고강도 콘크리트 건축(일본의 경우)

고강도 콘크리트 건축(일본의 경우)

Ⅰ. 머리말

1974년 카지마 건설에 의해 시공된 초고층 철근콘크리트조 아파트(시나메쉬 아파트)의 시범사업이 있기 전에는 RCWH 건물의 설계기준 강도가 300㎏/㎠에도 못미쳤고 높이도 6~8층 높이로 제한되어 왔었다.

그러나, 그 이후 최근에 와서야 일본 건축학회 시방 규정집 (JASS 5)에서 고강도 콘크리트 범위를 설계 기준 강도를 276~360㎏/㎠으로 정의하게 되었으며 앞으로 더 높은 강도의 콘크리트가 사용될 수 있도록 건설성의 인준을 받을 예정에 있다.

그 이후 사회적 경제적 원인에 의해서 일어난 초고층 철근 콘크리트조 건물에 대한 요구의 증가가 고강도 콘크리트의 이용과 발전을 빠르게 이끌어왔따.

1980년 설계기준 강도가 360㎏/㎠, 1987년에는 420㎏/㎠, 1988년에는 480㎏/㎠, 으로 증가되었으며 1989년에는 7월에는 600㎏/㎠의 콘크리트가 실제건물에서 실험적으로 현장타설되었따.

이로써, 지금은 배합강도 750㎏/㎠에 대한 실용화를 추구하기에 이르렀고 아직 굳지 않은 콘크리트의 냉각에 액화질소가스를 사용하여 과도한 수화열을 방지하려 하고 있다.

RC 구조물이 철골 구조물에 비해 저렴하다는 것과 지진 및 풍력에 대항하는 강성이 크다는 것이 고강도 콘크리트 발전에 기여했다.

아래의 표는 일본에서 고강도 콘크리트를 이용한 초고층 철근 콘크리트 조 건물의 사례를 보여준다. 도꾜의 워터 프론터 지역(해안 또는 강변) 개발 프로젝트에서 금후 10년이내에 고강도 콘크리트를 사용하여, 약 60층 높이의 공동주택이 건설될 것으로 예측된다.

Ⅱ. 재료와 시공방법

1. 콘크리트

콘크리트 재료로서는 보통 포틀랜드 시멘트, 보통 모래, 자갈 또는 고품질의 쇄석 그리고 고성능 감수제가 일반적으로 사용되었다.

실제 초고층 철근 콘크리트 건물에서 실리카 흄과 같은 미분말 광물이 사용된 최근의 일이다.

건물의 아래부분에서 설계기준강도는 현재 이용되로 있는 구조설계방법의 경우, 건물의 층수와 높이에 다소 관계가 있다. 즉 설계기준 강도가 25층에서는 260㎏/㎠, 30층에서 420㎏/㎠, 30층 이상에서는 480㎏/㎠이 선정된다.

실제로 8층 높이의 오피스 건물에서 부분적으로 지금까지 사용된 F_C는 실험적인 것으로 600㎏/㎠이다.
많은 모델에서 몇 번의 실험적 선행이 F_C = 800 과 F_C = 1000㎏/㎠의콘크리트를 성공적으로 사용해 왔다.

이런 경웅 대개 콘크리트는 수화열을 조절하기 위해서 액화질소가스로 제조과정에서 냉각시킨다. 이 수화열은 콘크리트 강도 발현을 억제할 수도 있고 열에 의한 크랙을 일으킬 수도 있다.

평균 소요 강도는 설계기준 강도에 콘크리트 강도의 표준편차를 2~2.5배 함으로써 결정할 수 있다. 표준 편차는 콘크리트 강도의 5~8% 정도이고 보통 콘크리트에서와 거의 같은 것으로 알려져 있다.

물시멘트는 F_C = 360㎏/㎠ 에 대해서 0.4 또는 이보다 다소 작고, F_C= 420~480㎏/㎠에 대해서는 0.37~0.33 정도이며 대략 F_C= 600㎏/㎠에 대해서는 0.3 또는 이보다 작다.

