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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 24(1); 2024 > Article
잭서포트 충격흡수장치의 하중분산효과 분석

Abstract

According to recent statistics from the Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 40% of domestic buildings are in a serious state of deterioration and are more than 30 years old. Accordingly, the dismantling of old buildings is increasing; however, collapse accidents frequently occur during dismantling. During building dismantling, a jack support is placed at the bottom of the slab to reinforce insufficient slab strength. In this study, a shock absorber was developed to address jack support problems. The developed impact dampening device was designed to be mounted at the bottom of the jack support. Therefore, not only could the length of the jack support be adjusted independently, but it could also be applied to various load environments owing to its three-stage shock absorbing device configuration. Consequently, applying the developed shock absorber to various building dismantling scenarios and confirming it through a numerical analysis showed a relatively excellent load distribution effect when applied to all supports.

요지

최근 국토교통부 통계에 따르면 국내 건축물 중 40%는 30년 이상의 심각한 노후화 상태이다. 이에 따라 노후 건축물의 해체 작업이 증가하고 있지만, 문제는 해체 시 붕괴사고가 빈번하게 발생한다는 점이다. 이러한 건물 해체 조건에서, 부족한 슬래브 강도를 보강하기 위해 슬래브 하부에 잭서포트를 배치하는 방법이 있다. 본 연구에서는 잭서포트에 대한 문제를 개선하기 위해 충격흡수장치를 개발하였다. 개발된 충격습후장치는 잭서포트 하단에 장착할 수 있는 형태로써, 잭서포트의 길이를 독립적으로 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 3단 충격흡수장치 구성으로 다양한 하중 환경에 적용 가능하다. 개발된 충격흡수장치를 다양한 건축물 해체 시나리오에 적용하여 수치해석을 통해 확인한 결과, 모든 지주에 적용할 경우 상대적으로 매우 우수한 하중분산효과를 나타내었다.

1. 서 론

1.1 연구배경

2022년 국토교통부 통계에 따르면 국내 건축물의 40%는 준공 후 30년 이상 된 노후 건축물인 것으로 나타났다(Kim et al., 2008; Lim et al., 2011; Kim et al., 2020; Shim et al., 2020). 이에 따라 노후 건축물의 해체공사가 증가하고 있는데, 문제는 해체공사 중 붕괴사고도 빈번하게 발생되고 있는 점이다.
국토교통부(Kim et al., 2019)에서 공개한 건축물 해체공사 중 주요사고사례에 따르면 2012년부터 2018년까지 전국에 발생된 총 19건의 건축물 해체공사 붕괴사고 중 12건이 슬래브(Slab) 붕괴로 확인되었다(Kim et al., 2020). 건축물 해체공사 중 슬래브가 붕괴되는 기술적인 원인으로는 슬래브 내력보다 큰 상재하중이 작용한 경우이다. 건축물 해체 시 슬래브 위에는 구조물 절단 및 파쇄를 위한 중장비가 올라타고, 그 주변으로 해체 잔존물이 상재된다. 이런 상재하중이 슬래브 내력을 상회하게 되면 슬래브 붕괴로 이어지게 된다. 특히 노후되어 내력이 약해졌거나, 해체 도중 슬래브를 지지하던 보 또는 기둥 일부가 손상된 상태에서는 슬래브의 내력은 더욱 저하되기 마련이다.
이러한 건축물 해체 조건에서의 슬래브 내력 부족을 보강하기 위해서는 슬래브 하부에 잭서포트(Jack Support)를 배치하는 방안이 있다. 이 방안은 슬래브 하부에 지지구조를 구축함으로써 슬래브 내력보다 더 큰 상재하중에 대한 안정성을 확보할 수 있게 된다. 문제는, 건축물 해체공사에서 잭서포트를 배치했음에도 불구하고 여전히 붕괴사고가 발생하고 있다는 점이다.
건축물 해체공사에서의 잭서포트 적용에는 몇 가지 문제점이 있다. 첫 번째로, 잭서포트의 자립 안정성 부족이다. 잭서포트는 단독형 수직부재로 설치된다. 수직재가 수평재와 사재로 엮이는 시스템 동바리와는 다르게, 잭서포트는 수직재 단독으로 세워진다. 이러한 잭서포트의 설치 조건은 외부의 충격과 지지조건의 변위에 의한 안정성에 취약할 수 있다. 또한 해체공사 특성상 진동이 발생 될 경우, 바닥과 천정에 물린 상태가 진동에 의해 점차 헐거워지거나 서포트 자체가 이탈될 수도 있다. 그나마 정밀하게 길이 조정이 가능한 개량형 잭서포트의 경우에는 최종 조임력을 도입해 상하부 지지의 물림 상태를 견고하게 할 수 있지만, 통상 많이 쓰이는 핀 체결식 잭서포트의 경우에는 길이조절의 정밀도가 낮아 상대적으로 이탈 우려가 크다.
그리고 과도한 상재하중과 충격에 의해 잭서포트가 설치된 지점에서의 뚫림전단파괴(Punching Shear)가 발생 될 수 있고, 이로 인해 급작스럽게 슬래브가 붕괴 될 수 있다. 구조계(Structural System)는 구속하거나 지지된 경계조건에서 확실한 구속과 지지 역할을 해 줘야 안정된 상태를 유지하는데, 이 조건이 급작스럽게 상실될 경우 잔여 구조계가 내력 분배를 온전하게 하기도 전에 급작스럽게 붕괴 될 수 있다.

