선기초기둥의 특징

탑다운 공사용 선기초 기둥은 그림 1과 같이 H형강, 4각형충전강관 및 원형충전강관이 주로 사용되고 있으며, 기본적으로 피어, 기둥본체 및 각종 접합부로 구성된다. 이 기둥들은 그림 2와 같이 소요깊이까지 지반을 천공한 후, 천공구멍에 피어와 기둥을 설치하고 천공구의 기둥주변공간을 채움재로 메꾼 후, 각층바닥과 굴토공사를 반복하면서 최하부 층까지 지하구조공사를 진행하는 동안 압축력과 휨모멘트에 저항한다. 이 역타 공사용 CFT기둥은 그림 2와 같은 공사과정의 하중이력(그림 3)을 고려하여 설계하여야 한다.

(a) 일반 선기초기둥의 기본구성요소 (b) H형강기둥 (c) 4각형 CFT기둥 (d) 원형CFT기둥(ESTD Column System)
그림 1. 선기초기둥의 종류

 

그림 2. 역타공사용 CFT기둥의 공사과정

 

그림 3. 역타공사용 CFT기둥의 하중이력

 

공사과정을 고려한 선기초 기둥의 주요 특성들은 다음과 같이 요약할 수 있다.

 

1. 선기초 기둥의 시공오차

선기초 기둥은 여러 공사과정에서 필연적으로 시공오차(그림 4)를 갖게 된다. 기둥의 레벨과 기둥머리의 수평적 시공오차는 비교적 시공오차관리가 가능하나 지중에 매입된 부분은 시공오차관리가 어려워서 예측할 수 없는 시공오차를 갖으며, 이 시공오차의 방향과 크기는 각 층 굴토 후에나 확인할 수 있다.

(a) 평면적 시공오차 (b) 수직적 시공오차
그림 4. H형강 선기초기둥의 시공오차 현장측정자료

 

2. 천공구멍의 크기 영향

지중 천공구멍의 직경크기는 기본적으로 소요압축지지력에 따라서 결정되지만, 그림 5처럼 기둥단면의 형태와 크기, 바닥접합부 또는 피어철근망의 돌출크기에 따라 더 큰 직경이 요구되기도 하며, 기둥의 수직도 조정을 위한 여유 공간도 필요하다. 천공구멍의 직경크기가 클수록 공사비와 공기는 증가된다.

 

3. 선기초 기둥부재의 단면형태

추후 감쌀 콘크리트의 일부를 강관내부에 선 타설한 CFT기둥(그림 5b, c)은 약축이 있는 순강재 단면에 의존하는 H형강기둥(그림 5a)에 비해 경제적이고, 원형강관의 직경은 H단면과 4각형 충전강관의 대각선방향 단면크기보다 상대적으로 작아 원형CFT기둥은 작은 천공구에 효율적으로 적용할 수 있다.

기둥 본체
피어 본체
(a) H형강 (b) 4각형 CFT (c) 원형 CFT
그림 5. 천공구멍의 직경크기와 기둥단면의 형태

 

4. CFT기둥의 콘크리트 타설 압력의 영향

탑다운 공사에 사용되는 CFT선기초 기둥은 그림 2처럼 천공구멍에 삽입된 강관내부에 콘크리트로 충전한 합성기둥이다. 일반적으로 콘크리트 타설 깊이는 지하층수에 따라 15～36m정도이고, 타설 이음부가 발생하지 않도록 1회에 걸쳐 타설해야하므로 강관 내부 면에 작용하는 콘크리트타설압력(36～86 t/m2)은 매우 크다. Tiziano Perea의 실험논문(참고문헌 18)에서 발췌한 그림 6의 그래프는 콘크리트 타설 압력에 의한 응력과 변형이 합성기둥의 강관에 잔류함을 보여준다. 이 강관에 잔류하는 응력과 변형으로 인해 합성기둥은 그림 7과 같은 초기 불완전성을 갖게 되어 국부좌굴이 빨리 나타나 강도와 강성이 저하된다. 따라서 콘크리트 타설 압력에 대해 민감한 휨거동을 하는 4각형CFT기둥은 이 영향을 반드시 고려하여야 한다. 일반 기준 식을 이용하여 4각형 조밀단면 CFT기둥의 압축강도를 구할 경우에는 콘크리트 타설 압력에 의한 강관의 응력이 0.5Fy이하, 변형은 L/2,000이하인 4각형단면을 사용하거나, 이 한계를 넘는 경우에는 세장단면으로 간주하여 평가하여야 한다(참고문헌 18, 19). 그러나 국내의 구조용 표준원형강관단면을 사용하는 원형CFT기둥은 특별히 검토할 필요는 없다.

