KR100869397B1 - 노출형 주각부 구조 및 그 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수평방향과 수직방향의 시공오차를 현장에서 간단히 흡수하여 노출형 주각부의 시공불량을 사전에 방지함으로서 구조성능을 발휘할 수 있도록 한 노출형 주각부 구조에 관한 것이다.

본 발명에 따른 노출형 주각부 구조는, 기초 콘크리트에 매입되는 복수의 앵커볼트와, 상기 앵커볼트의 머리가 결합되며 기초 콘크리트에 매입되는 강재 템플릿과, 상기 강재 템플릿의 상면에 접합되며 복수의 패스너 삽입구멍이 형성된 패스너 플레이트와, 상기 패스너 플레이트의 삽입구멍에 삽입되는 복수의 고변형성능 패스너와, 상기 고변형성능 패스너가 삽입되는 복수의 삽입구멍이 형성되고 강재 기둥의 하단에 접합되는 베이스 플레이트와, 상기 복수의 고변형성능 패스너에 체결되어 상기 베이스 플레이트를 고정시키는 너트와, 상기 패스너 플레이트를 그 내부에 수용하도록 상기 강재 템플릿의 상면에 접합되는 모르타르 구속용 강관과, 상기 모르타르 구속용 강관에 충진되는 모르타르를 포함하는 것을 특징으로 한다.

주각부, 노출형 주각부, 고변형성능 패스너, 패스너 플레이트

Description

노출형 주각부 구조 및 그 시공방법{Exposed-type column base structure in steel structure and construction method of the same}

본 발명은 강구조 노출형 주각부 구조 및 그 시공방법에 관한 것이다.

주각부는 상부의 강구조와 철근콘크리트조 기초의 접합부로서 큰 응력이 발생한다. 역학적으로는 강과 콘크리트의 복합구조로서의 구조성능을 발휘하며, 풍하중 등에 의해 반복적으로 큰 변형이 발생하는 경우에는 복잡한 이력거동을 나타낸다. 또한 주각부의 시공은 제작정밀도의 오차 및 시공정밀도의 오차가 서로 혼합되어 시공오차로서 발생하게 되고, 철근의 최종마감 등 시공적으로도 상당히 복잡한 부분이다.

현재 국내외에서 강구조 골조공사시 사용되는 주각부의 형식은 크게 노출형 주각부, 근권형 주각부(피복형 주각부), 매립형 주각부로 나눌 수 있다.

노출형 주각부는 매립형 주각부 및 피복형 주각부에 비해 의장성 및 시공성이 뛰어나다는 장점이 있다. 그러나 상부 기둥부재와 하부 철근콘크리트 기초 간의 시공상, 제작상 오차로 인한 편심이 발생하여 기둥부재에 발생하는 설계응력(축력, 전단력, 휨모멘트)에 저항하지 못하여 주각부의 고정도(강결합 정도)가 낮아지고 횡력에 의한 소성화 후의 거동이 불분명하게 되는 문제점이 있다.

한편, 노출형 주각부의 구조성능은 시공상태에 따라 크게 좌우되므로 시공조건을 고려한 구조설계를 수행하여야 하는데, 실제의 공사현장에서는 기초공사와 철골공사라는 다른 업종의 접점이므로 공사구분이나 시공관리가 소홀하기 쉽다. 따라서 설계단계에서 기대하고 있는 성능을 가지는 주각이 실제 시공되기는 극히 어렵다.

일예로 도 7에 도시된 바와 같이 기초 콘크리트(10) 타설시 발생하는 진동 및 충격으로 인해 앵커볼트(20)의 수평방향의 위치가 변하게 되고, 앵커볼트(20) 나사부의 위치가 상하로 이동하여 너트의 조임불능 및 조임길이 확보가 곤란한 경우 등으로 인하여 시공불량상태가 발생하게 된다. 즉, 앵커볼트(20)가 매입된 콘크리트(10) 상부면에 콘(cone) 형태의 여유를 이용하여 앵커볼트(20)를 변형시켜 강제적으로 기둥(30)의 베이스플레이트(40)와 체결하는 불량시공 현상이다. 따라서 불량시공은 주각부의 강도 및 강성저하로 이어져 설계시 기대하는 구조성능을 발휘할 수 없게 된다. 미설명부호 '50'은 너트이고, '60'은 모르타르이다.

또한, 선시공된 앵커볼트(20)와 베이스 플레이트(40)에 천공된 구멍을 일치시키기 위해 구멍을 확장 가공하거나 슬롯(Slot hole) 형태로 가공하는 경우 볼트와 베이스 플레이트 간의 마찰력이 감소하여 내력을 저감시킨다. 이에 미국의 강구조 설계기준에서는 마찰접합의 경우 슬롯형 구멍이나 과대 확공된 구멍에 체결한 볼트내력은 표준구멍의 표준볼트내력의 85%만 적용하도록 규정하고 있다.

