KR100197759B1

KR100197759B1 - 건축물의 콘크리트기둥과 철골보 연결용 접합구조물

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Publication number: KR100197759B1
Application number: KR1019960044498A
Authority: KR
Inventors: 이세웅; 윤상문; 김재순; 이재범; 최광호
Original assignee: 김세중; 극동건설주식회사; 장동립; 쌍용건설주식회사; 김상식
Priority date: 1996-10-08
Filing date: 1996-10-08
Publication date: 1999-06-15
Also published as: KR19980026153A

Abstract

본 발명은 건축물의 콘크리트기둥과 철골보 연결용 접합구조물에 관한 것으로, 건축물의 철골보로부터 가해지는 하중을 분산 및 지지하기 위한 접합구조물이 건축물의 콘크리트기둥(10)내에 삽입되어 콘크리트기둥의 4면으로 노출되도록 서로 서로 90°각도로 중앙컬럼부재(1)에 배열된 4개의 연결부재(3,4,5,6)들과, 이 연결부재(3,4,5,6)들에 끼워져 상기 중앙컬럼부재(1)와 일정간격을 이룬 외측컬럼부재(2)로 +자 단면형상의 사각입방체를 이룬 구조로 되어, 이 접합구조물의 형상에 따른 내부공간의 확장에 의해 타설되는 콘크리트의 유입을 촉진시켜 별도의 부수적인 작업을 수반하지 않게 되면서도 유입된 콘크리트와 보다 큰 접촉면적을 유지하져 접촉력도 향상시키게 됨은 물론, 건축물의 각 콘크리트기둥(10)과 철골보(20,20',20,20')의 연결부위로 작용되는 전단력과 휨모우멘트에 대한 내구력도 크게 높일 수 있도록 된 것이다.

Description

건축물의 콘크리트기둥과 철골보 연결용 접합구조물

본 발명은 건축물의 하중을 지지하도록 콘크리트기둥 내에 삽입되어 철골보와 연결되는 접합구조물에 관한 것으로, 특히 콘크리트기둥과 철골보의 연결부위에 집중적으로 가해지는 전단력(Shear Force)과 휨모우멘트(Bending Moment)을 분산 및 지지하도록 된 건축물의 콘크리트기둥과 철골보 연결용 접합구조물에 관한 것이다.

일반적으로, 고층으로 건축되는 주거용이나 업무용의 건물의 경우는 통상 그 건축구조형식의 종류에 따라 철근콘크리트조와 철골조 및 철골철근콘크리트조로 분류된다. 이중 철근콘크리트조는 인장력에 유리한 다수개의 철근으로 골격을 이룬 다음 그 외부에 거푸집(형틀)을 덧대어 내부로 압축력에 강한 콘크리트재료를 채운 후, 이 콘크리트가 굳은 다음 외부로 덧댄 거푸집을 제거시켜 건물의 콘크리트기둥과 철골보를 시공하게 되므로 구조적으로나 경제적으로 가장 많이 사용되는 구조형식 이지만, 콘크리트기둥과 콘크리트기둥사이의 경간이 10m를 넘을 경우 이 콘크리트기둥에 연결되는 보의 구조상 가해지는 휨모우멘트에 약하게 되어 통상, 경간의 간격을 7m 내지 8m 내로 제한시키게 된다.

또한, 철골조는 업무용 고층건물을 건축하는 경우 통상 H형강등과 같은 철골재료를 서로 엮어 건물의 콘크리트기둥과 철골보를 시공하게 되므로, 철근콘크리트조의 경우 철골보다 자중이 감소됨은 물론 철골보의 휨모우멘트에 대해서도 지지력이 높아 콘크리트기둥과 콘크리트기둥 사이의 경간을 철골보다 크게 할 수 있게 되지만, 건축비용이 철골보다 높은 단점이 있게된다.

