1. 머릿말

이형철근은 건설 시장에서 가장 많이 사용하는 자재다. 단독으로는 거의 쓰지 않고, 인장력 보강을 위해 콘크리트 안에 넣어 사용하는 게 일반적이다. 최근 구조물의 안전 강화 및 대형화 등에 의해 직경이 큰 철근의 사용 비중이 지속적으로 증가하고 있는데 보통 이형철근은 현장에서 가공하여 배근 작업을 하게 되고, 철근의 무게가 증가할수록 현장 작업자들의 안전을 위협하고 작업성을 저하시키는 원인이 된다.

이형철근의 기능을 그대로 충족하면서, 더 가벼운 대체재를 만들기 위해서는 고강도화를 통한 단면 축소가 필연적이다. 이를 위해 가장 보편적으로 사용하는 항복강도 400MPa급의 이형철근 대비 2배 항복강도를 증가시킨 800MPa급의 제품을 만들었다. 또한 이형철근과 직경을 동일하게 맞춘 상태에서 중공부를 갖는 강관 형태를 채택하여, 동등 이상의 부재력을 확보하면서도 무게를 절반 수준으로 절감하는 것이 가능하였다.

본 기사에서는 항복강도 800MPa급의 고강도 강관을 사용하여 흙막이벽체에 사용되는 이형철근망을 강관철근망으로 대체 적용한 기술에 대해 소개하고자 한다.

2. 지반보강용 강관 (KS D 3872)

건설현장에 고강도 강관을 적용하기 위해서는 KS규격화가 무엇보다 선행되어야 한다. 2018년 12월 14일 ‘KS D 3872 지반보강용 강관’이 신규 제정되었다.

KS D 3872 지반보강용 강관에는 STG800, STG1100H 2가지 종류가 있으며, 각각의 화학 성분 및 기계적 성질은 아래의 표 1, 표 2와 같다. 이 중 본 연구에서는 STG800 강관을 사용하여 흙막이벽체용 강관철근망을 제작, 실내실험 및 현장적용을 하였다.

3. STG800 강관의 표면 돌기 형성

이형철근은 표면에 돌기가 형성되어 있는 것이 특징이다. 돌기는 콘크리트와의 부착력을 향상시켜주고, 이형철근망을 제작할 때 주철근과 띠철근의 결속선의 이탈을 방지해주는 역할도 한다. 이에 반해 강관의 표면은 돌기가 없이 매끈한 형태이므로 동등수준의 직경에서 이형철근의 효과를 동일하게 발휘하는 것에 한계를 보일 수 있다. 이를 개선하고자 강관의 제조시 표면에 음각형태로 돌기를 형성할 수 있는 Knurling 기법으로 강관을 제조하였고, 형상은 사진 1과 같다.

4. STG800 적용 흙막이벽체용 강관철근망 개발

4.1 실내구조성능평가

주철근을 STG800 강관으로 대체하고, 띠철근은 SD400 이형철근을 그대로 적용하여 결속선 체결방식으로 휨성능 시험체를 만들었다. 주철근의 재료만을 변수로 하여 SD400 이형철근망과 STG800 강관철근망을 삽입한 시험체를 만들어 실험한 결과, 60mm 변위까지의 하중-변위 거동이 유사하게 나타났다. 특히 D500의 시험조건에서는 STG800 강관철근망의 최대 하중이 SD400 이형철근망에 비해 약 20% 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 표 3에 시험조건, 사진 2에 휨성능평가 시험 전경, 그림 1에 휨성능평가 결과를 제시하였다.

4.2 현장 적용성 평가

실내구조성능평가를 통해 STG800 강관철근망을 콘크리트 보강을 위해 사용할 수 있다는 것을 파악하였고, 이를 실제 현장에서 검증해보고자 하였다. 시험시공을 위한 시공방법은 Earth Drill 공법으로 하였으며, 직경 D1,500mm의 2본으로 계획하였다. 이때 주근으로 사용한 강관은 동등수준의 부재력을 나타내지만 직경과 두께를 달리하여 각각 D31.8mm*3.6t(P1), D38.1mm*2.9t(P2)로 제작하였다. 사진 3에 현장시험시공 순서를 나타내었다.

