KR100991337B1 - 리브강관을 사용한 중공 cft 제작공법 - Google Patents

Abstract

리브강관을 사용한 원심력 중공 CFT 제작방법에 관한 것으로 기성 원형강관 대신 열연코일을 이용하여 양단에 ㄷ형 리브가 달린 반원형으로 제작하여 용접 없이 결합하는 것이다. 리브강관 제작은 두 가지 방법으로 구분된다. 첫 번째는 반원형 강관 양단에 각각 안쪽 바깥쪽으로 ㄷ형 리브를 조성한 한 쌍의 리브들을 서로 맏대고 끼워 넣는 방법과, 두 번째는 반원형으로 성형한 양단을 안쪽에 ㄷ형 리브로 조성하여 한 쌍을 원형으로 맞대고 이음부 ㄷ형 리브에 작은 C형강을 끼우는 방법이다.

일반 강관은 관 내부의 액체나 기체의 압력에 새지 않도록 이음부 용접 관리를 철저히 하여야 하므로 제작비가 많이 소요된다. 그러나 내부에 콘크리트를 채우는 CFT의 경우 이음부는 콘크리트 양생이 끝나면 오히려 잉여수가 배출되거나 화재 시 가스압력을 저감시키는 데에도 도움이 되고 시공 시 관내에 물이 들어가 동파되는 것도 방지된다.

원심력 중공 CFT용 리브강관은 콘크리트 파일과 동일하게 강관 내부에 철근망을 삽입 후 콘크리트를 충전 후 원심력을 이용하여 다지면 중공 원형단면이 형성된다.

Description

리브강관을 사용한 중공 CFT 제작공법{Manufacturing Method of Hollow CFT with Ribbed Steel Pipe}

건축공사에서 많이 사용되는 기둥은 철근콘크리트, 철골(주로 H형강, 원형강관, 각형강관), 프리캐스트 콘크리트, CFT 등이 있다. 이들 중 구조 이론상으로는 CFT가 가장 합리적인데 그 이유는 단면의 최외곽부를 감싸고 있는 강판의 원주방향 인장 내력이 커서 기둥이 과도한 압축력을 받을 경우 내부에 채운 콘크리트가 횡변형(프와송비에 의한)으로 파손되는 것을 제어하기 때문이다. 그러나 CFT 기둥은 강관 내부에 콘크리트를 채우려면 강관으로 사용된 기둥 하부에 구멍을 뚫고 압송펌프로 콘크리트를 압입하거나 기둥 1개절(일반적으로 3개 층)마다 최상부에서 트레미관을 이용하여 콘크리트를 충전하거나, 층마다 강관 측면에 구멍을 뚫어 콘크리트를 주입하고 다시 막는 방법이 있다. 이상의 세 가지 방법 모두 공사비와 공기에 부담을 주고 시공성이 저하된다. 또한 CFT 내부의 현장타설 콘크리트는 고강도를 적용하는데, 콘크리트를 다지는 적당한 방법이 없으며, 다짐정도를 확인 할 수 없어서 고강도 콘크리트의 성능확보에 어려움이 따른다. 한편 최근 발명자가 제안한 PHC 말뚝을 기둥으로 활용하는 방안은 매우 합리적이어서 현장에 성공적으로 적용 중이나 국내 PHC 말뚝 생산 시설의 최대 직경이 600mm(KS 규격 지정은 최대 800mm) 이나 실제 제작업체가 없으므로 사용최대 축하중이 500ton에 불과하다.

원심력을 이용하여 콘크리트를 다지면 다른 어떤 진동다짐 방법을 쓰는 것보다 밀실한 고강도 콘크리트를 얻을 수 있다. 이는 과거 수십년동안 원심력 콘크리트 말뚝을 생산한 경험이 증명한다. 콘크리트를 원심력으로 다지면 중심부 중공부위에 콘크리트 내의 잉여수와 레이턴스가 슬러지(레이턴스가 밀려나와 마치 석고 같이 약한 물질로 굳음)의 형태로 남게 된다.

국내 말뚝제조 공장에서는 원심력 콘크리트 말뚝 제작에 반원형 거푸집을 사용한다. 콘크리트를 양생한 후 탈형하기 위해 원형 거푸집을 반쪽으로 분할 제작하는 것이지만 거푸집 탈형을 포기하면 원형강관을 1회용 거푸집으로 사용해도 된다. 그러나 시중에서 판매하는 원형강관의 사용목적은 주로 내부에 물이나 기름, 또는 압력을 수반하는 기체를 채워도 새지 않도록 하는 것에 초점을 맞춘 것이어서 제작 시 이음부의 용접 접합에 세심한 주의가 필요하다. 이것이 강관의 제작 단가 상승의 요인이 됨을 주목할 필요가 있다.

