KR101227099B1 - 원심력 콘크리트관과 철골 철근의 하이브리드 기둥 - Google Patents

Abstract

말뚝과 기둥은 모두 가능한 한 적은 재료로 필요한 성능을 얻는 것이 이상적이다. 재료를 적게 사용하려면 단면적을 줄일수록 유리하다는 측면에서 말뚝과 기둥은 공통의 지향점을 갖지만 필요한 성능을 확보한다는 측면에서 말뚝과 기둥의 이상적인 단면 형상은 전혀 달라진다. 말뚝은 외곽 크기 및 표면적이 커야 지지력과 마찰 저항이 커지므로 속이 빈 상자, 또는 원통형의 단면이 이상적이고 건물의 기둥은 건물의 사용 평면적의 최대화와 강성의 확보를 위해 외곽 크기를 최소화한 단면, 즉 단면의 속이 꽉 찬 것이 이상적이다.

기존 PHC 말뚝의 특징은 긴장강선을 사용한다는 특징이 있는데 이는 말뚝으로 사용하려는 목적에 최적화된 것으로서 기둥으로 사용하기에는 적합하지 않다. 첫째로 긴장시킨 강선이 말뚝 생산 과정에서 원래의 길이로 줄어들려는 작용 때문에 말뚝의 길이가 다소 줄어드는데, 이는 주로 마찰력을 기대하는 부재인 말뚝으로는 큰 문제가 없으나 정확한 높이가 요구되는 건축물의 기둥으로 사용하기에는 정확도가 떨어진다. 또한, 도 2와 같이 PHC 말뚝은 강선긴장 만큼 압축내력이 줄어드는 역효과가 있어 고강도 콘크리트로 제작하는 장점의 일부가 상실된다. 그리고 말뚝의 옆면이 모두 콘크리트이므로 기둥과 보의 접합부, 즉 패널존을 외다이아프램 등으로 별도 제작하여 덧붙여야 한다.

본 발명은 PHC 말뚝의 특징 중 하나인 원심력 콘크리트 다지기 기법을 활용하되 기둥으로서의 성능을 높이기 위해 원통형 단면의 기둥 내에 긴장강선이 아닌 고강도 대구경 철근을 다량 배근하여 압축력 저항능력을 PHC 말뚝의 3배 이상으로 증대시키고 콘크리트 타설 전 패널존에 강관을 미리 삽입하여 기둥 외면에 노출되는 강관에 직접 철골보 및 철근 접합이 가능하게 하는 기둥에 관한 것이다.

다량의 고강도 철근을 긴장작업 없이 배근하여 압축내력을 증대시키고, 원통형 단면의 덧살 두께를 늘려서 필요하면 원통형 기둥단면 내부 공간에도 콘크리트를 추가 타설하여 보강하면 단면적을 최소화하는 이상적인 단면을 가진 고강도 기둥을 얻을 수 있다.

PHC 말뚝의 콘크리트 표면에는 철골보와 철근을 직접 부착할 수 없으므로 패널존의 표면에 도 4와 같이 강관토막을 삽입한다. 강관토막 a와 b는 서로 용접하여 하나로 제작하며 강관토막 a(5)는 강관토막 b(6)에 비해 두꺼운 강판으로 제작하는데 그 이유는 보 상부 플랜지에서 전달되는 인장력을 기둥 본체에 원활하게 전달하고, 강관토막 a와 b의 두께 차이로 인한 턱이 보의 전단력으로 인한 강관의 미끄러짐을 방지하도록 하기 위함이다. 강관토막 a의 상단에는 보 인장철근 부착을 위한 너트(7)를 용접한다. 기둥 상하절의 상호 이음은 상·하 기둥 단부원형강판(주근 단부는 용접)을 맞댄 상태에서 용접한다. 단부원형강판(11)에 주근을 용접할 때 기둥철근농 내부에는 용접하기 쉽도록 도 6과 같이 단부원형강판에 강관토막 c(12)를 사전에 용접한다.

기둥 상·하절의 또 다른 이음 방법은 도 7과 같이 상·하절 기둥의 단부 철근을 강관토막 내부에 용접하고, 이음은 상·하 강관토막을 전주용접하는 방법이다. 결과적으로 본 기둥에서 축하중과 더불어 휨모멘트가 큰 패널존은 강콘크리트구조이고 나머지 부분은 철근콘크리트 기둥이 된다. 철근은 1개절 전부를 동일 개수로 배근하는 대신 필요한 내력에 따라 층별로 차별화하여 경제성을 도모한다. 철근콘크리트나 철골 철근콘크리트 기둥에서 가장 일손이 많이 가는 부분은 패널존에서의 거푸집 제작 작업인데 본 패널존은 거푸집 현장 작업이 생략된다.

PHC 말뚝을 기둥으로 활용할 때는 압축내력에 제한이 있어서 아파트 지하2층 주차장이나 지하 3∼4층 주상복합건물 등에 사용할 수 있다. 그러나 본 발명의 기둥은 기존 PHC 말뚝에 비하여 압축내력을 최대 3.3배나 증가시킬 수 있으므로 현재 일반적으로 범용하는 극후형 400 series H형강 기둥을 60％ 정도의 값으로 대체하는 효과를 얻게 된다.

