Top-Down공사의 코어구조
Top-Down공법을 적용한 공사에서 코어구조의 공사방식과 순서에 따라서 선시공 순타방식, 후시 공 순타방식, 병행 역타방식 등으로 구분할 수 있으며, 공사방식과 순서에 따라서 공기와 공사비 뿐만 아니라 Top-Down공사기간동안의 안정성, 편의성 등에 있어서도 크게 차이가 난다.
일반적으로 코어구조는 중력하중뿐만 아니라 횡력에 저항하는 주구조로 이용된다. 따라서 Top-Down공사시 코어구조는 중력하중과 상층부 풍하중의 영향 및 지하 토압/수압을 지지할 수 있도록 계획된다. 또한, 코어 및 계단실은 지하실 각층 바닥공사와 동시에 시공될 수 있도록 계획 하여 안전한 작업통행로로 사용하고 별도 공정이 되지 않도록 하여 공기가 단축될 수 있도록 계획하여 설계하는 것이 합리적이다.
1. 코어구조의 형식
일반적으로 지상부의 코어에는 철골가새구조 또는 철근콘크리트벽구조, 지하부의 코어에는 철근콘 크리트벽구조를 적용한다. 지하부 코어의 시공방법은 지상부 코어의 구조형식에 따라 다음과 같이 결정된다.
– 철골가새와 경량벽으로 구성된 코아구조
지상부가 철골구조인 경우에는 자중이 작아 역타공사 선기초기둥을 지중에 설치하여 지상부의 코 어에 작용하는 하중을 지지하여 역타로 공사하는 것이 합리적이다.
– 철근콘크리트벽으로 구성된 코아구조
지상부가 콘크리트구조인 경우에는 자중이 크고, 역타이음부가 많아 코어부분은 가설흙막이벽을 설치하여 코어피트를 선행굴토한 후에 코아아구조를 순타로 선행 시공하는 것이 합리적이다.
2. 코어구조공사방식
코어구조공사방식은 Top-Down공사시 코어구조의 시공순서 및 시공방법에 따라 [그림-1]과 같 이 크게 a, 후 시공 순타방식, b, 병행 역타방식, c. 선시공 순타방식으로 분류할 수 있다. 선시공 순타방식의 경우, 코어구조가 지하바닥구조에 앞서 시공되는 까닭에 코어부분의 굴토를 위한 별도의 가설 흙막이 벽을 설치하여야 한다. 반면에, 후시공 순타방식과 병행 역타방식의 경우에는, 코어굴토를 위한 가설흙막이벽을 설치할 필요가 없는 대신 코어구조의 하중을 지지하기 위한 Top-Down공사용 기둥과 피어기초를 설치하여야한다. 각 공법에 대한 공사순서와 특징은 [그림 -1], <표-1>과 같다.
3. 병행 역타방식
병행 역타방식은 [그림-1,b]처럼 Top-Down공사시 코어구조를 지하 바닥구조 공사와 동시에 순차적으로 진행해 가는 방식이다. 병행 역타방식으로 코어구조를 시공하는 경우, 코어부분 굴토를 위한 별도의 흙막이 벽을 필요로 하지 않고, [그림-4], [그림-5], [그림-6]처럼 코어구조가 각층 바닥슬래브공사와 동시에 이루어져 작업자 수직통로로 사용 가능하며, 수직덕트, 배관공사와 엘리베이터 도어 등을 조기에 설치할 수 있다. 또한, 개구부로 작업자가 떨어질 염려도 없어 안전공사 에도 유리하며, 코어 공사가 지하최하층의 바닥공사 완료후 진행되는 후시공 순타방식에 비해 공기도 단축된다. 반면에, 병행 역타방식으로의 코어구조의 시공은 상층부의 코어나 지하부의 코어로부터의 전이하중을 지지하기 위하여 큰 단면의 선기초기둥 및 피어기초를 필요로 한다. 따라서 해당 선기초기둥 및 피어기초 시공을 위한 공사비가 추가되고, 큰 단면으로 인하여 [그림-3]과 같이 코어벽체 외부로 기둥이 돌출되기도 한다. 또한, 해당 선기초기둥의 시공오차가 클 경우 상부구조물의 공사가 지연될 수 있으며, [그림-2]와 같은 벽체의 역타공사로 인하여 벽체의 역타 이음부가 발생하여 [그림-4]처럼 추가적인 역타 상세와 보강 공사가 필요하다.