그리고, 전술한 철근콘크리트조와 철골조의 장점을 복합시킨 복합구조는 압축력을 집중적으로 받게 되는 건축물의 콘크리트기둥에는 압축력에 유리한 철근콘크리트조로 구성하는 반면에, 휨모우멘트를 주로 받게되는 건축물의 콘크리트기둥과 콘크리트기둥 사이에 놓여진 철골보에는 휨모우멘트에 유리한 철골조로 구성하게 되므로, 이러한 복합구조는 건축물의 시공 시 자중이 감소되고 콘크리트기둥과 콘크리트기둥사이의 간격이 넓어 내부공간의 활용도가 크게되고, 시공 시 슬래브거푸집 받침용 지철골보공이 필요 없어 공기단축 및 공사인력의 절감을 가져올 뿐만 아니라, 시공 시 각 연결부위의 용접량이 철골조에 비해 크게 감소되며, 시공 시 PC콘크리트기둥이나 하프슬래브 등을 사용하면 철골조와 같이 건식시공이 가능하다는 등의 여러 가지 장점이 있게된다.

이에 따라, 이와 같은 콘크리트기둥과 철골보의 복합구조의 시공시에는 각 콘크리트기둥들과 이 콘크리트기둥에 연결된 철골보의 연결부위에 집중적으로 가해지는 휨모우멘트와 전단력의 크기를 철골보다 줄여주는 즉, 철골보다 효과적으로 분산시켜 내구력을 높여주기 위해 철근콘크리트조의 콘크리트기둥내에 I형강이나 H형강 등을 이용하여 적절한 형상으로 구성된 접합구조물을 삽입시킨 다음, 이 접합구조물에 철골보를 용접이나 철골보올트와 너트와 같은 체결수단을 이용하여 각 콘크리트기둥들과 서로 연결시켜주는 방식을 이용하게 된다.

이때, 상기와 같이 콘크리트기둥과 철골보의 복합구조에서는 콘크리트기둥과 철골보를 서로 연결할 두 있는 접합구조물의 요건으로서 다음과 같은 조건들을 만족시켜야 된다. 즉, 철골보에서 발생하는 힘(휨모우멘트와 전단력)을 효과적으로 콘크리트기둥 내로 전달시켜 주어야만 하고, 콘크리트의 타설과 기둥철근의 조립이 용이하도록 접합구조물 내부의 공간을 가능한 많이 확보해야함은 물론, 또 접함구조물의 제작 시 시공이 간편해야 되는 조건들을 충분히 만족시켜야만 된다.

그러나, 상기와 같이 콘크리트기둥과 철골보의 복합구조에 현재 사용되는 접합구조물은 콘크리트기둥에 연결된 철골보에 의해 가해지는 힘의 지지에만 중점을 두어, 이러한 접합구조물이 갖추어야만 되는 조건들 즉, 제작과 시공이 간편하면서도 발생하는 힘의 기둥으로의 효과적인 전달 및 충분한 내부공간의 확보 등과 같은 사항을 모두 만족시켜 주도록 된 것이 현재 건축되는 건축물에 사용되거나 이를 위해 개발되지 못하고 있고, 또한 기존의 접합구조물을 이용하는 경우 상기와 같은 여러 조건의 불만족에 따른 제막상이나 시공상의 문제들이 발생되어지게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제들을 해소하고자 발명된 것으로, 접합구조물의 구성부를 H형강과 L형강을 이용함과 더불어 하향용접으로 접합시킬 수 있게 되어 제작과 시공의 편리성을 도모하면서도, 철골보에서 발생하는 힘을 효과적으로 콘크리트기둥으로 전달시키도록 전달력에 적절한 지압면적을 확보하면서 휨모우멘트의 연속적인 전달도 가능함은 물론, 또한 그 내부공간을 크게 확장하여 콘크리트의 타설과 기둥철근의 조립도 용이하도록 된 건축물의 콘크리트기둥과 철골보연결용 접합구조물을 제공함에 그 목적이 있다.

제1도는 본 발명에 따라 건축물의 콘크리트기둥 내에 삽입되어 주변에 연결되는 철골보에 의해 가해지는 하중을 분산 및 지지하는 접합구조물의 사시도.

제2도는 본 발명에 따른 접합구조물의 일부분에 대한 구성을 도시한 부분 사시도.

제3도는 본 발명에 따른 건축물의 콘크리트기둥 내에 삽입된 접합구조물에 철골보가 연결되는 상태를 도시한 사용상태도.

