KR20120099822A - ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트(psrc) 기둥 공법 - Google Patents

Abstract

RC구조는 값싸고 압축내력이 강한 콘크리트의 인장부위에 값은 비싸지만 인장내력이 탁월한 철근을 배근하여 합성내력을 발휘하게 하는 합리적인 구조방식이다. 그러나 상기 RC구조는 유동성이 있는 콘크리트를 담아주는 거푸집과 동바리의 제작, 탈형비용(脫型費用)이 부담스럽기도 하지만 콘크리트의 표준양생기간이 28일이므로 공사기간 단축에 어려움이 있다.

이를 극복하기 위하여 최근 철구공장에서 철근을 선조립하여 공사 중 자립하게 함으로 인하여 거푸집 존치 기간을 최소화 하고 제작비도 대폭 절감되었고 철근가공조립의 현장작업이 줄어들어 성공적 정착이 이루어 졌다[도 2]. 당초 PRC기둥의 소재로는 ㄱ형강이 가장 적합한 것으로 여겨서 이의 적용을 시도하였으나 ㄱ형강의 재료비 단가가 철근에 비하여 많이 비쌌으며 또한 규격이 100×100mm를 초과하거나 재질이 SM490인 고강도 자재를 주문하려면 자재단가도 비쌀 뿐만 아니라 일정량 이상을 사전 주문해야 하는 제약이 있어서 대구경 고강도 철근으로 대체하게 되었다. 그러나 최근 150×150mm까지도 100×100mm 이하 작은 규격의 ㄱ형강과 동일 단가로도 공급하며 더구나 제강업체의 영업정책상 SN490(최근 개발된 내진건축구조용 고강도강재)을 SM490보다 오히려 더 싼 가격으로, 또한 소량 주문에도 공급해 주는 등 많은 특혜를 주고 있으므로 PSRC 기둥 적용이 가능하게 된 것이다. PSRC 기둥의 구조계산을 RC구조계산기준 대신 SRC구조계산기준을 적용하여 설계하면 설계기준상의 차이[도 3]로 인한 경제성도 활용할 수 있다. 철근은 전기로에서 고철을 녹여서 제작하지만 ㄱ형강은 고로(용광로)에서 생산되는 처녀철을 열간압연한 것이므로 재료의 신빙성이 더 큰 것으로도 위 당위성을 설명할 수 있다(실제로 국내 유명 제강사에서 제작한 철근도 시험한 결과 내진성에 영향을 주는 연신율에 큰 오차가 있음[도 4]을 발견하였는데 SN재를 사용하면 강재의 신빙성이 대폭 상승하는 장점이 있다.)

철근 선조립의 구조적인 장점을 극대화하기 위해서 기둥과 보의 구석에 굵은 철근을 집중 배근하는 기법을 사용하였는데 ㄱ형강은 단면의 형상 자체가 철근을 구석에 모아놓은 것과 같아서 의도가 자동 실현되며 띠철근을 부착하는 용접성과 용접 개소 및 용접량도 절약되고 [도 5] 특히 기둥과 보를 이음할 때 별도로 이음강판을 사용하지 않아도 ㄱ형강끼리 직접 용접하면 되므로 부속 강재와 용접량을 최소화 할 수 있다[도 8]. 또한, [도 11]과 같이 기둥단면 4, 3, 2방향에 보가 돌출되는 패널존에서의 거푸집 제작 인건비를 줄이는 방법도 제시한다.