본 발명은 상기한 기존 노출형 주각부의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 수평방향과 수직방향의 시공오차를 현장에서 간단히 흡수하여 노출형 주각부의 시공불량을 사전에 방지함으로서 구조성능을 발휘할 수 있도록 한 노출형 주각부 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 기초 콘크리트 위에 강재 기둥을 설치하기 위한 노출형 주각부에 있어서, 상기 기초 콘크리트에 매입되는 복수의 앵커볼트와, 상기 앵커볼트의 머리가 결합되며 상기 기초 콘크리트에 매입되는 강재 템플릿과, 상기 강재 템플릿의 상면에 접합되며 복수의 패스너 삽입구멍이 형성된 패스너 플레이트와, 상기 패스너 플레이트의 삽입구멍에 삽입되는 복수의 고변형성능 패스너와, 상기 고변형성능 패스너가 삽입되는 복수의 삽입구멍이 형성되고 상기 강재 기둥의 하단에 접합되는 베이스 플레이트와, 상기 복수의 고변형성능 패스너에 체결되어 상기 베이스 플레이트를 고정시키는 너트와, 상기 패스너 플레이트를 내부에 수용하도록 상기 강재 템플릿의 상면에 접합되는 모르타르 구속용 강관과, 상기 모르타르 구속용 강관에 충진되는 모르타르를 포함하는 것을 특징으로 하는 노출형 주각부 구조가 제공된다.

이때, 상기 고변형성능 패스너는 축부가 나사부에 비해 가늘게 제작되어 인장력에 대해 축부만이 소성화되도록 고장력볼트인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 앵커볼트는 그 선단부에 나사산이 가공되어 있고, 상기 앵커볼트 의 선단부에는 정착 플레이트가 결합되며, 상기 앵커볼트 선단부의 나사산에는 너트가 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 앵커볼트가 그 하면에 결합된 강재 템플릿을 기초 콘크리트 타설 전에 설치하고 기초 콘크리트를 타설하여 기초 콘크리트에 매입하는 공정과, 패스너 플레이트에 복수의 고변형성능 패너스를 삽입한 후 패스너 플레이트를 상기 강재 템플릿에 접합하는 공정과, 강재 기둥의 하부에 결합된 베이스 플레이트에 상기 복수의 고변형성능 패스너를 삽입하여 강재 기둥을 가설치하는 공정과, 상기 고변형성능 패스너에 너트를 체결한 후 너트에 장력을 도입하여 강재 기둥을 고정하는 공정과, 모르타르 구속용 강관을 상기 강재 템플릿 상부에 접합하고 모르타르를 충진하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 노출형 주각부 시공방법이 제공된다.

이때, 강재 기둥을 가설치하기 전에 상기 고변형성능 패스너에 수평조절용 너트를 체결하여 수평을 조절하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 기대된다.

시공성능측면에서, 강재 템플릿의 수평이동이 가능하므로 기초 철근과 간섭이 해소되고, 패스너 플레이트 용접 전 수평방향 허용오차 흡수가 가능하며, 모르타르 충진 전 레벨조정으로 인한 수직방향 허용오차 흡수가 가능하다.

강도성능측면에서, 고변형성능 패스너 사용으로 패스너 사용갯수 절감으로 인한 경제성 확보가 가능하다.

내진성능측면에서, 고변형성능 패스너의 파단변형성능 20% 확보가 가능하다.

해체성능 및 보수성능측면에서, 시공역순의 간단한 해체 가능 및 손상집중 부분인 고변형성능 패스너의 교체작업으로 인한 유지보수의 편리성이 있다.

본 발명에 따른 노출형 주각부 구조를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 노출형 주각부 구조의 분해사시도이고, 도 2는 단면도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 노출형 주각부 구조는, 기초 콘크리트(10)에 매입되는 복수의 앵커볼트(20)와, 상기 앵커볼트(20)의 머리가 결합되며 기초 콘크리트(10)에 매입되는 강재 템플릿(100)과, 상기 강재 템플릿(100)의 상면에 접합되며 복수의 패스너 삽입구멍이 형성된 패스너 플레이트(200)와, 상기 패스너 플레이트(200)의 삽입구멍에 삽입되는 복수의 고변형성능 패스너(300)와, 상기 고변형성능 패스너(300)가 삽입되는 복수의 삽입구멍이 형성되고 강재 기둥(30)의 하단에 접합되는 베이스 플레이트(40)와, 상기 복수의 고변형성능 패스너(300)에 체결되어 상기 베이스 플레이트(40)를 고정시키는 너트(50)와, 상기 패스너 플레이트(200)를 그 내부에 수용하도록 상기 강재 템플릿(100)의 상면에 접합되는 모르타르 구속용 강관(500)과, 상기 모르타르 구속용 강관(500)에 충진되는 모르타르(60)로 구성된다.

