KEB HANA BANK, PLACE ONE
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Architects:
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시공사:
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발주처:
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공사기간:
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위치:
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UHPC 면적:
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건물규모:
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주요 공법 :
더 시스템랩
두산건설
KEB 하나은행
2016.5~2017.5
서울특별시 강남구 삼성동 16-8번지
약3,450 m2
지하4층, 지상 10층
THK 80mm UHPC(3D 곡면구간) THK 20mm GFRC(평면구간)
UHPC
지금까지 적용되고 있는 비정형건축물의 주요 외장 마감재는 금속, 유리, FRP, GFRC 등이 대부분이었는데, 파라메트릭 디자인을 기반으로 한 3D 비정형 입체 형상 디자인으로 인해 기존에 사용되었던 재료와 시공공법 적용의 어려움과 최적화 된 공법개발이 요구되고 있다.
해외에서는 이러한 디자인에 대응하기 위한 재료로써 UHPC를 선택하여 오랜 기간 연구와 적용이 진행되어 왔으며 현재는 보편화 된 외장재 소재로 사용하고 있지만 아직까지 국내에는 적용한 적용사례가 없다.
UHPC의 재료적 특성 및 비정형 곡면 거푸집(몰드) 제작 방법
비정형 UHPC 패널은 기존 콘크리트 PC패널 보다 강도가 월등히 높기 때문에 얇은 두께로 구조 성능확보 및 성형이 가능하며, 철근 배근 없이 비정형곡면 PC 패널 제작이 가능하여 금속으로 제작하기 어려운 복잡한 형상들을 쉽고 크게 제작할 수 있는 장점이 있다.
일반적으로 UHPC는 압축강도 100MPa 이상의 고강도 콘크리트인데, 토목이나 건축구조용으로 사용하는 강섬유 혼입 UHPC의 압축강도는 약 200MPa이며, 건축외장용으로 사용하는 PVA 섬유 혼입 UHPC는 최대 150 MPa의 압축강도를 갖는다. 하나은행 프로젝트에 적용된 설계기준은 압축강도 120MPa 이상으로, 건축외장용 PVA 섬유보강 UHPC가 적용되었다.
건축 외장용패널에 강섬유가 혼입된 구조용 UHPC가 사용될 경우 외장재의 구조성능은 우수할 수 있으나, 강섬유 노출로 인한 부식이나 시공중 강섬유 노출로 인한 안전문제가 발생할 수 있으므로 PVA 섬유 보강 UHPC를 사용하는 것이 안전 및 경제성 면에서 유리할 수 있다.
GFRC와 UHPC는 제조방법, 강도, 적용위치등에 차이가 있기 때문에 디자인에 따라 최적화된 재료와 공법을 적용해야 하며, GFRC는 현재 국내 생산이 거의 불가능하여 대부분 중국에서 제조하여 수입하고 있다.
GFRC
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압축강도: 30~60 MPa
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두께 15~20mm로 스프레이 적층 방식으로 제작
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인장(휨) 보강을 위하여 하부에 스틸 프레임을 설치해야 함
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스프레이 적층 방식으로 후면의 마감 상태는 좋지 않음 è 양면 노출 마감되는 부분에는 적당하지 않음)
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적용사례: 뭄바이 국제공항, 브로드뮤지엄
UHPC
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압축강도: 40~80 MPa
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두께 15~20mm로 스프레이 적층 방식으로 제작
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인장(휨) 보강을 위하여 하부에 스틸 프레임을 설치해야 함
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스프레이 적층 방식으로 후면의 마감 상태는 좋지 않음 è 양면 노출 마감되는 부분에는 적당하지 않음)
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적용사례: Musem Museum,
성능 비교표
몰드(거푸집) 제작방법
스틸몰드
하나은행의 경우 곡률 값이 심하여 스틸거푸집으로 제작할 경우 프레스 금형을 만들어 제작하지 않을 경우 제품품질이 떨어질 수 있었고, 프레스 금형으로 스틸거푸집을 만들 경우 거푸집 제작비가 많이 상승할 수 있었다. 따라서 제작품질 및 경제성 측면에서 이 프로젝트에는 스틸거푸집은 적합하지 않았다.
FRP 몰드
FRP 거푸집의 장점은 비정형 곡률의 정도와 상관없이 다양한 곡면을 정밀하게 제작할 수 있는 장점이 있다. 단 콘크리트의 하중을 고려하여 타설 및 양생시 형상변형을 최소화 하기 위해서는 스틸보강이 필요하다. 본 프로젝트에서는 두께 7mm FRP로 거푸집 앞면을 만든 후 100X50X3.2T 스틸 각파이프를 FPR 후면부에 보강하여 일체화 하는 방법으로 전면과 후면 거푸집을 각각 다르게 제작하였으며, 탈형 후 설계모델링과 비교했을 때 2~3mm 이내에서 제작되어 설계기준에 만족하는 제작 품질을 확보할 수 있었다.
