KR100399341B1 - 전단링을 이용한 강재의 접합구조 및 그 강재의 접합공법 - Google Patents

전단링을 이용한 강재의 접합구조 및 그 강재의 접합공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 볼트와 전단링을 이용하여 전단력이 작용할 수 있는 모재와 덧판또는 판과 판의 접합구조를 실현시키고, 시공작업성을 향상시키며, 재료 절감하고, 접합강도 및 내구성을 향상할 수 있는 강재의 접합구조 및 그 강재의 접합공법을 제공한다. 그 강재의 접합구조는, 복수개의 모재와 덧판의 볼트공을 통해 볼트와 너트에 의해 체결되며, 상기 모재와 덧판이 서로 접촉되는 면의 각각에 형성되는 적어도 한 줄 이상의 고리형 홈에 전단링을 삽입하여 볼트와 너트의 체결력과 함께 모재와 덧판을 결합시키는 강재의 접합구조에 있어서: 상기 볼트와 너트의 체결력에 대항하여 온도의 변화, 정적 하중이나 진동, 지진, 동적 하중 등에 의한 모재와 덧판의 변형이나 변위를 상기 볼트공의 측벽부가 볼트에 접촉하기 직전까지 허용하고, 그 이후의 변형이나 변위에 의해 전단링에 전단력이 작용하도록 볼트공의 여유공간보다 작은 여유공간이 모재와 덧판의 어느 하나의 고리형 홈에 마련되고, 상기 변형이나 변위가 일어난 때에 모재와 덧판의 접합면으로부터 상하로 적어도 일부분에 걸쳐 모재의 측벽부와 접촉하는 중앙측벽면이 모재와 대응하여 상기 전단링의 측벽면에 마련된 것을 특징으로 한다.

Description

전단링을 이용한 강재의 접합구조 및 그 강재의 접합공법{apparatus and method for jointing a plurality of steel members using shear rings}
일반적으로 다양한 강판 내지 강재비임 접합 내지 체결구조가 교각, 고가다리, 고층건물 등의 건축, 토목 이외에 조선, 항공 및 일반 기계장치에도 이용되고 있으며, 이 때에 강판 또는 강재비임(이하, "강재비임"이라 한다) 간에 상호 체결 또는 접합수단으로 용접법, 볼트 체결법 등이 이용되고 있다.
용접법은 용접의 어려움 때문에 현장에서 적용하기가 어렵거나 부식 등의 문제로 볼트의 축력에 의한 마찰력에 의존한 마찰접합방법이 거의 범용되고 있다. 그러나, 볼트의 축력에 의존한 마찰접합 또는 단순 볼트체결 방법의 경우, 강재빔의 체결 또는 접합공정의 완료후 장래적으로 초기 상태를 계속해서 유지할 수 있는 한계는 장기적인 볼트의 축력 또는 볼트의 단순 전단력범위 내에서 가능하게 된다.
따라서, 수백톤에 이르는 비임들의 하중을 볼트의 축력에 의한 마찰력으로 유지되도록 많은 수의 볼트와 너트를 체결시켜 강재비임을 결합함에 따라 엄청난 인력과 장비가 낭비되는 문제점이 있으며, 또 필요로 하는 체결력을 얻기가 어렵고, 공기가 지연되는 등의 문제가 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 접합면의 마찰력을 증대시키도록 볼트와 너트의 체결시 모재에 파고들어가는 다수의 보강편을 접합면에 삽입시키거나, 그 접합면이 요철면을 지니도록 구성된 발명들이 제안되었었다(마찰접합법). 그러나, 이러한 마찰력의 증대만으로는 평균 1.5배의 결합력밖에는 얻을 수가 없어 여전히 많은 수의 볼트와 너트를 사용하여야만 한다는 문제가 있으며, 여기에 더 큰 문제는 이에 따라 많은 수의 볼트공으로 인한 모재의 유효단면적의 감소로 인하여 결합강도가 제한될 수밖에 없었으며, 시공 공수가 많이 소요된다는 문제도 있다. 또, 특히 장시간의 동적 하중에 의해 볼트가 풀린 경우, 다른 대안이 없다는 문제도 있었다.
또, 다수의 보강편을 접합면사이에 배치시키는 것은 접착제를 사용하여 부착시키더라도 다시 떨어져버리는 문제가 있으며, 또, 그 보강편을 압입시킬 수 있는 볼트의 체결력을 얻기가 어려워 시공상 불가능한 것으로 알려져 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명자가 발명하여 출원한 것으로 대한민국 특허출원 제98-23239호에 있어서는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 체결대상요소(1,2)를 그 체결공(3)에서 볼트(6), 너트(7) 및 와셔(8)로 체결함과 동시에 그체결대상요소(1,2)에 고리형 홈(4)을 형성하고, 그 고리형 홈(4)에 압입링(5)을 압입시켜 전단력이 작용하도록 구성된 것이다.
이와 같이 구성함으로써 많은 수의 볼트 및 너트가 절감될 수 있게 되지만,체결대상요소(1,2)의 일측의 고리형 홈(4)에 압입링(5)의 일부를 압입한 후, 체결대상요소(1,2)를 접합시키는 과정에서 체결대상요소(1,2)의 다른 일측의 고리형 홈(4)에 압입링(5)의 다른 일부를 압입시키기가 어려워 실제 시공상으로 적용하는 것은 거의 불가능하였다. 또, 압입링(5)의 고리형 몸체(5a)의 측벽면(5b)을 경사지게 하고, 모서리부(5c)를 경사지게 하여 압입시킨 경우, 압입 및 체결대상요소(1,2)의 접합이 보다 용이하게 되지만, 경사진 측벽면(5b)에 의한 분력으로 더욱 볼트(6)에 인장하중이 심하게 작용하게 되어 볼트(6)의 파손을 촉진한다는 문제가 있었다.
