KR101184444B1 - 하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥보강방법 - Google Patents

Abstract

기존 기초구조물에 설치된 기둥을 보다 효과적이고 신속하게 마이크로파일을 이용하여 보강할 수 있는 하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥보강방법에 관한 것으로서 상기 기둥보강방법은 상기 기둥의 하단으로부터 상방으로 하중전달장치를 고정 설치하는 단계; 및 상기 하중전달장치와 접하는 하중이 전달되는 반력지지판이 일체로 형성된 두부브라켓을 기둥 측방에 설치된 마이크로파일 두부에 형성시키는 마이크로파일부를 설치하는 단계;를 포함한다.

Description

하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥보강방법{COLUMN REINFORCING METHOD USING LOAD TRANS APPARATUS AND MICRO-PILE}

본 발명은 하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥보강방법에 대한 것이다. 더욱 구체적으로 기존 기초구조물에 설치된 기둥을 보다 효과적이고 신속하게 마이크로파일을 이용하여 보강할 수 있는 하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥보강방법에 관한 것이다.

교각, 벽 등 건축구조물 등에 사용되는 다양한 단면 형상을 갖는 기둥을 지지하는 콘크리트 기초구조물은 일반적으로 기둥의 하단에 기둥보다 단면이 큰 기초판이 형성된다.

이 기초판 설계 시에는 구조물에 예상할 수 없는 높은 응력과 균열 등의 부작용을 일으키는 부등침하에 대하여 충분한 검토가 요구된다.

이와 같은 침하량을 작게 하기 위하여서는 충분한 지내력을 가진 지반에 기초판을 설치하고 기초판의 단면적을 충분히 크게 하여야 하는데, 연약 지반층에 기초판을 설치하는 경우나 기초판의 면적을 충분히 크게 형성할 수 없는 경우에는, 기둥을 통해 기초판에 전달되는 하중을 연약지반층 아래에 있는 암반층에 말뚝을 통해 전달하여 지지하기도 한다.

이러한 말뚝은 기초말뚝에 해당되는데 기존 구조물의 경우에는 기초말뚝을 추가 설치하는 방법으로 기초부를 보강하는 방법이 소개되어 있다.

말하자면 건물을 증축하는 등의 경우에 있어 기둥에 전달되는 하중의 크기가 마이크로 파일을 이용하는 공법이 소개되어 있다.

이에 기초판의 콘크리트 두께를 최소한으로만 증대시키면서 보다 간단하고 효율적으로 상부 구조물을 지지할 수 있도록 하는 기존 콘크리트 기초구조물을 마이크로파일로 보강하는 방법이 소개된 바 있다.

도 1a는 기존 콘크리트 기초구조물을 마이크로파일로 보강하는 방법을 도시한 것이다.

즉, 도 1a의 왼쪽에 도시된 바와 같이 첫 번째 방법(case1)은 코아드릴 기계를 이용하여 거친 콘크리트면이 형성되도록 콘크리트 기초구조물(20)을 천공(20a)하고, 크롤러드릴 기계로 암반층까지 일정한 직경으로 천공(32)하면서 연약지반층 내의 뚫린 구멍에 토사의 매몰을 방지하기 위하여 강관 케이싱(31)을 매설하는 작업을 동시에 수행한다.

다음으로 이형강봉인 마이크로파일(30)을 삽입하고 시멘트 그라우트밀크(33,34)를 충진하여 소정의 압축강도까지 충분히 양생한다.

다음으로 기존 기초판(20) 상부 위까지 올려 설치한 마이크로파일(30)에 지압판(35) 위아래에 고정너트(36)를 체결하여 마이크로파일의 두부를 설치한다.

이때 파일두부(35,36)의 지압판(35)에 전달되는 반력에 의한 파일의 뚫림전단(Punching Shear)과 기둥면(13)에서 발생할 수 있는 전단력에 충분히 저항할 수 있도록 기둥면(13)에 코아드릴로 일정한 직경의 구멍(41)을 천공하고 에폭시 몰탈(80)를 주입하여 고정시킨 장부철근(Dowel Bar: 42)을 설치하여 보강한다.

이와 같은 발생 가능 요소들에 의하여 보강콘크리트의 두께(H')가 결정된다.

또한 기존 기초판 상면과 보강콘크리트 하면 사이에 발생할 수 있는 전단력에 의한 신구 콘크리트 분리현상을 방지하기 위하여 구 콘크리트면을 거칠게 치핑(chipping,12)를 하고 필요에 의해 장부철근(42)을 설치하기도 한다.

