| 연구개발개요 |
○ 2018년 2월 배포된 국토교통부 보도자료에 따르면, 10년 이상 된 건축물(주거용, 산업용, 공업용 등)은 전체 건축물의 75% 이상을 차지하였음. 특히 준공 후 30년 이상 된 건축물은 전국 2,604,270동으로 전체(7,126,526동)의 36.5%로 조사되었으며, 지역별 건축물은 수도권이 26.3%, 지방이 40.4%로 지방의 건축물이 더 노후 된 것으로 나타남○ 재건축의 경우에는 막대한 철거비용과 환경오염 및 자원낭비 등의 문제가 발생하므로 노후시설물 전체를 신설하는 것은 현실적으로 불가능한 실정이며, 1980년대 이후 고층건물이 늘어나면서 도심지에 위치한 건축물들의 재건축을 통한 재개발사업도 어려워지고 있는 실정임. 이로 인하여 노후 된 구조물의 리모델링, 증축을 통한 기존 건축물의 활용기술이 필요하며, 현재 수직 상향증축기술과 지하공간을 확보하기 위한 증축을 위한 기술들이 개발되고 있음○ 국내 자동차 등록현황은 1990년 기준 3,394,803대, 2017년 기준 22,528,295대로(국토교통부 보도자료), 사회발전에 따라 폭발적으로 증가하였음. 따라서 준공 후 20~30년 이상의 노후시설물은 현재의 자동차량을 고려하지 못하여 주차공간이 부족한 실정이며, 이러한 노후시설물의 성능 및 편의향상을 위해서는 대부분 지하주차장의 신설이 필요함○ 지하주차장의 신설 등을 위한 노후시설물의 지하공간 확장 시, 공사 중 발생하는 소음 및 진동 문제 또한 주요한 과제임. 주거용 시설물의 경우에는 기존 주민의 임시 거주공간 확보가 필요하고, 상업용, 공업용, 사회용 등의 시설물의 경우에는 시설물 이용의 중단에 따른 개인적？사회적 피해가 예상되므로, 공사 중 소음 및 진동을 최소화하여 공사 중에도 시설의 이용을 가능하게 하는 방안이 필요함○ 따라서 본 연구는 노후 구조물의 운영 중에 지하공간을 확장할 수 있는 기술을 개발하는데 목표를 두며, 연구개발결과는 기존 공법 대비 10% 경제성 향상의 성과를 이룰 수 있을 것으로 예상됨. 연구개발 대상의 차별성 및 연구범위는 다음과 같음○ 기존 시설의 지하공간 확장을 위해서는 건축물 내부에 진입이 가능한 소형 장비를 이용해야 한다는 한계가 존재하며, 현재까지는 마이크로파일의 시공 이외에 마땅한 대안이 없는 실정임.○ 일반적으로 마이크로파일은 소구경(약 150mm 이하)으로 시공되고, 대구경 강관말뚝, PHC 말뚝, 현장타설 말뚝 등에 비하여 낮은 지지력을 보유하며, 깊은 심도로 시공될 시에는 세장비가 증가하여 좌굴에 대한 위험성이 존재함○ 기존 건축물 하부에 지하공간을 확장하는 경우에는 공사 중에 건축물이 공중에 떠있는 이른바 ‘뜬 구조물’ 상태가 되나, 현재 적용되고 있는 지하 증축 기술인 “소구경말뚝을 활용한 뜬구조공법”은 좁은 지하공간에서 소구경의 마이크로파일을 기존구조물의 기둥주변에 설치한 뒤 굴착하면서 소구경말뚝을 엮어 기둥 지지체를 형성하여 상부구조물의 하중을 지지하고 있는 상태에서 굴착저면에서부터 지하구조물을 시공하는 공법으로, 공사 중 가설구조물의 안정성 문제와 소구경말뚝의 보강을 위한 공사비가 과도하게 소요되는 등의 문제로 널리 사용되지 못하고 있는 실정임
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| 최종목표 |
○ 이에 본 연구에서는 기존의 뜬구조공법의 문제점을 개선하여 지하층 리모델링, 증축시 안정성확보와 공사비 절감이 가능한 공법을 개발하기 위하여 기존 마이크로파일에 비해 경제적이고 안정성 높은 확장형 강관말뚝을 개발하고자 하며, 대상기술의 개념은 다음과 같음[확장형 강관말뚝 시공순서 및 개요도]- 확장형 강관말뚝은 확공유압장치에 의해 강관말뚝을 확장하므로 천공단면적에 비해 증가된 단면적을 보유하고, 배토말뚝과 같이 말뚝 주변 지반을 횡방향으로 이동시켜서 주위의 흙을 다져주는 효과가 있음. 따라서 확장형 강관말뚝은 1) 단면적 향상에 의한 선단지지력 향상, 2) 구속응력 증대 및 턱효과에 의한 주면마찰력 증가, 3) 주변지반의 다짐 및 아칭효과 유도에 의한 지반 전단강도 증대와 같은 효과를 보유함. 또한, 강관이 말뚝 중앙이 아닌 외주부에 위치하여 2차 단면모멘트 증가에 의해 좌굴강도가 증가하게 됨- 즉, 대상기술은 선단확장을 통해 지지력을 증가시킨 기존공법과 달리 반복사용이 가능한 유압장치를 이용한 말뚝의 단면 확장을 통해 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 동시에 향상시킬 뿐만 아니라 주변지반의 다짐을 통해 지반개량효과도 얻을 수 있는 혁신적인 공법으로 말뚝 본수를 줄여 현장의 원가절감효과가 뛰어날 것으로 판단됨