또한, 어렵게 압입링(5)을 압입하여 체결대상요소(1,2)를 접합시킨 후, 각종 부하조건에서 실험한 결과, 온도의 변화, 정적 하중이나 진동, 지진, 동적 하중 등에 의해 압입링(5)의 전단발생이전에 도 18 및 도 20에 도시된 바와 같이 압입링(5)에 비해 면압강도가 약한 체결대상요소(1,2)가 쉽게 국부적으로 파열 내지 파손되고, 나아가, 그 국부적인 파손 및 파열에 의해 볼트(6)가 파손되어 버려 실제 적용을 할 수 없다는 문제점을 발견하였다.
따라서, 본 발명자는 위와 같은 발명을 실제 적용하지 못하고 실험하는 가운데 그 해결책을 얻게 된 것이다.
본 발명은, 전단링을 이용한 강재의 접합구조 및 그 강재의 접합공법에 관한 것으로, 더 상세하게는 특히 건물, 다리, 기계와 같은 강철구조물을 구축할 때 볼트와 전단링을 이용하여 강재의 모재와 덧판 또는 판과 판의 접합구조를 실현시킬 수 있고, 나아가, 시공작업성을 향상시키며, 재료를 절감하고, 접합강도 및 내구성을 향상할 수 있게 되는 전단링을 이용한 강재의 접합구조 및 그 강재의 접합공법에 관한 것이다.
도 1은 압입링을 이용하는 강재의 접합구조를 도시하는 사시도,
도 2는 도 1의 체결구조의 단면도,
도 3은 도 2의 압입링을 체결대상요소의 하나에 압입시킨 상태에서 다른 하나의 체결대상요소에 압입시키는 과정을 설명하기 위한 부분확대단면도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전단링을 이용한 강재의 접합구조를 도시하는 단면도,
도 5는 도 4의 접합상태의 구조를 도시한 타원 P의 전단링 부분의 확대단면도,
도 6은 도 4의 선 6-6 단면도,
도 7a 내지 도 7b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 접합구조를 도시한 도 5의 유사도,
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 접합구조를 도시한 도 5의 유사도,
도 9는 본 발명에 따른 전단링 구조의 일예를 도시한 사시도,
도 10은 본 발명에 따라 전단링을 덧판에 에 압입,고정시키는 과정을 설명하기 위한 부분확대단면도,
도 11은 본 발명의 작용을 설명하기 위한 단면도,
도 12는 본 발명의 작용을 설명하기 위한 도 6과 유사한 평면도,
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따라 덧판과 모재를 결합시키는 과정을 설명하기 위한 단면도,
도 14는 본 발명이 적용된 다른 접합구조를 도시하는 단면도,
도 15는 도 14에서 덧판에 전단링이 압입된 상태를 도시하는 사시도,
도 16은 본 발명이 적용되는 다양한 접합구조를 포함하는 전단링의 배치도,
도 17은 볼트공과 고리형 홈을 동시에 가공하기 위한 공구의 일예를 도시한 사시도,
도 18은 종래의 압입링에 의한 접합구조에서 과도한 하중이 작용한 결과의 상태를 도시한 일부 생략 평면도,
도 19는 본 발명의 접합구조에서 과도한 하중이 작용한 결과의 상태를 도시한 일부 생략 평면도,
도 20는 종래의 압입링에 의한 접합구조에서 좌굴현상을 설명하기 위한 일부 생략 정면도,
도 21은 본 발명의 접합구조에서 좌굴현상을 설명하기 위한 일부 생략 정면도.
즉, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 결함 및 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 볼트와 전단링을 이용하여 강재의 모재와 덧판을 체결함에 있어서, 실제 전단력이 작용할 수 있는 접합구조를 실현시킬 수 있고, 나아가, 시공작업성을 향상시키며, 재료를 절감하고, 접합강도 및 내구성을 향상할 수 있게 되는 전단링을 이용한 강재의 접합구조 및 그 강재의 접합공법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 상술한 목적을 달성하기 위한 전단링을 이용한 강재의 접합구조는, 서로 겹쳐져 체결되어 접합되는 복수개의 모재와 덧판의 각각에 볼트공이 형성되고, 그 덧판과 모재의 볼트공을 통해 그 덧판과 모재가 볼트와 너트에 의해 체결되며, 상기 모재와 덧판이 서로 접촉되는 면의 각각에 적어도 한 줄 이상의 고리형 홈이 형성되고, 그 모재와 덧판의 고리형 홈에 삽입되는 전단링에 의해 상기 볼트 및 너트와 함께 모재와 덧판의 미끄러짐을 방지시키기 위한 강재의 접합구조에 있어서: 상기 볼트와 너트의 체결력에 대항하여 온도의 변화, 정적 하중이나 진동, 지진, 동적 하중 등에 의한 모재와 덧판의 변형이나 변위를 상기 볼트공의 측벽부가 볼트에 접촉하기 직전까지 허용하고, 그 이후의 변형이나 변위에 의해 전단링에 전단력이 작용하도록 볼트공의 여유공간보다 작은 여유공간이 모재와 덧판의 어느 하나의 고리형 홈에 마련되고, 상기 변형이나 변위가 일어난 때에 모재와 덧판의 접합면으로부터 상하로 적어도 일부분에 걸쳐 모재의 측벽부와 접촉하는 중앙측벽면이 모재와 대응하여 상기 전단링의 측벽면에 마련된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전단링을 이용한 강재의 접합구조는,서로 겹쳐져 체결되어 접합되는 복수개의 모재와 덧판의 각각에 볼트공이 형성되고, 그 덧판과 모재의 볼트공을 통해 그 덧판과 모재가 볼트와 너트에 의해 체결되며, 상기 모재와 덧판이 서로 접촉되는 면의 각각에 적어도 한 줄 이상의 고리형 홈이 형성되고, 그 모재와 덧판의 고리형 홈에 삽입되는 전단링에 의해 상기 볼트 및 너트와 함께 모재와 덧판의 미끄러짐을 방지시키기 위한 강재의 접합구조에 있어서: 온도의 변화, 정적 하중이나 진동, 지진, 동적 하중 등에 의한 모재와 덧판의 변형이나 변위가 거의 없는 경우, 거의 여유공간없이 모재의 고리형 홈에 전단링의 삽입을 유도하도록 전단링의 상단부 양측모서리에 삽입유도면이 형성된 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구조에 의해 더욱 용이하게 모재의 고리형 홈에 삽입 내지 압입할 수 있게 되어 시공성이 크게 향상되며, 나아가, 거의 여유공간없이 고리형 홈에 전단링이 결합될 수 있어 덧판과 모재의 접합을 더욱 견고하게 할 수 있게 된다.
