KR101233693B1 - ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트 기둥(psrc)과 철골보의 내진접합구조 - Google Patents

Abstract

철근콘크리트나 철골철근콘크리트 구조에서 가장 중요한 요소는 기둥과 보의 접합이다. 특히, 내진접합일 경우 용접이나 볼트접합의 품질관리에 더욱 주의하여야 하는데, 만약 기둥과 보의 핵심 요소인 강재가 서로 물리적으로 만나지 않으면서도 연속성을 확보할 수 있는 공법이 있다면 가장 바람직한 내진접합이 될 수 있다. PSRC(1)와 +자형 강접보(2)의 접합은 상기 요망을 확실히 만족시키는 공법이다. 기둥과 보의 핵심 강재가 서로 맞부딪치지 않도록 하면 여타의 기둥과 보의 접합 방법을 사용할 때 가장 까다로운 관리요소인 용접 또는 볼트접합 자체가 없어져 품질 확보에 크게 유리하다. 일반적인 철골철근콘크리트 단면은 기둥 단면 중앙부에 강재가 집중되어 있는 반면, PSRC는 강재가 기둥 외곽부에 분산 배치되어 휨모멘트에 대한 단면효율성을 극대화하는 것이 핵심적 특징이다. PSRC의 적용으로 기둥 자체의 물량을 줄이는 직접적인 경제성 향상 뿐만 아니라 기둥에 걸쳐지는 보의 순스팬을 줄이는 부수적 효과도 얻을 수 있다.

본 발명의 ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트 기둥(PSRC)과 철골보의 내진접합구조는 기둥강재들 중 +자형 강접보(2)를 구성하는 4개의 보 각각의 좌우에 배열한 4쌍의 수직방향의 ㄱ형강(3)들 사이에 수평으로 각각 1개씩 도합 4개의 보 안장쇠(4)를 용접하고 그 위에 +자형 강접보(2)를 올려놓아 접합하는 간단한 구조로 이루어진다.

Description

ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트 기둥(PSRC)과 철골보의 내진접합구조{Seismic Connection System of Steel Girders to the Pre-Fabricated SRC Column Composed of Angle Shapes}

일반적인 철골철근콘크리트 기둥에 철골보를 강접하는 방법은 철골구조와 전혀 다를 바 없이 철골기둥에 철골보를 강접하는 공법을 그대로 전용하는 것이다. 즉, 철골철근콘크리트는 사실상 일반 철골구조 프레임의 기둥을 철근콘크리트로 감싸는 것에 불과하다. 철골기둥에 철근콘크리트를 감싸는 이유는 기둥을 철골로만 설계할 때보다 다소나마 공사비를 절감할 수 있으며 철골기둥의 치명적인 단점인 내화성 확보가 자동으로 해결되기 때문이다.

한편, PSRC(1)는 일반 철골철근콘크리트 기둥과 달리 기둥단면 중앙에 철골보를 강접할 철골기둥이 없으므로 별도의 내진접합 공법을 마련하여야 한다.

철골철근콘크리트 기둥은 상기한 내화성 확보 측면에서의 장점에 더하여 기둥이 부담할 축력의 일부를 가격 대비 압축내력이 우수한 콘크리트가 분담하는 만큼 중앙부의 철골기둥 단면을 다소 줄일 수 있다는 장점도 있다. 그러나 통상적인 철골철근콘크리트 기둥은 인장내력이 우수한 재료를 외곽부에, 압축내력이 우수한 재료를 중심부에 배치하는 구조역학의 기본 원칙에 정면으로 위배된다는 문제점이 있다. 예컨대, 철근콘크리트 기둥을 설계할 때에는 철근을 기둥 단면의 어느 부위에나 배근할 수 있는 자유가 있음에도 불구하고, 어떤 설계자도 철근콘크리트 기둥 단면의 중앙부에는 철근을 배근하지 않는다.