물의 양은 가능한 시멘트 양을 작게 하기 위해서 170~180㎏/㎠로 하고 슬럼프의 값은 18 또는 21㎝이고, 고성능 감수제의 양으로서 조절해야 한다.

고강도 콘크리트에 필수 불가결 기술 사항 중 고성능 감수제는 1960년대 일본과 독일에서 비슷한 시기에 처음 사용되었다.

이것은 초기에 PILE과 같은 고강도 프리캐스트 콘크리트 제조를 위해서만 엄격하게 사용되었는데, 이 같은 이유는 콘크리트를 수송하는 시간 동안 슬럼프에 문제가 발생할 수 있기 때문이다.

유동화 콘크리트 제조 방법은 혼합된 콘크리트에 고성능 감수제를 현장에서 첨가하여 만드는 것으로 70년대 말에 발명되었으며, 이 유동화 콘크리트는 고강도와 좋은 워커빌리티를 가진 콘크리트로 현장타설을 가능하게 하였다.

유동화 콘크리트는 일반 콘크리트의 작업에도 사용되었지만 고강도 콘크리트의 작업에 널리 사용되어 왔다.

 

그러나, 슬럼프 손실의 문제와 품질확보의 복잡한 과정이 여전히 문제시 되고 있었지만, 지금은 높은 슬럼프를 보유할 있는 새로운 형태의 고성능 감수제의 개발에 의해 해결되고 있다. 몇 개의 제품이 1~2년 전부터 이미 판매되어 왔고 현재 고강도 콘크리트를 사용 초고층 철근 콘크리트조 건물의 모든 프로젝트에 이 새로운 형태의 고성능 감수제가 사용되고 있다.

이 새로운 기술로 고강도이면서도 좋은 시공연도의 콘크리트가 쉽게 레미콘 공장에서 생산될 수 있고, 1.5시간 정도 동안은 콘크리트의 워커빌리티 손실없이 현장에 수송할 수 있다. 그림을 보면 이러한 새로운 형태의 고성능 감수제가 슬럼프를 유지하고 있음을 보여준다.

콘크리트의 품질 확보는 보통 콘크리트 작업에 비해서 업격하게 계획되고 집행된다.

2. 철근

일본에서는 큰 지진하중에 저항하기 위해서 구조물의 부재에 많은 양의 철근이 필요하기 때문에 고강도이면서 직경이 큰 철근이 주근으로 요구된다.

지금까지는 SD40(이형철근 : 항복점 : 40㎏/㎟이상)의 D41(공칭직경 : 41㎜)이 주로 사용되었다. 항복강도 120㎏/㎟이상을 가지는 고인장 철근이 전단보강으로써 몇몇 경우에 사용되었다.

대부분의 경우, 기둥, 보 철근은 지상에서 미리 선조립하여 설치 위치로 올려진다. 선조립된 철근의 설치방법으로는 용접, 기구이음, 또는 스파이럴 슬라브 이음이 일반적으로 사용된다.

3. 시공방법

다양한 시공방법들이 많이 도급지와 설계사무소에서 개발되었다. 이런 시공방법은 초고층 철근 콘크리트조 건물의 구조화, 내진설계방법이 실재로 적용되기 전에 받는 것과 심의를 구조적 안정성과 실용성의 관점에서 일본 건축세터 기술평가 위원회에서 받아야 한다.

이러한 시공방법은 주로 현장 콘크리트 타설과 프리캐스트 콘크리트의 조합으로 분류할 수 있다. 여기에는 모두 현장타설 하는 것으로부터 프리캐스트 하는 방법까지 다양한 방법이 있다.

일반적으로 기둥은 현장 타설하고, 보괴 슬라브는 HALF-PC로 한다. 그러나 보과 슬라브의 프리캐스트 시스템에서 부재들이 상부철근 부분은 현장타설하도록 남겨둔 부분적인 PC이다.

많은 시공 시스템에서 프리캐스트 콘크리트 거푸집이 활용되고 있다.

