KR101256490B1 - 분절형 콘크리트충진 강관기둥을 이용한 기둥구조물 시공방법 - Google Patents

Abstract

콘크리트충진 강관기둥에 작용하는 하중에 대한 복원능력과 에너지소산 능력을 충분히 갖출 수 있도록 하고, 지진 등에 의한 기둥구조물 손상을 용이하게 보수할 수 있는 분절형 콘크리트충진 강관기둥을 이용한 기둥구조물 시공방법에 관한 것으로서, 이는 분절형 콘크리트충진 강관기둥을 강관세그먼트로 제작하여 부분용접으로 서로 상하 적층하여 연결시키게 된다.

Description

분절형 콘크리트충진 강관기둥을 이용한 기둥구조물 시공방법{SEGMENTAL CONCRETE-FILLED-STEEL TUBE COLUMN CONSTRUCTION METHOD}

본 발명은 분절형 콘크리트충진 강관기둥을 이용한 기둥구조물 시공방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 세그먼트화된 강관 내부에 콘크리트를 충전시키켜 합성시켜 콘크리트충진 강관기둥을 제작하고, 상기 콘크리트충진 강관기둥에 작용하는 하중에 대한 복원능력과 에너지소산 능력을 충분히 갖출 수 있도록 하고, 지진 등에 의한 기둥구조물 손상을 용이하게 보수할 수 있는 분절형 콘크리트충진 강관기둥을 이용한 기둥구조물 시공방법에 관한 것이다.

최근 들어 교량의 공용연수의 증가에 따라 기존 교량을 교체할 필요성이 대두되고 있으며, 교량상의 화재 등에 의한 사고에 의해서도 교량의 일부구간을 교체할 경우가 발생하고 있다.

이러한 경우 기사용 중에 있는 교량을 폐쇄하고 건설을 수행하므로 교통차단으로 인한 사회간접손실을 최소화하기 위해서 시공기간을 최소화할 필요가 있으며, 이를 위해서 급속시공기법이 개발되고 있다.

교량의 건설에서 교각 즉 기둥의 건설은 기존 공법으로 시공하면 상당한 시간이 필요하나, 근래 급속시공을 위한 분절형 철근콘크리트 기둥(PRECAST SEGMENTAL CONCRETE COLUMNS)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이때 분절형 철근콘크리트 기둥은 각 세그먼트를 긴장재를 이용해서 포스트텐션 기법으로 상하 연결하는 것이다.

이러한 분절형 철근콘크리트 기둥은 각 세그먼트 사이에 연결재를 설치하는 경우와 설치하지 않는 경우 두 가지 있으며 각 경우는 아래와 같은 장단점이 있다.

먼저, 세그먼트 사이에 연결재를 설치하지 않는 경우는 복원능력은 우수하나 에너지 소산능력이 적어 구조물의 운동제어능력이 상대적으로 작다는 단점이 있다.

반면, 세그먼트 사이에 연결재를 설치하는 경우는 세그먼트 설치 시마다 연결재를 삽입하고 그라우팅을 실시해야하는 어려움이 있으며 이러한 연결재를 설치하는 상세가 상당히 복잡하다.

예컨대, 도 1a 및 도 1b는 기둥구조물에 있어서 연결재(12)를 이용한 세그먼트 연결방법의 예를 도시하고 있다.

즉, 기초부(20) 상면에 고정되는 몸통부(11) 및 상기 몸통부 내부에 매립되며 몸통부 단부면을 관통하도록 설치되는 철근을 포함하는 연결재(12)를 포함하여 구성되며, 상기 연결재의 일 단부에는 몸통부 단부면 중 일 단부면으로부터 돌출되어 연결재의 외경보다 큰 삽입보강구(13)가 그 선단에 형성되고, 상기 연결재(12)의 타 단부에는 모르타르 주입구 및 배출구가 형성되어 있지 않은 중공슬리브(14)가 형성되도록 하고,

상기 중공슬리브의 일단이 연결재(12)의 타단부에 연결되고, 상기 중공슬리브의 타단이 몸통부 단부면 중 타 단부면에 개방되도록 제작된 프리캐스트 기둥유니트(10) 다수가 적층되도록 설치하고,

상기 적층된 프리캐스트 기둥유니트(10)는 아래쪽에 위치한 프리캐스트 기둥유니트의 중공슬리브(14)에 모르타르(15)를 충진시키고,

다른 프리캐스트 기둥유니트의 연결재(12) 일단부가 상기 모르타르가 충진된 중공슬리브(14) 내부에 삽입되도록 하는 단계를 반복하여,

모르타르가 경화되면서 아래쪽에 위치한 프리캐스트 기둥유니트(10)와 다른 프리캐스트 기둥유니트(10)가 서로 상하로 적층되도록 하는 프리캐스트 기둥유니트를 이용한 기둥구조물 시공방법이라 할 수 있다.