Description

원심력 콘크리트관과 철골 철근의 하이브리드 기둥{Hybrid Column Composed of Centrifugal Concrete Cylinder with Steel Skeleton ＆ Steel Bars}

건축구조에서 사용하는 기둥은 철골, 철근콘크리트, 철골철근콘크리트, PC 등이 있으며 최근 PHC 말뚝을 기둥으로 활용하는 방법이 특허 등록되었다(등록특허 10-0698912, PHC 말뚝을 건물의 기초 겸 기둥으로 활용하는 공법). 위 기둥들 중에서 아직까지 공사비가 저렴한 것은 철근콘크리트 기둥과 PHC 말뚝 기둥인데 PHC 말뚝 기둥은 아직 공사 실적이 많지 않다. 철골철근콘크리트 기둥과 PC 기둥이 경제적인 이유는 기둥의 주응력이 압축력인데 콘크리트가 가장 값싼 압축재이기 때문이다. 그런 면에서는 PC 기둥도 많이 활용할 것 같지만 보와의 접합성이 원활하지 못하며 운반조립 시 중량이 큰 것이 흠이다.

기둥, 보 및 슬래브 전체를 철근콘크리트 구조로 일관작업을 할 때는 철근콘크리트 기둥이 경제적이지만 보와 슬래브를 철골 보 또는 TSC 보, 트러스데크 등과 조합하여 기둥만을 철근콘크리트조로 하기에는 어려움이 있다. 기둥만 먼저 철근콘크리트 구조로 시공하고 그 위에 보를 걸치려면, 기둥 공사를 위한 작업발판과 공사 중 기둥이 좌우로 흔들리지 않도록 가새(Brace)를 추가하여야 한다. 또한, 콘크리트가 양생될 때까지 기다려야 하므로 보나 슬래브까지 철근콘크리트 구조로 일관공사할 때에 비해 공사기간이 길어지고, 기둥 거푸집 목공의 인건비 단가를 대폭 올려줘야 한다. 따라서 기둥 단면은 철근콘크리트가 주로 압축력을 받으면서도 공사 방법은 철골공사답게 보와의 접합이 간편한 PC 제품으로 공장에서 제작하는 것이 바람직하다.

기존 PC 공장에서는 콘크리트를 증기양생 해도 28일 압축강도를 400kgf/cm² 정도에 맞추므로 단면의 효율성이 떨어지고, 기둥단면 형태를 원형으로 제작하는 것은 현실적으로 불가능하다. 이는 기둥 거푸집도 눕혀서 제작하여야 효율적인데 그렇게 하면 유동성인 콘크리트로 원형단면은 제작할 수 없기 때문이다. 그러므로 고강도콘크리트를 값싸게 얻을 수 있는 원심력 다짐 공법을 활용하면, 보와의 접합이 용이하고 공장에서 제작하여 철골기둥처럼 현장에 쉽게 운반하여 조립할 수 있으므로 적용성이 우수하다.

PHC 말뚝은 원심력 콘크리트 원통형 단면 내에 나선형 강선으로 외곽 주변을 구속한 여러 개의 PS 강선을 유압잭으로 긴장한 상태에서 콘크리트를 원심력으로 다져서 제작하는 원통형 단면의 말뚝이다. 콘크리트를 원심력이 작용하도록 고속으로 돌려주면, 콘크리트 배합에 사용했던 물에서 화학반응 후 남은 잉여수와 레이턴스 구심방향으로 빠져나가므로 고강도의 치밀한 콘크리트가 생성된다.

PHC 말뚝의 내력은 그 자체만의 강도로 결정되는 것이 아니라 연약지반에 박았을 때, 말뚝 선단 지지력과 말뚝 주변 마찰력의 합계가 말뚝 자체의 압축내력에 걸맞는 지지력을 발휘하지 못한다. 즉 대부분의 경우, 말뚝 자체의 압축내력보다는 지반이 연약하여 말뚝이 땅을 파고들어가 침하하는 것을 걱정해야 한다. 다시 말하면 말뚝은 현재 적용하는 PHC 말뚝보다 더 이상의 고강도로 제작할 필요성이 없다는 결론에 이르게 된다. 그러나 PHC 말뚝을 건축물의 기둥으로 활용하려면 말뚝의 외곽 크기에 비하여 말뚝 내력을 더 증가시킬 필요성이 있다. 말뚝 생산자의 카탈로그에는 외경 600㎜ 말뚝의 최고 허용 축방향 하중이 239ton으로 되어 있는데, 건축물의 말뚝기초 설계는 120ton 정도를 최대값으로 상정해도 별로 부족함을 느끼지 못한다. 그러나 PHC 말뚝을 건물의 기둥으로 활용할 때는 외경 600㎜의 말뚝이 적어도 400ton, 때에 따라서는 최고 800ton이 필요하며 이는 기존 PHC 말뚝 내력과 비교하면 무려 3.3배나 되는 엄청난 크기의 값이다.

