2021년 06월 20일, 일요일


국토와교통

2021년 6월호
(통권 443호)


TH Beam 공법, 콘크리트 충전 튜브형 상부 플랜지를 갖는 조립 H-Beam 공법


  김정현 기자     입력 2021/04/14 (수)



상부플랜지, 튜브로 대체…구조성능 강화, 경제성 확보
 
상부플랜지를 콘크리트 충전한 튜브로 대체하여 구조성능을 획기적으로 개선한 신형상 공법이 나왔다.

신기술인 TH Beam 공법은 콘크리트 충전 튜브형 상부 플랜지를 갖는 조립 H-Beam 공법이다. H-Beam 한쪽 면을 강재 튜브로 만들어 여기에 콘크리트를 충전한 것으로 기존 기술보다 1.3배에서 1.5배의 하중을 견딜 수 있어 구조안정성이 높다. 이에 따라 대형지붕, 고하중 바닥, 천장크레인 등에 활용될 수 있다. 또한 보가 처지는 것을 방지할 수 있어 보강용 경사재와 작은보 설치를 최소화하여 공사기간과 공사비를 절감할 수 있다.

㈜쓰리디엔지니어링과 ㈜포스코건설, 동부건설㈜, 대우조선해양건설㈜, ㈜무영씨엠건축사사무소가 개발한 TH Beam공법은 이러한 기술력을 바탕으로 건설신기술 제893호로 지정됐다.
 
■ 기술개발자
 · ㈜쓰리디엔지니어링 (대표이사 정석재)
   서울시 성동구 성수일로4길 25, 303호
   www.3ds.co.kr
 · ㈜포스코건설 (대표이사 한성희)
   경상북도 포항시 남구 대송로 180
   www.poscoenc.com
 · 동부건설㈜ (대표이사 허상희)
   서울시 용산구 한강대로 372, 제D동 (동자동)
   dbcon.dongbu.co.kr
 · 대우조선해양건설㈜ (대표이사 서복남)
   경기도 용인시 수지구 성복2로 17, 비221호
   www.dsmec.com
 · ㈜무영씨엠건축사사무소 (대표이사 조정만)
   경기도 성남시 중원구 양현로 411, 5층 501호
   www.mooyoungcm.com

■ 건설신기술 제893호
   보호기간 : 2020. 07. 29 ~ 2028. 07. 28 (8년)
 
 
 
상부플랜지 튜브로 대체, 구조성능 강화

구체적으로 살펴보면 이 기술은 기존 H형 단면 강재보의 상부 플랜지를 폐쇄형 튜브로 대체하고 그 내부를 공장에서 콘크리트로 충전하여 제작된다. 폐쇄형 튜브인 U케이싱을 빌트업 비대칭 H형강과 용접한 후 튜브 내부를 콘크리트로 충전한 형태로 제작되는 것이다.

이러한 충전 튜브 플랜지를 바탕으로 휨강성 및 횡좌굴강도가 크게 증대된다. 또한 주부재의 좌굴로 인한 붕괴사고 위험성에 대한 안전성을 확보할 수 있다. 아울러 주로 바닥판이 없는 장경간 지붕구조와 고하중 바닥구조, 크레인 주행보 및 플랜트 시설물에서 유용하게 적용할 수 있다.
 
대형 공간에 적합한 구조 시스템 

최근 주거용 건축물의 증가폭이 주춤하는 경향을 나타내는 반면, 대형 물류 창고와 같은 상업용·공업용 건축물은 증가 추세를 나타나고 있다. 국토교통부에서 발표한 2020년도 전국 건축물 분석결과에 따르면, 용도별로 상업용 건축물의 연면적은 3.7% 증가하였으며, 공업용은 2.3% 증가한 반면, 주거용 건축물의 연면적은 1.9% 증가에 그친 것으로 나타났다. 이처럼 상업용 건축물은 최근 5년간 지속적으로 증가 추세를 나타내고 있다.

이러한 상업용·공업용 건축물에는 생산제품의 특성과 라인흐름에 지장을 주어서는 안되는 공장, 넓은 공간과 자유로운 물류이동을 필요로 하는 물류센터, 이동인원이 많아 이동의 자유로움이 필요한 여객터미널과 화물터미널 등이 있다.

또한 한 곳에서 모든 것을 구매할 수 있도록 자유로운 평면구성과 입체적인 진열공간을 필요로 하는 종합 대형 유통상가와 실내체육관 등도 있다. 이러한 건축물의 특징은 바로 오픈된 대형 공간을 필요로 한다는 것이다. 즉, 상업용·공업용 건축물은 대형지붕과 고하중 바닥 등 무주공간을 제공할 수 있는 구조 시스템을 필요로 한다. 이러한 장경간을 구현하기 위해서 기존기술에서는 철골트러스 공법과 PEB 공법이 주로 활용되어 왔다.

PEB 공법은 철골구조물을 세운 다음 외벽을 샌드위치 패널로 마감하는 공법이다. 힘이 많이 걸리는 부분에는 구조부재를 크게 하고 힘이 적게 걸리는 부분에는 부재를 적게 하여 구조부재를 효율적으로 사용하는 것이 특징이다. 그러나 PEB 공법은 횡 비틀림 좌굴에 취약하여 2차부재에 의한 횡좌굴 보강을 필요로 한다. 이때 2차부재의 변형시 주골조의 연쇄붕괴로 이어질 우려가 있다. 경주 마우나 리조트 체육관 붕괴사고가 그 예다. 이러한 사고 이후 국토교통부는 기둥과 기둥 사이의 스팬과 상관없이 PEB 구조가 적용된 건물은 특수구조건축물로 분류하여 보다 강화된 설계, 시공, 감리 기준을 적용하도록 2014년 규정한 바 있다.
 
