KR100620860B1 - 강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량의 교각이나 건축물에서 사용되는 속이 빈 중공단면 철근콘크리트 기둥에 관한 것으로, 특히 강관을 중공면에 삽입·설치하고 콘크리트와 일체화시킴으로써, 강관이 내측 콘크리트를 구속하는 작용을 발휘하여 주철근의 좌굴을 방지하고 기둥의 하중지지능력을 충실단면 수준으로 향상시킬 수 있게 하여 주기 위한 강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥을 제공한다.

교각, 건축물 기둥, 철근콘크리트 기둥, 중공단면, 강관 삽입, 원형강관, 파형강관, 연성, 휨강도, 횡구속

Description

강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥{Hollow reinforced concrete column with internal steel tube}

도1은 본 발명에 따른 중공단면 철근콘크리트 기둥의 기본적인 실시구성을 보여주는 평면측 단면도

도2는 본 발명에서 적용되는 횡방향 철근으로 나선철근을 사용한 실시예의 일부 절결 측단면도

도3은 본 발명에서 적용되는 횡방향 철근으로 띠철근을 사용한 실시예의 일부 절결 측단면도

도4a 및 도4b는 본 발명에서 적용되는 강관으로 원형 강관을 사용하면서 그 강관의 외주면에 전단연결재가 설치된 실시예의 평면측 단면도 및 측단면도

도5는 본 발명에서 적용되는 강관으로 파형 강관을 사용한 실시예의 측단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11:축방향 주철근 12:횡방향 철근 12a:나선철근

12b:띠철근 13:콘크리트체 14:중공부

15:강관 15a:원형 강관 15b: 파형 강관

16:전단연결재 17:축봉부 18:머리부

본 발명은 교량의 교각이나 건축물에서 사용되는 속이 빈 중공단면 철근콘크리트 기둥에 관한 것으로, 특히 강관을 중공면에 삽입·설치하고 콘크리트와 일체화시킴으로써, 강관이 내측 콘크리트를 구속하는 작용을 발휘하여 주철근의 좌굴을 방지하고 기둥의 하중지지능력을 충실단면 수준으로 향상시킬 수 있게 하여 주기 위한 강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 교량의 교각은 상부구조의 하중을 축력으로 받아 하부로 전달하는 역할 외에도 지진과 같은 횡하중에 대해서 저항하는 주부재로서의 역할을 수행하므로, 교각기둥은 수직하중 뿐만 아니라 횡하중, 그리고 휨모멘트 등에 대해서도 저항할 수 있도록 설계해야 한다.

이러한 점을 고려하여 교각의 설계에서는 소성힌지를 만들어 심부 콘크리트가 큰 압축변형까지 저항하여 에너지 소산능력을 갖도록 하는 개념에 기반을 둔다. 이것은 교각이 뚜렷한 내력이나 강성의 감소없이 반복하중에 대해 소성으로 변형할 수 있는 연성능력을 부여하는 것을 의미한다.

내진설계에서 고려하는 응답수정계수는 이 연성에 많은 영향을 받으며, 교량에 있어서는 교각의 연성능력이 교량 전체 연성능력의 대부분을 차지한다.

현재 도로교 및 철도교 설계기준에서는 지진과 같은 횡하중에 대해 교각 소성힌지부의 연성을 확보하기 위해 횡철근비를 규정하고 있다.

이 횡철근비 기준을 만족하는 충실단면 철근콘크리트 교각은 현재까지 쌓아온 시공경험으로 비교적 많은 시공이 이루어져 왔으며, 하중지지능력이 우수한 장점이 있다.

그러나, 충실단면 철근콘크리트 교각 기둥은 콘크리트 자중이 과도하여 기초부가 구조적으로 문제시되는 곳은 적용이 곤란하고, 콘크리트 재료비가 증가하여 경제성이 떨어지며, 콘크리트 타설시 수화열 발생에 의한 균열이 발생할 우려가 있는 단점이 있다.

