 기둥의 보강을 충분히 해주어야 하나, 이를 위한 다이아프램의 설치가 용이하지 않다는 점은 앞서 설명한 바와 같다.
따라서 도 2의 (c)에서와 같이, 거더 단부에 발생하는 최대휨모멘트의 일부를 재분배시켜 거더 단부와 중앙부에서 비슷한 휨모멘트가 발생되도록 하는 것이 거더 단면을 경제적으로 설계할 수 있게 한다는 점에서 바람직한 것이다.
KR 10-1006411 B1
본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결함으로써 지하구조물의 경제적인 시공방법을 제안하기 위한 것으로서, 부재 단면의 효율적인 설계와 강재 사용량의 절감을 도모함과 아울러 슬림플로어의 구조를 가지는 지하구조물의 역타 시공방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 응력전달을 명확하게 할 수 있는 구조를 가지도록 하여 구조적 안정성을 도모하고, 공기를 단축시킬 수 있도록 시공의 용이성을 도모할 수 있는 지하구조물의 역타 시공방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 의하면, a) 흙막이 벽체를 구축하는 단계; b) 기둥을 설치하는 단계; c) 부분굴토를 완료한 후 합성보와 슬래브로 이루어지는 바닥구조체를 설치하는 과정을 반복하여, 지상 1층으로부터 지하 최하층까지에 대한 바닥구조체의 설치를 완료시키는 단계;를 포함하여 이루어지되, 상기 b) 단계에서 지중에 설치되는 기둥은 콘크리트 충진 강관기둥으로 이루어지고, 상기 기둥의 외면에는 한 쌍의 거더 거치대와 한 쌍의 데크 거치대로 이루어지는 브라켓 유닛이 설치되며, 상기 적어도 지하 1층 이하에서의 기둥과 바닥구조체의 접합은 시공중에 모멘트 재분배과정을 통해 상기 접합된 부위에서는 바닥구조체의 자중을 제외한 나머지의 하중에 의한 휨모멘트만이 발생되도록 하고, 상기 합성보를 구성하기 위한 거더는 브라켓 유닛의 거더 거치대에 거치되면서 일방향 슬래브 구조를 가지도록 하는 복합조립체이며, 상기 흙막이 벽체와 슬래브 사이에는 래티스 지지체를 매개로 하여 연결되되, 흙막이 벽체의 배면토압의 전부를 상기 래티스 지지체가 직접 슬래브에 전달하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충진 강관기둥과 합성보를 이용한 지하구조물의 역타 시공방법이 제공된다.
본 발명은 종래 철골부재 중심으로 사용되어 왔던 역타공법에 콘크리트 충진 강관기둥과 복합조립체를 이용한 합성보를 적용시킴으로써 강재의 사용량을 줄이고, 부재의 경량화와 슬림화 및 층고의 절감을 구현할 수 있어 뛰어난 경제적 효과를 발휘하게 한다.
또한 본 발명은 부재의 경량화와 함께, 기둥과 합성보의 접합구조를 단순화시키면서도 시공오차에 따른 보정작업을 생략할 수 있어 시공성을 향상시키는 효과를 발휘하게 한다.
또한 본 발명은 흙막이 벽체의 배면토압에 대한 응력전달을 명확하게 하므로 구조적 안정성을 확보할 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술의 CFT기둥을 이용한 철골조 역타설 시스템에 관한 설명도이다.
도 2는 기둥과 보의 접합구조에 따른 휨모멘트도이다.
도 3은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 적용되는 기둥부재, 합성보를 위한 복합조립체 및 래티스 지지체의 각 도면이다.
도 4, 5는 본 발명의 브라켓 유닛의 각 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 래티스 지지체가 적용된 본 발명의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 7 내지 11은 본 발명의 일 실시예에 의해 지하구조물을 구축하는 과정을 설명하기 위한 단계별 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명을 설명함에 있어 공지의 구성을 구체적으로 설명함으로 인하여 본 발명의 기술적 사상을 흐리게 하거나 불명료하게 하는 경우에는 위 공지의 구성에 관하여는 그 설명을 생략하기로 한다.
또한 본 발명을 설명함에 있어 '기둥'과 '콘크리트 충진 강관기둥'이라는 용어가 혼용 사용되고 있는 바, 이는 설명하고자 하는 기술 내용을 보다 구체적으로 설명하거나 편의상 간단히 설명하기 위한 것으로, 이들은 기능 또는 구성방식에 따라 달리 표현한 것일 뿐 특별히 다른 구성임을 나타내기 위한 것이 아님에 유의하여야 한다.
