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기둥축소와 부등축소

(칼럼 쇼트닝) 기둥축소란? 기둥축소 발생원인 기둥축소 보정방법 부등축소란? 부등축소의 문제점 부등축소의 해결방안 시공단계해석 기둥축소량 현장계측

정답:

기둥축소란?

건물의 벽체나 기둥과 같은 수직부재는 작용하중에 의해 탄성적인 축소가 일어나며 콘크리트를 주재료로 사용하는 수직부재에서는 시간이 지남에 따라 변형이 증가하는 비탄성적인 축소가 추가된다. 탄성축소가 4050%, 비탄성축소가 5060%정도 차지 이론적으로 기둥축소에 대한 보정을 하지 않을 경우, 시공 후 건물레벨과 설계레벨의 차이가 발생하며 비구조에 영향을 주고 사용성의 문제가 발생한다.

기둥축소의 발생원인

기둥축소는 탄성축소, 크리프, 건조수축의 3가지 요인에 의해 발생하며, 기둥축소량은 재하순간 하중의 크기에 비례하여 발생하는 탄성축소량과 시간이 경과함에 따라 추가적으로 발생하는 크리프와 건조추숙에 의한 축소량으로 구성된다. 일반적으로 철골기둥에는 탄성축소량만 존재하고 콘크리트 기둥은 비탄성축소량이 추가된다.

1. 탄성축소량 탄성계수 E, 단면적이 A이고 길이가 L인 기둥에 하중 P가 작용하면 탄성축소량 $\delta =\frac{PL}{EA}$로 표현 할 수 있다. 즉, 작용하중이 커지거나 기둥 길이가 길어질수록 탄성축소량은 증가하며, 콘크리트 강도나 단면적이 증가할수록 탄성축소량은 적어진다.
2. 크리프에 의한 축소량 크리프는 콘크리트가 지속적인 하중을 받을 때 시간의 경과에 따라 변형이 지속되는 현상으로 이 크기는 작용하는 응력에 비례한다.
3. 건조수축에 의한 축소량 건조추숙은 콘크리트 표면의 수분 증발에 의하여 부재가 축소하는 현상으로 크리프와 함께 시간의 경과에 따라 계속적으로 발생하는 콘크리트의 성질이다.

기둥축소 보정방법

기둥축소량의 보정은 건물의 완공 후 일정시점(공사후 1000일 등)에서 슬래브나 보 등의 부재가 수평이 되도록 하는 것이다. 구조물의 시공시기와 작용하는 하중이력에 따라 축소량의 예측값을 계산하고 난 후 임의층의 시공시 보정을 한다.

코어를 선 시공하는 경우에서의 보정은 코어월 설치시 코어월은 설계레벨보다 높이 시공되어야 한다. 즉, 코어월 타설시의 보정은 타설 시각 이후에 그 층이 축소되는 양만큼 설계레벨을 기준으로 하여 캠버값을 주어 보정하며 코어월의 시공레벨은 설계자가 원하는 목표시점에서 설계레벨에 도달하게 된다. 기둥축소량의 해석을 통하여 외부기둥의 타설시각을 기준으로 하여 타설시점 이후에 발생할 기둥축소량을 계산한 후 그 값과 코어월에 발생할 축소량의 차이만큼 외부기둥에 캠버를 주어 보정하여 시공하면 설계자가 원하는 시점에서 외부기둥은 설계레벨에 도달하게 된다.

철근콘크리트 구조물에서의 기둥축소량 보정법

1. 슬래브 타설 전에 발생할 축소량 슬래브 설치 전에 발생한 축소량은 수평부재에 부가하중을 유발하지 않으며 시공시 슬래브 레벨을 맞추는 과정에서 보정이 이루어진다. 슬래브 타설시 거푸집의 높이를 설계위치까지 조절하면 보정할 수 있다.
2. 슬래브 타설 후에 발생한 축소량 슬래브 설치 후에 발생하는 축소량은 슬래브 설치 이후의 추가하중과 콘크리트의 비탄성축소에 의하여 발생하는 것으로 수평부재에 부가하중을 발생시키므로 구조설계시 이에 대한 영향이 반영되어야 한다. 수직부재에 슬래브 타설 후의 부등축소량만큼 캠버를 두어 보정한다.