PHC 말뚝의 생산기법을 활용하여 고하중용 기둥을 생산할 수 있는 이유는 다음과 같다. 즉 기존 PHC 말뚝의 허용 축방향하중을 산정하는데 적용한 기본 가정은 말뚝을 디젤해머나 기타 타입(충격을 주어 때려 박는) 장비를 사용하는 과정의 동하중(Dynamic Load)으로 말뚝머리가 깨지거나 금이 가는 것을 감안하여 콘크리트의 압축내력 산정기준을 28일 압축강도의 0.25배로 저평가(건축구조에서는 0.3배로 인정함)하였다. 또한, 강선긴장으로 압축력이 도입되는 만큼 콘크리트 압축내력을 저감하였고, 말뚝의 외곽 크기를 늘리는 대신 덧살 두께를 최소한으로 줄여 허용 축방향하중을 저감하였다.

PHC 말뚝을 건물의 기둥으로 활용하기 위해 필수적인 보와의 접합은 패널존에 강관토막을 부착하여 도 5b의 (b)와 같이 외다이아프램(External Diaphragm) 방식을 채택하나, 고가이며 번거로우므로 이를 간략화 할 필요가 있다. 또한, PHC 말뚝은 땅에 박아 매설한 그대로 방치하므로 균열발생을 막아야 하고, 기초공사 전 레벨을 맞추는 까내기 작업(頭部整理)을 해야 한다. 그러나 PHC 말뚝을 구조체의 기둥에 활용할 때는 균열발생을 염려하지 않아도 되며, 두부정리를 위해 단면을 절단할 필요가 없다.

PHC 말뚝을 기둥으로 활용하는 데 있어서 문제가 되는 점과 그 원인을 열거하면 다음과 같다. PHC 말뚝은 제작 과정에서 PS 강선을 유압잭으로 긴장한 상태에서 콘크리트를 양생한 후 거푸집을 탈형(脫型)하므로, 콘크리트를 부어넣을 당시의 말뚝 길이에 비해 최종제품의 길이가 줄어드는 경향이 있다. 이를 말뚝으로 사용할 때는 별 문제가 없으나, 구조체의 기둥으로 활용하는 데는 층고의 정확성 확보에 어려움이 있다. PHC 말뚝은 콘크리트 단면만으로도 압축내력을 충분히 발휘하므로 배근하는 강선은 운반 및 타입 또는 연약지반에서의 좌굴방지 역할을 하도록 최소한의 강선을 배근하여 유압잭으로 긴장하는 공법을 채택한다. 그러나 말뚝을 기둥으로 활용하려면 고강도철근을 많이 배근하고 강선 긴장은 생략하는 것이 오히려 유리하다.

말뚝은 중량이 가급적 가벼워야 운반 및 설치가 편하므로 단위 면적당 내력이 클수록 좋다. 그러나 단면계수와 단면2차모멘트의 값이 적으면 운반 및 연약지반에 박을 경우 좌굴 현상으로 변형이 커져서 균열이 발생할 수 있다. 원통형 단면이 위 조건을 만족하는데 가장 적합하다. 또한, 말뚝은 선단(先端) 지지력도 커야 하지만 주변 마찰력에 의존하는 경우도 많은데 단면적의 크기에 비하여 표면적이 크면, 마찰저항이 커지므로 중공(中空)형 단면이 매우 효율적이다.

말뚝의 최종 길이는 말뚝을 박는 과정에서 확인되는 경우가 많은데 그 이유는 경질지반 레벨이 항상 불규칙하여 말뚝길이에 다소간 여유를 두어 현장 반입 타입시공 후 남은 길이를 현장에서 잘라내는 기법을 사용한다. 그러므로 현장에서 말뚝을 잘라내는 두부정리 작업이 어려우면 공사비와 공사 기간이 늘어나고 폐기물 처리(일반적으로 깨서 반출함)도 어려우므로 말뚝의 덧살 두께를 줄이는 것이 좋다. 그러나 PHC 말뚝 형태를 기둥으로 사용하려면 원통형 단면의 덧살 두께를 가능한 한 두껍게 하여 외형크기를 줄이고, 가능하면 단면 내부 빈 공간에도 콘크리트를 채워서 단면적의 크기를 증가시키는 것이 바람직하다. 이미 특허 등록한 PHC 말뚝의 패널존(Panel Zone) 강관토막(등록특허 10-0729278, PHC 기둥의 보 접합용 패널존)은 강선농(Cage)을 반쪽 거푸집에 삽입하고, 콘크리트를 채운 후 나머지 반쪽 거푸집을 엎어서 조립한다. 조립 후 유압잭으로 강선을 긴장하고, 원심력 유발을 위한 고속회전을 수행하는 일관작업이므로 이들 사이에 다른 공정을 추가할만한 틈새 시간이 없다. 따라서 패널존에 강관토막을 삽입할 경우 제작 과정에서 보강철물을 용접하는 등의 다른 조치를 추가하는 것이 현실적으로 불가능하다. 그러므로 가급적 유압잭으로 강선을 긴장하는 번거로운 작업을 생략하여 부가 작업을 할 여유 시간을 확보하는 것이 바람직하다.

