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가평군 청평면 삼회리 건물 구조보강 (철판 및 철골구조보강)

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  • 09-09-13 15:58
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▣ 가평군 청평면 삼회리 건물 구조보강 (철판 및 철골구조보강)

 

2009년 5월 중순, 경기도 가평군 청평면 삼회리의 어느 한적한 마을에서 본 지상2층 건물의 리모델링공사가 진행되었다. 리모델링(Re-Modeling)공사에 앞서 구조안전진단이 선행되었으며, 안전진단결과 구조보강이 필요하여 보강설계 및 공사가 이루어졌다. 우리팀은 이 리모델링공사에서 구조보강설계 및 공사를 담당하게 되었으며 이 과정을 소개하도록 한다.

 

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(a) 공사 전 모습

(b) 공사 후 모습

[그림1] 프로젝트의 대상건물

 

이 프로젝트는 준공 후 약 12년이 경과한 지상2층의 주택을 공동휴게시설로 대수선하는 공사이다. 본 건물의 구조형식은 조적구조로, 기둥 역할을 하는 수직부재는 조적벽체로, 수평바닥판은 철근콘크리트의 슬래브와 보로 구성되어있다.

 

구조적 중점사항으로는 ① 건물의 용도변경으로 인한 고정하중(D.L)과 활하중(L.L)의 변동, ② 평면 계획변경에 따른 지상1층의 구조용으로 사용되었던 조적벽체의 철거, ③ 지상2층 상부의 천창설치에 따른 일부 지붕층 슬래브와 보의 철거로 요약할 수 있다.

 

먼저, 지상1층에서 구조용 수직부재로 사용되었던 조적벽체를 철거하기 위해서는 구조적인 보강이 필요하였다. 

지상1층에서 상부층의 하중을 기초로 전달하는 역할을 맡고 있던 구조체인 조적벽체가 철거되기 때문에 조적벽체를 대신할 수직 구조체가 보강되어야 했고, 이에 철골기둥보강을 계획했다. 철골기둥은 최종 철판보강이 이루어지는 지상2층 바닥 보와 이 보들이 교차되는 하부에 설치하였다. [그림2]는 본 프로젝트에서의 지상1층 철골기둥 보강설계를 보여주고 있다. 철골기둥(SC1)은 H-200×200×8×12(SS400)를 사용하였고, 기둥 상․ 하부의 베이스플레이트(Base Plate)는 THK.=20(SS400)을 사용하였으며, 기존 철근콘크리트와의 접합을 위해 케미컬앵커볼트(Chemical Anchor Bolt), HILTI HVU-HAS 롯드 4-M20 을 설치하였다.

 

    

(a) 지상1층 철골기둥 보강위치

                 (b) 철골기둥 입면도

   

(c) DETAIL - A

(d) DETAIL - B

[그림2] 지상1층 철골기둥 보강설계

  

또한 철골기둥(SC1) 사이의 없어지는 조적벽체 구간은 철골기둥 상부에서 기둥사이를 연결하는 [그림3]과 같은 수평재 보강이 필요하였다. 

초기에는 [그림3](a)와 같이 제거되는 벽체의 양단부에 철골기둥을 세우고, 그 사이에 철골보를 설치하여 상부의 하중을 철골보를 통해 철골기둥에 전달시키는 구조보강설계가 이루어졌다. 그러나 검토결과 철골보가 기존 철근콘크리트 보의 하부에 설치되므로 1층의 천정높이 확보에 문제가 발생하였다. 따라서 구조보강방법을 [그림3](b)와 같이 철골기둥을 설치하고 그 사이에 있는 기존의 철근콘크리트 보를 철판보강하는 식으로 변경하였다. 이 철근콘크리트 보는 원래 구조체인 조적벽체 상부에 설치되는 테두리 보(Perimeter Beam)로, 이 보는 슬래브와 일체로 설치되어 슬래브에서의 하중을 하부 조적벽체에 균등히 분포시키는 역할을 하고, 슬래브 철근을 정착시키는 정착장 역할을 담당한다. 이 테두리 보는 보통 본드 빔(Bond Beam), 월 거더(Wall Girder), 스팬드럴 빔(Spandrel Beam) 등으로 불리기도 한다. 결국 테두리 보는 외력에 의하여 직접 저항하는 구조체가 아니므로, 크기가 작고 그 속에 배근된 철근량 또한 적다. 따라서 이들 보는 하부 조적벽체가 철거되면 테두리 보로서의 생명을 다하고, 외력에 대해 직접 저항하는 강한 내력 보로서의 역할을 해야 한다. 그러므로 기존 테두리 보로서의 역할을 할 때와는 다르게 큰 내력이 필요한 강한 보로서 새로이 탄생해야함으로 이에 구조보강이 필요한 것이다. [그림3](b)의 최종안에서 두께 6mm의 철판을 기존 테두리 보의 옆면과 하부면에 셑앵커(SET ANCHOR, M12 @300)를 이용하여 설치함으로써 테두리 보의 전단과 휨을 동시에 보강하였다.   