제4도는 본 발명에 따른 접합구조물에 가해지는 하중의 상태를 도시한 하중분석도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 중앙컬럼부재 1a : 제1부재

1a',1b';3f,4f,5f,6f : 개구부 1b : 제2부재

2 : 외측컬럼부재 2a,2b,2c,2d : 측판부재

2a',2b',2c',24' : 삽입홀 3,4,5,6 : 연결부재

3a,4a,5a,6a : 상부플랜지 3b,3d,4b,4d,5b,5d,6b,6d : 접합면

3b',3d',4b',4d',5b',5d',6b',6d' : 에어홀

3c,4c,5c,6c : 하부플랜지 3e,4e,5e,6e : 웨브

7 : 모서리홀 10 : 콘크리트 기둥

20,20',20',20 : 철골보

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 접합구조물이 가해지는 하중을 분산 및 지지하여 내구력을 향상시키도록 중공의 사각체를 이루는 중앙컬럼부재와, 이 중앙컬럼부재에 간격을 두고 바깥에서 철골보다 큰 사각체를 이루는 외측컬럼부재 및, 이 외측컬럼부재들로 각각 관통되어 상기 중앙컬럼부재의 각 사각면으로 고정됨과 더불어 그 내부로 일정한 빈 공간을 형성하도록 개구된 개구부를 형성한 4개의 연결부재들로 이루어져, 상기 중앙/외측컬럼부재에 서로 90°각도로 상기 연결부재가 배열되어져 +자 단면형상의 입방체를 이루도록 구성된다.

여기서, 상기 연결부재가 관통되는 외측컬럼부재의 안쪽으로는 연결부재의 배열시 서로 접촉되지 않는 빈 공간을 형성하여 투입되는 콘크리트의 유입을 내부로 촉진시켜 주기 위해 내부로 관통되는 개구된 모서리홀들이 각 사각 모서리부위로 형성되어 진다.

따라서, 건축물의 철근콘크리트조 형식에 따른 콘크리트기둥의 시공 시 상기 접합구조물을 기둥철근과 함께 적정위치에 삽입시킨 다음, 콘크리트를 채워 넣게 되면 철근과 함께 상기 접합구조물이 굳혀지고, 이어 콘크리트기둥의 외부로 노출된 이 접합구조물의 각 연결부재로 연결되는 철골보를 용접이나 철골보올트와 너트같은 체결수단을 매개로 고정시켜 주면, 상기 접합구조물의 각 연결부재에 연결된 철골보에 의해 가해지는 전단력과 휨모우멘트를 지지 및 분산하여 주고, 특히 집중적으로 가해지는 전단력이 상기 연결부재와 접합된 중앙컬럼부재에 의해 분산 및 지지되어져 콘크리트기둥의 내구력을 크게 높여주는 작용을 하게 된다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따라 건축물의 콘크리트기둥 내에 삽입되어 연결되는 철골보에 의해 가해지는 하중집중을 분산 및 지지하는 접합구조물의 사시도를 도시한 것인 바, 건축물의 콘크리트기둥형상에 따라 적합한 형상, 본 발명의 경우 하나의 예로서 대략 +자 단면형상을 이루게 된다, 을 이루고 연결되는 철골보의 폭에 따라 적절한 높이를 갖춘 체적을 형성하는 접합구조물이 중공의 사각체를 이루는 중앙컬럼부재(1)와, 이 중앙컬럼부재(1)에 간격을 두고 바깥에서 철골보다 큰 사각체를 이루는 외측컬럼부재(2) 및, 이 외측컬럼부재 (2)들로 각각 관통되어 상기 중앙컬럼부재(1)의 각 사각면으로 고정됨과 더불어 그 내부로 일정한 빈 공간을 형성하도록 개구된 개구부를 형성한 4개의 연결부재(3,4,5,6)들로 이루어져 +자 단면형상의 입방체를 이루도록 구성된다.

