KR100654075B1 - 덮개형 전단구속판을 갖는 강재 영구거푸집 보 및 그를이용한 강콘크리트 합성보 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강콘크리트 합성보를 형성하기 위해 사용되는 강재 부재로서 콘크리트 타설을 위한 별도의 거푸집 공사가 필요 없고, 보와 슬래브가 별도의 전단 연결재 없이도 구조적으로 안정적인 접합관계를 유지하며, 내부에 채워진 콘크리트가 3축 응력상태가 되어 보다 큰 내력을 발휘할 수 있도록 한 강재 영구거푸집 보 및 그를 이용한 강콘크리트 합성보에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명에 따른 강재 영구거푸집 보는 바닥부(11)와, 상기 바닥부(11)로부터 연장 형성된 양측벽부(12, 12')와, 상기 양측벽부(12, 12')의 선단으로부터 각각 외측으로 연장 형성된 접속부(13, 13')로 구성하여 상부가 개방되도록 한 채널형 강재 보(10)와; 상기 채널형 강재 보(10)의 접속부(13, 13')에 그 양측 단부가 접합되며 상기 바닥부(11)와 양측벽부(12, 12')로 이루어진 공간에 콘크리트가 밀실하게 채워질 수 있도록 다수개의 구멍(22)이 천공되고 슬래브 콘크리트에 매입되어 전단연결재로서 기능하도록 소정의 형상으로 절곡된 덮개형 전단구속판(20)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
합성보, TSC 보, 맞물림키, 데크 플레이트, 스터드, 덮개형 전단구속판

Description

덮개형 전단구속판을 갖는 강재 영구거푸집 보 및 그를 이용한 강콘크리트 합성보{Steel beam with capping shear connector and Composite Beam using the steel beam}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 강재 영구거푸집 보의 사시도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 덮개형 전단구속판이 강재 영구거푸집 보에 접합되는 예를 보인 단면도.
도 3a 내지 3d는 본 발명에 따른 강재 영구거푸집 보에 있어 덮개형 전단구속판의 변형예들을 나타낸 사시도.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 강재 영구거푸집 보에 적용된 맞물림키를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 강재 영구거푸집 보를 이용하여 강콘크리트 합성보를 형성한 상태를 나타낸 단면사시도.
도 6은 본 발명에 따른 강재 영구거푸집 보에 데크 플레이트를 접합하여 강콘크리트 합성보를 형성한 상태를 나타낸 단면도.
도 7a는 종래 TSC 보를 나타낸 사시도.
도 7b는 종래 TSC 보를 나타낸 단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호설명 >
10 : 강재 영구거푸집 보 11 : 바닥부
12, 12' : 측벽부 13,13' : 접속부
20 : 덮개형 전단구속판 22 : 구멍
28 : 연결부 30 : 맞물림키
31 : 강판 32 : 구멍
34 : 격판 36 : 철근
50 : 슬래브 콘크리트 52, 54 : 슬래브 철근
60 : 보 콘크리트 70 : 데크 플레이트
본 발명은 강재 보와 현장치기 콘크리트를 합성한 강콘크리트 합성보(강합성 부재)를 구현하기 위한 덮개형 전단구속판을 갖는 강재 영구거푸집 보 및 그를 구조요소로 활용한 강콘크리트 합성보에 관한 것이다.
강콘크리트 합성보는 강재 보와 철근콘크리트가 단일부재로 거동하도록 구현하여 휨모멘트를 받을 때 압축응력의 대부분은 콘크리트가 부담하도록 하고 인장응력은 강재가 부담하도록 하는 효율적인 구조부재로써, 보의 춤을 줄여 건축구조물의 층고나 교량구조물의 형하공간을 확보할 수 있고, 보 단면의 저항강도와 저항강성 증대로 장 스팬 구조물이 가능하게 하며, 극한성능이나 변형성능이 증대되는 장점을 가지고 있다.
