비용은 줄이고 성능은 높인 친환경 경량 바닥을 만든다
- 이방향 중공슬래브 개발 및 실용화 -
“이방향 중공슬래브를 적용해 자재와 비용은 줄이고
건물의 구조적 성능은 향상시킨다”
[연구자 레터]
이방향 중공슬래브는 슬래브 중간에 빈 공간을 두어 슬래브의 무게는 줄이면서 두께는 크게 하여 휨 강도을 향상시키는 건축 공법으로 자재와 비용을 절감할 수 있다. 해외에서는 이미 친환경 건축 구조 시스템으로 다양하게 활용되고 있으나, 국내에서는 이에 대한 활용이 아직 부족한 실정이다. 이에 본 연구팀은 경량체 개발, 유니트화 연구, 시공방법 개발, 성능평가를 통해 이방향 중공슬래브 시스템을 개발하였다. 경량체는 작업하중에 대한 시공성 및 안전성과 단면 내의 응력흐름을 고려, 구조성능 확보를 위해 최적의 형태로 선정하였고, 개발된 경량체를 표준화하여 다양한 공법에 적용 가능한 시공방법을 개발하였다. 또한 이방향 중공슬래브 시스템의 성능평가를 통해 구조적 안전성을 확보하여 다양한 현장에 적용하고 있다.
01 개발배경 및 현황
지구 온난화의 원인인 온실가스 증가로 인해 환경의 지속가능성 문제가 글로벌사회의 가장 핵심이슈가 되고 있다. 국내에서도 저탄소 녹색성장 선언에 따라 그린빌딩, 지속가능한 빌딩 등에 대한 관심이 점점 높아지고 있는 실정이다. 건설 분야에서 지속가능이라는 말은 건물을 친환경적으로 설계, 시공, 유지관리, 폐기하는 것을 말하며 건물의 전생애주기에 따른 환경적, 경제적, 사회적 측면이 고려된 개념이다. 그런 의미에서 건물의 안전성을 확보하면서도 비용을 줄일 수 있는 기술에 대한 연구개발이 계속되어 왔다.
이방향 중공슬래브는 철근 콘크리트 슬래브(구조물의 바닥이나 천장을 구성하는 판 형상의 구조 부재)의 단면 중앙부에 내부를 비우기 위한 캡슐형 또는 땅콩형 특수 경량 중공체를 삽입해 구조적 성능은 유지하면서도 중량을 줄이는 건축 공법이다. 해외에서는 90년대 초반에 개발되어 다양한 개념으로 많은 건물에 적용되고 있지만 국내에서는 불과 몇 년 전부터 기술 개발이 시작되었다.
이 기술은 콘크리트 및 철근 사용량 절감, 재생 플라스틱의 사용, 중공부(中空部) 형성에 따른 단열 성능, 건물의 자중(自重) 저감에 따른 부재 물량절감 효과, 지진하중 저감효과 등 다양한 장점으로 유럽 및 북미, 오세아니아 등에서 친환경 건축물을 대표하는 건축구조 시스템으로 자리매김 되어 있다. 이에 본 연구팀은 기존 바닥구조 시스템 대비 층고(건물 층의 높이) 절감 및 자중 저감, 공사기간 단축 등의 특성이 있는 이방향 중공슬래브(Two-way Void Slab) 시스템을 개발하고자 하였다.
02 기술의 특성
본 연구에서는 경량체 개발, 유니트화 연구, 시공방법 개발, 성능평가를 통한 이방향 중공슬래브 시스템을 개발하였다. 경량체는 작업하중에 대한 시공성과 구조내력의 확보를 통한 안전성을 만족시킬 수 있는 최적의 형태로 선정하였으며, 개발된 경량체를 표준화하여 각 적용공법(합판 거푸집형, 데크(Deck)형, Half PC형)에 맞춘 시공방법을 차별화하여 개발하였다.
생산성을 높여주는 캡슐형 경량체 개발
본 연구를 통해 상·하부는 반구형태, 중앙부는 원통 형태인 캡슐형 경량체를 개발하였다. 이는 슬래브의 두께 변화에 비교적 쉽게 적용이 가능하며, 구형(求形)에 비해 중공률이 크면서도, 응력 집중 현상이 최소화 되어 콘크리트를 채우기가 용이하다. 또한 경량체 재질은 국내에서 수급 및 생산이 용이한 발포폴리스티렌(EPS) 소재를 선정하고 두께와 밀도를 조절함으로써 생산성 및 경제성 모두를 확보할 수 있었다.
