KR101262715B1 - 조립식 합성계단 - Google Patents

Abstract

건축물의 골조공사 중에서 계단공사는 난이도가 가장 높고 공사기간도 길다. 기초, 기둥, 보, 슬래브 및 벽체는 수평 또는 수직재들이므로 단순작업으로도 시공이 가능하지만, 계단은 경사면에 여러 개의 단을 만들어 시공해야 하므로 공사기간이 길고 난이도가 높다. 또한 계단은 건물 시공과정에서도 사용하므로 사전에 설치할 수 없으면, 별도로 가설계단을 마련하여야 한다. 그러므로 계단은 간단하면서도 현장작업을 최소화 하고 공장에서 부속품을 만들어 현장에서 조립하는 것이 필요하다. 이를 감안한 기존 공법은 철골계단과 철근콘크리트 PC계단이 있는데 중량물이어서 운반 조립에 어려움이 있고, 제작단가가 높은 것이 흠이다.

엘리베이터가 있는 아파트, 호텔, 사무실 등의 계단은 대부분 피난용이므로 별 문제가 없다고는 하나 오르내리는 발자국 소리가 크게 울리는 단점이 있다. 계단은 일종의 수직통로이므로 상하층 사이를 완전히 격리, 차단하는 것이 불가능하다. 따라서 하나의 계단 디딤바닥(tread)과 바로 위 디딤바닥 사이를 챌면(riser)으로 막는 것은 선택사항이며 필수적인 것은 아니다. 다만 챌면을 생략할 경우 바닥에 물이 흘렀을 때 바로 아래로 흘러 떨어지지 않도록 조치를 취해야 한다.

본 발명은 기존 철골계단이나 철근콘크리트 PC계단보다는 값이 싸면서도 발자국 소리가 울리지 않고, 차갑게 느껴지지 않는 철골 + 모르타르 합성구조에 관한 것이다. 합성구조 디딤바닥은 1.2mm∼1.6mm 두께의 얇은 강판으로 성형한 디딤바닥에 현장에서 모르타르를 부어 마감하므로 운반 및 조립중량이 최소화 된다. 모르타르는 조기에 경화하는 재료를 사용하므로 시공 후 빠른 시간 내에 사용할 수 있다. 조기경화 모르타르는 특성상 균열발생 가능성이 높으므로 모르타르 상단부분에 와이어메시를 추가한다. 계단 좌우 측판은 두꺼운 평강판 대신 얇은 강판을 ㄷ형 또는 C형으로 성형하여 단면의 강성을 높인다.

Description

조립식 합성계단{Assembling Composite Stairs}

건축물에 부속된 대부분의 계단은 철근콘크리트나 철골구조로 설계, 시공한다. 그런데 골조공사 중에서 계단공사는 난이도가 가장 높아 숙련된 고임금의 기술자에게 맡겨야 하며 공사기간도 길다. 따라서 바닥 넓이가 넓은 건물을 시공할 때에도 계단 공사가 바닥공사를 뒤따라가지 못하므로 시공중 작업자가 오르내리기 위해 대부분 건물 외부에 별도의 가설계단을 매달아서 이용한다. 일부에서는 계단을 공장제작하여 현장조립 하는 방법을 사용하기도 하는데 조립단가가 현장공사비의 2배가 넘으므로 꺼리는 경향이 있다.

건축물에 포함된 계단은 다른 수직 및 수평부재에 비해 설치 및 시공단가가 비싸다. 이는 경사진 계단에 철근을 배근하고 계단의 디딤바닥과 챌면의 형태를 거푸집으로 제작·설치 후 콘크리트를 타설하는 과정이 다른 구조부재에 비교할 수 없을 만큼 복잡하기 때문이다. 반면 철근콘크리트 구조의 경우 계단공사비는 기둥, 보, 슬래브, 기초 등과 동일하게 물량만으로 산정되므로 공사비 상승이 반영되지 않는다.

