KR20110004540A

KR20110004540A - 트러스데크 개선방법

Info

Publication number: KR20110004540A
Application number: KR1020090061999A
Authority: KR
Inventors: 이창남
Original assignee: 이창남
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2011-01-14

Abstract

1997년 국내 건축공사 현장에 처음 적용한 트러스데크는 현재 10여개 생산공장에서 공급하고 있으며 품질 면에서도 많은 발전이 있었다. 그러나 트러스데크 제품의 설계, 제작은 생산공장에서 담당하고, 이를 현장적용하기 위한 구조안전확인 및 단부보강 등은 별도로 건축구조기술자와 현장 기술자들의 책임 하에 이루어지는 과정에서 개선하여야 할 착오가 있음을 발견하였다.

첫째로 트러스데크 강선트러스의 상·하현재는 준공 후 바닥 슬래브의 주근 역할을 하는 철근이므로 콘크리트와의 부착내력을 확보하는 것이 필수적이다. 그러나 강선트러스의 상현재(22)와 하현재(24) 사이에는 래티스(26)의 트러스를 길이 20cm 내외 간격으로 서로 용접하여 일체화 시켰으므로 주변을 감싸주는 콘크리트와의 부착강도 부족현상은 있을 수 없다. 그럼에도 불구하고 단지 비전문가들의 근거 없는 막연한 염려를 불식시키기 위하여 단면효율 면에서 손실을 감수하면서 이형강선으로 제작하고 있다. 따라서 본 발명에서는 냉간신선을 이형단면으로 포밍하는 수고와 에너지를 절감하고자 한다.

둘째는 트러스데크(20) 양단부를 보위에 얹을 때 작업원의 안전성 확보와 트러스데크 자체의 단부 보강 차원에서 상·하현재에 통상호칭 직봉(+자형, 이하 +자형 직봉)을 용접하고, 하단부를 보에 현장용접하며 이와는 별도로 바닥 슬래브와 보 합성을 위한 시어커넥터(전단연결재)를 추가하는 것이 모든 건축공사 현장에서의 관행이다. +자형 직봉(30)과 전단연결재(90)의 부착은 공장 자동화 작업이 불가 능하여 인건비가 많이 든다. 그러므로 +자형 직봉을 삼각봉(40)으로 변경하여 전단연결재의 역할을 겸하게 한다.

셋째로 대부분 트러스데크의 상·하현재로 사용하는 냉간신선 강선의 항복강도는 5,000kgf/cm²로 고강도이나, 현장 후속 작업에서 일반 철근인 4,000kgf/cm²을 사용하는 것을 감안하여 트러스데크의 부재 내력을 하향 평가 산정하고, 이를 매뉴얼에 등재 배포하고 있다. 트러스데크는 일종의 기성제품으로 정착하였으므로 사용자는 생산자의 제품설명서에 표시된 데이터에 의존하여 설계에 적용하므로 아래 미묘한 과정은 구조전문가들에게까지 널리 공개되지 않은 숨은 그림에 속한다. 즉 트러스데크는 시공 과정에서 임시 하중에 대해서만 5,000kgf/cm²을 기준으로 확인하고, 정작 준공 후 사용하중에 대해서는 4,000kgf/cm²로 한다는 뜻이다. 이는 낭비 요인이 되므로 사용하중에 대해서도 강선트러스 상·하현재 원래 부재 보유강도인 5,000kgf/cm²로 정상설계 한다.

넷째로 트러스데크는 보 상단에 얹어서 시공하므로 트러스데크의 두께를 증가시키고자 할 때는 층고 증가로 이를 수용하기 어려운 점이 있으며, 층고 절감이 필수적일 경우는 최근 국내에 소개된 슬림플루어(Slim Floor)나 TU 보에 적용하는 딥데크(deep deck, 골이 깊은 강판 데크)등 값비싼 구조를 사용할 수밖에 없다. 따라서 기존 트러스데크로 층고 절감이 가능하도록 단부에 크랭크와 시멘트물 마개(End Closer)를 새로 마련하여 이를 해결하고자 한다.

