3. 기초
1. 기초의 이해
기초는 구조물의 기본이 되는 것으로, 기초의 설계 및 시공이 불완전하면 상부구조의 침하.경사.전도활동의 원인이 되며, 심하면 구조물이파괴되는 경우도 있다. 특히, 지하나 수저에 매설되는 등 눈으로 볼 수 없는 곳에 축조될 경우가 많으므로 그 시공에 특별히 주의하여야 한다. 육상에 시공하는 기초는 침하.경사.전도 활동에 대한 안전 조건만 구비하면 되지만, 교량의 교각이나 하천 호안의 기초와 같은 구조물에서는 유수로 인한 기초 전면의 침식에 대해서도 검토하여야 한다. 이와 같이, 기초는 구조물 축조에 있어서 대단히 중요한 역할을 하므로, 다음과 같은 구조상의 요구 조건을 만족시켜야 한다.
- 기초는 가급적 견고한 지지층에 두고, 동결,융해.건습의 반복에 의한 계절적 용적 변화를 받는 토층보다 깊게 설치하여야 한다.
- 기초 지반이 상부 구조물의 하중을 안전하게 지지할 수 있어야 한다.
- 구조물을 축조했을 때, 구조물이 견딜 수 있는 허용침하량을 넘지 않아야 한다.
- 설계된 기초 구조물이 기줄적.경제적으로 시공이 가능해야 한다.
- 한번 시공하면 보수나 개축이 어려우므로, 내구성이 켜야 하며 경제적으로시공되어야
한다
❶ 얕은 기초
얕은기초란 상부 구조물로부터 하중을 직벚 지반에 전달시키는 기초의 형태로서, 기초의 단변 B와 근입 깊이 Df와의 비가 대체로 1.0이하 (Df/B<1)인 경우를 말한다. 일반적으로 얕은기초는 그 형식과 기능에 따라 푸팅기초와 전면기초로 나누어진다. 푸팅기초는 지지하는 기둥과 벽의 관계로부터 다시 3종류로 나누어지는데, 한 개의 기둥만을 지지하는 경우를 독립기초라고 하며 지주식 광고물 및 대부분의 광고물 기초가 여기에 속한다. 기둥이 일렬로 나열되어 벽체로 연결되거나 또는 하중이 벽을 통하여 연결되는 경우를 연초기초 (또는 줄기초), 상부구조의 전단면을 단일 슬래브로 지지하는 경우를 전면기초라 한다. 일반적으로 완전지지 지반이 얕은 깊이에 위치할 때는 전면기초를 불안전 지지지반이 상당한 깊이까지 계속될 때에는 독립기초 또는 연속기초가 효과적이다. 대형 야립광고물은 지반의 사정에 따라 연속기초를 세우기도 한다.
❷ 깊은기초
깊은기초는 구조물의 하중이 비교적 크거나 지지층이 깊으며, 얕은기초에서의 독립기초와 연속기초를 위한 기초터파기 심도가 일반적으로 3-5m 이상일 때에는 기초 터파기의 효율, 중기 작업조건, 굴착사면의 안전을 위한 토류시설의 설치 및 지하수 배수처리 등을 고려할 때 비경제적인 것으로 알려져 있다. 따라서 지표 근처의 지층이 구조물의 하중을 지지할 수 없고, 깊이가 3-5m이상의 깊이에 기초지지 지반이 위치 할 경우에는 깊은 기초를 선택하는 것이 일반적이다. 깊은 기초는 말뚝기초, 피어기초 등으로 분류되는데, 대구조물 등의 특수한 경우를 제외하고는 시공이 용이학 공사비가 저렴한 말뚝기초가 가장 많이 이용되고 있는 실정이다.
-말뚝기초 : 기초 밑의 지반이 상부 구조물을 충분히 지지할 수 없어서 직접기초로 시공하기 곤란한 경우에 가장 많이 사용하는 기초 공법이다. 이 공법은 피어나 케이슨기초에 비하여 공사비가 적게 들고 시공이 쉬우며 공기가 짧아지는 등의 이점이 있으나 기초 지반의 토질 상태가 복잡하고 균일하지 않기 때문에 말뚝 기초의 설계 및 시공상에 불명확한 점이 많으므로, 현장 토질 조건을 고려하여 안정적이고 경제적인 시공이 되도록 하여야 한다.
