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삼축내진 말뚝의 제작 및 시공

- 2020년 10월 초 건설기술연구원 연구개발 사업인 '3축 내진 말뚝 시험시공'을 수행하였다.

- 사업명은 '변경된 내진 설계기준에 최적화된 삼축 내진 말뚝 실용화 설계, 제작, 현장 시험 및 성능 평가' 이다.

- 2019년 초반 특허를 출원해 그해 말에 특허를 취득하였다.

토목에서는 말뚝의 내진 해석을 당연히 하지만 건축에서는 건축물 자체만 내진 해석을 해오고 있었다. 최근 국가 설계 기준 통합이 이루어진 후에도 말뚝의 내진 해석은 이루어 지고 있지 않다.

비탈면 보강 공사에 사용되는 일반적인 천공 장비는 대부분 압축공기를 주요 동력원으로 삼는다. 압축공기는 천공 타격력뿐만 아니라, 천공 과정에서 발생하는 토사, 풍화암, 암반 등의 파쇄물(슬라임)을 구멍 밖으로 강력하게 불어내 배출하기 위해서도 필수적인 요소다.

하지만 이 공기압 방식은 시공 과정에서 비탈면 주변으로 극심한 고주파 소음과 비산먼지를 유발한다는 치명적인 단점이 있다.

이러한 소음과 먼지 문제는 인근 주거지나 도심지 공사 현장에서 극심한 민원을 야기하며, 심한 경우 공사 중단으로 이어지는 주원인이 된다. 이와 같은 현장 한계를 극복하고 도심지 친환경 시공을 가능하게 만들기 위해 개발된 것이 바로 유압 방식의 비탈면 천공 장비다.

하중 분산형 압축 앵커란?

강연선과 연결된 내하체(Bearing Plate)를 지중 정착장에 일정 간격으로 분산 배치하여, 지반에 작용하는 인장 응력을 수평 방향으로 균등하게 분산시키도록 개발된 고성능 앵커 공법이다.

일반적인 하중 분산형 압축 앵커는 내하체 1개당 2가닥의 강연선이 결합되는 '더블타입(Double Type) 내하체' 구조를 기본으로 사용한다.

반면, SHA ANCHOR는 내하체 1개당 1가닥의 강연선만 일대일로 조립되는 '싱글타입(Single Type) 내하체' 방식을 채택한 차세대 하중 분산형 앵커다.

SHA ANCHOR는 일반 더블타입 앵커에 비해 내하체 1개에 집중되는 작용 하중을 절반 수준(20ton -> 10ton)으로 감소시킨다. 이 덕분에 지반의 지압 구속압이 취약한 토사층, 풍화암, 또는 연약지반에서도 그라우트체의 압축파괴(Crushing)를 근본적으로 방지하여, 장기적으로 매우 안정적이고 확실한 정착력을 발휘할 수 있다.

하중 분산형 압축앵커는 하중을 분산시키기 위한 앵커이다. 그것도 내하체에 가해지는 하중을 분산한다는 것이다.

하중 분산형 압축 앵커의 인장 메커니즘과 주의점

하중 분산형 압축 앵커는 정착장 내부 위치에 따라 내하체가 단차를 두고 분산 배치되어 있으므로, 각각의 내하체와 연결된 강연선의 자유장 길이가 서로 다르다.

그렇다면 자유장 길이가 서로 다른 강연선들을 일반 인장기로 한꺼번에 잡아당기면 어떻게 될까?

동시 인장기는 모든 강연선을 단일 헤드로 일률적으로 인장하는 장치다. 따라서 인장력에 따라 모든 강연선의 늘어남량이 동일하게 고정된다.

여기서 재료역학의 기본 법칙을 적용해 보면 치명적인 문제가 드러난다.

동일한 늘어남량을 적용할 때, 자유장 길이가 짧은 강연선일수록 하중과 응력이 훨씬 더 크게 작용하게 된다. 결과적으로 길이가 가장 짧은 최상단 내하체에 하중이 집중되어 그라우트 압축 파괴가 먼저 일어나거나 강연선이 조기 항복하는 구조적 불균형을 초래하게 된다.

<동시 인장기>

<동시인장 했을때 내하체 주변 응력분포>

그렇다면 구체적으로 무엇이 문제인가?

앵커의 내적 안정성을 검토할 때, 특정 내하체에 집중되는 하중이 그라우트의 허용 압축력을 초과하면 그라우트체가 파괴된다. 그라우트가 깨져버리면 지반과의 정착력을 잃게 되므로 앵커로서의 기능을 완전히 상실하고 만다.

그렇다면 하중 분산형 앵커는 어떻게 인장해야 하는가?

강연선마다 제각각인 자유장 길이를 고려하여, 각 강연선에 동일한 설계 하중이 균등하게 전달되도록 강연선을 하나씩 순차적으로 인장하는 '개별 인장기(또는 차등 인장 시스템)'를 사용해야 한다.

<개별인장기 및 유압분배 장치>

개별 인장 방식은 각 강연선에 가해지는 힘의 크기(인장력)를 동일하게 유지하면서, 강연선의 늘어남량은 유연하게 달리 제어하는 방식이다.

유압 시스템을 활용하여 자유장 길이가 다른 각 강연선에 정확히 목표한 동일 힘이 가해지도록 제어한다. 이렇게 동일한 힘을 가하더라도 내하체와 연결된 강연선의 길이가 저마다 다르기 때문에, 실제 늘어남량은 강연선 길이에 비례하여 각기 다르게 나타나게 된다.

결과적으로 모든 내하체에 작용하는 응력이 완벽히 균등해지므로, 특정 내하체에 하중이 집중되는 현상과 그라우트의 압축 파괴를 완벽히 방지할 수 있다.