철골이나 PC 등 기성 제품의 기둥을 현장 조립하려면 일반적으로 2∼3개층을 하나의 단위로 제작하는데 경제적인 단면으로 제작하기 위해서는 하나의 기둥도 층별로 단면의 내력을 다르게 하는 것이 바람직하다. 그러나 강선을 긴장하는 재래식 PHC 말뚝은 기둥 전장(全長)을 통해 같은 개수의 강선을 배열하여 일괄 긴장하는 방법을 사용하여야 한다.

PHC 말뚝공장에서 생산 가능한 말뚝 길이는 최장 15m이다. 이는 준비된 거푸집과 원심력 유발 설비가 모두 KS에 부합하도록 한 것이며 고강도 강선이 롤로 출하되므로 15m 길이까지는 부담이 되지 않는다. 그러나 강선 대신 고강도 철근을 주근으로 사용하려면 특별 주문하지 않는 한 철근의 최장 표준길이는 12m이므로 건물의 층고가 높을 경우 기둥 하나가 3개층을 지원하기에 부족한 경우가 발생한다. 패널존에 강관토막을 부착하는 것이 절차상으로는 간단한 것 같으나 실제로 현장 작업을 하는 데는 어려움이 있다. 국내 강관은 inch 시스템의 기계로 생산하므로 예컨대 외경 공칭 치수가 600㎜라도 실제 외경은 609.6㎜이므로 외경이 정확히 600㎜인 PHC 공장의 거푸집에 들어가지 않는다. 따라서 강관토막은 별도 프레스로 눌러 용접 제작하는 수작업을 거쳐야 한다.

PHC 말뚝을 기둥으로 활용하려면, 제작과정에서 강선을 긴장하여 최종 기둥 길이를 원하는 값으로 정확하게 맞추는 것이 어려우므로 이를 개선하는 것이 필요하다. 기둥은 큰 축하중을 받을 수 있어야 하는데 PHC 말뚝은 제작 과정에서 강선을 긴장하여 콘크리트 단면에 사전 도입한 축하중 만큼 압축저항력이 줄어들게 되므로 이를 해소하는 방법을 모색하여야 한다. 또한, 말뚝은 마찰 저항과 지압력에 직접 기여하는 표면적과 단면 외곽크기를 증가시키고, 단면적을 줄여 경제성과 운반 및 항타의 편의성을 확보하는데 반하여 기둥은 단면의 외곽 크기를 최소한으로 줄이는 것이 좋으므로 원심력 콘크리트관(3)의 덧살 두께를 될수록 증가시키는 것이 필요하다.

이미 특허등록 한 PHC 말뚝을 기둥으로 활용하는 방법은 패널존의 강관토막 내부에 시어커넥터를 부착하는 등의 작업을 할 수 없었다. 그러나 본 발명에서는 그런 기능을 추가하여 강관토막이 보의 전단력으로 콘크리트관에서 미끄러지는 것을 방지하고, 보 상부 플랜지의 인장력을 기둥 내부에 확실하게 전달되게 하여야 한다. 기둥에 철골보만 부착하는 것이 아니라 철근으로 보강할 경우, 기존 기둥에는 철근을 정착시키는 것이 쉽지 않다. 따라서 기둥에 철근을 연결할 수 있는 장치를 해 두는 것이 바람직하다. 이상의 장치는 가급적 철근농과 기둥 표면의 공간 즉 40㎜ 두께에 불과한 콘크리트 피복두께 범위 내에서 해결하는 것이 바람직하다. 그 이유는 철근 배근이 치밀하고 띠철근이 나선형이어서 그 빈 공간에 시어커넥터 등을 배열하려면 작업 공간이 부족하기 때문이다. 또한, 기둥 길이는 적어도 2∼3층을 하나로 제작하는 것이 효율적이며 또한 관례로 되어 있는데 전 길이에 걸쳐 동일단면으로 제작하는 것은 경제적인 면에서 불리하므로 필요할 경우 층마다 다른 내력을 발휘할 수 있도록 차별화하는 것이 좋다.

기존 PHC 말뚝은 공장에서 7.4∼9.2㎜의 고강도 강선 여러 가닥 주변에 3.2∼4.5㎜ 굵기의 나선형 강선을 감아 강선농을 제작하여 반원통형의 강제 거푸집에 삽입한 후 콘크리트를 채운다. 그리고 나머지 반원통의 거푸집을 덮어 상·하 거푸집을 고정한 후 유압잭으로 강선을 긴장한 후 원심력 생성 롤러에 얹고, 고속으로 돌려서 원심력을 유발시키고 콘크리트를 고온·고압 양생하는 일관 작업으로 제작한다. 따라서 PHC 공장에서 강판을 구부려서 강관토막을 제작하여 시어커넥터를 부착하고, 10㎜ 이상의 철근을 나선형으로 가공하여 주근에 용접하는 별도의 값비싼 설비투자는 난색을 표명한다. 따라서 상기 강구조와 철근가공 공정의 작업은 별도의 철구 공장에서 제작하여 말뚝공장으로 운반하여 기존 거푸집에 삽입한 후, 콘크리트를 부어 원심력 유발작업을 하는 분리발주 방식을 채택하여야 한다.

