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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.21 No.3 pp.77-84
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2021.21.3.77

Economic Analysis of Neighborhood Facility using the U-flanged Truss Hybrid Beam

Myoung Ho Oh*, Sung Jin Park**, Young Ho Kim***
*Member, Professor, Dept. of Architectural Engineering, Mokpo National University
**Member, Assistant Professor, Dept. of Architectural Engineering, Mokpo National University
***Member, Corresponding Author, Assistant Professor, Dept. of Architectural Engineering, Mokpo National University
August 11, 2021 August 24, 2021 August 24, 2021

Abstract


In this study, In order to apply the U-flanged truss hybrid beam to the actual construction site, the structural design of the basic module of the middle and low-rise neighborhood living facilities was performed according to the Korea Design Standard, and the construction cost and construction period were compared with the traditional reinforced concrete structure system. As a result of analyzing the construction cost for the basic module, if the U-flanged truss hybrid beam and D-Deck slab system are used, the construction cost can be reduced by 86% compared to the traditional reinforced concrete structure system. In addition, as a result of analyzing the construction period for a floor area of 1,000m2, using the U-flanged truss hybrid beam and D-Deck slab system can save 2.0days in construction period compared to the traditional reinforced concrete structure system. Therefore, the U-flange truss hybrid beam can secure sufficient economic feasibility compared to the existing reinforced concrete method in terms of cost reduction and shortening of construction period.



U-플랜지 트러스 복합보를 사용한 근린생활시설의 경제성 분석

오 명 호*, 박 성 진**, 김 영 호***
*정회원, 국립목포대학교 건축공학과 교수
**정회원, 국립목포대학교 건축공학과 조교수
***정회원, 교신저자, 국립목포대학교 건축공학과 조교수

초록


    1. 서론

    건축물에서 일반적으로 사용되는 철근 콘크리트 보 또는 열간압연 H형강을 이용한 철골 보가 바닥구조시스 템의 구조 성능, 시공성, 경제성을 향상시키기 위해 합성 구조 시스템으로 변화하고 있다. 수평부재인 보의 구조 적 성능을 효율적으로 향상시켜 장스팬과 층고 절감이 가능하도록 하거나 공기 단축과 시공성 개선을 통하여 공사비를 절감하려는 연구가 지속적으로 수행되고 있으 며, 건설현장에도 활발히 적용되고 있다1).

    슬래브 단변 방향의 경간이 6~8m이고 장변 방향의 경간이 12~15m인 바닥 모듈 시스템의 효율적인 시공을 위해서 기존의 H형강 합성보, 매립형 H형강 합성보, 춤 이 깊은 딥 데크(Deep deck, 200mm 이상의 깊이를 갖 는 데크) 등을 적용할 경우 강재보의 상부 플랜지에 데 크를 설치하게 되므로 층고가 지나치게 증가한다. 이를 방지하기 위해서 철선 일체형 트러스 데크의 적용을 고 려할 수 있으나, 이 경우에는 적정 경간이 4m 이내이므 로 작은 보의 추가적인 설치가 필요하다. 또한 딥 데크 와 노출형 U형 합성보를 적용하면 합성보의 강재량 증 가로 인해 경제성에 문제가 발생한다2).

    이러한 최근의 추세에 맞는 상업시설이나 중·저층 규 모의 철근 콘크리트 건축물 등에서 추가적인 층고의 증 가 없이 강도와 강성이 확보되면서 현장 설치 조립 등과 같은 노무비를 획기적으로 절감할 수 있는 슬림 플로어 시스템 개념의 새로운 복합보 개발이 필요하다3).

    기 수행된 연구에서 상부에 U형상을 가진 플랜지와 강판 두께 8mm 이상으로 된 하부 강판을 일정한 패턴 으로 절곡한 측면 래티스를 이용하여 상부 U형상 플랜 지의 좌우측에 하부 강판과 서로 용접 접합한 U-플랜지 트러스 보 및 U-플랜지 트러스 복합보를 개발하여 구조 적 우수성을 검증하였다1)2)3)4). 또한 U-플랜지 트러스 보 및 U-플랜지 트러스 복합보의 취약 지점인 단부를 수직 강판을 이용하여 보강한 상세를 개발하여 시공단 계 및 사용단계에서의 구조적 효과에 대해 실험적으로 검증하였다3)4).

    U-플랜지 트러스 복합보를 실제 건설 현장에 적용하 기 위해서는 타 구조 시스템과의 물량 및 경제성 분석을 통해 구조적 효율성을 검토할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 중·저층 규모의 근린생활시설의 기본 모듈 (8m×12m)에 대해 구조 설계를 현행 국내기준에 따라 수행하고, 철근 콘크리트 시스템과 공사비 및 공기 비교 분석을 수행하여 U-플랜지 트러스 복합보의 우수성을 검증하고자 한다.