철골 구조물에서의 기둥축소량 보정법

철골구조물에서는 시간의 경과에 따라 크리프나 건조추숙과 같은 비탄성축소가 발생하지 않고 하중의 작용에 의한 탄성축소만이 존재하므로 그 양을 예측하기가 용이하다. 철골 기둥에서의 축소량 보정은 철골기둥의 길이를 조절하여 이루어진다. 축소량을 고려하여 공장에서 부재제작시 길이를 길게 하는 방법과 축소량에 대하여 얇은 끼움판(shim plate)를 추가하여 보정하는 방법이 있다. 철골 구조물의 경우에는 슬래브 타설 전의 축소도 미리 고려하여야 하기 때문에 총 축소량을 기준으로 보정하여야 한다.

철골철근콘크리트 구조물에서의 기둥축소량 보정법

철골구조믈의 축소량은 초기의 철골기둥만이 있을때의 탄성축소량과 그 이후 외부 콘크리트 타설 이후에 발생하는 탄성축소량, 비탄성축소량으로 구분된다. 철골철근콘크리트 구조물은 슬래브 타설전의 축소도 미리 고려하여야 하기 때문에 총축소량을 기준으로 보정하여야 한다.

부등축소란?

내부 기둥은 외부기둥에 비해 하중분담면적이 크므로 작용하중이 크게 작용하여 축소량이 크거나 코어전단벽의 축소량이 외부기둥에 비하여 적게 발생한다. 이러한 축소량의 차이에 따라 내 외부를 연결하는 슬래브와 보에 강제 처짐이 발생하고 부가적인 모멘트가 발생하며, 비구조의 비틀림에 의한 손상이 발생할 수 있다.

부등축소의 문제점

1. 슬래브의 불균형 처짐
2. 커튼월의 비틀림이 발생하여 부가응력 발생, 고정 화스너 탈락
3. 오배수관의 역구배
4. 칸막이 벽과 문틀 등의 비틀림
5. EV 레일 등에 악영향
6. 슬래브나 보에 부가응력 발생

부등축소의 해결방안

1. 설계시 부가응력 고려
2. 지연접합, 조절접합 : 시공중 부등처짐이 발생한 후 아웃리거 접합부를 시공하여 부가응력을 줄이는 방식. 시공중 풍하중을 코어가 부담해야 하며 시공적인 측면에서 문제가 될수 있다.
3. 메가컬럼 적용 : 코어와 기둥의 부등변위량을 줄일수 있다.
4. 옵셋 아웃리거 적용 : 기존 아웃리거에 비해 70~80%의 성능을 가지나 부등변위에 대한 문제를 해결하고 아웃리거 층의 공간도 활용할 수 있다.
5. 기둥축소량 보정 시공
6. 커튼월 유닛 시공여유 확보
7. 상부 슬래브와 칸박이벽 사이 시공여유 확부
8. 수직방향 설비파이프 시공이음 설치
9. 계측 및 레벨 관리

시공단계해석

축구조물은 시공공정에 따라 층별 또는 몇개층 단위로 시공이 진행되며, 같은 시공당계에서도 시공순서와 재하시기가 서로 다른 경우가 존재할수 있기 때문에, 구조물에 하중을 동시에 재하하는 일반적인 구조해석방법은 실제 구조물의 거동과 큰 차이를 보인다. 따라서, 시공순서와 하중의 재하시기, 콘크리트의 크리프와 건조수축을 고려하여 시공 단계별 해석을 수행하는 시공단계해석을 통하여 시공 중 건물의 수직변형(기둥축소량) 수평변형(건물수직도)를 예측할 수 있다.

기둥축소량 현장계측

기둥축소량의 해석 시 콘크리트의 크리프 및 건조수축 특성값으로 실내실험에 의한 값이나 가정한 값을 사용하므로 해석에 의한 예측값과 실제 축소량값과는 차이가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 실제 축소량을 장기계측하고 예측값과 비교하여 시공과정 중에 반영하여야 한다. 건물을 설계레벨로 정확하게 시공하기 위해서는 공사중의 실제 계측된 모니터링 자료와 기 시공된 부분, 시공될 부분의 공정자료를 이용하여 시공과정에서 주기적으로 축소량을 재해석하고 이에따라 보정하여 시공하여야 한다.

참고자료

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