KR101001107B1 - 이중강관 접합식 단면확대형 강관말뚝 머리 보강장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강관말뚝 머리 보강장치에 관한 것이다.

본 발명의 적절한 실시형태에 따른 이중강관 접합식 단면확대형 강관말뚝 머리 보강장치는, 중앙에 강관말뚝의 내경보다 작은 크기를 가지는 개구(111)가 형성되며 강관말뚝의 외경보다 더 큰 크기를 갖는 단면확대형 커버 플레이트(11); 단면확대형 커버 플레이트(11)의 하면에 결합되며 강관말뚝의 머리가 삽입되도록 강관말뚝의 외경보다 큰 내경을 갖는 보강강관(12); 단면확대형 커버 플레이트(11)의 개구(111) 둘레를 따라 나사결합되는 복수의 수직보강재(13); 일단이 단면확대형 커버 플레이트(11)에 나사결합되는 연결재(14); 및 연결재(14)의 타단에 결합되어 강관말뚝의 내부에 설치되는 거푸집판(15)을 포함하며, 단면확대형 커버 플레이트(11)의 하면에는 복수의 보강 플레이트(16)가 결합되고, 수직보강재(13)는 강관말뚝을 단면확대형 커버 플레이트(11)로 투영한 면의 바깥쪽과 안쪽 모두에 설치된 것을 특징으로 한다.

대구경 강관말뚝, 머리, 두부, 보강, 장치

Description

이중강관 접합식 단면확대형 강관말뚝 머리 보강장치{Double pipe connection type enlarged steel pipe pile head reinforcement}

본 발명은 강관말뚝 머리 보강장치에 관한 것이다.

말뚝기초는 지반 지내력이 확보되지 않을 경우 각종 구조물을 최종적으로 지지하는 기초공법으로서 매우 오래전부터 유용하게 사용되어온 공법이다. 상부구조물로부터 전달되는 모든 하중을 지반 자체의 내력으로 지지하기 어려운 경우 말뚝을 견고한 지반까지 근입하여 구조물의 지지력을 확보할 수 있다. 강관 말뚝기초의 머리 결합부는 서로 다른 재료로 이루어진 확대기초와 강관말뚝이 만나는 부분으로 말뚝기초 중 구조적으로 가장 취약한 부분이 될 수 있다. 과거 구조물의 크기는 소규모로서 기초 구조에 작용하는 하중이 크지 않아 엄밀한 해석적 근거 없이 경험에 의한 설계 및 시공이 가능했기 때문에 말뚝머리 결합부 보강에 대한 인식이 낮았다. 그러나 구조물의 거대화나 장대화에 따른 작용하중의 증가와 특수하중(온도, 크리프)에 대한 고려 등으로 기초 구조의 설계 및 시공에 대한 중요성이 증대되었고 또한 건설장비의 발달로 대구경 강관말뚝의 시공이 가능하게 됨에 따라 강관말뚝 1본이 받은 하중이 커지고 지진하중과 같은 특수한 하중에 대한 설계가 강조되 어 말뚝기초의 안전성을 새롭게 검토할 필요가 생겼다.

말뚝 머리와 확대기초의 결합방법은 강결합과 힌지결합으로 구분되며, 일반적으로 토목구조물은 구조물의 안전성과 변위에 대한 문제를 고려하여 경결합 방법으로 설계되고 있다. 강결합 방법은 확대기초 속에 말뚝의 직경 만큼 말뚝 머리를 근입시키고 근입된 부분이 말뚝 머리에 작용하는 휨모멘트에 저항하도록 하는 방법(방법 A)과, 말뚝 머리를 확대기초 속에 10cm 정도 매입하고 말뚝 머리를 수직 보강철근으로 보강하여 가상의 철근콘크리트 기둥에 의해 말뚝 머리에 작용하는 휨모멘트에 저항하도록 하는 방법(방법 B)가 있다. 방법 A와 방법 B는 각각 장단점이 있는데, 작업성과 확대기초 주철근 배근의 용이성 등 시공성을 고려하여 주로 방법 B가 사용되고 있다.

