Top-Down공사의 램프구조 공사방식과 설계
지하층의 램프구조는 일반적으로 [그림 1]과 같이 지하 외벽 주변에 배치되어 횡토압을 받게 된다. Top-Down 공법을 적용하는 현장에서 램프구조공사는 램프 개구부에 스트럿 또는 타이백으로 흙막이벽을 지지하면서 최하부층까지 굴토를 한 후 램프구조를 최하층에서부터 다시 상부로 시공해가는 일반적인 후시공-순타공사방식이 있고, 각 층의 굴토후 바닥공사와 함께 램프구조를 선시 공하여 램프바닥이 지하연속벽이나 가설흙막이벽을 지지하고 작업통행로로 사용하여 기시공된 지하바닥구조를 활용할 수 있는 합리적인 병행-역타공사방식이 있다. 이번 기고문에서는 램프구조 공사에 추가적인 구조요소와 가설구조를 최소화하고 구조본체를 선시공하여 안전하고 경제적이고 시공성이 우수하고 공기를 단축시키는 합리적인 병행-역타공사방식을 소개한다.
1. 램프구조의 특징
지하구조의 램프구조는 자동차가 각 층의 주차장으로 출입을 위한 경사로이다.
[그림 1]과 같이 램프는 지하 외벽에 인접하여 배치되는 경우가 일반적이며, 지상부 건축물이 여러 동으로 계획된 지하평면이 매우 큰 경우에는 지하 외벽에서 멀리 떨어진 내부에 배치되기도 한다. 내부에 배치된 램프구조는 연진 하중만 작용하지만 지하 외벽에 인접한 램프구조는 횡토압을 받고 있는 지하외벽을 지지한다.
2. 램프구조의 공사방식
Top-Down 공법을 적용한 공사에서 램프구조는 공사의 순서와 방식에 따라서 <표 1>과 같이 후 시공-순타공사방식, 병행-역타공사방식 등으로 구분할 수 있다.
2.1 후시공-순타공사방식
램프구조의 후시공-순타방식은 Top-Down공사에 일반적으로 사용되는 공사방식으로, 최하부층까지 각층에 스트럿으로 흙막이벽을 지지하면서 굴토를 한 후, 다시 최하층에서부터 상부로 램프구조를 시공하는 방법이다. 이 공사방식은 <표 1>와 [그림 2]에서 보는 바와 같이 토압을 지지하기 위한 보조지지기둥과 가설스트럿이 전층에 걸쳐 장기간 존치되므로 안정성에 대한 불안요인이 될 수 있다. 또한, 램프구조공사를 위해 가설스트럿을 제거하며 동바리, 형틀, 철근배근, 콘크리트타설 작업이 진행되어야하므로 가설철골부재는 램프구조의 철근콘크리트공사에 간섭을 하여 시공이 번거롭다.
뿐만 아니라 최하부층까지 굴토한 후에 다시 최하부층부터 상부로 공사를 진행하므로 공사기간이 상대적으로 길어진다. 게다가, [그림 2]에서 보는 바와 같이 지하공사기간동안 램프는 개구부 상 태로 있어서 기시공된 지하 바닥층으로 차량이 진입할 수 없어 선시공된 지하층을 활용할 수 없다.
2.2 병행-역타공사방식
Top-Down공사에서 램프구조의 병행-역타공사방식은 <표 1>과 [그림 3]처럼 각층에서 지하바닥 구조와 램프구조를 함께 시공하는 방식으로써 램프구조공사는 다음과 같은 순서로 최하부층까지 반복한다.
▪ 단계별 해당층에서의 램프구조공사의 순서
1st : 해당층의 굴토와 지반정지
2nd : 굴토층 램프주변의 바닥구체의 콘크리트타설 후, 경사슬래브와 하부램프벽체의 형틀공사와 철근배근공사
3rd : 경사슬래브와 하부램프벽의 콘크리트타설
4th : 경사슬래브의 상부벽체의 콘크리트는 위층에서 역타설구를 이용하여 타설
5th : 다음단계의 하부층을 굴토하기 전에 위층의 스트럿을 옮겨와 개구부에 설치하고 하부층의 굴토공사 시작
이 공사 방식의 경우 램프구조가 해당층의 바닥구조와 함께 시공되기 때문에, 지하 외벽이 스트럿에 의해 장기간 지지되지 않고 램프구조의 시공 후 램프구조가 지하 외벽을 지지하므로 지반의 변형이 상대적으로 적어 안전하며, 단지 2조의 스트럿만으로 전용이 가능하다. 또한, 추후 램프구조를 시공하는데 별도의 작업이 필요하지 않으므로 공기를 단축할 수 있고, [그림 4]처럼 램프구조의 선시공으로 인한 지하 바닥구조로의 차량 진출입이 가능하여 초기에 주차장 또는 작업장 등으로 활용이 가능하다.
3. 램프구조의 형태
램프의 위치와 형태는 일반적으로 건축설계자에 의해 결정되므로 구조적으로 유리하게 계획되는 경우는 그렇게 많지 않다. 따라서 구조설계자는 계획된 위치와 형태를 만족시키기 위해서는 많은 노력을 해야 하는 경우가 많다. 램프구조의 형태는 평면상 직선형, 곡선형, 조합형 등이 있고 한 방향 경사로에 의한 한판형, 출입을 분리한 X자형으로 구분할 수 있다.
