KR101184511B1 - 두꺼운 벽체 철근프레임을 공장 용접하여 현장 배근하는 공법 - Google Patents

Abstract

내폭구조물이나 원자력발전소 등에 적용하는 두꺼운 철근콘크리트 벽체에 굵은 철근을 재래식으로 배근하려면 도 4, 도 5와 같이 철근을 구부리는 곡률반경이 크므로 구부린 수평철근과 직교하는 수직철근을 도면에 표시된 위치에 정확하게 배근하는 것이 불가능하다. 굵은 철근을 사용하는 경우, 부착내력 확보를 위한 겹이음은 정착길이가 대폭 증가하여 철근 사용량이 많아지고 그에 따라 벽체 두께를 더 키워야 하는 경우가 발생한다.

원자력발전소는 공사기간 단축이 총 사업비 절감과 직결된다. 그러므로 원자력발전소 현장의 경우, 철근이음은 용접성이 우수한 고강도의 굵은 철근을 시험으로 성능확인 후 겹이음(Lap Joint)대신 커플러 등 기계식 이음이나 용접이음 등을 적용한다. 물론 용접이음하는 경우, 철근용접에 대한 상세한 규정이 필요하다.

재래식 벽체 배근방법은 수직철근을 먼저 배근하고 거기에 의존하여 수평철근을 배근하는 방법을 사용한다. 그러나 본 발명에서 제시하는 방법은 도 1과 같이 벽체의 양단에 프레임 A(수직재 6개)를 공장에서 용접제작하여 현장조립하고, 프레임 B를 공장용접하여 현장 조립한 후 현장에서 나머지 철근을 조립한다. 프레임 A와 프레임 B는 시공 중 거푸집의 수직, 수평도 및 벽체의 두께를 확보하기 위한 거푸집 목공의 작업량을 경감시키고, 거푸집가새의 기능을 겸한다.

도 6은 두 벽체가 ㄱ형 또는 T형으로 만나는 경우의 배근 방법이며, T형일 때는 도1과 같은 방법으로 A, B 프레임을 활용한 배근이 가능하다. 그러나 ㄱ형일 때의 C 프레임은 수직재 7개가 필요하다.

Description

두꺼운 벽체 철근프레임을 공장 용접하여 현장 배근하는 공법{Site Reinforcing Method of Thick Wall with Using Plant Welded Steel Bar Frames}

철근콘크리트 구조는 전세계적으로 가장 많이 사용하는 구조방식이다. 표준공법은 거푸집 목공이 유동체인 콘크리트를 강도가 큰 고체로 양생될 때까지 담아줄 그릇을 제작하는 일과 그 내부에 철근을 배근하는 일 및 콘크리트를 부어넣는 일로 구분된다. 그런데 철근은 콘크리트가 양생된 후에는 콘크리트가 부담하는 압축내력에 대응하는 인장내력을 받아 협력하여 "철근콘크리트"라는 새로운 구조가 생성되는 것이어서 철근과 콘크리트가 따로 떨어져서는 별 힘을 발휘하지 못하는 특성을 가지고 있다. 즉 철근과 콘크리트는 콘크리트가 양생되기 전까지 목공이 마련한 가설재인 거푸집이 인큐베이터 역할을 해 줘야 하기 때문에 철근과 콘크리트를 감싸는 거푸집(그릇)이 콘크리트의 압력에 잘 견뎌서 아래로나 좌우 옆으로도 터지거나 주저앉지 않도록 버텨줘야 한다. 콘크리트의 압력을 저항하기 위해 설치하는 것들은 동바리 및 가새라고 한다.