Description

ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트(PSRC) 기둥 공법{PRE-FABRICATED SRC COLUMN WITH ANGLE SHAPES}

지금까지 건축공사에서 적용하는 SRC 기둥 또는 보의 표준형은 H형강 주변을 철근콘크리트로 감싸는 것[도 6]이다. 또한, ㄱ형강은 [도 7]과 같이 경량 지붕트러스, 철로 주변의 전주 또는 고압선 철탑의 소재로 사용하고 건축공사에서는 타워크레인 등의 서포트 및 난간, 계단, 배수로 트렌치 등을 위한 잡철물로나 사용하는 것으로 인식하고 있으며 이들은 모두 철근콘크리트로 감싸는 대신 ㄱ형강이 표면에 노출되어 있고 주로 경량구조에 활용하고 있다. 본 발명자는 오래 전부터 ㄱ형강을 소재로 활용하는 SRC 중량구조물을 시도하였으나 외형크기 100×100mm를 초과하는 큰 ㄱ형강은 카탈로그에서나 접할 수 있고 실제로 본 발명에서 사용하고자 하는 고강도강이면 대량주문을 할 경우에만, 추가 비용의 지불을 감수하면서 그것도 2~3개월 기다려야 생산에 응하는 특수자재였다.

그러다가 최근 중국에서 생산하는 일반 값싼 ㄱ형강이 대량 수입되면서 국내 제강사들이 영업정책상 소량 주문에도 고급 강재를 싼 값에 공급하는 추세로 전환하고 있으며 특히 건축물 내진 구조에 적합한 신개발 고강도 SN재를 일반 고강도강 SM재보다도 오히려 더 저렴하게(-10,000원/톤) 공급하는 기현상이 벌어지고 있다.

따라서 철근 선조립기둥을 시장에 내 놓았을 당시에는 감히 엄두도 내지 못하던 ㄱ형강을 철근 대신 사용하는 것이 가능하게 되었다. 본 발명특허는 발명특허를 실무에 접목시키는 것이 지역성과 시대성에 지대한 영향을 받는다는 것을 실감하는 적절한 예이다.

또한, [도 11]과 같이 기둥단면 4, 3, 2 방향에 보가 돌출되는 패널존은 구조상 주요부위임에도 불구하고 그 부분의 거푸집 제작은 현장 목공에 일임하여 소홀이 다루며 그 부위의 제작비와 공사기간이 부담스러운 형편에 있다.

본 발명자는 이미 ㄱ형강을 소재로 하는 기둥과 보의 특허등록(10-0631365, 10-0648376)자이다. 그러나 특허등록 후 ㄱ형강 자재 수급이 원활하지 못하여 시행실적을 쌓는데 어려움이 있었으며 이를 타개하기 위하여 ㄱ형강 대신 대구경 고강도 용접철근을 사용하는 PRC를 특허출원하였고 그동안 수많은 건물에 적용하는 과정에서 공법을 개선하였으므로 이들을 바탕으로 하여 다시금 ㄱ형강과 철근을 혼용하는 PSRC 기둥공법을 제시하고자 한다.

ㄱ형강을 기둥의 주재로 사용하면 상하 기둥을 이을 때 PRC 기둥이음에 비하여 ㄱ형강을 직접 현장 맞댐용접하거나 볼트접합이 가능한 장점이 있다[도 8].

ㄱ형강은 철근에 비하여 단면2차반경이 크므로 좌굴장이 길어지며 휨강성이 우수하다[도 9]. 이는 PRSC 자재를 현장에 운반 및 조립할 때 강성이 커져 안정적이며 제작시 직진도 확보에도 유리하다. 따라서 이미 특허 등록된 바대로 횡부재와 사재 등 보조철물도 ㄱ형강으로 통일하면 바람직하겠으나 생산되는 최소규격품도 철근콘크리트기둥의 띠철근으로 많이 사용하는 D10, D13과 비교하면 단면적이 커서 경제성이 떨어진다.

본 발명은 최근 공포된 RC와 SRC 설계기준에서 각각 감소계수의 차이[도 3] 때문에 대구경 고강도 철근을 주재로 사용하는 PRC에서 ㄱ형강을 사용하는 PSRC로 급선회하게 되었다. 이는 과거 극히 미비했던 SRC 설계기준이 KBC 2009로 제정, 공포됨에 따른 환경변화라고 할 수 있다. 상기 기준에 따라 SRC 합성기둥의 좌굴 영향을 고려하여 단면을 계산하면 또 다른 변수가 있기는 하나 개략적인 값은 SRC 기둥에 적용하는 ㄱ형강의 효율이 RC의 철근에 비하여 무려 30~40％의 고효율이 있음을 확인하였다. 이는 최근 SN490 ㄱ형강이 대구경 고강도철근보다는 5％ 정도 비싼 것을 감안해도 25~35％의 이익이 있는 셈이다.