상기 고변형성능 패스너(300)는 기존의 앵커볼트를 강도 및 변형성능에 있어 서 혁신적으로 향상시킨 패스너로서, 축부가 나사부보다 가늘게 제작된 것으로 인장력에 대해서 축부만이 소성화하도록 한 볼트이다. 고성변형성능 패스너(300)를 사용함으로써 풍하중과 같은 외란에 대한 강도 및 변형성능이 향상된다.

상기 패스너 플레이트(200)는 고변형성능 패스너(200)가 삽입되어 기초 콘크리트(10)에 매입되어 있는 강재 템플릿(100)에 용접 정착되어지는 플레이트로서 수평방향의 오차를 흡수하도록 한다.

상기 모르타르 구속용 강관(500)은 모르타르(60)를 구속하기 위하여 설치하는 강관으로서 강관의 높이를 조절함으로써 시공 및 제작상의 수직방향의 오차를 흡수하도록 한다.

한편, 상기 앵커볼트(20)의 선단부에 나사산을 가공하고, 상기 앵커볼트(20)의 선단부에 정착 플레이트(700)를 결합한 후, 상기 앵커볼트(20) 선단부의 나사산에 너트(800)를 결합함으로써 앵커볼트(20)의 정착길이를 단축시킬 수 있고 부가적으로 앵커볼트(20)의 뽐힘저항성능을 증대시켜 강재 템플릿(100)의 안정성을 높일 수 있다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 노출형 주각부의 시공방법은 도 3에 나타낸 것과 같다.

먼저, 복수의 앵커볼트(20)가 그 하면에 결합된 강재 템플릿(100)을 기초 콘크리트(10) 타설 전에 설치하여 기초 콘크리트(10)에 매입한다.

다음으로, 패스너 플레이트(200)에 복수의 고변형성능 패너스(300)를 삽입한 후 패스너 플레이트(200)를 강재 템플릿(100)에 용접 접합한다.

다음으로, 강재 기둥(30)의 하부에 결합된 베이스 플레이트(40)에 복수의 고변형성능 패스너(300)를 삽입하여 강재 기둥(30)을 가설치한다. 이때, 강재 기둥(30)을 설치하기 전에 고변형성능 패스너(300)에 수평조절용 너트(400)를 체결하여 수평을 조절한 후 강재 기둥(20)을 설치하는 것이 바람직하다(도 3c 참조).

다음으로, 고변형성능 패스너(300)에 너트(50)를 체결한 후 너트(50)에 장력을 도입하여 강재 기둥(30)을 고정한다.

마지막으로, 모르타르 구속용 강관(500)을 강재 템플릿(100) 상부에 접합하고 모르타르(60)를 충진한다.

따라서 본 발명에 따르면, 강재 템플릿의 수평이동이 가능하므로 기초 철근과 간섭이 해소되고, 패스너 플레이트 용접 전 수평방향 허용오차 흡수가 가능하며, 모르타르 충진 전 레벨조정으로 인한 수직방향 허용오차 흡수가 가능하다.

또한, 시공역순의 간단한 해체 가능 및 손상집중 부분인 고변형성능 패스너의 교체작업으로 인한 유지보수의 편리성이 있다.

<실험예>

본 발명에 따른 노출형 주각부의 실시예로서, 강재기둥은 SM490급 강재 H-250×250×9×14를 사용하였으며, 고변형성능 패스너는 F10T급 고력볼트를 축부절삭 가공하여 사용하였다.

도 4에 고변형성능 패스너의 인장시험 결과를 나타내었다.

고변형성능 패스너 이외에 베이스 플레이트, 패스너 플레이트, 모르타르 구속용 강관은 SS400급 판재를 가공하여 사용하였으며, 소재의 인장시험은 KS B 0801 의 금속재료 인장시험편 규정을 따라 실험체로부터 시험편을 채취하여 1000kN 만능시험기를 이용하여 KS B 0802의 금속재료 인장시험 방법에 의해 소재 시험을 실시하였다.

도 5에 베이스 플레이트의 인장시험 결과를 나타내었다.

다음의 표 1은 각 소재시험 2개씩의 결과 평균값과 모르타르 실린더 압축시험 결과를 나타낸 것이다.

시편			항복응력 (MPa)	최대응력 (MPa)	연신율 (%)	항복비 (%)
고변형성능 패스너			1068	1114	20	95
기존 앵커볼트			308.5	450.5	34	68
H-250×250×9×14 SM490	Web		435.1	556.9	28	76
	Flange		386.9	528.3	30	73
베이스플레이트 SS400	두 께	16	290.9	4650.3	32	67
		28	352.0	495.6	28	71
모르타르 강도			52.5(MPa)

본 발명에 따른 노출형 주각부의 구조성능 실험을 위한 실험체의 일람표를 표 2에 나타내었다.