이에 비용면에서는 다소 불리하나 우수한 소성변형능력과 신속한 건설이라는 강점을 가진 강교각이 도시 지역의 교량을 중심으로 주목을 받았다.

그러나 강교각은 일반적으로 극한내하력에 비해 재하하중이 작고 교각을 구성하는 판의 두께에 비해 폭이 큰 특징을 갖고 있기 때문에 지진시 국부좌굴에 취약한 점을 갖게 되며 휨강성이 낮다는 문제가 있다.

종래, 이에 대한 보강으로 강교각에 콘크리트를 채운 충전 강교각이 출현되었다.

이 콘크리트 충전 강교각은 충전콘크리트의 내하력이 증가되고, 기존 콘크리 트교각에 비해서 사하중이 작으며 연성능력이 우수한 장점이 있다.

하지만 이러한 콘크리트 충전 강교각은 건설비가 매우 높으며, 운용시 표면의 강재에 대한 유지관리가 필요하므로 유지관리비가 많이 드는 단점이 있다.

한편, 교량의 교각이나 건축물의 기둥으로 콘크리트 자중이 과도하여 구조적으로 문제시되는 곳이나 상대적으로 콘크리트 재료비용이 높은 경우에 속이 찬 충실단면의 철근콘크리트 기둥 대신 속이 빈 중공단면의 철근콘크리트 기둥이 사용되어 왔다.

이러한 중공 단면의 철근콘크리트 기둥은 역학적으로 모멘트 저항능력이 일반 기둥에 비해 크게 떨어지지 않아 그 활용가치가 큰 것으로 평가되어 왔다.

그러나 중공단면 교각의 설계에 있어서는 별도의 설계기준이 정립되어 있지 않아 불합리한 횡철근비 기준이 사용되고 있으며, 이는 현장에서의 시공의 어려움과 비용의 상승으로 이어지고 있다.

또한, 기둥 콘크리트의 타설을 위한 내부거푸집 설치가 추가로 요구되어 공사비가 증가되는 문제점이 있다.

특히, 중공단면 철근콘크리트 기둥은 충실단면 철근콘크리트 기둥이 갖고 있는 콘크리트 구속효과를 기대할 수 없기 때문에 그 연성능력이 의문시되고 있다.

즉, 기둥의 연성능력은 기둥단면의 중립축 위치에 따라 크게 영향을 받는데, 중공단면 철근콘크리트 기둥은 외측 단면부의 콘크리트에서는 횡철근의 구속을 받지만 중공단면의 내측에서는 콘크리트를 구속하지 못하여 충실단면의 철근콘크리트 기둥과 같은 3축압축상태의 콘크리트를 만들지 못한다.

따라서, 중공단면 철근콘크리트 기둥은 중공단면의 내측에서 콘크리트 구속효과가 없음으로 인해 발생하게 되는 중공면의 파괴로 실제 콘크리트의 휨강도와 연성에 좋지 않은 결과를 보이게 된다.

최근 내진설계의 중요성이 부각되면서 상대적으로 더 큰 휨모멘트와 횡변위를 수용할 수 있는 교각의 설계가 요구되고 있는바, 큰 휨모멘트에 견딜 수 있는 교각의 설계는 경우에 따라서 내부가 비어 있는 중공단면의 철근콘크리트 기둥이 유리할 수도 있다.

내진설계를 할 경우 철근콘크리트 기둥은 휨모멘트에 대한 연성능력을 증가시키기 위해 일반적으로 나선철근 또는 띠철근등의 횡구속 철근의 배치개선과 사용량 증가를 통하여 압축에 의한 콘크리트의 파괴를 지연시키고 있다.