PHC 말뚝을 기둥으로 활용하는 기존 방안에서 가장 문제가 되는 것은 패널존에 보를 부착할 때, 보 상부 플랜지의 인장력을 기둥에 전달하는 방법이다. 일반적으로 외다이아프램을 추가하는 등의 방법을 채택하는데, 본 발명에서는 외다이아프램보다 더 효과적인 방법을 모색하고자 한다. 일반적으로 기둥은 3개층 단위로 제작하는 것이 관례로 되어 있으나, 철근의 표준 치수가 최장 12m이므로 층고가 높을 경우 철근을 이어 사용하거나 특별주문해야 하며, 그렇지 않으면 2개층에 만족해야 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 원통형 거푸집에 콘크리트와 철 구조물을 넣고 고속회전시켜 제작하는 2~3개층 높이의 원통형 철골철근콘크리트 기둥의 상단 및 하단 이음부와 패널존을 개량하여 기둥끼리의 이음 및 기둥과 보의 접합 용이성을 향상시킨 원심력 콘크리트관과 철골철근의 하이브리드 기둥에 있어서, 원심력 원통형 철골철근콘크리트 기둥 내부에 들어가는 것으로, 복수의 주근과 상기 주근 외부에 후프로서 일체화되는 나선철근으로 구성되는 2~3개층 높이의 철근농; 상기 철근농의 주근 상하 단부에 각각 결합되는 것으로서, 그 일단이 상기 주근 단부와 일치되도록 상기 주근 내면에 용접되는 강관토막 c, 상기 강관토막 c의 일단에 용접 결합되는 것으로서, 외경이 기둥의 외경과 일치하고, 원심 타설 과정에서 발생하는 콘크리트 슬러지를 긁어내거나 타설 및 양생을 마친 후 강도의 추가 확보를 위하여 기둥 내부의 빈 공간에 콘크리트를 주입할 수 있도록 중앙부에 구멍이 형성되며, 외단부에는 인접 기둥과의 용접을 용이하게 하도록 개선(開先)한 단부원형강판으로 구성되는 기둥단부철물; 및 기둥에서 보가 접합되는 부분 상부측에 위치되는 상기 철근농의 주근 외면에 구비되는 것으로, 외경이 기둥의 외경과 동일하고, 두께가 25㎜, 높이가 100㎜인 강관토막 a, 상기 강관토막 a 하부에 용접 결합되는 것으로, 상기 강관토막 a의 외면과 일치하도록 외경이 기둥의 외경과 동일하고, 두께가 9㎜, 높이가 상기 강관토막 a의 높이와 합하여 보와의 접합을 위한 패널존 높이가 되도록 구성하는 강관토막 b로 구성되어, 상기 강관토막 a와 강관토막 b의 접합부 내면에 16㎜의 단차부가 형성되어 보의 전단력으로 인하여 기둥의 콘크리트 표면에서 패널존이 미끄러져 내려가는 것을 방지하는 패널존; 으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원심력 콘크리트관과 철골철근의 하이브리드 기둥을 제공한다.
아울러 본 발명은 기둥 단면 증대를 위해 원심력을 이용한 콘크리트 기둥 중심부에 생기는 원형 공동에서 슬러지를 제거하고 콘크리트를 완전히 채우는 것을 특징으로 하는 원심력 콘크리트관과 철골철근의 하이브리드 기둥을 제공한다.
또한, 본 발명은 각 층별로 요구되는 내력에 따라 주근의 개수를 층별로 상이하게 배치하는 것을 특징으로 하는 원심력 콘크리트관과 철골철근의 하이브리드 기둥을 제공한다.
기존 PHC 말뚝 제작은 7.4∼9.2㎜ 고강도 강선을 유압잭으로 긴장하지만, 본 발명은 16㎜ 이상의 고강도 굵은 철근을 사전 긴장 작업 없이 그대로 사용한다. 그렇게 하면 기존 PHC 말뚝은 강선을 추가함에 따라 콘크리트의 압축내력이 오히려 감소하지만, 본 발명은 철근의 단면적이 증가할수록 압축내력을 증가시키며 원심력 콘크리트 원통형 단면의 덧살 두께를 최대한으로 늘리는 조치를 취하여 압축내력을 추가로 증가시킨다. 원심력다짐 콘크리트 관은 단면 중앙에 빈 공간이 생기는 것이 당연하며 속이 꽉찬 충실단면으로는 제작이 불가능하다. 따라서 현재 외경 600㎜ 말뚝의 표준 덧살 두께가 90㎜인 것을 120㎜ 정도로 하여 단면적을 증가시킨다. 만약 이렇게 해도 필요한 압축내력을 충족하지 못할 경우, 마지막으로 원심력 콘크리트관(3) 내부 빈 공간에 공장에서 또는 공사 현장에서 콘크리트를 채워서 단면적의 크기를 증대시킨다.