실험체명	사용 패스너	축부 직경 (mm)	패스너 개수 (개)	패스너 치수		베이스 플레이트 두께 (mm)	모르타르 구속용 강관
				축부 길이 (mm)	나사부 길이 (mm)		모르타르높이 (mm)	치수 (mm)	유무
No.1	앵커볼트	22	12	30	150	28	65	450×450	×
No.2	고변형성능	19.5	12	55	85	28	65	450×450	o
No.3	고변형성능	19.5	12	95	45	28	65	450×450	o
No.4	고변형성능	19.5	4	95	45	16	65	450×450	o

실험결과, 모르타르 구속용 강관의 역할은 수직방향의 오차 흡수 뿐만 아니라 모르타르의 압괴 및 박리현상을 방지하는 역학적 요소로서의 성능이 있음을 알 수 있었다.

또한, 도 6a 내지 도 6d에 나타낸 재하이력 곡선으로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 노출형 주각부(실험체 No.3, 도 6c)의 루프는 재하지그인 기둥의 변형을 포함하여 0.1라디안까지의 변형을 보이고 있으나, 기존 노출형 주각부(실험체 No.1, 도 6a)는 모르타르의 압괴 및 앵커볼트의 파단으로 본 발명에 따른 노출형 주각부의 절반정도의 변형성능을 나타내고 있다. 이것으로 고변형성능 패스너를 사용한 본 발명에 따른 노출형 주각부의 변형성능은 검증되었다고 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 노출형 주각부의 분해사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 노출형 주각부의 단면도이다.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 노출형 주각부의 시공방법을 순서대로 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 고변형성능 패스너의 인장시험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명에 따른 베이스 플레이트의 인장시험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 6a 내지 6d는 본 발명에 따른 노출형 주각부의 성능시험결과를 보여주는 재하이력 곡선이다.

도 7은 종래 노출형 주각부의 단면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 강재 템플릿 200 : 패스너 플레이트

300 : 고변형성능 패스너 400 : 수평조절용 너트

500 : 모르타르 구속용 강관

Claims (5)

1. 기초 콘크리트 위에 강재 기둥을 설치하기 위한 노출형 주각부에 있어서,

   상기 기초 콘크리트에 매입되는 복수의 앵커볼트와,

   상기 앵커볼트의 머리가 결합되며 상기 기초 콘크리트에 매입되는 강재 템플릿과,

   상기 강재 템플릿의 상면에 접합되며 복수의 패스너 삽입구멍이 형성된 패스너 플레이트와,

   상기 패스너 플레이트의 삽입구멍에 삽입되는 복수의 고변형성능 패스너와,

   상기 고변형성능 패스너가 삽입되는 복수의 삽입구멍이 형성되고 상기 강재 기둥의 하단에 접합되는 베이스 플레이트와,

   상기 복수의 고변형성능 패스너에 체결되어 상기 베이스 플레이트를 고정시키는 너트와,

   상기 패스너 플레이트를 내부에 수용하도록 상기 강재 템플릿의 상면에 접합되는 모르타르 구속용 강관과,

   상기 모르타르 구속용 강관에 충진되는 모르타르를 포함하는 것을 특징으로 하는 노출형 주각부 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고변형성능 패스너는 축부가 나사부에 비해 가늘게 제작되어 인장력에 대해 축부만이 소성화되도록 고장력볼트인 것을 특징으로 하는 노출형 주각부 구조.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 앵커볼트는 그 선단부에 나사산이 가공되어 있고,

   상기 앵커볼트의 선단부에는 정착 플레이트가 결합되며,

   상기 앵커볼트 선단부의 나사산에는 너트가 결합되는 것을 특징으로 하는 노출형 주각부 구조.
4. 복수의 앵커볼트가 그 하면에 결합된 강재 템플릿을 기초 콘크리트 타설 전에 설치하고 기초 콘크리트를 타설하여 기초 콘크리트에 매입하는 공정과,

   패스너 플레이트에 복수의 고변형성능 패너스를 삽입한 후 패스너 플레이트를 상기 강재 템플릿에 접합하는 공정과,

   강재 기둥의 하부에 결합된 베이스 플레이트에 상기 복수의 고변형성능 패스너를 삽입하여 강재 기둥을 가설치하는 공정과,

   상기 고변형성능 패스너에 너트를 체결한 후 너트에 장력을 도입하여 강재 기둥을 고정하는 공정과,

   모르타르 구속용 강관을 상기 강재 템플릿 상부에 접합하고 모르타르를 충진하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 노출형 주각부 시공방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   강재 기둥을 가설치하기 전에 상기 고변형성능 패스너에 수평조절용 너트를 체결하여 수평을 조절하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노출형 주각부 시공방법.

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