말뚝 머리와 확대기초의 강결합부는 허용응력설계법을 적용하여 말뚝 머리에 작용하는 압입력, 인발력, 수평력 및 휨모멘트에 대해 구조적 안전성을 갖도록 설계한다. 특히 휨모멘트와 연직하중에 의한 조합하중을 평가시 가상 철근콘크리트 기둥으로 가정하여 구조 안전성을 평가한다. 도 4는 방법 B에 있어서 말뚝 머리 결합부의 지지력 분담을 모식적으로 나타낸 그림이다. 방법 B는 일예로서 도 4에서와 같이 위험단면을 가정하여 설계한다. 즉, 압입력(P)에 의한 지압에 대해서는 강관 직경 D의 원형의 재하면에 균일한 분포응력이 작용하는 것으로 설계하며, 콘크리트 부재의 압발전단파괴(펀칭전단파괴)에 대해서는 강관에서 h/2 만큼 떨어진 둘레 길이를 펀칭전단파괴의 유효둘레길이로 하여 슬래브의 펀칭전단설계 규정을 적용하였다. 수평력 H에 대해서도 매입된 강관의 전면의 투명면적에 해당되는 단면이 균일 한 지압응력을 받은 경우와 같이 저항하는 것으로 하였다. 인발력과 휨모멘트에 대해서는 보강철근위치에서 바깥쪽으로 10cm 이동한 직경의 가상 철근콘크리트 기둥 단면을 가정하여 해당 단면의 기둥설계방법과 같이 하였다. 다시 말해서, 방법 B에 있어서, 말뚝 머리 결합부에서 지지력 분담은, 압입력에 대해서는 말뚝 머리 확대기초 콘크리트의 지압 및 펀칭전단저항으로, 인발력에 대해서는 보강철근의 인장저항으로, 수평력에 대해서는 말뚝 전면 확대기초 콘크리트의 지압저항으로, 휨모멘트에 대해서는 보강철근을 포함한 가상 철근콘크리트 기둥의 휨모멘트저항으로 지지하게 된다.

최근 강관말뚝 공사의 경제성을 높이기 위해 말뚝의 직경을 크게 하고 말뚝의 본수를 줄이려는 경향이 있다. 말뚝의 직경을 증가시키면 구조적으로 수평력 및 휨모멘트에 대한 저항 성능이 향상되는 이점이 있는 반면에 확대기초 콘크리트의 압발전단파괴(펀칭전단파괴)를 방지하기 위해 확대기초의 두께를 증대시켜야 하는 문제가 있다.

본 발명은 말뚝기초로서 강관말뚝의 적용성 및 경제성을 높이고, 방법 B에 따라 강관말뚝 머리를 보강할 때 말뚝 머리 결합부에 작용하는 압입력에 의해 확대기초 콘크리트가 펀칭전단파괴되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 강관말뚝의 머리 보강장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명의 적절한 실시형태에 따르면, 중앙에 강관말뚝의 내경보다 작은 크기를 가지는 개구가 형성되며 강관말뚝의 외경보다 더 큰 크기를 갖는 단면확대형 커버 플레이트; 단면확대형 커버 플레이트의 하면에 결합되며 강관말뚝의 머리가 삽입되도록 강관말뚝의 외경보다 큰 내경을 갖는 보강강관; 단면확대형 커버 플레이트의 개구 둘레를 따라 나사결합되는 복수의 수직보강재; 일단이 단면확대형 커버 플레이트에 나사결합되는 연결재; 및 연결재의 타단에 결합되어 강관말뚝의 내부에 설치되는 거푸집판을 포함하며, 단면확대형 커버 플레이트의 하면에는 복수의 보강 플레이트가 결합되고, 수직보강재는 강관말뚝을 단면확대형 커버 플레이트로 투영한 면의 바깥쪽과 안쪽 모두에 설치된 것을 특징으로 하는 이중강관 접합식 단면확대형 강관말뚝 머리 보강장치가 제공된다.