여기서, 상기 외측컬럼부재(2)와 연결부재(3,4,5,6)들은 상기 중앙컬럼부재(1)의 각 측면을 따라 대칭적으로 고정되는 바, 즉 이를 제2도를 참조로 상세히 설명하면 동일한 ㄱ자 단면형상을 이루고 그 직각 모서리부위로 길이 방향을 따라 절개시킨 개구부(1a', 1b')를 형성한 제1/2부재(1a, 1b)를 서로 용접 고정하여 사각단면의 입방체를 형성한 중앙컬럼부재(1)의 4각측면으로는, 각각 상기 연결부재(3,4,5,6)의 단면형상을 따라 개구된 삽입홀(2a',2b',2c',2d')을 갖춘 측판부재(2a,2b,2c,2d)로 이루어진 외측컬럼부재(1)에 끼워진 연결부재(3,4,5,6)가 용접 고정되되, 이 연결부재(3,4,5,6)는 H자 단면형상을 이루도록 평평한 상/하부플랜지(3a,4a,5a,6a;3c,4c,5c,6c)와 웨브(3e,4e,5e,6e)로 이루어짐과 더불어, 상기 상/하우플랜지(3a,4a,5a,6a;3c,4c,5c,6c)의 선단부위에는 서로 접촉되어 밀착 되도록 경사진 접합면(3b,3d,4b,4d,5b,5d,6b,6d)과, 이 접합면(3b,3d,4b,4d,5b,5d,6b,6d)을 매개로 서로 접합 시 상기 측판부재(2a,2b,2c,2d)의 모서리에 의한 걸림을 방지하면서 콘크리트의 타설과 용접을 용이하게 하도록 반원형상으로 개구된 에어홀(3b',3d',4b',4d',5b',5d',6b',6d')이 형성되고, 또한 상기 웨브(3e,4e,5e,6e)에는 중앙컬럼부재(1)의 개구부위로 투입된 콘크리트와의 접촉면을 크게 하기 위해 대략 밖으로 벌어지는 ㄷ자 형상의 개구부(3f,4f,5f,6f)가 형성되어 진다.

이에 따라, 상기 중앙컬럼부재(1)의 제1/2부재(1a,1b)의 각 측면으로 고정된 상기 연결부재(3,4,5,6)는 중앙컬럼부재(1)에 서로 90°각도로 배열되어 +자 형상을 이루고, 상기 외측컬럼부재(2)의 각 측판부재(2a,2b,2c,2d)는 상기 중앙컬럼부재(1)로부터 설계조건에 따라 적절한 간격으로 떨어져 구비되어져 이 외측컬럼부재(2)의 각 모서리 부위로 상기 연결부재(3,4,5,6)와 접촉되지 않는 모서리홀(7)이 형성됨은 물론, 이때 용접으로 서로 고정 내지 연결되는 상기 부재(1,2,3,4,5,6)들의 그 크기와 두께 등의 사양은 건축물의 하중에 따라 용이하게 변형되어짐은 물론이다.

상기와 같이 서로 고정 내지 연결되는 상기 부재(1,2,3,4,5,6)들로 이루어진 본 발명의 접합구조물은 제3도에 도시된 바와 같이, 조립된 콘크리트기둥 거푸집에 놓여져 타설되는 콘크리트의 양생에 따라 형성된 콘크리트기둥(10)의 각 측면부위로 측판부재(1,1',1',1)의 각 연결부재(3,4,5,6)가 노출되며, 이어 노출된 이 연결부재(3,4,5,6)부위로 연결되는 철골보(20,20',20',20')가 각각 용접고정 되거나 철골보올트와 너트 같은 체결수단으로 고정되어 진다.

여기서, 콘크리트기둥(10)내에 삽입된 본 발명의 접합구조물은 콘크리트기둥(10)의 외부로 노출된 연결부재(3,4,5,6)의 일부 부위를 제외하고 타설된 콘크리트와 함께 양생되어 일체를 이루고, 이때 투입되는 콘크리트의 유입이 상기 중앙컬럼부재(1)를 통해서 유입됨과 더불어 상기 모서리홀(7)을 통해서도 유입되어져 콘크리트의 유입을 원활히 하게 됨은 물론, 유입된 콘크리트가 상기 중앙컬럼부재(1)의 제1/2부재(1a,1b)에 형성된 개구부(1a',1b')를 통해 상기 외측컬럼부재(2)의 각 측판부재(2a,2b,2c,2d)에 의해 형성된 공간으로 유입되어 콘크리트와 함께 고정되고, 이때 상기 연결부재(3,4,5,6)의 웨브(3e,4e,5e,6e)에 형성된 개구부(3f,4f,5f,6f)는 콘크리트와의 접촉면적을 크게 하여 고정력을 더욱 높여주게 된다.

