SLIDING FORM 공법

SLIDING FORM 工法

일반적으로 철근 콘크리트 고층구조물 시공에 있어서 국내의 경우 비계를 이용한 공법 즉 고층구조물 최하단에 콘크리트를 타설하고, 소정의 강도가 생기면 그 층에 사용된 거푸집을 철거하여 시공완료된 부분을 기준으로 하여 그 다음층을 시공하는 공법을 사용하기도 한다.
따라서 양생기간을 필요로 하고 거푸집의 조립 또는 철거기간도 필요하지만 Sliding Form 공법을 사용하면 거푸집, 비계 등의 가설 설비가 불필요하고, 연속적인 콘크리트 타설로 이음없는 완전일체의 기밀성이 좋은 구조물을 얻을 수 있다. 또한 경제성에 있어서는 초기 가설비가 고가이지만 초고구조물에 있어서는 그 가설비의 비율은 대단히 적다.
본 란에서는 국내에서도 이미 오래전에 종합청사를 비롯하여 성기대교의 교각, SILO 건설 등에 이용되었던 Sliding Form 공법에 대해 삼부토건 (주) 기술개발부의 제공으로 제원리, 시공방법에 대해 게재하므로, 본 공법의 시공기술 축적에 자료로서 활용되기를 바란다.

SLIDING FORM 공법

설계

최근의 건설공사는 신기술의 도입, 신공법의 개발, 컴퓨터 등, 그리고 시공기술의 발전에 따라서 철근 콘크리트의 고층구조물이 다수 출현하고 있다.
이러한 고층구조물의 시공을 보통 거푸집 공법으로는 공기나 COST등으로 그수요에 부응하지 못했기 때문에 이 수요를 만족할 뿐만 아니라 경제적으로도 유리한 Sliding Form공법이 보편화되고 있다.

Ⅰ. 型화률의 설계시 주의 사항

Sliding Form 공법을 채용한 구조물의 철근 콘크리트 본체는 내외면을 포함하여 벽면을 제외하고 돌출물이 있어서는 안된다.

즉 콘크리트 타설시 거푸집이 활동하기 때문에 돌출물이 있어서는 활동이 불가능하게 된다.

수평부재 또는 기타의 부재를 전체에 연결시키려면 본체에 凹部를 만들고 그부분에 부재를 삽입 또는 연결하여 Joint를 만든다. 또 경우에 따라서는 凹부가 아닌 開孔部도 필요하지만 그 경우에는 목재거푸집을 사용하는 것이 바람직하다. 또 거푸집이 강재인 경우에는 본체에 매입철물을 콘크리트 타설 중 (거푸집 활동중)에 미리 매입하고콘크리트 타설 후 용접하는 이음매(Joint)를 설계하면 좋다.

100m 굴뚝 설계도 예

또한 Sliding Form 공법은 전하중을 Jack Rod에 의해서 활동상승하기 때문에 Jack Rod를 지장없이 세우는 공간과 철근 배근을 함께 고려하지 않으면 안된다. 이것은 특히 개공부 등에 있어서 그 주위를 역할상 보강하지 않으면 안되기 때문에 철근이 복잡하고 많이 배근되는 개소는 특별히 배려하지 않으면 안된다.

200m급 굴뚝의 실시 설계예 및 개공부의 상세를 <그림 2>에 보는 바와 같다.

200m 연돌설계면 예

요컨데 설계시 구조계산에 의한 배근 등을 결정하지 말고 본 공법을 숙지한 기술자가 설계시부터 계획에 참가하여 시공계획을 충분히 가미한 설계를 행하는 것이 시공할 때 많은 이점을 낳고, 시공을 용이하게 하고, 공정을 원할하게 추진할 수 있다. 이것은 물론 일반 건설 공사의 경우도 같지만, 특히 본 공법을 채용하는 경우는 신중히 사전 검토하는 것이 중요하다.