철근콘크리트가 양생되기 전 거푸집에 가해지는 콘크리트의 압력은 수압의 2.5배나 된다. 그러므로 거푸집은 철근콘크리트의 양생이 끝나는 4주 후면 아무짝에도 쓸모가 없어서 제거해야 하는 가설재이지만, 철근이나 콘크리트 공사보다 더 중요하고 공사기간도 많이 필요하며 공사비도 철근이나 콘크리트보다 더 많이 드는 것이다. 그런데 거푸집공사는 3D업종의 하나여서 내국인 기술자가 거의 없는 것이 문제점으로 대두되고 있으며, 그런 점에서는 철근공사도 마찬가지다. 이런 어려움을 타개하기 위하여 프리캐스트 콘크리트(Precast Concrete) 공법, 즉 거푸집과 철근배근 및 콘크리트를 부어서 양생하는 절차 모두를 공장에서 시행하여 현장에 반입 후 조립하는 공법을 사용하고 있다. 그러나 동일 규격의 부재가 반복되고, 운반 조립과 접합부 하자보수에 큰 부담이 없는 특수공사에 주로 적용되고 있다.

내폭구조물 또는 원자력발전소 등 내진구조 설계기준에 부합하려면 굵은 철근의 부착내력 확보를 위한 겹이음 및 정착길이가 대폭 증가하여 철근 사용량이 많아지고, 그에 따라 벽체 두께를 더 키워야 하는 악순환이 계속된다. 예를 들어 41mm 고강도 철근(F_y = 500MPa)과 콘크리트의 압축강도 f_ck = 30MPa인 경우, 겹이음하려면 이음 길이가 2,240mm나 된다. 또한 위와 같은 두꺼운 벽체는 철근량도 많아 굵은 철근을 사용하는 것이 합리적인데도 현장가공 조립이 어려울뿐만 아니라 32mm 이상의 굵은 철근은 일정량 이상을 사전에 주문해야 생산이 가능하므로 가느다란 철근을 2단으로 빽빽하게 배근하도록 설계하고 있다. 또 다른 이유는 굵은 철근의 단위 중량이 무거워서 인력으로 현장 운반 및 조립하는데 어려움이 뒤따르기 때문이다. 참고로 직경 41mm 철근은 단위길이당 무게가 10.5kg이므로 길이가 8m일 때 84kg이어서 운반장비의 도움 없이는 취급이 불가능하다. 규정상 철근을 구부리는 곡률반경은 25mm까지는 직경의 3배지만 38mm 이상이면 직경의 5배가 되어서 41mm 철근을 예로 들면 180°구부리는데 차지하는 폭이 무려 49.2cm나 된다(도 5 참조).

도 4에서 수평철근의 단부를 구부리는 이유는 수직철근을 감싸주기 위해서인데 곡률반경이 크면 수직철근의 필요한 위치를 유지시켜주는 것이 불가능하다. 또한 원자력발전소는 공사기간 단축이 사업비 절감과 직결되므로 공기절감이 필수적이다. 그러므로 원자력발전소 현장과 같이 규모가 크고 공기절감이 절대적으로 필요한 경우, 철근이음은 겹이음(Lap Joint)대신 커플러 등 기계식 이음이나 용접으로 공장제작하여 공기절감을 유도할 필요가 있다. 물론 절대 금기사항으로 삼고 있는 철근용접은 용접성이 우수한 철근을 주문 생산하여 성능을 시험으로 확인하고, 필요한 제작규정과 시방서를 개정하여야 한다.

철근콘크리트 공사에서 거푸집의 동바리와 가새만 생략해도 공사 기간과 공사비 절감에 큰 도움이 된다. 철근이 한가닥씩 따로 따로 있을 때는 강성이 작아서 쉽게 구부러지지만 이들을 서로 용접하여 틀을 짜주면 강성이 크게 증가한다는 원리를 활용하여 "거푸집 의존적"이던 철근콘크리트 공사 방법을 "철근프레임 의존적" 철근콘크리트 공사가 되도록 변경하는 것이 바람직하다. 철근도 원자기호가 "Fe"로 H형강 등 다른 철골부재와 다를 바 없음에도 불구하고 지금까지 철근은 용접하여 구조재로 사용하는 것을 금기사항으로 여기고 있다(건축공사표준시방서 "3.2 철근 및 용접망의 가공" 마항, 철근 및 용접망의 가공은 담당원의 특별한 지시가 없는 한 가열가공은 금하고 상온에서 냉간가공 한다). 이는 철근을 생산하는 원료가 H형강 등 일반 철골자재와 달리 탄소치(Carbon)가 높아서 용접하려면 엄격 한 용접관리가 필수적이다. 그러나 철근가공은 대부분 공사현장 또는 노천에서 이루어지므로 관리가 어려울 것으로 판단하여 아예 국토해양부 표준시방서로 용접 및 가열가공을 금하고 있다. 한편 위 규정에서 용접가공을 제한하면서도 용접철망을 사용하는 것을 허용하는 것은 "용접" 자체를 금하는 것은 아니라는 것을 시사한다.