4. 지상부 철골구조인 경우 병행 역타방식에 의한 코어구조공사 예
Top-Down공사의 능률을 고려하여 지상부의 코어는 Top-down 공사용 선기초기둥에 작용하는 축력을 최소화하고 공기를 단축시키기 위하여 중량이 가볍고 건식공사를 할 수 있도록 철골 가새 구조로 하였다. 지하부의 코어는 지하주차장에 자동차사용을 고려하여 철근콘크리트코어벽으로 하 였다. 지하부의 콘크리트코어는 지하바닥공사와 병행하여 작업자의 계단실로 이용하고 엘리베이터를 조기에 설치할 수 있도록 하였다. 따라서 지하부의 코어 콘크리트벽은 코어내부의 구조와 주변 바닥에 작용하는 하중을 top-Down 공사용 기둥으로 전이할 수 있도록 설계하였다.
지상부코어에 작용하는 수평력을 지하부 콘크리트코어로 전달할 수 있도록 [그림-7, b]처럼 1층 바닥의 철골보 하부에 Shear Connector를 부착하여 지하코어벽에 매입 되도록 하였다.
[그림-7, a]지하부의 철근콘크리트코어벽은 지하코어에 작용하는 하중을 선기초기둥에 전이시키는 역할을 하도록 하였기 때문에 코어벽의 시공시에 하부에 후시공될 코어를 매달게 되므로 수직 이음철근은 B급인장이음으로 하고 일부코어벽은 이를 고려하여 미리 보강하였다. 공정계획시 코 어의 공사순서 및 방법에 대하여 사전에 검토해야한다.
지상부의 코어구조가 철골구조인 경우에는 [그림-8]처럼 지하 Top-Down공사용 기둥을 설치한 후에 1층바닥구조공사를 시작하기전에 지상부의 구조공사를 시작할 수 있는 장점이 있다. 이러한 경우에는 지상부 바닥층이 형성된 후에 1층바닥공사를 하면 날씨에 관계없이 콘크리트공사를 할 수가 있다. 또한 선기둥기초의 머리의 시공오차를 흡수하기 유리하다.
5. 후시공 순타방식
후시공 순타방식은 [그림-1, a]처럼 코어구조를 최하층 지하바닥구조 공사의 완료 후 시공하는 방법으로, 병행역타 방식과 같이 코어부분 굴토를 위한 별도의 흙막이 벽이 필요하지 않지만, 코 어부분의 지지를 위한 Top-Down공사용 기둥과 피어기초를 설치하여야 한다. 또한, 코어구조가 지하바닥구조 공사 완료 후 진행되기 때문에, 지상층의 공사가 늦어지고, 바닥구조의 연직하중과 토압에 의한 횡력을 지지하기 위하여 별도의 추가적인 가설 보, 가설 스트러트 등을 장기간 설치 하여야 한다.
6. 선시공 순타방식
선시공 순타방식은 [그림-1, c]처럼 코어구조를 지하바닥구조의 시공에 앞서 시공한 후, 지하 바 닥구조의 공사를 진행하는 방식으로 코어부분의 굴토를 위한 별도의 흙막이 벽을 필요로 한다.
[그림-9]처럼 코어구조 선시공 공사시 지하구조물의 코어부분을 굴토 후 순타방식으로 시공하여 초기에 안정된 본구조체의 시공이 가능하고, 코어벽이 하중을 지지 할 수 있어, 코어구조물을 위 한 별도의 선기초기둥이 필요하지 않으며, [그림-10, b]처럼 지상부 코어구조에 대한 선행공사를 제한 없이 진행 할 수 있다. 또한, [그림-10, a]처럼 역타 이음부가 없고, 초기에 전층의 지하 계단을 사용할 수 있다. 다만, 코어구조물의 시공이 예정보다 지연될 경우 전체 공기에 영향을 미칠 수 있다는 점을 유의해야한다.