PHC 말뚝 제작공장은 동일 부지 내에 강판을 구부리고 자르고 용접하는 철구공장과 철근을 나선형으로 구부리고 가공하는 공장이 없다. 그러므로 기존 PHC 말뚝 공장은 다른 철구공장에서 제작 운반한 기둥철근농을 거푸집에 삽입하고, 원심력을 유발시켜 양생하는 작업만 하도록 업무 영역을 분리하는 것이 현실적으로 가능하다. 또한, 원형이나 원통형 단면의 기둥은 주근을 나선철근으로 감는 것이 압축내력 향상에 가장 좋은 효과가 있다. 패널존에서 보 상단 플랜지로부터 전달되는 인장력을 기둥에 효과적으로 전달하기 위해 일반적으로 외다이아프램을 추가하는 공법을 적용했으나, 본 발명은 강관토막의 두께를 부분적으로 차별화하여 후프텐션(Hoop Tension) 내력을 증대시키고 강관토막의 두께가 달라지는 턱이 전단력을 발휘하게 하여 강관토막이 원심력다짐 콘크리트관 표면에서 미끄러지는 것을 막는다. 기둥에 철근을 연결하는 수단은 강관토막에 너트를 용접하고 철근 끝에 나사가공한 것을 돌려 맞추는 방법을 채택한다.

PHC 말뚝을 기둥으로 활용하는 방안은 이미 특허 등록하였으나, 본 발명은 기존의 완제품을 보완하여 다른 목적에 응용하는 것이 아니라 PHC 말뚝 제작에 적용하고 있는 콘크리트의 원심력 다짐(흄관) 방법만을 채용하여 새로운 형태의 고내력 기둥을 제작한다. 이렇게 하면 일반 콘크리트와 동일한 배합으로도 치밀한 고강도콘크리트를 얻을 수 있으며, 별도의 전용 생산시설 없이 기존 시설을 활용할 수 있어 기둥제작 단가를 줄이는 효과가 있다. 또한, PHC 말뚝에서 사용하는 강선긴장 대신 다량의 대구경 고강도철근을 주근으로 사용하여 허용 축방향 내력을 대폭 늘리고, 제작 과정에서 발생하는 기둥 길이 축소 현상을 원천적으로 제거한다.

원통형 기둥의 덧살 두께를 늘려서 허용 축방향 내력을 증가시키고, 패널존 강관토막의 두께를 차별화하여 보에서 전달되는 인장력을 후프텐션으로 원활하게 기둥으로 전달되게 한다.
강관토막에 너트를 용접 부착하여 보 철근을 추가할 필요가 있을 경우 보강 철근 정착에 활용한다.
철근콘크리트나 철골 철근콘크리트 기둥에서 시간과 인건비가 가장 많이 투입되는 패널존 거푸집 제작 작업을 생략할 수 있다.
또한, 탑다운 공사에서 사용하는 극후형 H형강을 본 발명으로 대체하면 재료비가 약 40％ 절감된다.

아래와 같은 절차를 통하여 강관, 강판 및 철근을 조합하여 제작한 "기둥철근농(100)"(도 1의 d)을 원형 거푸집에 넣고 콘크리트를 원심 타설 및 양생하여 건물의 2∼3개층 높이에 해당하는 길이의 원통형 기둥을 제작한다. 기둥철근농(100)은 기둥 몸체를 구성하는 철근농(14), 보를 부착하는 패널존(200)(도 1의 b), 기둥 이음을 위한 기둥단부철물(300)(도 1의 c)로 구성된다(도 1). 기둥에는 건물 1개층에 해당하는 높이마다 보가 부착되는 패널존(200)이 1개씩 필요하다. 도 3은 건물 3개층 높이에 해당하는 1개절주를 예로 든 것이며 아래 절차는 도 3의 기둥을 기준으로 한다.

1. 외경이 기둥 외경과 일치하는 강관을 절단하여 강관토막 a(5), b(6)를 각각 3개씩 제작하고 두 강관토막의 단면끼리 용접 접합하여 총 3개의 패널존(200)을 제작한다. 강관토막 a(5)는 두께 25㎜의 강관을 사용하고 강관토막 b(6)는 두께 9㎜의 강관을 사용하되 각 강관들의 외경은 동일하여야 한다. 두 강관토막 a(5), b(6)의 두께에 차이를 두어 생기는 16㎜ 단차는 보의 전단력으로 인하여 강관이 콘크리트 표면을 미끄러져 내려가는 현상을 방지하기 위한 것이며 개별적인 구조계산 결과 이러한 단차가 없이도 충분한 전단 응력이 확보되는 경우에는 두 개의 강관토막을 용접하는 과정을 생략하고 단일의 강관토막으로 대체할 수 있다. 강관토막 a(5)의 높이는 100㎜로 하고 강관토막 b(6)의 높이는 구조설계상의 패널존(200) 높이에 맞게 조절한다.