- 피어기초 : 굳이 지반(지지층)까지 수작공을 굴착한 다음, 그 속에 현장 콘크리트를
타설하여 구조물의 하중을 지지층에 전달하도록 만들어진 기초이다. 피어기초는 현장에 서 타설한 하나의 주상 기초로서 말뚝 기초와 구별되는데, 큰 차이점은 기성제품의 말뚝 기초는 보통파지 않고 지반 속에 때려박지만, 피어기초는 시공 전에 굴착을 해야 한다.
2. 얕은 기초
❶얕은기초의 종류
-독립기초 : 한 기초에 1개의 기둥이 지지
-복합기초 : 2개 이상의 기둥이 근접하여 독립기초를 2개 설치하기가 곤란하거나
편심의 우려가 있는 경우에 쓰인다. 기초 지지력이 좀 큰 경우는 캔틸레버 기초가
사용된다.
- 연속기초 : 한 기초에 2개 이상의 기둥이 지지되거나 띠 모양의긴 기초
-전면기초 : 기초지반 지지력이 작은 경우 각 기초를 하나의 큰 슬래브로 연결하여 지반 에 작용하는 단위압력을 감소시킴. 주로 과도한 부등침하가 에상되거나 융기가 발생하 기 쉬운 팽창성 지반에 적용함
❷ 얕은 기초의 근입 깊이 결정시 고려사항
- 지반의 건조수축, 습윤팽창 등을 방지하기 위하여 동결심도 아래까지 내려가야 됨.
- 동결작용을 받지 않는 경우라도 풍화의 영향을 고려하여 1.2m이상으로 한다.
- 경사지반의 기초도 풍화의 여향을 고려하여 경사면에서 60-100cm정도 떨어져야 함
- 기초간 고저차는 작용응력이 중복되지 않도록 기존 기초의 끝이 새로운 기초 밑면 끝에서 45도 보다 작은 각도가 되어야 함.
<독립 기초 설계 사례>
3. 지반의 허용응력도
지반의 강도는 지반의 지지력과 상부 구조물의 하중에 의한 침하강도를 합하여 나타내며 이를 지내력 이라고 한다. 지질에 다른 허용 지내력과 지반의 허용응력도는 다음의 표와 같다.
4. 지정공사
기초 공사를 하기 위해서는 단단한 지반이 필수적이다. 기초는 단단하고 강한 지반 위에 놓일 수록 바람직하기 때문이다. 단단한 지반은 보통 세 가지의 방법에 의하여 만들어질 수 있는데 자갈지정과 잡석지정, 그리고 말뚝지정이 대표적인 방법이다. 이와 같이 단단한 지반을 만드는 일을 “지정공사”라고 한다.
4. 철골구조
1. 철골구조의 종류
철골구조에는 라멘식. 트러스식.아치식 등이있고 그 중에서도 라멘시 구조가 가장 일반적이다. 대부분의 아파트와 건축물들은 모두 라멘식으로 만들어졌다. 트러스식 구조는 개개의 부재를 3각형으로 서로 이어서 트러스를 형성시켜나가는 것으로서, 평면크러스와 입체트러스가 있다. 평면트러스는 큰 보사이를 경제적으로 걸쳐 놓을 수 있고, 극장이나 영화관. 공장 등 큰 스팬에 걸치는 지붕이나 교량 등에 사용된다. 이들의 구조설계에 있어서는 건물의 사용 목적에 맞는 구조를 채택하고 어떠한 외력에 대해서도 안전한 응력계산을 하여 외력을 합리적으로 지반에 전하도록 한다. 또 사용부재의 종류를 줄이고 재형을 단순화하여 재료나 시공면에서도 경제적으로 하는 것 등이 특히 고려된다.
트러스식 구조는 옥외광고물에도 많이 활용되고 있는데, 그 원리는 다음과 같다. 그림에서 (a)와 같이 보에 하중이 걸리면 (b)와 같이 보의 윗 부분에는 압축력이 작용하고 아랫부분에는 인장력이 작용하여 보가 아래쪽으로 휘어진다. 이때 보를 구부리는 전단력과 휨 모멘트는 하단이 가장 크고 상단은 하단보다 작으며 중간 부분은 거의 작용하지 않으므로 q의 중간부분에는 부재를 적게 사용해도 여유가 있다. 따라서 (c)처럼 삼각형 구조로 보의 상.하단을 보강시켜 만드는 것이 트러스 구조의 원리이다.