Description

트러스데크 개선방법 {Renewal Methods of Truss Deck}

강선트러스 하부에 얇은 강판을 부착하여 이를 거푸집 겸 철근으로 사용하는 트러스데크(합성데크 포함)는 지난 12년간 국내 건축공사 현장에서 대대적으로 활용하고 있다. 그런데 본 트러스데크를 설계 제작하는 공장 관계자들과 이를 직접 현장에 적용하는 구조기술자나 현장 기술자들 간의 정보교환 부족 또는 "관행"으로 인해 합리성이 배제된 채 적용하고 있음을 발견하였으므로 이를 개선하고자 한다.

철근을 원형 대신 이형(돌기가 있는 단면)(도 1a)으로 제작하는 이유는 콘크리트단면 내부에 배근한 철근이 인장 또는 압축 응력을 받을 때 콘크리트와의 부착내력이 부족하면 미끄러지는 현상이 발생하기 때문이다. 원형철근만 있던 옛날에는 이음 위치에 갈고리(도 1c)를 형성하는 수고를 했으나 이형철근이 생산되고부터는 단부 이음 또는 정착길이를 여유 있게 확보하는 방법으로 설계하고 있다. 그러나 강선트러스는 상·하현재 강선이 돌기 없는 원형이라고 해도 콘크리트단면 내부에 묻혀 있을 때 부착내력이 부족하지 않기 때문에 미끄러지는 현상이 일어나지 않는 특성을 가지고 있다.

트러스데크는 상·하현재에 20cm 내외의 간격마다 래티스를 용접하였으므로(마치 줄기에 붙은 나뭇가지처럼)(도 1b) 양단에 갈고리를 조성하거나 단면에 돌기 를 조성하는 것보다 더 확실한 부착효과가 있다. 그러나 이형철근만 보아 오던 일반 건축기술자들의 눈에는 원형단면 강선이 생소하게 느껴져서 철근콘크리트 부재의 배근용으로 사용하면 안 될 것이라고 지레짐작하게 된 것이다.

트러스데크가 처음 건설 현장에 등장했을 때 구조 성능을 모르는 일부 건설기술자들이 이를 문제 삼아 의문 발언을 하게 되었고 초기 시장 개척을 위하여 잡음을 무마시키기에 급급했던 트러스데크 제작업체는 궁여지책으로 냉간신선에 철근처럼 돌기를 형성하는 설비를 추가하게 된 것이다. 강선 표면에 돌기를 조성하면 그 표면에 래티스를 용접할 때 접촉면이 고르지 못하여 균일한 용접품질을 기대할 수 없으며 돌기가 있는 단면과 돌기가 없는 균질단면의 강선을 인장 시험할 경우 균질 단면이 더 경제적이며 안정적이라는 것은 당연하다. 즉 구조 안전상 전혀 불필요할 뿐만 아니라 오히려 해가 되는 돌기를 조성하기 위하여 돌기성형설비를 추가하여 에너지를 낭비하는 것이다. 한편 냉간신선 강선의 단점은 열연강선이나 철근에 비하여 쉽게 녹이 나는데, 이형으로 가공하면 표면적이 늘어나서 녹 발생이 증가하며 혹시 녹을 제거하려 해도 표면에 굴곡이 심해서 원형단면의 강선일 때 보다 녹을 제거하기가 쉽지 않다. 그러므로 이는 지구 환경 보존을 위해서라도 개선하여야 할 과제이다.

트러스 단부에 부착하는 직봉의 제작과 용접은 자동화가 불가능하므로 노동력에만 의존하는 번거로운 작업이다(도 2). +자형 직봉(30)을 트러스데크에 부착하기 위해서는 4개소의 공장용접(하현재와 +자형 직봉 가로봉의 접합 2개소와 +자형 직봉 가로봉과 세로봉이 만나는 점의 용접 2개소)이 필요하며 현장에서 최종 1개소(+자형 직봉 세로봉과 철골보)의 현장용접을 하여야 한다. 그런데 직봉의 현장용접은 보에 올려놓은 트러스데크가 콘크리트를 붓기 전이나 붓는 과정에서 미끄러져 떨어지는 사고를 방지하고, 강선트러스의 단부 상·하현재를 상호 연결하여 보강효과를 노리며, 시공중 강선트러스 하단근과 강판거푸집과의 빈 공간(하현재의 피복에 해당)을 메워주는 스페이서(도 3) 역할을 담당하는 것에 불과하다. 따라서 트러스데크를 이용한 슬래브와 하부 철골보의 합성 작용을 위하여 별도의 전단연결재인 시어커넥터(도 3)를 용착하는 것을 철칙으로 알고 모든 건축공사 현장에서는 예외 없이 그런 방법을 적용하고 있다.