이러한 여러 가지 이유로 일부 현장에서는 계단을 공장제작 후 적절한 시기에 현장 조립하는 방법을 적용하기도 한다. 그러나 제작설치 단가가 철근콘크리트 구조의 현장설치 공사비와 비교하면 2배가 넘고, 제작설치가 익숙하지 않는 점 등 여러 이유로 꺼리는 경향이 있다. 또한 공장생산 조립계단은 양중문제를 고려해서 PC보다는 철골계단을 적용하기도 하지만, 질감이 공장 용도의 건물에나 어울리기 때문에 선호하지 않는 상황이다. 그나마 철골계단이 사용되는 것은 엘리베이터가 있는 아파트, 호텔, 사무실 등의 경우, 대부분 피난용 이어서 사용자가 별로 관심을 기울이지 않기 때문이다. 하지만 오르내릴 때 발자국 소리가 크게 울리거나 진동이 느껴지는 것은 바람직하지 않다.

계단을 현장에서 재래식으로 시공하는 비용이 가장 적게 들기는 하나 제작 기간이 많이 소요되므로 대부분 가설계단을 설치하여 사용한다. 따라서 건물의 계단을 적기에 완공하여 공사 기간중에도 사용할 수 있다면, 별도의 가설계단을 설치하는데 드는 비용을 절감할 수 있다. 또한 가설계단 이용 및 해체 등으로 발생되는 안전사고를 미연에 방지하는 효과도 있으며, 현장 콘크리트 타설에 따른 품질저하 등도 해결이 가능하다.

따라서 공장제작 후 현장 조립하는 건식공법의 계단이면서 공사비가 절감되는 공법이 필요하다. 또한 최근 원자재가격의 급등과 맞물려 강재를 사용하는 경우, 공사비를 절감하려면 사용하는 강재의 사용량을 최소한으로 줄이는 방법이 필 요하다.

계단 공사에서 가장 많은 비중을 차지하는 부위는 디딤바닥(tread)과 챌면(riser)이다. 철제계단에서 챌면을 생략하지 못하는 이유는 그것도 디딤바닥(10)을 보강하는 역할을 하기 때문이다. 따라서 본 발명에서는 디딤바닥을 강판과 모르타르(17)의 합성설계를 하여 챌면을 생략하는 것으로 한다. 모르타르는 조기 경화되는 재료를 사용하여야 대기시간이 줄어들므로 조강(早强)시멘트를 사용하거나 혼화제를 첨가하고, 균열이 발생할 가능성을 고려하여 모르타르 상면에 와이어메쉬(16)를 추가한다. 또한 기존 철제 계단에서는 계단 좌·우의 측판(20)을 8mm 이상의 두꺼운 평강판으로 제작하지만 본 발명에서는 4.5mm의 얇은 강판을 ㄷ형 또는 C형으로 성형하는 방법으로 단면계수 값을 증가시키고, 미관상으로는 강판 끝의 날카로운 면이 사용자의 눈에 노출되지 않게 한다.

공장에서 제작하는 단위부재의 중량을 최소화하여 운반 및 조립비용을 절감시키고, 얇은 강판을 성형한 디딤바닥과 모르타르를 합성설계 하므로 큰 내력을 발휘할 수 있다. 계단 좌·우 측판은 두꺼운 평강판 대신 얇은 강판을 ㄷ형으로 성형하면 강성이 증대되므로 경제적인 설계가 가능하다.

