KR101209367B1 - 철골 모멘트 골조 내진보강용 가새의 좌굴방지 후보강구조 - Google Patents

철골 모멘트 골조 내진보강용 가새의 좌굴방지 후보강구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철골 모멘트 골조의 내진보강을 위해 횡력저항요소로 설치된 가새의 좌굴을 방지할 수 있는 보강구조에 관한 것이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 철골 모멘트 골조 내진보강용 가새의 좌굴방지 후보강구조는, 철골 모멘트 골조에 설치되어 횡력저항요소로 작용하며 서로 평행한 상부 플랜지와 하부 플랜지 및 이들 플랜지를 서로 연결하는 웨브가 H형 단면을 이루는 강재로 구성된 가새의 보강구조에 있어서, 가새의 웨브 양쪽 면에 각각 부착된 점탄성 소재; 가새의 웨브를 기준으로 서로 대칭되게 배치된 제1, 2 콘크리트 블럭; 및 제1, 2 콘크리트 블럭을 길이방향 및 길이방향에 대해 직각방향으로 감싸 제1, 2 콘크리트 블럭을 가새에 결합시키는 섬유보강플라스틱 시트를 포함하며, 제1, 2 콘크리트 블럭은, 가새의 높이에 대응되는 높이를 가지고 상부 플랜지 및 하부 플랜지의 양쪽 끝에서 일정 길이가 연장된 폭을 가진 단면확대부와, 단면확대부에서 돌출되어 가새의 상부 플랜지와 하부 플랜지 및 웨브로 둘러싸인 공간에 삽입되는 보강삽입부로 구성되고, 가새의 웨브에 부착된 점탄성 소재를 마주보는 보강삽입부 단부면에는 보강철판이 설치된 것을 특징으로 한다.

Description

철골 모멘트 골조 내진보강용 가새의 좌굴방지 후보강구조{Post reinforcing structure for buckling of braces in the steel moment connection frame}
본 발명은 철골 모멘트 골조의 내진보강을 위해 횡력저항요소로 설치된 가새의 좌굴을 방지할 수 있는 보강구조에 관한 것이다.
철골 모멘트 골조 건물에서 가새는 상대적으로 높은 강성과 강도를 가지고 있기 때문에 지진이나 바람과 같은 수평하중에 저항하는 횡력저항요소로 이용된다. 가새 시스템은 우수한 횡력저항 시스템으로 과도한 수평변위로 인해 발생하는 손상을 조절하는 데 도움을 준다. 그러나 설계지진하중 이상의 지진과 같은 극한 하중이 작용할 경우 가새의 좌굴로 인하여 강성과 강도가 급격하게 저하되고 불안정한 거동을 보이며 에너지 소산량도 같이 작아진다.
이러한 가새 시스템의 좌굴에 의한 내력저하 성능을 개선하기 위하여 비좌굴가새(Buckling-Restrained Braces)이 개발되었다. 비좌굴가새는 큰 지진하중을 받을 때 중심부 철골부재가 전체 혹은 국부적인 좌굴이 발생하지 않고 큰 비탄성 변형이 발생하도록 중심부의 철골부재 주위를 강관을 이용하여 좌굴을 구속하여 안정적인 이력거동에 의하여 많은 에너지를 소산할 수 있게 한다.
특히 비좌굴가새는 보와 기둥의 접합부를 전단접합으로 처리하면 보나 기둥에 소성힌지가 발생하지 않으며 모든 손상은 비좌굴가새에 집중하게 된다. 중력하중을 분담하지 않는 가새는 쉽게 교체가 가능하므로 지진 이후 구조물의 관리 및 보수보강에 큰 장점이 있다.
도 4는 비좌굴가새의 개념을 모식적으로 나타낸 것으로 비좌굴가새는 중심부 철골부재(110)와 이 철골부재(110)가 매입되는 튜브(120) 및 철골부재(110)와 튜브(120) 사이에 충전되는 충전재(122)로 구성되고 중심부 철골부재의 형상과 철골부재가 매입되는 튜브 및 철골부재와 튜브 사이에 채워지는 충전재에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다.