      <지상2층 바닥구조평면도>

                 <A-A' SECTION>

(a) 철골보 보강 - 초기안

    

     <지상2층 바닥구조평면도>

                 <A-A' SECTION>

<입면도>

(b) 철판 보강 - 최종안

[그림3] 지상1층 조적벽체철거에 따른 수평재 구조보강

 

철근콘크리트 보는 철근과 콘크리트가 결합되어 하중에 저항하는 구조체로, 콘크리트는 압축력에는 강하지만 인장력에는 약하므로 인장력이 작용하는 부분을 인장재인 철근으로 보강한 합성구조물이다. 따라서 철판보강을 한다는 것은 하중에 대한 보의 저항력이 부족한 곳에 인장재 역할을 하는 철판을 붙여 보의 내력을 키워 준다는 것을 의미한다. [그림4]은 일반적인 철근콘크리트 보의 철판보강상세의 예를 보여주고 있다.

      

 <입면도>

                 <A-A' SECTION>

(a) 철판 보강(전단)

     

<입면도>

<A-A' SECTION>

<B-B' SECTION>

(b) 철판 보강(전단 및 휨)

[그림4] 일반적인 철근콘크리트 보의 철판보강상세

 

 

일반적인 철판보강 공법의 시공순서를 알아보면 다음과 같다.

 

① 보강철판이 부착될 부분의 손상된 콘크리트는 보수공법에 의하여 완전히 보수 시공한 후 마감이나 페인트 등의 이물질이 있을 경우 이를 전부 제거하고 그라인더로 갈아 평탄하게 만든 후 깨끗하게 청소한다.

② 에폭시계 저점도 프라이머를 콘크리트 면에 충분히 도포한다.

③ 요철이 있는 경우 규사 등의 골재로 혼합된 에폭시수지 모르타르를 강판이 부착될 면에 두께 5mm 정도로 충전하여 평탄하게 만든다.

④ 철판의 재질을 확인하고 설계에서 요구한 바와 같이 가공하여 철판의 표면을 샌드블라스팅 등의 방법으로 녹을 완전히 제거한다. 이 후 보강면에 철판을 고정용 볼트를 사용하여 고정시킨 후 에폭시수지 퍼티로 철판 주변을 면면히 실링하여 수지가 새어 나오지 않도록 한다.

⑤ 철판접착용 에폭시수지를 주입한다. 주입은 철판 1쪽씩 시행하도록 하고, 최종 공기배출구에 플라스틱 용기를 달아서 주입수지의 누출을 확인한다. 주입압력으로 용기에 누출된 에폭시수지가 자연압력에 의하여 다시 주입되게 함으로써 콘크리트 내부로 함침 또는 기포발생으로 발생된 미충전 부위를 완전하게 채워 줄 수 있다. 수지주입구 및 공기배출구는 1m 간격으로 설치하며 수지주입 두께는 5mm를 기준으로 한다.

⑥ 수지주입이 완료되면 햄머 등으로 타격하여 수지의 주입을 확인하고, 이상음이 나타나면 미충전 부위이므로 즉시 재시공한다.

⑦ 양방향으로 부착된 강판의 겹친 면은 목두께가 강판두께의 1.25배 정도로 모살용접하고, 가능하면 같은 부재방향의 이음은 피하는 것이 좋으나 필요한 경우 V자형으로 가공한 후 홈용접(Groove Welding)을 한다.

⑧ 도면대로 마감한다.

