1. 서 론
1.1 연구배경
잭서포트(Jack Support)는 기계적인 원리 또는 작동을 통해 밀어내는 기능의 잭(Jack) 장치와, 하중을 지지하는 서포트(Support) 부재가 합쳐진 형태의 건설용 자재를 말한다. 잭서포트는 주로 건설현장에서 상부의 하중을 지지하기 위한 가설재로 사용된다. 보다 구체적으로는 콘크리트 타설 하중을 지지하는 동바리 부재로 쓰이거나, 구조물 해체 시 상재된 장비나 철거 잔재물의 하중에 의한 바닥판의 급작스러운 붕괴를 방지하기 위한 부목대로 쓰인다(Fig. 1).
잭서포트는 범용 가설재 특성상 인력을 통해 설치 및 해체가 이루어져야 하고, 목적상 견고하게 바닥과 상부를 지지하고 있어야 하므로 길이조절 기능이 필요하다. 여기서 기존 잭서포트의 문제점이 있다.
첫 번째는 너무 무겁다는 점이다. 시중 유통되는 대부분의 잭서포트는 강재로 제작되는데, 인력만으로 설치하기에 상당히 부담스러울 정도로 무겁다. 한 예로, 유통되는 경량화 된 잭서포트는 3 m 길이 한 본 60 kgf, 5 m 한 본은 약 85 kgf에 이른다. 이를 해결하기 위해 강재보다 가벼운 알루미늄과 고강도 강재가 조합된 하이브리드형 잭서포트가 개발됐다(Daehan Temporary Industry Ltd., 2020). 이 하이브리드 잭서포트는 3 m 길이 한 본이 27 kgf, 5 m 한 본은 약 45 kgf로, 기존 강재 잭서포트에 비해 비약적으로 경량화가 되었다. 그러나 해당 잭서포트는 고가의 알루미늄과 고강도 강재를 사용하였기 때문에 비싸다는 점과, 알루미늄의 재료적 특성상 부딪힘, 충격 등에 의해 찌그러짐이 발생될 수 있다는 단점이 있다.
두 번째 문제는 길이조절부가 취약하다는 점이다(Oh, 2018). 시중의 잭서포트는 길이조절 기능을 위해 내관과 외관의 겹침 형태를 갖추고, 이 두 관의 길이 조정과 고정을 위한 상세를 갖추고 있다. 가장 고전적인 상세로는 일정 간격 핀-홀(Pin-Hole) 체결기능이 있다. 내관과 외관 사이에 웨지(Wedge) 물림을 적용한 잭서포트도 있다(Sewon, 2019). 이들 체결기능의 공통적인 특징은 바로 이 체결부위가 구조적으로 취약점이 된다는 점이다. 이 상세는 기계적 체결 상세의 특성상 응력집중이 있기 마련이고, 유격에 의한 내관과 외관의 연직도 틀어짐으로, 꺾임 우려도 있다.
잭서포트의 또 다른 공통적인 문제는 자체 미세 길이조절 기능, 즉 선행하중 도입 기능이 없다는 점이다. 자유장 상태에서는 내관과 외관의 겹침을 제한 범위 내에서 자유롭게 조절해 다양한 소요 높이에 대응할 수 있지만 정작 설치할 때의 견고한 물림을 위해서는 별도의 스크류잭(Skrew Jack)과의 결합이 필요하다.
2. 잭서포트의 요구사항
2.1 요구 기능
Table 1은 이 연구에서 잭서포트의 요구 기능 을 정의한 것이다. 목표 기능은 기존의 잭서포트가 가지고 있는 겹침 체결 기능은 기본으로 하면서, 별도의 스크류잭 없이도 미세 길이 조정이 가능하도록 하는 것이다. 그리고 다양한 높이 대응이 가능하도록 길이 연장이 가능하도록 개발하였다.
2.2 요구 성능
Table 2는 기존 잭서포트와 본 연구에서 정의한 잭서포트의 성능을 나타낸 것이다. 성능이 공개된 한 범용 잭서포트의 제원을 참고하여, 설치높이 5 m 조건에서 허용압축하중 10 tonf로 결정하였고, 목표 중량은 기존 대비 30% 경량화하여 60 kgf로 결정하였다.