하지만 이러한 보강방법(Case1)은 파일반력에 의하여 기존 기초판의 콘크리트 유효두께(d)나 사용 철근량(21)이 충분함에도 불구하고 파일의 뚫림전단이나 전단에 의한 보강콘크리트와 기둥면(13)과의 필요한 전단보강 장부철근(42)의 수량에 의하여 불필요한 콘크리트 두께(H')가 결정되는 모순이 있으며,

기둥면의 과다한 장부철근(42)보강을 위한 노후된 기둥면에 다수의 천공(41)으로 인하여 기둥구조물의 손상이 야기되고 과다한 공사비가 소요되는 문제점도 내포하고 있다.

다음으로 두 번째 보강 방법(Case2)은 도 1a의 오른쪽에 도시된 바와 같이 , 마이크로파일(30)의 두부(35, 36)를 기존 콘크리트 기초구조물 내에 설치하는 방법으로서, 기초판 상부를 일정한 크기의 콘크리트를 깬 후 첫 번째 보강 방법(Case1)과 마찬가지로 마이크로파일(30)을 삽입하고 깬 콘크리트 안에 파일두부(35, 36)를 정착시키고, 파일의 뚫림전단을 보강하기 위한 장부철근을 고정 설치하고 콘크리트를 타설한다.

또한 증가하는 축력과 휨모멘트에 의해 발생하는 기둥의 인장응력을 보강하기 위하여 기둥 하단에 일정한 크기의 구멍을 천공한 후 엑폭시로 고정 시킨 앵카 볼트로 기둥면에 강판(51)을 밀착하고 이를 고정시킨다.

이와 같은 두 번째 보강 방법(Case 2)은, 사용 기간이 오래된 기존의 콘크리트 구조물에 대해서는 콘크리트 깨는 공정에서 기존 콘크리트구조물에 치명적인 손상을 야기할 가능성이 있으며, 기둥보강인 강판접착공법의 경우 과다한 공사비가 소요되는 문제점을 내포하고 있다.

이에 말뚝기초의 반력 증가로 인하여 추가적으로 발생하는 기존 기초구조물의 휨모멘트 및 전단력에 대한 콘크리트 두께(d:유효높이)가 크게 높아지는 등의 원인에 의하여 기초판에 추가적인 지지 능력이 크게 요구되는 경우에,

도 1b와 같이 기초판 내에서 이형강봉인 마이크로파일에 압축 프리스트레스(P)를 미리 도입하는 것에 의하여 파일두부를 보강 콘크리트에 정착시키고,

수평강봉의 인장 후 상기 보강 콘크리트에 정착시켜

파일반력에 의한 기둥면에서의 최대 휨모멘트와 전단력에 필요한 일정한 콘크리트 단면의 두께(d:유효높이)를 최소화 할 수 있도록 하는 기술도 소개된 바 있다.

하지만 이러한 방법은 보강 콘크리트를 별도로 시공해야 하므로 사실상 기초판의 콘크리트 단면을 최소화는 효과를 반감시킬 수밖에 없게 된다.

이에 본 발명은 기둥을 지지하는 기초구조물에 기둥으로부터 전달되는 하중을 전달하지 않고, 마이크로파일을 통해 직접 기초구조물의 하부 지반에 전달되도록 하되, 이러한 하중 전달을 효과적으로 전달 할 수 있는 하중전달장치를 통해 보다 효과적인 기둥 보강이 가능한 마이크로 파일과 하중전달장치를 이용한 기둥 보강방법 제공을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

이에 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은

첫째, 기둥이 설치된 기초구조물 하부로부터 상단에 하중전달장치를 설치하고, 상기 하중전달장치에 마이크로파일을 접하도록 설치한 후, 상기 기둥에 전달되는 하중이 하중전달장치와 마이크로파일을 통해 기초구조물 하부 지반에 직접 전달되도록 하였다.

둘째, 상기 하중전달장치는 기둥 외주면에 설치된 슬라이딩판에 마이크로파일 상단에 형성된 반력지지판이 접하면서 마이크로파일에 의한 반력이 기둥구조물의 지압력으로 전달되는 과정에서 기둥을 보강할 수 있도록 하였다.

