무량판 구조 총정리! (종류, 장단점, 문제점, 사고사례, 중공슬래브)
오늘은 최근 사고가 잦은 '무량판 구조'에 대해 포스팅 해봅니다.
무량판 구조에 붕괴가 잦은건 맞으나, 시공이 잘못된 것이지 구조자체는 아무런 잘못이 없습니다. 바로 알고 비판하기 위해 정보를 아래와 같이 정리해 드립니다!
무량판 구조란?
무량판 구조는 건축구조의 한 종류로, 없을 무(無) 자, 대들보 량(梁) 자를 씁니다.
무량판 구조는 슬래브를 기둥에 바로 연결된 바닥 구조물이며, 거더(girder)나 보(beam)라는 수평 부재가 없습니다. 이러한 방식은 축하중에 의한 구조 지지 방식입니다.
처음에는 교량 건설에 사용되었지만 이제는 건물 건설에도 널리 사용됩니다. 슬래브란 콘크리트 바닥을 말하는데, 이러한 슬래브에 발생하는 하중이 기둥을 통해 지반으로 전달되어 내려가도록 되어 있습니다.
무량판 구조의 종류
1) 단순 무량판 구조 Simple flat slab
단순 무량판 구조는 기둥 보강을 포함하지 않고 단순한 기둥으로 지지됩니다. 시공비가 적게 들며, 공사기간 또한 짧습니다. 이 단순 무량판 구조는 기둥간 거리가 6~9미터 정도 되는 경간에 적합합니다.
여기서 "경간"이라는 용어는 구조물의 두 개의 개별 기둥 사이 거리를 의미합니다.
2) 드롭패널 구조 drop panel
기둥 가장 위쪽 부분의 두께가 증가하는 부분을 드롭 패널이라고 합니다. 이러한 드롭 패널의 도움으로 평판 슬래브의 펀칭 전단 저항을 크게 향상시킬 수 있습니다.
드롭 패널이 추가된 슬래브는 기둥과 슬래브 연결부에 휨모멘트 저항성을 높여 안전성을 향상 시킵니다. 이러한 드롭패널 구조는 처짐을 크게 줄이면서 슬래브의 전체 강성을 향상시킵니다.
3) 컬럼헤드 구조 column head
컬럼 헤드는 건축 구조물에서 기둥의 상단에 위치한 확장 장치입니다. 이러한 컬럼 헤드를 구현하기 위해서는 기둥의 양쪽 면에 경사를 준채 콘크리트를 타설해야하기 때문에 거푸집 시공이 매우 까다롭습니다. 컬럼 헤드는 무량판 구조에서 전단파괴를 방지하는 가장 효과적인 구조 입니다.
무량판 구조의 문제점
무량판 구조를 설계할 때 가장 중요한 고려 사항 중 하나는 펀칭 전단 파괴입니다. 무량판 구조는 극심한 국부 전단응력으로 인해 파손될 수 있습니다. 이러한 파괴는 일반적으로 기둥의 바닥 또는 기둥과 슬래브가 만나는 지점에서 발생합니다.
펀칭 전단 파괴는 하중이 가해지는 모든 부분에 균열이 발생하여 슬래브가 파손됩니다. 그렇기 때문에 구조물의 붕괴를 직접적으로 유발하는 주요 원인이 되기 때문에 아래와 같은 설계적 안전조치가 필요합니다.
1. 기둥에 컬럼 헤드 혹은 드롭 패널을 추가합니다.
2. 기둥의 직경을 늘려 전단 응력을 감소시킬 수 있습니다.
3. 기둥-슬래브 연결부에 전단 보강(아래 사진)을 제공하여 슬래브의 펀칭 전단 저항을 향상시킵니다.
무량판 구조의 장점
- 신속한 시공
보 거푸집 공사가 덜 필요하기 때문에 시공 시간이 단축됩니다. - 설계변경 유연성
설계자는 벽의 제약을 받지 않기 때문에 사용자에게 더 넓은 시야를 제공할 수 있습니다. 구조체의 설계 세부사항도 덜 복잡해지고 건물의 골조에 영향을 주지 않고 쉽게 평면배치를 변경할 수 있습니다. - 층 높이 감소
라멘구조(보-슬래브 시스템)에서는 보와 슬래브를 합친 두께가 무량판 구조의 슬래브 두께보다 큽니다. 층의 수직 요소의 길이가 짧아지면 건물의 전체 높이가 줄어들고 그 결과 건물의 자체 무게가 감소합니다. 전체 높이가 줄어들고 자체 중량이 감소하면 개발 비용을 크게 줄일 수 있기 때문에 고층 건물이 이 기술의 이점을 누릴 수 있습니다. - 전기 및 설비배관 등 시공성 향상
무량판 구조에는 보가 없기 때문에 전기 및 설비배관 등의 작업을 위해 케이블을 구부리거나 보를 관통할 필요가 없습니다. 무량판 구조에서는 에어컨 덕트, 화재 진압 덕트, 전기 덕트 등을 더 쉽게 설치할 수 있습니다. - 미관, 음향 및 빛의 확산
무량판 구조는 방해가 되는 보나 벽체가 없기 때문에 내부 전체가 완전히 개방되어 더 많은 용도로 사용할 수 있습니다. 대부분의 강당은 빛과 소리가 최대한 멀리 퍼질 수 있도록 무량판 구조로 구성되어 있습니다.