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| 연구내용 및 범위 |
○ 확장형 강관말뚝의 적용방법- 대상지반에 강관말뚝을 매입 후 소정의 유압장치로 말뚝내부에서 가압하여 강관말뚝의 단면적을 증대시키는 공법임- 대상기술은 기존 지하확장공사시 적용했던 소구경말뚝의 한계를 벗어나 강관 관입후 강관은 단면적을 확장시키고 고강도 몰탈, 철근등으로 보강하여 말뚝의 강성을 확보하여 지하확장공사시 지지말뚝의 좌굴위험을 줄일수 있고 지지력향상으로 말뚝의 본수 절감이 가능하다. ○ 확장형 강관말뚝의 적용범위- 상기와 같이 확장형 강관의 적용범위는 소구경말 뚝의 대체뿐만 아니라 강관말뚝, PHC파일등의 일반 말뚝공사시에도 적용이 가능하며 각 공법을 비교해보면 다음과 같다.구 분강 관 말 뚝고강도 콘크리트말뚝(PHC)확장형 강관말뚝사진적 용범 위？ 성토,연약지반 및 일반 지반？ 지지층이 깊은 경우？ 풍화암까지 항타가능？ 호박돌,전석층 항타 곤란？ 단단한 토층에도 항타가능？ 15m 이하 지지층에 양호？ 지하수위가 높은 지역 불리？ 호박돌,전석층 항타 곤란？ 건축구조물 기초에 주로사용？ 강관말뚝 적용에 가능한 지반？ 지하수위 영향없음？ 호박돌,전석층 항타 곤란？ 풍화암까지 적용가능장？단점？ 수평력,모멘트에 저항성 우수？ 공장제품으로 품질관리용이？ 좌굴저항력이 우수？ 지지력 대비 공사비가 고가？ 부식이 없어 내구성 우수？ 수평력,모멘트에 저항성 부족？ 고중량이므로 운반주의？ 수평력,모멘트에 저항성 우수？ 공장제품으로 품질관리용이？ 단면확장으로 좌굴저항력 향상？ 지지력향상을 통해 경제성향상○ 또한, 구조물의 운영 중에 지하공간을 확장하기 위해서는 소음 및 진동에 의한 피해를 최소화해야 함. 역타공법(Top-Down 공법)은 시공대상 공간과 기존 공간을 구분 지을 수 있는 공법으로, 본 공법을 활용하면 공사 중 발생하는 소음이 시공 완료된 슬라브에 의해 차단되므로 노후 구조물의 지하공간 확장 중에도 구조물의 이용이 가능할 것으로 판단됨[순타공법 및 역타공법 모식도]○ 기존 구조물의 지하공간 확장에 역타공법을 적용하는 경우에는, 영구구조물인 슬라브 자체가 벽체의 변위를 방지하는 지지체로써 거동하여 별도의 흙막이 벽체의 보강공사가 불필요하고, 슬라브에 의해 소구경말뚝의 횡방향 지지가 가능하여 좌굴의 위험성이 대폭 감소할 수 있음. 즉, 역타공법은 기존 구조물 지하공간 확장공사의 안정성과 경제성을 향상시킬 수 있는 공법으로 판단되며, 이에 본 연구에서는 역타공법에 확장형 강관파일을 적용하여 구조물의 운영 중 지하공간의 확장기술을 확립할 계획임. 확장형 소구경 말뚝과 역타공법을 적용한 지하공간 확장 기술의 장점은 다음과 같으며, 역타공법에 대하여 기존 마이크로파일을 이용한 설계와 확장형 강관파일을 이용한 설계와의 경제성 분석을 수행하고, 확장형 강관파일에 적합한 설계법, 시공법을 제시하고자 함- 확장형 말뚝을 적용할 경우, 기둥의 강성이 증가하여 지하굴착공사 중 기존 구조물의 하중을 지지하기 위한 기둥지지체 보강공사에 대한 절감이 가능하며 확장에 따른 말뚝의 지지력이 증대되어 말뚝본수를 절감이 가능하므로 공사비 절감 가능- 역타공법을 지하증축에 적용할 경우 영구적인 수평재(슬라브)를 형성한 후 굴착이 진행되므로 흙막이 벽체에 작용하는 토압지지가 가능하므로 지하 굴착공사 시 흙막이의 토압지지에 대한 공사비 절감 가능
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