운반과 시공을 고려한 최적의 유니트 개발
본 기술의 핵심성공요소 중 하나는 개발된 중공체를 슬래브 내에 정해진 위치에 정확히 설치하는 것이다. 이에 따른 작업시간을 줄이기 위해서 경량체를 유니트 형태로 공장 생산하여 현장에 반입할 수 있도록 기본 단위 모듈로 일체화시켰다. 이를 위해 상부 고정홈 및 모듈 프레임 형태에 격자형 망을 설치하여 경량체를 유니트화 하였으며, 모듈의 크기는 소운반, 배치, 결속 등의 시공성을 고려하여 최적 단위의 유니트 모듈로 결정하였다.
다양한 현장에 적용이 가능한 시공방법 개발
생산성, 시공 용이성 뿐만 아니라 국내 다양한 현장에 적용이 가능하도록 합판 거푸집형, 하프 PC(Half PC)형 및 데크(Deck)형 등 각 현장 실정에 맞는 다양한 시공방법을 개발하여 이방향 중공 슬래브의 적용성을 높였다.
성능평가로 구조적 안전성 확보
건설 현장에서는 아무리 사용하기 편리한 공법이라도 안전이 확보되는 것이 가장 중요하다. 이에 본 연구진은 개발된 이방향 중공슬래브의 구조적인 안전성능을 확인하기 위해 시공방법 및 슬래브의 규격별 휨 및 전단내력(剪斷耐力, Shear Capacity, 부재가 감당할 수 있는 최대 전단력)에 관한 구조성능 평가를 하였고, 슬래브와 기둥접합부 및 국부 집중 하중에 대한 실험과 해석을 실시했다. 또한 공동주택 적용을 고려해 층간소음, 진동, 단열 등의 사용성능 평가도 수행했다. 그 결과 구조적 안전성을 확보한 이방향 중공슬래브를 완성하였으며, 공법 적용 시 설계 단계부터 고려해야 할 구조 설계 매뉴얼 및 현장 시공 지침을 제시할 수 있었다.
03 기술개발 효과
자중 경감을 통한 골조량 감소로 공사비 절감 달성
기존의 중공슬래브가 일방향 슬래브에 한정되어 사용된 것에 비해 이방향 중공슬래브는 모든 바닥 슬래브 구조형식에 사용이 가능하다. 기존의 무량판 구조는 자중이 커서 튼튼한 건물을 만들기 위해서는 부재도 많이 소요되고 장기 처짐이 크며 지진 하중이 증가되는 문제가 있다. 하지만 기존 무량판의 두꺼운 슬래브에서 단면 중앙부에 구조적 기능을 하지 않는 콘크리트를 제거하여 경량화 한 이방향 중공슬래브는 자중을 경감시켜 기존 문제를 해소할 수 있으며 넓은 공간 구성이 가능하다. 또한 기존 무량판 시공 시 상부철근의 스페이서 설치 부족 등에 따른 하자 사례가 많았으나, 스페이서(Spacer, 철근 콘크리트의 기둥·보 등 철근에 대한 콘크리트의 피복 두께를 정확하게 유지하기 위한 받침)의 역할을 겸하는 경량체 유니트의 설치로 품질 확보에도 유리하다. 게다가 보(Beam)가 없어 높은 천장고를 확보하고 층고 절감 및 층고 절감에 따른 내외부 마감재 절감, 지하층 적용 시 지하 외벽과 흙막이 깊이, 굴토량 등을 줄여 추가적인 공사비 절감효과가 예상된다.
본 기술이 고층건물에 적용될 경우 그 효과는 더 커질 수 있다. 각층의 바닥 슬래브 자중 감소로 건물 전체의 중량이 줄어들기 때문이다. 따라서 지진하중이 줄어들게 되고 이에 따른 수직 구조 부재의 물량 및 기초의 물량이 절감되어 골조 공사비의 절감 효과가 있다.
생산성, 시공 용이성, 호환성 그리고 안전성까지 네 마리 토끼를 잡는 이방향중공슬래브는 해외 진출에 앞서 PCT 국제특허를 출원 중에 있다. 자재 절감으로 친환경적이면서도 안전까지 확보한 본 기술은 앞으로 세계 시장에서도 기술 경쟁력을 확보해 동남아시아 등 해외 시장에 진출할 것으로 기대된다.
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