철골보(70)를 제작 설치하는 철구공장에서 철골보에 시어커넥터(90)를 사전 부착해 오면 품질은 보장되나 운반상 어려움이 따르고, 현장 작업자들이 철골보 위를 걸어 다니며 작업하기에 위험하다. 반대로 트러스데크(20) 설치업체에서 트러스데크를 철골보 위에 깔아 놓은 다음 시어커넥터를 용착하도록 미루면 동절기나 우기에 현장 품질 보장이 어려운 단점이 있으며 공사 기간이 추가된다. 또한 시어커넥터의 용착 작업은 큰 용량의 순간 전력을 필요로 하기 때문에 현장 임시전력 사용신청용량을 상향조정하거나 여의치 않으면 발전기를 동원하기도 한다. 그러므로 시어커넥터 용착 작업을 생략하는 것이 가장 바람직한데 본 발명에서는 재래식 +자형 직봉(30)을 삼각봉(도 4)으로 대체하는 방법으로 해결한다.

트러스데크 제작공장에서는 냉간신선을 소재로 강선트러스를 생산한다. 그러나 건축공사 현장에서 배근하는 철근은 열간압연으로 제작한 철근이다. 강선을 냉 간에서 항복점 근처까지 긴장시키면 단면이 줄어드는 대신 길이가 늘어나며 강도가 증가하는 매력이 있다. 따라서 강선트러스는 5,000kgf/cm², 철근은 4,000kgf/cm²을 기준으로 하여 설계한다(건축공사 현장에서는 냉간신선을 철근콘크리트 구조 배근용으로 사용하지 않는다). 이를 염두에 둔 트러스데크 생산공장에서는 냉간신선 고강도 강선으로 제작하였음에도 불구하고, 현장에서 보 좌·우 강선트러스의 상호 연결은 보통철근을 사용하는 것을 감안하여(도 5) 설계강도를 저평가(20％)한 후 설계 및 매뉴얼을 제작 배포하고 있다. 만약 트러스데크 생산공장과 현장 기술자들 간에 의사소통이 잘 되지 않아 구조안전상 하자가 발생할 경우라도 결과적으로 트러스데크 제품이 부실하다는 평가를 받게 될 수 있다는 걱정이 앞선 자기보호 대책이다.

철골보 좌·우의 트러스데크를 연결하는 철근은 좌·우 강선트러스의 상현재보다 강도가 오히려 더 큰 것이 합리적이다. 이것은 도 6과 같이 휨모멘트도가 철골보 상단에서 가장 크므로 강선트러스의 상현재도 철골보 위치에서 가장 큰 내력을 분담해야 한다. 이런 문제 해결을 위해 트러스데크 생산자로 하여금 트러스데크 단부 상단의 연결철근(80)을 고강도인 냉간신선 강선으로 사전 준비하여 트러스데크와 일식으로 현장공급 하는 방법을 제시한다. 또한 단부 상단철근의 직경이나 보강 개수를 상향 조절하는 구조계산과 시방서 및 매뉴얼을 별도 제작 배포하는 것도 합리적일 것이다. 고강도 강선은 부착강도 확보를 위하여 갈고리를 조성하거나 이음길이를 증가시킬 수도 있지만, 부담스러우므로 양단부에 와셔(82)를 끼우고 헤딩 머신 등을 이용하여 혹(84)을 조성하는 가공 방법을 제시한다(도 7).