본 발명에 의한 역타공법은 강재와 콘크리트 내지 철근콘크리트를 효율적으로 조합시킴으로써 강재의 사용량을 절감시키면서도 철골조의 뛰어난 시공성을 발휘하게 하고, 이와 더불어 철근콘트리트조의 경제성을 함께 가질 수 있게 한다. 또한 흙막이 벽체(500)의 배면토압에 대한 응력전달과정을 명확히 함으로써 구조적인 안정성을 충분히 확보할 수 있게 한다.
이를 위하여 본 발명에 의한 역타공법에서는, 기둥부재로 콘크리트 충진 강관기둥이 사용되고, 상기의 기둥부재에는 복합조립체(210)와 콘크리트(C)로 이루어지는 합성보(200)가 강접합되며, 흙막이 벽체(500)와 슬래브(400)의 사이에는 래티스 지지체(300)가 설치된다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 의해 지하구조물을 역타로 시공할 때 가장 바람직하게 적용될 수 있는 상기의 기둥부재와, 합성보(200)를 위한 복합조립체(210) 및, 래티스 지지체(300)의 예를 각각 도시하고 있다.
본 발명에서 사용되는 콘크리트 충진 강관기둥용 강관은 강축과 약축이 존재하지 않는 형상을 가지는 것, 예컨대 사각단면이나 원형단면의 것이 모두 사용 가능하나, 보다 바람직하게는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 강판을 절곡시킨 ㄱ자형 단위부재(111)를 용접하여 사각단면으로 형성시킨 것으로서, 상기 ㄱ자형 단위부재(111)의 양 측단부에는 앵커형의 리브(111a)가 형성된 사각강관이 사용된다.
사각강관은 강축과 약축이 없는 대칭 단면을 이루고 있어 H형강보다 좌굴내력이 증가되므로 기둥의 설치 깊이를 H형강보다 더 깊게 할 수 있고, 더욱이 상기한 사각강관의 리브(111a)는, 강관 내부에 충진되는 콘크리트와의 마찰면적을 증가시키고, 콘크리트의 구속력을 증가시키므로, 일반적인 콘크리트 충진 강관기둥보다도 더 우수한 구조성능을 가지게 된다.
도 3의 (b)에 도시된 복합조립체(210)는 하부플랜지(211)와, 상기 하부플랜지(211) 위에 이격 배치되는 한 쌍의 하부 앵글(212)과, 상기 하부 앵글(212)의 상부에 대칭적으로 배치되는 또 다른 한 쌍의 상부 앵글(213)과, 상기 상부 앵글(213)과 하부 앵글(212) 사이를 연결하면서 파형으로 형성된 수직 래티스 철근(214) 및, 상기 한 쌍의 상부 앵글(213) 사이를 연결하면서 파형으로 형성된 수평 래티스 철근(215)으로 이루어져 있다. 이때 상기 하부플랜지(211)의 폭은 상기 한 쌍의 하부 앵글(212)이 배치되는 폭보다 크게 형성되어, 슬래브(400) 구축을 위한 데크 거치면(216)이 하부 앵글(212)로부터 돌출 형성되도록 한다.
상기와 같이 수직 및 수평 래티스 철근(214, 215)은 복합조립체(210)의 중량을 대폭 줄이면서도 하부플랜지(211)와 함께 휨강성을 크게 증가시켜 콘크리트(C)가 충진되더라도 하부의 지지대 없이 자립할 수 있는 구조를 가지게 한다.
또한 수직 및 수평 래티스 철근(214, 215)에 의해 이루어지는 상부면 및 양 측면에는 삼각형상의 연속된 관통개구(h)가 구비되므로 콘크리트(C)와의 합성효과 증대는 물론, 슬래브(400)의 구축시 합성보(200)의 폭을 확장시키는 효과를 가지게 한다.
상기한 구조를 가지는 복합조립체(210)는 콘크리트 충진 강관기둥(110)에 거치되는데, 이를 위해 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면에는 한 쌍의 거더 거치대(121)와 한 쌍의 데크 거치대(122)로 이루어지는 브라켓 유닛(120)이 설치된다.
따라서 상기의 복합조립체(210)는 거더 거치대(121)에 거치되면서 상기 데크 거치대(122)와 함께 데크 플레이트(410)를 거치시켜 슬림 플로어를 구현하는 경제적인 바닥구조체의 일방향 슬래브 구조를 형성시킬 수 있게 한다.
도 4, 5는 상기의 브라켓 유닛(120)이 설치된 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 각 실시예를 도시하고 있다.