강콘크리트 합성보를 구현하기 위해 일반적으로 사용되는 H형강은 강재 이용 측면에서 볼 때 휨에 의해 부재에 발생하는 인장력, 압축력에 대해 효율적으로 저항하는 부재단면이지만, H형강을 이용한 합성보는 정모멘트 구간에서 합성단면의 중립축이 상부 플랜지측으로 이동하여 콘크리트 슬래브가 압축력의 대부분을 부담하므로 상부 플랜지가 비효율적인 저항단면으로 사용된다. 또한, 합성보 부재의 강도평가 측면에서 성능이 우수하므로 장스팬에 많이 적용하고 있는데 이때 상대적으로 단면의 강성이 작아져서 과다 처짐, 진동 등 사용성의 문제점을 나타내고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 합성보의 H형강 외부를 철근콘크리트로 둘러싸는 개념의 철골철근콘크리트보(SRC보, Steel-Reinforced Concrete beam)가 개발되었다. SRC보는 단면의 강도나 강성이 우수한 장점이 있으나 자중이 매우 증가되어 현장시공시 거푸집공사 및 동바리공사에 면밀한 주의가 요구되는 단점이 있다. 또한 정모멘트 구간에서 보부재의 단면 하부에 발생하는 인장응력에 대해 H형강을 둘러싼 콘크리트의 기여도 없으므로 비효율적 구조단면이라 할 수 있으며, 콘크리트 휨균열이 육안으로 나타나므로 사용자에게 불안감을 줄 수 있는 문제점을 안고 있다.
상기한 H형강 보를 이용한 합성보에서의 상부 플랜지의 비효율성 및 사용성의 문제와, 철골철근콘크리트 보에서의 시공성 및 단면의 비효율성의 문제점을 해결하기 위한 것으로, TSC 보(강판거푸집 합성보)가 알려져 있다.
TSC 보는 도 7a, 7b에 도시된 바와 같이 하부 강판(11), 웨브 강판(12, 12') 및 상부 강판(13, 13')으로 구성되고, 각 강판은 일체화되어 작용외력에 저항내력 을 갖는다. 이때, 상부 강판(13, 13')에는 콘크리트 슬래브(50)와의 경계면에서의 수평전단력에 저항하며 합성보 거동을 하기 위해 스터드(25)가 설치된다. 그리고 휨모멘트에 의해 강판 거푸집(10) 내부의 하부측 콘크리트(61)에 인장 균열이 발생 진전하면 합성부재 단면내력에 도달하지 못하고 파괴할 우려가 있으므로 인장균열을 제어할 수 있도록 하부 강판(11)에 스터드(15)를 설치한다. 또한, TSC 보 상단에는 콘크리트 타설 시 웨브 강판(12, 12')의 벌어짐을 방지하고, 상부 슬래브 작업의 용이성 등을 위해 폭 고정용으로 관통볼트 또는 형강(20)을 부착한다. 미설명부호 '55'은 슬래브 거푸집을 나타내고, '52','54'는 슬래브 철근을 나타낸다.
그러나 상기한 구성을 갖는 TSC 보의 경우, 전단 연결재로 사용되는 스터드(25)가 연성 연결재이므로 이종재료 간, 즉 강재와 콘크리트 슬래브 경계면에서의 완전합성효과가 떨어지며, 스터드(25)의 강성부족으로 경계면에서 강재와 콘크리트 간의 상대슬립이 발생하므로서 하부 강판(11)의 재료 강도와 충분한 변형성능에 도달되지 않고 파괴하는 경향이 나타난다.
또한 합성부재에 작용하는 연직 집중하중이나 휨모멘트에 의해 상부 콘크리트(62)에 압축력이 발생하는데 이러한 압축력은 상부 콘크리트(62)를 팽창(부재 직각방향)시켜 웨브 강판(12, 12')을 벌어지게 하는 현상을 나타내 부재의 안정성에 효과적이지 못하다. 그리고 TSC 보의 내부에 콘크리트(60)를 타설하기 전 상태에서, 개방형 단면은 크레인에 의한 양중작업, 작업자나 공사 자재에 의한 시공중 하중 등에 의해 웨브 강판(12, 12')의 변형을 발생시켜 단면의 기하학적 불안정성을 일으키기 쉽다.