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본 발명에 따르면 강관말뚝의 머리가 단면확대형 커버 플레이트에 의해 확대됨으로써 지압면적을 넓혀 압입력 및 수평력에 대한 말뚝 머리 결합부의 지지력을 향상시킬 수 있고, 강관말뚝의 내경 안쪽으로 확장되는 단면확대형 커버 플레이트가 전단 저항키 역할을 함으로써 강관말뚝 내부에 채워지는 속채움 콘크리트의 인발 저항력을 향상시킨다.

또한, 단면확대형 커버 플레이트에 수직보강재를 직접 설치하여 평면상으로 강관말뚝의 외부에 수직보강재가 위치하도록 배치하여 가상 철근콘크리트 기둥 단면을 확대함으로써 휨모멘트에 대한 저항력을 높일 수 있으며, 수직보강재 간격을 최대화할 수 있어 조립 및 확대기초 주철근과의 간섭을 줄이는 등 시공성을 향상시킬 수 있다. 또한 수직보강재의 추가 설치가 용이해 큰 인발하중에 대응할 수 있다.

또한, 강관말뚝에 접합되는 보강강관에 의해 강관말뚝 머리부가 추가로 보강되어 손상을 최소화하는 추가 기능을 확보할 수 있으며, 단면확대형 커버 플레이트에 의한 수평저항면적이 확대되어 수평저항력이 향상된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 표기하며, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중강관 접합식 단면확대형 강관말뚝 머리 보강장치를 나타낸 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중강관 접합식 단면확대형 강관말뚝 머리 보강장치를 이용한 확대기초와 강관말뚝 머리의 결합부를 나타낸 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중강관 접합식 단면확대형 강관말뚝 머리 보강장치(10)는, 중앙에 대구경 강관말뚝의 내경보다 작은 크기를 가지는 개구(111)가 형성되고 대구경 강관말뚝의 외경보다 더 큰 크기를 갖는 단면확대형 커버 플레이트(11), 단면확대형 커버 플레이트(11)의 하면에 결합된 보강강관(12), 단면확대형 커버 플레이트(11)의 상면에 개구(111)의 둘레를 따라 나사결합되는 복수의 수직보강재(13), 일단이 단면확대형 커버 플레이트(11)에 나사결합되는 연결재(14), 연결재(14)의 타단에 결합되어 대구경 강관말뚝의 내부에 설치되는 거푸집판(15)으로 구성된다.

단면확대형 커버 플레이트(11)는 대구경 강관말뚝의 두부를 덮으면서 강관말뚝 두부를 확대하는 것으로서, 직경은 강관말뚝의 직경 보다 크게 형성된다. 도 1에서는 단면확대형 커버 플레이트(11)가 가운데에 원형의 개구(111)가 형성되고 원형의 외주를 갖는 링형상의 플레이트로 도시되었으나, 개구(111)의 형상 및 외주의 형상은 이에 한정되지 않으며, 사각형, 오각형 등 다각형의 개구 및 외주 형상을 갖도록 구성될 수 있고 또는 개구는 원형으로 외주는 다각형으로 하는 등 이들을 다양하게 조합하여 구성할 수 있다. 개구(111)의 크기는 강관말뚝의 내경보다 더 작은 크기를 가져 강관말뚝의 내부에 속채움되는 콘크리트의 주면을 구속하도록 하고, 강관말뚝 내부에 콘크리트를 원활하게 속채움할 수 있을 정도로 충분히 큰 크기를 갖도록 강관말뚝의 직경을 고려하여 적절하게 결정된다. 단면확대형 커버 플레이트(11)의 크기는 콘크리트 지압면적을 넓혀 압입력에 대한 말뚝 머리 결합부의 지지력을 향상시킬 수 있도록 구조계산을 통해 결정된다. 단면확대형 커버 플레이트(11)의 개구(111) 둘레에는 수직보강재의 일단을 고정하기 위한 복수의 수직보강재 결합홀과 연결재의 일단을 고정하기 위한 연결재 결합홀이 각각 형성된다. 개구(111)를 통해 보강강관(12)과 강관말뚝(20)과의 볼트 접합이 용이해진다. 그리고 단면확대형 커버 플레이트(11)가 강관말뚝(20)의 내경 안쪽으로 확장됨으로써 전단 저항키 역할을 하여 강관말뚝(20) 내부에 채워지는 속채움 콘크리트의 인발 저항력을 향상시킨다. 또한, 단면확대형 커버 플레이트에 수직보강재를 직접 설치하여 평면상으로 강관말뚝의 외부에 수직보강재가 위치하도록 배치하여 가상 철근콘크리트 기둥 단면을 확대함으로써 휨모멘트에 대한 저항력을 높일 수 있으며, 수직보강재 간격을 최대화할 수 있어 조립 및 확대기초 주철근과의 간섭을 줄이는 등 시공성을 향상시킬 수 있다. 또한 단면확대형 커버 플레이트(11)에 수직보강재의 추가 설치가 용이해 큰 인발하중에 대응할 수 있다. 또한 단면확대형 커버 플레이트(11)에 의해 수평저항면적이 확대되므로 수평저항력이 향상된다.