    2. 설계 대상 건물

    2.1 기본 모듈 선정

    최근 완공된 광주전남혁신도시(나주)의 근린생활시설 4곳의 구조 계산서를 입수하여 구조시스템, 기본 모듈, 주요 부재의 크기 등을 분석하여 <Table 1>에 나타내었 다. <Table 1>에서 보는 바와 같이, 근린생활시설의 규 모는 6층 이내이고, 철근 콘크리트 구조를 사용하고 기 본 모듈은 8.4m×13.5m를 가장 많이 사용하고 있다.

    이러한 기본적인 사항을 바탕으로 하여 본 연구에서 는 광주에 위치한 근린생활시설로 층수는 4층이고, 기본 모듈을 8.0m×12m로 선정하였고, U-플랜지 트러스 복 합보 구조시스템과 철근 콘크리트 구조시스템과의 비교 를 수행하였다. 비교 대상 구조시스템의 주요 내용은 다 음과 같으며, 대안별 구조 모델을 <Fig. 2>에 나타내었 다.

    • ① ALT 1 : R.C. 전단벽 + R.C 보 + R.C. 슬래브

    • ② ALT 2 : R.C. 전단벽 + U-플랜지 트러스 복합보 + D-데크 슬래브

    U-플랜지 트러스 복합보와 같이 사용된 D-데크 슬 래브는 단위 폭(600mm)내 두 개의 골이 존재하는 콘크 리트 거푸집(폼)용 데크 플레이트로 상부 및 하부 철근 이 철선으로 일체화된 철선트러스를 포함한 슬래브 시 스템이다.

    ALT 1에서 일반 철근콘크리트 슬래브를 사용하여 작 은 보를 2개 사용하지만, ALT 2에서는 이러한 작은 보 를 삭제하고 U-플랜지 트러스 복합보와 장스팬이 가능 한 D-데크 슬래브를 사용한 것이 가장 큰 차이점이다. 구조해석 및 설계에 사용된 콘크리트 강도(fck )는 24MPa, 철근 강도는 D13 이하에서는 SD500(fy =500MPa : SHD로 표기), D16 이상에서는 SD600(fy =600MPa : UHD로 표기)를 사용하였다.

    2.2 설계하중

    2.2.1 중력하중

    기본 모듈에 대해서 분석 대상 구조시스템별로 설계 하중을 <Table 2>에 나타내었다. ALT 1의 지붕층 설계 하중은 12.24kN/m2이고, 2층 이상 근린생활시설의 설계 하중은 12.28kN/m2이다. 또한 ALT 2의 지붕층 설계하 중은 13.63kN/m2이고, 2층 이상 근린생활시설의 설계하 중은 13.67kN/m2로 ALT 1에 비해 다소 크게 산정되었 다.

    또한 공통으로 적용되는 설계하중으로 엘리베이터 홀 에는 고정하중을 4.90kN/m2, 활하중을 5.00kN/m2으로 하였고, 화장실에는 고정하중을 6.20kN/m2, 활하중을 2.00kN/m2으로 하였다. 또한 계단참과 계단의 설계하중 은 각각 13.52kN/m2, 16.67kN/m2으로 산정하였다.

    2.2.2 풍하중

    비교 대상 건물에 적용되는 설계풍하중은 건축구조기 준설계하중(KDS 41 10 15 : 2019)5)에 따라 식(1)~(2) 를 이용하여 적용하였으며, 설계풍하중을 산정하기 위한 기본 자료는 <Table 3>에 나타내었다.

    W D = p F A
    (1)

    p F = G D × q H × ( C p e 1 C p e 2 )
    (2)

    여기서, WD : 주골조설계용 풍방향 풍하중(N), pF : 주골조설계용 설계풍압(N/m2), A : 지상높이 z 에서 풍 향에 수직한 면에 투영된 건축물의 유효수압면적(m2), qH : 기준높이 H 에 대한 설계속도압(N/m2), GD : 풍 방향가스트영향계수, C pe1 : 풍상벽의 외압계수, C pe2 : 풍하벽의 외압계수

    2.2.3 지진하중

    설계지진하중은 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00 : 2019)6)에 의해 산정하였으며, 설계지진하중을 산정하 기 위한 기본적인 내용은 <Table 4>에 나타내었다. 지진 력저항시스템은 건물 골조 시스템(철근콘크리트 보통전 단벽)을 사용하였으며, 반응수정계수(R)는 5.0, 시스템초 과강도계수(Ωo )는 2.5, 변위증폭계수(Cd )는 4.5이다.