도 4의 (a)에 도시된 제1실시예의 브라켓 유닛(120)은, 거더 거치대(121)가 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면에 직접 용접 설치되고 있음에 반해, 데크 거치대(122)는 상기 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면으로부터 이격되도록 구성되는 것을 특징으로 하고 있다. 이를 위해 거더 거치대(121)의 외측단에는 데크 거치대(122)의 설치를 위한 연결대(123)가 부착되고, 상기 연결대(123)의 양측단에 수직으로 데크 거치대(122)가 접합된다.
이러한 구조의 브라켓 유닛(120)은 도 4의 (c)에서와 같이, 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외부에 철근을 배치하고 순타로 콘크리트를 타설하여 본 기둥을 완성시킬 때 유리하게 적용된다. 즉 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면과 데크 거치대(122) 사이에 형성되는 관통개구(h)는 철근의 배치공간과 순타로 타설하는 피복 SRC 기둥용 콘크리트의 충진공간으로의 기능을 하게 된다.
이때 상기 데크 거치대(122)와 연결대(123)가 형성시키는 사각단면은 상기 본 기둥의 규격과 동일하도록 설계된다.
또한 상기 데크 거치대(122)의 상면은 거더 거치대(121)의 상면과 동일한 평면을 이루게 되므로, 데크 거치대(122)의 상면에는 복합조립체(210)의 하부플랜지(211) 두께에 상응하는 필러플레이트가 놓여진 후 데크 플레이트(410)가 거치된다. 도 4의 (b)는 제1실시예에 의한 브라켓 유닛(120)의 데크 거치대(122) 위에 데크 플레이트(410)를 설치하는 과정을 설명하고 있다.
위의 도 4의 (b)에서는 데크 플레이트(140)가 상기 관통개구(h)를 폐쇄하지 않도록 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면으로부터 이격되어 설치하고 있으나, 이와는 달리 데크 플레이트(140)를 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면에 밀착되도록 설치하고(미도시), 이로 인해 폐쇄된 관통개구(h)에 위치한 데크 플레이트(140)의 단부에는 콘크리트 타설공을 형성시키고 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 모퉁이 부분에 수직철근 이음용 다웰바를 미리 설치해 놓을 수도 있다.
도 5에 도시된 제2실시예의 브라켓 유닛(120)은 데크 거치대(122)가 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면에 직접 부착된다는 점에서 제1실시예의 것과 차이가 있다. 따라서 제2실시예에서는 연결대(123)를 필요로 하지 않는다.
이 경우에는 앞서 설명한 제1실시예의 브라켓 유닛(120)과 마찬가지로 SRC 기둥용 피복을 위해 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면에 콘크리트를 타설하는 경우 뿐만 아니라, 콘크리트 충진 강관기둥(110) 자체를 그대로 본 기둥으로 사용되는 경우, 즉 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면에 본 기둥을 위한 콘크리트 타설이 필요하지 아니한 경우에 유리하게 적용된다.
이러한 제2실시예에서의 데크 거치대(122)는 데크 플레이트(410)의 거치 및 지지수단으로의 기능을 하면서도 거더 거치대(121)를 통해 전달된 바닥구조체의 하중을 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 전 단면으로 분산시키는 기능을 하게 할 수 있다.
이를 위해서 상기 데크 커치대는, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면에 직접 부착될 뿐 아니라, 양 단부는 거더 거치대(121)의 단부와도 용접 접합된다.
다만 제2실시예의 데크 거치대(122)가 데크 플레이트(410)의 거치 및 지지수단으로의 기능만을 하게 할 경우에는, 이를 거더 거치대(121)에 접합시키지 아니하고 데크 거치대(122)의 상면이 거더 거치대(121)의 상면보다 복합조립체(210)의 하부플랜지(211) 두께만큼 상부에 위치되게 함으로써 필러 플레이트(124)의 삽입을 생략시키게 하는 것이 바람직하다. 도 5의 (b)는 필러 플레이트(124)를 생략시키는 상기의 실시예를 도시하고 있다.
또한 제2실시예의 브라켓 유닛(120)을 사용하면서 SRC 기둥용 피복을 위해 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면에 콘크리트를 타설하고자 하는 경우에는 도 5의 (c)에 도시된 것처럼 거더 거치대(121) 및 복합조립체(210)의 하부플랜지(211)에 관통공을 형성시키고 여기에 콘크리트 타설관(130)을 합성보 및 슬래브 구축을 위한 콘크리트의 타설 전에 미리 설치함으로써 기둥용 콘크리트의 순타가 가능하도록 하여야 하며, 브라켓 유닛(120)의 각 모퉁이에도 수직철근의 이음을 위한 다웰바(140) 역시 미리 설치되어야 한다.