또 한 가지 고려할 사항은 강판과 철근의 공급과 판매 단가 및 구조설계상 사용 내력이다. 강판은 국내 대형 제철소에서 제작하므로 소량 주문이 어렵고 공급이 원활하지 못한 경우가 있으나, 철근은 생산 및 주문이 용이하고 수입도 자유롭다. 강판은 주로 처녀철(處女鐵), 즉 철강석으로 제작한 순수 철임에도 불구하고 고철을 섞어 제작하는 철근에 비해 항복강도가 낮다. 또한 강판은 항복강도가 3,300kgf/cm² 이상은 쉽게 구할 수 없으나 철근은 항복강도 5,000kgf/cm²까지 부담 없이 사용할 수 있고, 강판에 비해 공급 단가가 낮다.

마지막으로 국내 코일 성형업체의 냉간성형 가능 두께가 10mm(강관 전문 제작공장에서는 16mm 정도)에 불과하여 축하중 500tf 이상 기둥 설계에 적용할 수 없다. 또한 고층건물의 기둥은 대부분 극후판 H형강을 사용하는데 일반 H형강보다 중량당 단가가 비싸고, 극후판 H형강으로도 내력이 부족하면 극후판 강판을 용접한 상자형 기둥을 제작·적용하는데 이는 극후판 H형강보다도 고가이다. 대략 축하중이 1,000tf 을 넘으면 상기의 기둥 선정과정을 고민해야 하는데 최근 기둥 간격이 넓어지고, 고층화되어 기둥 축하중이 3,000∼6,000tf 의 경우도 자주 발생하고 있다.

원심력 콘크리트 말뚝을 제작하는 국내 공장의 기존 시설들은 반원형 거푸집을 눕혀놓고 콘크리트를 상부에서 부어넣는 방식이므로, 본 발명의 원형 리브강관은 강관 단부에서 콘크리트를 주입하는 방식을 준비해야 한다. 또한 주문이 가능한 국내 코일 성형업체의 강판 최대 두께는 10mm, 강관 직경은 600mm이며 원심력으로 제작할 수 있는 기둥도 600mm에 불과하여 1,000tf 이상의 사용 축하중에도 저항할 수 있는 가볍고 값싼 기둥을 제작하는 것이 해결하여야 할 과제이다.

원심력 CFT는 원형강관의 끝 마구리에서 콘크리트를 주입하여야 하므로 콘크리트 펌프를 사용하거나 강관을 기울인 후 상부에서 부어넣는 방법을 사용하는데, 이는 반원형 강관 한 쌍을 콘크리트를 부은 후 조립하는 것이 어렵기 때문이다. 국내에서 손쉽게 가공할 수 있는 코일 성형공장의 설비는 강판 두께 10mm, 강관 직경 600mm이며, 그 이상이 되면 운반 조립에도 부담이 되므로 사용하중 1,000tonf 이상의 기둥이 필요할 때는 강관 내부에 철근망을 삽입하여 보강한다.

강관 제작 중 이음부의 용접 작업을 생략하면 생산 단가가 낮아져 경제성이 확보된다. 또한 강관 성형기계의 용량부족으로 10mm 이상 두께의 강관 생산이 불가능한 경우, 강판보다 값이 싼 철근망을 삽입하면 사용하중 1,000tonf 이상의 기둥도 손쉽게 염가 공급할 수 있다. 콘크리트를 현장 타설하는 일반 강관은 겨울철 공사 중 내부에 물이 들어가 동파하는 사례가 있으나, 본 발명의 리브강관은 이음 사이로 물이 샐 수 있으며 또한 공장 제작이므로 동파의 위험이 없고 화재발생시 내부 가스압의 저감에도 도움이 된다.

일반 강관의 단면은 점대칭이어서 어느 축에서나 단면2차반경, 단면계수, 단면2차모멘트가 동일하지만 본 리브강관은 리브를 연결하는 선과 직각되는 축에서의 단면성상이 크므로 기둥 방향을 정할 때 리브가 있는 부위를 휨응력이 큰 방향에 맞춰서 배열하면 저항 효과가 증가한다. 또한 강관 내에 철근망을 삽입할 경우 주철근의 배열을 도 3과 같이 휨모멘트 작용 방향에 집중 보강하면 동일 철근량이라도 휨내력이 증가한다.

