KR100657745B1 - 선인장 압축재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 튜브(Tube) 형태를 갖는 강재 압축재에 선인장(Pre-tension)을 갖게 함으로써 압축재의 압축강도, 전체좌굴강도 그리고 국부좌굴강도 모두를 동시에 향상시키는 선인장 압축재에 관한 것으로, 압축재의 내부에 삽입되고, 양 끝단으로 회전자가 끼움결합되어 있으며, 중앙부에 조절볼트 구멍이 형성된 한 쌍의 내부판재와 상기 한 쌍의 내부판재의 중앙에 형성된 조절볼트 구멍을 관통하여 내부판재의 접촉상태를 조절하고, 압축하중에 저항하는 내부판재의 구조안정성 확보를 위한 조절장치와 상기 한 쌍의 내부판재의 상단을 지지하며, 내부판재 끝단의 회전자가 결합되어 이탈되는 것을 방지하는 회전자 가이드가 형성된 상단판과 상기 내부판재의 하단을 지지하며, 내부판재 끝단의 회전자가 결합되어 이탈되는 것을 방지하는 회전자 가이드가 형성된 하단판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 선인장 어셈블리 및 상기 선인장 어셈블리가 강재튜브(Tube)의 내부에 내삽하여 형성되는 선인장 압축재에 관한 것이다.

따라서, 본 발명 선인장 압축재의 사용은 각종 토목 및 건축구조물을 지지하는 압축부재의 단면적 감소를 가능하게 해줌으로써, 설계 및 시공경제성을 향상시켜주고, 구조물의 미관을 개선시켜 줌과 동시에 보다 넓은 공간의 활용이 가능하게 하는 효과가 있다.

선인장, 압축재, 어셈블리

Description

선인장 압축재{PRE-TENSIONED COMPRESSION MEMBER}

도 1은 본 발명 선인장 압축재의 내부에 설치되는 선인장 어셈블리의 결합상태도.

도 2는 도 1에 도시된 선인장 어셈블리를 포함하는 선인장 압축재를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명 선인장 압축재의 다른 실시예를 나타내는 도면.

도 4는 도 3에 도시된 선인장 압축재 간의 연결 상태를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명 선인장 압축재에 내삽되는 선인장 어셈블리의 다른 실시예.

도 6은 본 발명 선인장 압축재에 내삽되는 선인장 어셈블리의 또다른 실시예.

도 7은 도 5에 도시된 선인장 어셈블리를 내력벽체에 적용한 실시예.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 내부판재 3, 3-1 : 상단판

5, 5-1 : 하단판 7 : 회전자

9 : 회전자 홈 10 : 조절장치

11 : 회전자 가이드 13 : 조절볼트

15 : 조절와셔 17 : 조절너트

19 : 조절볼트 구멍 20 : 강재튜브

21 : 연결판 포켓 23 : 연결판

25 : 이중곡률 내부판재 27 : 삼중곡률 내부판재

30 : 내력벽체

본 발명은 튜브(Tube)형태를 갖는 강재 압축재에 선인장(Pre-tension)을 갖게함으로써, 압축강도와 좌굴강도를 동시에 향상시키는 구조시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압축재 내부에 곡률을 갖는 다수 또는 복수개의 판재를 압축재 길이방향과 나란하게 삽입하여 설치하고 그 상단과 하단에 위치한 편평한 강판을 일정 크기로 압축한 후 이 두 강판을 압축재에 직접 용접함으로써 압축재에 인장력을 갖게 하여 결과적으로 압축강도, 전체좌굴강도 그리고 국부좌굴강도 모두를 동시에 향상시키는 선인장 압축재에 관한 것이다.

압축재는 구조물에 있어서 압축력을 주로 받는 부재를 의미한다. 이러한 압축재의 대표적인 예로는 교량의 교각, 건물의 기둥 및 브레이싱 부재를 들 수 있으며, 이 밖에 각종 타워 형태의 구조물 및 압축력을 받는 트러스 현재들도 압축재의 범주에 속한다.

