기술 및 일반기사 ｜ 서현주⋅오경현
1. 건축물의 시작 기초구조
건축물의 규모에 상관없이 모든 건축물의 시작은 기 초구조로부터 시작되며, 기능적으로도 매우 중요한 역
할을 수행하고 있으나 실체적으로는 잘 드러나지 않는 건축물의 ‘보이지 않는 숨은 기여자’이다. 이러한 기초 구조물은 기초의 구성형상에 따라 독립기초형식, 온통 기초(MAT 기초)형식으로 구분되며, 지지방식에 따라
독립기초 매트기초 기초보강재 적용 기초
공정사진
장점 터파기량 및 콘크리트양이 작다. 전체적인 굴착으로 공사가 편리하다.
매트기초에 비하여 매트깊이가 줄어든다.
터파기 및 콘크리트가 줄어들어 공기가 단축된다.
표 1. 기초 형식별 비교
매트기초의 두께를 줄일 수 있는
STM(Strut & Tie Model) 기초보강공법
Reduced mat foundation thickness by STM (Strut &Tie Model)
서현주 (hyun-joo suh)｜
㈜바로건설기술 대표이사｜
[email protected]오경현 (kyung-hyun oh)｜
㈜바로건설기술 차장｜
[email protected]지내력기초, 파일기초 등으로 다시 구분할 수 있다.
기초 터파기와 콘크리트 타설을 최소로 하는 것을 목 적으로 독립기초를 설계에 많이 적용하지만, 지반의 지 내력이 작아 기초판이 커지는 경우, 또는 기초바닥면이 암반이라 독립기초형태로 굴착하는 것이 정밀도가 떨 어지고 공기가 늘어나는 경우라면 독립기초보다 매트 기초로 밖에 할 수 없는 경우가 많다.
STM 기초보강공법은 콘크리트 구조기준의 스트럿- 타이 모델에 따라 설계가 가능하며 Strut & Tie Model 을 이용하여 기둥을 받치고 있는 기초의 내력을 효과적 으로 향상시켜 기존 기술의 기초두께를 약 20∼30% 줄 일수 있다. 기초두께를 줄일 수 있다는 것은 ①터파기 물량을 줄일 수 있고, ②한번에 타설할 수 있는 기초 면적이 넓어져 끊어치기 회수를 줄일 수 있고, ③따라
서 공기를 단축할 수 있고 ④콘크리트 물량 절감과 터파 기량 절감으로 경제성을 확보할 수 있다는 이점이 있다 .
2. STM 기초보강공법의 개요 및 특징
STM 기초보강공법은 Strut & Tie Model을 이용한 아치형 철판과 강봉으로 구성된 철근콘크리트 기초보 강공법이다 . 아래 그림은 Strut & Tie Model(STM)으로 형상화 한 것이다.
기초부분의 STM은 두 개의 경사 스트럿과 수평의 타이가 3개의 절점을 이루며 구성된다. 기초보강재는 기초부분의 STM형상을 바탕으로 그림에서와 같이 경 사 스트럿 부분은 압축력에 유리한 콘크리트와 철판의 합성거동으로 저항하도록 하고 수평방향의 타이는 고 그림 1. STM 기초보강공법의 원리
L-Type (아파트 주차장용) H-Type (고층건물용)
그림 2. 기초보강재 상세
기술 및 일반기사 ｜ 서현주⋅오경현
강도의 대구경 철선을 적용함으로써 기초의 내력을 효 과적으로 향상시키는 방법을 채택하고 있다. 기초보강 재의 내력은 스트럿의 내력, 타이의 항복내력 그리고 절점부분의 최대내력을 평가하여 그 중에서 가장 취약 한 내력에 의해 결정되며 기본적인 내력의 평가방밥은 콘크리트구조 설계기준에 근거하여 평가하고 있다.
기초보강재의 각 부분의 명칭 및 특징은 다음과 같다.
- 스트럿 철판 : STM에서 압축 스트럿을 보강하는 부분으로 구조계산에 의하여 판의 두께 , 재질, 형상 등을 산정한다. 스트럿 철판이 교차되는 부분의 접 합은 완전 용입 용접 방법을 원칙으로 하며 4.0㎜
이하의 철판을 사용하는 경우 모살용접으로 접합 가능하다. 다른 부재와의 접합은 모살용접을 이용 하여 접합한다 .
- 인장타이 : STM에서 MAT 하부철근과 함께 인장 재를 형성하는 부분으로 구조계산에 의하여 재질 및 직경을 산정한다. 하부타이는 스트럿 철판과 용 접 및 볼트 접합하여 일체화된 Strut-Tie Mechanism이 형성되도록 한다.
- 단부보강판 : 하부타이의 정착을 보다 견고하게 해 주는 역할을 한다.