재래식 트러스데크는 철골보 상부에 얹어서 시공하므로 트러스데크 두께가 층고에 반영된다. 이는 층고 절감이 필수적일 경우 큰 부담이 되며, 트러스데크가 일반적으로 사용하는 최소두께 15cm를 넘으면 수용하기 힘들어진다. 따라서 트러스데크의 두께에서 그 단면 내부에 배근하여야 하는 X, Y 방향 보 상단 주근 + 피복두께를 제외한 슬래브 춤(25mm 주근을 사용할 경우 9cm)을 보 측면에 맞대어 내려서 Z자형으로 시공하는 방법(도 10)을 제시한다.

과거 12년 이상 관행화 된 현장실정을 감안하여 강선트러스는 이형강선이 아닌 원형강선 적용에 대한 안전성 확보와 직봉을 시어커넥터로 겸용할 수 있다는 것을 확인하여 제시해야 한다. 현재 모든 트러스데크 생산 공장에서 동일한 방법을 사용하고 있으므로 이를 개선하려면 기술교육과 홍보가 필요할 것이다. 현장 기술자들은 "다다익선"이라는 안일한 관념에 젖어 있으며 새로운 방법을 적용하는 것을 모험으로 여기는 정도이므로 이들 개선안을 공사현장에 적용하기 위하여서는 넘어야 할 몇 단계의 고비가 있을 것이다. 또한 트러스데크 생산자와 현장적용 기술자들 간 기술정보 교환을 주도하고, 현장 작업상 착오를 방지하기 위하여 트러스데크 단부 상단 연결보강근을 트러스데크 생산공장에서 일괄제작 공급하는 것도 해결하고자 하는 과제이다. 이를 위해서는 연결보강근이 강선트러스와 달리 부착내력 확보가 필수적이므로 원형 냉간신선 연결보강근을 특별한 방법으로 가공하는 것도 해 결하여야 하는 과제이다.

또한 트러스데크(20)를 보 상부에 얹는 대신 두께의 일부를 보 측면에 맞대어서 층고를 절감하기 위한 ㅏ형 단부크랭크(시어커넥터 겸용)와 보 측면에 트러스데크의 일부를 맞댈 경우 보 측면을 타고 흘러내리는 시멘트물을 차단할 수 있는 엔드클로져(End Closer)(도 10)를 마련하여야 한다.

강선트러스의 상·하현재로 사용하는 냉간신선을 이형 대신 원형으로 가공하고, 공사현장에서 철골보 좌·우 트러스의 단부 상단 강선을 연결하며 보강하는 방법의 개선이 필요하다. 일반적으로 단부 보강근의 보강방법은 이형철근의 직경을 증가시키거나, 철근 개수를 늘리는 방법 등이 일반적이나, 트러스데크 생산자가 강선 양단부에 와셔를 끼우고 헤딩머신으로 혹을 조성한 고강도 냉간신선 강선을 현장에 일괄 공급하는 방안을 모색한다. 또한 직봉이 시어커넥터의 기능을 겸할 수 있도록 +자형 직봉을 삼각봉으로 변경하는 방법을 적용한다.

트러스데크의 ㅏ형 단부크랭크(50)를 특별·제작하여 트러스데크 두께의 일부가 보 측면과 마주하며 Z자형으로 만나게 하고, 그때 필연적인 시공오차로 인하여 시멘트물이 새는 것은 엔드클로져(60)로 막아준다.

이상 4가지 트러스데크 개선안을 적용하면 트러스데크 자체의 경제성은 물론 이를 지지하는 보에 필수적인 별도의 시어커넥터(90)를 생략할 수 있고, 층고를 줄여 이에 부수되는 각종 마감재와 건물의 생애주기 상 에너지 사용량도 절감하는 효 과를 기대할 수 있다. 또한 원형강선을 이형으로 변형시키기 위한 설비추가, 작업공정 추가로 인한 에너지 사용 증가 요인을 제거하여 결과적으로 트러스데크 제작비를 줄이고 환경보호에도 이바지한다.