UHPC의 패널의 설계 엔지니어링
원설계의 UHPC 제작모듈은 4.2m X 4m와 6.2m x 4.2m 크기의 패널이 대부분이었고 각 패널당 4개의 지점이 슬라브에 고정하도록 설계되었다. 그런데 설계단계에서 거푸집 제작, 콘크리트 타설, 현장반입 및 설치 등 상세한 제작, 운반, 양중을 검토하여 유닛 크기가 결정된 것이 아니었기 때문에 시공단계에서 이러한 조건들을 고려하여 유닛제작 크기가 적정한 것인가에 대한 검토가 먼저 진행되었다.
최대 6.2 X 4M(무게:약 6ton)의 패널은 입체형상 때문에 거푸집제작 및 운반이 불가능한 크기였다. 따라서 설계된 모듈의 가운데를 기준으로 유닛을 반으로 분절하여 제작 및 운반이 용이하도록 하는 변경이 필요하였다.
분절된 패널은 메인 구조체에 지지할 수 있는 지점이 2개 밖에 없었으므로 유닛 분절에 따른 구조설계 엔지니어링이 다시 진행되어야 했다.원 설계모듈에서는 4개의 지점을 핀으로 해석하여 지점에서 모멘트가 발생하지 않토록 설계되었으나 분절될 경우 분절된 연결부에 대한 구조해석과 지점부의 해석 방법에 따라 메인 구조체에 구조 보강이 필요 할 수 있는 상황이었다. 그런데 리모델링 건축물이기 때문에 기존 구조체의 추가보강으로 인한 공사비 증액이나 공사지연등 여러 가지 문제가 발생할 수 있는 상황이었으므로 현장제약 조건을 고려하여 구조 설계엔지니어링이 진행되었다.
상부지점을 FIX(X,Y,Z)로 할 경우 지점부 반력값이 너무 커져서 패널지지를 위한 메인구조부재 변경이 필요했고 만약 지점부분에서 PC측 파괴가 먼저 일어날 경우 안전상 심각한 문제가 발생할 수 있었다. 따라서 지점에 대한 구조해석을 핀으로 하는 입체 트러스 개념을 적용하여 지점부의 반력이 최소화 되도록 구조설계가 진행 되었다.
비주얼 목업
UHPC 패널이 실제 제작 가능한지를 확인하기 위해서 비주얼 목업이 선행되었다. 1차 비주얼 목업은 스틸 거푸집으로 진행하였으나 2방향 곡면이었기 때문에 스틸 거푸집으로 곡면을 구현하는 것은 한계가 있었으며, 스틸보강 FRP 몰드를 사용하여 2차 비주얼 목업을 진행하였다. FRP 몰드는 EPS를 가공하여 FRP면을 만든 후 스틸 프레임과 일체화하는 방법으로 최종 몰드를 제작하여 발주처에서 요구하는 품질을 만들어 낼수 있었다.
FRP + Steel 보강 몰드
2차 목업
몰드 타입 최적화 설계 및 입면 변경
유닛 크기에 따라 거푸집 종류가 많을 경우 FRP거푸집 제작기간이 증가하여 공사비 증가나 전체 공사 기간에 영향을 줄 수 있었으므로 가능한 기존 설계된 거푸집 몰드 타입의 숫자를 줄일 수 있도록 디자인에 대한 최적화가 필요하였다. 설계 최적화 과정에서 기존 설계된 12개 유닛 타입에서 8개 타입으로 최소화하였고, 이를 통해 제한된 비용과 기간 내에 제작 및 시공이 가능할 수 있도록 하였다.
UHPC가 GFRC 보다 금액이 높았기 때문에 전체적인 공사비 예산등의 문제로 좌우측 입면에서 1줄씩 UHPC 모듈을 GFRC로 변경하여 최종 파사드 디자인 수정되어 확정되었다.
몰드 최적화
최종 변경 UHPC 평면 &입면
인양, 설치 디테일 검토 및 변경
UHPC의 시공을 위해서는 인양 및 설치, 조립을 위한 디테일이 적용이 중요하다. 특히 중량물이기 때문에 탈형, 인양, 설치를 고려한 디테일이 반영되지 않을 경우 시공과정에서 부분 크랙이나 제품의 파손이 발생 할 수 있다.