이에 도 1b와 같이 기둥구조물 상부에는 코핑부(30)를 설치하고 긴장재(40)을 이용하여 코핑부를 기둥구조물에 결속시키게 된다.

따라서 연결재(12)를 이용하는 방법의 경우 기둥구조물 시공을 위한 세그먼트별로 모르타르(15)를 충진 등이 반복되는 문제점이 발생할 수 밖에 없음을 알 수 있다.

이에 본 발명은 분절형 기둥으로서 복원능력과 에너지소산 능력을 충분히 갖추고 있으며, 지진에 의한 손상을 용이하게 보수할 수 있는 분절형 콘크리트충진 강관기둥을 이용한 기둥구조물 시공방법제공을 그 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 분절형 기둥으로서 복원능력과 에너지소산 능력을 충분히 갖추고 있도록 함에 있어서, 분절형 기둥은 기본적으로 상하부가 개방된 원통형 강관 내부에 콘크리트를 충전시키되, 긴장재에 의하여 분절형 기둥을 서로 결속시키게 된다. 즉 분절형 콘크리트충진 강관기둥을 세그먼트화 하여 상하로 적층시켜 기둥구조물을 시공하되,

이에 상기 복원능력은 상기 긴장재에 의해서 확보하도록 하고,

상기 에너지소산 능력을 향상시키기 위해서 기초 콘크리트와 최하단 세그먼트 사이에 에너지소산 부재를 설치하게 된다.

이러한 에너지소산 부재는 예컨대 L자 형태로 연성이 큰 강재를 사용하며 기초부에 부착을 위해서 기초 콘크리트 시공 시 앵커를 삽입하여 볼트 체결할 수 있도록 하게 된다

즉, 작용하중에 의하여 각 강관세그먼트는 회전하면서 전체변위를 발생시키기 때문에 최하단 강관세그먼트 회전이 가장 크게 발생하게 되는데 이 부분에 상기 에너지소산 부재를 부착하여 매우 효과적으로 에너지를 소산시킬 수 있도록 한 것이다.

둘째, 본 발명은 각 강관세그먼트를 부분 용접으로 연결하게 된다.

이때, 용접은 강관의 전 두께(t)에 걸쳐서 이루어지는 것이 아니라 표면과 일부 두께(t1)만 용접이 되어, 일정한 변위 또는 회전에서 용접이 파단되어 각 강관세그먼트가 상대적으로 회전할 수 있도록 하였다.

이에 기둥구조물 전체가 일체로 거동하게 되면 모든 회전은 최하단에서 발생하고 과도한 회전은 에너지소산 부재에 손상을 주게 되고 나아가 에너지소산부재의 락킹(locking)작용에 의해서 에너지소산부재가 설치된 기초 콘크리트에 손상을 줄 수 있다.

이에 본 발명은 기둥구조물에 일정한 회전이 최하단에서 발생하는 경우 최하단과 그 다음 강관세그먼트 사이의 용접에서 균열이 발생하도록 하여 두 번째 강관세그먼트가 회전하도록 허용함으로서

최하단 강관세그먼트의 과도한 회전을 방지하고 기초 콘크리트의 손상을 방지할 수 있도록 한 것이다.

또한, 각 강관세그먼트 사이의 용접은 지진과 같은 작용하중이 크게 발생하지 않는 경우에는 강관세그먼트 사이로 이물질이 침투하는 것을 방지하여, 긴장재를 부식으로부터 보호할 수 있도록 하게 된다.

본 발명에 의하여 보다 구조적으로 보다 효율적인 분절형 콘크리트충진 강관기둥을 이용한 기둥구조물 시공방법 제공이 가능하게 된다.

도 1a 및 도 1b는 종래 연결재를 이용한 기둥구조물에 있어서 연결재를 이용한 세그먼트 연결방법의 사시도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 강관세그먼트의 사시도 및 연결 사시도,
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명에 의한 분절형 콘크리트충진 강관기둥을 이용한 기둥구조물 시공방법이 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 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.

<분절형 콘크리트충진 강관기둥(100)>

상기 분절형 콘크리트충진 강관기둥(100)은 다수의 강관세그먼트(110)가 서로 상하로 적층되도록 하되 각각의 강관세그먼트(110)는 부분용접에 의하여 서로 연결되도록 설치된다.

이에 상기 강관세그먼트(110)는 도 2a와 같이 상하면이 개방된 튜브형태의 강관(111) 및 강관 내부에 충전된 콘크리트(113)로 구성된다.