<개별 인장 했을 때 내하체 주변 응력 분포>

제거식네일-제품 양산 준비 #3

제품화 회의를 거치면서 내하체의 제원, 생산 방법, 재료의 배합 조건, 밀폐 방법 등 제품화를 위한 기본적인 준비를 마쳤다.

공장에 구비되어 있는 장비를 이용해 금형을 직접 제작하기로 했다.

<밀링>

제거식네일-제품화 과정 #2

R&D를 통해 제거식 네일의 구조적 안정성과 제거 방식의 효과를 확인했다. 이제는 본격적인 제품화 과정이다!

1. 제품화 아이디어 회의

내하체 개발 과정 중에 제거 방식에 대한 아이디어가 마구 떠오른다. 덕분에 파생되는 특허도 계속 늘어난다. ㅠㅠ

- 회전식 제거식 네일

제거 소켓의 형태가 나선 모양이다. 몇 번의 회전만으로도 쉽게 제거될 수 있는 아이디어이다.

<회전식 제거식 네일 구조>

- 반회전 제거식 네일

반회전식은 R&D 과정 중 단방향이던 키(KEY, 제거식 소켓)를 대칭 구조로 변환한 것이다.

제품명은 'QSR NAIL'이며, 대략 5년 동안 제조·판매하며 수많은 시행착오를 거쳐 완성된 제품이다.

<반회전 제거식 네일 구조>

파생된 특허가 벌써 2개다. 그 밖에 다수의 아이디어들이 있었으나 기술적 문제 및 경제성 때문에 사라진 아이디어들도 있다. 그중 반회전 제거식 네일을 제품화하기로 했다.

2. 제품화

내하체의 크기, 제거 소켓의 생산 방법, 밀폐 방법 등 제품화에 필요한 세부 사항을 결정하는 단계이다.

철근과 제거식 소켓이 결합해 있다가 내하체에 체결된 후, 제거할 때는 제거식 소켓이 철근과 내하체로부터 분리되도록 설계했다.

<결합상태 : 제거식소켓+철근+내하체 고정>

<분리상태 : 내하체와 제거식소켓+철근 분리>

<철근제거 : 내하체, 제거식소켓, 철근 분리>

<철근과 제거식소켓>

3. 제품 양산을 위한 제조 방식 및 규격 결정

- 제거식 소켓과 내부 고정 소켓은 정밀 주조 방식으로 생산하기로 한다.

- 내하체는 나일론 글래스(Nylon Glass)를 적용하여 사출 제조한다.

- 철근은 D25mm...

그런데 일반 네일을 적용하고자 했으나 문제가 발생했다. 생산되는 철근 마디의 형태와 위치가 제강 회사마다 다르고, 같은 회사 제품이라도 생산 시점에 따라 철근 마디 위치가 제각각이었다.

제거식 소켓은 철근 마디 형태에 딱 맞게 제작되어야 하는데, 보통 문제가 아니었다.

당장 이 문제를 해결할 수 없어, 마디의 형태와 위치가 일정한 나선형 철근을 사용하는 것으로 결정했다. (경제성 면에서는 상당한 타격을 입었다.)

이처럼 여러 가지 문제와 해결 방안을 모색한 끝에 대량 생산을 위한 금형 작업에 착수하게 된다.

다음편에서......

제거식 네일 - R&D #1

특허 제품 또는 공법의 개발은 시간과 비용이 많이 들어가는 일이다. 그러나 만약 기존 공법보다 경제적이거나 현장에서 반드시 필요한 제품(공법)을 만들 수만 있다면, 레드오션(Red Ocean)에서 벗어나 블루오션(Blue Ocean)에서 사업을 펼칠 수 있다.

우리 회사에서 취득한 특허는 총 22개, 디자인 등록은 5개이며, 그중 제품 개발 및 사업화에 성공한 것은 총 8개이다.

그런데 특허 및 디자인 등록을 마친 제품의 숫자(27개)와 실제 사업화에 성공한 제품의 숫자(8개)에는 왜 차이가 나는 걸까?

이유가 있다. 이번 이야기는 바로 '제거식 네일' 개발 과정에서 발생한 여러 가지 비하인드 스토리다.^^

1. 현장에서의 필요성 파악

비탈면 보강업에서 어느 정도 자리를 잡을 무렵, 굴착 공사 현장에 방문한 적이 있다. 굴착 가설 보강재로 제거식 앵커와 제거식 네일이 사용되고 있었다.

기존에 사용하던 제거식 네일은 PVC 내하체와 나선형 철근을 이용한 회전 제거식 제품이었다. 참 좋은 아이디어였다.

그러나 연질의 PVC 재질 내하체와 회전식 제거를 위한 기계 장비, 그리고 일반 철근보다 비싼 나선형 철근을 사용해야 한다는 한계가 있었다.

현장에서는 더 경제적이면서도 제거율이 높은 제품을 간절히 원하고 있었다.

2. 개발 비용의 분산

바로 이때, 새로운 제거 방식에 대한 아이디어가 번뜩 떠올랐다!

그런데 이 아이디어를 제품화하려면 적지 않은 개발 비용이 발생한다. 개발 비용 분산 및 사업성 극대화를 위해 대기업과 R&D를 함께하는 방법을 모색하던 중, '삼성물산 주택사업부'에 제안하여 공동 연구 과제를 수주했다. 일정 부분 개발비 지원을 받음은 물론, 공동 개발을 통해 삼성건설 현장에 전량 적용할 수 있을 것이라는 기대가 컸다.

<삼성물산 대상 R&D 제안 내용