보강강관(12)은 단면확대형 커버 플레이트(11)의 하면에 단면확대형 커버 플레이트(11)의 개부가 그 중심에 위치하면서 연통되도록 용접 접합된다. 보강강관(12)은 강관말뚝의 머리가 삽입될 수 있도록 강관말뚝의 외경보다 더 큰 내경을 갖는다. 보강강관(12)에는 강관말뚝과의 볼트 결합을 위해 둘레를 따라 복수의 관통홀이 천공된다. 그러나 보강강관(12)이 강관말뚝과 볼트 결합 이외의 방법, 즉, 용접 또는 나사접합되는 경우 관통홀은 천공할 필요가 없음은 물론이고 이러한 방법으로 강관말뚝과 보강강관을 결합하는 것도 본 발명에 포함된다. 이렇게 보강강관(12)은 강관말뚝의 외부에 결합되어 강관말뚝 두부를 보강한다.

수직보강재(13)는 속채움 방식의 강관말뚝 머리 보강공법에서 일반적으로 사용되는 수직보강철근과 그 기능이 동일한 것으로, 단면확대형 커버 플레이트(11)의 상면에 개구(111)의 둘레를 따라 나사결합된다. 수직보강재(13)를 단면확대형 커버 플레이트(11)에 고정함에 따라 정착길이를 확보하기 위해 속채움 콘크리트 내부로 매입할 필요가 없게 된다. 수직보강재(13)로는 단면확대형 커버 플레이트(11)에 나사결합하기 위해 일단을 나사가공한 이형철근 또는 강봉이 사용될 수 있다. 수직보강재(13)는 강관말뚝을 단면확대형 커버 플레이트(11)로 투영한 면의 바깥쪽 또는 안쪽에 설치될 수 있고, 바깥쪽에 설치될 경우, 가상 철근콘크리트 기둥의 단면적을 확대하는 효과가 있어 인발력과 휨모멘트에 대한 구조 안전성을 높일 수 있다. 한편, 큰 인발저항력이 요구되는 경우 수직보강재(13)는 강관말뚝을 단면확대형 커버 플레이트(11)로 투영한 면의 바깥쪽과 안쪽 모두에 설치될 수 있다.

연결재(14)의 일단은 단면확대형 커버 플레이트(11)에 나사결합되고 타단에는 거푸집판(15)이 결합된다. 연결재(14)는 기본적으로 거푸집판을 설계 위치에 고정하고 속채움 콘크리트의 자중을 지지하는 것이다. 연결재(14)의 길이는 수직보강재(13)의 정착길이를 고려하여 결정되는 것이 보통이나 본 발명에서는 수직보강재(13)가 속채움 콘크리트에 정착될 필요가 없으므로 그 길이는 확대기초 콘크리트에 전체가 매입될 수 있을 정도의 길이를 가지면 된다.

거푸집판(15)은 연결재(14)의 하단에 결합되어 시공시 및 사용시 속채움 콘크리트를 지지하는 기능을 한다. 따라서 거푸집판(15)의 재질에는 제한이 없으며 속채움 콘크리트의 자중에 의해 파괴되거나 과도한 변경이 생기지 않은 것이 사용된다.

