3. 일반구조상식-3
건축설계를 하다보면 구조기술사와 많은 의견을 주고 받는다.
구조기술사가 아니므로 구체적인 계산을 할 수 없으나, 많은 경험을 통하여 실무를 할 때 구조적인 감(感)이 생긴다.
1) 익스펜션 조인트
건물의 길이가 길 경우 외기 온도에 따라서 팽창과 수축을 반복하게 된다.
반복적인 팽창과 수축은 건물의 가장 구조적으로 취약한 지역에서 크랙이 발생한다.
기술자들마다 액스펜션 조인트를 설치하는 거리가 다양한데,
제 경험으로는 지상층은 대략 100m 내외 마다 설치하는 것이 좋다고 생각한다.
조인트는 건물의 미관을 해치고 세월이 흐름에 따라서 누수의 위험이 상존하기 때문에 짧은 거리에 자주 설치할 수는 없다.
조인트를 계획할 경우 조인트 디테일을 어떻게 시공할지에 대하여 자재업체를 만나서 협의하여야 한다.
자재회사마다 특허제품이 있기 때문에 가격이 다양하고 품질의 수준도 천자만별이다.
그러나 지하층은 온도변화가 적으므로 신축팽창이 적고 지하수에 의한 압력이 있기 때문에
지상층 설치거리의 2배 혹은 3배마다 구조기술자와 상의하여 개소를 검토하여야 한다.
구조기술자중에는 자상층 익스펜션이 지하층 벽체까지 내려가기를 원하는 분들도 많다.
아래는 인천공항 2터미널의 실내 철골기둥과 바닥 슬라브가 익스팬션 조인트로 10~15cm 이격되어 있다.
하얀색의 철골기둥의 가운데 검은색이 익스팬션 조인트이며, 기둥의 좌우면의 커튼월과 만나는 부분도 검은색이 익스팬션조인트로 되어 있다.
상세 사진이다.
2)탄성받침대(테프론 PAD/ 포트베어링)
익스팬션 조인트에는 보를 걸치기 위한 탄성받침대를 설치하는데, 주로 고강도의 테프론 PAD를 설치한다.
테프론 패드는 건물이 팽창, 수축시에 보하부에 설치하여 이동할 때 미끄러지도록 하여 하중을 전달한다.
구조기술자에게 반드시 테프론 패드의 강도를 확인하여야 설치하여야 한다.
Service Load, Factored Load가 하중에 따라서 달라진다.(예, 750KN, 950KN)
아래의 사진에서 사각형 흰색의 재료가 테프론 PAD이다.
테프론 PAD위에 철골을 얹은 사진이며, 슬라이딩이 될수 있도록 하였다.
포트베어링
양방향으로 움직일수 있도록 만든 익스팬션 장비이다
3) 온도배근
한 여름에 태양이 직접 비추는 지붕의 콘크리트 슬라브는 표면온도가 많이 올라간다.
슬라브의 표면온도가 낮에 올라가면 길이가 팽창을 하게되고 저녁에 온도가 낮아지면 수축을 하게 된다.
계절적으로 보면 여름과 겨울에 온도의 차이가 60도 내외의 팽창과 수축이 있게 된다.
콘크리트슬라브는 중앙부분에 상부근을 빼서 설계를 하는 경우가 있다.
슬라브의 중심은 상부쪽은 압축을 받고 하부는 인장을 받으므로 상부근을 빼는 설계를 하고 있다.
그런데 지붕의 경우는 슬라브 표면온도의 신축팽창에 의한 크랙이 진행 된다.
이 크랙을 막기 위하여 슬라브 상부근을 설치하는데, 이를 온도근, 온도배근이라고 부른다.
아래의 그림으로 설명하겠다.
슬라브의 배근Type이 3가지 종류가 있다.
경제적인 슬라브의 구조계산은 1)과 같으나 이 Type을 지붕이나 1층의 외부슬라브로 사용할 경우는
앞서 말한것과 같이 온도변화에 따른 크랙이 진행이 될수 있다.
그래서 2), 3) type과 같이 상부에 철근배근이 되도록 하는 것이 온도배근이라 한다.
4) 딜레이 조인트(Delay Joint)
건물이 길거나 건물의 폭(오목한 평면)이 줄어드는 구조적으로 취약한 곳에
콘크리트의 양생과정에서 건조수축에 의한 크랙이 발생한다.