상기한 문제점 때문에 기둥이 압축력 뿐만 아니라 휨모멘트까지 부담해야 하는 내진설계에서 통상적인 철골철근콘크리트 기둥은 매우 불합리한 공법이다. 재료의 특성에 맞는 단면 배치라는 측면에서 철골철근콘크리트 기둥보다 효율성이 우수한 철근콘크리트 기둥에 철골보를 직접 접합하는 기술이 연구되어 왔다. 현재 사용되고 있는 대표적인 공법 중 하나는 LC 프레임[도 4]인데 철근콘크리트 기둥의 보 하단 밑으로 약간 떨어뜨린 높이까지만 일차 콘크리트를 타설하고 그 위에 +자형으로 강접한 보 토막을 올려놓아 소정 위치에 정착시킨 후 다음 공정을 계속하는 방법이다. 이 공법은 공정이 복잡하여 철근콘크리트와 철골 공사가 현장 작업시 유기적인 협업이 필수적인데 각각의 공종을 별도의 하청업체가 담당하는 국내 공사 관행상 활성화되지 못하고 있는 실정이다. 출원인은 철근콘크리트 기둥의 효율성을 유지하면서 공정을 단순화하고 현장 작업량을 줄이기 위하여 철근콘크리트 기둥을 강구조화 하는 방법을 연구하였으며 철근콘크리트 기둥의 철근 부분을 공장에서 선조립하여 철골처럼 운반 및 시공하는 PRC(Prefabricated Reinforced Concrete Column)를 개발, 특허(제10-1050956호)를 취득하였다. 철근만으로 설계하기에는 부담되는 대응력, 대규모 기둥은 일부 철근을 ㄱ형강으로 대체하는 PSRC(Prefabricated Steel Reinforced Concrete Column)도 특허를 출원한 상태이 다.

내진구조에서 가장 바람직한 접합부 형상은 기둥을 사이에 두고 서로 대응하는 가로-세로 2쌍의 보가 기둥을 중심에 두고서도 기둥 단면의 저항 또는 간섭이 없이 관통하는 것이 이상적이다. 하지만 지금까지의 철골조나 철골철근콘크리트 구조는 한 쪽 보가 다른 쪽 보로 건너가기 위하여 반드시 기둥에 각각 강접을 해야만 했다. 이를 해소한 것이 LC 프레임[도 4]이지만 현장 여건상 시공의 복잡성 때문에 이를 발명한 업체를 제외하고는 거의 사용하지 않고 있는 실정에 있다.

PSRC(1)은 철골철근콘크리트 기둥에서 기둥 단면 중앙에 위치한 철골기둥을 분산시켜 외곽으로 밀어내고 이들 강재의 주변을 띠철근으로 묶어 마치 고압선 철탑과 같이 높은 강성을 가진 조립기둥을 형성하고 기둥이 상부로 올라갈수록 조금씩 변화되는 강재 단면적은 철근으로 대체하는 방법이다. PSRC의 주재료는 대구경 철근과 ㄱ형강(3)이 무난하지만 경우에 따라서는 T형강, ㄷ형강, H형강 등도 선별적으로 사용할 수 있다.

PSRC(1)는 일반 철골철근콘크리트에 비하여 내진성능은 물론 연직하중에 대한 휨 저항 능력도 탁월하다. 이를 실례로 설명하면 아래와 같다. 도 6은 원 설계가 기둥 중심 간격 15.6m, 철골철근콘크리트 기둥의 외곽 크기가 2.1m×2.1m, 기둥 중앙의 Cross H 형강 기둥 800mm×800mm였는데, 이를 1,900mm×1,900mm 콘크리트 피복두께를 뺀 값의 PSRC(1)로 변경한 결과의 기둥 순스팬에서의 휨모멘트 값을 표현한 것이다. 즉, PSRC(1)에 전달되는 휨모멘트는 기존 Cross H강 기둥에 작용하는 휨모멘트의 85.7％에 해당한다(등분포 하중을 받는 보의 휨모멘트는 스팬의 제곱에 비례하므로 (15.6-1.9)²/(15.6-0.8)² = 0.857).

철골철근콘크리트 구조에서 기둥 단면 중앙의 철골기둥을 단면 외곽부로 최대한 밀어내어 단면설계 효율을 극대화할 수 있다.