Table 2
The Definition of Jack Support Performance
| Div. | Items | Existing | This study |
|---|---|---|---|
| Performance (h = 5 m) | Allowable load (tonf) | 10.46 | 10.00 |
| Weight (kgf) | 85 | 60 |
그밖에 요구사항으로는 잭서포트 구성요소 중 가장 구조적으로 취약한 부위인 체결부위를 보완하는 것이다. 기존 잭서포트의 파괴 원인을 분석해보면 주로 체결부에서 꺾임이 발생되어 급작스러운 파괴로 이어진다. 내관과 외관의 겹침 이음이 적용되는 잭서포트의 특성상 이 체결부의 헐거움 내지는 응력집중에 의해 부재의 파괴보다 연결구의 파괴가 선행된다. 소요의 성능을 갖추면서 경량화를 달성하기 위해서는 내관과 외관의 체결부에서 소요의 성능 확보가 필요하다.
2.3 잭서포트 구성요소
이 연구에서 개발한 잭서포트 구성의 핵심은 내관과 외관의 체결방식에 있다. 본 잭서포트는 일정 간격과 패턴을 가지는 다수개의 구멍을 가지는 내관과, 외관과 결합되면서 내관의 구멍과 대응되도록 내측면에 돌기들이 마련된 바이트커플러(Bite coupler)가 맞물리면서 물리적으로 체결된다.
구성요소는 크게 외관과 내관, 바이트커플러, 회전커플러, 외관플랜지, 내관간격재로 구분할 수 있으며 Fig. 2와 같다.
각 구성요소의 역할은 다음과 같다. 외관은 서포트 하부와 상부의 내관을 지지하는 지지판으로 구성되며. 내관은 서포트의 상부에 위치하며 4방향 45도 교차형으로 일정 패턴의 구멍을 가지고 있다.
바이트커플러는 네 개의 동일한 부품으로 구성되어 있고, 스프링으로 묶여 직경 조절이 가능하도록 하였다. 외측은 회전커플러와 체결되기 위한 나사산이 가공되어 있고, 최상단 나사산 두 바퀴는 회전커플러 체결에 표준공차 적용하되, 나머지 나사산은 공차 없이 적용하였다. 또한, 내측은 4방향 으로 돌기를 마련하여 내관구멍과 체결될 수 있도록 하였다.
회전커플러는 내측에 나사산 가공이 된 강관 형태의 너트로서, 나사산을 통해 바이트커플러와 맞물리도록 하였다. 또한, 외측 네 방향에 돌출키 마련하여 회전타격을 저감시켰다.
외관플래지는 외관 단부에 마련, 내관에 체결된 체결장치를 지지해주는 구조이며, 내관간격재는 내관 상단에 마련, 외관과 내관 사이 빈 틈을 채워줄 수 있도록 적용하였다.
3. 잭서포트의 성능검증
3.1 시제품 설계
개발된 잭서포트의 성능을 시험을 통해 검증하기 위해 시제품을 상세설계하였다. 좌굴하중 검토를 통한 내관, 외관 규격 결정하였고, 제작성을 고려하여 체결구 또한 최적설계를 수행하였다. Fig. 3은 바이트 커플러의 상세, Fig. 4는 외관커플러의 상세, Fig. 5는 돌기를 가진 내관의 상세 Fig. 6은 내관과 외관이 조립된 상세를 나타낸다.
기존 잭서포트 대비 개발된 잭서포트는 신개념 잭서포트 체결구 개발으로 취약부인 체결부의 문제점을 해결하였고, 기존대비 28% 적어진 무게로 경량화 되었다. 또한, 기존 잭서포트는 1 m 단위로 조절 하여 오차가 크게 발생하였지만, 개발된 잭서포는 미세 10 mm 단위 조절 가능하여 오차범위를 대폭 축소하였다. 기존 잭서포트 대비 개발된 잭서포트의 비교표는 다음 Table 3과 같다.