4.3 현장재하시험

동재하시험과 수평재하시험을 통해 시공된 말뚝의 성능을 평가하고자 하였다. 동재하시험은 시공 후 37일이 경과한 시점에 실시하였고, 시험말뚝 2개소의 전체지지력은 각각 26.92MN, 26.67MN으로 Davisson방법에 의한 허용지지력은 최소 13.33~13.46MN 이상으로 산정되었다. 수평재하시험 결과는 시험말뚝 2개소 모두 최대시험하중단계(750KN)까지 10mm 이내의 양호한 지지거동을 보였다. 사진 4에 현장재하시험 전경, 그림 2와 3에 동재하시험 및 수평재하시험 결과를 나타냈다.

5. 자동용접설비를 활용한 선제작 STG800 강관철근망

STG800은 용접성능이 확보될 수 있는 수준의 화학성분(탄소당량)을 보증하므로 용접이 가능한 재료이다. 최근 협소한 현장이 증가하고 주 52시간 도입 등으로 인해 현장에서의 작업을 최소화할 수 있는 선제작 제품의 수요가 증가하고 있다. 이에 현장에서 주철근과 띠철근을 결속선으로 제작하는 기존의 가공방법을 대체하여 공장에서 강관철근망을 선제작하여 현장에 공급하고자 하였다. 주근으로 사용될 STG800 외에 띠철근도 용접이 가능한 철선(KS D 3552)을 사용하였다. 철선은 선재 표면에 2줄 이상의 돌기를 규칙적으로 배열해 이형철근과 동일한 형상으로 만들어 적용하였다. 사진 5는 STG800 강관철근망 자동용접설비, 사진 6은 공장 제작된 STG800 강관철근망 사진이다.   

선제작 된 강관철근망은 건설 현장에 공급되고 있다. 최근 STG800 강관철근망을 적용한 ‘GS건설 대구 용산동 주상복합사업’ 현장 사례의 시공 절차를 사진 7에 나타냈다.

6. 맺음말

본 기사에서 소개한 STG800 강관철근망은 가격, 품질을 모두 만족할 수 있는 새로운 자재이다. STG800 강관철근망의 장점 및 특징으로 본 기사를 마무리 하고자 한다.

1. 경제적이다. 강관철근망의 주 소재인 STG800 강관은 이형철근 대비 약 5~10% 저렴한 가격에 현장에 공급할 수 있는 Supply-Chain이 구축돼 있다. 항복강도가 일반 철근보다 2배 향상돼 동일한 강도를 확보하는데 필요한 단면적이 절반으로 줄어들기 때문이다. 톤당 단가는 철근보다 비싸지만, m당 무게가 절반으로 줄어들어 m당 단가는 철근보다 저렴하게 공급이 가능하다. 

2. 안정적인 품질 확보가 가능하다. 일반 이형철근망은 용접으로 제작할 수 없기 때문에 결속선으로 망을 체결하는 방법 외에는 대안이 없다. 반면 STG800 강관철근망은 용접이 가능한 자재이므로 용접가공으로 안정적인 품질을 확보 할 수 있다.

3. 경량화로 인해 취급이 용이하다. STG800의 m당 중량은 이형철근 대비 약 50% 수준으로 가벼워 현장 작업자들의 노동 강도를 낮추는 데 탁월하다.

4. 선제작을 통한 현장 작업 공정 절감이 가능하다. STG800 강관철근망은 현장에서 제작하는 것도 가능하지만, 공장에서 제작을 완료한 후 현장으로 공급하는 방식을 기본으로 한다. 거대한 철근망을 협소한 현장에서 제작하는 데 따르는 물리적 어려움과 외국인 노동자 증가로 인한 소통 문제도 무시할 수 없는 애로사항이다. 이러한 여건 속에서 공장에서 완성한 후 현장에 설치만 하면 되는 STG800 강관철근망은 무척이나 매력적인 대체재라고 확신한다.

참고문헌

1. 차수 생략 가능 CIP 구조단면 최적화 및 설계/시공 지침 개발, 한국지반공학회 (2017)

2. 소구경 고강도 강관 적용 현장타설말뚝의 성능 인증 및 지침 개발, 한국지반공학회 (2018)3. KS D 3872 지반보강용 강관

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