 

여기서 콘크리트와 보강강판의 결합은 앵커볼트(Anchor Bolt)와 에폭시 접착체로 이루어지는데, 실질적으로 철판보강설계에서는 앵커볼트(Anchor Bolt)는 시공시 고정용으로 사용하는 임시 고정용 앵커로 산정하고, 실제 접착력은 콘크리트와 철판사이의 에폭시 접착제가 발휘하다고 보는 경우가 일반적이다.

 

 

한편 철판보강설계 및 공사시 일반적으로 유의해야 할 사항들은 다음과 같다.

 

① 보강 후 철근비가 최대 철근비를 초과하지 않아야 한다.

② 보강 후 단부탈락(peeling) 현상을 방지하기 위하여 단부를 보강하거나 정착 길이를 충분히 확보해야 한다.

③ 철판의 폭/두께의 비를 40 이상으로 하며 두께가 최대 12mm 이하인 철판을 사용하도록 한다.

④ 중립축이 유효춤의 0.4배 이상이 되지 않도록 해야 한다.

⑤ 보강 후 처짐조건을 검토하여 콘크리트기준에서 규정하고 있는 처짐제한조건 이내이어야 한다.

⑥ 보강단면은 보강재 시공시의 하중을 기존의 부재(철근+콘크리트)가 받고 있는 상태에서 추가되는 하중에 대하여 기존의 부재와 보강재와 함께 저항한다. 보강재는 추가되는 하중에 의해서만 변형하게 되므로, 단순히 보강재를 보의 단부에 부착되어있는 등가의 철근으로 치환해서 사용할 수는 없다. 따라서 보강재의 강도감소계수를 사용하여 보강재의 내력을 저하시켜야 하며, 보강재의 강도감소계수는 보강재의 재료 및 시공조건에 따라 차이가 크므로 주의해야 한다.

⑦ 에폭시 접착제의 선택에 따라 구조적 성능과 내구성이 좌우되므로 접착제의 선택에 유의한다.

⑧ 설비나 전기시설과 간섭이 일어나지 않아야 한다.

⑨ 보강면이 노출될 경우 미관상 문제를 고려해야 한다.

 

 

[그림5]는 본 프로젝트에서 철판보강공사의 공정별 사진을 보여주고 있다.

 

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표면처리

철판제작 및 부착-1

철판제작 및 부착-2

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에폭시 주입기 조립

주입구 설치 및 씰링

에폭시 주입

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주입구 제거 및 철판도장-1

주입구 제거 및 철판도장-2

표면마무리

[그림5] 가평군 청평면 삼회리 건물의 철판보강공사 사진

 

 

한편 지상1층 철골기둥 보강 및 지상2층 바닥 보의 철판보강은 지상2층 바닥하중을 지지하기 위한 것이다. 사실 초기에는 구조검토결과, 지상2층이 주택에서 공동휴게시설로 용도가 변경됨에 따라 활하중(L.L)이 증가하여 기존 지상2층 바닥슬래브의 내력이 부족하게 나타났다. 따라서 지상2층 슬래브의 구조보강이 필요하게 되었는데, 이렇게 되면 구조보강비용이 많이 들게 된다. 따라서 우리팀은 지상2층 슬래브 상부에 설치되어있던 기존의 온돌마루(판넬히팅)를 철거하여 기존 바닥의 고정하중(D.L)을 줄이는 방안을 제시하였다. 이로써 슬래브의 구조보강비용이 없어졌고 철골기둥 및 철판보강비용이 최소화되었다.

 

 

다음은 지상2층 상부의 천창설치에 따른 일부 지붕층 슬래브와 보의 철거에 대한 사항으로, [그림6](a)는 기존의 지붕층 구조평면도이고, 그림(b)는 천창설치에 따른 지붕층 개구부(Opening) 계획을 보여주고 있다. 그림(a)의 기존 지붕층 구조평면도를 보면, 지붕층 슬래브는 하부 벽체와 보 RG4에 지지되어 하중을 지탱하고 있음을 알 수 있다. 그러나 그림(b)의 개구부 계획안에 따르면, 개구부로 인하여 슬래브의 지지경계조건이 달라짐으로 인하여 현재 조사된 슬래브의 두께와 배근으로는 지붕층 하중을 지지하기에는 내력이 부족하게 된다. 따라서 슬래브 개구부에 따른 구조보강이 필요하다. 우리팀은 구조보강으로 슬래브 개구부 주위에 철골보를 설치하여 슬래브의 없어진 지지경계조건을 새로이 형성시켜주는 방법을 채택하게 되었다.           