Ⅱ. 型화의 구성

1. 작업대의 구조

본 공법을 적용하는 데 있어서 구조물이 크기에 따라서 작업상도 달라지며, 作業床은 활동중 콘크리트의 운반과 철근 조립의 장소가 되며, 또한 해동이 끝나면

Top Slab의 형틀로 이용되는 경우도 있다.

따라서 作業床에는 큰 강도가 요구되며, 그외 Top Slab보의 거푸집도 만들어야 한다. 만약 이러한 것을 별개로 고려하지 않으면 안되기 때문에 가설비가 증가된다.

그래서 Silo 의 경우 top slab 보를 격자형 철근트러스로 설계하고, 이것을 Sliding Form과 함게 제작하여 作業床 보로 사용한 후에 거푸집 상승과 함께 마지막에는 Top Slab보로 정착된다.

또한, Top Slab보를 철근 콘크리트로 한 경우와 Top Slab보를 이용하였을 때 자재량을 비교한 예를 보면 <표 1>과 같다.
 

<표1> 자재량 비교

2. Yoke

YOKE는 거푸집에 가하는 수평 및 수직 방향의 응력을 받아서 잭으로 작업 바닥이나 기타의 모든 설비를 상승시키는 데 사용하는 틀이다.

YOKE의 배치는 全設備의 배치와 거푸집의 형상에 의한 배치에 의해 결정된다.
YOKE의 구조는 목재와 강재가 있으며, 현재는 강재의 것이 대부분이다.

Sliding Form 공법의 경우에는 콘크리트의 타설이 깊이 10~20㎝로 얕고, 타설 속도도 30~40㎝ 지연되므로 거푸집에 가하는 측압력을 보통 1.0ton/㎡로 하였다.

YOKE 각부에 가하는 응력은 YOKE의 간격에도 의하지만 3~4ton이 되며, 그 때의 변형량을 Yoke 각 선단에서 3~5㎜이내인 강성이 필요하다.

그 때문에 Yoke 수평보와 각부의 접합은 중요하며, 약간의 유동에도 콘크리트의 성형이 안되므로 그 접합부의 기구는 중요하다.

요오크 관계 조립표

(3) 거푸집판의 강제화

강재가 목재나 합판보다 수명이 길고, 어느 일정 속도 이상이 되면, 강재 거푸집 쪽이 부착력이 적어 유리하다. 또 내측 거푸집판에도 터널용 Metal Form을 사용해 인접 Metal Form과의 사이에 틈이 없도록 조립할 수 있고, 타공사에도 활용할 수 있다.

강재 거푸집판의 최대이점은 치수가 정확하여 작업 중 형상이 틀리지 않는 것이다. 목재의 경우는 콘크리트에서 물을 흡수하여 거푸집판의 팽창, 띠장재의 신축, 콘크리트의 측압에 의한 접합부의 수축 등으로 치수의 변화가 많고, 또 거푸집판의 상승에 따라서 벌어지는 경우가 많다.

강재를 사용할 경우 외기 온도의 영향은 무시할 만큼 미소하기 때문에 문제가 안된다.

3. JACK

Jack는 Rod를 발판으로 하여 Yoke 와 함께 全設備를 올리는 것이다. Jack의 대수는 시공의 규모에 따라 다르지만 어쨌든 Jack의 상승은 모두를 균일한 높이로 보전하는 것이 불가피하다. 불균일한 상승은 거푸집에도 응력적인 무리가 가해지며, 콘크리트 성형에도 좋지 않다. 또 Rod에도 좌굴의 원인이 된다.

그 대책으로는 자동적으로 수평이 보전되도록 제동장치가 된 것이나 Rod에 수평먹줄을 쳐서 이것을 기준으로 수평을 보전하는 방법을 취하면 된다. 또한 Rod의 이음부는 강도가 저하함으로 한곳에서 이어지는 것을 피하고 이음개소를 분산시켜 배치하되 이음개소가 동시에 노출되지 않도록 하여야 한다.