콘크리트는 레미콘 공장으로부터 공급되고 콘크리트 펌프나 비켓 또는 콘크리트 분산기에 의해 타설한다. 콘크리트의 좋은 워커빌리티에도 불구하고 물 시멘트비가 낮은 콘크리트의 강한 점성 때문에 회전수가 많은 전동기로 충분히 다져야 한다.

한층 바닥면적 800~1000㎡를 완전히 타설하여 탈형하는데 일반적으로 6~8일이 걸린다.
 

Ⅲ. 새로운 철근 콘크리트 개발 프로젝트

1. 프로젝트의 범위

건설성은 1988년 이후 "새로운 철근 콘크리트" 계획이라고 하는 고강도, 고품질 철근 콘크리트 시공시스템의 개발을 위해 5개년계획을 진행해 왔다.

이 계획은 최대 항복 강도 12000㎏/㎠의 철근과 설계기준 강도 1200㎏/㎠에 이르는 고강도 콘크리트를 사용하는 RC조 건축구조물에 대해 새로운 설계와 시공방법의 개발을 목적으로 한다.

콘크리트와 철근 둘 다를 고려하면, 강도의 범위가 아주 넓기 때문에 연구 작업을 위해 강도와 조합을 4개의 구역으로 분할했다. 그림을 보면 철근의 항복강도는 7000㎏/㎠에서 콘크리트 설계 강도 600㎏/㎠에서 구획이 된다.

구역1 즉, 콘크리트 강도 600㎏/㎠와 철근 강도 7000㎏/㎠에 대한 새로운 설계 기준과 600㎏/㎠에 이르는 콘크리트를 고강도 콘크리트로 명명하였고 반면에 설계기준 강도 600㎏/㎠에서 1200㎏/㎠에 이르는 콘크리트를 초강도 콘크리트로 명명하였다.

4명의 연구 위원회가 이 계획하에 설립되어 왔다. 이들은 콘크리트 분과 위원회, 철근 분과위원회, 구조해석분과위원회, 설계방법 분과위원회이다.

1988년에 이러 종류의 고강도 철근콘크리트 구조물들에 대한 실행성과 연구 운영에 대 연구들이 수행되었고, 1989년에 수많은 실험연구가 시작되었다.

2. 콘크리트 분과위원회의 활동

콘크리트 분과위원회의 임무는

- 고강도 콘크리트와 초고강도 콘크리트를 생산하기 위해 적정재료를 개발하는 것.

- 이러한 재료들을 위한 품질 기준을 설립하는 것.

- 이러한 콘크리트에 대한 배합비의 방법 설정.

- 프레쉬 콘크리트와 경화 콘크리트의 성질과 거동을 조사하는 것.

- 실험방법과 평가기준을 설립하는 것.

- 구조물에서 콘크리트의 품질 확보 절차를 선정하는 것.

콘크리트 분과 위원회에는 다음과 같은 각자의 세부 연구 항목을 가진 세 팀의 연구실행 그룹이 있다.

(1) 재료개발 연구그룹

① 고강도와 초고강도 콘크리트를 위한 시멘트와 결합제품들에 대한 개발과 평가

② 고강도와 초고강도 콘크리트를 위한 골재들에 대한 개발과 평가

③ 고강도와 초고강도 콘크리트를 위한 화학재와 광물혼화재에 대한 개발과 평가

④ 고강도와 초고강도 콘크리트를 위한 배합비의 설계방법의 설정

(2) 평가연구그룹

① 시공연도에 대한 평가와 그 방법

② 압축강도에 대한 평가와 그 방법

③ 기타 역학적인 성질에 대한 평가와 그 방법

④ 장기적인 성질에 대한 평가와 그 방법

⑤ 내구성에 대한 평가와 그 방법

⑥ 내화성에 대한 평가와 그 방법

(3) 시공시행 연구그룹

① 고강도와 초고강도에 대한 부재의 시공기술에 대한 개발

② 시공상의 품질 확보 과정에 대한 기술의 개발
 

Ⅳ. 위원회의 초기 연구에 대한 몇가지 결과

고강도와 초고강도 콘크리트를 제조하는데 있어서의 실행성 연구가 콘크리트 분과위원회에 의해 수행되어 왔다.