과거 공사현장에서는 철근을 손쉽게 절단하려고 현장에 반입된 철근다발을 그대로 놓고, 필요한 부분만 산소용접기로 철근을 길이대로 잘라 쓰는 것이 관행이었다. 철근을 산소로 절단하면 아래에 있는 다른 철근까지 손상을 입기도 하지만 부분적으로 가열된 철근이 빗물에 급냉하면 국부적으로 연성 및 인성이 저하된다. 그러므로 건축공사 표준시방서에는 가열가공을 금하는 조항을 추가하게 된 것이다. 또한 현재 사용하는 철근은 원형봉강이 아니라 표면이 굴곡이 있는 이형이어서 정밀도를 생명으로 여기는 강구조 기술자들은 철골구조용 원자재로 인정하려 하지 않는 분위기다.

철근은 고철을 녹여서 생산되고 있으며, 일부 신규 제철소에서도 쉽게 생산이 가능하다. 이러한 영향으로 중국 등지에서 불량철근이 수입되어, 일괄적인 용접시공을 허용하는 것은 어렵다. 그러므로 수십 년 동안 표준공사기법으로 적용하고 있는 철근 현장조립을 공장에서 용접조립이 가능하도록 성능인정과 시방서 개정 등이 선행되어야 한다. 또한 철근을 공장에서 용접제작하기 위해서는 사용 철근의 성능인정 기준과 시험 및 평가방법의 제시, 용접관리 등이 명시돼야 한다. 이러한 선 행조건이 수행되면, 철근을 공장에서 용접하는 것이 충분히 가능할 수 있을 것이다. 지금도 가스압접은 현장 시공이 허용된다.

시험을 거쳐서 철근을 공장용접 가공하는 것을 인증 받는 제도를 마련하고, 건축공사 표준시방서도 인증된 공장에서는 철근 용접을 허용하도록 개정한다. 현재 일부 철근 생산공장은 용접성 개선을 위해 탄소당량 수치를 관리한 용접용 철근의 주문생산 준비를 마친 상태이다. 또한 상기 철근의 용접 가능성 여부를 확인하기 위하여 13종류(26개)의 시험체를 제작하여 인장시험을 실시하였으며 그 시험결과를 참고자료로 첨부한다. 시험결과는 항복강도, 인장강도는 만족하고, 연신율은 예열 및 후열 등의 열처리로 향상되는 것으로 확인됐다.

철근을 철구공장에서 용접 조립하면 공사현장에서 결속선으로 묶는 것과는 비교할 수 없을 정도로 품질이 보장된다. 또한 굵은 철근을 사용할 수 있어서 단면의 효율이 높아지고, 겹이음을 하지 않음으로 인한 콘크리트 단면축소와 철근량 감소로 전반적인 경제성이 확보되는 효과가 있다. 현재 국내의 철근콘크리트 공사에 동원되는 기능공은 대부분 외국인근로자들로 사회적인 문제가 발생하고 있다. 그러나 철근을 공장조립하면 기능공 수급 문제도 많이 해소되고, 공사기간과 공사비가 획기적(20～30％)으로 저감됨을 확인하였다.

두꺼운 벽체의 철근프레임을 공장 제작 후 현장 배근함에 있어서 각 부분별 제작 및 설치과정은 다음과 같다.