Jack의 종류를 보면, 거푸집을 상승시키기 위해 Jack을 사용하는데 Screw식과 Cylinder식이 있다.

Screw식에는 수동식과 Moter를 사용한 자동식이 있으며, Cylinder식은 유압식과 기압에 의한 것이 있다.

최근에는 Air Jack를 많이 쓰고 있다.

4.ROD

반력이 되는 Rod는 구조물에 따라 다르나 지름 25~40㎜의 강봉으로 길이는 3m내외다.

ROD는 아직 굳지 않은 콘크리트 속에 있으므로 좌굴되기 쉽다. 이 좌굴을 방지할 것과 RODDML 회수 목적 때문에, JACK 또는 YOKE에서 ROD 굵기의 1½ 큰 강관을 거푸집의 하단까지 현수하여 그 속에 ROD를 끼우는 방법을 취하였다.

RODDML 연결시 접속은 상하중심이 어긋나지 않도록 접촉면이 일정하게 접촉하도록 정밀하게 가공할 필요가 있으며, 이 가공이 나쁘면 그 부분에서 좌굴되는 경향이 많다. <그림 6>

ROD의 이음

Sliding Form공법의 경우, Jack의 배치를 결정할 때 일반적으로 Jack의 능력보다도 Rod의 내력에 의해 그 배치가 결정되어지는 것이 많기 때문에 계획에 있어서 충분한 검토가 필요하다.

참고로 허용내력 계산은 다음과 같다.

PK = πEI/(0.699 ℓ/kx)

여기서,

PK : ROD의 허용내력 (A)

E : ROD의 탄성계수 (2100t/㎠)

I : 단면 2차 모우멘트 (㎝⁴)

ℓkx: ROD의 좌굴길이 (0.637ℓo + 43.7)

ℓo : ROD의 노출길이

이때에 ROD 에 생기는 하중은,

N = 고정하중 + 적재하중 + 충격하중 + 콘크리트와 거푸집판의 마찰력이다.

이값이 ROD의 내력 이하라야 한다.

또 개구부에 걸리는 ROD는 필히 보강콘크리트를 타설해야 하며, 활동이 완전히 끝나고 작업대가 SETTING이 되면 ROD의 임무는 끝나고 회수된다.

Ⅲ. 콘크리트의 설계

본 공법에서는 Slip-Up을 개시하며 일반적으로 일주일간 정도는 멈추지 않고 滑動한다. 그래서 타설하는 콘크리트는 소정의 공정에 맞게 배합설계하지만 거푸집 상승 속도는 콘크리트의 경화상태에 따라서 좌우된다. 거푸집에서 노출된 콘크리트의 조기압축강도는 거푸집 활동을 방해하지 않을 정도로 되어야 한다. 상승속도는 과거의 실적을 보면 4~9m/日이다. 따라서 콘크리트의 조기강도가 콘크리트의 배합설계상 포인트가 된다.

배합설계로서는 표준시 (20℃), 冬期(0℃~10℃), 夏期(30℃이상) 의 것을 만들고, 각가의 외기온에 따라서 콘크리트를 준비한다.

특히 주의할 것은 혼화제의 첨가량, 물-시멘트비, 수온 등에 따라 강도를 촉진시키거나 지연시킬려는 경우 콘크리트 품질 (slump치, flow치, 공기량, 온도, 단위 중량 따위)에 이상이 있을 때에는 즉시 작업을 중지하고 원인을 규명할 필요가 있다.

이것은 콘크리트 시험에 종사하는 계원은 말할 것도 없이 본 공법에 종사하는 전원이 콘크리트에 깊은 관심을 가지는 것이 중요하다.

1. 재료

(1) 시멘트

시멘트는 KSL5201에 규정한 보통 포오틀랜드 시멘트를 쓰는 것을 원칙으로 한다. 혼합 시멘트는 조기 강도 발현이 늦고, 온ㆍ습도의 영향을 받기 쉽기 때문에 본 공법에는 부적당하다.