그동안 발표된 신기술, 신공법의 대부분이 기존 공법 대비 10％ 절감에 미치지 못하는 것에 비하면 본 제안의 파급 효과는 지대할 것으로 판단된다. 거푸집 제작비 산정의 일위대가는 표면적을 기준을 한다. 그러므로 건축구조에서 거푸집 목공이 가장 어려워하는 부위는 계단과 기둥,보 접합부 패널존이다[도 2, 도 6]. 또한, 시공 여건상 현실적으로 PSRC 기둥에서 발생한 수직도의 오차를 거푸집으로 보정할 수밖에 없다.

RC와 SRC의 설계규준에는 차이가 있는데 ㄱ형강을 철근으로 간주하여 RC 구조기준에 따라 설계하면 큰 저항이 없을 것이지만 경제성이 떨어진다. 반대로, 수 평 또는 사재로 ㄱ형강 등 강재대신 철근을 사용하면서도 철근을 강재로 간주하여 SRC 구조기준을 적용하면 약 25~35％ 내외의 경제성이 확보되지만 상기 익숙하지 않은 형태와 강재조합을 실무에 정착시키려면 다소간의 저항이 있을 것이다. 이를 피해가기 위해서 기둥의 수평재나 사재도 ㄱ형강으로 통일하면 SRC로 설계할 경우 RC 구조에 익숙한 구조전공자들이 RC 띠철근 간격과 불일치함을 문제 삼을 수 있으므로 이를 설명할 실험적 연구 등 납득할 만한 자료를 마련하여야 한다. 그 이유는 지금까지 SRC가 [도 6]과 같이 단면 중앙에 H형강을 매입한 RC 구조라고 알고 있는 건축 관련 전문가들이 대부분이기 때문이다.

그러므로 본 발명에서는 일차적으로 수직부재만 ㄱ형강을 사용하고 수평재나 사재는 철근을 사용하는 것을 기준하여 시행한다. 또한, 거푸집의 면적은 적으면서도 현장제작이 까다롭기로 이름난 패널존 거푸집을 간략화 시키는 일이다. 거기에 더하여 PSRC 기둥의 수직오차를 거푸집으로 보정하는 부담을 감수하여야 한다.

따라서 상기 두 종류의 서로 다른 구조설계 기준 즉 RC 설계기준과 SRC 설계기준에 모두 위배되지 않으면서도 합리적인 방법은 기둥의 주 재료가 되는 수직재는 주로 ㄱ형강을 사용하고 필요할 때만 부분적으로 보조철근을 배근하는 것이다. 또한 띠철근은 RC 구조에도 익숙한 방법을 활용하여 그 간격과 기타 기준을 RC 설계기준에도 만족하게 한다.

위에서 기둥의 띠철근을 SRC 설계규준에 적용하는 데 대한 모순점은 다행히 띠철근이 주응력에 대응하는 것이 아니며 또한 SRC 설계기준에서는 필수조건으로 삼지 않는 불필요한 규제임에도 불구하고 RC 구조에 익숙한 구조전문가의 불안감을 해소시키는 차원에서 띠철근을 추가로 배근하여 위 두가지 규준에 모두 만족하게 한다.

수직도에 오차가 있는 PSRC 기둥이라도 이를 감싸는 거푸집은 수직을 유지해야 하는데 패널존에서는 보와의 간섭 때문에 더 복잡한 조정이 필요하므로 [도 10]과 같이 보 측면에 슬롯 홀을 뚫은 경량 ㄱ형강을 볼트로 부착하고 거기에다 경량 성형강판 영구거푸집을 셀프드릴링 스크류로 부착하는 방법을 사용한다.