도 3의 (c)에 도시된 래티스 지지체(300)는, 흙막이 벽체(500)와 접하면서 배면토압을 전달받는 제1가로재(310)와, 슬래브(400)의 단부 측면에 접하면서 상기 배면토압을 전달하는 제2가로재(320) 및, 상기 제1가로재(310)와 제2가로재(320)의 사이를 연결하여 일체화시키면서 삼각형상의 관통개구(h)를 연속하여 형성시키는 수평 래티스 철근(314)으로 이루어진다. 또한 상기 제2가로재(320)의 하부에는 필요에 따라 전면으로 돌출되는 데크 거치면(316)이 더 형성될 수 있다.
도 6은 상기 래티스 지지체(300)가 적용되고 있는 예를 도시하고 있다.
상기 래티스 지지체(300)는 흙막이 벽체(500)를 구성하는 엄지말뚝(510)에 의한 배면토압의 전달방향과 엄지말뚝(510)들 사이의 토류벽(520)에 의한 배면토압의 전달방향을 일치시켜 배면토압의 하중이 직접 슬래브(400)에 전달되도록 함으로서 응력전달의 명확성을 가지게 하고, 상기 수평 래티스 철근(314)은 래티스 지지체(300)의 자중을 경감시키고 넓은 관통개구(h)를 형성시켜 흙막이 벽체(500)에 합벽되는 외벽의 시공을 매우 용이하게 한다.
본 발명에 의한 지하구조물의 역타공법은 전술한 콘크리트 충진 강관기둥(110) 및 이에 설치되는 브라켓 유닛(120)과, 브라켓 유닛(120)에 거치되는 복합조립체(210) 및, 흙막이 벽체(500)와 슬래브(400) 사이에 설치되는 래티스 지지체(300)가 유기적인 구조를 가지게 함으로써 슬림플로어가 구현되는 경제적인 지하구조물의 시공이 이루어지도록 하는 것인 바, 도 7 내지 11은 이러한 시공과정을 순차로 나타내고 있다.
본 발명에 의한 지하구조물의 역타공법은, a) 흙막이 벽체(500)를 구축하는 단계; b) 기둥(100)을 설치하는 단계; c) 부분굴토를 완료한 후 합성보(200)와 슬래브(400)로 이루어지는 바닥구조체를 설치하는 과정을 반복하여, 지상 1층으로부터 지하 최하층까지에 대한 바닥구조체의 설치를 완료시키는 단계; d) 지하 최하층부터 순타로 외벽 및 본 기둥을 완성시키는 단계; 를 포함한다는 점에서는 종래의 역타공법과 크게 다르지 않다.
다만, 본 발명에서는 사각강관을 이용한 콘크리트 충진 강관기둥(110)을 기둥부재로 사용하면서, 적어도 지하 1층 이하에서는 합성보(200)가 상기 콘크리트 충진 강관기둥(110)에 강결합되나, 시공중에 모멘트 재분배과정 및 콘크리트 충진 강관기둥(110)과의 효율적인 접합구조를 통해 합성보(200)의 단부에 발생하는 휨모멘트의 일부를 감소시켜 상기 합성보(200)의 규격을 합리화시키고, 데크 플레이트를 합성보의 하부에 설치할 수 있도록 하여, 슬림플로어의 구조를 구현시키는 것을 중요한 기술적 특징의 하나로 한다.
이에 관하여 각 단계에서 보다 구체적으로 설명한다.
a) 흙막이 벽체(500)를 구축하는 단계;
구축하고자 하는 지하구조물의 외벽에 맞추어 흙막이 벽체(500)를 구축한다. 상기 흙막이 벽체(500)는 토질 및 현장여건에 따라 슬러리 월 등 다양한 구조로 이루어질 수 있으나, 여기에서는 일정한 간격으로 H형강을 매립하여 시공되는 엄지말뚝(510)과, 상기 엄지말뚝(510)들 사이의 토류벽(520)으로 연속벽을 형성시키는 주열식 흙막이 벽체(500)를 예로 하여 설명한다.
b) 기둥(100)을 설치하는 단계;
흙막이 벽체(500)의 구축이 완료되면, 기둥(100)의 설치 위치를 천공하여 천공홀을 형성시키고 상기 천공홀의 하부에 기초콘크리트를 타설한 후 단부가 상기 기초콘크리트에 매립되도록 콘크리트 충진 강관기둥(110)용 사각강관을 상기 천공홀에 근입시키고, 상기 사각강관 내에 콘크리트를 타설하여 콘크리트 충진 강관기둥(110)으로 이루어지는 기둥(100)을 완성시킨다.