그러나 기존의 비좌굴가새는 중심부 철골부재에 보강재가 결합되어 수평하중에 의해 가새에 좌굴이 발생하지 않도록 미리 제작되어 철골 모멘트 골조에 설치되는 것으로 이미 가새가 설치된 모멘트 골조에 있어 가새의 좌굴을 방지하기 위한 보강방법으로 적용하기에는 적합하지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 기존에 설치된 가새를 보강함으로써 비좌굴가새로 거동할 수 있도록 하는 철골 모멘트 골조 내진보강용 가새의 좌굴방지 후보강구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 철골 모멘트 골조 내진보강용 가새의 좌굴방지 후보강구조는,
철골 모멘트 골조에 설치되어 횡력저항요소로 작용하며 서로 평행한 상부 플랜지와 하부 플랜지 및 이들 플랜지를 서로 연결하는 웨브가 H형 단면을 이루는 강재로 구성된 가새의 보강구조에 있어서,
가새의 웨브 양쪽 면에 각각 부착된 점탄성 소재;
가새의 웨브를 기준으로 서로 대칭되게 배치된 제1, 2 콘크리트 블럭; 및
제1, 2 콘크리트 블럭을 길이방향 및 길이방향에 대해 직각방향으로 감싸 제1, 2 콘크리트 블럭을 가새에 결합시키는 섬유보강플라스틱 시트를 포함하며,
제1, 2 콘크리트 블럭은,
가새의 높이에 대응되는 높이를 가지고 상부 플랜지 및 하부 플랜지의 양쪽 끝에서 일정 길이가 연장된 폭을 가진 단면확대부와, 단면확대부에서 돌출되어 가새의 상부 플랜지와 하부 플랜지 및 웨브로 둘러싸인 공간에 삽입되는 보강삽입부로 구성되고, 가새의 웨브에 부착된 점탄성 소재를 마주보는 보강삽입부 단부면에는 보강철판이 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 단면확대부에는 길이방향으로 높이방향을 따라 간격을 두고 복수의 종방향철근이 배근될 수 있다.
또한 보강철판이 보강삽입부와 접촉하는 면에는 다수개의 전단연결재가 설치될 수 있다.
또한 섬유보강플라스틱 시트는 탄소섬유보강플라스틱 시트가 될 수 있다.
또한 제1, 2콘크리트 블럭의 양쪽 단부에는 길이방향에 대해 직각방향으로 배치되어 제1, 2 콘크리트 블럭을 가새에 결합하는 단부 섬유보강플라스틱 시트를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 약진이나 풍하중 작용시 가새와 콘크리트 블럭 사이에 설치된 점탄성소재의 변형에 의해 에너지를 소산시키게 되고 설계지진하중 이상의 강진 발생시 콘크리트 블럭과 섬유보강플라스틱 시트에 의해 가새의 좌굴을 방지할 수 있다.
또한 양단부가 핀접합이 아닌 강접합되어 있는 가새에는 축력과 함께 휨모멘트도 동시에 작용하게 되는데 본 발명에서는 콘크리트 블럭과 섬유보강플라스틱 시트에 의해 단면이 증대되므로 횡저항 성능이 크게 향상된다.
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 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따라 철골 모멘트 골조에 설치된 가새를 보강한 모습을 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가새의 좌굴방지 후보강구조를 나타낸 분해사시도로서 섬유보강플라스틱 시트에 의해 콘크리트 블럭이 결합되기 전의 모습을 나타낸 것이다.
도 3은 도 1의 A-A선을 따라 절단한 단면도로서 섬유보강플라스틱 시트에 의해 콘크리트 블럭이 결합된 후의 모습을 나타낸 것이다.
도 4는 비좌굴가새의 개념을 모식적으로 나타낸 것이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따라 철골 모멘트 골조에 설치된 가새를 보강한 모습을 나타낸 정면도이다.
도 1에 도시된 것처럼 본 발명에서는 기존에 철골 모멘트 골조에 횡력저항요소로 설치된 가새(10)를 보강하여 설계지진하중의 증가에 능동적으로 대처할 수 있고 극한 하중 하에서 좌굴이 발생되지 않도록 함으로써 높은 에너지 소산능력을 갖도록 한다. 도 1에서는 가새(10)가 철골 모멘트 골조의 좌측 하단에서 우측 상단 방향으로 대각선 형태로 배치된 것으로 도시되었으나 본 발명이 가새의 배치 형태에 제한되지 않는 것은 물론이다.
도 2는 본 발명에 따른 가새의 좌굴방지 후보강구조를 나타낸 분해사시도로서 섬유보강플라스틱 시트에 의해 콘크리트 블럭이 결합되기 전의 모습을 나타낸 것이고, 도 3은 도 1의 A-A선을 따라 절단한 단면도로서 섬유보강플라스틱 시트에 의해 콘크리트 블럭이 결합된 후의 모습을 나타낸 것이다.
도 2, 3에 도시된 것처럼 본 발명에서는 서로 평행한 상부 플랜지(11)와 하부 플랜지(12) 및 이들을 연결하는 웨브(13)가 H형 단면을 이루는 기존의 가새(10)에 콘크리트 블럭(20a,20b)을 섬유보강플라스틱 시트(40)를 이용해 결합하여 가새(10)의 좌굴을 방지하게 된다.