즉, 마이크로파일에 의한 수직하중이 기둥을 구속하는 수평하중인 지압하중으로 전달되도록 한 것이다.

이를 위하여 본 발명은

지반에 설치된 기초구조물과 상기 기초구조물 상면에 상방으로 연장된 기둥을 보강하기 위한 것으로서,

상기 기둥의 하단으로부터 상방으로 하중전달장치를 고정 설치하는 단계; 및

상기 하중전달장치와 접하는 하중이 전달되는 반력지지판이 일체로 형성된 두부브라켓을 기둥 측방의 지반에 설치된 마이크로파일 두부에 형성시키는 마이크로파일부를 설치하는 단계;를 포함하며,
상기 하중전달장치는 기둥 외주면을 감싸도록 고정된 고정지지판; 및 상기 고정지지판 외측면에 돌출되도록 형성되는 것으로서 상부두께가 하부두께보다 크도록 형성되어 외측면은 하방으로 갈수록 두께가 작아지는 경사면으로 형성된 슬라이딩판;을 포함하여, 상기 슬라이딩판에 마이크로파일 상단에 형성된 반력지지판이 접하면서 마이크로파일에 의한 반력이 기둥구조물의 지압력으로 전달되는 과정에서 기둥을 보강할 수 있도록 하는 하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥보강방법을 제공한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 하중전달장치를 기둥 하단부로부터 상방으로 이격된 위치에 설치하여 마이크로파일로부터 전달되는 하중을 기둥의 지압하중으로 작용하도록 하기 때문에 기둥 주위 작업 공간을 효율적으로 이용할 수 있고,

상기 하중전달장치는 기둥 주위에 종래 보강 콘크리트를 형성시키지 않을 수 있으므로 콘크리트 타설과 같은 작업공종이 필요하지 않아 보다 용이한 기둥보강이 가능하게 된다.

또한, 상기 하중전달장치는 복잡한 구성이 아니라 하중 전달방향을 변경하는 장치로서 설치 및 유지관리에 용이하여 보다 경제적인 기둥 보강이 가능하게 된다.

도 1a 및 도 1b는 종래 마이크로 파일을 이용한 기둥보강방법의 시공도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥보강방법의 시공단면도 및 하중전달도,
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명에 의한 하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥보강방법의 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

[ 본 발명의 하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥 보강 ]

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 기둥보강 시공단면도 및 기둥보강원리를 설명하기 위한 하중 전달도이다.

먼저 도 2a에 의하면 기초구조물(100) 상면에 기둥(200)이 설치되어 있음을 알 수 있으며, 상기 기초구조물(100)로부터 상방으로 이격되어 하중전달장치(300)가 형성되어 있음을 알 수 있다.

이러한 하중전달장치(300) 측방에는 반력지지판(431)이 두부에 설치된 마이크로파일부(400)가 하방으로 연장되어 기초구조물(100)을 관통하여 기초구조물(100) 하부의 지반에 설치되어 있음을 알 수 있다.

먼저 상기 기초구조물(100)은 지반을 터파기 하여 시공된 철근콘크리트 구조물인데 기존 구조물에 있어 이미 설치된 경우를 기준으로 살펴본다.

이러한 기초구조물(100)은 기둥(200)의 하단에 설치된 블록체로 형성되어 있음을 알 수 있다.

상기 기초구조물(100)은 기둥(200)으로부터 전달되는 하중을 기초구조물(100) 하부 지반에 전달하게 된다.

이에 상기 기둥(200)에 전달되는 하중 일부를 기초구조물(100)을 거치지 않고 상기 하부 지반에 전달하게 되면 굳이 기초구조물(100)을 보강하지 않아도 구조물의 증축으로 인하여 증가되는 하중에 충분히 저항할 수 있게 된다.

이를 위해 사용되는 것이 상기 하중전달장치(300)이다.

이때 상기 하중전달장치(300)는 기둥의 하단으로부터 상방으로 이격된 위치에 설치하게 되는데 이는 기둥의 하단에 하중전달장치(300)를 설치하게 되면 작업공간이 충분치 않으므로 작업자의 작업반경을 충분히 활용할 수 없게 된다.

이에 상기 하중전달장치(300)를 기둥의 하단으로부터 상방으로 이격된 위치에 설치하게 된다.

상기 하중전달장치(300)는 기둥(200)의 외주면을 감싸도록 설치된 고정지지판(310)과 상기 고정지지판(310)의 표면에 형성된 슬라이딩판(320)으로 구성된다.

