KR100431378B1 - 충전 합성강관과 보의 접합부 연결구조 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 충전 합성강관과 보의 접합부 연결에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

보수가 용이한 연결구조를 제공함에 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명의 요지는 합성강관은 사다리꼴 모양(23)으로 확개된 외다이아프램(22)을 보플랜지(10)에 용접하거나, 사다리꼴 모양의 용접(70)으로 외다이아프램(21)을 보플랜지(10)와 연결시키고, 외다이아프램(21, 22)과 강관(30)은 강관(30)의 모서리 용접에 의해 연결한 것으로, 보플랜지(10)의 변형이나 파단이 발생하지 않기 때문에 보수보강 작업이 용이하고, 경제적인 장점이 있다.

4. 발명의 중요한 용도

합성강관의 연결에 이용된다.

Description

충전 합성강관과 보의 접합부 연결구조{CONNECTION STRUCTURE OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE}

본 발명은 합성강관의 연결 구조에 관한 것으로 특히, 기둥과 보가 연결되는 합성강관에서 외력이 가해질 때 보 플랜지에 변형이 발생되지 않도록 한 합성강관의 연결구조에 관한 것이다.

건물이 초고층화됨에 따라 기둥 단면을 감소시키기 위하여 콘크리트와 철골의 단점을 보완한 콘크리트 충전 합성강관(Concrete Filled Steel Tube)의 사용이 확대되고 있다. 이러한 충전강관 기둥은 강관이 콘크리트를 구속하여 콘크리트의 내력이 향상되고 강관의 좌굴을 방지하는 장점이 있어 전체적인 내력이 향상된다.그러나 강관이 폐단면이라는 특성으로 접합부의 강도 및 강성의 확보가 어려워 특수한 보강형식이 필요하게 된다. 이러한 보강형식으로 내다이아프램이 많이 사용되고 있으나 콘크리트 충전에 불리하고 제작비가 비싸다는 단점이 있어 외다이아프램에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 외다이아프램을 가진 접합부에서의 문제점은 지진 발생 시에 용접접합부에서 발생한 취성파괴로 인하여 구조시스템이 충분한 소성 변형 능력을 발휘하지 못하는 것이다.

도 1a, 1b, 1c는 종래 합성강관의 연결구조 및 지진에 따른 파손을 나타낸 도면이다.

도 1a에 도시된 바와 같이 종래의 합성강관 연결구조는 보플랜지(10)와 외다이아프램(20)을 용접(50)하고, 외다이아프램(20)과 충전 합성강관(30)을 용접(51)하며, 강관의 내측에는 콘크리트(40)를 충진하여 구성하고 있다(도 1b 참조).

그런데, 이러한 합성강관은 지진 등에 의한 인장력(P)이 보플랜지(10)에 작용하게 되면 도1c에 도시된 바와 같이 외다이아프램(20)과 보플랜지(10)가 용접(50)된 부분에 인장력이 작용하여 용접부의 취성 파괴가 일어날 수 있다.

도 2는 종래 충전 합성강관 접합부의 개선된 연결구조이다.

전술한 문제점을 해결하기 위하여 도2에 도시된 바와 같이 인장력에 의한 변형이 보플랜지(10)에서 이루어지도록 한 것이 개발되었는데, 보플랜지(10)와 외다이아프램(20) 사이의 일정거리에 보플랜지(10)의 단면을 감쇄시켜 인장력이 발생하게 되면 단면 감소부위에 소성힌지가 발생되도록 유도하여 연성파괴를 일어나게 한다.

하지만, 이러한 경우에도 보수 시에 보플랜지(10)를 교체해야 하는데, 교체를 위하여는 보플랜지(10)가 지지하고 있는 슬라브를 지지하기 위하여 다수의 지주를 설치해야 하고, 보만 독립적으로 보수하는 것에 상당한 문제점이 있었다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 외력에 의해 접합부가 파괴되는 경우 충분한 연성능력을 발휘케하면서 충전합성강관 접합부를 보수할 시에 보수가 용이한 연결구조를 제공함에 있다.

도 1a, 1b, 1c는 종래 충전 합성강관 접합부의 연결구조 및 지진에 따른 파손을 나타낸 도면이다.

도 2는 종래 충전 합성강관 접합부의 개선된 연결구조이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 충전 합성강관 접합부의 연결구조를 나타낸 수평 단면도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 합성강관 접합부의 연결구조를 나타낸 수평단면도이다.

도 5는 종래 충전 합성강관 접합부의 연결구조 및 본 발명의 실시예에 따른 충전 합성강관 접합부의 하중에 따른 변위를 나타낸 그래프이다.

도 6은 종래 충전 합성강관 접합부의 연결구조에 따른 항복시 부위별 변형도를 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 충전 합성강관 접합부 연결구조의 항복시 부위별 변형도를 나타낸 그래프이다.

도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 충전 합성강관 연결구조가 외력에 의해 변형된 예를 나타낸 도면이다.