일반적으로 상부 구조물을 지지하는 부재에 있어 순수 압축력만이 작용하는 경우는 극히 드물며, 대부분의 경우에 있어 휨과 압축력이 동시에 작용하는데 이와 같은 이유로 압축력에 대해 저항하는 구조부재의 대다수는 보기둥 (Beam-Column) 역할을 수행하게 된다.

보기둥은 휨재의 기능과 압축재의 기능을 동시에 수행하는 것이 보통이지만 가해지는 휨력의 영향이 압축력에 의한 영향에 비해 무시할 정도로 작은 경우 보통 압축재로 분류된다.

또한, 압축재는 세장비에 따라 장주와 중주 그리고 단주로 구분되는데, 장주는 비교적 큰 세장비를 갖는 압축재로 오일러(Euler) 공식에 의한 탄성좌굴이 그 설계강도를 지배하며, 단주는 비교적 작은 세장비를 갖는 압축재로 부재의 항복이 그 설계강도를 지배한다.

한편, 토목 및 건축 구조물에 일반적으로 많이 사용되는 중주의 경우는 좀 더 복잡하여 압축재의 불완전성 (Initial Imperfection), 비탄성거동, 그리고 잔류응력 등의 영향을 고려하여 이론적으로 유도된 후 실험 결과를 토대로 수정된 설계식에 의해 그 설계강도가 예측되어 사용되고 있다.

장주의 설계압축강도는 일반적으로 강재의 항복강도보다는 압축재의 세장비에 의해 영향을 받는다. 따라서, 장주의 경우 경제적인 설계를 위해서는 세장비를 최소화하는 단면을 산정함으로써 결과적으로 설계압축강도를 증가시키는 방법이 주로 사용되고 있다.

그러나, 이와 같은 최적 단면 산정에 의한 설계경제성의 제고는 그 효과가 그리 크지 않으며, 보다 효과적으로 장주의 설계경제성을 확보할 수 있는 방법에 대한 요구가 꾸준히 제기되어 오고 있으며, 장주의 설계경제성 향상을 위한 가장 효과적인 방법의 하나로 오일러(Euler)공식에 의한 탄성좌굴하중을 증가시키는 방안에 대해 생각해 볼 수 있으나, 지금까지는 이에 대한 구체적인 아이디어가 제기되지 못하고 있는 것이 사실이다.

중주와 단주의 경우에 있어서는 설계경제성 확보를 위해 일반적으로 항복강도가 큰 강재가 선택되어 사용되는데, 이는 항복강도가 큰 강재의 사용을 통해 설계압축강도를 증가시킴으로서, 압축재를 구성하는 강재의 판 두께를 감소시킬 수 있기 때문이다.

그러나, 높은 항복강도를 갖는 강재의 사용으로 인한 지나친 강재 판 두께의 감소는 압축재의 설계에 있어 중대한 문제점을 유발할 수 있는데 이것이 바로 국부좌굴이다.

국부좌굴은 압축력을 받는 강재의 두께가 얇은 경우 압축재 전체의 좌굴이 발생하기 전에 국부적으로 발생하는 좌굴현상이다. 이와 같은 국부좌굴은 압축재 전체의 내하력저하를 초래하므로 구조물의 안전상 중요한 문제가 된다.

중주와 단주의 설계에 있어 제기되고 있는 또 다른 문제점으로 압축재의 최대 설계압축강도가 강재의 항복강도 이내로 제한이 된다는 점을 들 수 있다.

압축재, 특히 단주의 경우에 있어 적당한 방법에 의해 부재에 초기 인장력을 갖게할 수 있다면, 이 압축재는 항복강도를 지나 초기 인장력만큼 더해진 하중에 저항할 수 있게 되는데 이로써 강재의 항복응력보다 큰 설계압축강도를 기대할 수 있게 된다. 그러나 지금까지는 압축재에 초기 인장력을 부여하는 방법에 대해 구체적으로 제시된 사례가 없는 것이 현실이다.