강관단면: 508×304.8×7.4mm, 강관높이: 5.49m, 측정높이: 밑면에서 762mm
그림 6. 콘크리트타설압력에 의한 4각형강관의 횡변형률

 

(a) 타설압력에 의한 강관거동 (b) 합성기둥의 강관에 잔류하는 응력과 변형
그림 7. 콘크리트타설압력에 의한 CFT기둥의 초기불완전성

그림 8은 콘크리트타설시 횡구속을 하지 않은 강관의 콘크리트타설깊이에 따른 응력과 변형을 나타낸 그래프로 4각형 강관의 곡선은 항복응력까지의 곡선이다. 그림 9의 점선곡선은 콘크리트 타설 압력에 의해 강관의 응력이 0.5Fy를 초과한 각형CFT기둥의 공칭압축강도이다(참고문헌 18, 19).

Fy=325MPa, ○-457.2×12, ?-405.2×10.6
그림 8. 타설압력에 의한 원형 및 4각형 강관의 응력과 변형

 

그림 9. 동일단면적 원형CFT와 4각형CFT의 압축강도비교

 

5. CFT기둥의 콘크리트 분리타설 이음부

4각형강관은 콘크리트 타설 압력에 매우 취약하므로 그림 10과 같은 분할 타설 방법으로 시공하기도 한다. 이러한 방식에 의해 시공된 CFT기둥은 내부에 수중 타설 이음부가 발생된다. 수중 타설한 콘크리트의 상부는 물에 의해 시멘트가 씻겨지고, 브리딩, 레이턴스, 슬라임 등에 의해 강도가 감소된다. 따라서 1차로 타설된 콘크리트의 상부일부는 깨어내고 2차 타설을 해야 하나 깊고 좁은 강관의 구멍내부에서 이러한 작업을 할 수 없으므로 써징만 하고 2차 콘크리트를 타설한다. 이러한 CFT합성기둥은 그림 10처럼 콘크리트의 압축강도와 압축강성이 감소된 수중 타설 이음부가 있어 굴토 후 압축력 작용 시에 그림 10d와 같이 대부분의 하중이 강관으로 전이되는 구조적 결함을 갖게 되므로 이에 대한 신뢰성 있는 대책이 필요하다. 반면에 원형강관은 그림 8처럼 높은 타설 압력에도 저항성능이 우수하므로 피어와 강관내부의 콘크리트를 중단 없이 1회에 걸쳐 타설하므로 수중 타설 이음부가 발생되지 않는다.

(a) 1차 타설 (b) 2차 타설 (c) 굴토후 압축력 (d) 이음부 거동
그림 10. 4각형 CFT기둥의 수중타설 이음부

 

6. 선기초 기둥의 피어콘크리트

선기초 기둥의 피어는 압축력을 지반에 전달하는 중요한 기초역할을 해야 하므로 피어의 암반정착부와 기둥의 피어 근입부는 구조적 신뢰성이 확실하게 보장되어야 한다. 그림 11과 같이 수중에 피어콘크리트를 먼저 타설하고 스터드가 부착된 기둥을 근입 시키는 방법과 순서는 수중의 피어콘크리트를 교란시켜 피어구체의 품질이 저하되고, 시간이 경과된 피어 콘크리트에 기둥을 근입 시키는 경우에는 삽입하기 힘들고 구조성능이 보장되지 않는다. 하부가 밀폐된 강관기둥은 단계 2～3에서 큰 부력이 발생하므로 이에 대한 대책도 필요하다. 두께가 얇은 4각형 강관은 콘크리트 타설 압력에 대해 민감한 휨거동을 하므로 강관 내부의 콘크리트는 피어콘크리트가 양생된 후에 강관주변에 뒤채움을 한 후에 타설하게 된다.

    
단계-1 단계-2 단계-3 단계-4 단계-5
그림 11. 피어콘크리트 선타설, 강관내부콘크리트 후타설방식