또, 본 발명에 따른 전단링을 이용한 강재의 접합공법은, 서로 겹쳐져 체결되어 접합되는 복수개의 모재와 덧판의 각각에 볼트공을 형성하는 볼트공 형성단계와; 상기 모재와 덧판이 서로 접촉되는 면의 각각에 적어도 한 줄 이상의 고리형 홈을 형성하며, 그 덧판의 고리형 홈은 전단링의 일부가 압입되는 크기로 형성하고, 모재의 고리형 홈은 여유공간을 갖는 크기로 형성하는 고리형 홈 형성단계와; 상기 덧판의 고리형 홈에 전단링의 일부를 압입시켜 고정시키는 전단링 일부의 고정단계와; 모재와 덧판을 겹친 상태에서 상기 덧판과 모재의 접합면을 서로 근접시키면서 덧판과 모재를 상대적으로 변위시켜 고리형 홈의 여유공간을 지니는 모재의고리형 홈에 전단링의 일부를 삽입시키고, 적어도 그 상태를 유지시킴으로써 덧판과 모재를 정열시키는 전단링 다른 일부의 삽입단계; 상기 덧판과 모재의 볼트공에 볼트를 삽입시키는 볼트 삽입단계; 그리고, 상기 모재와 덧판의 볼트공에 삽입된 볼트에 너트로 체결시킴으로써 모재와 덧판의 고리형 홈에 전단링을 완전히 삽입, 압입시켜 모재와 덧판을 볼트, 너트와 전단링에 의해 접합시키는 볼트체결단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 전단링을 이용한 강재의 접합구조가 단면도로서 도시되고, 도 5에는 도 4의 접합상태의 구조중 전단링 부분이 확대단면도로서 도시되며, 도 6에는 도 4의 선 6-6 단면도가 도시된다.
도 4 내지 도 6에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 전단링(10)을 이용한 강재인 모재(110)와 덧판(120)의 접합구조는, 도 1에서와 같이, 복수개의 모재(110)와 덧판(120)의 각각에 볼트공(111),(121)이 형성되고, 그 덧판(120)과 모재(110)이 서로 겹쳐진 후, 볼트공(111),(121)을 통해 그 덧판(120)과 모재(110)가 볼트(30)와 너트(31)에 의해 체결됨으로써 이루어진다.
상기 모재(110)와 덧판(120)이 서로 접촉되는 면의 각각에 적어도 한 줄 이상의 고리형 홈(112),(122)이 형성되고, 상기 볼트(30) 및 너트(31)와 함께 모재(110)와 덧판(120)의 미끄러짐을 방지시키도록 그 모재(110)와 덧판(120)의 고리형 홈(112),(122)에 전단링(10)이 삽입된다.
이와 같은 구조에 있어서, 본 발명의 일실시예에 따라서는 볼트공(111),(121)의 여유공간(d1)보다 작은 여유공간(d2)이 모재(110)의 고리형 홈(112)에 마련된다.
이와 같이 여유공간(d2)이 고리형 홈(112)에 마련됨으로써 다음과 같은 작용효과를 하게 된다. 즉, 온도의 변화, 정적 하중이나 진동, 지진, 동적 하중 등이 작용하는 경우, 전단링(10)에 직접 작용하게 되면, 특히 온도의 변화에 따른 수축이나 팽창력은 철의 선팽창계수(1.2×10-5 l/℃)에 따라 발생하기 때문에 이를 견디지 못하여 도 18에 도시된 바와 같이 면압강도가 약한 모재(110)가 W부분에서 국부적으로 파열 내지 파손되어 접합면사이로 돌출하게 되고, 이에 따라 볼트(6)가 파손되어 버리게 된다. 그러나, 본 발명에 따라서, 여유공간(d2)이 모재(110)의 고리형 홈(112)에 마련됨으로써 온도의 변화에 따른 수축이나 팽창력 등에 의한 변형이나 변위를 흡수할 수 있게 되고, 그 여유공간(d2)보다 변형이나 변위가 커지려는 힘에 대항하여서만 전단링(10)에 전단력으로 작용하게 되어 변형 초기와 같은 큰 힘이 작용하게 되지는 아니한다. 이에 따라, 도 18에서와 같은 변형력이 작용하더라도 도 19에 도시된 바와 같이 본 발명에 따라 여유공간(d2)이 고리형 홈(112)에 마련된 경우, 전단링(10) 및 모재(110)의 볼트공(111),(121)은 원형을 그대로 유지하여 종래와 달리 안전상태를 유지할 수 있게 된다. 이에 따라 압입링이 아닌 전단링(10)의 채용이 실현될 수 있게 된다.
또한, 동일한 하중에 의해 좌굴이 일어나는 경우에도 유사한 이유로 도 2의 구조와 도 4의 구조에 대하여 도 20과 도 21에 도시된 바와 같이 나타난다.
즉, 도 20에서는 접합부에서 모재(110)의 수축, 팽창 등의 변형 내지 변위를흡수할 수 없기 때문에 모재(110)의 팽창 내지 수축길이 만큼 모재(110)가 좌굴되는 현상을 보이고 있다.