2. 도 5a 및 도 7과 같이 강관토막 a(5)의 상단부에 보철근(9) 정착을 위한 너트(7)를 너트 구멍이 바깥을 향하도록 용접 부착한다. 이때 부착하는 너트(7)의 개수는 필요한 보철근(9)의 수에 따라 조절한다.

3. 도 5a의 단면도 A와 같이 상기 강관토막 a(5)의 내벽과 철근농(14)을 구성하는 주근(1)들의 외측을 둘러싼 나선철근(2)과의 사이에 10㎜ 이상의 "공간"이 확보되도록 철근농(14)(도 4)을 제작한다. 이때 도 8과 같이 주근(1)의 개수와 굵기는 구조계산을 통해 산정하는데 각 층별로 필요한 내력에 따라 철근의 개수를 차별화하여 철근량을 최적화할 수 있다. 도 5a의 단면도와 같이 나선철근(2)을 포함한 철근농(14)의 최외경은 기둥 외경보다 80㎜ 작고 기둥 피복의 두께가 40㎜ 확보되도록 한다.

4. 중앙에 150㎜ 정도 크기의 구멍을 뚫은 단부원형강판(11) 2개를 제작한다(도 6). 이 구멍은 콘크리트 타설 및 양생 후 중심부 공동에 쌓이는 슬러지를 긁어내고 경우에 따라 기둥 내부 공동에 콘크리트(4)를 채워 넣을 필요가 있을 때 사용한다. 단부원형강판(11)의 외경은 기둥의 지름과 같고 두께는 25㎜이며 상하 기둥을 용접이음 할 수 있도록 모서리에 개선(開先), 즉, 모서리를 절삭하는 베벨링(beveling) 또는 그부브(groove)를 한다. 단부원형강판(11)의 한쪽 면 중앙에 기둥 주근(1)과의 접합에 사용할 강관토막 c(12)를 용접 부착한다. 강관토막 c(12)의 외경은 기둥 주근(1)들의 내측에 맞닿는 크기이며, 높이는 구조계산을 통해 용접량에 따라 길이를 확보할 수 있도록 정한다. (철근 굵기에 따라 시방서에 정해져 있음). 상기 2.의 과정을 통해 완성된 기둥단부철물의 형상은 도 1의 c와 같다.

5. 도 6과 같이 주근(1)의 끝부분의 내측과 강관토막 c(12)의 외측을 용접하여 상기 3.에서 제작한 기둥단부철물(도 1의 c)을 철근농(14)과 접합한다. 기둥의 나머지 한 쪽 단부철물은 제작한 패널존(200)(도 1의 b)을 철근농(14)에 끼워넣은 후에 부착한다(도 1).

6. 도 4, 도 5b와 같이 철근농(14)에 패널존(200)(도 1의 b)을 삽입하여 구조계산을 통해 산정한 보의 부착 위치에 고정한다. 고정 방법은 보강철근(8)을 강관토막 a(5)의 상단부에 용접하고 이를 철근 주근(1)에 용접한다. 이때 보강철근(8)은 강관토막 a(5)의 원주방향 인장력을 보강하는 역할을 겸한다.

7. 도 1의 d와 같이 나머지 한쪽 단부 철물을 용접 접합하여 기둥철근농(100)을 완성한다.

8. 원통형 거푸집에 상기 1.∼7.의 과정을 통해 완성한 기둥철근농(100)을 넣고 콘크리트를 채운 후 원심력을 유발하는 롤러를 고속 회전시키고 고온양생 과정을 거쳐 탈형한다. 이 과정은 통상적인 PHC파일 제작시와 동일하다(도면 생략).

9. 도 4의 단면도와 같이 단면 증대가 필요할 경우 단부원형강판(11)에 뚫어놓은 구멍을 통해 기둥 단면 내부(공동)의 슬러지(레이턴스)를 제거하고 빈 공간에 콘크리트(4)를 채워 단면의 압축내력을 증가시킨다.

10. 도 6과 같이 기둥 상하절 간의 상호 이음은 상하 기둥 단부원형강판(11)을 서로 맞댄 상태에서 주변을 전주용접한다.

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본 발명으로 형성하는 기둥은 축하중과 더불어 휨모멘트가 큰 패널존(200)은 강콘크리트 구조가 되고, 주로 압축력을 부담하는 나머지 부분은 철근콘크리트 기둥이 되는 강콘크리트-철근콘크리트 하이브리드 기둥이다. 철근콘크리트나 철골철근콘크리트 기둥에서 가장 일손이 많이 드는 부분은 패널존(200) 거푸집제작 작업인데 본 기둥은 패널존(200)을 강관으로 미리 제작하여 콘크리트를 타설하므로 별도의 복잡한 거푸집 작업에 소요되는 시간과 비용을 절약한다. PHC 말뚝은 압축내력에 제한이 있어 아파트 지하 2층 주차장이나 지하 3∼4층 주상복합건물 등에서만 사용할 수 있는 반면 본 발명의 하이브리드 기둥은 기존 PHC 말뚝에 비하여 압축내력을 최대 3.3배 증가시킬 수 있으므로 현재 범용하는 극후형 400series H형강과 동등한 강성에 최대 40％ 저렴한 가격으로 대체하는 효과가 있다. 또한, 본 기둥은 탑다운 공사에서도 400 series 극후형 H형강의 대체재로 효과적이다.