트러스 구조는 비교적 가늘고 긴 부재를 하나 또는 여러개의 삼각형 형태가 되도록 배열한 구조물로서, 구조물에 작용하는 휨 모멘트와 전단력을 삼각형 구조를 형성하는 여러개의 부재들의 축 방향력9인장,압축응력)으로 분산하여 구조물을 안전하게 지탱해 준다. 이 때문에 일반 부재와 비교하여 변형이 적고 튼튼하므로 건설분야에서 교량, 지붕뿐만 아니라 옥외광고물 등에도 널리 사용된다. 트러스 구조는 연직 하중을 받으면 상현재는 압축재, 하현재는 인장재로 되고 북재는 배치방법에 따라 압축재 또는 인장재가 된다.
2. 철골구조의 접합
철골의 접합은 일반적으로리벳접합, 볼트접합, 그리고 용접접합을 사용한다.
리벳접합은 접합하고자 하는 양 부재에 구멍을 뚫고 적열시킨 리벳을 삽입시켜 리베터에 의해 고정시키는 것으로서, 이 방법은 종래 널리 사용되어 온 접합법이며, 시공정밀도의 양부에 의한 영향이 적고 신뢰도는 높지만, 강재에 구멍을 뚫기 때문에 유효단면적이 작아지는 것, 접합재의 형이나 위에에 다라리케터를 사용할 수 없는 경우가 있는 것 등의 결점이 있다. 또한 릿벳은 인장이 약하고 머리가 떨어져 나가거나 하기 때문에 인장응력이 걸리는 위치는 될 수 있는 한 피하도록 하고 주로 전단력얼 부담시키는데 사용하는 것이 바람직하다.
볼트접합은 리벳과 마찬가지로 강재에 뚫은 구멍에 볼트를 통하게 하여 스패너나 렌치로 너트를 고정시키는 것으로서 비교적 간단한 작업에 의해 높은 신뢰도를 올릴 수 있다. 작업은 리베팅할 때와 같은 소음도 뒤따르지 않으나 구멍과 볼트와의 간격은 리벳과 같이 곽 차지않으므로 부재간의 변위가 커질 염려가 있다. 최근에는 이 점을 보완하여 볼트결합을 강하게 함으로써 양면의 마찰력을 기대하고 인장강도가 강한 ㄱ력볼트를 사용한 시공이 행하여지고 있다.
용접은 금속을 녹여 두 강재를 접합시키는 것으로서 현재 가장 뛰어난 접합벙느로 인정받고 있다. 이 용접법에는 여러 가지가 있는데, 특히 하크용접이 많이 사용되고 있으며, 단순히 용접이라고 할 때는 이 방법을 가르킨다. 이것은 피복아크용접보을 용접하려고 하는 재료와 사이에 방전에 의한 아크전류를 일으켜, 그 때 발생하는 열에 의해 모재 및 용접봉응 용용하여 용접이음을 한다. 현재 이루어지고 있는 금속의 접합법 중에서 가장 신뢰도가 높은 것은 용접이며, 이에 따른 고도의 용접기술을 요구한고 있다.
아크용접은 방번을 통해 전극 사이에 아크를 만들고 그 발열에 의해서 용착부를 녹이는 용접법이다. 보통은 대기 속에서 할 수 있으나 녹는점이 높은 금속이나 활성금속인 경우는 대가와 반응하여 오염되므로 비활성기체를 채운 상자속에서 하든가, 불용성 가스의 노즐이 달린 용접용 적극부나 토치로 용접한 후 그 부분이 충분히 냉각될 때까지 비활성기체 (보통은 아르곤)를 계속 뿜어내는 방법을 사용한다. 전극에는 소모식과 비소모식이 있는데, 소모식은 전극 자체 또는 용접봉을 녹여서 접합부를 메우며, 비소모식은 용접시 전극이 녹지 않고 소재를 녹여서 접합시킨다. 비소모식 전극으로는 흔히 텡스텐이 사용된다. 비활성기체를 이용하는 경우에 소모전극, 즉 용착금속의 용접봉을 사용하는 것을 MIG, 비소모전극 즉 텅스텐적극을 사용하는 것을 TIG라고 한다.
이외에도 가스용접이 있는데 이는 가스의 연소열로 용접부의 금속을 녹이는 용접법으로, 산소-아세틸렌 용접이 가장 일반적이다. 중성불꽃이 보통 사용되지만, 산소와 아세틸렌의 혼합비를 조절할 수도 있다. 발생하는 온도는 3,000도 정도로 아크용접의 6,0000도보다 낮다. 그 밖에 아르곤.질소.헬륨.수소 등이 쓰인다.