상기 강관(111)은 원통형 강관으로서 상하면은 개방되도록 하게 되는데 상기 강관(111)에는 긴장홀(112)이 다수 형성되도록 하여 추후 긴장재(200)가 삽입될 수 있도록 하게 된다.

이에 상기 긴장홀을 형성시키기 위하여 쉬스를 강관 내측에 세팅하고 상기 쉬스가 매립되도록 콘크리트를 강관 내측에 타설하여 상기 긴장홀을 자연스럽게 형성시킬 수 있을 것이다.

다음으로는 상기 강관(111) 내부에 콘크리트(113)가 충전되는데 쉬스가 내부에 다수 세팅된 상태의 강관(111)을 바닥판에 저면이 접하도록 설치한 상태에서 콘크리트(113)를 강관 내부에 충전시키고 양생시켜 최종 강관세그먼트(110)를 제작하게 된다.

이에 다수의 강관세그먼트(110)는 도 3c와 같이 긴장홀(112)을 통해 서로 긴장재(200)가 삽입되도록 하고, 상기 긴장재의 양 단부를 기초부(300)와 예컨대 코핑부(400)에서 긴장후 정착시켜 강관세그먼트(110)를 서로 결속시켜 작용하중에 대한 복원능력을 가질 수 있도록 하게 된다.

상기 긴장재는 서로 연통된 긴장홀을 이용하여 설치되기 때문에 시공이 복잡하거나 어렵지 않게 된다.

또한 도 2b와 같이 상기 강관세그먼트(110)에 있어 기초부(300)의 상면에 설치되는 최하단 강관세그먼트(110a)는 하주 외주면에 L형강과 같은 에너지소산부재(114)를 용접등의 방법으로 장착시켜 놓게 된다.

이러한 에너지소산부재(114)는 강관(111)에 다수 설치되어 후술되는 기초부(300) 상면의 앵커볼트에 체결되도록 하여 최하단 강관세그먼트(110a)가 기초부(300)에 고정 설치될 수 있도록 하게 된다.

<분절형 콘크리트충진 강관기둥(100)을 이용한 기둥구조물 시공방법>

먼저, 본 발명에 의한 기둥구조물 시공방법은 다수의 강관세그먼트(110)를 상하로 기초부(300)에 적층하는 방식으로 시공된다.

이에 도 3a와 같이 먼저 터파기된 지반(G)에 기둥구조물이 시공되어야 할 부위에 기초부(300)를 시공하게 된다.

이러한 기초부(300)는 철근콘크리트 구조물로서 지반에 미도시된 파일에 의하여 지지되도록 설치될 수 도 있다.

이러한 기초부(300)를 시공한 이후에는 상면에 앵커볼트(310)가 돌출되도록 설치하고, 상기 앵커볼트에 본 발명의 에너지소산부재(114)인 L형강 다수가 체결너트에 의하여 고정 설치되도록 하여 최하단 강관세그먼트의 설치가 가능하도록 하게 된다.

이에 본 발명의 최하단 강관세그먼트(110a)에는 도 2b와 같이 에너지소산부재(114)인 L형강 다수가 형성되도록 하고, 나머지 강관세그먼트(110)는 최하단 강관세그컨트 상면에 서로 적층되도록 설치된다.

이에 도 3b와 같이 기초부(300) 상면에 형성된 앵커볼트(310)가 최하단 강관세그먼트(110a)의 에너지소산부재(114)인 L형강의 체결홀(115)에 삽입되도록 하고 상기 앵커볼트를 에너지소산부재(114)인 L형강에 체결너트(116)로 고정시켜 최하단 강관세그먼트(110a)를 기초부(300)에 고정 설치하게 된다.

다음으로는 도 3c와 같이 최하단 강관세그먼트(110a) 상면에는 강관세그먼트(110)를 부분용접에 의하여 서로 연결되도록 하여 상하로 적층시키게 된다.

이러한 부분용접은 강관(111) 전체 두께(t)보다 작은 두께로 용접한다는 의미인데 이를 위하여 먼저 원형링과 같은 간격재(d)를 하부 강관세그먼트에 세팅하고, 상기 원형링 상면에 상부 강관세스먼트를 세팅하고, 부분용접에 의하여 상,하부 강관세그먼트가 서로 용접되어 연결되도록 하게 된다.

물론 최하단 강관세그먼트가 가장 하부에 위치한 하부 강관세그먼트가 될 것이다.

이에 다수의 강관세그먼트를 부분용접에 의하여 서로 연결시키고, 최종 높이에 의한 최상단 강관세그먼트(110b)가 설치되면 상기 최상단 강관세그먼트(110b) 상면에 예커대 코핑부(400)를 설치하여 완성된 형태의 기둥구조물 시공이 가능하도록 하게 된다.