철골구조나 철골철근콘크리트 구조의 내진접합에서 기둥과 보의 접합은 연속성을 유지하면서도 용접량이나 볼트 사용량은 최소화하는 것이 유리하다. 이는 일반적인 내진접합에서 공사비는 물론 공사 기간과 접합공사 불량률 제어에 소요되는 비용과 노력이 크기 때문이기도 하다. 이상적인 내진접합구조는 패널존에서 상하 기둥과 X-Y방향 보의 강재들이 서로 물리적으로 맞부딪치지 않으면서도 관통하는 구조이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 사각 기둥의 네 모서리에 배치되는 4개의 주ㄱ형강; 상기 기둥의 네 면에 각각 2개씩 배치되는 부ㄱ형강; 보와 상기 기둥이 접합되는 패널존 하부에 구비되는 것으로 상기 기둥 각 면에 배치된 2개의 부ㄱ형강 사이에 결합되는 보 안장쇠; 및 보를 상기 기둥에 접합하기 위한 것으로, 웨브 및 플랜지로 구성되는 4개의 보 단부토막이 서로 수직하게 결합되어 상기 보 안장쇠 상부에 거치되는 +자형 강접보; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트 기둥과 철골보의 내진접합구조를 제공한다.
또 다른 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 부ㄱ형강은 패널존 하부에서 절단되어 상기 +자형 강접보가 상기 보 안장쇠와 상기 부ㄱ형강 상부에 거치되고, 상기 +자형 강접보 상부 플랜지 상부에 상부층의 부ㄱ형강이 결합되는 것을 특징으로 하는 ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트 기둥과 철골보의 내진접합구조를 제공한다.
또 다른 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 보 안장쇠(4)는 ㄱ형강, T형강 또는 ㄷ형강 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트 기둥과 철골보의 내진접합구조를 제공한다.
PSRC(1)에서 콘크리트를 빼면 철골 단면이 외곽에 분산된 조립 철골기둥에 해당된다. 그러므로 PSRC(1)의 철골단면은 서로 철골재가 동서남북으로 거리를 두고 떨어져 있으므로 상기 분산된 철골기둥들 사이에 +자형 강접보(2)를 얹어놓는 간단한 방법만 모색하면 된다. 상기 분산된 철골기둥 부재들(여기서는 ㄱ형강(3))은 보를 피해 외측면에서 상하 연속시키는 것이 바람직하나 보의 폭이 유난히 커서 기둥 단면에 콘크리트를 부어넣을 만한 여유 공간이 없을 때는 기둥 부재들을 보 상하부 및 보 플랜지 사이에서 절단하여 보 플랜지 상하면에 용접하여 연속시킬 수도 있다.

패널존에서 기둥과 보가 서로 간섭 없이 연속되는 이상적인 내진접합 프레임이 형성된다. 또한 PSRC(1)기둥의 중앙에는 강재가 없으므로 경제적인 설계가 가능하고 보와의 접합은 목구조처럼 기둥에 부착된 보 안장쇠(4)에 +자형 강접보(2)를 얹어놓고 최소한의 볼트조임이나 용접만으로도 손쉽게 내진접합을 형성하는 효과가 있다.

PSRC(1)는 강재가 기둥단면 외곽에 배치되어 있어서 여기에 접합된 보의 순스팬이 줄어드는 긍정적인 효과가 있다. 최대 휨모멘트는 스팬의 제곱에 비례하므로 보의 순스팬이 줄면 설계단면도 줄일 수 있다.

본 발명은 ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트 기둥과 철골보의 내진접합구조에 대한 것으로, 보와 기둥이 접합되는 패널존에서 +자형 강접보(2)를 기둥 중심에 올려놓아 정착하는 구조에 관한 것이다.
본 발명은 사각 기둥의 네 모서리에 배치되는 4개의 주ㄱ형강(3); 상기 기둥의 네 면에 각각 2개씩 배치되는 부ㄱ형강(3'); 보와 상기 기둥이 접합되는 패널존 하부에 구비되는 것으로 상기 기둥 각 면에 배치된 2개의 부ㄱ형강(3') 사이에 결합되는 보 안장쇠(4); 및 보를 상기 기둥에 접합하기 위한 것으로, 웨브 및 플랜지로 구성되는 4개의 보 단부토막이 서로 수직하게 결합되어 상기 보 안장쇠(4) 상부에 거치되는 +자형 강접보(2); 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 기둥강재(여기서는 ㄱ형강)는 사각 기둥의 네 모서리에 배치되는 4개의 주ㄱ형강(3)과 상기 기둥의 네 면에 각각 2개씩 배치되는 부ㄱ형강(3')으로 구성된다.
이들 기둥강재들 중 +자형 강접보(2)를 구성하는 4개의 보 각각의 좌우에 수직 방향으로 배열한 4쌍의 부ㄱ형강 사이에 수평으로 각각 보 안장쇠(4)를 용접한다. 상기 4쌍의 부ㄱ형강 상호 간격은 각각 보의 폭보다 10∼50mm 정도의 여유 공간을 두는데 이는 PSRC(1)의 조립오차를 보정하기 위한 배려다.
여기에서 상기 PSRC(Prefabricated Steel Reinforced Concrete Column)(1)는 선행 등록특허인 철근 선조립 기둥공법(특허 제10-1050956호)인 기둥의 철근 부분을 공장에서 선조립하여 철골처럼 운반 및 시공하는 철근콘크리트 기둥에서, 철근만으로 설계하기에는 부담되는 대응력, 대규모 기둥의 일부 철근을 ㄱ형강으로 대체한 기둥을 의미한다.