그러나, 본 발명에 따른 접합구조에서는 도 21에 도시된 바와 같이, 여유공간(d2)에 의해 좌굴이 흡수되어 방지되거나, 최소화되는 효과를 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따라, 전단링(10)의 삽입에 있어 모재(110)와의 사이에 여유공간(d2)이 마련됨으로써 모재(110)의 파손이나 좌굴에 대한 강도를크게 증가시킬 수 있으며, 또한, 구조물의 변형량이나, 예측되는 좌굴정도에 따라 그 여유공간(d2)을 조절함으로써 접합부의 유동성을 확보하여 큰 변형력을 흡수할 수 있다는 장점이 있다.
또, 본 발명에서는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 모재(110)의 고리형 홈(112)의 여유공간(d2)을 볼트공(111),(121)의 여유공간(d1)보다 작게 설정함으로써 측방향의 하중이 전단링(10)에 걸리고, 볼트(30)에는 전혀 작용하지 아니하게 하는 것이 더욱 바람직하다. 이 경우, 측방향의 하중이 1차적으로는 상기 볼트(30)와 너트(31)의 체결력이 대항하여 작용하게 되지만, 그 체결력에 의한 저항력보다 커져 전단링(10)에 전단력을 가하는 경우, 2차적으로 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 상기 볼트공(111),(121)의 측벽부가 볼트(30)에는 접촉하지 아니하게 되어 전단력이 볼트(30)에 작용하지는 아니하게 된다. 이에 따라 복합응력이 볼트(30)에 작용하지 아니하게 되어 종래의 마찰접합법에 비해 크게 볼트수를 감소시킬 수 있게 되고, 모재(110) 내지 덧판(120)의 유효단면적을 크게 증가시킬 수 있게 되어 두께 내지 폭을 감소시킬 수 있기 때문에 재료를 크게 절감할 수 있게 된다.
또한, 유효단면적을 크게 할 수 있어 볼트공(111),(121)의 여유공간(d1)을 증가시키는 것이 가능하며, 전단링(10)에 의한 충분한 접합강도를 얻을 수 있어 두께가 보다 두꺼운 모재(110)와 덧판(120)의 강재를 채용하는 것이 가능하게 된다.
한편, 본 발명에 따라서는 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이 모재(110) 내지 덧판(120)의 변형이나 변위가 일어나, 힘이 전단링(10)에 가하여진 때에 가급적 순수한 전단력이 전단링(10)에 작용할 수 있도록 모재(110)와 덧판(120)의 접합면으로부터 상하로 적어도 일부분에 걸쳐 모재(110)의 측벽부와 접촉하는 중앙측벽면(15)이 모재(110)와 대응하여 상기 전단링(10)의 측벽면에 마련되는 것이 요구된다.
또한, 도 4 내지 도 8에서 상기 여유공간(d2)은, 고리형 홈(112,122)의 중심원이 서로 일치되게 형성됨과 동시에 상기 덧판(120)의 고리형 홈(112)보다 모재(110)의 고리형 홈(122)의 폭을 더 크게 구성함으로써 양측으로 동일하게 형성된다. 부하의 종류와 조건에 따라서는 일측만에 여유공간(d2)을 형성시키는 것도 가능하다.
또, 본 발명의 접합구조에 있어서, 상기 전단링(10)이 덧판(120)의 고리형 홈(122)에 그 일부가 삽입 내지 압입된 때에, 이탈을 방지하도록 구성하는 것이 덧판(120)과 모재(110)의 접합을 용이하게 할 수 있어 바람직하다. 이러한 이탈을 방지하기 위해 전단링(10)의 일부를 덧판(120)의 고리형 홈(122)에 압입시켜 고정시킬 수 있으며, 또한, 전단링(10)의 외측 측벽면에 이탈방지돌기(16)를 도 5 및 도 9에 도시된 바와 같이 형성함으로써 압입된 때에 더욱 이탈이 방지될 수 있게 된다. 또, 전단링(10)과 덧판(120)의 고리형 홈(122)사이에 접착제를 도포하여 접착시킴으로써 이탈을 방지시키고 고정시킬 수 있으며, 전단링(10)에 자성처리를 하여 자화시킴으로써 자력에 의해 이탈을 방지시킬 수도 있다. 이와 같은 구성들은 중복하여 채용될 수도 있으며, 이탈 방지력이 충분한 때에는 도 7b 및 도 9에서와 같이 릴리프면(17)을 형성하여 압입력을 저감시키는 것이 바람직하다.
또, 도 8에 도시된 바와 같이 덧판(120)의 고리형 홈(122) 및 전단링(10)의일 측벽면에 나사(T)를 형성하여 나사체결시킴으로써 덧판(120)의 고리형 홈(112)으로부터 이탈을 방지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 덧판(120)의 고리형 홈(122)에 삽입하는 것도 나사운동에 의해 용이하게 이루어질 수 있다.