1.2 연구목적

이 연구에서는 건축물 해체공사에서의 잭서포트 문제점을 개선하기 위해 충격흡수장치를 개발하였다. 해당 충격흡수장치는 잭서포트 바닥면에 장착해서 사용할 수 있는 형태로서, 미세한 길이조절이 가능해 잭서포트의 밀착성을 높이고, 장치에 3단계의 탄성구조가 마련되어, 해체과정에서의 다양한 진동과 상재하중 조건을 수용할 수 있도록 고안되었다. 그리고 고안된 충격흡수장치의 구조적인 효과에 대해서 수치해석을 통해 분석하였다.

2. 충격흡수장치의 기본원리

충격흡수의 기본 원리는 구조의 탄성거동에서 설명된다. Fig. 1(a)는 슬래브를 받치는 잭서포트, 그리고 슬래브 위에 해체 장비가 올라탄 상황을 이상적으로 표현한 것이다. 잭서포트는 소요의 축방향 강성 K_s를 가진 부재로서 슬래브를 3개 지점으로 받치고 있는 형태이다. 이때 가운데 지점 위로 상재 장비의 집중하중이 작용하면 하중의 대부분이 가운데 서포트에 집중된다. 이론적으로는 세 곳의 잭서포트 각각이 축방향 강성을 가지고 있는 탄성체이기 때문에 가운데 지점 위로 집중하중이 작용하더라도 반력은 세 서포트로 분산된다고 볼 수 있다.
Fig. 1
The Conceptual Diagram of Jack Support Structure
kosham-2024-24-1-67gf1.jpg
그러나 실질적으로는 잭서포트의 강성이 유연한 스프링과 같지 않고 비교적 축방향 강성이 큰 부재이기 때문에 하중 분산 효과를 기대하기 어려운 수준이다. 보수적으로 접근한다면 해당 구조는 Fig. 1(b)와 같은 단단한 지지구조가 받치고 있는 구조계로 볼 수 있다.
반면 잭서포트가 마치 스프링과 같은 거동을 한다면 중앙 지점의 집중하중에 대해 세 서포트로의 하중분산이 이루어질 것이다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 2와 같이, 강성이 큰 잭서포트 아래에서 스프링 효과를 발휘하여 집중하중을 분산시킬 수 있는 충격완충장치 개발이 필요하다.
Fig. 2
The Conceptual Diagram of Jack Support Shock Absorber
kosham-2024-24-1-67gf2.jpg