 

 

(a) 지붕층 구조평면도 - 기존

(b) 지붕층 구조평면도 - 개구부 계획안

[그림6] 천장설치에 따른 지붕층 슬래브의 개구부 계획

 

 

[그림7]은 본 프로젝트에서 개구부계획에 따른 지붕층 철골보 보강설계를 보여주고 있다. 

 

 

  

(a) 지붕층 구조평면도

    

(b) RSB1 입면도

(c) A-A' SECTION

(d) RSB2 접합상세도

[그림7] 지붕층 철골 보 보강설계

 

 

[그림7]에서 철골보 RSB1은 H-298×201×9×14(SS400)을 사용하였고, RSB2는 H-194×150×6×9(SS400)를 사용하였으며, 기 시공된 철근콘크리트와의 접합을 위해 케미컬앵커볼트(Chemical Anchor Bolt), HILTI HVU-HAS 롯드 4-M20 을 설치하였다.

 

[그림7]과 같은 철골보 보강공법은 슬래브 하부에 철골보를 설치하는 것으로, 슬래브의 지지거리를 감소시켜 슬래브의 휨모멘트와 처짐을 감소시키는 방법이다. 이 공법은 비교적 공정이 단순하고 경제적이지만, 신설된 철골보와 기존 콘크리트 부재와의 접합부 처리에서 주의가 요구된다.

 

일반적인 철골보 보강공법의 시공순서와 유의점을 알아보면 다음과 같다.

 

① 슬래브의 하부면과 증설 철골보의 플랜지 상부면의 간격을 측정한다.

② 슬래브의 균열 부위에 접착제를 주입하여 균열을 보수한다.

③ 철골보 접합부에 볼트 주입용 구멍을 낸다.

④ 철골보가 부착될 슬래브의 하부면을 깨끗이 청소하여 이물질을 제거한다.

⑤ 철골보의 플랜지 상부면을 방청 처리한다.

⑥ 철골보를 레버블록 등의 양중기로 양중하여 설치한다.

⑦ 앵커볼트를 삽입하여 접착제를 주입하고 볼트를 고정한다.

⑧ 철골보의 상부 플랜지와 슬래브 하부면과의 간격에는 수지로 만든 간격재를 삽입하여 간격 폭이 일정하게 유지되도록 한 후 주변을 기밀하게 실링처리하고 주입 파이프 및 공기 배출파이프를 설치한다. 파이프의 간격은 1m 당 한 개소 정도가 적당하다.

⑨ 에폭시수지의 주입시에는 수지가 면밀히 주입되도록 주입압을 신중히 조절하면서 주입한다. 주입작업은 철골보 하나에 대해 중단없이 주입해야 한다.

⑩ 주입작업 중 플랜지를 가볍게 타격하여 타격음을 확인한 결과 주입이 불량한 것으로 판단되면 신속히 재주입을 실시한다.

 

 

[그림8]은 본 프로젝트에서의 지상1층 철골기둥과 지붕층 철골보 보강공사 사진을 보여주고 있다.

 

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철골가공 및 제작

철골기둥 설치-1

철골기둥 설치-2

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레버블록 설치 및 철골 보 양중

철골보 설치

에폭시 실링 및 주입

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철골도장-1

철골도장-2

마무리

[그림8] 가평군 청평면 삼회리 건물의 지상1층 철골기둥 및 지붕층 철골보 보강공사 사진

 

 

한편 지상1층의 철골기둥과 철근콘크리트 보의 철판보강이 이루지기에 앞서 먼저 벽체철거가 이루어져야 하므로, 벽체철거 작업과 보강공사가 완료되기 전에는 반드시 동바리 등의 가설구조물을 설치하여 공사 중 발생할 수 있는 안전사고를 방지해야 한다. 또한 지붕층의 철골보 보강이 이루지기에 전에도 먼저 지붕층의 기존 슬래브와 철근콘크리트 보의 철거가 이루어져야 하므로, 지붕층 철거 작업과 보강공사가 완료되기 전에도 반드시 동바리 등의 가설구조물이 설치되어야 한다. [그림9]는 본 프로젝트의 지상1층 및 지상2층의 동바리 설치계획을 보여주고 있다.