상기 고정지지판(310)은 기둥(200)과 일체화되어 거동되도록 앵커볼트를 포함하는 고정구(330)에 의하여 기둥(200)에 고정되도록 하되 기둥(200)의 외주면 전체를 따라 감싸도록 형성시키는 것이 바람직하다.

기둥(200)에 하중이 전달되면 기둥은 하방으로 변위가 발생하게 된다.

이러한 기둥의 하방 변위에 의한 하중(V)을 후술되는 마이크로파일부(400)에 전달하기 위한 것이 슬라이딩판(320)이다.

이러한 슬라이딩판(320)의 고정지지판(310)의 외측면에 돌출되도록 형성시키되 상부두께가 하부두께보다 크도록 형성되어 외측면은 하방으로 갈수록 두께가 작아지는 경사면으로 형성되어 있다.

이에 기둥의 하방 변위에 의하여 상기 슬라이딩판(320)도 함께 하방으로 내려가게 되면 이러한 하방 변위에 의한 하중(V)을 마이크로파일(400)에 전달되도록 하는 것이 반력지지판(431)이다.

이에 상기 반력지지판(431)은 슬라이딩판(320)의 외측면에 접하도록 경사지게 형성되어 있으며 상기 반력지지판(431)은 마이크로파일부(400)의 두부에 일체화되도록 형성시키게 된다.

이때 상기 마이크로파일부(400)는 먼저 강관(410)을 이용하여 기초구조물(100)을 관통하여 기초구조물(100) 하부 지반에 삽입되어 설치되도록 하고, 강관의 두부에는 반력지지판(431)이 일체로 형성되도록 두부브라켓(430)이 설치되어 있다.

이러한 강관(410)의 내부는 중공 상태이므로 마이크로파일(420)을 삽입하여 선단부가 강관 선단내측에 지지되도록 설치하게 된다.

이러한 마이크로파일(420)의 상단부는 두부브라켓(430)의 받침판(434)을 관통하여 정착너트(433)에 의하여 두부브라켓(430)에 고정 설치된다.

이때 상기 강관 내부에는 그라우팅재(440)가 충진되어 마이크로파일(420)이 강관(410)과 일체로 형성되도록 하게 된다.

이에 상기 두부브라켓(430)은 도 3b와 같이 마이크로파일 두부에 설치되는 것으로서, 상기 마이크로파일(420)이 정착너트(433)에 의하여 고정된 받침판(434); 상기 슬라이딩판(320)과 접하도록 받침판(434) 내측 상면에 세팅된 반력지지판(431); 상기 반력지지판(431)의 외측면에 측면이 접하고 저면은 받침판 상면에 일체로 형성된 브라켓(432)을 포함하여 형성되어 있음을 알 수 있다.

이러한 마이크로파일부(400)는 슬라이딩판(320)의 설치개수에 따라 기둥 주위에 세팅되도록 하게 된다.

이에 도 2b와 같이 상기 기둥의 하방 변위에 의하여 슬라이딩판(320)이 하방으로 변위를 발생시키게 되면 상기 슬라이딩판(320)과 접하도록 세팅된 반력지지판(431)으로 하방 변위에 의한 하중이 전달되고 이러한 하중은 두부브라켓(430)에 의하여 마이크로파일(420)에 전달되며, 최종 기초구조물 하부 지반에 하중이 전달된다.

이에 상기 마이크프로파일의 선단부는 하부 지반에 선단부가 지지되어 있으므로 반력(R)이 발생하게 되는데 상기 반력은 마이크로파일(420)을 따라 반력지지판(431)으로 전달된다.

이에 상기 반력지지판에 의하여 전달되는 하중은 두부브라켓(430)에 의하여 슬라이딩판으로 전달되고 상기 슬라이딩판에 설치된 기둥(200)에는 지압력이 발생되어 기둥을 구속하면서 보강할 수 있게 된다.

[ 본 발명의 하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥 보강 방법 ]

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥 보강방법의 순서도이다.

먼저 도 3a와 같이 기둥(200)의 하부에는 기초구조물(100)이 설치되어 있음을 알 수 있다.

이러한 기둥(200)의 하단으로부터 상방으로 이격된 위치에 하중전달장치(300)를 설치하게 된다.