3. 충격흡수장치의 개발

3.1 충격흡수장치의 구성

잭서포트와 연결되어 소요의 충격흡수기능을 발휘할 수 있는 충격흡수장치를 개발하였다. 개발된 충격흡수장치는, 상부판, 하부판, 높이조절볼트, 그리고 완충부를 포함한다. 상부판은 잭서포트의 하부에 연결되며 높이 조절부를 통해 하부판과 연결된다. 상부판은 하부판과의 상대적 회전에 의해 하부판과의 높낮이가 조절될 수 있으며, 상대적 회전운동은 높이조절볼트를 통해 이루어진다. 개발된 잭서포트 구성 및 기능에 따르면, 잭서포트 3단 충격흡수장치의 3단 완충 효과로 다양한 환경 즉, 경하중, 고하중, 경진동, 고진동이 따르는 작업환경에 적용할 수 있으며, 제1 완충부로 잔진동을 흡수함으로써 진동에 의한 잭서포트의 탈락이 방지된다. Fig. 3은 이 연구에서 개발한 충격흡수장치의 개념도이다.
Fig. 3
The Jack Support Shock Absorber
kosham-2024-24-1-67gf3.jpg

3.2 상부판, 하부판 및 높이조절부

상부판은, 디스크형으로 마련되며 중앙부에 높이 조절부의 높이 조절볼트가 관통하도록 중심홀이 마련된 본체부, 본체부의 중심에 마련되어 높이 조절부와 결합하는 너트를 고정하도록 한 쌍으로 마련된 너트 걸림턱 및 잭서포트와 체결되도록 마련되는 잭서포트 체결홀을 포함한다. 너트의 측면은 너트걸림턱에 걸리도록 마련되며, 이에 너트걸림턱의 일면은 너트의 측면의 형상에 대응되도록 마련된다. 또한, 본체부의 외주면에는 본체부를 회전할 수 있도록 다수 개의 타격부가 마련될 수 있다. 타격부는 본체부의 외주면으로부터 미리 설정된 길이만큼 돌출되도록 마련될 수 있다.
하부판은 상부판과 미리 설정된 간격으로 이격되며 지면에 설치되는 것이다. 하부판은 상부판과 대응되도록 디스크형으로 마련될 수 있으며, 하부판의 하부에는 방진고무가 마련되어 지면과의 충격을 흡수하도록 마련될 수 있다.
하부판의 중심으로부터 높이조절부볼트가 고정설치되며, 하부판의 본체부의 상면으로부터 완충부의 각 하부가 고정설치된다. 높이조절볼트는 하부판의 중심에 마련되고 상부판의 중심홀을 관통하여 상부판과 하부판 사이의 간격을 조절하는 것으로, 볼트로 형성될 수 있다. 높이 조절부는 하부판과 일체로 마련될 수 있으나 하부판에 착탈가능하게 마련되는 것도 가능하다.

3.3 완충부

Fig. 4는 이 연구에서 개발한 충격흡수장치의 완충부이다. 완충부는 상부판과 하부판 사이에 마련되어 잭서포트로부터 전달되는 정하중은 물론 동하중에 대한 충격을 완충하도록 하는 것이다. 제1 완충부는 상부판과 상기 하부판 사이에 마련된 높이조절볼트를 감싸도록 마련되며 비교적 강성이 낮은 스프링으로 형성된다. 제1 완충부의 하부는 하부판의 본체부의 상부에 고정결합하며, 제1 완충부의 상부는 높이 조절볼트를 감싸면서 상부판의 하면에 접하도록 마련된다. 제2 완충부는 다수 개로 스프링 형상으로 마련된다. 제2 완충부는 제1 완충부를 중심으로 동일한 각도와 동일한 이격거리로 적어도 2개 이상 마련되며, 제2 완충부의 상부에는 디스크형으로 마련되는 지지부가 형성된다. 제2 완충부의 길이는 제1 완충부의 길이보다 작게 형성되어, 제2 완충부의 강성은 제1 완충부의 강성 보다 크도록 마련된다. 제3 완충부는 제2 완충부의 내부 및 하부판 본체의 상면에서 고감쇠 고무로 마련되며 디스크형으로 형성되는 것이다. 제3 완충부의 길이는 제2 완충부의 스프링의 길이보다 짭게 마련되며, 제3 완충부의 직경은 제2 완충부의 지지부의 직경 보다 작게 마련된다. 중앙부에 위치한 제1 완충부는 제2 완충부보다 강성이 작아 제2 완충부보다 작은 진동 즉, 잔진동을 제어하며, 제2 완충부는 4개의 강성이 큰 스프링으로 마련되어 큰 하중에 대한 완충작용을 실시한다. 또한 제3 완충부는 고감쇠 고무 재질로 마련되어 잭서포트로부터 전달되는 충격을 흡수하고 제1 및 제2 완충부의 내구성을 보호하도록 마련된다.
Fig. 4
The Upper Part of the Shock Absorber
kosham-2024-24-1-67gf4.jpg