이때, 각각 적층된 강관세그먼트들은 긴장홀이 연통되어 형성되어 있으므로 이러한 긴장홀에 긴장재(200)를 삽입한 후, 상기 긴장홀에 모르타르를 일부 충전시켜 긴장재의 하단을 고정시키고, 최종 코핑부(400) 상면에서 긴장재(200)의 상단을 긴장 후 정착시켜 최종 강관세그먼트들을 서로 결속시키게 된다.

물론 상기 긴장재를 기초부 시공시 하단이 미리 고정되도록 한 상태에서 상방으로 돌출되도록 하고, 상기 긴장재에 각 강관세그먼트들이 삽입되도록 하는 시공방식을 이용해도 상관은 없다.

이에 최종 완성된 기둥구조물(A)에 지진에 의한 하중(수평하중)이 발생하는 경우 긴장재에 의하여 결속된 기둥구조물은 긴장재에 의한 프리스트레스에 의하여 하중작용에 대한 복원력을 확보할 수 있게 되고,

하중이 복원력 이상으로 작용하게 되면 강관세그먼트에 있어 최하단 강관세그먼트에 가장 큰 회전력이 발생하게 되는데 상기 최하단 강관세그먼트(110a)는 본 발명의 에너지소산부재(114)에 의하여 구속되어 있으므로 효과적으로 상기 회전력에 저항할 수 있게 된다.

이때 최하단 강관세그먼트(110a)에 과도한 회전력이 발생하면 에너지소산부재(114) 및 기초부(300)까지 파손될 수 있으므로 회전력을 분산시켜 주어야 한다.

이에 본 발명의 각 강관세그먼트는 부분용접에 의하여 서로 연결되어 있으므로 작용하중에 의하여 상기 부분용접 부위가 파손되면서 상기 부분용접 부위의 파손에 의하여 회전력이 적층된 강관세그먼트들에 분산될 수 있게 된다.

이에 본 발명에 의한 기둥구조물은 부분용접에 의한 회전력을 전체 강관세그먼들이 분담하도록 함으로서 연성적 능력이 극대화된 기둥구조물 시공이 가능하게 됨을 알 수 있다.

또한 상기 부분용접의 파손은 추후라도 쉽게 유지보수할 수 있어 매우 효율적이게 된다.

100: 분절형 콘크리트충진 강관기둥
110: 강관세그먼트 111: 강관
112: 긴장홀(쉬스) 113: 콘크리트
114: 에너지소산부재 115: 체결홀
200: 긴장재 300: 기초부
310: 앵커볼트 320: 체결너트
400: 코핑부

Claims (3)

1. 상면에 앵커볼트(310)가 상방으로 돌출형성된 기초부(300)를 지반에 시공하고,
   L형강을 포함하는 에너지소산부재(114)가 하부 외측면에 다수 설치된 강관(111)과 상기 강관(111) 내측에 충전되어 형성된 콘크리트(113); 및 상기 콘크리트(113) 내부에 상하로 형성된 긴장홀(112)을 포함하는 최하단 강관세그먼트(110a)에 있어서 앵커볼트에 상기 에너지소산부재(114)가 장착되도록 하여 상기 기초부(300)에 최하단 강관세그먼트(110a)를 고정시키는 단계;
   상기 최하단 강관세그먼트(110a) 상면에 강관(111) 내측에 충전되어 형성된 콘크리트(113); 및 상기 콘크리트(113) 내부에 상하로 형성된 긴장홀(112)을 포함하는 강관세그먼트(110) 다수를 부분용접에 의하여 서로 연결시키는 단계;
   상기 부분용접에 의하여 연결된 강관세그먼트들을 연통하는 긴장홀(112)에 긴장재를 삽입하고, 상기 긴장재에 의하여 강관세그컨트들을 서로 결속시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분절형 콘크리트충진 강관기둥을 이용한 기둥구조물 시공방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 부분용접은 하부 강관세그먼트의 상면에 원형링을 세팅하고,
   상기 원형링 상면에 상부 강관세그먼트를 세팅하고,
   상기 상하부 강관세그먼트의 강관 두께보다 작은 두께로 용접을 실시하여 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 분절형 콘크리트충진 강관기둥을 이용한 기둥구조물 시공방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 긴장재의 하단은 기초부에 고정되도록 하고,
   상기 긴장재의 상단은 최상단 강관세그먼트의 상면에 설치된 코핑부의 상면에서 긴장후 정착되도록 하는 것을 특징으로 하는 분절형 콘크리트충진 강관기둥을 이용한 기둥구조물 시공방법.

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