무량판 구조의 단점
- 슬래브 두께 증가
라멘구조(빔-슬래브 시스템)에 사용되는 슬래브에 비해 무량판 구조의 슬래브 두께는 훨씬 더 두껍습니다. 따라서, 슬래브의 철근량과 콘크리트량이 증가합니다.
- 경간장 제한
경간장이 클수록 휨모멘트와 전단력이 커집니다. 이 문제를 해결하기 위해 드롭 패널과 기둥의 직경이 확장해야 하는 경우가 발생 할 수 있습니다. - 수평 하중에 취약 (내진성능 저하)
풍하중, 지진하중 등으로 인한 수평하중(횡하중)을 견디는 데 있어 무량판 구조는 매우 취약한 옵션입니다. 내진 성능을 확보하기 위해 추가적인 전단철근 배근 등의 비용이 발생 할 수 있습니다.
무량판 구조 사고사례
1995년 6월 29일, 대한민국 서울 삼풍백화점이 구조적 결함으로 인해 무너졌습니다
조사 결과, 이 건물은 “무량판 구조"이라는 기술을 잘못 적용하여 지어진 것으로 밝혀졌습니다. 건물을 조사한 결과 설치된 콘크리트 기둥의 직경이 설계도에 표시된 80cm에 미치지 못하는 60cm에 불과한 것으로 나타났습니다. 더 심각한 문제는 기둥 철근의 수가 필요한 16개가 아니라 8개에 불과해 건물의 강도가 필요한 강도의 절반에 불과했다는 점입니다. 콘크리트 바닥을 강화하기 위한 철근이 5cm가 아닌 10cm 위쪽에 배치되어 구조물의 강도가 약 20% 더 떨어졌습니다.
또한 화재가 층간으로 확산되는 것을 방지하기 위해 모든 에스컬레이터 주변에 방화벽을 설치했지만, 방화벽을 설치하기 위해 지지 기둥을 절단하며 지름을 더 줄였습니다. 직경이 줄어들면 하중이 슬래브의 더 작은 면적에 집중되어, 결국 슬래브에 구멍이 뚫리는 결과를 초래했습니다.(아래 그림) 이러한 요인과 함께 레스토랑과 무거운 식당 장비를 포함한 5층이 추가되면서 건물이 결국 붕괴되는 데 기여했습니다.
조사관들 "트리거" 라고 알려진 붕괴의 직접적인 원인을 찾아냈습니다. 건물이 무너지기 2년 전, 건물 동쪽 이웃의 소음 민원으로 인해 옥상에 있던 에어컨 세 대가 옮겨졌다는 사실이 밝혀졌습니다. 건물 관리자는 크레인으로 옮기는 대신 롤러에 올려 지붕을 가로질러 끌고 다니면서 각 유닛의 엄청난 무게로 인해 표면이 더욱 불안정해졌습니다.
지붕 슬래브와 주요 지지 기둥에 균열이 생겨 아래쪽으로 밀려 내려갔고, 기둥은 5층 레스토랑과 연결된 위치에 균열이 생기면서 직접적인 타격을 입었습니다. 생존자들의 증언에 따르면, 에어컨을 켤 때마다 균열을 통해 진동이 전달되어 2년 동안 지지 기둥에 도달하면서 균열이 넓어졌다고 합니다. 참사 당일, 에어컨을 차단했지만 이미 너무 늦어 구조물이 돌이킬 수 없는 손상을 입었고 기둥 주변의 5층 슬래브가 마침내 무너지고 말았습니다.
중공슬라브 (중공슬래브)
앞서 얘기한 무량판 구조의 여러 단점들을 극복하기 위한 가장 확실한 대책으로 중공 슬라브 공법이 최근 많이 적용되고 있습니다.
중공슬래브를 사용하게 되면, 슬래브 자체의 중량이 감소하며, 수평하중에 대한 저항성이 좋아지게 됩니다. 이는 내진성능의 향상으로 최근 잦아지는 지진에 대비할 수 있는 구조적 장점을 갖고 있습니다.
또한, 슬래브 중량이 적기 때문에 기둥 간격을 더 넓힐 수 있습니다. 이는 공간의 활용성을 극대화 할 수 있는 좋은 대책으로 꼽힙니다.중공슬래브 내부의 중공체가 단열재의 기능을 갖고 있어, 일반 RC 슬래브보다 단열 성능이 17~39% 향상되는 효과가 있습니다.
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