2조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 건물 해체 작업 시 일시적 성토체에 대한 최적설계

영문 : Optimal design for a temporary retaining wall during building work

과제 팀명

2조 (토목2조)

지도교수

이준규 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 2020860042 김정우(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 2020860040 김건목

서울시립대학교 토목공학과 2020860043 김준수

서울시립대학교 토목공학과 2020860041 김민식

서울시립대학교 토목공학과 2017860012 노규상

서울시립대학교 토목공학과 2017860036 조정연

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 법규 및 매뉴얼을 통해 성토체 공법이 타 공법 대비 경쟁력 확보 가능한 조건을 파악하고 안전사각지대로서 최적설계가 필요한 건물높이를 파악한다.

◇ 해당 조건에서 굴착기의 작업반경 확보를 위한 성토체 보강의 필요성을 확인한다.

◇ 건물해체공사 시 적용되는 성토체 공법의 안정성 확보를 위한 최적의 설계를 제안한다.

◇ Optum g2(유한요소해석)와 Slope/w(한계평형해석) 프로그램을 통하여 설계의 타당성을 검증한다.

개발 과제의 배경

◇ 최근 국내에서는 건축물의 노후화와 재건축 및 재개발, 리모델링 등으로 인해 해체가 이루어지고 있다. 2017년 기준 서울시에서 발표한 해체 공사 현황 및 통계자료 검토결과에 따르면 전국의 5층 이상의 건축물은 36만 여동이며, 25년 이상 경과된 건축물은 약 19%수준인 6.8만여동이다. 또한, 발표자료에 따르면 건축물의 물리적 수명과 더불어 위험도 높은 중고층 건축물의 해체공사의 빈도가 증가할 것으로 예상하였다. 12년~16년까지의 해체 및 리모델링 공사 중 발생한 재해건수는 54건, 사망자수는 61명으로 조사되었다.

해체공사현장 붕괴사고를 보면 중·저층 건축물에서 사고가 빈번히 발생하고 있다. 특히 도심지에서 발생한 건물철거 붕괴사고는 주변 건물손상·도로손상·전선 끊어짐 등 인프라 마비와 많은 인명피해로 확장된다. 이러한 피해를 막기 위해 해체공사 중 붕괴를 방지하고, 구조물을 안전하게 해체하기 위한 구조 안전성 확보방안에 대한 대책 마련이 필요하다.

◇ 구체적인 사례

21년 06월 09일 발생한 광주 철거건물 붕괴 사고에서 원인은 성토체의 붕괴이다. 과도한 성토로 발생한 연직토압에 의해 성토체를 지지하던 철거 구조물의 바닥층이 붕괴되었다. 잇따른 토사이동으로 성토체가 붕괴되어 건물이 전도되고 굴착기가 떨어져 도로가 파손되는 등 17명의 인명피해가 발생한 사건이다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 건물철거 시 성토체 공법이 타 공법 대비 경쟁력 확보 가능한 범위 파악한다.

◇ 건물높이별 공법 적용 시 성토체 보강의 필요성을 확인한다.

◇ 해체공사 중의 구조안전성 확보방안을 제안한다.

◇ 해석프로그램을 사용하여 설계사양을 만족한 최적의 성토체 설계한다.

관련 기술의 현황

시장상황에 대한 분석

경제성 분석

기계식 해체공사가 발파 해체공사 대비 경제성을 확보할 수 있는 건물의 최대 층수는 7층이다. 그러나 발파해체공사가 기계식 공사에 비하여 공정이 복잡하여 평당 공사비를 많이 낮출 수 없다는 현실을 고려하면 최소한 15층 이상의 아파트 10개동 이상으로 구성된 중규모 단지의 재건축이하 해체공사는 대부분 기계식 해체공사가 적용된다. 아래 그래프의 값은 2004년 8월 발행된 한국건설관리학회논문집에 수록된 ‘해체공사비 비교분석을 통한 발파해체 공법의 전망’의 내용을 바탕으로 작성하였다. 관련 논문에서 공사비 비교는 직접비만으로 한정하였다. 따라서 각 공법별 공기산정에 대한 간접비 고려는 제외되었다. 또한 해당 5층, 10층. 15층 3개 층수별 RC 라멘형식의 아파트로 범위를 한정하였다

기계식 공법을 적용하여 5~6층 규모의 건물을 해체하는 경우 위의 둥 굴착기가 대부분 이용된다. 10m굴착기를 사용하는 경우 성토를 쌓아야 작업반경이 확보된다. 반면 30m 굴착기의 경우 성토체의 도움없이 작업반경이 확보된다. 일당 굴착기 대여비만을 고려한다면 10m굴착기의 사용이 합리적이다. 작업반경과 안정성을 확보하는 비용인 성토비와 가시설 설치비용에서 경제성을 확보한다면 10m 굴착기의 활용이 적합하다.