그래서 콘크리트를 시공시 딜레이조인트(30~50cm)를 두고 양쪽 슬라브의 콘크리트를 시공하고 양생을 시킨다.
양쪽 콘크리트 슬라브가 양생되어 건조수축이 끝난 후에 딜레이 조인트 부분의 콘크리트를 시공한다.
건축가는 평면계획시 폭이 줄어드는 구간이나 액스팬션조인트를 주기에는 건물이 길지 않은 곳에
적극적으로 검토하여 구조도면에 표기를 하는 것이 훌륭한 설계가 된다.
현장에서도 하루에 타설할 수 있는 범위내로 콘크리트를 끊어치기 때문에 딜레이조인트와 연계하여 계획하면 좋다.
위 그림을 참조 바란다.
5) 컨스트럭션 조인트(Construction Joint)
현장에서는 건물을 여러 지역(존)으로 분할하여 콘크리트 타설계획을 작성한다.
하루에 타설할 수 있는 구간으로 나누며, 1)거푸집공, 2)철근공, 3)콘크리트 타설공의 연속작업의 순서를 정하면서
적당한 크기로 지역을 나눈다.
컨스트럭션 조인트는 콘크리트 끊어치는 구간을 말하며,
시공방법으로 과거에는 메탈라스를 설치하여 콘크리트가 흘러나오지 않도록 해왔다.
요즈음 현장에서 많이 쓰는 것이 다마가라는 제품인데 참 편리하여 추천한다..
제 블로그에 다마가를 찾아서 참조하세요.
아래의 그림은 컨스트럭션 조인트의 지수판 이다.
6) 무량판구조
대한민국 국민들 혹은 건설기술자들에게는 무량판슬라브 +기둥구조의 트라우마가 있다.
구조적으로 지금도 쓰고 있으며 해외에서도 많이 쓰는 공법인데도 말이다.
95년 6월29일 제가 강남의 고속터미널로 자가용을 타고 가고 있었는데, 엄청나게 차가 밀리고 많은 소방차들이 지나가고 있었다.
다름아닌 삼품백화점이 무너졌다는 비보를 접하였고, 그 때 건물에 사용되었던 구조가 무량판슬라브 + 기둥구조 였다.
무량판슬라브는 기둥주위의 드롭판넬을 이용하여 하중이 전달 되는 시스템이다.
그런데 삼풍백화점은 드롭판넬과 철근배근이 올바르게 시공되지 않았고,
여러번의 증축으로 인한 하중의 증가에 대한 보강이 이루어지지 않아 참사로 이어진 것이다.
그때 많은 기술자와 교수들이 TV에서 무량판슬라브의 문제점을 이야기 했었다.
한동안 무량판 슬라브 + 기둥 구조를 쓴다는 것이 눈치 보였던 시절도 있었다.
그러나 무량판슬라브 + 기둥구조는 구조계산서에 의한 철저한 철근배근과
콘크리트의 타설이 이루어지면 안전한 구조이다...
10년전 인도와 베트남에서 프로젝트를 설계하면서 현지 건축물들의 상당수가 무량판+ 기둥으로 시공한 것이
많아서 놀랐으며, 우리 프로젝트에 적용을 해 보았다.
공사비를 줄이는 즉 원가절감을 하기 위하여 한번씩 검토하는 구조가 무량판구조이다.
아파트형공장(지식산업센터)의 경우 무량판구조 + 기둥구조로 많이 설계되었다.
장점으로는 보가 없으므로 그만큼 건물의 높이를 줄일 수가 있으며,
보가 없으니 거푸집의 설치가 단순하며 시공성과 공기단축, 원가절감에도 뛰어나다.
국내의 아파트는 거의가 무량판 슬라브 + 벽식구조으로 시공되어지고 있다.
거의 법규 기준처럼.....
7) 프리케스트 콘크리트
우리나라에서는 프리케스트 콘크리트가 아파트 지하주차장이나 지하주차장 전용건물, 대형마트, 물류창고에 한정적으로 사용되고 있다.
일정한 모듈로 공장제작이 용이하고 공기단축이 필요한 프로젝트에 적용이 된다.
그러나 유럽의 프로젝트(독일, 체코, 러시아)를 하면서 현지건축물을 조사해보니
철근콘크리트 구조는 상당수가 프리케스트 콘크리트 였었다.