아래의 표에서 보는 바와 같이 시중에 있는 재료를 사용하여, 설계 기준 강도 600㎏/㎠ 의 콘크리트를 제조하는 것이 가능하다. 그러나, 시멘트, 혼화제, 그리고 다른 것들에 대한 품질기준에서 새로운 관점을 가질 필요가 있다.

예를 들면, 현재의 시멘트에 대한 품질 기준은 물시멘트비 0.65에서 300㎏/㎠ 이상의 기준몰탈 강도를 요구하고 있고 반면 시중에서 사용되는 실제 시멘트강도는 보통 400~450㎏/㎠ 정도이다.

따라서 강도 600㎏/㎠의 콘크리트가 시중에서 사용되는 시멘트에 의해 제조될 수 있다. 그러나 평균 이하의 강도를 갖는 시멘트를 사용하여서는 고강도 콘크리트를 얻기가 어렵다.

일반적으로 사용하는 포틀랜드 시멘트 또는 조강 포틀랜드 시멘트가 현재의 품질평가방법에 의해서 평가 된 것 중 고강도 콘크리트에 가장 적절한 것으로 간주된다. 그러나 실험은 중용포틀랜드 시멘트 혹은 고로슬래그 시멘트가 물 시멘트비 0.25와 같이 낮을 때 강도 발현에 있어서 충분히 만족할만 하다는 것을 나타낸다.

설계기준 강도 600㎏/㎠를 넘는 콘크리트에서는 강도가 높을수록 제조하기가 어렵고 실물크기 모델의 실험제조과정에서 설계강도 1000㎏/㎠로 하면 평균 강도 1200㎏/㎠의 강도가 제조된다.

그렇지만 만약 강도가 1200㎏/㎠까지 올라간다면 레미콘 공장에서 제조된 콘크리트 강도의 표준편차는 100㎏/㎠를 초과할 것이고 그 경우 요구된 평균강도 1400~1500㎏/㎠에 다다를 것이다.

이러한 초고강도 콘크리트를 제조하는 것은 실험실에서조차 특별 재료와 특별제조과정, 양생방법을 필요로 한다. 현재 시공현장에서 이러한 콘크리트를 제조한다는 것은 아직도 매우어렵다.
 

Ⅴ. 일반 고강도 콘크리트의 역학적 성질

1. 압축강도

물시멘트가 적어질수록 압축강도는 증가되며, 물시멘트비가 25~30%일 때 압축강도는 최대치가 된다. 물시멘트비가 작은 경우에는 같은 물시멘트비라도 단위수량이 작은 쪽이 강도가 높다.

물시멘트비가 40%이상의 범위내에서는 골재에 따른 압축강도의 차이는 작지만, 35% 이하의 범위에서는 골재의 따른 압축강도의 차이가 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 고강도콘크리트에서는 골재의 품질에 대해서 앞으로 더 검토할 필요가 있다.

초기강도는 물시멘트비 40~50%에서 재령 7일의 압축강도는 재령 28일의 74~79%정도의 강도발현밖에 나타내지 않는데 반하여, 물시멘트비 30~35%는 81~84%이 강도발현을 나타낸다. 그러므로, 고강도 콘크리트가 초기강도발현률이 높다.

양생방법에 따른 압축강도의 차이는 표준수중양생과 밀봉(보양)양생의 두경우를 비교하면, 압축강도 600kg/㎠ 이하에서는 양생방법에 따른 차가 크지 않으나, 600kg/㎠ 이상에서는 수중양생족이 5%정도 상승하다. 즉, 고강도에서는 수분공급의 영향이 큰 것으로 판단된다.

2. 인장강도

일반적으로 인장강도는 압축강도의 1/10 ~ 1/15 정도의 범위에 있지만, 고강도가 될수록 압축강도에 대인장강도의 비는 저하되는 경향을 갖는다.