상기의 사각강관은, 바람직하게는 양 측단부에 앵커형의 리브(111a)가 형성된 ㄱ자형 단위부재(111) 4개를 용접하여 사각단면으로 형성시킨 것을 사용한다.
c) 부분굴토를 완료한 후 합성보(200)와 슬래브(400)로 이루어지는 바닥구조체를 설치하는 과정을 반복하여, 지상 1층으로부터 지하 최하층까지에 대한 바닥구조체의 설치를 완료시키는 단계;
상기 콘크리트 충진 강관기둥(110)으로 된 기둥(100)의 설치가 완료되면, 부분 굴토를 실시하여 노출된 기둥(100)에 다이아프램 내지 브라켓, 또는 본 발명의 브라켓 유닛(120)을 부착시킨 후 거더 및 데크 플레이트(410)를 설치하고 콘크리트(C)를 타설하여 각 층의 바닥구조체를 구축하게 되는 바, 이를 보다 구체적으로 다음과 같이 진행된다.
Ⅰ. 지하 1층부분에 대한 부분굴토가 완료되면, 지상 1층 바닥구조체를 구축하게 된다. 이를 위해 먼저 거더를 기둥(100)에 강접합시키게 되는 바, 이때 사용되는 거더로는 도 3의 (b)에 도시된 복합조립체(210)를 사용할 수 있으나, 현장의 여건에 따라 H형강이 사용될 수도 있다.
또한 상기의 기둥(100)과 거더의 접합부위에 대하여는 다이아프램(미도시)을 설치하는 일반적인 강접합의 방식이 사용되거나 캡플레이트(미도시)에 의한 접합방식이 사용될 수 있으며, 상기 다이아프램의 설치작업은 지상에서의 작업이므로 지하에서의 작업과는 달리 설치작업의 어려운 점은 없다고 할 것이다.
상기와 같이 다이아프램이나 캡플레이트를 이용하여 H형강을 기둥(100)에 설치하여 지상 1층의 바닥구조체를 구축하는 과정은 본 발명에서 기술적 특징으로 삼고 있는 부분이 아니므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 다만 지상 1층의 바닥구조체에 대하여 도 3의 (b)에 도시된 복합조립체(210)를 이용하는 경우에는 후술하는 지하 1층의 바닥구조체를 구축하는 과정과 다르지 않으므로 이에 갈음하기로 한다.
이와 함께, 상기 바닥구조체는 도 6에 도시된 바와 같이, 흙막이 벽체(500)의 배면토압을 지지할 수 있도록 래티스 지지체(300)를 이용하여 흙막이 벽체(500)와 연결되며, 보다 구체적으로는, 엄지말뚝(510)의 노출된 강재(511)에 래티스 지지체(300)를 설치시키기 위한 지지체용 브라켓(530)을 설치하는 단계; 상기 지지체용 브라켓(530)에 래티스 지지체(300)를 설치하는 단계; 래티스 지지체(300)에 연하도록 데크 플레이트(410)를 설치하는 단계; 데크 플레이트(410)의 상부에 콘크리트(C)를 타설하여 슬래브(400)를 구축하는 단계;가 순차로 진행되어, 흙막이 벽체(500)의 배면토압이 다른 경로를 거치지 않고 상기 래티스 지지체(300)를 통해 슬래브(400)에 직접 전달되는 구조를 가지게 된다.
Ⅱ. 지상 1층의 바닥구조체가 완성되면, 다시 지하 2층 부분에 대한 굴토를 시행하고, 지하 1층의 바닥구조체를 구축하게 되는데, 그 과정은 다음과 같다.
ⅰ) 콘크리트 충진 강관기둥(110)으로 된 기둥(100)의 외면에 브라켓 유닛(120)을 설치하는 단계(도 7 참조);
콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면에, 거더를 거치시키기 위한 거더 거치대(121)와 데크 플레이트(410)를 거치시키기 위한 데크 거치대(122)로 이루어진 브라켓 유닛(120)을 용접으로 부착시킨다.
상기 브라켓 유닛(120)은, 도 4에 도시된 바와 같이 데크 거치대(122)가 연결대(123)의 양측단에 부착되면서 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면으로부터 이격되도록 구성된 제1실시예의 것이 사용될 수도 있고, 데크 거치대(122)가 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면에 부착되는 도 5의 제2실시예의 것이 사용될 수도 있으며, 이는 본 기둥의 형성방법에 따라 달라질 것임은 앞서 설명한 바와 같다.
도 7에서는 제1실시예의 브라켓 유닛(120)이 설치된 모습을 나타내고 있으며, 여기에서는 상기 제1실시예의 브라켓 유닛(120)이 사용되는 것을 예로 하여 설명한다.