현장에서 인력에 의하여 콘크리트를 타설하는 비용이 높고, 균일한 품질을 내기 어려워 공장에서 제작하여 현장에서
조립만 하는 방식이 경제적이기 때문이었다.
우리나라의 공장 구조는 철골조가 일반화 되어 있으나, 유럽은 프리케스트콘크리트를 일반적으로 사용한다.
제가 진행한 독일 프로젝트는 처음에 구조방식을 철골로 검토를 하였으나,
독일의 철골구조는 RC조보다 비용이 상당히 높아서 프리케스 콘크리트를 적용하였다.
인허가후에 프리케스트콘크리트 업체가 선정되면, Shop Dwg과 구조계산서를 관청에 제출하고
승인을 득하여야 공장제작을 할 수 있다.
그리고 슬라브는 공장에서 제작한 중공슬라브(하니콤슬라브)를 제작하여,
현장에 반입하여 조립하고 상부 토핑만 콘크리트로 타설하면 끝이 난다.
거푸집 설치비용이 들어가지 않아 경제적이다.
유럽의 건설현장은 RC조의 경우 프리케스트 콘크리트를 공장 제작하여,
현장에서 소수의 노동자들이 장비(크레인, 렌탈 등)를 이용하여 조립식으로 시공하는 것이 일반적이다.
우리나라는 아직까지는 철강이 유럽에 비하여 저렴하고, 노동자들을 노임이 비교적 저렴하므로 현장에서 거푸집과
철근배근 콘크리트 타설이 이루어진다.
그러나 세월이 흘러 노동자들의 노임이 올라가고 철골 재료비가 올라간다면,
프리케스트콘크리트가 지금보다 더 활성화 되리라 생각된다.
인천공항 2터미널의 지하주차장이 프리케스트 콘크리트로 되어 있다.
기둥에 주두의 헌치가 있고 여기에 거더가 언혀진다.
일방향 프리케스트 슬래브로 설계 되었다.
8) 버트레스
지하층에서 오프닝이 생기는 부분은 구조적인 해석을 자세히 살펴 볼 필요가 있다.
DA부분은 오프닝으로 인하여 외벽의 토압을 어느 방향으로 흐르게 하는지를 확인하고
벽체 철근배근의 직경이 잘 설계가 되었는지 검토를 하여야 한다.
구조설계자들도 사람인지라 실수가 있을 수 있다.
그래서 건축설계자가 구조계산서를 보고 도면을 작성할 때 철근직경이 수직근이 굵은지 수평근이 굵은지 반드시 확인해봐야 한다.
<아래의 그림으로 설명한다.>
1)번의 DA는 3)번의 그림으로 토압을 한 Span에 받게 되므로 철근배근과
벽체의 두께가 두꺼워지므로 효율적인 구조설계가 아니다.
그래서 2)번과 같이 버트레스를 설치하면 4)번과 같이 벽체가 3Span으로 분할되어 토압을 나누어 가진다.
토압을 1/3으로 나누어 분담하므로 벽체의 두께와 철근배근을 줄일 수 있다.
철근의 배근은 5)번과 같이 단변방향이 하중을 더 많이 받으므로 장변방향에 비하여 직경의 크다.
이 정도의 원리는 건축가가 알고 있어야 구조도면의 오류를 체크할 수 있다.
9) 케이블 텐션
인천공항 터미널 2는 외벽 기둥을 50m 간격으로 세우고,
그 사이의 외벽커튼월을 수직 케이블 텐션으로 하중과 풍하중, 지진하중을 해결 하였다.
글라스의 모듈 뒤에 약 50mm 정도 되는 케이블을 잘 숨기고 설계되었다.
유리의 무게는 수평의 구조부재로 전달되고 다음에 케이블로 전달되어 상부와 하부의 철골보로 하중을 전달한다.
이러한 케이블 구조는 이 지역의 최대 풍하중에 대하여 저항하도록 설계되며,
풍하중에 대하여 커튼월이 부드럽게 휘어지면서 하중을 전달하고 다시 복원이 되도록 시공된다.
커튼월이 풍하중을 받을 때 충격이 흡수되도록 익스펜션 조인트를 시공하였다.
건축설계자/ 시공자는 끊임없이 구조기술자와 협의하여 지식을 넓히고,
합리적인 디테일을 제안하고 개발할 수 있도록 노력하여야 한다!!!