Top-Down공사용 선기초기둥의 설계에 고려할 사항

1. 서론

Top-Down공법(역타공법)은 일반적인 Bottom-up공법(순타공법)과 달리 지표면에서부터 지상층 과 지하층을 아래와 위로 동시에 시공해 나가는 방법이다. 탑-다운공법은 대심도, 대형공사에 유 리하고, 소음, 진동, 비산먼지 등에 적극적인 민원예방이 가능하며, 인접대지에 대한 영향을 최소 화하고, 선시공된 1층 바닥 및 지하층 바닥을 가설사무실, 임시주차장, 작업장 등으로 활용할 수 있어 건물이 밀집한 도심지에서 사용빈도가 높다.

탑-다운공법에 의한 지하공사는 먼저 지중에 흙막이벽과 선기초기둥을 설치한 후, 단계별로 각층의 지하 바닥구조를 시공면서 그 하부를 굴토하는 방법을 반복하여 최하부층까지 지하구조를 구축하게 된다.

지중에 설치된 Top-Down공사용 기둥은 단계별로 지하굴착시에 노출되면서 상부에 구축 되어가 는 구조에 작용하는 구조물 자중, 작업하중, 마감하중, 풍하중 등을 지지하는 기둥 및 파일의 역할을 한다.

Top-Down공사용 기둥은 계획된 하중을 지지해야 하므로 기둥부재 뿐만 아니라 이 기둥의 축하중을 지반에 전달하기 위하여 기둥선단에 기초를 설치해야 한다. 따라서 기둥설치 및 기초공사를 위해 RCD, PRD 및 Baber 등의 천공장비 또는 Strip파일 굴착장비 등을 사용하여 지지지반까지 굴착하여 피어와 기둥을 설치하게 된다. 이러한 기둥의 선단에 기초가 선시공된 Top-Down공사 용 기둥을 선기초기둥(pre-founded column)라고 한다.

탑-다운공사에 있어서 공사시 지상 및 지하에 구축되어가는 구조물의 자중과 작업하중을 지지하 는 선기초기둥은 필수적이다. 하지만, 일반적인 기둥과 달리 선기초기둥은 보이지 않는 지중에서 선시공되는 특성으로 인하여 시공오차(기둥의 위치 및 기울기)는 필연적으로 발생된다. 이러한 선기초 기둥의 시공오차는 선기초기둥에 구조적, 시공적인 영향을 미친다.

따라서, 탑-다운 공사에서의 선기초기둥의 특성에 대한 이해 및 이를 고려한 설계와 시공이 필요 하므로 본 기고문에서는 선기초기둥의 수직도 시공오차의 크기를 조사하여 분석한 내용과 시공오차로 인해 발생하는 특성 및 고려사항 들을 다루었다.

2. 선기초기둥의 형식 선정

선기초기둥의 형식은 공기, 공정계획에 따른 축하중의 크기, 굴토깊이, 지반조건 등을 종합 분석하여 선정된다.

2.1 [그림-3]과 같이 선기초기둥의 축하중이 작고, 견고한 지반이 최하층 바닥하부근처에서 시작 되는 조건인 경우에는 소구경 천공장비를 이용하여 선기초기둥을 설치하고 Top-Down공사가 완료된 후에 사용시 조건에서 지지할 수 있는 직접기초로 보강하고, 지지력이 낮은 지반일 경우에는 온통기초로 보강한다. 선기초기둥의 단면은 [그림-2a]처럼 콘크리트로 채우고 철근으로 보강한 충전강관이 적합하다.

2.2 [그림-4]와 같이 선기초기둥의 축하중이 작고, 연약 지반이 깊을 경우에는 안정액속에서 Strip파일 굴착장비(slurry wall 굴착장비)를 사용하여 선기초기둥을 설치하고, Strip파일(Barrette Pile)은 시공시 뿐만 아니라 사용시 조건에서의 기둥을 지지할 수 있도록 한다. 선기초기둥의 단면은 H형강 이나 [그림-7a]와 같은 조립기둥(2개 H형강 또는 2개 ㄷ형강) 등이 적합하다.

2.3 [그림-5]와 같이 선기초기둥의 축하중이 크고, 견고한 지반(연암, 경암)이 최하층 바닥하부근 처에서 시작될 경우에는 PRD와 같은 중구경 천공장비를 이용하여 선기초기둥을 설치하고 Top-Down공사가 완료된 후에 사용시 조건에서 지지할 수 있는 직접기초로 보강한다. 선기초기 둥단면은 [그림-2b]처럼 콘크리트로 채우고 철근으로 보강한 충전강관이나 [그림-2a]처럼 H형강 이 적합하다.