본 발명은 장주, 중주, 그리고 단주를 포함하는 압축재의 구조성능을 효과적으로 향상시킴으로써, 설계경제성을 향상시키고, 기존 압축재와 비교하여 더 큰 설계하중에 저항할 수 있음은 물론, 동시에 전체좌굴강도 및 국부좌굴강도의 증대를 통해 경제적인 단면의 설계가 가능하도록 한 압축구조시스템을 제공하는데 그 기술적 과제가 있다.

본 발명은 구조물을 지지하는 튜브(Tube)형태를 갖는 강재 압축재에 선인장(Pre-tension)을 갖게하여 압축강도, 전체좌굴강도 그리고 국부좌굴강도 모두를 동시에 향상시키는 선인장 압축재에 관한 것으로서, 압축재 내부에 삽입되는 단수 또는 복수개의 내부판재, 상기 내부판재의 초기곡률 형성 및 내부판재 간의 접촉 그리고 큰 압축하중 하에서 내부판재 자체의 구조안정성 확보를 위한 조절장치, 내부판재 상단과 하단에 위치하여 내부판재에 초기 압축력 도입이 가능하도록 도와주는 상단판과 하단판, 상기 상·하단판과 내부판재의 결속 및 내부판재 끝단의 자유로운 회전을 위한 회전자 및 상·하단판 내에서 회전자의 위치 이탈을 방지해 주는 회전자 가이드를 포함하는 선인장 어셈블리가 제공된다.

또한, 상기 선인장 어셈블리를 강재튜브(Tube)에 내삽시켜 형성되는 선인장 압축재가 제공된다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 선인장 압축재의 내부에 설치되는 선인장 어셈블리의 결합상 태도이고, 도 2는 선인장 어셈블리를 포함하는 선인장 압축재를 나타낸 도면이며, 도 3은 선인장 압축재의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 선인장 어셈블리(100)는 중앙부에 조절볼트 구멍(19)이 형성된 한 쌍의 내부판재(1)와 상단판(3), 하단판(5), 회전자(7), 회전자 가이드(11), 조절장치(10)로 구성된다.

상기 한쌍의 내부판재(1)는 양 끝단으로 회전자(7)가 끼움결합된 상태에서 압축재의 내부에 위치하고, 상기 내부판재(1)의 중앙에 형성된 조절볼트 구멍(19)을 관통하여 설치되는 조절장치(10)에 의해 초기곡률 및 내부판재(1)간의 간격이 결정된다.

또한, 상기 내부판재(1)의 상단을 지지하며, 내부판재(1) 끝단의 회전자(7)가 결합되어 이탈되는 것을 방지하는 회전자 가이드(11)가 형성된 상단판(3)과 상기 내부판재(1)의 하단을 지지하며, 내부판재 끝단의 회전자(7)가 결합되어 이탈되는 것을 방지하는 회전자 가이드(11)가 형성된 하단판(5)이 내부판재(1)와 결합됨으로써, 선인장 어셈블리(100)가 형성되는 것이다.

여기서, 상기 조절장치(10)는 조절볼트(13), 조절너트(17), 조절와셔(15)로 구성되며, 상기 조절볼트(13)가 한쌍의 내부판재(1)의 조절볼트 구멍을 관통하여 위치하고, 조절볼트(13)의 양끝단에서 조절와셔(15)를 끼움결합 한 후, 조절너트(17)를 나사결합함으로써, 내부판재(1)의 초기곡률 및 내부판재 간의 간격을 조절할 수 있게 된다.

도 2는 도 1에 도시된 선인장 어셈블리(100)를 포함하는 선인장 압축재를 나 타낸 도면으로써, 도 1에 도시된 선인장 어셈블리(100)를 그대로 강재튜브(20) 내부로 삽입하여 위치시키고, 하단판(5)을 강재튜브(20)와 용접으로 강결시킨 후, 유압잭 등의 장비를 이용하여 상단판(3)을 가압함으로써 선인장 어셈블리(100)에 초기 압축력을 작용시킨다. 원하는 크기의 초기 압축력을 도입하게 되면, 상단판(3)을 강재튜브(20)에 용접으로 강결시킴으로써, 결과적으로 압축재에 선인장을 부여하게 되는 것이다. 압축력 도입시 조절볼트(13)는 초기 곡률을 갖고 압축되는 상단판(3)과 하단판(5)의 변형이 좌우대칭을 유지하도록 도우며 초기 압축력 크기의 증가에 따라 한 쌍의 내부판재(1)가 구조적 불안정 상태로 바뀌는 것을 방지하는 역할을 한다.