 

 

(a) 지상1층바닥 구조평면도

(b) 지상2층바닥 구조평면도

[그림9] 동바리 설치 계획

 

동바리는 시공시 구조부재가 내력을 발휘할 때까지 고정하중 및 작업하중 등을 지지하기 위해서 설치하는 가설부재이다. 본 프로젝트에서는 철거작업 및 보강공사가 실시되기에 앞서 동바리설계를 진행하였으며, 모든 시공과정이 완료될 때까지 설치한 동바리를 존속시켰다.

본 프로젝트의 동바리설계는 『가설공사 표준 시방서-한국건설가설협회』에 의한 허용응력설계법으로 진행하였는데, 이때 단품 동바리의 안전율은 3 이다. 동바리 설계에 사용하는 수직하중은 고정하중 및 공사 중 발생하는 활하중으로, 고정하중은 철근콘크리트 슬래브와 보 및 각종 마감하중을 포함하며 활하중은 작업원, 장비하중, 시공하중을 포함한다. 활하중은 구조물의 수직투영면적 당 최소 2.5 kN/㎡ 이상으로 적용하며, 고정하중과 활하중을 합한 수직하중은 슬래브 두께에 관계없이 최소 5.0 kN/㎡ 이상으로 설계하여야 한다.

위의 사항들을 고려했을 때 본 건물의 동바리설계에서 적용된 수직하중은 지상2층 바닥 슬래브에 5.28 kN/㎡, 지붕층 슬래브에 7.58 kN/㎡ 으로 계산되었다. 이에 본 프로젝트에서는 1개당 약 1톤(tonf)의 하중을 견딜 수 있는 동바리인 ∅48.6×2.3t(KS F 8001)의 강제 파이프(Pipe)를 채택하여 필요구간에 약 1m 간격으로 2열로 배치하도록 계획하였다. 이에 따라 지상1층에 28개소의 동바리를 설치했으며, 지상2층에는 8개소의 동바리를 설치하되 하부층 동바리와 동일한 위치에 놓이도록 했다.

 

 

사람이 나이가 들면 늙어가듯 구조물도 세월의 흐름을 피하지 못하고 시간경과에 따라 성능저하와 노후화가 진행된다. 많은 사람들은 건강한 삶을 유지하기 위해 적절한 운동, 식사, 수면 등 여러 가지 건강관리를 하고 있으며, 때로는 질병에 걸리거나 불의의 사고로 인하여 신체상 상해를 입게 되어 병원을 찾아가 의사에게 치료를 받는다. 마찬가지로 건물도 건강을 유지하기 위해서는 완공된 이후에도 지속적인 유지관리가 필요하다. 혹시 건물 건강에 문제가 생기면 건물의 보수․보강을 통하여 그때그때 치료해 주어야 건물을 오래 사용할 수 있다.

 

요즘은 건물신축에 따른 경제적 부담을 줄이기 위하여 건물을 수리하여 쓰는 리모델링(Re-Modeling)공사가 많이 진행되고 있다. 리모델링공사는 실의 용도를 변화시키므로 활하중(L.L)을 증가시킬 수 있으며, 바닥 및  내․외부 마감 등의 변화로 고정하중(D.L)을 증가시킬 수도 있다. 가뜩이나 나이를 먹어 구조적 성능이 약해졌을 가능성이 높은데 최초 구조 설계시 고려하였던 하중 보다 리모델링공사로 인한 하중이 증가하였다면, 대상 건물의 내력이 부족할 가능성이 있을 것이다. 나이든 것도 서러운데 예전보다 더 무거운 짐을 지우는 경우랄까? 심지어 어떤 리모델링 공사에서는 기둥, 벽체, 슬래브, 보 등 구조체를 잘라 없애기도 한다. 안전불감증에 걸려 아무 생각없이 공사하다가는 건물이 무너지고 때로는 사람이 다치고 죽는다. 나이든 사람에게 무거운 짐을 맡기려면 먼저 그 사람의 건강상태를 점검해야 하듯이, 리모델링되는 나이든 건물은 변경된 하중 및 구조체의 물리적 변동 등으로 인하여 구조적으로 안전한가의 여부를 『구조안전진단』을 통하여 반드시 공사 전에 진단해 보아야 한다. 그리고 안전진단결과, 건물의 구조적 안전성에 문제가 있을 때에는 본 프로젝트의 경우와 같이 적절한 『구조보강』이 이루어져야 할 것이다.

 

 

 

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