저항용접은 접합부에 큰 전류를 단시간 보내어 접촉부의 저항발열에 의해서 이 부분을 국부적으로 녹여서 용접하는 방법이다. 보통 접합부를 가압하는데 간격을 두고 접점이 접합하는 점용접과 이것들을 잇는 심용접 외에 프로젝션용접. 초음파용접.마찰용접등이 있으며 특수용접은 전자빔용접,레이저용접,로봇용접 등이 이에 해당하는데, 용접기술이 급속도로 발전하면서 새롭게 용접법이다. 고에너지 밀도용접법이라고도 한다.
용접은 다양한 방법이 있으며 설계도에서 제시할 때는 세계가 공통으로 사용하는 용접기호에 의해 표기하여야 한다. 용접기호는 이음의 형식, 이음각도, 필렛치수를 비롯하여 공장용접과 현장용접의 구별등이 표현되어 있다.
3. 앵커볼트
철골구조 또는 목조 기둥의 몸체 일부나 밑부분 등 구조물의 연결, 또는 콘크리트나 철근콘크리트의 기초를 연결하는 볼트를 앵커볼트라고 한다. 기초용 앵커볼트는 일반적으로그 길이의 대부분을 기초 속에 묻어 넣고 일부분만을 기초면 위로 나오게 하여 그것에 상부 구조체를 꽂아 너트로 조여서 고정시킨다. 묻어 넣는 볼트의 아랫부분은 끝을 구부리거나 앵커판을 장치하여 잘 빠지지 않게 하고 또는 철심용접 앵커볼트를 사용하기도 한다. 앵커볼트를 기초 속에 묻기 위해서는 콘크리트를 사용하는데 완전히 묻을 경우에는 철분질의 수축 주입재를 사용한다.
앵커볼트는 크게 메커니걸 앵커볼트 와 케미컬 앵커볼트 로 나눈다. 옥외광고물을 시공할 때 가장 흔하게 사용되는 메커니컬 앵커볼트는 그냥 앵커볼트로 불리기도 한다. 그러나 광고물의 위해를 방지하고안전한 보존을 위해서는 케미컬 앵커볼트를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 특히 일명 “세트앵커”로 불리는 애커볼트는 돌출광고물에는 사용하지 않는 것이 좋다. 폭풍시 광고물의 하중을 이기지 못해 건물로부터 이탈하는 경우가 많기 때문이다. 케미컬 앵커볼트는 콘크리트와 철구조물을 부착하기 위한 고하중용 접착 볼트로서 다음과 같은 장범을 가지고 있다.
-동.하중 및 진동에 대한 저항력이 일반 앵커볼트보다 크다.
- 충격하중에 대한 저항력이 높다.
- 연약한 모재를 강화시키며 모재 내에서 확장으로 인한 스트레스를 주지 않는다.
- 방수를 요하는 수중 구조물의 부착에서도 우수한 성능을 발휘한다.
- 다양한 모재에 사용할 수 있으며 주문에 따라 직경 및 길이를 조정할 수 있다.
앵커볼트는 일반적으로 다음과 같이 약 다섯 가지의 종류가 있으나 이외에도 용도에 따라 다양한 종류를 목적에 맞게 조합하여 사용할 수 있다.
<앵커볼트의 종류>
4. 형강
형강은 옥외광고물의 철구조물 재료로서 가장 많이 사용되는 재료이다. 그 중에서도 L형강, C형광,형강 등은 거의 모든 광고물에 쓰인다고 볼 수 있다. 돌출광고물의 경우에는 구조물의 약 80-90%를 L형강으로 사용한다. 형강은 각종 단면형상을 가진 봉 모양 압연재의 총칭이라 말할 수 있다. 형강은 용강을 각주모양의 형에 주입해서 강괴를 만들고 불순물을 제거하여 치밀하게 하는 공정을 거친 다음 가열로에서 재가열하여 압연기에 걸고 10여 단계의 형붙이 롤러를 통해서 각종 단면형상으로 다듬질하는 과정을 거쳐서 만들어진다. 단면형상에 따라 등변 L형강, 부등변 L형강, H형강,I형강,C형강,Z형강,T형강 등의 종류로 나누어진다. 인장강도는 일반 구조용 압연강재로서 약 40-60kg/m㎡ 의 것이 사용된다. 시판되고 있는 것의 길이는 보통 3.5-12m 이다.
각 형강별 단위중량은 다음의 표와 같다.