원형강관의 제작방법은 도 1a와 같이 코일을 반원형 강관으로 성형함에 있어서 한쪽 끝은 반원형의 내부로 180°구부려서 ㄷ형 리브를 조성하고 반대편 끝은 바깥쪽으로 180°구부려서 ㄷ형 리브를 형성한다. 이렇게 만든 한 쌍의 반원형 성형제품을 원형으로 조립하는 방법은 도 1b와 같이 하나의 반원형의 끝단 ㄷ형 리브와 나머지 반원형 시작단 ㄷ형 리브가 서로 마주보게 맞대어서 리브끼리 빈틈을 찾아 맞물리게 밀어 넣고, 이음부 양단을 압착하여 서로 어긋나는 것을 방지한다. 상기 반원형 강관에서 바깥쪽으로 구부리는 ㄷ형은 도 1a와 같이 안쪽으로 밀려들어가게 가공하여 반원형 한 쌍을 원형으로 조립하였을 때 조립부위 외형이 외부로 돌출하지 않고 원형을 유지하도록 한다.

다른 방법은 도 2a와 같이 코일을 반원형으로 성형함에 있어서 양단을 동일하게 반원형의 내부로 180°구부려서 ㄷ형 리브를 조성한다. 이때 이들 한 쌍이 원형을 이루도록 서로 맞대었을 때 등대고 있는 두 쌍의 ㄷ형들을 한 쌍씩 묶어주도록 한 쌍의 작은 C형강을 끼워 넣고, 이음부 양단을 압착하여 C형강이 빠지거나 반원형이 서로 어긋나는 것을 방지한다.

강관의 형상은 도 1, 도 2와 같이 원형강관을 대상으로 이음부의 접합방법을 제시하였으나, 도 4와 같이 각형강관 형상에 대해서도 상기의 두 가지 방법으로 제작이 가능하다.

도 3의 원심력 중공 CFT 완성품을 제작하는 순서는 도 4와 같다. 먼저 4a의 하부 리브강관 내에 선조립된 철근과 철근망을 삽입하고(사용하중이 크지 않을 때 는 철근망 삽입을 생략한다), 4b의 상부 리브강관을 조립한다. 그리고 도 5와 같이 양단에 각각 공기배출구와 콘크리트 투입구를 뚫은 원형강판을 전주용접 한다. 그 후 도 4c와 같이 콘크리트 투입구로 콘크리트를 채우고, 원심 콘크리트 말뚝 제작 방법으로 고속 회전시키고 콘크리트를 양생한다.

도 1은 내향과 외향의 ㄷ형 리브를 가진 리브강관의 입면도와 조립 방법,

도 2는 내향의 ㄷ형 리브를 가진 리브강관이 C 형강에 의해 조립된 입면도와 조립방법,

도 3은 원심력 중공 리브강관 CFT의 단면도,

도 4는 원심력 중공 리브강관(원형 및 각형) CFT의 제작 순서,

도 5는 리브강관 양단 마개의 형상이다.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

CFT ; Concrete Filled Tube

Claims (4)

1. 강재와 콘크리트를 조합하여 원심력 중공 CFT 리브강관을 제작하는 과정에 있어서,

   (a) 두 개의 반원형 리브강관을 제작하는 단계 ;

   (b) 반원형 강관의 한쪽 끝은 반원형의 내부로 180°구부려서 ㄷ형 리브를 조성하고 반대편 끝은 바깥쪽으로 180°구부려서 ㄷ형 리브를 형성하도록 하는 단계 ;

   (c) 두 개의 반원형 강관에 대해 한 쪽 반원형 강관의 내부로 구부린 ㄷ형 리브와 반대편 반원형 강관의 바깥쪽으로 구부린 ㄷ형 리브를 각각 맞대어 리브끼리 맞물리게 밀어 넣고, 두 개의 리브가 강관 내부에 형성된 하나의 원형강관으로 제작되는 단계 ;

   (d) 공기배출구와 콘크리트 투입구를 뚫은 원형강판을 원형강관 양 단부에 용접하는 단계 ;

   (e) 콘크리트 투입구에 콘크리트를 주입하고 고속 회전 후 콘크리트를 양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리브강관을 사용한 중공 CFT 제작공법
2. 제1항에 있어서 ;

   한 쌍의 반원형 강관은 양단을 동일하게 반원형의 내부로 180°구부려서 ㄷ형 리브를 조성하고 ; 및

   두 개의 반원형이 원형을 이루도록 서로 맞대었을 때 등대고 있는 두 쌍의 ㄷ형 리브를 한 쌍씩 묶어주도록 한 쌍의 작은 C형강을 끼워, 두 개의 반원형 강관이 한 개의 원형 강관으로 제작되는 것을 특징으로 하는 리브강관을 사용한 중공 CFT 제작공법
3. 제1항에 있어서 ;

   원형 강관의 양 단부에 원형강판을 접합하기 전 철근망을 삽입하고, 콘크리트를 주입하여 고속 회전 후 콘크리트를 양생하는 것을 특징으로 하는 리브강관을 사용한 중공 CFT 제작공법
4. 제1항 또는 제2항에 있어서 ;

   원심력 CFT 리브강관의 형상은 각형 강관으로 제작되는 것을 특징으로 하는 리브강관을 사용한 중공 CFT 제작공법

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