한편, 단면확대형 커버 플레이트(11)의 강도와 휨강성을 높이고 단면확대형 커버 플레이트(11)와 보강강관(12)의 결합력을 높이기 위해 단면확대형 커버 플레이트(11)의 하면에는 보강강관(12)과 연결되도록 복수의 보강 플레이트(16)가 더 결합될 수 있다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 강관말뚝 머리 보강장치를 이용하여 확대기초와의 결합부를 시공하는 방법은 아래와 같다. 도 3a 내지 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 강관말뚝 머리와 확대기초의 결합부의 시공방법을 순서대로 나타낸 단면도이다.

도 3a를 참조하면, 먼저, 지반에 매립하는 과정에서 변형되거나 필요 이상으로 지반에서 돌출된 강관말뚝(20)의 머리를 절단하고, 강관말뚝(20)에 보강강관(12)과의 볼트 결합을 위한 볼트구멍을 천공한다. 미설명 부호 '30'은 버림 콘크리트를 나타낸다.

다음으로, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 단면확대형 커버 플레이트(11)와 보강강관(12)이 일체로 용접되고 필요에 따라 보강 플레이트(16)도 용접된 상태에서 연결재(14)를 이용해 거푸집판(15)을 단면확대형 커버 플레이트(11)와 연결시킨 보강장치를 강관말뚝과 볼트 결합시킨다.

마지막, 도 3c에서 보듯이 확대기초 주철근(45)을 배근하고 수직보강재(13)를 단면확대형 커버 플레이트(11)에 결합한 후, 도 3d에서와 같이 확대기초 콘크리트(40)를 타설함으로써 확대기초와 강관말뚝의 머리를 서로 강결시킨다.

이렇게 본 발명의 일 실시예에 따르면, 강관말뚝의 머리가 단면확대형 커버 플레이트에 의해 확대됨으로써 지압면적을 넓혀 압입력 및 수평력에 대한 말뚝 머리 결합부의 지지력을 향상시킬 수 있다. 또한, 수직보강재를 강관말뚝의 외부에 오도록 배치하여 가상 철근콘크리트 기둥 단면을 확대함으로써 휨모멘트에 대한 저항력을 높일 수 있다.

이상에서 본 발명을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중강관 접합식 단면확대형 강관말뚝 머리 보강장치를 나타낸 분해사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중강관 접합식 단면확대형 강관말뚝 머리 보강장치를 이용한 확대기초와 강관말뚝 머리의 결합부를 나타낸 단면도이다.

도 3a 내지 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 강관말뚝 머리와 확대기초의 결합부의 시공방법을 순서대로 나타낸 단면도이다.

도 4는 방법 B에 있어서 말뚝 머리 결합부의 지지력 분담을 모식적으로 나타낸 그림이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

11 : 단면확대형 커버 플레이트

12 : 보강강관

13 : 수직보강재

14 : 연결재

15 : 거푸집판

Claims (3)

1. 중앙에 강관말뚝의 내경보다 작은 크기를 가지는 개구(111)가 형성되며 강관말뚝의 외경보다 더 큰 크기를 갖는 단면확대형 커버 플레이트(11);

   단면확대형 커버 플레이트(11)의 하면에 결합되며 강관말뚝의 머리가 삽입되도록 강관말뚝의 외경보다 큰 내경을 갖는 보강강관(12);

   단면확대형 커버 플레이트(11)의 개구(111) 둘레를 따라 나사결합되는 복수의 수직보강재(13);

   일단이 단면확대형 커버 플레이트(11)에 나사결합되는 연결재(14); 및

   연결재(14)의 타단에 결합되어 강관말뚝의 내부에 설치되는 거푸집판(15)을 포함하며,

   단면확대형 커버 플레이트(11)의 하면에는 복수의 보강 플레이트(16)가 결합되고,

   수직보강재(13)는 강관말뚝을 단면확대형 커버 플레이트(11)로 투영한 면의 바깥쪽과 안쪽 모두에 설치된 것을 특징으로 하는 이중강관 접합식 단면확대형 강관말뚝 머리 보강장치.
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