만약, 이외의 시멘트를 사용하는 경우는 시험을 통하여 그 품질을 확인하고 그 사용방법을 충분히 검토한 후에 사용해야 한다.

(2) 골재

조골재의 입경은 부재단면 및 철근간격을 고려하여 될 수 있는한 큰 것을 사용하는 것이 좋다. 또 골재중 불순물(분말물질, 유기불순물, 염화물)은 콘크리트의 조기강도, 워어커빌리티 및 타설등에 나쁜 영향을 미치므로 충분한 관리를 행할 필요가 있다. 골재의 관리 기준을 <표2>에 나타내었다.

<표 2> 골재의 관리기준

 

• (1) Yoke의 제작

  Yoke를 설계할 때는 측압의 계산가정도 필요하지만 기타의 사용조건을 상정할 필요가 있다. 제작시 주요한 점은 다음과 같다.

  ① Yoke의 수평재 하단과 거푸집널 위와 간격은 60㎝이상으로 한다. (보통 경우 수평 철근 3단분 조립)

  ② 재래품과 비교해서 각의 휨량을 ½로 한다.

  ③ 사용하는 경우 간단히 조립되어야 한다.

  ④ 해체한 각 부재는 인력으로 운반이 된다.

  (2) Yoke 강제화(鋼製化)

  ① 콘크리트의 측압

  Yoke의 개발에 따른 콘크리트의 측압은 Yoke 부재의 설계에 의한 각의 휨은 일정치 이내가 되도록 계산해야 한다.

  그러나 콘크리트의 측압을 측정하기도 곤란하며, 콘크리트의 경화는 특히 외기온의 영향을 받기 쉬운 상태 하에서 겨우 1.2m 정도 높이의 거푸집 널 속에서 하부의 콘크리트는 이미 자립할 수 있는 상태에 있고, 하부 널의 콘크리트에서는 정확한 측압 계산은 나오지 않는다.

  ACI의 Formwork For Concrete에서 콘크리트의 측압계산은 다음과 같다.

   

  P=100+	(6000R)
  	T

  
  여기서, P : 최대수평응력(psf)

  R : 콘크리트 타설속도(Ft/hr)

  T : 거푸집내의 콘크리트 온도 (℉)

  ② Yoke의 강제화

  Silo와 같이 구조가 비슷한 구조물을 반복해서 시공하는 기회가 있으면 조립식으로 벽두께의 변화에 따라 폭을 조절할 수 있는 Yoke를 만든 것이 경제적이다.

  그 원인은 Sliding Form 공법과 같은 특수 공법은 반복해서 시공하는 일이 있어도 동일 시공업자가 계속해서 공사하는 일이 적고 Yoke의 보관에도 문제가 있기 때문이다.

  또한 Jack의 발달에 따라 거푸집이 상승속도는 빨라지고, 인상 능력이 크게 되면 Yoke에 드는 힘도 커져 목재 Yoke보다는 더 센 강제 Yoke가 나오게 된 것이다.

(3) 혼화제

콘크리트의 혼화제는 본 공법에서 Slip-Up시 강도가 문제되기 때문에 다음 사항에 주의하여 사용하는 것이 중요하다.

① 아침, 저녁 연속하여 Slip-Up하기 때문에 혼화제의 첨가량에 따라서 早期時의 강도를 조절하는 것이 좋다.

② 감수 지연제는 온도에 따라 현저하게 경화시간이 다르므로 콘크리트 온도가 30℃이상 되는 경우는 쓰지 않는 것이 좋다.

③ 혼화제의 첨가는 동결방지에 효과있다.

2. 배합

콘크리트의 배합은 모든 경우에 소요의 조기강도를 얻을 수 있게끔 면밀하게 준비 계획하여야 한다.

또 콘크리트는 그 상부에 걸리는 콘크리트 하중에 견디어 형을 유지할만한 강도 즉 약 0.28㎏/㎠이면 되나 풍력, 지진력, 작업에 의한 진동등을 고려하여 1㎏/㎠ 정도로 해야 한다.