도 8b는 종래 충전 합성강관 연결구조가 외력에 의해 변형된 예를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 보플랜지 20, 21, 22 : 외다이아프램

30 : 강관 40 : 콘크리트

60 : 소성힌지 영역 50, 51, 70, 71, 80, 81 : 용접부위

90 : 파괴에 이를 정도의 외력 작용 시 전단항복 영역

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 첫 번째 실시예는 보와 기둥이 연결되는 합성강관의 접합부 연결구조에 있어서, 기둥 역할을 하는 사각형강관(30)에 용접되어 외다이아프램(21)이 고정되고, 보플랜지(10)와 상기 외다이아프램(21)의 용접은 사다리꼴 모양으로 용접(70)되되, 상기 외다이아프램(21)의 인장강도는 상기 용접부(70)의 항복변형하중보다 작고, 상기 외다이아프램(21)은 상기 사각형강관 (30)의 모서리에 용접(71)되어 고정됨을 특징으로 하고,

본 발명의 두 번째 실시예는 보와 기둥이 연결되는 합성강관의 접합부 연결구조에 있어서, 기둥 역할을 하는 사각형강관(30)에 용접되어 외다이아프램(22)이 고정되고, 보플랜지(10)가 상기 외다이아프램(22)에 용접(80)되되, 상기 외다이아프램(22)과 보플랜지(10)가 용접되는 외다이아프램(22)의 부위는 사다리꼴모양 (23)으로 상기 보플랜지(10) 측으로 확장되어 형성되며, 상기 외다이아프램(22)의 인장강도는 상기 용접부(80)의 항복변형하중보다 작고, 상기 외다이아프램(22)은 상기 사각형강관(30)의 모서리에 용접(81)되어 고정됨을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 합성강관의 연결구조를 나타낸 수평 단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 합성강관의 연결구조를 나타낸 수평단면도이며, 도 5는 종래 합성강관의 연결구조 및 본 발명의 실시예에 따른 합성강관의 하중에 따른 변위를 나타낸 그래프이고, 도 6은 종래 합성강관의 연결구조에 따른 항복 변형도를 나타낸 그래프이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 합성강관 연결구조의 항복 변형도를 나타낸 그래프이고, 도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 충전 합성강관 연결구조가 외력에 의해 변형된 예를 나타낸 도면이고, 도 8b는 종래 충전 합성강관 연결구조가 외력에 의해 변형된 예를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 첫 번째 실시예는 도3에 도시된 바와 같이 보와 기둥이 연결되는 합성강관으로, 기둥 역할을 하는 사각형강관(30)에 용접되어 외다이아프램(21)이 고정되고, 보플랜지(10)가 외다이아프램(21)에 용접되되, 보플랜지(10)가 외다이아프램(21)이 만나는 단부에 응력이 집중되는 것을 완화시키기 위한 형상으로 한다. 외다이아프램(21)은 사각형강관(30)의 모서리에 용접(71)되어 고정된다.

종래와 같이 일자로 용접된 경우와 본 발명에 따른 첫 번째 실시예를 비교 실험한 결과 도5와 같이 나타나는데, 그래프를 살펴보면 종래와 비교하여 약 2톤의 강도 상승효과가 나타남을 알 수 있다. 이때 실험에 사용된 강재는 탄성계수가 2100t/cm², 항복강도가 2.4t/cm²를 사용하였다.

도6은 종래와 같이 일자로 용접된 경우로 수학식 1에 의해 본 강재의 항복변형률은 1143μ이다.

도6에 나타난 바와 같이 기존 접합부에서는 측정위치 5번에서 약 6ton에서 보플랜지(10)의 항복변형도에 도달하고, 4번 위치에서는 약 9.2ton에서 항복에 도달하였다. 그 이후 4, 5번 위치 즉, 보플랜지(10)와 외다이아프램(20)의 용접부(50) 외측에 응력이 집중되어 용접부(50)의 파단이 발생(도1c 참조)한 것을 알 수 있다.

반면, 본 발명에 따른 접합부를 실험한 결과 도7과 같은 결과를 얻을 수 있다. 외다이아프램(21)과 용접부 단부에 응력이 집중되는 것을 완화시킬 수 있는 형상으로 하면 용접(70)부의 단부에 응력집중 현상이 완화되어 5번 위치의 경우 약 7ton에서 항복변형율에 도달한 이후에도 단부에 응력집중이 일어나지 않아 파단이 일어나지 않고, 보플랜지(10) 전체에 변형이 일어나고 있음을 알 수 있다. 즉, 응력이 용접부(70)의 최외측(5번 위치)에 집중되던 것이 분산되어 파단이 쉽게 일어나지 않고 있음을 알 수 있다.