4. 충격흡수장치의 하중분산효과

4.1 제원 및 구조해석조건

개발된 잭서포트용 충격흡수장치의 하중분산효과를 분석하기 위해 구조해석을 실시하였다. 해석에 적용된 충격흡수장치의 제원은 Table 1과 같다. 해석에 적용된 해체 환경 조건은 Fig. 5와 같다. 제3 완충부는 정성적 효과를 위한 장치로서 본 해석에서는 제외시켰다.
Table 1
Specifications of Shock Absorber
Specifications 1st Shock absorber 2nd Shock absorber Combination
Diameter of spring wire (mm) 10 10 -
Diameter of spring (mm) 50 50 -
Number of winding (n) 10 8 -
Shear modulus of elasticity (GPa) 80 80 -
spring index (4~10) 4.0 4.0 -
Pitch per winding (mm) 12.16 12.16 -
Length of spring (mm) 137 88 -
Spring coefficient (N/mm) 156 260 1,198
Maximum extension of spring (mm) 17.28 10.37 22.46
quantity (EA) 1 4 5
Fig. 5
Working Conditions
kosham-2024-24-1-67gf5.jpg
충격흡수장치의 강성은 Table 1의 완충장치 스프링 계수를 적용하였다. 부재의 재료특성은 임의의 값을 설정하였다. 본 검토는 충격흡수장치의 하중분산효과를 검토하기 위한 목적을 가지기 때문에 부재의 안전성과 관련된 재료강도는 무의미하기 때문이다.
임의로 설정한 충격흡수장치의 한지주 당 스프링값은 1,198 N/mm, 최대 완충량은 35 mm를 적용하였다.
충격흡수장치 적용 여부에 따른 비교 해석을 위해 Fig. 6과 같이 세 가지 모델을 구축하였다. 상부구조 강성이 비교적 작은 콘크리트 슬래브 중앙부에 백호 하중을 상재시키고, 아래를 세 개의 잭서포트를 등분하여 배치하였다. 첫 번째 모델은 충격흡수장치를 적용하지 않았고, 두 번째 모델은 가운데 지주에만 충격흡수장치를 설치하였으며, 세 번째 모델은 세 지주 모두 충격흡수장치를 설치하여 해석하였다. 재하하중은 50 kN, 100 kN 두 가지를 적용하였다.
Fig. 6
Three Analysis Models Based on Shock Absorber Application
kosham-2024-24-1-67gf6.jpg
구조해석은 범용프로그램인 MIDAS Civil을 사용하였다. 콘크리트 슬래브 및 잭서포트는 모두 프레임(Frame) 요소를 사용하였다.
콘크리트와 잭서포트 및 충격흡수장치의 재료특성은 Table 2, 구조해석 모델은 Fig. 7과 같다.
Table 2
Specifications of Shock Absorber
Material properties Value Unit
Concrete strength 24 MPa
Jack support strength 400 MPa
Shock absorber coefficient 1,198 N/mm
Limit displacement of shock absorber 35 mm
Fig. 7
Structural Analysis Model
kosham-2024-24-1-67gf7.jpg