3. 영계수

영계수는 강도의 증가에 따라서 향상되기는 하지만 큰 영향을 주지는 못한다. 즉, 고강도콘크리트는 휨응력에 대한 저항능력의 향상은 그다지 크지 않은 것이다.

인장강도의 경우와 함께 고려하면, 고강도콘크리트는 보와 같이 휨에 대한 저항을 주목적으로 하는 부재에서는 철군의 영향을 크게 받는다.

또, 골재품질의 차이는 콘크리트강도에 상관없이, 영계수에 큰 영향을 미친다.

4. 포이슨비

콘크리트의 포이슨비는 강도의 변화에 큰영향을 받지 않으며, 물시멘트비나 골재품질의 영향 역시, 적고 0.18 ~ 0.22 의 범위에서 결정된다.

5. 건조수축

건조수축은 영계수의 영향을 받으며, 영계수가 클수록 건조수축률은 작아진다. 골재의 성질에 따른 수축률은 일반골재보다 쇄석이나 인공골재가 더 큰 수축률을 갖으며, 물시멘트의 영향을 크게 받는다. 건조수축률은 단순히 물시멘트비의 영향 뿐만 아니라, 조골재량에 의해서도 영향을 받는다. 물시멘트비와 조골재량을 같이 줄이면, 건조수축률은 증가하고, 조골재량을 일정하게 하고, 물시멘트비를 줄이면, 건조수축률도 줄어든다.

Ⅵ.품질관리

고강도콘크리트에서 원하는 강도를 얻기 위해서는 품질관리가 강조되며, 그합리성 여부에 신뢰성이 결정된다. 초고층 철근콘크리트조를 실현하기 위해서는, 구조설계방법의 개발과 동시에, 설계된 구조성능을 확실히 실현시키기 위한 구체적인 시공방법으로서, 다음과 같은 기술요소가 필요하다.

- 시공성 좋은 고강도 콘크리트 제조기술

- 결함부를 나타내지 않는 신뢰성 높은 콘크리트타설 및 다짐 공법

- 신뢰성이 높고 시공성이 좋은 철근 이용 및 정착공법

- 고정밀도로 시공성 좋은 거푸집 공법

- 효율있는 사이클공정의 구성

- 작업분담과 책임소재가 명확 표준화된 품질관리 방법

1. 시공관리의 체크포인트

(1)콘크리트용 재료

① 시멘트

상부구체에는 보통 조강시멘트가 사용되고, 기초에는 중량콘크리트 대신에 고로시멘트 B종, Fly-ash시멘트 B종을 사용하고 있는 예가 많다.

② 골재

골재의 품질이 극히 중요함으로 공장과 협의하여 산지의 지정을 할 필요가 있다. 시공자측에 골재품질, 품질변동을 파악할 수 있는 체제를 만드는 것이 중요하고, 알칼리 골재반응에 대한 검토도 중요하다.

③ 혼화제

소요강도, 부어넣기 및 타설시 소요슬럼프를 얻기 위해서는 유동화재, 고성능감수제 등의 혼화제 선정이 중요하다.

(2) 배합

① 배합강도

JASS5와 같은 형식의 아래식에 따르고 있는데 T, , 각계수에 관해서는 각 공법마다 다르다.

F ≥α{(Fc + T) + K1ㆍσ}

F ≥α{β(Fc + T) + K2ㆍσ}

JASS 5 의 0.1 CDOT (Fc + T)는 당초 수치로서 거의 타당한 것이라고 생각된다.

β는 0.9, K1은 2~2.5, K2는 3~3.5 정도가 일반적이다.

②워커빌리티 등

슬럼프는 부어넣기 또타설시 18cm 정도로 하고 있는 예가 많다.

또, 단위수량은 165~175kg/m³정도로 하여 콘크리트의 고품질화를 꾀하고 있다.

슬럼프 15cm이하의 것은 시공성이 좋지않고 특수고성능감수 혼화제에 의하여 슬럼프 21 ~ 23cm 정도로 한 것에 관해서는, 아직 검토가 불충분한 감이 있다. 슬럼프 손실 문제, 피니시빌리티, 프라스틱 슈링케이지(Shrinkage)의 문제에 관한 검토도 중요하다.