    3. 구조 설계 및 경제성 분석

    3.1 구조 해석 결과

    구조 해석은 일반적으로 실무에서 사용하고 있는 구 조해석프로그램(MIDAS)을 사용하여 수행하였다. 구조 해석프로그램에 사용된 구조 모델링을 구조시스템별로 <Fig. 2>에 나타내었고, <Table 5>에 고유치 해석 결과 를 나타내었다. 고유치 해석 결과, ALT 2가 ALT 1에 비해 주기가 다소 증가하지만 설계에 큰 영향을 미치는 범위는 아닌 것으로 판단된다. 또한 편심 코어로 인하여 1차 모드에서 비틀림이 발생하는 것으로 평가되었다.

    <Fig. 3>에 구조 시스템별 풍하중 및 지진하중에 의 한 층전단력을 나타내었다. 저층 구조물이므로 지진하중 에 비해 풍하중이 작게 산정되었고, 지진하중의 경우 ALT 1, ALT 2는 거의 동일한 수준으로 평가되었다.

    풍하중에 의한 최상층 변위 검토 결과를 <Fig. 4>에 나타내었다. ALT 1 및 ALT 2 모두 허용 변위 36mm를 만족하는 것으로 검토되었다. 또한 지진하중에 의한 층 간변위비 검토 결과, ALT 1에서는 최대 0.0016, ALT 2 에서는 최대 0.0014로 설계되어 허용층간변위비 0.02에 만족하게 설계되었다.

    3.2 구조 설계 결과

    ALT 1과 ALT 2에 대한 구조설계결과를 <Table 5> 에 정리하여 나타내었다. ALT 1은 일반적인 철근콘크리 트 슬래브, 철근 콘크리트 보 및 철근 콘크리트 기둥으 로 설계하였으며, ALT 2는 D-Deck 슬래브, U-플랜지 트러스 복합보로 설계하였다.

    D-Deck는 기존의 평평한 데크플레이트와 달리, 데크 를 골형으로 접어 단면의 강성을 높인 것으로 양쪽으로 데크로 볼록 튀어나오고 그 사이에 역삼각형의 래티스 거더를 설치하는 형태이다. 강성이 높아지기 때문에 자 연히 데크의 처짐과 변형을 방지할 수 있고, 데크를 지 지하는 보의 수를 줄일 수 있다. 일반적으로 데크가 하 부의 보의 지지 없이 4m 길이까지 설치가 가능하다면, D-Deck는 6~8m 까지도 중간 지지대 없이 설치가능하 다7).

    모든 합성부재의 설계는 국내건축구조기준에 맞추어 제작업체와 공동으로 설계하여 실제 현장에 사용가능한 부재 크기로 결정하였다. <Fig. 5>에 구조설계된 U-플 랜지 트러스 합성보와 D-Deck 슬래브 시스템의 단면을 나타내었다.

    3.3 공사비 및 공기 분석 결과

    기본 모듈(8.0mx12m)에 대한 공사비 내역을 제작업 체와 공동으로 분석하여 <Table 6>에 나타내었다. <Table 6>에서 보는 바와 같이, 기본 모듈에 대한 ALT 1의 공사비는 20,873,168원이며 ALT 2의 공사비는 17,996,012원으로 ALT 2의 공사비가 ALT 1의 공사비 의 약 86%로 합성 부재를 사용하면 총 공사비가 절감되 는 것으로 분석되었다.

    주요 부재별 공사비 비교를 <Fig. 6>에 나타내었다. <Fig. 6>에서 나타낸 바와 같이 보에서의 총 공사비는 ALT 2의 경우, ALT 1에 비해 약 35% 상승하지만, 슬 래브에서의 공사비는 ALT 2의 공사비가 ALT 1에 비해 약 51% 절감하는 효과를 나타내었다. 이는 주로 ALT 2 에서는 작은 보를 생략하고 장스팬이 가능한 합성 슬래 브를 사용한 결과로 판단된다.

    또한 ALT 1과 ALT 2의 공정 효과를 분석하고자 기 본 모듈을 대상으로 동일 1개 층 바닥판 면적 1,000㎡ 적용하여 공정 순서로 작업일수를 산출하여 <Table. 7> 에 나타내었다. ALT 1은 작은 보가 있는 평면 계획이며 바닥판의 철근 가공 및 조립 설치하는 전통적 공법이고, ALT 2는 공장 제작하여 현장 설치하는 공법이다. 여기 서 슬래브용 배력근이나 보강근의 철근 설치 시간은 동 일한 조건으로 산출하였다.