또한 TSC 보의 내부에 채워진 콘크리트와 하부 강판 간의 미끄러짐 발생을 저항할 목적으로 전단연결재인 스터드(15)를 배치하였으나 스터드(15)의 강성과 콘크리트 지압저항 투영면적이 작아 하부 콘크리트(61)의 인장균열에 구속저항효과를 기대할 수 없다. 즉, 일정하중이후 중립축 아래의 하부 강판은 항복강도에 도달하여 인장변형을 일으키는데, 강재의 하부 인장변형률과 동일한 수준의 변형율을 내부 하부 콘크리트(61)가 갖을 수 없어 부착면 파괴와 인장균열 등으로 상대슬립(slip)이 발생한다. 이러한 상대슬립 변형을 억제하기 위해서는 내부 하부 콘크리트(61)와 하부 강판(11) 간에 맞물림작용(interloacking action)이 충분히 유발되도록 하여야 하는데 스터드는 연성연결재로서 TSC 보의 내부에 채워진 하부 콘크리트(61)에 충분한 구속지압효과를 발휘할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 TSC 보의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 시공하중 등과 같은 연직하중에 대해 단면이 벌어지는 현상이 방지되며, 강재와 콘크리트 슬래브 간의 합성효과가 향상된 강재 영구거푸집 보 및 그를 이용한 강콘크리트 합성보를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 보의 내부에 채워진 콘크리트와 보의 바닥부 간의 미끄러짐 발생으로 인해 합성단면의 중립축 이하 부분이 강판 재료의 완전 소성화에 도달하지 못하는 점을 해결하고, 보의 내부에 채워진 콘크리트에 충분한 구속효과를 발휘할 수 있도록 한 강재 영구거푸집 보 및 그를 이용한 강콘크리트 합성보를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 보의 바닥부와 내부 콘크리트 간의 충분한 지압효과 및 전단효과가 발생하도록 맞물림장치(interloacking key)를 설치하여 강재 보의 바닥부가 충분한 소성변형에 도달할 수 있도록 한 강재 영구거푸집 보 및 그를 이용한 강콘크리트 합성보를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강재 영구거푸집 보를 도시한 사시도이고, 도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 덮개형 전단구속판이 강재 영구거푸집 보에 접합되는 예를 보인 단면도이며, 도 3a 내지 3d는 본 발명에 따른 강재 영구거푸집 보에 있어 덮개형 전단구속판의 변형예들을 나타낸 사시도이고, 도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 강재 영구거푸집 보에 적용된 맞물림키를 나타낸 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 강재 영구거푸집 보(1)는, 바닥부(11)와, 양측벽부(12, 12') 및 접속부(13, 13')로 구성하여 상부가 개방되도록 한 채널형 강재 보(10)와, 상기 채널형 강재 보(10)의 접속부(13, 13')에 그 양측 단부가 접합되며 다수개의 구멍(22)이 천공되고 소정의 형상으로 절곡된 다수개의 덮개형 전단구속판(20)과, 상기 채널형 강재 보(10)의 바닥부(11)에 접합된 맞물림키(30)로 구성된다.
상기 채널형 강재 보(10)는 단일 강판을 절곡하여 바닥부(11), 양측벽부(12, 12') 및 접속부(13, 13'가 형성되도록 하여도 좋고, 이들을 별개의 강판으로 구성한 다음 용접하여 구성할 수도 있다.
이렇게 구성된 채널형 강재 보(10)는 보 콘크리트 타설을 위한 거푸집이 되고, 철근콘크리트보에서 보강철근 및 전단보강철근과 동일한 기능을 갖으며, 내부에 채워지는 콘크리트와 함께 외력에 저항하는 합성보를 구성하게 된다. 그리고 채널형 강재 보(10)의 접속부(13, 13")는 슬래브 콘크리트 타설을 위한 거푸집 받침대 또는 데크 플레이트 받침대로서 기능하게 된다.
상기 덮개형 전단구속판(20)은 그 양측 단부가 강재 보(10)의 접속부(13, 13')에 접합되어 강재 보(10)의 벌어짐을 구속하게 되는데, 채널형 강재 보(10)에 접합하는 방법으로는, 도 2a에 도시된 바와 같이 덮개형 전단구속판(20)을 채널형 강재 보(10)의 접속부(13, 13')에 용접하거나, 도 2b에 도시된 바와 같이 덮개형 전단구속판(20)에 연결부(28)를 더 형성하여 접속부(13, 13')에 볼트 접합하거나, 도 2c에 도시된 바와 같이 채널형 강재 보(10)를 관통하는 관통볼트를 이용하여 접합할 수 있다.
상기 덮개형 전단구속판(20)에는 채널형 강재 보(10) 내부에 콘크리트를 밀실하게 채울 수 있도록 하고 슬래브 철근을 관통배근할 수 있도록 다수개의 구멍(22)을 형성한다. 이때, 구멍(22)은 슬래브 철근을 간편하게 위에서 삽입 배치할 수 있도록 도 3d와 같이 일측이 개방되게 천공할 수 있다.