트러스데크를 구성하는 강선트러스의 상·하현재를 이형 대신 원형단면으로 제작하면 녹 발생이 줄어들고 녹이 발생해도 제거하는 작업이 용이하다. 또한 단면을 원형으로 균일화하여 단위면적당 인장강도가 높아지고, 래티스와 접촉면을 균등하게 하여 용접 효율도 높아진다. 삼각봉(40)이 +자형 직봉(30)을 대신하여 시어커넥터의 역할을 겸하면, 시어커넥터 구입비와 용착비용 및 공사 기간을 단축할 수 있다. 또한 시어커넥터를 철구공장에서 사전 용착시 운반상 불편함과 현장 작업자의 안전상 위해를 방지하며, 철골보 위에 트러스데크를 설치 후 현장 용착할 경우의 용착불량 하자를 근원적으로 차단할 수 있다.

기존 트러스데크를 슬래브에 적용하는 경우, 트러스데크는 한 개의 상부강선과 두 개의 하부강선으로 제작되고, 상부와 하부강선은 사재로 고정시킨다. 이 때 상부강선은 상현재(22), 하부강선은 하현재(24), 사재는 래티스(26)가 되며, 하부에는 거푸집 대용의 강판(28)이 적용된다. 삼각 트러스의 각 마구리에는 두 개의 삼각봉(40)을 이용하여 철골보(70)에 고정시킨다. 삼각봉은 보에 용착하는 별도의 시어커넥터(90)를 생략하기 위해 도 4와 같이 강선트러스의 상현재에는 삼각봉의 꼭지점과 2개의 하현재와 삼각봉의 좌우 경사면을 각각 공장용접 한다. 삼각봉의 밑면은 철골보 상부 플랜지에 트러스데크를 설치 후 현장용접 한다. 이렇게 설치가 완성된 트러스데크의 삼각봉은 시어커넥터로 사용이 가능하다. 삼각봉이 시어커넥터 보다 구조적으로 유리한 이유는 도 9에 설명한 바와 같다.

지금까지 관행으로 취급했던 트러스데크(20) 냉간신선 상·하현재의 저평가된 항복강도를 제대로 환원(20％ 상향조정) 후 구조계산에 반영하여 경제성을 도모한다. 고강도 강선의 부착을 위한 이음길이 확보는 강선 단부에 와셔(82)를 끼운 후 헤딩머신으로 혹(84)을 형성하는 방법을 활용하여 자재 사용량을 절감한다(도 7). 일반 철근의 단부에 갈고리(10)나 혹을 조성하는 것은 철근이 장척물이거나 길이가 다양하여 번거롭지만 트러스데크 이음을 위한 강선은 길이가 짧고 일정하여 헤딩머신으로 단부 혹을 조성하면 효율이 높다. 또한 냉간신선의 강선 형상은 기존 이형 대신 원형으로 적용하여 추가적인 설비투자가 없이도 적용이 가능하도록 한다.

도 10과 같이 트러스데크를 보에 직접 올려놓는 대신 두께의 일부가 보 측면과 마주하여 Z자형이 되어 층고를 절감하도록 한다. 구체적인 방법은 사다리꼴 수직강판(52)에 수평 날개강판(54)를 붙인 ㅏ형 단부크랭크(50)를 수직강판의 트러스데크 상·하현재에 용접하고, 수평날개를 철골보(70)에 걸쳐서 상부 플랜지(72)가 만나는 ㄷ자 주변을 용접한다. 이렇게하여 보 측면과 만나는 트러스데크의 단부(강판 단부와 보 측면의 틈서리)는 시공 오차로 시멘트물이 흘러내릴 수 있다. 그러므로 시멘트물이 흐르는 것을 방지하기 위해서는 직4각형 단면의 합성수지 면에 접착제로 고무자석을 부착한 엔드클로져를 트러스데크 강판 단부 하면에 밀착 후 철골보 측면에 부착한다. 강판 단부의 시멘트물 방지용 엔드클로져(60)는 재활용이 가 능하다. 콘크리트 양생 후 엔드클로져의 회수는 장대갈고리를 엔드클로져에 마련한 고리에 걷어서 잡아당기는 방법을 사용한다.