    <Table. 7>에서 ALT 1과 ALT 2의 공사기간을 비교 하면, ALT 1의 경우 6.5일이 소요되지만, ALT 2의 경우 장스팬 골형 D-Deck 슬래브의 경우는 고정하중과 작업 하중을 허용 처짐 20mm이하로 만족하는 무동바리 조건 으로 적용할 수 있기에 작은 보가 불필요하게 되어 4.5 일이 소요되는 것으로 분석되었다. 따라서 ALT 2(U-플 랜지 트러스 복합보 + D-Deck 슬래브) 공법은 전통적 인 현장타설공법과 비교하여 작은 보의 삭제와 1-way 슬래브 D-Deck 설치로 인한 공기 절감 효과로 인하여 2.0일 절감이 가능한 것으로 분석되었다. U-플랜지 트 러스 복합보는 공사비 절감과 공기단축효과 측면에서 기존의 철근콘크리트 공법과 비교할 때 충분한 경제성 을 확보할 수 있음을 알 수 있다.

    본 논문에서는 기본 모듈에 대해서 합성보의 직접 공 사비를 바탕으로 경제성을 분석하였다. 그러나 U-플랜 지 트러스 합성보를 실제 현장에 적용하기 위해서는 보 -기둥 접합부 및 합성보와 합성 슬래브의 접합 등 다양 한 실혐 연구가 추가로 진행되어야 하며 실증 연구를 통 해 직접공사비 뿐만 아니라 간접공사비를 포함한 전체 적인 합성구조의 경제성을 분석하는 추가 연구가 필요 하다고 판단된다.

    4. 결론

    본 연구에서는 U-플랜지 트러스 복합보를 실제 건설 현장에 적용하기 위해서 중·저층 근린생활시설의 기본 모듈에 대해 구조 설계를 현행 국내기준에 따라 수행하 고 전통적인 철근콘크리트 구조시스템과 공사비 및 공 사기간 비교를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • (1) 기본 모듈에 대해 공사비를 분석한 결과, U-플랜 지 트러스 복합보와 D-Deck 슬래브 시스템을 사용하면, 전통적인 철근콘크리트 구조시스템에 비해 공사비가 86%로 절감할 수 있다. 이는 U-플랜지 트러스 복합보 를 사용하면 작은 보를 생략하고 장스팬이 가능한 합성 슬래브를 사용할 수 있기 때문으로 판단된다.

    • (2) 바닥면적 1,000m2에 대하여 공사기간을 분석한 결과, U-플랜지 트러스 복합보와 D-Deck 슬래브 시스 템을 사용하면 전통적인 철근콘크리트 구조시스템에 비 해 공기가 2.0일 절감이 가능하다.

    • (3) U-플랜지 트러스 복합보는 공사비 절감과 공기단 축효과 측면에서 기존의 철근콘크리트 공법과 비교할 때 충분한 경제성을 확보할 수 있다.

    감사의 글

    이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구 재단의 지원을 받아 수행된 연구임. (No.2020R1F1A1048488).

    Figure

    JKASS-21-3-77_F1.gif

    U-flanged Truss Hybrid beam3)4)

    JKASS-21-3-77_F2.gif

    Structural Model

    JKASS-21-3-77_F3.gif

    Lateral Story Force of ALT 1 and ALT 2

    JKASS-21-3-77_F4.gif

    Lateral Displacement of ALT 1 and ALT 2

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    Section of Composite Member

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    Comparison of Total Construction Cost

    Table

    Basic Module of Existing Neighborhood Facilities

    Design Load of ALT 1 and ALT 2

    Parameter for Design Wind Load

    Parameter for Design Earthquake Load

    Results of Eigenvalue Analysis

    Results of Structural Design

    Construction Period of ALT 1 and ALT 2

    Reference

    1. Oh, M.H,, Kim, Y.H., Kang, J.Y. and Kim, M.H. “Experimental Study on the Structural Capacity of the U-Flanged Truss Steel Beam”, Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.18, No.4, pp.113-121, 2018.
    2. Oh, M.H,, Kim, Y.H., and Kim, M.H. “Experimental Study on the Flexural Capacity of the U-Flanged Truss Hybrid Beam”, Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.18, No.4, pp.123-130, 2018.
    3. Kim, Y.H., Park, S.J., and Oh, M.H. “Experimental Study on the Shear Capacity of the U-Flanged Truss Hybrid Beam with Reinforced End Zone”, Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.21, No.1, pp.71-78, 2021
    4. Oh, M.H., Park, S.J., and Kim, Y.H. “Experimental Study on the Flexural Capacity of the U-Flanged Truss Hybrid Beam according to Reinforcement Amounts”, Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.21, No.2, pp.33-40, 2021
    5. MOLIT, “Korea Design Standard(KDS 41 10 15 : 2019)”, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2019
    6. MOLIT, “Korea Design Standard(KDS 41 17 10 : 2019)”, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2019
    7. Heo, I.W., Han, S.J., Choi, S.H., Kim, K.S. and Kim, S.B. “Experimental Study on Structural Behavior of Double Ribbed Deep- Deck Plate under Construction Loads”, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol.23, No.7, pp.49-57, 2019