그동안 철구공장에서는 익숙하지 않았던 철근을 가공 조립하도록 하는 PRC 제작과정에서 많은 어려움이 있었으므로 아직은 특정 업체에서만 제한적으로 생산하고 있다. 그러나 철근 대신 ㄱ형강을 사용하는 방법으로 방향을 선회하여 PSRC로 변경하면 어떤 철구공장에서도 생산할 수 있도록 주문할 수 있어서 단시간 내에 적용 확산이 가능할 것이다. 다만 ㄱ형강은 H형강에 비하여 단위중량이 작으므로 중량당 가공비 추가 요청을 수용하여야 한다.(국내 철구공장의 관행은 톤당 단가를 적용하여 수주하므로 단위중량이 작은 강재 사용을 기피함.) 상기 톤당 단가 인상은 그동안 PRC 기둥 생산에서도 이미 수용하고 있는 사항이므로 추가 비용부담이 없다. ㄱ형강 PSRC 기둥은 PRC 기둥에 비하여 기둥 수직부재가 25~35％ 정도 경제적인 효과가 있으며, 제작 정밀도는 PRC 기둥에 비하여 우수하다.

현재 사용중인 PRC 기둥에서 가장 부담되는 것은 상하기둥 이음부위에 이음철판이 추가되어야 하는데 PSRC 기둥에서는 이를 생략할 수 있어서 경제적이다. 수 직도에 오차가 있는 PSRC 기둥의 패널존 거푸집이 오차를 흡수하도록 제작하면 거푸집 목공의 현장작업이 대폭 줄어들어 공기 단축 효과가 크다.

[도 1]에서 PSRC 기둥은 콘크리트 피복두께를 감안하여 4각형 단면의 모서리에 ㄱ형강(11) 및 보조철근(12)을 추가 배치하고 이들 수직부재 주변에 수평으로 사방에 띠철근(13)을 감아 ㄱ형강과 보조철근에 공장용접 한다. 구조설계 기준은 새로 공포한 KBC 2009의 SRC 설계기준에 의하며 띠철근의 굵기와 최대간격은 RC 구조설계기준에도 위배되지 않도록 선정한다.

2개층 이상 1개절 선조립 기둥 상하부 응력의 크기에 맞춰 보조철근의 개수를 조절하여 배근하면 더욱 경제적인 설계가 가능하다. 실제로 일반적인 1개절 3개층에서 하부층에만 집중 배근하는 방법이 가능하며 또한 바람직하다.

ㄱ형강과 보조철근 및 띠철근으로 이루어진 PSRC 기둥에 보가 접합되는 패널존부분에는 보(41)를 부착할 바탕이 되는 주두강판(15)을 수직부재에 용접 부착하고 보의 응력을 반대편 보에 전달하기 위해 주두강판 내부에 주두 보강용 강판(16)을 추가 용접한다.

패널존 주두강판 외면에는 필요한 보 브라켓을 4, 3, 2 방향으로 용접하고, 기둥 각 절 상하부 이음에서 ㄱ형강끼리는 현장용접 또는 볼트이음으로 하고 상하 보조철근끼리는 각각 강판 또는 커플러를 매개체로 하여 현장이음 한다.[도 8]

PSRC는 PRC와 마찬가지로 패널존 부분에 보를 부착하고 ㄱ형강 및 띠철근 외부에 재래식 거푸집을 설치하고 내부에 콘크리트를 부어넣어야 기둥으로 완성된다.

[도 11]은 PSRC 기둥 패널존의 2, 3, 4면에 보를 부착하는 평면도로 각각 보가 부착되는 면에만 주두강판을 부착한 것을 표시한다. 그러나 이 경우 보가 부착되지 않는 면에는 패널존에 만이라도 주두 보강용 강판을 부착한 보조철근을 추가한다.