도 1a ∼ 도 1c는 각각 이형철근, 트러스 거더, 철근 이음부 갈고리의 상세도,

도 2는 +자형 직봉의 상세도,

도 3은 기존 트러스데크 단부의 +자형 직봉 상세도,

도 4는 시어커넥터로 사용되는 삼각봉 상세도,

도 5는 연결철근으로 냉간신선 강선을 트러스와 연결철근으로 적용한 트러스데크의 상세도,

도 6은 철골보와 트러스데크의 접합부 휨모멘트도,

도 7은 양단부에 혹이 조성된 냉간신선 강선의 연결철근 상세도,

도 8은 층고 절감을 위한 트러스데크의 상세도,

도 9는 시어커넥터와 삼각봉의 구조 비교도,

도 10a는 층고절감을 위한 ㅏ형 단부크랭크와 철골보의 접합부 상세도,

도 10b는 ㅏ형 단부크랭크의 상세도

도 10c는 층고절감을 위한 ㅏ형 단부크랭크와 철골보의 평면도,

도 11은 엔드클로져 및 엔드클로져 내부 자석의 상세도,

도 12는 엔드클로져를 회수하는 장대갈고리의 상세도 이다.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

10 ; 갈고리 20 ; 트러스데크

22 ; 상현재 24 ; 하현재

26 ; 래티스 28 ; 강판

30 ; +자형 직봉 32 ; 직봉 세로봉

34 ; 직봉 가로봉 40 ; 삼각봉

50 ; ㅏ형 단부크랭크 52 ; 사다리꼴 수직강판

54 ; 수평 날개강판 60 ; 엔드클로져

62 ; 자석 70 ; 철골보

72 ; 상부 플랜지(철골보) 80 ; 연결철근

82 ; 와셔 84 ; 혹

90 ; 시어커넥터(전단연결재)

Claims

하나의 상부강선, 두 개의 하부강선, 상부와 하부강선을 연결하는 사재, 바닥판의 강판으로 구성된 트러스데크(20) ;

상기 트러스데크에 있어서 상부강선은 상현재(22), 하부강선은 하현재(24), 사재는 래티스(26)로 구성되며 ; 및

각 단부에 상현재와 하현재를 폐쇄형으로 연결시키는 삼각봉(40) ;

상기 삼각봉은 상현재의 바깥쪽과 하현재의 안쪽으로 접합되도록 형성되며, 각 접합부위는 공장용접으로 일체화하고 ; 및

트러스데크를 철골보(70)에 설치한 후 삼각봉의 하부는 철골보에 용접하여 시어커넥터(90)로 사용하며 ;

상기 철골보와 트러스데크가 만나는 강판 하부에는 엔드클로져(60)를 설치하고 엔드클로져는 직4각형 단면으로 하며, 엔드클로져 내부에 자석(62)이 부착되어 철골보와 강판(28)의 틈으로 시멘트 페이스트가 새지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 트러스데크 개선방법
상기 제1항에 있어서,

트러스데크는 철골보(70)와 철골보 사이에 거치한 후, 단부 연결철근(80)은 일반철근 보다 강도가 높은 상현재와 하현재의 냉간신선 강선으로 적용하고 ; 및

냉간신선 강선의 높은 항복강도를 구조계산에 반영하며, 형상은 이형이 아닌 원형강선으로 사용하며 ;

상기 연결철근은 양 단부에 혹(84)을 만들고 혹 내부에 와셔(82)를 설치하는 것을 특징으로 하는 트러스데크 개선방법
상기 제1항에 있어서,

삼각봉(40)은 ㅏ형 단부크랭크(50)로도 제작이 가능하며 ;

상기 ㅏ형 단부크랭크는 강판으로 제작하여 사다리꼴의 수직강판(52)과 중앙부의 수평 날개강판(54)으로 구성되고 ;

상기 사다리꼴 수직강판은 트러스데크(20)의 상현재(22)와 하현재(24) 사이에 삽입되며, 수평 날개강판과 사다리꼴 수직강판은 용접으로 일체되고 ; 및

수평 날개강판은 철골보(70) 상부 플랜지(72)에 거치되어 용접으로 고정 되고 ;

상기 수평 날개강판과 트러스데크의 하부 강판(28)의 춤 만큼 슬래브 두께를 줄이는 것을 특징으로 하는 트러스데크 개선방법