- 스터드 볼트 : 스트럿 철판과 콘크리트의 합성거동 이 가능하도록 전단연결재의 역할을 하며 스트럿 철판에 작용하는 압축력 이상의 전단성능을 확보 할 수 있도록 규격 및 수량을 산정하고 간격은 350
㎜ 이내로 한다 .
- 정착철판 : 스트럿 철판의 인장방향 정착력을 확보 하기 위한 부재로 스트럿 철판과 같은 규격의 철판 을 사용하며 폭은 60∼100㎜, 길이는 스트럿 철판 경사부분 길이의 50%이상 이다.
3. 성능 검증 실험
기초보강재의 성능 검증을 위하여 4차례의 단순 휨 실험과, 3차례의 양방향 기초실험을 수행하였다. 본 기
사에서는 스트럿과 타이 거동의 유효성 검증에 적용되 었던 양방향 실험결과를 정리하였다.
1) 실험개요
실제 기둥 하부에 설치되는 대부분의 기초보강재는 양방향이므로, 실제 기초판과 동일한 형상의 양방향 실 험체를 1/3 scale로 제작하였다. 실험에서는 보강재의 유무 및 종류를 변수로 하여 양방향 기초판의 거동을 평가하였다 . 특히 양방향실험체 는 이방향 전단에 의하
(a) T430
(b) T430J
(c) R430T
그림 3. 양방향 실험체의 크기 및 배근도 (단위 : ㎜)
여 파괴되는 경우가 많으므로 실험에서는 이방향 전단 내력을 비교 평가하였다.
실험체 T430은 기초보강재용 강재 철판이 배근되지 않은 실험체이다. 기초보강재용 강재 철판의 내력을 비 교 평가하기 위하여 T430J는 그림 3(b)와 같이 J형 전 단보강철근을 배근하였다. 실험체 R430T, R430C 및 R430S는 이 연구에서 제안하고 있는 강판을 이용한 기 초보강재를 가력점과 지점사이에 배근한 실험체이다.
실험체 R430T와 R430C는 강재 철판의 두께를 6㎜로 하고 인장타이를 2-∅19를 적용하여 인장타이의 강성 을 상대적으로 적게 하여 파괴 형태가 인장파괴가 되도 록 한 실험체이고 , R430S는 강재 철판의 두께를 4㎜로 하고 인장타이를 2-∅30을 적용하여 압축 스트럿의 강 성을 상대적으로 적게하여 파괴 형태가 압축파괴가 되 도록 한 실험체이다. 실험체의 크기 및 보강재의 배근 을 그림 3에 표시하였다. 모든 실험체의 기초판 두께는 430㎜ 이며 기초판의 넓이는 1,400㎜ × 1,700 ㎜이다.
실험이 수행되는 시점에 측정한 실험체의 콘크리트 압축강도는 26.0MPa이었다. 사용한 주철근(D16)의 항 복강도는 505MPa, J형 전단보강철근(D10)의 항복강도 는 547MPa이었다. 4㎜ 및 6㎜ 두께의 기초보강용 강재
철판의 항복강도는 310 MPa이었으며, 인장타이로 사 용된 강봉의 항복강도는 ∅19 와 ∅30이 각각 733MPa 과 655MPa 이다. 양방향 실험체의 특징 및 재료에 대 한 상세를 표 2에 나타내었다.
2) 실험 결과
전체적인 실험체가 가력부 부분의 압괴에 의하여 이 그림 4. 실험체 평면도 및 게이지 위치 (단위 : ㎜) 그림 5. 실험체 셋팅
그림 6. 양방향 기초보강재 실험체 실험결과
기술 및 일반기사 ｜ 서현주⋅오경현
방향 전단에 의하여 파괴되었으며, 실험체 측면에서는 미세한 균열이 발생하였다.
기초보강재가 설치되지 않은 실험체 T430 및 T430-J 의 최대 하중은 각각 3,262kN 및 3,572kN이었고 기초 보강재가 설치된 실험체 T430T, T430C, T430S 의 최 대 하중은 각각 5,139kN, 5,070kN, 5,324kN으로 무보 강 실험체에 비해 약 160%이상 성능 증가를 보였다.
4. 스트럿-타이 모델에 의한 평가
기초보강재가 적용된 실험체의 내력 평가는 콘크리 트 구조설계 기준에 의한 평가와 함께 스트럿-타이 모 델에 의하여 계산하였다. 실제 하중 조건과 가장 유사 한 형태인 3차원 8절점 스트럿-타이 모델을 선정하였 다. 가력점의 하중이 8개의 지점으로 전달되는 3차원 스트럿-타이 모델을 2차원 스트럿-타이 모델로 전환하 기 위하여 2차원 모델을 단변방향과 장변방향을 각각 계산한 후에 이들 값을 중첩하여 내력을 계산하였다.