도 4 내지 도 8에는 본 발명의 접합구조에 있어서, 전단링(10)의 일부가 덧판(120)의 고리형 홈(112)에 위와 같은 방법으로 고정된 후, 도 13a 및 도 13b에서와 같이 A 내지 D의 순서로 시공이 이루어진다. 도 13a 및 도 13b에서와 같이 덧판(120)을 모재(110)에 근접시키면서 전단링(10)의 다른 일부를 모재(110)의 고리형 홈(112)에 삽입하기 용이한 여러 가지 구조가 도시된다. 도 5에서는 챔퍼(11)가 전단링(10)의 상하단의 양측 모서리에 형성된다. 또, 도 6에는 원호면(12)이 중앙측벽면(15)의 상부에 형성된 것이 부분단면으로 도시되며, 도 7b에서는 경사면(13)이 중앙측벽면(15)의 상부에 형성된다. 이와 같이 원호면(12), 경사면(13) 또는 챔퍼(11)가 형성됨으로써 도 13a에 도시된 바와 같이 덧판(120)과 모재(110)를 접합시킬 때에는 여유공간(d2)과 함께 모재(110)의 고리형 홈(112)에 용이하게 걸릴 수 있게 되고, 삽입이 용이하게 이루어질 수 있게 되므로 전단링(10)의 채용이 가능하게 하고 시공성이 크게 향상될 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 접합구조는, 도 13b에 도시된 바와 같이 거의 여유공간없이 전단링(10)이 모재(110)의 고리형 홈(112)에 삽입되고 전단링(10)의 상단부 양측모서리에 삽입유도면(18)이 형성된 구조로서, 온도의 변화, 진동, 지진, 동적 하중 등에 의한 모재(110)와 덧판(120)의 변형이나 변위가 거의 없는 경우에 적용될 수 있다. 이 경우에는 전단링(10)의 다른 일부가 모재(110)의고리형 홈(112)에 걸림으로써 삽입하기 용이할 뿐만 아니라, 볼트(30)의 체결시 그 삽입유도면(18)에 의해 전단링(10)의 삽입이 유도되게 되어 더욱 용이하게 삽입될 수 있게 된다. 이에 따라 시공성이 더욱 크게 향상될 수 있다. 또한, 그 전단링(10)이 완전히 삽입된 때에 삽입유도면(18)과 접촉하는 접촉면을 고리형 홈(112)에 형성함으로써 더욱 확고하게 접합될 수 있게 된다.
볼트공(111,121)과 동심원이 아닌 위치에 고리형 홈(112',122')만이 형성되고, 그 고리형 홈(112'),(122')에 전단링(10)이 설치되는 것도 가능하지만(도 16 참조), 도 17에는 상기 고리형 홈(112,122)의 적어도 하나가 상기 모재(110)와 덧판(120)의 볼트공(111),(121)과 동심원으로 형성되는 경우, 그 고리형 홈(112,122)과 볼트(30)를 동시에 가공할 수 있는 동시가공공구(20)가 도시된다. 그 동시가공공구(20)는, 회전축(23)상에 설치된 동심의 볼트공가공날(21)과 홈가공날(22)을 일체로 구비하며, 이러한 구성의 동시가공공구(20)에 의해 고리형 홈(112,122)과 볼트(30)사이의 가공오차를 제거할 수 있어 더욱 정밀한 가공이 이루어질 수 있으며, 이에 따라 정밀한 시공이 이루어 질 수 있게 된다.
이러한 가공면에서 고리형 홈(112),(122) 및 전단링(10)의 외주가 원형인 것이 가장 바람직하다. 즉, 도 12에 도시된 바와 같이 원형의 전단링(10)을 채용한 경우, 화살표로 도시된 바와 같이 전단력이 평면내에서 다양한 각도로 분산되고, 전단링(10)의 거의 측벽면의 전면적과 고리형 홈(112),(122)의 측벽면의 거의 전면적에 걸쳐 전단력이 전달되게 되어 가장 효과적인 전단링(10)을 구성하게 된다. 한편, 다각형이라도 본 발명이 적용될 수는 있다. 또한, 전단링(10)의 외주가 폐쇄형으로 도시되고, 설명되지만, 그 전단링(10)이 어느 곳에서 단절된 개방형으로 형성되더라도 본 발명이 적용될 수 있다.
상기 전단링(10)은 부식 내지 산화가 방지되는 재료(예: SUS 630등의 열처리된 스테인레스 강)로 형성하거나, 저가인 일반 구조용 강철의 경우, 산화를 방지시키기 위해 열처리후 녹방지처리되는 것이 바람직하다. 또, 전단링(10)은, 모재(110)와 덧판(120) 보다 강도 및 경도가 같거나, 높은 재질로 형성되는 것이 바람직하고, 강재비임 보다 높은 강도와 경도를 갖는 합성수지도 채용될 수 있을 것이다. 또, 시공후 방사능 검사, X선 검사, 초음파 검사, 자력검사 등의 비파괴검사에 의해 전단링(10)의 유무와 그 위치를 검사하기 위해 전단링(10)이 비파괴검사 반응물질을 함유하여 형성되는 것이 바람직하며, 규격이나 품종 등의 구별과 함께 검사할 수 있도록 바코드와 같은 식별자가 전단링(10)의 외주면에 형성될 수도 있다.
도 14 및 도 15에는 3줄의 고리형 홈(112),(122)을 모재(110)와 덧판(120)에 각각 형성하고, 서로 직경이 다른 3개의 전단링(10)을 각각 삽입하여 접합한 구조가 도시된다. 또, 도 16에는 위와 같이 볼트공(111),(121)과 동심원상의 하나의 고리형 홈(112),(122)에 설치되는 하나의 전단링(10), 볼트공(111),(121)과 동심원상의 3줄의 고리형 홈(112),(122)에 설치되는 3개의 전단링(10) 및 볼트공(111,121)과 동심원이 아닌 위치의 고리형 홈(112',122')에 설치되는 전단링(10)으로 구성되는 접합구조의 배치도가 도시된다. 이와 같이 다양한 구조로 전단링(10)을 설치하고, 이에 본 발명을 적용하는 것도 가능하다.
상술한 구조의 본 발명을 실시하기 위한 강재의 접합공법은, 도 10, 도 13a 및 도 13b에서 알 수 있는 바와 같이, 기본적으로는 덧판(120)의 고리형 홈(122)에 전단링(10)의 일부를 삽입하여 결합한 후, 전단링(10)의 다른 일부를 모재(110)의 고리형 홈(112)에 삽입시키면서 모재(110)의 상, 하부에 덧판(120)을 근접,접촉시키고, 볼트(30)를 모재(110)의 볼트공(111)과 덧판(120)의 볼트공(121)에 삽입하여 너트(31)로 체결함으로써 전단링(10)을 동시에 완전히 결합시키는 것이다.