그러나 중공단면을 채용할 경우 앞에서 언급하였듯이 중공면 내측 단면이 충분한 구속력을 발휘하지 못해 중공면이 파열되면서 취성적인 거동을 보이게 되므로, 위와 같은 지연 방법을 적용하여 단면 내측에서 콘크리트의 압괴를 지연시키는 효과를 기대하기는 어려운 문제점이 있다.

따라서, 중공단면 철근콘크리트 기둥은 높은 축력비에서 사용할 경우 중공 내측 단면의 붕괴거동을 고려해서 개선시켜야 한다.

그럼에도 불구하고 지금까지 중공단면 기둥의 중공면 내부에서의 좌굴이나 이에 대한 보강에 대해서는 특별히 연구개발이 이루어지지 않았으며, 이는 여타 구조의 기둥들에 비해 경제적으로나 구조적으로 장점이 많은 중공단면 철근 콘크리트 기둥의 적용 범위를 제한시키는 주요 원인으로 남아 있다.

이에 따라, 본 발명은 중공단면 철근콘크리트 기둥이 갖는 내부거푸집 설치문제 및 중공면 내측 콘크리트부의 취성적 거동문제를 해결하기 위해 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 강관을 중공면에 삽입· 설치하여 콘크리트와 일체화시켜 보강하는 구조를 통해 중공단면 기둥의 내부에서 내측부 콘크리트의 구속력을 발휘하게 하여 일반 중공단면 콘크리트 기둥에서 발휘되지 못하는 3축응력상태를 만듬으로써, 기둥 단면의 감소와 재료비의 감소를 유도할 뿐만 아니라, 콘크리트 타설시 강관을 내부거푸집으로 사용할 수 있어 시공이 용이하고, 기둥이 완성된 이후에는 강관의 아치작용을 통해 단면 내측에서 콘크리트 압괴를 지연시킬 수 있으면서 연성능력을 향상시켜 주기 위한 강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥은, 축방향 주철근과 횡방향 철근이 배근되는 콘크리트체 내부에 속이 빈 중공부가 중심축을 따라 형성되는 중공단면 철근 콘크리트 기둥에 있어서, 상기 중공부의 중공면을 형성하면서 상기 콘크리트체와 일체화되어 콘크리트체의 내측부를 구속시키는 강관이 삽입·설치된 것을 기술구성상의 기본적인 특징으로 한다.

위와 같은 특징의 본 발명에 의하면, 중공면 내측에 설치되는 강관이 내측콘크리트를 구속하면서 보강하는 효과를 발휘하여 중공면 내측부의 취성적 거동을 방지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 높은 강성과 연성을 동시에 만족시켜 주철근의 좌굴을 방지하고 기둥의 하중 지지능력 및 휨 모멘트 저항능력을 충실단면 수준으로 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 콘크리트 타설시 강관이 내측 거푸집 역할을 수행하게 되어 별도의 거푸집이 불필요하므로 시공성을 향상시켜주는 효과도 있다.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 첨부도면을 참조하여 본 발명의 기술구성을 구체적으로 설명한다.

도1은 본 발명에 다른 중공단면 철근콘크리트 기둥의 기본적인 실시구성을 보여주는 평면측 단면도이고, 도2는 본 발명에서 적용되는 횡방향 철근으로 나선철근을 사용한 실시예의 일부 절결 측단면도이며, 도3은 본 발명에서 적용되는 횡방향 철근으로 띠철근을 사용한 실시예의 일부 절결 측단면도이다. 그리고, 도4a 및 도4b는 본 발명에서 적용되는 강관으로 원형 강관을 사용하면서 그 강관의 외주면에 전단연결재가 설치된 실시예의 평면측 단면도 및 측단면도이고, 도5는 본 발명에서 적용되는 강관으로 파형 강관을 사용한 실시예의 측단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 중공단면 철근콘크리트 기둥은, 축방향 주철근(11)과 횡방향 철근(12)이 배근되는 콘크리트체(13) 내부에 강관 (15)이 삽입·설치되며, 이 강관(15)에 의해 구획되는 중공부(14)가 중심축을 따라 형성된다.