콘크리트 블럭은 가새(10)의 단면 형상에 대응하여 양쪽 면에 웨브(13)를 기준으로 서로 대칭되게 설치되는 제1 콘크리트 블럭(20a)과 제2 콘크리트 블럭(20b)으로 구성된다. 제1, 2 콘크리트 블럭(20a,20b)은 가새(10)의 웨브(13)를 기준으로 서로 대칭되는 형상을 가지므로 아래에서는 설명의 편의를 위해 제1 콘크리트 블럭(20a)에 대해서만 설명한다.
제1 콘크리트 블럭(20a)은 단면확대부(21)와 단면확대부(21)에서 돌출되어 가새(10)의 상부 플랜지(11)와 하부 플랜지(12) 및 웨브(13)로 둘러싸인 공간에 삽입되는 보강삽입부(22)로 구성된다.
단면확대부(21)는 가새(10)의 높이에 대응되는 높이를 가지고 상부 플랜지(11) 및 하부 플랜지(12)의 양쪽 끝에서 일정 길이가 연장된 폭을 가진다. 단면확대부(21)에는 길이방향으로 높이방향을 따라 간격을 두고 복수의 종방향철근(211)이 배근되어 있고 종방향철근(211)에 의해 단면확대부(21)의 휨 강성이 보강된다.
보강삽입부(22)는 단면확대부(21)에서 돌출되어 가새(10)의 상부 플랜지(11)와 하부 플랜지(12) 및 웨브(13)로 둘러싸인 공간에 삽입된다. 따라서 높이는 가새(10)의 상부 플랜지(11)와 하부 플랜지(12) 사이의 거리에 대응하여 결정되며 설계지진하중 하에서 가새(10)만이 축력을 받도록 이들 플랜지(11,12)로부터 일정 거리가 이격될 수 있는 높이를 가진다. 폭은 상부 플랜지(11) 및 하부 플랜지(12)의 한쪽 끝에서 웨브(13) 사이의 거리에 대응하여 결정되며 웨브(13)와 일정 거리가 이격될 수 있는 폭을 가진다.
가새(10)의 웨브(13)를 마주보는 보강삽입부(22)의 단부면에는 보강철판(25)이 설치된다. 보강철판(25)이 보강삽입부(22)와 접촉하는 면에는 다수개의 전단연결재(26)가 설치되어 보강철판(25)이 보강삽입부(22)와 일체로 합성될 수 있도록 한다. 전단연결재(26)는 이 분야에서 공지된 임의의 전단연결재가 사용될 수 있으며 도면에서는 스터드 볼트가 사용된 예를 나타내었다.
보강철판(25)을 대향하는 가새(10)의 웨브(13) 면에는 점탄성소재(30)가 부착되고 이 점탄성소재(30)를 통해 약진이나 풍하중에 의해 가새(10)에 인장력 또는 압축력이 작용할 때 제1, 2 콘크리트 블럭(20a,20b)에는 인장력 또는 압축력이 작용하지 않도록 하고 점탄성소재(30)가 변형하면서 에너지를 소산시키게 된다. 점탄성소재(30)는 변위 의존형의 에너지 흡수 소재로서 고감쇠 고무 등 이 분야에 공지되어 있는 임의의 소재로부터 선택되어 사용될 수 있다.
제1, 2 콘크리트 블럭(20a,20b)은 공장에서 미리 제작되어 현장으로 반입되고 섬유보강플라스틱 시트(40)에 의해 가새(10)와 결합된다. 즉, 제1, 2 콘크리트 블럭(20a,20b)이 각각 가새(10)의 양측면에 설치된 상태에서 콘크리트 블럭의 길이방향에 대해 직각방향으로 섬유보강플라스틱 시트(40)를 감싸고 다시 길이방향으로도 섬유보강플라스틱 시트(40)를 접착시켜 콘크리트 블럭(20a,20b)의 전체 길이에 걸쳐 길이방향과 길이방향에 대해 직각방향으로 섬유보강플라스틱 시트(40)를 감싼다.
대안으로 콘크리트 블럭(20a,20b)을 제조한 후 콘크리트 블럭(20a,20b)의 노출면 즉, 상면, 측면 및 하면에 길이방향으로 섬유보강플라스틱 시트(40)를 접착시키고 길이방향으로 섬유보강플라시틱 시트(40)가 접착된 콘크리트 블럭(20a,20b)을 각각 가새(10)의 양측면에 설치된 상태에서 콘크리트 블럭(20a,20b)의 길이방향에 대해 직각방향으로 섬유보강플라스틱 시트(40)를 감싸 콘크리트 블럭(20a,20b)을 가새(10)에 결합시킨다.
그리고 추가로 콘크리트 블럭(20a,20b)의 양쪽 단부에 콘크리트 블럭(20a,20b)의 길이방향에 대해 직각방향으로 단부 섬유보강플라스틱 시트(41)를 감싼다. 따라서 콘크리트 블럭(20a,20b)은 양쪽 단부에서 가새(10)에 더욱 견고하게 결합된 구조가 된다.