도 1, 도 3과 같이 프레임 A(10)를 공장에서 용접제작 후 현장 반입하여 설치하고자 하는 벽체의 양단에 조립한다. 만일 벽체의 길이가 길면 프레임 B(20)를 적당한 간격으로 중간에 배치한다. 그러므로 양단의 프레임 A 사이에 수평철근(40)을 배근하여 지지시킬 수 있을 정도의 간격으로 프레임 B를 배열한다. 수평철근은 양단부에 나사가공이 되어 있으며, 수평철근을 프레임의 수평재(50)에 걸친 후 수평철근의 단부는 프레임 A의 수직재 a, b 사이에 너트(62)와 와셔(64)로 고정한다. 수평철근의 타단은 다른 수평철근과 커플러로 이어서 프레임 A까지 도달시켜 동일하게 최종단부를 와셔와 너트로 체결한다. 이와 같은 방법을 상하배열 간격에 맞춰서 반복하고, 수평철근은 프레임 A, B의 수직재와 결속선으로 묶는다. 그 후 수직철근(45)을 수평철근(40)들과 결속선으로 묶는다.

프레임 A의 수직재(55)는 최소 6개이고 그 중 a, b, c, d는 우물정자(＃)형으로 배열한 4개의 수평재 구석외곽에 배치하고, 나머지 2개 e, f는 각각 a와 b에서 수평철근을 설치후 고정할 수 있도록 한다. 벽체 높이가 높아서 시공시 횡변형이 염려스러우면, 프레임에는 상하 수평재(50)와 수직재(55)로 이루는 수직면에 대각선으로 사재(60)를 배열하여 수직재에 용접한다. 수평재와 사재는 수직재의 내측에 용접하여 후에 수평철근을 배근하는데 간섭을 받지 않게 한다. 수평재의 상하 간격과 굵기, 사재의 굵기는 프레임에 수평철근과 수직철근을 조립 후 거푸집을 대고 콘크리트를 부어 넣을 때까지 충분한 강도를 가지도록 구조계산으로 정한다. 프레임 A의 수직재들 사이에도 필요하면 수직철근을 추가할 수 있다.

프레임 B(20)는 프레임 A의 한쪽 면 수직재 c, d에만 수평재와 사재를 용접한 것으로 벽체의 길이가 길 경우 수평철근을 배근하는 지지틀 역할을 한다. 벽체의 높이가 일반건물 1개 층 높이를 초과할 때는 프레임 B를 수직재 2개로 제작하는 대신 프레임 A에서 수직재 e, f를 제거한 것과 같은 4각형 평면으로 제작한다. 이상과 같은 방법으로 철근을 배근하면 프레임 A와 프레임 B가 시공 중 횡변형을 제어하게 되므로 재래식 철근콘크리트 공사와는 달리 거푸집의 수직, 수평도 및 벽체의 두께를 확보하기 위한 거푸집 목공의 작업량이 대폭 줄어들게 된다. 즉 철구공장에서 mm단위의 정밀도를 유지하면서 공장제작 후 현장 조립하면, 거푸집 가새의 기능을 겸한다. 벽체는 일자형 이외에 ㄱ형과 T형도 있는데, T형은 도 6(b)와 같이 일자형 벽체와 같은 방법으로 시공할 수 있다. ㄱ형과 같이 2개의 벽체가 서로 직각으로 만나는 경우, 도 6(a)의 프레임 C를 활용한다.

프레임 C(30)는 최소 7개의 수직재(55)로 제작하며 수직재 a, b, c, d, e, f까지 6개는 프레임 A와 같이 제작하고 나머지 g는 c와의 사이에 수평철근 3을 고정할 수 있도록 한다. 수평철근 1, 2, 3을 배근한 후 수직재 h를 현장배근하고, 수평철근 4를 조립하면 수직철근을 조립할 수 있다. 수평재의 상하 간격과 굵기, 사재의 굵기는 프레임 C를 공사현장에 운반하여 소정의 위치에 세우고, 수평철근과 수직철근을 배근하여 거푸집을 대고 콘크리트를 부어 넣을 때까지 충분한 강도를 가지도록 구조계산으로 정한다.