한편 콘크리트의 조합을 조절해서 강도나 응착력이 나타나는 정도가 작업능력에 무리가 가지 않는 속도가 되도록 하여야 한다.

여기서는 고로시멘트와 포오틀랜드 시멘트의 제반 성질을 비교한 것을 보면 다음과 같다.

<표 3> 시멘트 강도 시험
 

(1) 초기 압축 강도

<표3>~<표5>는 각각 사용 시멘트의 강도와 조합을 나타내고, <표3>는 중용열시멘트, 보통시멘트, 고로시멘트의 강도를 비교한 것이다.

각종 콘크리트가 응결시작에서 처음은 상당히 완만하지만 그 Curve는 점점 급해지고 응결 종결 시간을 지난 후에는 대체로 직선적으로 강도가 증진하고 있다.

고로시멘트를 사용한 경우 초기 강도가 나타나는 상태는 보통 시멘트에 비해 고로시멘트의 완만성을 알 수 있다.

전술과 같이 고온건조시에는 심하게 강도발현이 촉진되므로 盛夏時의 시공에는 고로시멘트가 좋다. 또 콘크리트의 초기 강도 발현은 W/C비의 변화, 양생조건 등에 영향을 받으며, 시멘트의 품질과 풍화의 정도, 혼화제의 영향도 받는다.

<표4> 각종 cement 사용시의 초기 강도
 

<표5> 각종 콘크리트 1㎡당의 조합
 

고로시멘트 사용 초기강도

(2) 응착력

응결과정에 있는 콘크리트가 형틀의 측판면과 사이에서 생기는 부착력을 응착력이라고 한다. 응착력의 검토는 활동속도의 판정과 활동시 ROD에 걸리는 하중을 추정하는데 필요하다.

응착력이 콘크리트의 자중보다 커지면 콘크리가 형틀에 부착된 그대로 활동할 위험이 생기므로 이러한 점에서도 속도 조정에 검토가 필요하다.

최근의 시멘트와 같이 조강도 요소를 갖는 시멘트를 쓸 때에는 강도부족으로 생기는 활동의 실패보다 응착에 의한 실패에 대하여 충분한 검토를 하여야 한다.

여기에서 매 15분마다의 시험에서는 고로시멘트가 보통시멘트와의 차가 적지만, 매 30분마다 고로시멘트 쪽이 약간 큰 값을 보였다.

최대치는 매15분에서 2.5~3시간, 매30분에서 3~4시간으로서 각각 0.021, 0.042㎏/㎠를 보였다.

최대에 달한 후에는 콘크리트의 수량이 적어지고 급격히 응착력이 저하되고 있다.

15분쯤 SLIDE의 시험결과(27℃) 
 

(3) 콘크리트의 조합

콘크리트의 조합은 시공 전에 시험배합하고 또 초기강도시험을 실시하고 결정한다. 즉, 설계기준강도 Dck=210㎏/㎠, Workability 및 최저 초기 강도 (0.3㎏/㎠)를 만족하는 조합으로 해서 결정한 대표적인 조합은 <표 7>과 같다.

<표6> 콘크리트의 조합비 (중량)
 

<표7> Concrete의 조합 (F28=210㎏/㎠)
 

고온건조시의 시공에서는 경화 속도가 빨라지는 동시에 응착력도 커지므로 상당한 활동속도가 요구되며, 작업능력이나 가설비가 많이 들어 곤란하다. 따라서 고로시공에서는 완경성 시멘트 사용, W/C비의 증대, 콘크리트의 냉각 양생 등의 대책을 세워서 상승활동속도를 감소시키도록 한다. 또 내벽면 형틀을 경사지게 하는 것은 응착력의 경감에 유리하다. <그림 8>은 고로시멘트와 보통시멘트를 사용한 비교시험결과이다.