도 1은 본원발명의 원심력 콘크리트관과 철골철근의 하이브리드 기둥을 도시하는 도면.

도 2는 PHC 말뚝과 원심력 콘크리트관과 철골철근의 하이브리드 기둥 평면도.

도 3은 원심력 콘크리트관과 철골 및 철근을 조합하여 건물의 3개층 높이에 해당하는 원심력 콘크리트관과 철골철근의 하이브리드 기둥의 형상도.

도 4는 주근과 나선철근을 용접하고 내경이 다른 2개의 강관토막으로 구성한 패널존(200)에 삽입한 평면도 및 입면도.

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도 5a는 보강철근(8)을 강관토막 a(5)의 상단 또는 너트(7)에 용접한 형상도.
도 5b는 보를 부착하기 위해 외다이아프램(External Diaphragm)을 적용한 단면도.

도 6은 150㎜ 정도의 구멍(필요시 콘크리트 충전용)을 뚫은 단부원형강판(11)에 강관토막c를 용접한 기둥단부철물(300)의 형상도.

도 7은 강관토막 a(5) 상단에 너트를 용접한 개념도.

도 8은 철근을 내력에 따라 층별로 차별화하여 배근한 기둥의 단면도.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

1 ; 주근 2 ; 나선철근

3 ; 원심력 콘크리트관 4 ; 콘크리트

5 ; 강관토막 a 6 ; 강관토막 b

7 ; 너트 8 ; 보강철근

9 ; 보철근 10; 철골보

11; 단부원형강판 12; 강관토막 c

13; 외다이아프램 14; 철근농
100; 기둥철근농
200; 패널존
300; 기둥단부철물

Claims (4)

1. 원통형 거푸집에 콘크리트와 철 구조물을 넣고 고속회전시켜 제작하는 2~3개층 높이의 원통형 철골철근콘크리트 기둥의 상단 및 하단 이음부와 패널존(200)을 개량하여 기둥끼리의 이음 및 기둥과 보의 접합 용이성을 향상시킨 원심력 콘크리트관과 철골철근의 하이브리드 기둥에 있어서,

   원심력 원통형 철골철근콘크리트 기둥 내부에 들어가는 것으로, 복수의 주근(1)과 상기 주근(1) 외부에 후프로서 일체화되는 나선철근(2)으로 구성되는 2~3개층 높이의 철근농(14);

   상기 철근농(14)의 주근(1) 상하 단부에 각각 결합되는 것으로서, 그 일단이 상기 주근(1) 단부와 일치되도록 상기 주근(1) 내면에 용접되는 강관토막 c(12),

   상기 강관토막 c(12)의 일단에 용접 결합되는 것으로서, 외경이 기둥의 외경과 일치하고, 원심 타설 과정에서 발생하는 콘크리트 슬러지를 긁어내거나 타설 및 양생을 마친 후 강도의 추가 확보를 위하여 기둥 내부의 빈 공간에 콘크리트를 주입할 수 있도록 중앙부에 구멍이 형성되며, 외단부에는 인접 기둥과의 용접을 용이하게 하도록 개선(開先)한 단부원형강판(11)으로 구성되는 기둥단부철물(300); 및

   기둥에서 보가 접합되는 부분 상부측에 위치되는 상기 철근농(14)의 주근(1) 외면에 구비되는 것으로, 외경이 기둥의 외경과 동일하고, 두께가 25㎜, 높이가 100㎜인 강관토막 a(5),

   상기 강관토막 a(5) 하부에 용접 결합되는 것으로, 상기 강관토막 a(5)의 외면과 일치하도록 외경이 기둥의 외경과 동일하고, 두께가 9㎜, 높이가 상기 강관토막 a(5)의 높이와 합하여 보와의 접합을 위한 패널존(200) 높이가 되도록 구성하는 강관토막 b(6)로 구성되어,

   상기 강관토막 a(5)와 강관토막 b(6)의 접합부 내면에 16㎜의 단차부가 형성되어 보의 전단력으로 인하여 기둥의 콘크리트 표면에서 패널존(200)이 미끄러져 내려가는 것을 방지하는 패널존(200); 으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원심력 콘크리트관과 철골철근의 하이브리드 기둥.
2. 제1항에 있어서,

   기둥 단면 증대를 위해 원심력을 이용한 콘크리트 기둥 중심부에 생기는 원형 공동에서 슬러지를 제거하고 콘크리트(4)를 완전히 채우는 것을 특징으로 하는 원심력 콘크리트관과 철골철근의 하이브리드 기둥.
3. 제1항에 있어서,

   각 층별로 요구되는 내력에 따라 주근(1)의 개수를 층별로 상이하게 배치하는 것을 특징으로 하는 원심력 콘크리트관과 철골철근의 하이브리드 기둥.
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