③배합관리

워커빌리티, 공기량 등의 프레쉬콘크리트 시험, 표준양생에 의한 배합강도 관리시험은 시공현장에서도 완전하게 파악할 수 있는 체제가 요구된다. 또, 단기제량강도에 의한 관리도 중요하다.

(3) 콘크리트 제조

① 생콘크리트 공장의 선정

공장선정은 기계에 의한 제조 수송시험에 의한 것이 원칙이고,특히 상부구조에 관해서는 1개공장을 지정한다.

②콘크리트 발주

JIS규격이외의 품질로 하고, 조합, 혼합, 수송, 품질관리 모두에 관해서, 공장측과 협의해 발주조건을 정한다.

(4) 타설 . 다짐

일반적인 공법으로서, 기둥을 버킷타설, 바닥, 보를버킷 또는 펌프타설로 하는 이른바 수평, 수직 분리타설로 하고, 평면적으로는 1~2공구분할로 하고 있다. 검토해야할 공사로서 이화와 같은 것이 있다.

①공구분할과 1일 타설량

②타설용이, 소요시간

③다짐

바이브레이터에 의한 다짐이 충분한가, 가진시간(加振時間)이 적절한가?

④이어치기부의 처리

(5)양생

습윤양생 기간을 5일 정도로 하는 예와 JASS 5에 따른 7일 이상으로 하는 예가 있다. 또 장기강도에 대한 영향 등 더욱 검토해야할 과제라고 생각된다.

(6)구조체콘크리트의 강도 관리

현장 수중양생 또는 현장밀봉(보양)양생에 의한 공시체 강도에 의하여 구조체 콘크리트강도의 관리, 검사를 하고 있다.

구조체 콘크리트 강도검사의 대상 부위에 관해서는, 1일 타설량이 비교적 적은 것, 각층마다 강도확인을 중시하는 입장에서, 원칙으로서 1공구 1일타설량으로 하고, 부위마다 강도를 확인하는 방법을 채택하고 있다.

(7)철근공사

직경이 큰 철근 (D22~D41)의 사용, 전단보강근의 대량배근, 고정밀도 확보의 필요등에서, 기둥, 보, 철근은 모두 지상에서 부재단위 또는 여러 부재분을 정리하여, 선조립철근으로서 조립, 양중, 접합되고 있는 예가 많다.

(8)거푸집 공사

기둥, 보 등은 유니트화된 거푸집, 바닥은 대형거푸집 또는 Half-PC판이 일반적으로 사용되고 있다. 보, 바닥거푸집을 일체화하고 있는 예도 많다. 지주해체 시기는 콘크리트 강도와 구조 계산에 의하여 정하는 방법이 사용되고 있다.

(9)품질관리의 체제와 방법

현장내에서 분만 아니라 전 사내조직의 품질관리 최고책임기관을 만들어 품질관리를 실시하는 체제와 이른반 QC공정표를 작성하고, 전작업을 관리하에 둘 수 있는 방법이 준비되어야 한다.

Ⅶ.결론

<새로운 철근콘크리트>계획에 대한 소개와 함께 일본에서 초고층 철근콘크리트 건물에서의 고강도 콘크리트의 사용과 고강도 콘크리트의 현재의 상태를 소개했다.

최근까지 일본과 같이 지진이 잦은 지역에서 철근콘크리트 시스템에 의한 몇 십미터 혹은 백미터를 넘는 초고층 건물의 시공에 많은 여려움이 있었다고 생각된다.

컴퓨터의 이용에 의한 새로운 구조해석과 함께 고성능 감수제, 믿을만한 콘크리트 제조기술, 철근 선조립법, 믿을만한 이음방법 등과 같은 진보된 생산기술들이 직면한 문제들을 해결해 왔다. 초고층 철근콘크리트 건물의 시공에 도입된 고강도 콘크리트와 새로운 생산 기술들에 의해 미래에 시멘트와 콘크리트의 활용이 새롭고 더 넓은 분야게 발전될 것으로 기대된다.