휨강도 증대…강재량 20% 절감

이에 따라 ㈜쓰리디엔지니어링과 ㈜포스코건설, 동부건설㈜, 대우조선해양건설㈜, ㈜무영씨엠건축사사무소는 콘크리트 충전 튜브형 상부 플랜지를 갖는 조립 H-Beam 공법인 TH Beam 공법을 개발했다.

TH Beam 공법의 특징은 크게 ▲구조안전성 증대, ▲시공성 향상, ▲경제성 향상으로 구분할 수 있다.

TH Beam은 판재가 튜브로 대체되어 국부좌굴, 횡좌굴 및 비틀림좌굴에 유리한 구조다. 튜브에 충전된 콘크리트가 압축력에 저항하기 때문에 휨강성이 증대된다. 이를 장스팬 구조물에 적용할 경우, 횡좌굴강도와 휨강도가 증대되어 주골조의 구조안전성을 크게 향상시킬 수 있는 것이다.

또한 보강용 경사재와 작은보 설치를 최소화할 수 있어 보 배치가 단순해진다. 이러한 시공성은 복잡한 배관설비를 갖는 공장구조물과 플랜트구조물 등에 적용할 경우 각종 설비간섭을 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라 신기술은 기존기술 대비 강재량을 20% 절감할 수 있다. 이러한 강재량 절감을 통하여 CO2 배출량을 약 19% 감소할 수 있다. 이는 TH Beam 플랜지 내부에 충전되는 콘크리트의 양을 포함한 수치다. 
 
아울러 시공 측면에서도 TH Beam은 단부를 기존 H형강과 동일하게 적용하여 부모멘트에 효율적으로 저항하기 때문에 고하중, 장스팬 구현이 가능하고, 보편적인 보-기둥 접합부를 사용할 수 있다.
 
시공성 확보, 공사기간 10% 단축

제작과정을 살펴보면 먼저 판재 절단, U-casing 절곡 및 T형강 가공, 용접 조립, U-casing 내 콘크리트 충전, 단부연결재 조립, 비파괴 검사, 도장 및 보관, 상품 출하, 현장반입 및 설치 순으로 진행된다.이 기술은 H형강을 보로 사용하는 기존의 공법과 비교할 때 TH Beam의 제작과정에서 일부 차이가 있을 뿐, 전체적인 시공절차는 동일하다. 또한 TH Beam의 단부는 기존 H형강과 동일하기 때문에 접합부를 기존의 보편적 보-기둥 접합부와 동일하게 사용할 수 있다는 특징이 있다.

이는 건설현장에서 작업자들이 신기술을 적용하는데 있어서 거부감 없이 바로 적용할 수 있다는 의미다. 기존의 철골구조와 시공절차가 동일하기 때문에 시공이 간편하다. 이러한 특징을 바탕으로 전체 골조공사 기간에서 신기술은 기존기술 대비 약 10% 공사기간을 단축할 수 있다. 보강용 경사재와 작은보 설치를 최소화하여 공사기간 단축이 가능한 것이다.
 
 
 
보강용 경사재와 작은보 설치 최소화, 안전성 강화

한편, 산업별 재해비율에서 건설업이 차지하는 비율이 약 25.5%로 제조업에 이어 두 번째로 높게 나타났다. 특히 사고 사망자 중 46.7%가 건설업에서 발생했다. 또한 사고 부상자 중 27.2%가 건설업에서 발생한 것으로 나타나 건설업에서 안전사고가 가장 크게 발생하는 것으로 나타났다.
이러한 건설 공사 형태별 사망 사고 사례를 분석해 보면, 떨어짐 재해가 120건으로 전체 재해 중 65%를 차지하는 것으로 나타났다. 건설공사에서 고소 작업의 위험성이 높다는 것이다.

신기술은 보강용 경사재와 작은보 설치 개수를 기존기술 대비 약 33% 절감할 수 있다. 고소작업이 필요한 공정을 간소화하여 작업자의 재해 노출 시간을 줄일 수 있으며 안전성을 강화할 수 있는 것이다.
 
콘크리트 충전 튜브형 상부 플랜지를 갖는 신형상 공법

콘크리트 충전 튜브형 상부 플랜지를 갖는 조립 H-Beam 공법은 구조성능을 강화하여 최근 증가 추세에 있는 공장 및 창고의 대형지붕, 고하중 바닥, 천장크레인 등에서 활발히 활용될 것으로 기대된다. 안전성 향상 뿐만 아니라 시공성 확보를 통해 공사기간을 단축할 수 있으며 구조성능을 획기적으로 개선하여 휨강도 증대를 통해 보강용 경사재와 작은보 설치를 최소화하여 강재량을 20% 절감하면서도 구조적 안정성과 경제성을 확보할 수 있는 것이다.

㈜쓰리디엔지니어링과 ㈜포스코건설, 동부건설㈜, 대우조선해양건설㈜, ㈜무영씨엠건축사사무소가 개발한 콘크리트 충전 튜브형 상부 플랜지를 갖는 조립 H-Beam 공법인 TH Beam 공법은 이러한 기술력을 바탕으로 국내외 건설 현장에서 기존 H형강, PEB구조, 트러스구조 등을 대체하여 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
 
김정현 기자 (ltmkjh@hanmail.net)
 
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