본 발명에 적용되는 섬유보강플라스틱 시트(40,41)에서 보강섬유로는 탄소섬유, 유리섬유, 아마미드 섬유 등에서 적용환경을 고려하여 적절한 보강섬유가 선택되어 사용될 수 있고 기지재료(매트릭스 수지)로는 에폭시 수지, 페놀 수지 등 이 분야에서 공지된 임의의 수지가 사용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따르면 H형강 철골부재로 구성되는 기존의 가새(10)에 콘크리트 블럭(20a,20b)을 섬유보강플라스틱 시트(40,41)로 견고하게 결합함으로써 가새(10)가 콘크리트 블럭(20a,20b)에 의해 구속되게 되므로 좌굴하중을 크게 증가시킬 수 있다.
또한 모멘트 골조에 설치되는 가새는 기둥 및/또는 보에 강결합되어 있어 수평하중에 의해 인장력이나 압축력 등 축력만을 받는 게 아니라 휨모멘트도 받게 되는데 본 발명에 따라 결과적으로 가새의 단면이 증대되어 적절한 횡강성을 갖도록 단면을 보강할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 콘크리트 블럭(20a,20b)과 가새(10)의 상하부 플랜지(11,12) 사이에 일정한 간격이 형성되어 서로 분리되고 점탄성소재(30)에 의해 가새(10)의 웨브(13)와 콘크리트 블럭(20a,20b)이 분리됨으로써 약진이나 풍하중 작용시 심재에 해당하는 가새(10)만 거동하므로 가새(10)에 의한 에너지 소산은 일어나지 않고 점탄성소재(30)의 변형에 의해 에너지를 소산하게 된다. 그리고 설계지진하중 이상의 강진이 발생시 가새(10)에 작용하는 압축력에 의해 발생될 수 있는 가새(10)의 좌굴이 콘크리트 블럭(20a,20b)과 섬유보강플라스틱 시트(40,41)에 의해 증대된 단면에 의해 방지된다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
10: 가새
20a,20b: 콘크리트 블럭
21: 단면확대부
211: 종방향철근
22: 보강삽입부
25: 보강철판
26: 전단연결재
30: 점탄성 소재
40: 섬유보강플라스틱 시트
41: 단부 섬유보강플라스틱 시트

Claims (5)

  1. 철골 모멘트 골조에 설치되어 횡력저항요소로 작용하며 서로 평행한 상부 플랜지와 하부 플랜지 및 이들 플랜지를 서로 연결하는 웨브가 H형 단면을 이루는 강재로 구성된 가새의 보강구조에 있어서,
    가새의 웨브 양쪽 면에 각각 부착된 점탄성 소재;
    가새의 웨브를 기준으로 서로 대칭되게 배치된 제1, 2 콘크리트 블럭; 및
    제1, 2 콘크리트 블럭을 길이방향 및 길이방향에 대해 직각방향으로 감싸 제1, 2 콘크리트 블럭을 가새에 결합시키는 섬유보강플라스틱 시트를 포함하며,
    제1, 2 콘크리트 블럭은,
    가새의 높이에 대응되는 높이를 가지고 상부 플랜지 및 하부 플랜지의 양쪽 끝에서 일정 길이가 연장된 폭을 가진 단면확대부와, 단면확대부에서 돌출되어 가새의 상부 플랜지와 하부 플랜지 및 웨브로 둘러싸인 공간에 삽입되는 보강삽입부로 구성되고, 가새의 웨브에 부착된 점탄성 소재를 마주보는 보강삽입부 단부면에는 보강철판이 설치된 것을 특징으로 하는 철골 모멘트 골조 내진보강용 가새의 좌굴방지 후보강구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    단면확대부에는 길이방향으로 높이방향을 따라 간격을 두고 복수의 종방향철근이 배근된 것을 특징으로 하는 철골 모멘트 골조 내진보강용 가새의 좌굴방지 후보강구조.
  3. 청구항 1에 있어서,
    보강철판이 보강삽입부와 접촉하는 면에는 다수개의 전단연결재가 설치된 것을 특징으로 하는 철골 모멘트 골조 내진보강용 가새의 좌굴방지 후보강구조.
  4. 청구항 1에 있어서,
    섬유보강플라스틱 시트는 탄소섬유보강플라스틱 시트인 것을 특징으로 하는 철골 모멘트 골조 내진보강용 가새의 좌굴방지 후보강구조.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제1, 2콘크리트 블럭의 양쪽 단부에는 길이방향에 대해 직각방향으로 배치되어 제1, 2 콘크리트 블럭을 가새에 결합하는 단부 섬유보강플라스틱 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철골 모멘트 골조 내진보강용 가새의 좌굴방지 후보강구조.
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