[도 10]과 같이 보 측면에 볼트 구멍을 뚫고 슬롯 홀(33)을 뚫은 경량 ㄱ형강(31)을 볼트(32)로 부착하여 경량 성형강판(34)을 영구거푸집으로 삼아 셀프드릴링 스크류(35)를 부착할 수 있게 한다.

도 1은 PSRC 기둥,

도 2는 PRC 기둥,

도 3는 RC기둥과 SRC기둥 설계압축강도 산정 구조설계기준의 차이,

도 4는 국내 유명 제강사 철근의 시험 결과,

도 5는 PRC 기둥과 PSRC 기둥의 용접개소 차이 비교,

도 6은 재래식 SRC 기둥 및 보,

도 7은 ㄱ형강을 소재로 한 구조물의 예,

도 8은 PSRC 기둥이음 방법

도 9는 철근과 ㄱ형강의 단면 2차반경 비교표.

도 10은 수직도에 오차가 있는 PSRC 기둥의 패널존 거푸집

도 11은 보가 2, 3, 4 방향에 부착된 PSRC 기둥의 패널존 평면도

<도면의 부호에 대한 간단한 설명>

RC ; REINFORCED CONCRETE(철근콘크리트)

SRC ; STEEL REINFORCED CONCRETE(철골철근콘크리트)

PRC ; PRE-FABRICATED REINFORCED CONCRETE(선조립 철근콘크리트)

PSRC ; PRE-FABRICATED STEEL REINFORCED CONCRETE(선조립 철골철근콘크리트)

11 ; ㄱ형강 12 ; 보조철근

13 ; 띠철근 14 ; 기둥주근

15 ; 주두강판 16 ; 주두 보강용 강판

17 ; 보조띠철근 18 ; 커플러

19 ; 보조철근 이음강판

21 ; 철골기둥 22 ; 콘크리트

23 ; 기둥 거푸집 24 ; 패널존 거푸집

31 ; 경량 ㄱ형강 32 ; 볼트

33 ; 슬롯 홀 34 ; ㄱ자형 경량 성형강판

35 ; 셀프드릴링 스크류 36 ; 보강리브

41 ; 보(브라켓)

Claims (2)

1. ㄱ형강과 철근을 조립하여 PSRC 기둥을 제작함에 있어서,

   a) 4개의 ㄱ형강을 4각형 단면의 모서리에 세우고 이들 사이에 보조철근을 추가하고 수평방향으로는 규정된 간격의 띠철근으로 둘러싸고 용접하여 고정하는 단계 ;

   b) 보가 설치되는 부위의 ㄱ형강과 보조철근 외부에 주두강판을 용접하고 주두강판 내부에는 보가 설치되는 위치에 대각선으로 주두보강용 강판을 부착하는 단계 ;

   c) 상기 주두강판 외부에 보 또는 브라켓을 부착하는 단계 ;

   d) 상기 a)~c)의 단계를 거쳐 제작된 PSRC 기둥을 현장 반입하여 세우고 브라켓에 보의 나머지 중앙부를 부착하며, PSRC 기둥 주변에 거푸집을 설치하고 내부에 콘크리트를 타설하는 것을 특징으로 하는 선조립 철골철근콘크리트 기둥 공법.
2. 제1항에 있어서,

   PSRC 기둥에 부착된 보 또는 브라켓의 기둥 쪽 단부에서 기둥 피복두께 만큼 떨어진 위치의 보 또는 브라켓의 측면에 경량 ㄱ형강을 부착하기 위한 볼트 구멍을 뚫고, 슬롯 홀을 뚫은 경량 ㄱ형강을 볼트로 부착하며 ;

   영구거푸집으로 사용하는 ㄱ자형 경량 성형강판 단부를 상기 경량 ㄱ형강에 셀프드릴링 스크류로 고정하는 것을 특징으로 하는 선조립 철골철근콘크리트 기둥 공법.

Images