한편, 종래기술에 의하면 외다이아프램(20)은 강관(30)에 용접되어 고정되는데, 이때 용접은 외다이아프램(20)과 강관(30)이 접촉하는 전면(全面)에 이루어지게 된다. 이와 같이 전면에 걸쳐 용접이 이루어질 경우 지진 등 강한 외력에 의해 인장력(P)이 작용하게 되면 도8b에 도시된 바와 같이 외다이아프램(20)이 변형되어직사각형 강관(30)에 배부름이 발생하게된다.

그런데, 이러한 경우 강관(30)의 배부름 등 각 부재의 변형과 파단을 최소화하여 보수보강을 용이하게 하기 위해서는 외다이아프램(21)의 한정된 영역에 변형과 파단을 국한 시켜야 한다. 이를 위하여 도3에 도시된 바와 같이 강관(30)의 모서리에만 용접(71)을 하여 외다이아프램(21)을 고정한다.

전술한 경우, 강관(30)의 배부름 현상은 발생하지 않고 도8a에 도시된 바와 같이 외다이아프램(21)이 휘어지게 된다. 이와 같은 경우 보수 시에는 외다이아프램(21)만을 교체하면 되므로 작업이 용이하고, 경제적인 장점이 있다.

본 발명에 따른 두 번째 실시예는 첫 번째 실시예와는 달리 용접부에 응력이 집중되는 것을 방지하기 위하여 외다이아프램(22)을 확개한 것으로 도4에 도시된 바와 같이 보플랜지(10) 측으로 외다이아프램(22)이 사다리꼴 모양으로 확개되어 있다. 그리고, 인장력(P) 작용 시에 전술한 바와 같이 강관(30)의 변형을 방지하기 위해서 강관(30)의 모서리에만 용접을 하여 외다이아프램(22)을 고정시키고 있으며, 외다이아프램(22)과 보플랜지(10)와의 용접은 일반적인 일자 용접으로 행해지지만 확개된 사다리꼴 모양(23)에 의해 응력이 집중되는 것을 방지하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 합성강관은 사다리꼴 모양(23)으로 확개된 외다이아프램(22)을 보플랜지(10)에 용접하거나, 사다리꼴 모양의 용접(70)으로 외다이아프램(21)을 보플랜지(10)와 연결시키고, 외다이아프램(21, 22)과 강관(30)과의 연결은 강관(30)의 모서리 용접에 의해 이루어지기 때문에 인장력(P) 작용 시에도 보플랜지(10)의 변형이나 파단이 발생하지 않기 때문에 보플랜지를 교체하지 않아도 되고, 슬라브 전체를 지지하기 위한 다수의 지주를 설치하지 않아도 된다. 즉, 보플랜지만 지지하도록 지주를 설치하면 됨으로 보수보강 작업이 용이하고, 크기면에서도 외다이아프램(21, 22)이 보플랜지(10)보다 작기 때문에 작업이 용이하고 경제적인 장점이 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 합성강관은 사다리꼴 모양(23)으로 확개된 외다이아프램(22)을 보플랜지(10)에 용접하거나, 사다리꼴 모양의 용접(70)으로 외다이아프램(21)을 보플랜지(10)와 연결시키고, 외다이아프램(21, 22)과 강관(30)은 강관(30)의 모서리 용접에 의해 연결함으로써, 기둥의 외부강관이나 보플랜지(10)의 어느 곳에서도 변형이나 파단이 발생하지 않고, 외다이아프램(21, 22)의 한정된 영역에서만 변형과 파단을 국한시킴으로써, 보수보강 작업이 용이할뿐 아니라, 경제적인 장점도 있다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 보와 기둥이 연결되는 합성강관의 접합부 연결구조에 있어서,

   기둥 역할을 하는 사각형강관(30)에 용접되어 외다이아프램(21)이 고정되고,

   보플랜지(10)와 상기 외다이아프램(21)의 용접은 사다리꼴 모양으로 용접(70)되되,

   상기 외다이아프램(21)의 인장강도는 상기 용접부(70)의 항복변형하중보다 작고,

   상기 외다이아프램(21)은 상기 사각형강관(30)의 모서리에 용접(71)되어 고정됨을 특징으로 하는 합성강관의 접합부 연결구조.
3. 삭제
4. 보와 기둥이 연결되는 합성강관의 접합부 연결구조에 있어서,

   기둥 역할을 하는 사각형강관(30)에 용접되어 외다이아프램(22)이 고정되고,

   보플랜지(10)가 상기 외다이아프램(22)에 용접(80)되되, 상기 외다이아프램(22)과 보플랜지(10)가 용접되는 외다이아프램(22)의 부위는 사다리꼴모양(23)으로 상기 보플랜지(10) 측으로 확장되어 형성되며,

   상기 외다이아프램(22)의 인장강도는 상기 용접부(80)의 항복변형하중보다 작고,

   상기 외다이아프램(22)은 상기 사각형강관(30)의 모서리에 용접(81)되어 고정됨을 특징으로 하는 합성강관의 접합부 연결구조.