축방향 주철근(11)은 기둥의 축방향으로 배치되며, 기둥의 설계하중에 의하여 그 단면적이 정해진다.

횡방향 철근(12)은 상기 축방향 주철근(11)을 둘러싸는 띠, 링 또는 나선모양으로 형성되며, 콘크리트체(13)의 외측 단면부를 구속시키는 역할을 주도적으로 수행한다.

도2에는 상기 횡방향 철근(12)으로서, 상기 축방향 주철근(11)의 외주를 상하 축방향으로 휘감으면서 둘러싸는 나선철근(12a)이 사용되는 실시예를 보여주고 있다.

그리고, 도3은 상기 횡방향 철근(12)으로서, 상기 축방향 주철근(11)과 직교하면서 축방향 주철근(11)의 외주를 둘러싸는 단위 띠철근(12b)이 상하 축방향을 따라 일정간격으로 다수 배치되는 실시예를 보여준다.

강관(15)은 중공부(14)의 중공면을 형성하면서 상기 콘크리트체(13)와 일체화되어 콘크리트체(13)의 내측부를 구속시키는 역할을 수행하여서, 3축응력상태 철근콘크리트 기둥의 조성을 가능케 하여주는 본 발명의 중요한 구조부이다.

이 강관(15)은 일반 원형 강관을 사용할 수도 있고 파형 강관을 사용할 수도 있다.

즉, 본 발명에서 상기 강관(15)은 도4a 및 도4b의 도시와 같이, 그 주면이 매끄러운 단면으로 제작된 원형 강관(15a)이 사용될 수도 있고, 도5의 도시와 그 주면이 상하 축방향을 따라 산부와 골부가 반복적으로 형성되는 파형 강관(15b)이 사용될 수도 있다.

일반 원형 강관(15a)을 사용할 경우에는 축방향 압축력 및 측방향 휨모멘트에 대해 강성을 나타낼수 있는 장점이 있고, 파형 강관(15b)을 사용할 경우에는 중공면 내측부의 콘크리트 구속효과가 원형 강관(15a)에 비해 좋으므로 현장 시공 조건에 따라 적절히 선택하여 사용한다.

한편, 본 발명을 실시함에 있어서는 상기 강관(15)과 콘크리트체(13)의 강결한 일체화도 중요하다.

이를 위해 도4a 및 도4b의 도시와 같이, 상기 강관(15)의 외주면에 일정간격 배열되는 다수의 전단연결재(16)를 접합·설치하고, 이 전단연결재(16)들이 상기 콘크리트체(13)속에 정착되도록 하여 상기 강관(15)과 콘크리트체(13)가 일체로 강결되도록 유도하는 것이 필요하다.

상기 전단연결재(16)는 그 고정단이 상기 강관(15)의 외주면에 통상의 스터드 용접 또는 스폿 용접하는 것이 작업의 용이성과 강관의 재료손상을 방지하기 위해 바람직하며, 이때 상기 전단연결재(16)는 강관(15)의 외주면에 직접 접합되는 축봉부(17)와 그 자유단의 끝부분에 상기 축봉부(17) 보다 더 굵은 굵기로 형성되는 머리부(18)를 갖는 스터드 다월(stud dowel)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 본 발명의 강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥은 현장타설에 의한 기둥 시공과 제작장에서 미리 제작한 후 현장에서 조립 시공하도록 PC부재로 제작된 기둥 모두에 적용가능한 것으로, 본 발명은 기술적 범위가 상기 실시예들에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 시공 및 제작이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백하다.

상기와 같이 중공단면 철근콘크리트 기둥의 내부에 강관을 삽입하여 보강한 본 발명은 기둥 시공에 있어서 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 본 발명에 의한 중공단면 철근콘크리트 기둥은 높은 강성과 연성을 동시에 만족시키며, 연성증진에 따른 설계지진력의 감소, 전단강도의 증가 좌굴강도의 증가 및 자중의 감소 등의 이점이 있다.