이어, 제4도는 본 발명의 접합구조물이 콘크리트기둥(10)내에 삽입되어 철골보(20,20',20',20')가 연결되었을 때 이 접합구조물에 가해지는 하중과 이에 대한 반발력(휨모우멘트는 크게 작용되지 않아 생략하였음)을 도시한 것으로서, 상기 철골보(20,20',20,20')에 의해 연결부재(3,4,5,6)에 도면의 화살표 방향으로 각각 전단력(FS,FS',FS,FS')이 발생되면, 이에 따라 이 연결부재(3,4,5,6)에 연결된 중앙컬럼부재(1)에는 상기 전단력(FS,FS',FS,FS')에 대응하여 각각 대응전단력(AFS,AFS',AFS,AFS')이 발생되어, 결국 철골보(20,20',20,20')에 의해 작용하는 휨모우멘트는 물론 가장 크게 가해지는 전단력은 철골콘크리트 콘크리트기둥(10)내에 삽입된 접합구조물의 외측컬럼부재(2)와 중앙컬럼부재(1)로 분산 및 지지되어 전체적으로 콘크리트기둥(10)의 내구력을 향상시켜 주게된다.

여기서, 상기와 같이 본 발명의 접합구조물을 구성하는 각 부재(1,2,3,4,5,6)들에 가해지는 하중의 산정과 이에 따른 작용하중의 계산은 작용하는 하중의 크기에 따라 다르지만, 일례로서 건축물의 콘크리트기둥과 콘크리트기둥사이의 간격인 경간 즉, 스팬(Span)이 12m x 12m이고 이에 따른 일반적인 적재하중이 120ton인 경우를 가정하여 각 하중을 산출하면 다음과 같다. 여기서 약어나 기호 및 단위는 일반적으로 사용되어지는 약어나 기호 및 단위를 사용한다.

먼저, 본 발명의 접합구조물에 가해지는 전체적인 전단력 120ton에 대해 콘크리트의 관통면적은 총면적의 35%이며, L-200×200×1.5인 제1/2부재(1a,1b)로 이루어진 중앙컬럼부재(1)와 H-700×300×13×24이고 150×452인 개구부(3f,4f,5f,6f)인 연결부재(3,4,5,6) 및 12mm 두께인 측판부재(2a,2b,2c,2d)로 이루어진 외측컬럼부재(2)라 가정하는 경우, 본 발명의 접합구조물에 요구되는 요구지압면적 (A_req) = 120t/84 = 1430cm²에서 연결부재(3,4,5,6)의 지압부폭 (A_w) = 30×4 = 120cm이고, 소요지압부길이 (A_leng) = 1430/120 = 11.92cm ≒ 12cm이므로, 이에 따른 상기 연결부재(3,4,5,6)의 접합지압면적 (A_sa) = 12×120 = 1440cm²로 되어 요구지압면적 (A_req) = 120t/84 = 1430cm²보다 크게되어 만족하게 된다.

또한, 상기 연결부재(3,4,5,6)의 개구부(3f,4f,5f,6f)부위의 위험단면에서의 지압력을 고려하면, 휨모우멘트 (M) = (30×84kg/cm²) x 6.22/2 = 48434kgcm 이고 전단력(V) = (30×84kg/cm²)/2 = 15634kgcm인 경우, 상기 위험단면에서의 단면성능이 단면적 (A) = 2.4×30+1.3×15 = 91.5cm²이고 전단단면적 (A_s) = 1.3×15 = 19.5cm²이며 단면 2차모우멘트 (I) = 1562cm²에 따라, 상부단면성능(Z_top)= 1562/3.05 = 512.13cm²과 하부단면성능 (Z_bot) = 1562/14.35 = 108.85cm²으로 되므로, 이에 따라 상기 연결부재(3,4,5,6)의 휨모우멘트 (M) = 108.85×1600 = 174160kgcm로 되어 가해지는 휨모우멘트 (M) = 48434kgcm 철골보다 크게 됨은 물론, 또한 상기 연결부재(3,4,5,6)의 허용전단력 (V_aow) = 19.5x924kg/cm²= 18018kg으로 되어 가해지는 전단력 (V) = 15624kg 철골보다 크게 되어 설계조건에 만족스러운 내구력을 갖게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 가해지는 하중을 분산 및 지지하기 위한 접합구조물이 건축물의 콘크리트기둥 내에 삽입되어 콘크리트기둥의 4면으로 노출되도록 서로 서로 90°각도로 중앙컬럼부재에 배열된 4개의 연결부재들과, 이 연결부재들에 끼워져 상기 중앙컬럼부재와 일정간격을 형성한 외측컬럼부재들로 +자 단면형상의 사각입방체를 이룬 구조로 되어, 접합구조물의 형상에 따른 내부의 공간을 크게 하여 콘크리트의 유입을 촉진시켜 별도의 부수적인 작업을 수반하지 않게 되면서도 콘크리트와의 접촉면적을 크게 하여 접촉력도 철골보다 크게 됨은 물론, 건축물의 각 콘크리트기둥과 철골보의 연결부위로 전단력과 휨모우멘트, 특히 주요하게 가해지는 전단력에 대한 내구력을 크게 높일 수 있게되는 효과가 있다.