스트럿-타이 모델을 선정한 이후에 기준에서 정하는 설 계법에 의하여 부재의 내력을 다음과 같이 계산하였다 .
① STM의 기하학적인 형태 (부재의 D영역을 결정
하고, 영역 내에서 힘의 흐름에 기초하여 압축재, 인장재 및 절점을 배치)
② 작용하는 하중에 근거하여 각 압축재 , 인장재에 작용하는 축력
③ 콘크리트의 유효압축강도와 하중계수를 계산하고 스트럿의 형태와 강도 계산
④ 절점영역의 분포와 강도 계산
그림 7. 3차원 8절점 스트럿-타이모델
실험에서 관찰된 내력과 해석 결과를 표 3에서 비교 하였다.
실험체
H d a
인장철근 (
)
타이 철근 (
)
철판 두께 (㎜)
실험체 개요 (㎜) (㎜) (㎜) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa)
T430 430 390 430 26 - 505 - - 17-D16@100 - - 무보강 실험체(비교용) T430J 430 390 430 26 547 505 - - 17-D16@100 - - J형 전단보강근
설치 (D10@200) R430T 430 390 430 26 - 505 310 733 17-D16@100 2-∅19 6.0 인장(Tie Force)
지배 실험체 R430C 430 390 430 26 - 505 310 733 17-D16@100 2-∅19 6.0 인장(Tie Force)
지배 실험체 R430S 430 390 430 26 - 505 310 655 17-D16@100 2-∅30 4.0 압축(Strut Force)
지배 실험체 H : 실험체의 높이, d : 실험체 유효깊이, a : 실험체의 전단경간길이,
: 인장철근(하부철근)총단면적,
: 콘크리트 압축강도,
: J-형 철근의 항복강도,
: 인장철근의 항복강도,
: 강재 철판의 항복강도,
: 인장타이의 항복강도,
: 인장타이 총 단면적
표 2. 양방향 실험체 특성 및 재료 조건
콘크리트 구조기준에 근거하여 계산된 내력은 실제 내력을 최대 66%까지 과소평가함을 알 수 있다. 스트 럿-타이 모델에 의하여 계산한 결과는 표 3에서 보는 바와 같이 비교적 정확하게 기초판의 내력을 평가할 수 있었다.
5. 아파트 지하주차장 기초보강재 적용 사례
1) 현장 현황
아파트 주동부는 MAT + PHC파일기초로 계획되었 으며, 지하주차장은 구간별로 지내력이 작은 구간은
MAT(T=800)로, 지내력이 200KN/㎡ 이상인 구간은 독립기초(T=600∼900)로 여러 가지 형식의 기초가 혼 재되어 설계되었다.
공기나 시공 관리면에서 독립기초로 계획된 원 설계 안으로 시공하는 것은 많은 문제점을 안고 가야하므로 부담이 되었다. 그렇다고 독립기초의 문제점을 해결할 수 있는 MAT기초로 변경하는 것은 원가상승이 예상되 기 때문에 선뜻 변경을 추진할 수도 없는 상황이었다.
2) 대안 검토
현장 여건을 고려할 때 독립기초로 시공하는 것은 서 류상으로는 경제성인 이득이 있는 것으로 보일 수 있으
실험체 P
TEST(kN) P
KCI(kN) P
STM(kN) P
TEST/P
KCIP
TEST/P
STM파괴모드
실험 STM
T430 3262.3 2626.8 3250.9 1.24 1.00 스트럿 휨항복
T430J 3571.7 2625.8 3250.9 1.36 1.10 스트럿 휨항복
R430T 5138.8 3123.8 5041.6 1.65 1.02 휨항복 휨항복
R430C 5069.7 3123.8 5041.6 1.62 1.01 휨항복 휨항복
R430S 5324.3 4397.5 5240.4 1.21 1.02 스트럿 스트럿
표 3. 해석결과 및 실험결과 비교
그림 8. 다양한 기초구조 형식
기술 및 일반기사 ｜ 서현주⋅오경현
나, 실제 시공을 담당하여야하는 현장 입장에서는 그 효용성에 많은 의문을 가질 수밖에 없었고, 그 대안으 로 전체를 MAT 기초로 두께를 동일하게 하되, 두께 증 가를 최소화하는 것이었다.
기존 기초두께를 MAT 기초로 변경할 경우 MAT기 초의 두께는 최소 750 정도로 판단되었고, 이 경우 콘 크리트와 철근 물량이 과도하게 증가하여 현장에서 감 당할 수 있는 범위를 초과하는 것 (121.5%)으로 판단되 었다.
또 다른 대안으로 검토한 기초보강재 적용 공법의 경 우, 기초두께를 550㎜로 최소화할 수 있었고, 이로 인 하여 공사비 증가 부분도 최소화(104.9%)할 수 있었다.