둘째, 기둥이 완성된 이후 기둥의 내부에서 구속력을 발휘하게 하여 일반 중공단면에서 발휘하지 못하는 3축응력상태를 만들며 강관의 아치효과로 인해 단면 내측에서 콘크리트 압괴를 지연시키는 효과를 나타낸다.

셋째, 본 발명에 따르면 원형 충실단면 철근콘크리트 기둥의 안정성, 중공단면 철근콘크리트 기둥의 경제성, 합성기둥의 역학적 우수성을 가지면서 단면의 비대화, 시공의 어려움, 유지보수의 어려움을 해결하는 효과가 있다.

넷째, 중공단면 기둥에 파형강관을 삽입함으로써 단면의 감소와 재료비의 감소를 유도할 수 있으며, 그 단점인 취성적인 거동도 막을 수 있다.

다섯째, 파형강관의 삽입으로 전단에 대한 저항력이 향상되며 콘크리트를 구속상태로 만들어 재료의 성능향상도 기대할 수 있다.

여섯째, 콘크리트 타설시 강관을 내부거푸집으로 이용할 수 있어 시공성이 크게 향상된다.

이상과 같이 본 발명은 탁월한 연성능력을 갖는 동시에 시공시 경제성 면에서도 유리한 중공단면 철근콘크리트 기둥을 제공하여서, 교량의 교각이나 건축물의 기둥으로 활용가치가 매우 큰 유용한 발명이다.

Claims (7)

1. 축방향 주철근(11)과 횡방향 철근(12)이 배근되는 콘크리트체(13) 내부에 속이 빈 중공부(14)가 중심축을 따라 형성되는 중공단면 철근 콘크리트 기둥에 있어서,

   상기 중공부(14)의 중공면을 형성하면서 상기 콘크리트체(13)와 일체화되어 콘크리트체(13)의 내측부를 구속시키는 강관(15)이 삽입·설치된 것을 특징으로 하는 강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥.
2. 제1항에 있어서, 상기 횡방향 철근(12)은 상기 축방향 주철근(11)의 외주를 상하 축방향으로 휘감으면서 둘러싸는 나선철근(12a)인 것을 특징으로 하는 강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥.
3. 제1항에 있어서, 상기 횡방향 철근(12)은 상기 축방향 주철근(11)과 직교하면서 축방향 주철근(11)의 외주를 둘러싸는 단위 띠철근(12b)이 상하 축방향을 따라 일정간격으로 다수 배치되는 것임을 특징으로 하는 강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥.
4. 제1항에 있어서, 상기 강관(15)은 그 주면이 매끄러운 단면으로 제작된 원형 강관(15a)이 사용되는 것을 특징으로 하는 강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥.
5. 제1항에 있어서, 상기 강관(15)은 그 주면이 상하 축방향을 따라 산부와 골부가 반복적으로 형성되는 파형 강관(15b)이 사용되는 것을 특징으로 하는 강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강관(15)의 외주면에는 일정간격 배열되는 다수의 전단연결재(16)가 접합·설치되고, 이 전단연결재(16)들이 상기 콘크리트체(13)속에 정착되어 상기 강관(15)과 콘크리트체(13)가 일체로 강결되도록 한 것을 특징으로 하는 강관을 삽입한 중공단면 철근 콘크리트 기둥.
7. 제6항에 있어서, 상기 전단연결재(16)는 그 고정단이 상기 강관(15)의 외주면에 압접되는 축봉부(17)와 그 자유단의 끝부분에 상기 축봉부(17)보다 더 굵은 굵기로 형성되는 머리부(18)를 갖는 스터드 다월(stud dowel)이 사용되는 것을 특징으로 하는 강관을 삽입한 중공단면 철근 콘크리트 기둥.

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