2.4 [그림-6]과 같이 선기초기둥의 축하중이 매우 크고, 견고한 지반(연암, 경암)이 최하층 근처 깊이에서 시작될 경우에는 RCD와 같은 대구경 천공장비를 이용하여 선기초기둥을 설치한다. Top-Down공사가 완료된 후에 사용시 조건에서 지지할 수 있는 Rock Socket Pier로 하거나, 공사시 조건에서 지지할 수 있는 Rock Socket Pier로하고 사용시 조건에서는 직접독립기초로 보강한다. 선기초기둥 단면은 [그림-2b]처럼 콘크리트로 채우고 철근으로 보강한 충전강관, [그림-2a]처럼 H형강 또는 용접H형강이 적합하다.

2.5 동남아처럼 매우 깊은 연약지반에서는 케이싱을 사용하는 천공작업은 곤란할 뿐만 아니라 케 이싱내부에 콘크리트를 타설한 후 케이싱을 인발하기 곤란하다. 이런 조건에서는 케이싱이 없이 안정액속에서 트렌치커터(Trench Cutter)나 오우거 등에 의하여 천공한 후에 안정액이 있는 상태 에서 콘크리트를 타설하는 방법에 의한 주면마찰말뚝을 적용한다. [그림-7] 참조

3. 선기초기둥에 작용하는 응력

선기초기둥은 일반적인 기둥과 마찬가지로 설계시 [그림-1]처럼 상부구조물의 자중, 마감하중 등의 고정하중, 작업하중, 지상구조물에 횡력으로 작용하여 축하중으로 전달되는 풍하중 등의 축하중과 더불어 다음의 사항들을 고려해야한다.

3.1 선기초기둥의 설계시 기둥에 작용하는 축력을 부담면적에 의해 산정할 때에는 바닥구조의 탄성전단효과를 고려하여 선기초기둥의 축하중으로 하여야한다.

3.2 탑-다운 공사에서 지하구조물을 시공해가면서 바닥구조는 자중을 포함한 작업하중을 받게 된다. 이러한 하중으로 인하여 바닥구조에 휨모멘트가 발생하는데, 기둥경간의 차이, 단부의 조건 등으로 인하여 선기초기둥의 이웃한 양쪽 바닥구조로부터 발생하는 단부모멘트는 서로 다르다. 이 단부모멘트의 차이로 인해 선기초기둥에 작용하는 불균형모멘트를 고려해야한다.

3.3 또한, 지하층 평면크기가 큰 경우에는 [그림-8]처럼 지하외벽에 작용하는 토압과 수압으로 인한 탄성수축 및 콘크리트의 건조수축, 크리프수축 및 온도수축 등으로 인한 바닥구조의 수축에 의해 [그림-9]처럼 선기초기둥에 발생하는 부 가 될 수 있다고 판단된다.

5. 선기초기둥 시공오차의 영향

선기초기둥의 이음부, 선기초기둥을 위한 천공시, 천공구내로의 기둥의 근입시, 공내 채움시, 그리 고 중장비의 운행시 등에서 발생한 수직도에 대한 시공오차는 선기초기둥에 다음과 같은 영향을 미치기 때문에 반드시 고려되어야한다.

5.1 선기초기둥의 허용압축력에 대한 영향

선기초기둥의 수직도에 대한 시공오차는 각층에서 기둥 상부와 하부에서의 기둥 중심에 대한 편심( Δ )을 유발한다. 이 편심( Δ )은 상부 구조물로부터 해당 기둥에 작용하는 축력( P)에 대하여 편

심모멘트( P Δ)를 유발하고 이러한 편심모멘트는 P/Pcr + M/Mp [(Cm/(1-P/Pe)] = 1.0 의 식

(AISC, 9th Ed.)에 따라 선기초기둥의 허용압축력을 감소시킨다. 편심모멘트는 기둥 상하의 편심 (  Δ )의 크기에 비례하기 때문에, 즉, 기둥의 수직도 시공오차가 커질수록 기둥의 허용압축력이 감소하므로 선기초기둥의 설계시 예측되는 선기초기둥의 수직도 시공오차를 감안하여 설계되어야하 고, 시공시에도 설계 시공오차 범위내에서 시공될 수 있도록 철저히 관리하여야 한다. [그림-14]

는 기둥에 대한 축력-모멘트의 상관도로써, 편심모멘트는 시공에 의한 편심이 Δ0 → Δ1 → Δ2 로 증 가할수록 P Δ0 → P Δ1 → P Δ2로 증가하고, 허용압축력은 P0 → P1 → P2 감소함을 보여주고 있다.

5.2 합성기둥에 대한 영향

사용시 콘크리트로 피복되어 합성기둥을 형성하는 선기초기둥에 대한 수직도 시공오차는 [그림 -15a]에서 보는 바와 같이 합성기둥의 단면상에서 철골기둥의 편심을 유발하여 사용상태의 합성 기둥의 휨내력을 감소시키므로, 합성기둥의 설계시에도 기둥의 수직도 시공오차를 감안한 기둥설계가 이루어져야 하고, 설계용 수직도 시공오차를 초과하는 기둥에 대한 보강대책도 마련해야 한다.