이를 위해, 먼저, 볼트공 형성단계에서 서로 겹쳐져 체결되어 접합되는 복수개의 모재(110)와 덧판(120)의 각각에 볼트공(111),(121)을 형성하고, 고리형 홈 형성단계에서 상기 모재(110)와 덧판(120)이 서로 접촉되는 면의 각각에 적어도 한 줄 이상의 고리형 홈(112),(122)을 형성한다. 이때, 그 덧판(120)의 고리형 홈(122)은 전단링(10)의 일부가 압입되는 크기로 형성하고, 모재(110)의 고리형 홈(112)은 여유공간(d2)을 갖는 크기로 형성한다. 이와 같은 여유공간(d2)은, 여유공간(d1)보타 작게 대략 0 < d2 < 1.5㎜의 범위에서 설정될 수 있지만, 이 여유공간(d2)은 건축용 볼트, 토목용 볼트 등의 볼트의 종류 또는 볼트공의 크기, 재질, 모재(110)와 덧판(120)의 재질 등 사용되는 자재의 규격에 따라 변경될 수 있다.
도 13b에 도시된 바와 같이 거의 여유공간없이 전단링(10)이 모재(110)의 고리형 홈(112)에 삽입되도록 설계된 경우에는 여유공간(d2)을 갖지 아니하는 크기로 모재(110)의 고리형 홈(112)이 가공되며, 상기 고리형 홈(112,122)이 상기 모재(110)와 덧판(120)의 볼트공(111),(121)과 동심원으로 설계된 경우에는 도 17에서와 같은 동시가공공구(20)로 위의 볼트공 형성단계와 고리형 홈 형성단계가 동시에 실시될 수 있게 된다. 또, 다수의 볼트공(111),(121)이나 고리형 홈(112),(122)을 가공하기 위해 다축의 공구를 지니는 다축드릴머신에 의해 일시에 가공될 수도 있다.
그 뒤, 도 10에 도시된 바와 같이 전단링 일부의 고정단계에서 덧판(120)의 고리형 홈(122)에 전단링(10)의 일부를 압입시켜 고정시킨다. 도 8에서와 같이 나사가 형성된 때에는 압입시키는 대신 전단링(10)을 회전시켜 고정시킨다. 이와 같이 전단링(10)이 고정된 덧판(120)을 전단링 다른 일부의 삽입단계에서 도 13a에 도시된 바와 같이 모재(110)의 접합면에 근접시키면서 덧판(120)을 모재(110)에 대해 변위시키면서 여유공간(d2)을 지니는 모재(110)의 고리형 홈(112)에 전단링(10)이 걸린 때에 그 전단링(10)의 일부가 삽입되게 되고, 덧판(120)과 모재(110)의 정열이 이루어지게 된다. 이때, 적어도 그 삽입된 상태를 유지시키면서, 덧판(120)과 모재(110)의 볼트공(111),(121)에 볼트(30)를 삽입시키는 볼트 삽입단계를 실시한다.
도 5 내지 도 7b에서와 같이 원호면(12), 경사면(13) 또는 챔퍼(11)가 전단링(10)의 중앙측벽면(15)이외의 양 단부 근처에 형성된 때에는 상기 전단링 일부의 고정단계가 편리하게 이루어질 수 있으며, 도 13b에서와 같이 삽입유도면(18)이 형성된 때에는 상기 전단링 다른 일부의 삽입단계 및 볼트체결단계가 더욱 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
그 다음, 볼트체결단계에서 볼트공(111),(121)에 삽입된 볼트(30)에 너트(31)로 체결시킴으로써 모재(110)와 덧판(120)의 고리형 홈(112),(122)에 전단링(10)이 완전히 삽입, 압입되게 되고, 이에 따라 모재(110)와 덧판(120)이 볼트(30), 너트(31)와 전단링(10)에 의해 접합되게 됨으로써 시공이 완료되게 된다.
상기 전단링 다른 일부의 삽입단계와 상기 볼트 삽입단계사이에서 상기 여유공간(d2)이 전단링(10)의 내주벽과 외주벽에서 동일하게 되도록 덧판(120)과 모재(110)의 어느 하나를 측방향으로 변위시켜 상기 모재(110)와 덧판(120)의 볼트공(111),(121)을 정밀하게 정열시키는 볼트공 정열단계를 추가로 포함할 수 있다. 그 볼트공 정열단계는, 볼트체결단계에서 너트(31)를 덧판(120)과 모재(110)사이에 자중으로 인한 미끄러짐이 없을 정도로 너트를 체결한 상태에서 실시될 수도 있으며, 정열된 뒤에 완전히 체결되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따라, 여유공간(d2)을 덧판(120)의 고리형 홈(122)에 형성시킬 수 있으며, 이 경우에는 전단링(10)은 모재(110)의 고리형 홈(112)에 고정되게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 접합방법에 따라 전단링(10)을 포함하여 모재(110)와 덧판(120)을 접합시킴으로써 전단링(10)을 덧판(120)에 설치한 상태에서도 모재(110)와의 위치설정이 용이하게 되어 시공성이 크게 향상되게 된다.
이상에서 설명한 본 발명의 전단링(10)을 실제 실험한 결과는 다음과 같다.
먼저, M20의 고장력 볼트에 대해 그 동심원상에 전단링(10)을 설치할 경우, 전단링(10)의 외경을 60mm로 하고, 내경은 40mm로 하였으며, 덧판(120)의 고리형 홈(122)의 외경과 내경은 동일한 칫수로 하고, 모재(110)의 고리형 홈(112)의 외경을 60.5mm, 내경은 39.5mm로 하여 여유공간(d2)을 0.5mm로 하였다. 한편 볼트공(111),(121)의 여유공간(d1)은 0.5mm이상으로 하였다.