3) 시공성 검토
부분 터파기를 하여야 하는 독립기초 형식이 전체 두 께를 동일하게 하는 MAT 기초에 비해 시공성이 떨어 지는 것은 자명한 일일 것이다. 이러한 부분의 시공성
을 평가하기 위하여 , 백호우의 시간당 작업효율을 산정 하여 비교 검토하였다.
독립기초인 경우의 터파기 물량과 기초보강재를 적 용한 MAT의 터파기 물량을 적용한 결과, 순공사 일수 가 각각 31.1일과 11.9일로 예상되어 공기를 19.2일 절 감할 수 있는 것으로 추정할 수 있었다.
공기 19.2일의 절감효과를 금액적으로 판단해 보면, 전체 공기 28개월, 간접비 총액 73억원을 기준으로 할 때 , 일일 약 870만원의 간접비가 절감될 수 있어, 총금액 약 1억6,600만원 정도의 절감효과를 기대할 수 있었다.
4) 기술 검토
다양한 기초형식(T=500∼900)으로 계획된 기초 형 식을 기초보강재를 적용하여 동일한 두께의 MAT (T=550) 기초로 변경함으로써 기술적으로는 다음과 같 은 내용이 검토되었다.
원가 측면에서는 직접비가 4.9%(8100만원) 정도 증
수량 금 액 수량 금 액 수량 금 액
터파기 풍화토 기준 ㎥ 10,248 30,744,000 9,773 29,319,000 14,037 42,111,000 잔토처리 풍화토 기준 ㎥ 10,248 33,818,400 9,773 32,250,900 14,037 46,322,100 바닥면 고르기 풍화토 ㎥ 10,248 10,248,000 9,773 9,773,000 14,037 14,037,000 레미콘 24MPa ㎥ 10,248 563,640,000 9,773 537,515,000 14,037 772,035,000 레미콘타설 10,248 71,736,000 9,773 68,411,000 14,037 98,259,000 바이브레타 10,248 2,049,600 9,773 1,954,600 14,037 2,807,400 철근 각종 ton 1,074 742,134,000 1,094 755,954,000 1,189 821,599,000 철근 SHOP ton 1,074 13,962,000 1,094 14,222,000 1,189 15,457,000 철근가공 ton 1,074 37,590,000 1,094 38,290,000 1,189 41,615,000 철근조립 ton 1,074 164,322,000 1,094 167,382,000 1,189 181,917,000 합판거푸집 4회 자재 ㎡ 350 1,645,000 250 1,175,000 38 178,600 합판거푸집 4회 공임 ㎡ 350 4,200,000 250 3,000,000 38 456,000 거푸집 인양정리 ㎡ 350 350,000 250 250,000 38 38,000 거푸집 부속자재 ㎡ 350 385,000 250 275,000 38 41,800 기초보강재 EA - 201 98,490,000 - -
합계 1,676,824,000 1,758,261,500 2,036,873,900
비율 100% B/A 104.9% C/A 121.5%
명칭 규격 단위
MAT+독립+FS(300) (A)
MAT+기초보강재 (B)
MAT(750) (C)
표 4. 대안별 예상 공사비
적용근거 산출 적용근거 산출
버켓용량 q m3 1.00 1.00
버켓계수 k 버켓의 90%사용 0.90 버켓의 90%사용 0.90
토량환산계수 f 터파기에 의한 교란계수 0.80 동일 0.80
작업효율 e
양호(0.9),보통(0.7),불량(0.55)0.55 양호(0.9) 0.90
1회 백호우 싸이클 Cm sec Cm=(L1/V1+L2/V2)/10+t 24.60 Cm=(L1/V1+L2/V2)/10+t 22.80
1회 시간/m3 (t) t sec 135도 기준 21.00 135도 기준 21.00
적재시 주행거리 L1 m 50.00 동일 50.00
공차시 주행거리 L2 m 50.00 동일 50.00
적재시 주행속도 V1 m/sec 10 km/h 기준 2.78 20 km/h 기준 5.56 공차시 주행속도 V2 m/sec 10 km/h 기준 2.78 20 km/h 기준 5.56
시간당 작업량 Q m3/h 3600*q*k*f*e/Cm 57.95 3600*q*k*f*e/Cm 102.32 총 터파기 물량 m3 10,248 9,773
순 작업시간 일 9309.58m3/Q/8h 22.10 11.94
독립기초부 측량 일 2.00
바닥정리 일 2.00
분리타설 및 양생 일 5.00
일
31.10 11.94순공사기간
매트기초(B) + 기초보강공법 기호
구분 단위
독립기초(A)
표 5. 시공성 검토(독립기초 vs. MAT기초)
기술 및 일반기사 ｜ 서현주⋅오경현