환경성 분석

발파해체공사는 폭발 범위, 시간 등 기계식 해체공사에 비하여 공정이 복잡하다. 또한 사용하기 전에 정확한 평가와 계획이 필요하다. 발파 작업이후에는 주변 환경에 대한 정비가 필요한데, 폭발로 인한 잔해와 미세먼지, 소음 등이 발생하여 이에 대한 대체가 필수적으로 요구된다. 따라서 발파해체공법을 도심지에서 선택하는 경우 폭발이전에 주변 피해정도와 폭발에 대한 공정에 정확성이 크게 요구되어 주변환경의 조건이 맞지 않는다면 공법적용에 적합하지않다.

사회성 분석

◇ 현재 2020년 12월 기준 전국에 분포된 건축물 중 준공 후 20년 이상 경과한 노후 건축물이 약 58.8%를 점유하고 있다. 
◇ 노후가 심한 건축물로서 근래 해체공사의 주요 시장을 형성하고 있는 35년 이상 경과 건축물도 무려 31.4%에 달한다.
◇ 구조물 해체 건수의 경우 매년 꾸준하게 증가하고 있다. 향후 국내 해체공사는 시장규모가 지속적으로 확대될 것으로 예상된다.
◇ 과거 해체대상 건축물의 대부분은 1~2층 조적조 건물로 최근에는 5층 이상 고층 철근콘크리트 건물에 대한 해체가 증가함에 따라 작업의 난이도 및 위험성도 함께 증가하게되었 
   다.
◇ 기존의 해체계획 및 작업방법만으로는 한계가 있을 수 있고 작업과정에서 여러 문제점에 봉착할 수도 있다.
◇ 안전보다 실익을 우선시 하는 사업구조로 인해 건물해체 시 안전사고가 발생하였다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 흙마대를 활용하여 시공기간을 단축하고 토사이동을 방지한다.
◇ 지오그리드를 활용하여 전단강도를 증진시키고 성토체의 하중을 분산시킨다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 시공기간 단축을 통해 건설비용 절감시킬 수 있다.
◇ 일시적 구조물에 대한 최적화된 재료 선정으로 경제성 확보할 수 있다.
◇ 붕괴로 인한 인명피해 최소화할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

설계

설계/제품 요구사항

설계 사항

개념설계안

제원

1. 하중

2. 성토체

3. 흙마대 규격

4. 지오그리드

보강토 옹벽에서 보강재로서 기능하는 토목섬유 중 하나인 지오그리드는 다양한 기능을 수행한다. 이번 과제에서는 지오그리드의 분리기능과 보강기능에 중점을 두어 지반 성토체의 설계 시 필요한 보강재로서 설계를 진행한다. 추가적으로 지오그리드 보강성 검증 실험을 통하여 해당 보강재의 기능을 검증한다.

인장강도 : 80KN/m

상세설계 내용

팔길이 계산방법

성토체를 쌓으면 안식각으로 쌓인다. 그 안식각을 30도로 결정했다. x축을 성토체의 높이, y축을 필요한 굴착기의 팔길이로 결정한 그래프는 아래와 같다.

성토체 보강의 필요성

위의 그래프를 바탕으로 안식각 30도로 성토체를 쌓는다면 시공이 불가능함을 확인하였다. 따라서 각도의 보강이 필요한 상황이다. 위에서 서술한 보강법인 지오그리드와 흙마대를 이용하여 40도부터 55도까지 5도씩 증가시킨 4개의 그래프를 아래에 첨부한다.