ⅱ) 거더 거치대(121)에 거더를 단순 거치시키는 단계(도 8 참조);
콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면에 대한 브라켓 유닛(120)의 설치가 완료되면, 상기 브라켓 유닛(120)의 거더 거치대(121)에 거더를 거치시킨다. 상기 거더는 도 3의 (b)에 도시된 복합조립체(210)가 사용되는 것이 바람직하며, 여기에서는 복합조립체(210)가 사용되는 것을 예로 하여 설명한다.
거더 거치대(121)에 대한 복합조립체(210)의 거치는, 상기 복합조립체(210)의 양 단부에 휨모멘트가 발생되지 않는 단순지지방식으로 이루어지며, 이는 바닥구조체에 발생하는 휨모멘트를 재분배하는 과정의 첫 단계가 된다.
필요에 따라서는 거더 거치대(121)와 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면의 접합부위에 대한 하중의 부담을 분산시기키 위해 행거부재(220)를 더 설치할 수 있다. 상기 행거부재(220)는 일단이 복합조립체(210)의 단부에 연결되고, 타단이 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 상부 또는 상부층의 거더에 고정되도록 한다. 도 8은 이와 같이 행거부재(220)가 더 설치된 예를 도시하고 있다.
본 단계에서 복합조립체(210)를 단순거치시키는 것은 기둥(100)의 수직도 등에 따른 시공오차를 흡수시킬 수 있어 별도의 보정작업을 불필요하게 하므로 시공을 한결 간편하게 한다.
ⅲ) 데크 플레이트(410)의 설치단계(도 9 참조);
콘크리트 충진 강관기둥(110)에 대한 복합조립체(210)의 설치작업이 완료되면, 상기 복합조립체(210)의 하부플랜지(211)에 구비된 데크 거치면(216)에 데크 플레이트(410)를 거치시킨다. 이때 데크 플레이트(410)의 높이를 조절할 필요가 있을 때에는 상기 데크 거치면(216)에 끼움부재(미도시)를 설치하고 그 위에 데크 플레이트(410)를 거치시킬 수도 있다.
이와 함께 콘크리트 충진 강관에 부착되어 있는 브라켓 유닛(120)의 데크 거치대(122)에 대하여도 데크 플레이트(410)를 거치시킨다. 이때 데크 거치대(122)의 상면과 복합조립체(210)의 데크 거치면(216) 사이에는 하부플랜지(211)의 두께만큼의 단차가 발생하게 되므로, 상기 데크 거치대(122)와 데크 플레이트(410)의 사이에는 이에 대응되는 두께를 가지는 필러 플레이트(124)를 끼워 넣어 데크 플레이트(410)들 사이의 동일 레벨을 유지시킨다.
물론, 데크 거치대(122)를 도 5의 (b)에서와 같이 복합조립체(210)의 하부플랜지(211) 두께만큼 상부에 위치시키는 경우에는 필러 플레이트(124)의 사용이 불필요한 것임은 앞서 설명한 바와 같다.
ⅳ) 복합조립체(210)의 상부에 모멘트 철근(230)을 배치시키는 단계(도 10 참조);
콘크리트 충진 강관기둥(110)에 대한 복합조립체(210)와 데크 플레이트(410)의 설치가 완료되면, 복합조립체(210)의 부모멘트를 전달하기 위한 모멘트 철근(230)을 설치한다.
상기 모멘트 철근(230)은 합성보(200)의 단부 중 인장응력이 발생되는 상부, 즉 복합조립체(210)의 상부에 배치되며, 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 양 측면, 즉 데크 플레이트(410)의 단부가 놓여진 브라켓 유닛(120)의 데크 거치대(122)와 콘크리트 충진 강관기둥(110) 사이의 상부를 지나도록 배치된다.
또한 상기 모멘트 철근(230)이 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면으로부터 돌출되는 길이는, 콘크리트 충진 강관기둥(110)에 합성보(200)가 강접합된 후 발생될 수 있는 부모멘트 구간의 범위내에서 보강이 필요한 구간까지이면 족하다고 할 것이다.
ⅴ) 콘크리트(C)를 타설하여 바닥구조체를 완성시키는 단계(도 11 참조);
복합조립체(210)와 데크 플레이트(410)의 사이, 데크 플레이트(410)의 상부 등 필요한 부위에 대하여 추가적으로 철근을 배근하고, 상기 철근 배근이 완료되면 복합조립체(210)와 데크 플레이트(410)의 상부에 콘크리트(C)를 타설하여 합성보(200)와 슬래브(400)가 일체로 된 바닥구조체를 완성시킨다.
이때 콘크리트(C)가 경화되기 전까지의 모든 하중을 콘크리트 충진 강관기둥(110)에 설치된 브라켓 유닛(120) 내지는 행거부재(220)가 지지할 수 있도록 하고, 상기 복합조립체(210)와 데크 플레이트(410)의 하부에는 지지대를 설치하지 않도록 한다.