(4) 실시콘크리트

고로시멘트를 사용한 시공은 보통시멘트 사용시나 거의 같고 콘크리트의 품질도 공사 전기간중 초기의 목표를 윗도는 성적을 보여주고 이다. <표8>은 사용시멘트의 품질을 나타냈다.

<표8> 시멘트 응결 Morter 시험
 

조합관리, 조합강도, 시공급별의 판정을 준용해서 검정한 결과를 보면 <표9>와 같다.

<표9> 시공급별의 판정

S ≤1.5σ를 요한다
 

강도의 변동계수에 의한 관리상태의 기준은 15~20%가 보통이지만 거의가 10% 이하로 양호한 상태였다.

3. 양생

본 공법에서는 콘크리트타설 후 수시간동안 콘크리트가 외기에 접하게 되기 때문에 콘크리트가이와같이 早期時 外氣에 접하고 수분이 증발하면 이후의 강도가 현저하게 저하된다. 특히 외기온이 높은(하기등) 경우에는 이 경향이 현저하다.

따라서 조기시에 있어서 수분을 공급하는 것이 필요하지만, 본 공법의 경우 수분을 공급하는 것이 어렵기 때문에 膜양생제를 도포하여 수온의 증발을 방지하는 것이 필요하다. ACI기준에서 膜양생제의 도포 또는 칠하는 것을 의무화 하고 있다.

4. 품질관리

(1) 재료의 품질관리

콘크리트 재료는 전술의 규정에 적합한 것인지 확인한다. 배합을 결정한 시점에서 프랜트에 가서 각 재료를 검사하여 각각의 견본을 일부 현장으로 보낸다. 이것은 현장 관리를 할 때 쓰인다. 각 재료의 입하보충상황도 파악하여 놓는다.

(2) 프랜트기계의 관리

프랜트기계의 최근의 측정, 제조 품질을 조사하여야 하고, 제조 DATA를 자동기록하는 것을 원칙으로 한다. 프랜트기계를 관리하기 위해서는 프린트의 각 Hopper, Bin에서 Mixer까지의 계통을 파악한다. 특히 주의할 것은 레미콘 공장의 프랜트를 사용하고 동시에 레미콘 공장에서 사용한 적이 없는 혼화제르 쓰는 경우도 있다.

이때는 혼화제의 배관상ㆍ조작상 오차가 없는가를 확인하는 동시에 혼화제의 과잉첨가가 어떠한 경우에도 발생하지 않게 되어 있는지 실제로 계획을 반복해서 확인한다.

레미콘 회사의 콘크리트를 사용할 때에는 프랜트기계 조작상 다음 사항을 특히 주의한다.

① 본 공사용 콘크리트 품질관리의 중요성을 확인하고, 프랜트조작에 충분한 주의를 기울여야 한다.

② 본 공사용 콘크리트 Mixing 전에 Mixer 내부의 콘크리트를 깨끗이 청소한다.

(3) 레미콘 트럭의 성능관리

레미콘 트럭의 날개의 형상불량이 있다. 이 날개의 통상 정기보수(년 1회정도)를 행하므로 보수 시기가 언제인가를 확인하는 동시에 운반된 콘크리트가 분리되어 있지 않은가 그 양부를 판단한다.

(4) 콘크리트의 품질관리

콘크리트의 품질관리는 레미콘 공장과 현장에서 행한다. 조기강도에 관한 시험은 현장에서 하는 것이 좋다.

<콘크리트의 온도>

이것은 한냉시, 서중시의 온도 관리이다. 온도의 이상치가 나오면 즉시 프랜트에 사용수 온도관리의 점검을 의뢰한다.

또 현장 도착온도가 공장출하온도보다 차이가 있는 경우는 혼화제의 과잉첨가의 가능성이 클 경우가 있다. 본 콘크리트는 7일강도용 시험 공시체를 3개 체취하고 즉시 레미콘 공장에 연락하는 동시에 그 콘크리트를 되돌려 보낸다.

<표10> 소요의 조합강도의 판정