UHPC 패널 두께가 8cm로 인양 시 집중하중이 발행할 경우 인양부분이 파손 될 수 있기 때문에 최대한 인양 및 설치 시 하중을 분산시킬 수 있도록 고정부 디테일을 중요하게 검토하였다. 일반적인 고정지점이 하나인 인양용 엠베드 앙카는 사용하지 않고 커튼월 고정용 캐스팅 채널을 적용하여 인양 시 집중하중이나 비틀림 모멘트에 의한 크랙이 발행하지 않토록 하였다.
또한 UHPC 패널과 슬라브 고정지점부에서도 현장 시공오차를 흡수할 수 있는 디테일을 적용하여 현장여건에 맞춰 시공할 수 있도록 설계 디테일을 변경하였다
시공 디테일 변경
접합부 디테일
UHPC 패널의 품질관리
UHPC 본 생산을 진행하기 전 품질, 시공성을 확인하기 위한 과정으로 변경 설계된 디테일을 최종 패널 제작에 반영하여 현장 비주얼 목업을 진행하였다. 부분적인 크랙등 일부 미흡한 부분은 보완이 필요하였으며, 곡면의 제작 완성도와 시공 품질은 기준은 충족하였으므로 발주처로부터 최종 승인을 받은 후 본 생산에 들어갈 수 있었다..
현장 목업
UHPC 패널의 생산은 8개 TYPE에 대한 FRP 거푸집이 우선 제작 되었다. 정밀한 입체 FRP거푸집 제작을 위해서는 정확한 3D 몰드제작이 중요한데, 이를 위해서 소형 선박제조용 3축 CNC 밀링 머신을 활용하여 EPS 폼을 3D로 정밀하게 가공하였다. EPS 폼 가공과정에서 제작오차가 발생하게 되면 FRP 거푸집 제작오차가 커 질수 있기 때문에 시작단계에서부터 거푸집제작을 위한 몰드의 품질관리가 중요한 사항이었다. UHPC패널의 일일 최대 생산 수량은 6개였으며, 총256개의 패널을 약 4개월 동안 생산하였다
3D 레이저 스캐닝을 활용한 품질관리
현장설치
2~8층 구간은 25톤 크레인을 사용하여 설치하였으며, 9층~지붕구간은 100톤 크레인을 사용하여 일일 최대 4개 유닛을 시공하였다. 시공 초기에는 패널의 무게 균형이 일정하지 않고 인양용 캐스팅 채널의 제작 불량으로 인해 일부 패널이 파손되는 등 시공의 어려움이 있었다.
크기가 가장 큰 6.4미터 패널의 제작과정에서 발생하는 표면크랙을 개선하기 위해 UHPC 내부에 설치한 형상제어제 위치를 최대한 응력방향으로 배치하도록 하였고, 연결부분에는 이음 연장 처리하여 양생과정에서 발생하는 수축팽창응력에 의한 크랙이 발생하지 않토록 하였으며, UHPC 패널의 지점부의 채널앙카 주변에는 추가적인 철근 보강을 하여 시공시 발생하는 편심하중이나 집중하중에도 크랙이 발생하지 않토록 하였다.
또한 채널 앙카의 경우 제품 제작불량으로 인양중 발생하는 집중하중을 받지 못해 UHPC 패널에 손상이 가는 경우가 있었는데, 인양시 집중하중이 많이 발생하는 위치의 채널 앙카는 기준보다 규격이 한 단계 높은 제품을 사용 하도록하여 인양 시 집중하중으로 인한 채널앙카 파손이 일어나지 않토록 하였다.
채널앙카 파손
삼성동 KEB 하나은행(PLACE ONE)은 국내 최초로 시공된 비정형 UHPC 외장패널공사이며, 짧은 공사기간 이었음에도 불구하고 시공 시 발생한 여러 가지 문제점들을 신속하게 검토하고 해결하였기 때문에 성공적으로 완성할 수 있었다.
그동안 건축 외장용 UHPC 패널의 제조 기술은 유럽에서 오랜 기간 연구되고 독점적으로 사용 되어왔지만, 과감한 도전을 통해 국내 처음으로 비정형 UHPC패널에 대한 제작 및 시공기술을 확보한 것은 큰 의미가 있다고 할 것이다. 현재 급속히 발전하는 생성 AI 기술로 인하여 건축디자인 또한 급속한 변화가 예상된다. 따라서 형태의 한계를 극복할 수 있는 UHPC의 활용범위는 앞으로 무궁무진할 것이다.