그리고 단면은 슬래브 철근 배근 작업 및 콘크리트 타설 작업 시 작업하중을 견디도록 하고 슬래브 콘크리트에 매입되어 전단연결재로서 기능하도록 절곡된 단면 즉, 바닥판(24)과 양측 경사판(26)을 갖는 사다리꼴 형상 단면으로 한다. 그러나, 덮개형 전단구속판(20)의 단면 형상은 이에 한정되지 않으며, 도 3a에 도시된 바와 같이 삼각형 단면을 가지도록 하거나, 도 3b에 도시된 바와 같이 반원형 단면을 가지도록 하거나, 도 3c에 도시된 바와 같이 사각형 단면을 가지도록 구성될 수도 있다.
이렇게 구성된 덮개형 전단구속판(20)은 도 1에 도시된 바와 같이 채널형 강재 보(10)의 개방부가 부분적으로 개방되도록 다수개로 분할하여 소정 간격으로 채널형 강재 보(10)에 결합하는 것이 바람직하나, 채널형 강재 보(10)의 길이와 동일한 길이를 갖는 단일부재로 구성하여 채널형 강재 보(10)에 접합할 수도 있다.
상술한 덮개형 전단구속판(20)은 채널형 강재 보(10)에 작용하는 작업하중 및 채널형 강재 보(10) 내부에 채워지는 콘크리트의 측압에 의해 채널형 강재 보(10)의 양측벽부(12, 12')가 벌어지는 것을 방지하여 부재단면의 안정성을 확보하고, 별도의 전단연결재 없이 채널형 강재 보(10)와 콘크리트 슬래브 경계면에서의 수평 및 수직전단력에 저항하여 유효하게 합성보 거동을 구현하도록 한다. 그리고 덮개형 전단구속판(20)에 천공된 구멍(22)은 콘크리트에 매설되어 면내전단력과 꽂임촉 작용(dowel action)을 극대화 시키는 효과를 갖는다.
상기 채널형 강재 보(10)의 바닥부(13)에는 바닥부(13)와 내부 콘크리트 간의 충분한 지압효과 및 전단효과가 발생하도록 맞물림키(30)를 설치하는데, 맞물림키(30)는 도 4a에 도시된 바와 같이 소정 폭과 길이를 갖는 강판(31)에 소정 간격 으로 다수개의 구멍(32)을 천공하고 상기 다수개의 구멍(32) 사이에 소정 간격으로 격판(34)을 상기 강판(31)의 길이방향에 수직하게 결합한 것이다.
여기서, 상기 구멍(32)에는 도 4b에 도시된 바와 같이 철근(36)이 더 결합될 수 있으며, 도 4c에 도시된 바와 같이 격판(34)의 양단을 절곡하여 절곡부를 더 형성할 수 있다.
이렇게 구성된 맞물림키(30)는 채널형 강재 보(10) 내부에 타설된 콘크리트와의 결합력을 높일 뿐만 아니라 콘크리트에 발생하는 인장 균열을 제어하는데, 특히, 격판(34)은 콘크리트에 발생하는 인장 균열이 확대되는 것을 억제하는데 아주 효과적이다. .
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 강재 영구거푸집 보를 이용하여 강콘크리트 합성보를 형성하는 방법을 도 5를 참조하여 설명한다.
먼저, 단일 강판을 절곡하여 바닥부(11), 양측벽부(12, 12') 및 접속부(13, 13'가 형성되도록 하거나 이들을 별개의 강판으로 구성한 다음 용접하여 채널형 강재 보(10)를 제작하고, 바닥부(11)에 맞물림키(30)를 용접한 다음, 접속부(13, 13')에 덮개형 전단구속판(20)을 용접하여 제작된 강재 영구거푸집 보(1)를 현장에 반입하여 소정의 위치에 고정, 설치한다. 이때, 강재 영구거푸집 보(1)는 H형강보와 동일하게 취급이 가능하므로 타 부재(강재 기둥, 거더)와의 접합은 현장 작업이 용이한 기존의 강재 부재의 접합방법(볼트접합, 용접접합)을 그대로 이용한다.
다음, 채널형 강재 보(10)의 접속부(13, 13')에 슬래브 거푸집을 설치한 후, 보와 슬래브 철근(52, 54)을 배근하고 채널형 강재 보(10) 내부에 채워지는 보 콘 크리트와 슬래브 콘크리트를 동시에 타설하여 양생시키면 강콘크리트 합성보와 슬래브 콘크리트(50)는 일체화된다.