4.2 구조해석결과

Table 3은 충격흡수장치 미적용 시(a), 중앙부 지주에만 충격흡수장치 적용 시(b), 그리고 전 지주 충격흡수장치 적용 시(c) 구조해석 결과이다.
Table 3
Structural Analysis Results
Load (kN) Division (a) (b) (c)
Not applied Applying a central Applying all
Reaction Force (kN) Load share ratio (%) Reaction Force (kN) Load share ratio (%) Reaction Force (kN) Load share ratio (%)
50 left 4.3 8.6 22.7 45.4 15.7 31.4
center 41.4 82.8 4.6 9.2 18.6 37.2
right 4.3 8.5 22.7 45.4 15.7 31.4
sum 50.0 - 50.0 - 50.0 -
100 left 8.5 8.5 45.4 45.4 31.4 31.4
center 83.0 83.0 9.3 9.3 37.2 37.2
right 8.5 8.5 45.4 45.4 31.4 31.4
sum 100.0 - 100.0 - 100.0 -
충격흡수장치 미적용 모델에서는 중앙 지주에 하중이 약 83% 집중되는 결과가 나왔다. 충격흡수장치를 중앙 지주에만 적용한 경우에는 중앙 지주에는 약 9%만 분담되고, 나머지 대부분의 하중은 양 옆 지주로 동등하게 분배되었다. 전 지주에 충격흡수장치를 적용한 경우에는 비교적 균등하게 세 지주로 하중이 분산되는 것을 확인할 수가 있었다. 해당 모델에서의 분담률은 31.4:37.2:31.4로 확인되었다.
충격흡수장치의 하중분산효과를 기대하려는 의도는 한 지주 상에 중장비 등의 중량물이 상재되었을 때 한 지주에 하중이 집중되는 현상을 방지하기 위함이다. 한 지주에 큰 하중이 집중될 경우 지주에 문제가 발생되거나, 콘크리트 슬래브에 펀칭파괴가 발생 될 수 있기 때문이다. 이러한 측면에서 상기 해석결과는 충격흡수장치가 해체 상황에서 준수한 하중분산 기능을 발휘할 수 있음을 보여준다. 하중이 해당 지주 상에 집중해서 재하 되더라도 충격흡수장치로 인해 양 옆 지주 또는 지점으로 하중을 분산시켜줄 수 있다.
한편, 동일한 해석모델 내에서 하중재하 크기는 하중 분담률 결정에 미미한 것으로 확인되었다. 상기 분담수준과 하중재하 크기의 영향수준은 구조계의 강성조건에 따라 상이해 질 수 있다. 또한 상기 해석 모델은 보수적인 가정을 위해 모두 상부구조 강성이 비교적 작은 콘크리트 슬래브를 지지하는 조건이었다. 상대적으로 강성이 보와 같은 부재를 지지하는 조건에서는 보다 하중분산 효과가 개선될 것이다.

5. 결 론

이 연구에서는 건축물 해체공사에서의 잭서포트 문제점을 개선하기 위해 충격흡수장치를 개발하였다. 개발한 충격흡수장치는 잭서포트 바닥면에 장착해서 사용할 수 있는 형태로서, 미세한 길이조절이 가능해 잭서포트의 밀착성을 높이고, 장치에 3단계의 탄성구조가 마련되어, 해체과정에서의 다양한 진동과 상재하중 조건을 수용할 수 있도록 고안되었다.
개발된 충격흡수장치를 다양한 건축물 해체 시나리오에 적용하여 수치해석을 통해 확인한 결과, 모든 지주에 적용할 경우 상대적으로 우수한 하중분산효과를 나타내었다.
개발된 충격흡수장치는 신축 건설공사를 비롯해 노후화 건축물의 해체 공사 시 장비 탑재 및 철거 잔해물 하중에 따른 건축물 슬래브의 급작스러운 붕괴를 예방하는데 효과적인 아이템이 될 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 논문은 인천대학교 2023년도 자체연구비 지원에 의하여 연구되었습니다.

References

1. Kim, K.H, Choi, J.S, Shin, S.H, and Yang, C.H (2008) Analysis of the risk factors in demolition. Architectural Research, Vol. 24, No. 1, pp. 151-158.

2. Kim, W.S, Ji, M.H, Gwon, G.A, and An, C.W (2020) Introduction and suggestions for building dismantling permit and supervision system. Facility Safety Magazine Webzine, Vol. 23, No. 53, pp. 1-4.

3. Kim, W.S, Ji, M.H, Kwon, J.A, and An, C.W (2019) Introduction and suggestions for building dismantling permit and supervision system. National Land Safety Management, Vol. 53, No. 7, pp. 1-4.

4. Lim, J.M, Kim, J.H, and Kim, J.J (2011) A preliminary study on the necessity of safety management system during the demolition work. Journal of the Architectural Institute of Korea Academic Presentation, Vol. 31, No. 2, pp. 389-390.

5. Shim, Y.K, Jeong, J.W, Lee, J.H, and Jeong, J.M (2020) Necessity of improvements on code of practice at the demolition work considering building structure type:Based on demolition work of permission and registration. Korean Journal of Construction Engineering and Management, Vol. 21, No. 6, pp. 66-74.



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