이러한 복합조립체(210)는 콘크리트(C)가 경화되기 전까지는 단순지지상태를 유지하게 되므로 복합조립체(210)의 양 단부, 즉 콘크리트 충진 강관기둥(110)과 복합조립체(210) 사이의 접합부에는 모멘트가 발생되지 않은 상태에서 구조적인 평형을 이루게 된다.
따라서 바닥구조체의 콘크리트(C)가 경화된 후에에야 비로소 합성보(200)는 추가적인 하중에 의해 휨모멘트가 발생되는 강접합구조(모멘트 접합구조)를 1차적으로 구성하게 된다.
d) 지하 최하층부터 순타로 외벽 및 본 기둥을 완성시키는 단계;
상기 c) 단계에 의해 최하층의 바닥구조체까지 완성되면, 흙막이 벽체(500)의 전면에 외벽용 수직철근을 배치하고 거푸집을 설치한 후, 래티스 지지체(300)의 수평 래티스 철근(314)에 의해 형성되는 관통개구(h)를 통해 콘크리트를 타설함으로써 외벽을 상기 흙막이 벽체(500)에 합벽시킨다.
이와 함께 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 양 측면에도 본 기둥용 수직철근을 배치하고 거푸집을 설치한 후, 브라켓 유닛(120)의 데크 거치대(122)에 의해 형성되는 관통개구(h)를 통해 콘크리트를 타설함으로써 본 기둥을 완성시킨다. 이때 모멘트 철근(230)은 상기 콘크리트에 매립되고, 합성보(200)는 본 기둥에 최종적으로 모멘트 접합(강접합)되면서 라멘구조를 이루게 된다. 이로써 바닥구조체에 발생하는 휨모멘트의 재분배 과정이 완료된다.
따라서 콘크리트 충전 강관기둥과 합성보(200)의 접합부위에서는 바닥구조체의 자중을 제외한 나머지의 하중에 의해 발생되는 휨모멘트만을 부담하게 되므로, 합성보(200)의 단면설계는 경제적이고 효율적으로 이루어지게 할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명은 구체적인 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였으나, 상기 실시 예는 본 발명을 이해하기 쉽도록 하기 위한 예시에 불과한 것이므로, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이를 다양하게 변형하여 실시할 수 있을 것임은 자명한 것이다.
예컨대, 상기의 실시예에서는 흙막이 벽체(500)를 주열식 흙막이 벽체(500)인 것으로 설명하고 있으나, 슬러리월의 경우 처럼 별도의 외벽의 합벽이 필요없는 연속 벽체가 사용될 수도 있으며, 이때에는 외벽을 합벽시키는 단계가 불필요하게 된다.
또 도 5에 도시된 실시예의 브라켓 유닛(120)이 사용되는 경우, 즉 콘크리트 충진 강관기둥(110) 자체를 본 기둥으로 사용하는 경우에는 본 기둥을 위하여 순타로 콘크리트 충진 강관기둥(110)의 외면에 콘크리트를 타설할 필요가 없게 되는 것 역시 당연하다.
또한 상기의 실시예에서는 콘크리트 충진 강관기둥의 단면이 사각단면인 것을 예로 하여 설명하고 있으나, 원형단면의 것을 사용할 수 있을 것임은 앞서 설명한 바와 같다.
따라서 이러한 변형 예들은 청구범위에 기재된 바에 의해 본 발명의 권리범위에 속한다고 할 것이다.