이때, 슬래브 거푸집 대신에 데크 플레이트가 사용될 경우에는, 도 6에 도시된 바와 같이 채널형 강재 보(10)의 접속부(13, 13') 상에 데크 플레이트(70)의 단부를 올려놓고 접속부(13, 13')와 데크 플레이트(70)를 관통하도록 볼트를 체결함으로써 데크 플레이트(70)의 이동을 구속하면서 콘크리트 타설 작업을 수행할 수 있다.
상기와 같은 과정으로 완성된 강콘크리트 합성보는 보 콘크리트 타설을 위한 별도의 거푸집 공사가 필요 없고, 보와 슬래브의 합성작용을 위한 별도의 전단 연결재 없이도 구조적으로 안정적인 접합관계를 유지하며, 덮개형 전단구속판(20)과 채널형 강재 보(10)로 둘러 쌓인 내부 콘크리트는 강관에 충전된 콘크리트와 마찬가지로 구조적으로 3축 응력상태가 되어 보다 큰 내력을 발휘할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 연직하중에 대해 단면이 벌어지는 현상이 방지되며, 별도의 전단연결재를 사용하지 않고도 강재와 콘크리트 경계면에서의 합성효과가 향상된다.
또한, 강재 영구거푸집 보의 내부에 채워진 콘크리트와 바닥부 간의 미끄러짐 발생이 방지되어 중립축 이하 강재보가 충분한 소성변형에 도달이 용이하여 소성 중립축 형성이 용이하며, 강재 영구거푸집 보의 내부에 채워진 콘크리트에 충분한 구속효과를 발휘할 수 있다.
또한, 강재 영구거푸집 보와 데크 플레이트 간의 연결을 간편하고 보다 확실히 할 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형이 가능하다. 따라서 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 어떠한 수정이나 변형도 포함할 것이다.

Claims (4)

  1. 바닥부(11)와, 상기 바닥부(11)로부터 연장 형성된 양측벽부(12, 12')와, 상기 양측벽부(12, 12')의 선단으로부터 각각 외측으로 연장 형성된 접속부(13, 13')로 구성하여 상부가 개방되도록 한 채널형 강재 보(10)와;
    상기 채널형 강재 보(10)의 접속부(13, 13')에 그 양측 단부가 접합되며 상기 바닥부(11)와 양측벽부(12, 12')로 이루어진 공간에 콘크리트가 밀실하게 채워질 수 있도록 다수개의 구멍(22)이 천공되고 슬래브 콘크리트에 매입되어 전단연결재로서 기능하도록 단일의 판재를 소정의 형상으로 절곡한 덮개형 전단구속판(20);을 포함하는 것을 특징으로 하는 강재 영구거푸집 보.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널형 강재 보(10)의 바닥부(11)에는 소정 폭과 길이를 갖는 강판(31)에 소정 간격으로 다수개의 구멍(32)을 천공하고 상기 다수개의 구멍(32) 사이에 소정 간격으로 격판(34)을 상기 강판(31)의 길이방향에 수직하게 결합한 맞물림키(30)가 더 접합된 것을 특징으로 하는 강재 영구거푸집 보.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 덮개형 전단구속판(20)은 단면형상이 사다리꼴 형상, 삼각형 형상, 반원형 형상 또는 사각형 형상을 갖도록 절곡된 것을 특징으로 하는 강재 영구거푸집 보.
  4. 바닥부(11)와, 상기 바닥부(11)로부터 연장 형성된 양측벽부(12, 12')와, 상기 양측벽부(12, 12')의 선단으로부터 각각 외측으로 연장 형성된 접속부(13, 13')로 구성하여 상부가 개방되도록 한 채널형 강재 보(10)와, 상기 채널형 강재 보(10)의 접속부(13, 13')에 그 양측 단부가 접합되며 상기 바닥부(11)와 양측벽부(12, 12')로 이루어진 공간에 콘크리트가 밀실하게 채워질 수 있도록 다수개의 구멍(22)이 천공되고 슬래브 콘크리트에 매입되어 전단연결재로서 기능하도록 단일의 판재를 소정의 형상으로 절곡한 덮개형 전단구속판(20)과, 상기 채널형 강재 보(10)의 바닥부(11)에 접합되며 소정 간격으로 천공된 다수개의 구멍(32)과 상기 다수개의 구멍(32) 사이에 소정 간격으로 결합된 격판(34)을 갖는 맞물림키(30)를 포함하는 강재 영구거푸집 보와;
    상기 강재 영구거푸집 보 내부에 현장 타설로 채워져 상기 강재 영구거푸집 보와 합성 거동하는 콘크리트를 포함하는 것을 특징으로 하는 강콘크리트 합성보.
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