Table 3
Comparison of Performance Between Developed and Existing Products
한편, 개발된 잭서포트 시제품의 예상 내력은 25 tonf (250 kN)로 산정하였다. 이 수치는 내관과 외관의 임계하중을 고려한 값으로, 연결구의 선 파괴 및 편중에 의한 2차 효과를 고려하지 않았다. 예상 내력은 시제품 요구 성능으로 설정한 허용하중 10 tonf에 허용하중 안전율을 역산한 값으로도 해석된다. 그리고 한국공업규격 및 가설공사표준시방서에서 제시한 파이프서포트의 안전인증기준 하중 40 kN을 상회하는 수준이다(Korea Temporary Eqquipment Association, 2014).
만약 성능 시험 결과 예상 내력을 상회하는 결과가 나오면 취약부인 내관과 외관에서 기대한 성능이 발휘된 것으로 판단할 수 있다(Korea Society of Steel Construction, 2020).
3.2 시제품 제작
3.3 압축 한계 시험
시제품 압축 한계 시험은 고용노동부고시 제2020-33호 파이프서포트 압축시험을 준용하였다(Korea Temporary Eqquipment Association, 2017). 시험의 성능 신뢰도를 높이기 위해 사단법인 한국건설가설협회 압축 한계 시험장에서 시험하였다. 시험체는 동일한 조건으로 제작된 시제품 3본이 사용되었다. 시험체는 높이 5m로서, 외관4 m, 내관 1.4 m, 겹칩길이 0.4 m로 조립하였다. 시제품은 압축시험기에 연직으로 세워지고, 양단 힌지조건이면서 하부는 수평방향 변위 고정, 상부는 변위를 허용하는 조건에서 하중이 가해진다. 시험체 단부에서의 경계조건은 이론적으로는 핀고정이지만 플랜지의 강성에 의해 일정부분 고정조건이 된다. 성능 시험 모습은 Fig. 9와 같다.
시험체 압축 한계 시험 결과는 다음과 같다. 시험결과 3개 시험체의 평균 파괴하중은 최대 277.925 kN, 최저 246.685 kN, 평균 265.395 kN이었다. 예상 설계 파괴하중 250 kN을 상회하는 수준이다(Korea Society of Steel Construction, 2013; Korea Concrete Institute, 2014). 파괴유형은 부재 좌굴에 의한 파괴로서, 양단 힌지와 양단 고정의 중간 형태의 거동을 보여주고 있다. 이론적으로는 양단힌지 조건이지만 양단 플랜지에서 일정부분 회전 거동에 대한 저항 강성이 발휘된 것으로 판단된다.
이와 같은 시험 결과는 시험체 파괴가 연결구의 변형 및 급작스러운 꺾임 파괴가 아닌, 부재의 세장비에 의한 예측된 좌굴거동임을 보여주고 있다.
따라서 시험체 시험결과를 통해 기존 잭서포트에서 가장 취약부인 내관-외관의 체결구는 성능이 개선되었다고 볼 수 있다(Korea Society of Steel Construction, 2018; Yang, 2007).
압축 한계 시험 결과 개발된 잭 서포트는 성능을 보다 개선시킬 수 있다고 판단된다. 플랜지 강성증대 및 강재의 강도증가를 통하여 파괴하중 300 kN 정도의 잭서포트의 설계도 가능할 것으로 예상된다.
4. 결론
본 연구에서는 기존의 잭서포트의 문제점을 개선하기 위해 높이조절이 용이하고, 스크류잭이 필요 없으며, 인력으로 설치 및 해체가 가능한 경량 잭서포트 개발을 목표로 하였다. 경제성을 위해 기존의 일반강재로 설계하였으며 분리형으로 운반, 조립, 해체가 용이하도록 적용하였다. 또한 신개념 체결구 개발로 기존 잭서포트의 불확실함을 해결하여 안정된 성능을 발휘할 수 있도록 개발하였다.
개발된 잭서포트는 시험체를 통해 압축 한계 시험을 수행하였으며 3개의 시험체 모두 기대한 설계성능을 발휘하였다. 또한 파괴양상은 기존 잭서포트의 가장 취약부인 체결부가 아닌 부재가 파괴됨으로 체결부의 성능도 확인하였다.
본 잭서포트는 중대형 건축물 신축현장에 적용이 가능하며, 노후화 건축물 해체현장 적용이 적합하다. 또한, 향후 다양한 높이 및 하중에 대해 설계가 가능하며, 이를 통해 다양한 분야, 다양한 용도로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
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