도 3은 선인장 압축재의 다른 실시예를 나타내는 도면으로써, 도 1에 도시된 선인장 어셈블리(100)가 강재튜브(20) 내부로 삽입되고, 하단판(5)이 강재튜브(20)에 용접으로 강결된 상태에서 상단판(3)을 가압할 경우 회전자(7)는 상단판(3)과 강재튜브(20)가 만나서 형성하는 코너부에 위치하여 안정적으로 초기 압축력에 저항하게 된다. 이 경우, 회전자(7)의 위치 이탈을 방지하고 자유로운 회전을 돕기 위한 회전자 가이드(11)의 제작이 불필요하게 됨으로써, 도3에 도시된 선인장 어셈블리(300)의 사용이 가능하게 된다.

도 4는 도 3에 도시된 선인장 압축재(300) 간의 연결 상태를 나타내는 도면이며, 두개 이상의 선인장 압축재(300)를 서로 연결하기 위하여, 압축재(300)의 상단과 하단으로 연결판 포켓(21)을 추가로 형성하고, 상기 연결판 포켓(21)에 의해 형성된 공간부에 연결판(23)을 삽입하여 상·하 강재튜브(20)를 용접으로 강결하여 연결시킴으로써, 두개 이상의 선인장 압축재(300)를 연결하여 사용할 수 있다.

도 5는 본 발명 선인장 압축재에 내삽되는 선인장 어셈블리의 다른 실시예를 나타내는 도면이며, 도 1 내지 도 4에 도시된 선인장 어셈블리는 2개의 내부판재(1)로 구성되어 있으나, 도 5에 도시된 선인장 어셈블리는 이중 곡률을 갖는 1개의 내부판재(25)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이중 곡률을 갖는 1개의 내부판재(25)를 사용할 경우에는, 조절볼트, 조절너트, 조절와셔, 그리고 조절볼트 구멍의 가공 및 설치 과정을 생략할 수 있고, 도 1 내지 도 4에 도시된 선인장 압축재에 비해 보다 경제적인 선인장 압축재의 제작이 가능하게 해준다.

이 때, 이중 곡률을 갖는 1개의 내부판재(25)를 사용하는 경우에 있어서, 2개의 내부판재를 사용하는 경우와는 달리, 상·하단판(3-1, 5-1)에 의한 효과적인 압축력 도입을 위해 내부판재(25) 양 끝단 회전자(7)와 상·하단판(3-1, 5-1)에 형성된 회전자 가이드(11)는 압축재의 중앙에 위치하도록 선인장 어셈블리를 형성시켜 주는것이 바람직하다.

도 6은 도 5에 도시된 선인장 어셈블리의 또다른 형태의 실시예를 나타내는 도면으로, 삼중 곡률을 갖는 1개의 내부판재(27)로 구성된 선인장 어셈블리가 압축재의 내부에 설치될 수 있다.

도 7은 도 5에 도시된 선인장 어셈블리를 내력벽체(30)에 적용한 실시예를 나타낸 도면으로, 이중 곡률을 갖는 내부판재(25)를 내력벽체(30)의 내측으로 서로 엇갈리게 설치함으로써, 상부 구조물로부터 면하중 형태로 전달되어 내려오는 압축 력에 효과적으로 저항할 수 있는 내력벽체로써의 기능을 수행할 수 있게 되는 것이다.