이 경우, 압축시험 결과는 종래 마찰접합 구조와 대비하면,
종래 마찰접합 구조는 약 7.5ton에서 초기 미끄러짐이 발생하고, 본 발명에 의한 전단접합 구조는 약 38.5ton에서 초기 미끄러짐이 발생하였으며, 이에 따라 본 발명이 종래 보다 약 5배 이상 강한 것을 알 수 있었다.
또, 기존의 마찰접합법에 의한 접합구조의 경우 마찰계수가 평균 0.8이고, 본 발명에 의한 접합구조의 경우 마찰계수가 평균 4.28로서 본 발명이 종래에 비하여 6.5배 이상 마찰계수가 증대되었다. 또한, 항복시험(저항력) 결과 본 발명이 종래에 비하여 6배 이상 전단 저항력이 증대되었다.
재료의 절감면을 살펴보면, 마찰접합법의 경우, 고장력 볼트(30) 32개로 체결하여 예상 마찰력이 240톤이지만, 본 발명의 접합 구조의 경우에는 전단링(10) 8개와 고장력 볼트(30) 8개를 사용하여 예상 전단저항력이 308톤이 되기 때문에 마찰접합 구조에 비하여 68톤의 전단저항력이 증가될 뿐만 아니라, 볼트 하나당 평균 6.3배의 접합력(결합력)이 증가되어 최고 6.3분의 1까지 볼트 체결량의 감소가 가능해지며, 이에 따라 유효단면적을 동일하게 유지하면, 모재(110)와 덧판(120)의 재료를 크게 절감시킬 수 있게 된다.
지진, 진동 등에 의한 볼트(30) 풀림에 대한 안전성 유지면에서도 본 발명에 따라 설치되는 전단링(10)에 의해 그와 같은 위험요소를 최소화시켜 줄 수 있게 된다.
하중이나 심한 온도변화로 인한 팽창시 그 팽창에 따른 강재비임의 좌굴의 변형에 있어서, 동일한 조건하에 기존의 마찰접합법의 경우 도 20에 도시된 바와 같이 좌굴량(D)이 발생하게 되지만, 본 발명의 접합구조에서는 여유공간(d2)에 의해 흡수되어 좌굴이 일어남이 없이 원형으로 복귀하였다. 이에 따라 본 발명의 접합구조가 좌굴력을 흡수하는 적응능력을 지니는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 전단링을 이용한 강재의 접합구조 및 그 강재의 접합공법에 의하면, 전단링(10)의 설치를 실현시켜 하중, 지진, 심한 온도변화 등에 따른 강재비임의 수축, 팽창, 좌굴 등의 변형을 방지할 수 있고, 접합구조를 매우 안정되게 유지할 수 있으며, 모재(110)와 덧판(120)의 접합위치가 쉽게 조절될 수 있을 뿐만 아니라, 그 위치에서 안정되게 유지될 수 있게 된다. 또한, 접합작업에 있어서 여유공간(d2)으로 인하여 시공성이 크게 향상되며, 체결력의 증대, 볼트의 감소, 볼트 체결작업의 감소, 유효단면적의 증대로 인한 구조물 강도의 증대 내지는 재료의 절감 등의 효과로 인하여 시공작업의 시간, 인원, 비용 및 재료 등을 절감할 뿐아니라, 고가의 건설장비의 사용기일을 단축하면서 짧은 기일안에 간편, 용이, 안전, 정밀하게 시공할 수 있고, 강한 체결력을 얻을 수 있는 이점이 있으며, 내구성이 강하고, 유지보수가 용이하게 되는 등의 이점이 있는 매우 우수한 것이다.

Claims (7)

  1. 서로 겹쳐져 체결되어 접합되는 적어도 하나의 제1강재와 제2강재의 각각에 볼트공이 형성되고, 그 덧판과 모재의 볼트공을 통해 그 덧판과 모재가 볼트와 너트에 의해 체결되며, 상기 모재와 덧판이 서로 접촉되는 면의 각각에 적어도 한 줄 이상의 고리형 홈이 형성되고, 그 모재와 덧판의 고리형 홈에 삽입되는 전단링에 의해 상기 볼트 및 너트와 함께 모재와 덧판의 미끄러짐을 방지시키기 위한 강재의 접합구조에 있어서:
    상기 볼트와 너트의 체결력에 대항하여 온도의 변화, 정적 하중이나 진동, 지진, 동적 하중 등에 의한 모재와 덧판의 변형이나 변위를 상기 볼트공의 측벽부가 볼트에 접촉하기 직전까지 허용하고, 그 이후의 변형이나 변위에 의해 전단링에 전단력이 작용하도록 볼트공의 여유공간보다 작은 여유공간이 모재와 덧판의 어느 하나의 고리형 홈에 마련되고, 상기 변형이나 변위가 일어난 때에 모재와 덧판의 접합면으로부터 상하로 적어도 일부분에 걸쳐 모재의 측벽부와 접촉하는 중앙측벽면이 모재와 대응하여 상기 전단링의 측벽면에 마련된 것을 특징으로 하는 전단링을 이용한 강재의 접합구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 여유공간은, 상기 덧판의 고리형 홈보다 모재의 고리형 홈의 폭을 더 크게 형성함으로써 마련되며, 상기 전단링의 이탈을 방지하도록 그 전단링의 일부의 덧판의 고리형 홈에의 압입, 전단링의 외측 측벽면에의 이탈방지돌기의 형성, 전단링과 덧판의 고리형 홈사이의 접착제에 의한 부착, 전단링의 자성처리 및 덧판의 고리형 홈 및 전단링의 일 측벽면에의 나사형성중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전단링을 이용한 강재의 접합구조.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 모재와 덧판을 겹친 상태에서 상기 덧판과 모재를 근접시키면서 상대적으로 변위시킨 때에 모재의 고리형 홈에 걸려 덧판에 압입시킨 전단링의 다른 일부가 용이하게 그 고리형 홈에 삽입될 수 있도록 원호면, 경사면 및 챔퍼중 적어도 하나가 형성되는 것을 특징으로 하는 전단링을 이용한 강재의 접합구조.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 고리형 홈의 적어도 하나가 상기 모재와 덧판의 볼트공과 동심원으로 형성되고, 이 경우, 동심의 볼트공가공날과 홈가공날이 구비된 동시가공공구에 의해 그 볼트공과 그 동심원인 고리형 홈이 동시에 가공되어 형성되며;
    상기 고리형 홈 및 전단링의 외주가 다각형과 원형중 하나이고, 상기 전단링은 그 외주가 개방형과 폐쇄형중 하나이며;
    전단링의 전단력으로 인하여 기존의 마찰접합법의 경우에 요구되는 체결 볼트의 수를 감소시킴으로써 유효단면적을 크게 할 수 있고, 이에 따라 상기 볼트공의 여유공간을 증가시키는 것과, 상기 모재와 덧판의 강재의 두께를 증가시키는 것이 가능하며; 그리고,
    상기 전단링이 녹방지처리되고, 비파괴검사 반응물질을 함유하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전단링을 이용한 강재의 접합구조.