건물 높이별 설계 가능한 성토체 높이 및 각도

◇ 건물높이가 5층(13m)인 경우

◇ 건물높이가 6층(19m)인 경우

해석 프로그램 결과

건물 높이별 최적설계 - OPTUM G2

성토각도를 45°, 성토체 높이를 4m로 설계하였다. 전면판에 흙마대를 3m 쌓았고, 지오그리드를 1m 간격으로 3개 배치하였다. 해석결과 안전율은 1.703으로 규정에 명시된 성토체 안전율 값 1.5 이상을 확보하였다. 추가적으로 작용하중을 파괴 시까지 설정하여 성토체의 파괴 형상을 도식화할 수 있었다. 그래프를 통해 응력은 균등하게 작용하지만 변형률은 성토체 상단 배면 4~6 지점에 큰 값이 발생한다. 구체적으로 유한요소해석프로그램에서 이 지점들에 파괴가 발생함을 알 수 있었다. 성토체가 해체 건물 쪽으로 무너질 우려가 없음을 확인하였고, 작업을 수행하는 전면에 토사유출이 발생하지 않음을 파악하였다. 결과적으로 위의 설계조건에서 최적설계를 위한 필수적인 설계요구사항을 만족함을 알 수 있었다.

성토각도를 55°, 성토체 높이를 6m로 설계하였다. 전면판에 흙마대를 5m 쌓았고, 지오그리드를 1m 간격으로 4개 배치하였다. 해석결과 안전율은 1.603으로 규정에 명시된 성토체 안전율 값 1.5 이상을 확보하였다. 추가적으로 작용하중을 파괴 시까지 설정하여 성토체의 파괴 형상을 도식화할 수 있었다. 그래프를 통해 응력은 균등하게 작용하지만 변형률은 성토체 상단 배면 4~6 지점에 큰 값이 발생한다. 구체적으로 유한요소해석프로그램에서 이 지점들에 파괴가 발생함을 알 수 있었다. 성토체가 해체 건물 쪽으로 무너질 우려가 없음을 확인하였고, 작업을 수행하는 전면에 토사유출이 발생하지 않음을 파악하였다. 결과적으로 위의 설계조건에서 최적설계를 위한 필수적인 설계요구사항을 만족함을 알 수 있었다.

- 정리 Optum G2 진행결과 아래 표와 같은 결과가 도출된다. 안식각이 45°인 경우 FS=1.703으로 안식각 55도의 안전율 FS=1.603보다 높은 안전율을 보였다. 굴착기가 성토체에 등분포하중으로 작용한다고 가정하고 지오그리드를 수직간격 1m로 배치한 후 흙마대를 각각 4m, 5m로 쌓았다. 성토체는 굴착기가 올라간 상황에서 전면은 무너지지 않았고 후면만 무너지는 결과를 보였다. 이는 아래 변형률 그래프에서 확인할 수 있다. 응력은 균등하게 작용하지만 변형률은 성토의 뒷면에서만 발생한다. 사면이 해체 건물쪽으로 무너질 우려가 없어 추가적인 하중이 작용하지 않는다. 따라서 예시의 상황처럼 토압에의한 건물붕괴는 일어나지 않는다.

Slope/w를 이용한 설계의 타당성 검증

OPTUM G2와 Slope W의 비교

Optum G2 의 경우 유한 요소를 바탕으로 Slope W 의 경우 한계 평형을 바탕으로 안정성을 검토하는 프로그램이다. 전자의 경우 유한요소 방법을 (Finite Element Method, FEM)을 기반으로 하여 구조물이나 시스템을 작은 요소로 분할하여 해석하는 방식으로 안정성으로 검토합니다.

후자의 경우 지반 조건과 토체의 특성 [ 지반의 내부 강도, 토체의 단면 특성 등 ] 을 파악 후 예상되는 활동면에 균형상태의 힘과 모멘트를 평가하여 안정성을 검토하는 방식이다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

Optum g2프로그램을 통해 안정성을 성토체를 해석해본 결과 안식각이 45°인 경우 FS=1.820 으로 안식각 55도의 안전율은 FS=1.569 의 값을 나타냈다.

경사 45°인 경우 6.8%, 55°의 경우 3.6% 의 안전율의 오차 값이 발생하였다.

설계한 성토체의 안전성을 Slope W 를 통해서도 검토해보았을 때 비슷한 안전율을 보여줌으로서 성토체의 안정성 확보함을 알 수 있다.

두 해석 결과 모두 안정성 기준인 1.5보다 값이 큰 것을 확인하여 설계조건을 만족함을 알 수 있다.

향후계획

◇ 벨크로를 활용하여 흙마대의 일체성을 증진시켜 분리붕괴를 방지한다.

◇ 살수량에 따른 안정성 검토를 통해 배수와 방수 대책을 세운다.

특허 출원 내용

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