즉, 하중전달장치(300)의 고정지지판(310)은 슬라이딩판(320)과 일체로 형성된 것을 고정구(330)를 이용하여 기둥(200)의 외주면에 고정시키게 된다.

상기 하중전달장치(300)는 기둥의 직경(D)을 기준으로 기둥(200)의 하부에 발생하는 위험단면을 벗어나도록 하는 것이 바람직하다.

다음으로는 도 3b와 같이 기둥으로부터 측방으로 이격되도록 마이크로파일부(400)를 설치하게 된다.

이때 상기 마이크로파일부(400)는 슬라이딩판(320)에 두부브라켓(430)의 반력지지판(431)이 접할 수 있도록 기둥(200) 측방에 설치하게 된다.

이에 먼저, 강관(410)을 기초구조물(100)을 관통하여 기초구조물(100) 하부 지반까지 연장되도록 설치하게 된다.

이러한 강관(410) 설치는 미도시된 시추기 등을 이용하면 된다.

상기 강관(410)의 선단부는 하부 지반의 견질지지층까지 연장되도록 하고, 내부에 마이크로파일(420)을 삽입하여 강관(410)의 상방으로 돌출되도록 설치하게 된다.

다음으로 도 3c와 같이 상기 마이크로파일(420)이 두부브라켓(430)의 받침판(444)을 관통하도록 하여 두부브라켓(430)을 세팅하고 정착너트(433)를 이용하여 마이크로파일(420)의 두부에 두부브라켓(430) 고정시키게 된다.

이때 미리 강관 내부에는 그라우팅재(440)를 충진시켜 놓게 된다.

이에 상기 두부브라켓(430)의 반력지지판(431)은 하중전달장치(300)의 슬라이딩판(320)에 접하도록 세팅되어 본 발명의 하중전달장치(300)와 마이크로파일부 (400)설치가 완료된다.

이로서 기둥(200)으로부터 하중이 하중전달장치(300)와 마이크로파일부 (400)를 통해 지반 하부에 전달되면 반력에 의하여 기둥을 효과적으로 보강할 수 있게 된다.

100: 기초구조물
200: 기둥
300: 하중전달장치
310: 고정지지판 320: 슬라이딩판
330: 고정구
400: 마이크로파일부
410: 강관 420: 마이크로파일
430: 두부브라켓
431: 반력지지판 432: 브라켓
433: 정착너트 434: 받침판
440: 그라우팅재 G: 지반

Claims (3)

1. 지반에 설치된 기초구조물과 상기 기초구조물 상면에 상방으로 연장된 기둥을 보강하기 위한 것으로서,
   상기 기둥의 하단으로부터 상방으로 하중전달장치(300)를 고정 설치하는 단계; 및 상기 하중전달장치(300)와 접하는 하중이 전달되는 반력지지판(431)이 일체로 형성된 두부브라켓(430)을 기둥(200) 측방의 지반에 설치된 마이크로파일(420) 두부에 형성시키는 마이크로파일부를 설치하는 단계;를 포함하며,
   상기 하중전달장치(300)는
   기둥 외주면을 감싸도록 고정된 고정지지판(310); 및 상기 고정지지판 외측면에 돌출되도록 형성되는 것으로서 상부두께가 하부두께보다 크도록 형성되어 외측면은 하방으로 갈수록 두께가 작아지는 경사면으로 형성된 슬라이딩판(320);을 포함하여,
   상기 슬라이딩판(320)에 마이크로파일 상단에 형성된 반력지지판(431)이 접하면서 마이크로파일에 의한 반력이 기둥구조물의 지압력으로 전달되는 과정에서 기둥을 보강할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥보강방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 마이크로파일부는
   기초구조물을 관통하여 하중전달장치 측방까지 상방으로 연장된 강관(410);
   상기 강관 내부에 그라우팅재(440)에 매입되어 강관 상방으로 돌출되도록 설치된 마이크로파일(420); 및
   상기 마이크로파일 두부에 설치되는 것으로서, 상기 마이크로파일(420)이 정착너트에 의하여 고정된 받침판(434); 상기 슬라이딩판(320)과 접하도록 받침판(434) 내측 상면에 세팅된 반력지지판(431); 상기 반력지지판(431)의 외측면에 측면이 접하고 저면은 받침판 상면에 일체로 형성된 브라켓(432)을 포함하는 두부브라켓(430):을 포함하여 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 하중전달장치와 마이크로파일부를 이용한 기둥보강방법.

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