Claims

건축물의 콘크리트기둥의 4각 측면에 연결된 철골보에 의해 가해지는 하중을 분산 및 지지하도록 된 건축물의 콘크리트기둥과 철골보 연결용 접합구조물에 있어서, 상기 콘크리트기둥(10)의 4각 측면으로 돌출되도록 중공의 사각체를 이루는 중앙컬럼부재(1)에 간격을 두고 바깥에서 철골보다 큰 사각체를 이루는 외측컬럼부재(2) 및, 이 외측컬럼부재(2)들과 각각 관통되어 상기 중앙컬럼부재(1)의 각 4각면으로 고정됨과 더불어 그 내부로 일정한 빈 공간을 형성하도록 개구된 개구부를 형성한 4개의 연결부재(3,4,5,6)들로 이루어져 +자 단면형상의 입방체를 이루도록 구성된 것을 특징으로 하는 건축물의 콘크리트기둥과 철골보 연결용 접합구조물.
제1항에 있어서, 상기 중앙컬럼부재(1)가 동일한 ㄴ자 단면형상을 이루고 그 직각 모서리부위로 길이 방향을 따라 절개시킨 개구부(1a',1b')를 형성한 제1/2부재(1a,1b)를 서로 용접 고정하여 사각단면의 입방체를 형성된 것을 특징으로 하는 건축물의 콘크리트기둥과 철골보 연결용 접합구조물.
제1항에 있어서, 상기 연결부재(3,4,5,6)는 I자 단면형상을 이루도록 평평한 상/하부플랜지(3a,4a,5a,6a;3c,4c,5c,6c)와 웨브(3e,4e,5e,6e)로 이루어짐과 더불어, 상기 상/하부플랜지(3a,4a,5a,6a;3c,4c,5c,6c)의 선단부위에는 서로 접촉되어 밀착 되도록 경사진 접합면(3b,3d,4b,4d,5b,5d,6b,6d)과, 이 접합면(3b,3d,4b,4d,5b,5d,6b,6d)을 매개로 서로 접합 시 상기 측판부재(2a,2b,2c,2d)의 모서리에 의한 걸림을 방지하도록 반원형상으로 개구된 에어홀(3b',3d',4b',4d',5b',5d',6b',6d')이 형성하도록 된 것을 특징으로 하는 건축물의 콘크리트기둥과 철골보 연결용 접합구조물.
제3항에 있어서, 상기 웨브(3e,4e,5e,6e)에는 중앙컬럼부재(1)의 개구부위로 투입된 콘크리트와의 접촉면을 크게 하기 위해 대략 밖으로 벌어지는 ㄷ자 형상의 개구부(3f,4f,5f,6f)가 형성됨과 더불어, 상기 중앙컬럼부재(1)로부터 설계조건에 따라 적절한 간격으로 떨어져 구비된 외측컬럼부재(2)의 각 모서리 부위로 상기 연결부재(3,4,5,6)와 접촉되지 않는 모서리홀(7)이 형성되어진 것을 특징으로 하는 건축물의 콘크리트기둥과 철골보 연결용 접합구조물.