보 안장쇠(4)의 단면 형태는 ㄱ형강, T형강, ㄷ형강 중 어느 하나로 하며, 이들의 상단면은 +자형 강접보(2)의 하부 플랜지 하단 높이에 맞춘다. +자형 강접보(2) 하부 플랜지와 보 안장쇠(4)와의 접합은 볼트접합이나 용접으로 한다.
본 발명에서는 상기 부ㄱ형강(3')은 패널존 하부에서 절단되어 상기 +자형 강접보(2)가 상기 보 안장쇠(4)와 상기 부ㄱ형강(3') 상부에 거치되고, 상기 +자형 강접보(2) 상부 플랜지 상부에 상부층의 부ㄱ형강(3')이 결합되는 것을 특징으로 한다.
보의 폭이 유난히 커서 기둥 단면에 콘크리트를 부어넣을 만한 여유 공간이 없을 때는 기둥 부재를 보 상하부에서 절단하여 보의 상하플랜지 상하면에 용접하여 연속시킬 수 있다. 이때, 보의 상하 플랜지 사이에는 상하 절단된 기둥부재와 같은 짧은 단면들을 끼워넣고 용접한다.

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마지막 단계로 일반 철골철근콘크리트와 같은 방법으로 거푸집을 대고 콘크리트를 타설하면 내진접합이 완성된다.

도 1은 본 발명의 ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트 기둥과 철골보의 내진접합구조의 시공 순서를 도시하는 사시도이다.

도 2는 기둥단면이 작고 +자형 강접보(2)의 폭이 커서 기둥 콘크리트를 타설할 공간이 부족할 경우의 배열된 기둥 강재를 도시하는 사시도이다.

도 3은 대표적 +자형 강접보(2)의 종류(H형강, TSC보)를 도시하는 사시도이다.

도 4는 종래 LC 프레임의 공사 순서를 도시하는 사시도이다.

도 5는 일반 철골철근콘크리트 기둥의 종류(H형강, Cross H형강)를 도시하는 사시도이다.

도 6은 일반 철골철근콘크리트 기둥과 PSRC(1)의 순스팬에 따르는 보 단부 휨모멘트의 변화추이를 설명하는 도면이다.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

1: PSRC 2: +자형 강접보

3: 주ㄱ형강 3': 부ㄱ형강
4: 보 안장쇠

5: 띠철근 6: 기둥주근

7: 거푸집 8: 콘크리트

Claims (3)

1. 사각 기둥의 네 모서리에 배치되는 4개의 주ㄱ형강(3);

   상기 기둥의 네 면에 각각 2개씩 배치되는 부ㄱ형강(3');

   보와 상기 기둥이 접합되는 패널존 하부에 구비되는 것으로 상기 기둥 각 면에 배치된 2개의 부ㄱ형강 사이에 결합되는 보 안장쇠(4); 및

   보를 상기 기둥에 접합하기 위한 것으로, 웨브 및 플랜지로 구성되는 4개의 보 단부토막이 서로 수직하게 결합되어 상기 보 안장쇠(4) 상부에 거치되는 +자형 강접보(2); 로 구성되는 것을 특징으로 하는 ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트 기둥과 철골보의 내진접합구조.
2. 제1항에서,

   상기 부ㄱ형강(3')은 패널존 하부에서 절단되어 상기 +자형 강접보(2)가 상기 보 안장쇠(4)와 상기 부ㄱ형강(3') 상부에 거치되고,

   상기 +자형 강접보(2) 상부 플랜지 상부에 상부층의 부ㄱ형강(3')이 결합되는 것을 특징으로 하는 ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트 기둥과 철골보의 내진접합구조.
3. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 보 안장쇠(4)는 ㄱ형강, T형강 또는 ㄷ형강 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 ㄱ형강을 이용한 선조립 철골철근콘크리트 기둥과 철골보의 내진접합구조.

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