여기서, 효과적인 압축력을 도입하기 위해 상기 이중 곡률을 갖는 내부판재(25)는 가능한 한 짝수로 구성하는게 바람직하다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 선인장 압축재는 각종 토목 및 건축 구조물들을 지지하는 압축부재의 설계에 있어 그 단면적의 감소를 가능하게 해줌으로써, 설계 및 시공경제성을 향상시켜주는 효과가 있으며, 구조물의 미관을 개선시켜 줌은 물론 보다 넓은 공간의 활용이 가능하게 하는 효과가 있다.

이상에서 선인장 압축재에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (8)

1. 강재를 이용하여 제작되는 튜브(Tube) 압축재에 있어서,

   상기 압축재의 내부에 길이방향으로 삽입되고, 양 끝단으로 회전자가 끼움결합되어 있으며, 중앙부에 조절볼트 구멍이 형성된 한 쌍의 내부판재;

   상기 한 쌍의 내부판재의 중앙에 형성된 조절볼트 구멍을 관통하여 내부판재의 초기곡률을 형성시키고, 내부판재 간의 거리를 조절하며, 압축하중에 저항하는 내부판재의 구조안정성 확보를 위한 조절장치;

   상기 한 쌍의 내부판재의 상단을 지지하며, 내부판재 끝단의 회전자가 결합되어 이탈되는 것을 방지하는 회전자 가이드가 형성된 상단판;

   상기 내부판재의 하단을 지지하며, 내부판재 끝단의 회전자가 결합되어 이탈되는 것을 방지하는 회전자 가이드가 형성된 하단판;으로 형성되는 것을 특징으로 하는 선인장 어셈블리.
2. 제 1항에 있어서, 상기 조절장치는 조절볼트, 조절넛트, 조절와셔로 구성된 것을 특징으로 하는 선인장 어셈블리.
3. 제 1항에 있어서, 상기 선인장 어셈블리를 강재튜브(Tube)의 내부에 내삽하여 형성되는 선인장 압축재.
4. 강재를 이용하여 제작되는 튜브(Tube) 압축재에 있어서,

   상기 압축재의 내부에 길이방향으로 삽입되고, 양 끝단으로 회전자가 끼움결합되어 있으며, 중앙부에 조절볼트 구멍이 형성된 한 쌍의 내부판재;

   상기 한 쌍의 내부판재의 중앙에 형성된 조절볼트 구멍을 관통하여 내부판재의 초기곡률을 형성시키고, 내부판재 간의 거리를 조절하며, 압축하중에 저항하는 내부판재의 구조안정성 확보를 위해, 조절볼트와 조절넛트와 조절와셔로 구성된 조절장치;

   상기 한 쌍의 내부판재의 상부에 위치하며, 상기 한 쌍의 내부판재의 상단을 지지하는 상단판;

   상기 한 쌍의 내부 판재의 하부에 위치하며, 상기 한 쌍의 내부판재의 하단을 지지하는 하단판;으로 선인장 어셈블리를 구성하고,

   상기 선인장 어셈블리를 강재튜브의 내부에 내삽하여, 상기 강재튜브(Tube)와 상단판, 및 상기 강재튜브와 하단판이 만나서 형성되는 내측 모서리부분에 내부판재의 회전자를 위치시키는 것을 특징으로 하는 선인장 압축재.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 두개 이상의 선인장 압축재를 서로 연결하기 위하여, 압축재의 상단과 하단으로 연결판 포켓을 추가로 형성하고, 상기 연결판 포켓에 의해 형성된 공간부에 연결판을 삽입하여 상·하 강재튜브를 용접으로 강결하여 연결시킴을 특징으로 하는 선인장 압축재.
6. 제1항 또는 제4항에 있어서 , 상기 선인장 어셈블리의 내부판재는 이중 곡률을 갖는 1개의 내부판재로 이루어진 것을 특징으로 하는 선인장 압축재.
7. 제 6항 에 있어서, 상기 내부판재는 삼중 곡률을 갖는 1개의 내부판재로 이루어진 것을 특징으로 하는 선인장 압축재.
8. 제 6항에 있어서, 이중 곡률을 갖는 다수개의 내부판재가 서로 엇갈리게 배치되어 설치되는 것을 특징으로 하는 선인장 내력벽체.

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