이상에서 거론한 수직재(55), 수평재(50), 사재(60)도 수직철근(45)이나 수평철근(40)과 동일하게 철근으로 제작하지만 설명편의상 차별화하여 이름붙인 것이 다. 프레임 A(10)와 프레임 B(20), 프레임 C(30)의 수직재 이음은 모두 양단부에 나사산을 만들어서 커플러로 조립하고, 수직철근과 수평철근의 이음도 커플러 적용을 기본으로 한다. 그러나 커플러를 활용한 기계이음 대신 압접과 용접 등도 적용할 수 있다.

도 1은 공장제작한 프레임 A와 프레임 B를 조합하여 현장에서 설치하는 철근프레임 개념도,

도 2는 프레임 A와 프레임 B를 조합하여 현장에서 설치하는 철근프레임 사시도 및 프레임 A의 부분상세도,

도 3은 각 단계별 작업순서도,

도 4는 굵은 철근을 현재 건축기준으로 구부린 후 배근한 경우,

도 5는 철근직경이 HD41의 경우 표준 갈고리 및 구부림 반경,

도 6은 두 벽체가 ㄱ형 또는 T형으로 만나는 경우의 배근방법,

도 7은 철근 용접부 인장시험결과 등이다.

＜도면의 부호 설명＞

10 ; 프레임 A 20 ; 프레임 B

30 ; 프레임 C

40 ; 수평철근 45 ; 수직철근

50 ; 수평재 55 ; 수직재

60 ; 사재 62 ; 너트

64 ; 와셔

Claims (4)

1. 철근프레임을 공장용접 후 현장에서 추가 배근하여 벽체를 구성함에 있어서,

   상기 벽체의 양 단부에 프레임 A(10)를 설치하고, 프레임 A는 수직재(55)로 사각 형태를 이루며, 수직재 내측에 수평재(50)로 수직재를 각각 용접하여 우물정자 형태로 고정하고 ;

   상기 프레임 A에 전면과 후면의 수평철근(40)을 프레임 외측의 수평재 양쪽에 걸친 후 수직재(55)를 추가하여 수평철근을 중심으로 두 개씩 한 셋트가 되도록 하고 ;

   상기 수평철근은 프레임 A의 두 개 수직재 사이에 나사가공 된 단부를 너트(62)와 와셔(64)로 고정하고, 반대쪽 끝단부도 동일한 방법으로 수평철근(40)을 수직재 사이에 고정하며 ; 및

   수평철근이 고정되면, 수직철근(45)도 수평철근에 설치 고정하여 벽체의 철근프레임이 형성되는 것을 특징으로 하는 두꺼운 벽체 철근프레임을 공장 용접하여 현장 배근하는 공법
2. ㄱ자형 벽체에 있어서,

   두 벽체가 만나는 모서리에 프레임 C(30)를 설치하고, 프레임 C는 수직재(55)로 사각 형태를 이루며, 수직재 내측에 수평재(50)를 수직재와 각각 용접하여 우물정자 형태로 고정하고 ;

   상기 프레임 C에 두 벽체의 전면과 후면의 수평철근을 프레임 외측의 수평재에 걸친 후 양 단부의 마구리에 수직재를 추가하여 양방향 수평철근을 중심으로 두 개씩 한 셋트가 되도록 하고 ;

   상기 수평철근은 프레임 C의 두 개 수직재(55) 사이에 나사 가공된 단부를 너트(62)와 와셔(64)로 고정하고 ; 및

   양방향 벽체의 반대쪽 끝단부에는 프레임 A(10)를 설치하고, 수평철근을 프레임 A(10)의 수직재 사이에 고정하며 ; 및

   수평철근이 고정되면, 수직철근(45)도 수평철근에 설치 고정하여 벽체의 철근프레임이 형성되는 것을 특징으로 하는 두꺼운 벽체 철근프레임을 공장 용접하여 현장 배근하는 공법
3. 삭제
4. 삭제

Images