이 중에서 지하외벽에 인접한 X자형의 램프구조의 설계는 많은 시간과 노력이 필요하다.
4. 병행-역타공사방식을 위한 구조계획
4.1 램프구조공사의 구성요소
Top-Down공사용 기둥, 램프바닥구조, 램프벽, 연결부 및 가설스트럿 등으로 구성된다.
- Top-Down공사용기둥 ; 피어 및 기둥
- 램프바닥구조 : 램프슬래브, 테두리보
- 램프벽 ;
- 연결부 ; 기둥과의 연결부, 흙막이벽과의 연결부
- 가설지지구조 ; 스트럿, 타이백 등
4.2 Top-Down공사용 기둥의 배치
Top-Down공사시에 램프구조가 연직하중 및 지하외벽으로 부터의 횡력을 안전하게 지지할 수 있도록 적합한 위치에 기둥을 배치한다.
실무에서는 다양하고 복잡한 램프의 형태도 접하게 된다. 따라서 각 경우에 적합한 공사방식과 구조형식을 개발하여 적용하게 된다. 예를 들면 [그림 6]과 같이 램프가 X자형으로 계획된 경우에는 경사로의 길이 방향의 지간이 크기 때문에 양쪽의 경사로 사이에 Top-Down공사용 중간기둥 들을 배치하여야한다. 그러나 중간기둥들을 배치하면 공사비도 증가되고 기둥간격이 좁아 굴토장 비의 효율이 떨어진다. 이러한 경우에는 [그림 6]처럼 지상1층에 전이트러스를 설치하고 각 굴토 층에서 굴토후 매단기둥을 현장볼트이음에 의해 설치한다. 이 매단기둥은 인장력을 받으므로 램프 벽체에 매입할 수 있을 정도로 강재단면이 작다.
4.3 램프바닥구조
병행-역타공사방식에서 램프바닥구조는 Top-Down공사시에 지하바닥공사와 병행하여 임시 통행 로로 사용할 수 있게 하고 수평토압을 지지할 수 있게 계획한다. 그러므로 Top-Down공사시 하 부램프벽체가 시공되어 있지 않아도 램프바닥슬래브를 지지할 수 있도록 램프슬래브의 양쪽 테두 리에 테두리보를 설치하여 Top-down공사용 기둥과 흙막이벽에 연결시키고 토압에 의한 횡력에 대해 저항하도록 설계하여야 한다.
4.4 연결부
병행-역타공사방식으로 램프구조를 시공할 경우, 램프슬래브의 테두리보를 통해 지지되는 램프바닥구조의 하중을 지지하기 위하여 Top-Down공사용 기둥이 설치된다. 이러한 램프바닥구조를 지 지하는 Top-Down공사용 기둥과 지하연속벽의 연결부는 수직하중과 수평하중을 지지할 수 있도록 [그림 8]과 같이 시어커넥터(shear connector)와 전단마찰보강근 등을 사용하여 연결부를 설계한다.
4.5 램프벽체
램프벽체는 [그림 9]처럼 역타공사를 위한 수직연결철근, 수평연결철근, 역타설구 등이 필요하다.
4.6 흙막이벽 가설지지구조
지하외벽주변에 있는 램프개구부는 [그림 10]처럼 굴토층의 바닥구조와 램프구조가 구축되기 전까지 지하외벽으로 부터의 횡토압 및 수압 등을 지지할 수 있도록 임시 스트럿(Strut)이나 타이백 (Earth Anchor, Rock Anchor) 등이 필요할 경우도 있다.
5. Ramp구조의 해석
Top-Down공법을 적용하는 현장에서 램프구조가 병행-역타공사방식으로 계획된 경우에는 [그림 11], [그림 13]처럼 공사시 조건에서의 변형, 부재력, 연결부에서의 전이하중, 지지점에서의 반력 등의 결과를 얻기 위한 구조해석모델링을 하게 된다. 경우에 따라서 [그림 12]와 같은 램프구조 는 [그림 14]처럼 사용시 조건에서의 구조해석이 필요한 경우도 있다.
5.1 직선형 램프의 구조해석
일반적으로 직선형 램프구조는 형태와 거동이 단순하여 컴퓨터 구조해석프로그램을 사용하지 않고 수계산에 의해 해석으로 구조설계가 가능하다.
5.2 곡선형 램프의 구조해석 예
단순한 형태의 곡선형 램프구조는 [그림 11]과 같이 선형해석모델링에 의한 구조해석으로 설계가 가능하다.
5.3 곡선형-X자 램프의 구조해석 예
[그림 12]의 램프구조는 곡선형-X자 형태이고, 토압을 받는 램프구조를 횡지지하기 위한 전단벽이 있는 복잡한 구조이다. 바깥램프슬래브와 내부램프슬래브가 X자로 교차되므로 바깥램프슬래브는 지하외벽으로부터의 토압을 직접 받게 되고, 내부램프슬래브는 교차점에서 전이된 집중하중을 받게 되고 양쪽에 배치된 2개의 전단벽에 의해 지지된다. 내부램프슬래브로부터 전이된 집중하중 을 받는 전단벽은 위층과 아래층의 상하바닥에 의해 지지된다. 이러한 경우에는 공사시 조건에 대한 구조해석[그림 13] 뿐만 아니라 공사후 사용조건에서의 구조해석[그림 14]이 필요하다. [그림 13]과 [그림 14]는 MIDAS Gen에 의해 수행된 해석모델과 결과이다.