또한, 과도한 편심으로 인하여 적절한 피복두께를 확보할 수 없을 경우 [그림-15a]처럼 기둥 단면을 증가시켜야하는 결과를 초래할 수도 있으므로, 시공시 기둥의 수직도 오차에 대한 철저한 관리 및 검토가 필요하다.

6. 시공오차를 고려한 선기초기둥의 설계

6.1 선기초기둥

작용 축하중, 각종 부가응력, 시공오차크기와 공내채움재의 특성, 유효좌굴길이 등을 고려하여 철골기둥단면을 검토한다.

6.2 합성기둥의 설계

일반적인 합성기둥의 설계시에는 Steel Core 단면의 중심과 이를 감싼 철근콘크리트 단면의 중심과 일치하는 조건으로 하나 [그림-17]과 같이 탑다운공사용 철골기둥의 수평적 시공오차가 Δx, Δy가 발생되었다면 사용시 조건에 대해서는 이를 고려한 합성기둥단면으로 검토해야 한다.

7. 결 론

상부구조물과 하부구조물이 동시에 시공되는 탑-다운 공사의 특성상 탑-다운공사시 지중에 설치하는 선기초기둥은 반드시 필요하다. 시공오차는 여러 공사단계에서 필연적으로 발생되고 이 시공 오차는 굴토 후에나 확인할 수 있다. 선기초기둥은 일반적인 기둥과 달리 깊은 지중의 천공구내에 서 시공되는 특성으로 인하여 수직도관리가 어렵고, 시공오차로 인해 허용축력을 감소시키는 등의 영향을 미친다. 따라서 과도한 시공오차는 공정계획의 차질 및 안전상의 문제 등의 결과를 초래할 수 있다. 이와 같이, 도심지에서의 사용빈도가 높은 탑-다운 공사에서 필수적인 선기초기둥의 중요성과 지중에 선시공되는 특성으로 인해 발생하는 시공오차가 미치는 영향에도 불구하고, 아직까 지 선기초기둥의 설계용 시공오차 범위에 대한 기준이 정립되어 있지 않아 수직도 오차의 영향을 간과할 여지가 있다.

따라서 선기초기둥의 시공오차에 대한 특징에 대한 이해와 타당한 설계용 시공오차 범위에 대한 기준 정립이 필요하고 이를 위해서는 보다 많은 현장자료의 축적과 연구가 필요하다.

그리고 현재로서는 실무에서 시공오차를 고려하기 위해서는 다음 사항 들을 꼭 반영해야 한다.

7.1 설계관련

설계자는 탑-다운 공사용 선기초기둥과 합성기둥의 시공오차도 고려하여 설계하여야 한다. 설계용 시공오차 범위를 넘는 선기초기둥에 대한 대책을 준비해야 한다. 시공오차범위는 반드시 시공자와 협의하여 설계에 반영한다.

설계도서에 설계용 시공오차 범위와 단계별 공정계획 및 제한조건 등이 명시되어야 한다.

7.2 시공관련

시공자는 탑-다운공사용 기둥의 시공오차관리수준을 설계자에게 제안하여야 한다. 각 공사과정에서 발생되는 시공오차를 최소화할 수 있는 확실한 방안이 있어야 한다. 탑-다운공사용 기둥의 시공관리를 위한 지침과 시방서가 필요하다.

각층 굴토 단계마다 철골기둥에 대한 시공오차를 측정하여 안전성을 검토하고 대책을 마련하 여 공사에 반영하여야 한다.

참 고 문 헌

1. 전봉수, 김승원, 김상범, 김세익, Top-Down공법의 연구, 기술지, 포스코개발주식회사, 2001 2. 강승룡, 임홍철, 김승원, 김동건, 송지윤, 정미라, 이해출, Top Down 공사에서의 CFT 선기초기둥 활용방안, 한국건축시공학회 춘계학술발표대회 논문집, 제8권 1호, p.p. 31~34, 2008

3. 임홍철, 신천균, 김승원, Top Down공사의 선기둥 수직도 계측, 한국건축시공학회 논문집, 제6 권 4호, p.p. 77~84, 2006

4. 강승룡, 임홍철, 김승원, 박대영, 김동건, 송지윤, 정미라, Top-Down공사용 선기초기둥의 특 성, 한국건축시공학회 2008년 추계학회발표대회 논문집(제8권 2호, 통권 제15집), 우수논문상 수상.

5. American Institute of Steel Construction, Steel Construction Manual 9th Ed. 6. Design Loads on Structures During Construction, SEI/ASCE 37-02 이외 다수