100: 기둥 110: 콘크리트 충진 강관기둥
120: 브라켓 유닛 121: 거더 거치대
122: 데크 거치대 200: 합성보
210: 복합조립체 220: 행거부재
230: 모멘트 철근 300: 래티스 지지체
400: 슬래브 410: 데크 플레이트
500: 흙막이 벽체

Claims (9)

  1. a) 흙막이 벽체(500)를 구축하는 단계;
    b) 기둥(100)을 설치하는 단계;
    c) 부분굴토를 완료한 후 합성보(200)와 슬래브(400)로 이루어지는 바닥구조체를 설치하는 과정을 반복하여, 지상 1층으로부터 지하 최하층까지에 대한 바닥구조체의 설치를 완료시키는 단계;를 포함하여 이루어지되,
    상기 b) 단계에서 지중에 설치되는 기둥(100)은 콘크리트 충진 강관기둥(110)으로 이루어지고, 상기 기둥(100)의 외면에는 한 쌍의 거더 거치대(121)와 한 쌍의 데크 거치대(122)로 이루어지는 브라켓 유닛(120)이 설치되며,
    상기 적어도 지하 1층 이하에서의 기둥(100)과 바닥구조체의 접합은 시공중에 모멘트 재분배과정을 통해 상기 접합된 부위에서는 바닥구조체의 자중을 제외한 나머지의 하중에 의한 휨모멘트만이 발생되도록 하고,
    상기 합성보(200)를 구성하기 위한 거더는 브라켓 유닛(120)의 거더 거치대(121)에 거치되면서 일방향 슬래브 구조를 가지도록 하는 복합조립체(210)로서, 하부플랜지(211)와, 상기 하부플랜지(211) 위에 이격 배치되는 한 쌍의 하부 앵글(212)과, 상기 하부 앵글(212)의 상부에 대칭적으로 배치되는 또 다른 한 쌍의 상부 앵글(213)과, 상기 상부 앵글(213)과 하부 앵글(212) 사이를 연결하면서 파형으로 형성된 수직 래티스 철근(214) 및, 상기 한 쌍의 상부 앵글(213) 사이를 연결하면서 파형으로 형성된 수평 래티스 철근(215)으로 이루어지며, 상기 하부플랜지(211)의 폭은 상기 한 쌍의 하부 앵글(212)이 배치되는 폭보다 크게 형성되어, 데크 플레이트(410)의 거치를 위한 데크 거치면(216)이 하부 앵글(212)로부터 돌출 형성되는 것이며,
    기둥(100)에 설치된 브라켓 유닛(120)의 데크 거치대(122)에는 복합 조립체의 데크 거치면(216)과 수평면을 형성시키기 위한 필러 플레이트(124)가 놓여지고,
    상기 흙막이 벽체(500)와 슬래브(400) 사이에는 래티스 지지체(300)를 매개로 하여 연결되되, 흙막이 벽체(500)의 배면토압의 전부를 상기 래티스 지지체(300)가 직접 슬래브(400)에 전달하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충진 관기둥과 합성보를 이용한 지하구조물의 역타 시공방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모멘트 재분배 과정은, ⅰ) 상기 기둥(100)의 외면에 거더 거치대(121)와 데크 거치대(122)가 포함되어 구성된 브라켓 유닛(120)을 설치하는 단계; ⅱ) 상기 브라켓 유닛(120)의 거더 거치대(121)에 복합조립체(210)를 단순 거치시키는 단계,ⅲ) 상기 복합조립체(210)에 슬래브(400) 구축을 위한 데크 플레이트(410)를 거치시키는 단계, ⅳ) 복합조립체(210)의 상부에 모멘트 철근(230)을 배치시키는 단계, ⅴ) 복합조립체(210)와 데크 플레이트(410)의 하부에 지지대를 설치하지 않은 자립지지 상태에서 단순지지된 복합조립체(210)와 데크 플레이트(410)의 상부에 콘크리트(C)를 타설하는 단계,를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충진 강관기둥과 합성보를 이용한 지하구조물의 역타 시공방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 ⅱ)의 복합조립체(210)를 단순 거치시키는 단계에는 복합조립체(210)의 단부와 기둥(100)의 상부 또는 상부층의 거더 사이에 행거부재(220)를 설치하는 작업과정이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충진 강관기둥과 합성보를 이용한 지하구조물의 역타 시공방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 브라켓 유닛(120)의 데크 거치대(122)는 기둥(100)의 외면에 직접 부착되도록 기둥(100)에 설치되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충진 강관기둥과 합성보를 이용한 지하구조물의 역타 시공방법.
  7. 제1항에 있어서, 브라켓 유닛(120)의 데크 거치대(122)는 기둥(100)의 외면으로부터 이격되어 철근의 배치 및 콘크리트의 충진을 위한 관통개구(h)가 형성되도록 기둥(100)에 설치되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충진 강관기둥과 합성보를 이용한 지하구조물의 역타 시공방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 c) 단계가 완료된 후, 상기 기둥(100)의 양 측면에 보 기둥용 수직철근을 배치하고 거푸집을 설치한 후, 데크 거치대(122)에 의해 형성된 관통개구(h)를 통해 콘크리트를 타설하여 본 기둥을 완성시키는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충진 강관기둥과 합성보를 이용한 지하구조물의 역타 시공방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 래티스 지지체(300)는 흙막이 벽체(500)와 접하면서 배면토압을 전달받는 제1가로재(310)와, 슬래브(400)의 단부 측면에 접하면서 상기 배면토압을 전달하는 제2가로재(320) 및, 상기 제1가로재(310)와 제2가로재(320)의 사이를 연결하여 일체화시키면서 삼각형상의 관통개구(h)를 연속하여 형성시키는 수평 래티스 철근(314)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충진 강관기둥과 합성보를 이용한 지하구조물의 역타 시공방법.
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