  5. 서로 겹쳐져 체결되어 접합되는 복수개의 모재와 덧판의 각각에 볼트공이 형성되고, 그 덧판과 모재의 볼트공을 통해 그 덧판과 모재가 볼트와 너트에 의해 체결되며, 상기 모재와 덧판이 서로 접촉되는 면의 각각에 적어도 한 줄 이상의 고리형 홈이 형성되고, 그 모재와 덧판의 고리형 홈에 삽입되는 전단링에 의해 상기 볼트 및 너트와 함께 모재와 덧판의 미끄러짐을 방지시키기 위한 강재의 접합구조에있어서:
    온도의 변화, 정적 하중이나 진동, 지진, 동적 하중 등에 의한 모재와 덧판의 변형이나 변위가 거의 없는 경우, 거의 여유공간없이 전단링의 모재의 고리형 홈에의 삽입을 유도하도록 전단링의 상단부 양측모서리에 삽입유도면이 형성된 것을 특징으로 하는 전단링을 이용한 강재의 접합구조.
  6. 서로 겹쳐져 체결되어 접합되는 복수개의 모재와 덧판의 각각에 볼트공을 형성하는 볼트공 형성단계와;
    상기 모재와 덧판이 서로 접촉되는 면의 각각에 적어도 한 줄 이상의 고리형 홈을 형성하며, 그 덧판의 고리형 홈은 전단링의 일부가 압입되는 크기로 형성하고, 모재의 고리형 홈은 여유공간을 갖는 크기로 형성하는 고리형 홈 형성단계와;
    상기 덧판의 고리형 홈에 전단링의 일부를 압입시켜 고정시키는 전단링 일부의 고정단계와;
    모재와 덧판을 겹친 상태에서 상기 덧판과 모재의 접합면을 서로 근접시키면서 덧판과 모재를 상대적으로 변위시켜 고리형 홈의 여유공간을 지니는 모재의 고리형 홈에 전단링의 일부를 삽입시키고, 적어도 그 상태를 유지시킴으로써 덧판과 모재를 정열시키는 전단링 다른 일부의 삽입단계;
    상기 덧판과 모재의 볼트공에 볼트를 삽입시키는 볼트 삽입단계; 그리고,
    상기 모재와 덧판의 볼트공에 삽입된 볼트에 너트로 체결시킴으로써 모재와 덧판의 고리형 홈에 전단링을 완전히 삽입, 압입시켜 모재와 덧판을 볼트, 너트와전단링에 의해 접합시키는 볼트체결단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전단링을 이용한 강재의 접합공법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 여유공간이 전단링의 내주벽과 외주벽에서 동일하게 되도록 덧판과 모재의 어느 하나를 측방향으로 변위시킴으로써 상기 전단링 다른 일부의 삽입단계와 상기 볼트 삽입단계사이에 상기 모재와 덧판의 볼트공을 정밀하게 정열시키는 볼트공 정열단계를 추가로 포함하며;
    상기 전단링 일부 고정단계, 전단링 다른 일부의 삽입단계 및 볼트체결단계에서 모재의 고리형 홈에 걸려 덧판에 압입시킨 전단링의 다른 일부가 용이하게 그 고리형 홈에 삽입될 수 있도록 원호면, 경사면, 릴리프면 및 챔퍼중 적어도 하나가 전단링의 중앙측벽면이외의 양 단부 근처에 형성되며;
    상기 전단링 다른 일부의 삽입단계와, 볼트체결단계에서 상기 온도의 변화, 정적 하중이나 진동, 지진, 동적 하중 등에 의한 모재와 덧판의 변형이나 변위가 거의 없는 경우, 거의 여유공간없이 전단링의 상단부 양측모서리에 형성된 삽입유도면에 의해 전단링의 모재의 고리형 홈에의 삽입 및 압입을 유도하며;
    상기 고리형 홈이 원형으로서 볼트공주위에 그 동심상에 형성되고, 그 볼트공과 고리형 홈이 동심의 볼트공가공날과 홈가공날이 구비된 동시가공공구에 의해 동시에 형성되며; 그리고,
    전단링의 전단력으로 인한 덧판과 모재의 결합력에 대응하여 체결되는 볼트의 수를 감소시킴으로써 유효단면적을 크게 할 수 있고, 이에 따라 상기 볼트공의여유공간을 증가시키는 것과, 상기 모재와 덧판의 강재의 두께를 증가시키는 것이 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 전단링을 이용한 강재의 접합공법.
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