7. 코어구조설계시 특별히 고려할 사항
(1) 코어하중을 지지하기 위한 Top-Down공사용 기둥과 피어의 배치
코어구조를 병행역타방식으로 계획하는 경우에는 상층부의 코어나 지하부의 코어로부터의 전이하중 등을 지지하도록 영구 기둥이나 임시보조기둥을 적절히 배치하여야 한다.
(2) 전이보
코어구조를 병행역타방식으로 계획하는 경우에는 지상부의 코어를 지하 Top-Down공사용 기둥으로 하중을 전이시키기 위한 전이보나 전이벽이 필요하다. 전이보는 1층바닥에서 철근콘크리트 보, 강재보 또는 매입합성보 등으로 설계되며, 전이벽은 지하1층 또는 지하1, 2층의 코어벽체를 이용하여 설계된다. 벽체에 큰 개구부가 많은 경우에는 지하와 지상의 각 층바닥에 전이보를 배치하 기도 한다.
(3) 역타이음부
코어구조를 병행 역타방식이나 후 시공 순타방식으로 시공하는 경우, 코어벽은 선시공된 지하바닥의 층간높이에 콘크리트가 채워진다. 이로 인하여, 각층 코어벽의 상부에는 Top-Down공사용 기 둥에서와 같은 역타이음부가 발생하게 되는데, 이러한 역타이음부에서는 나중에 타설된 하부 코어 벽의 콘크리트가 양생되는 과정에서 콘크리트의 침강으로 인하여 상부 코어구조와 일체화 되지 못하고 틈이 발생하게 된다. 층고가 높을수록 틈의 크기가 증가되며 틈의 간격은 평균 10mm 정도 발생되다. 따라서 역타이음부는 틈의 크기와 양상에 따라서 적절한 충진재로 충진하여 보강되어야 하고, 충진 후 정도를 확인하여야 한다.
(4) 풍하중
공사시에도 지상부는 바람과 지진에 의한 횡력을 받을 수가 있다. 국내에서 바람은 1년 동안 작 은 바람 큰바람을 만나게 되나 지진은 공사기간 동안 발생되지 않을 확률이 크다. 따라서 미국의 ASCE STANDARD ‘Design Loads on Structures During Construction’에 의하면 공사기간중의 구조는 지진하중은 고려하지 않아도 풍하중은 고려해야하고, 풍하중의 크기는 공사기간에 따라 다르게 산정하도록 되어 있다.
이 ASCE STANDARD에 의하면 공사기간동안의 풍하중은 중요도(Iw)는 1로 하고 설계풍속 (Design Velocity)은 기본풍속(Basic Wind Speed)에 다음 <표-2>에 있는 Factor를 곱하여 산정 한다.
-풍하중에 의한 영향
지하와 지상공사를 병행할 경우에는 지상구조는 풍하중에 영향을 받아 전도모멘트가 발생되어 기둥에는 축력이 발생된다. 따라서 Top-Down공사용 기둥과 피어는 이를 고려하여 설계하여야한다. 예를 들면 최하부층 굴토공사시에 지상층의 골조공사와 외벽공사가 완료되었을 때 태풍이 불면 코어구조를 지지하고 있는 지하의 선기초기둥에는 매우 큰 축력의 부가하중이 발생될 것이다. 그러나 선시공 순타방식에 의해 시공된 코아구조는 공사시 풍하중에 대한 영향을 별도로 검토할 필요가 없다.
첨언
램프구조에 관련된 기고문은 다음 회에 별도로 소개할 예정입니다.
참고자료
1. 전봉수, 김승원, 김상범, 김세익, Top-Down공법의 연구, 기술지, 포스코개발주식회사, 2001
2. 뉴테크구조 대표 김승원, 지하공사에 추가 구조요소와 가설구조를 최소화하는 합리적인 Top-Down공법과 구조형식의 소개, MIDASIT주관 기술강좌, 2009.2.26
3. ASCE STANDARD ‘Design Loads on Structures During Construction’, SEI/ASCE 37-02