본 발명은 도 2와 같이 얇은 강판이 ㄷ 형으로 절곡된 것으로 웨브(21)에 다수의 볼트구멍이 형성된 2개의 철제 측판(20); 과 상기 측판(20) 사이에 형성되는 것으로 좌우 길이는 계단의 폭과 동일하고, 폭은 300mm로 일정하며 상면인 디딤면이 평평한 디딤바닥(10); 으로 구성된 조립식 합성계단에 관한 것이다.
상기 디딤바닥(10)은 전면 수직 벽면, 바닥면 및 후면 수직 벽면으로 구성되되, 상기 측판(20) 사이에 일정한 간격으로 상기 측판(20)과 밀착되도록 상기 측판(20)의 볼트구멍에 볼트로 조립되는 철제 성형강판; 상기 성형강판 내부에 배치되는 와이어메쉬(16); 및 상기 성형강판 내부에 채워지는 것으로 상기 전면 수직 벽면 높이까지 채워져 양생되는 모르타르(17); 로 구성되며, 상기 후면 수직 벽면의 상단에는 액체나 물건의 멈춤턱 역할을 하도록 후방 상부모서리(14)가 15mm 돌출하여 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 조립식 합성계단은 얇은 강판을 ㄷ형으로 구부리고 웨브(21)에 볼트구멍을 뚫은 측판(20) 2장을 나란히 세우고 이들 사이에 일정한 간격마다 다수 개의 성형강판(도 1)을 볼트로 조립하여 철제 계단을 형성한 뒤 각각의 성형강판들과 좌우 측판(20)이 밀착하여 형성되는 얕은 영구거푸집 안에 각각 와이어메쉬(16)를 깔고 모르타르(17)를 채워 양생시킴으로써 디딤바닥(10)을 형성하는 순서로 완성한다.

상기 성형강판은 모르타르를 채워넣는 영구거푸집의 전면 및 후면부 벽면과 하부 바닥면의 역할을 하는 부분이며 전면 수직 벽면, 바닥면, 후면 수직 벽면의 세 부분으로 나누어 각부의 구체적인 형태를 하기한 바와 같이 설명한다.
우선 성형강판의 전면 수직 벽면은 강판을 상기 바닥면의 전면 끝에서 수직으로 꺾어 올려 약 80mm 높이로 형성하되 전면 수직 벽면의 강성을 높이기 위하여 상기 전면 수직 벽면의 상단부를 안쪽으로 부드럽게 구부려 전방 상부모서리(11)를 형성한다. 영구거푸집의 전면 수직 벽면의 강성을 높이고 모르타르 양생 후 영구거푸집과의 부착성을 확보하기 위하여 상기 전면 수직 벽면의 높이 기준 중앙부에는 전면 수직 벽면 좌단부터 우단까지 수평방향으로 모르타르 고정홈(12)을 조성한다.
성형강판의 바닥 부분의 구체적인 형상은 하기하는 바와 같다. 바닥의 전후 폭은 300mm이며 계단의 이용자가 발을 디디는 전면부에 모르타르를 집중시키고 하중이 적게 작용하는 부분에는 모르타르의 양을 줄임으로써 모르타르의 위치별 두께를 최적화하기 위하여 전면 수직 벽면 부분은 80mm로 깊이가 깊고 후면부로 갈수록 65mm로 얕아진다. 또한 모르타르를 부어 양생되기 전까지 영구거푸집의 역할을 하는 성형강판의 처짐을 방지하기 위하여 성형강판의 길이 방향으로 가운데 부분은 상부로 아치 형태의 하부곡면(15)를 형성한다. 상기 하부곡면(15)의 시작과 끝 지점에는 각각 성형강판의 좌우 길이 방향에 걸쳐 반원형으로 파인 커플러 삽입홈(13)을 조성하고 상기 커플러 삽입홈(13)의 총 4개소의 좌우 단부에 도 5와 같이 커플러(18)를 1개씩 끼워넣고 용접하여 측판(20)과의 볼트 접합에 사용한다.
성형강판의 후면 수직 벽면의 구체적인 형상은 하기하는 바와 같다. 바닥면의 후면 끝으로부터 강판을 수직으로 꺾어 올려 약 65mm 높이의 영구거푸집 후면 수직 벽면을 형성하되 상기 벽면의 상단부를 반원 형태로 안쪽 하방으로 구부려 후방 상부모서리(14)를 형성한다. 상기 후방 상부모서리(14)는 디딤바닥(10) 완성 후 기준으로 전면 수직 벽면 상단부보다 15mm 높게 위로 돌출되어 영구거푸집의 후면 수직 벽면의 강성을 높이고 계단 사용시 액체나 물건이 계단 뒤쪽으로 떨어지지 않도록 하는 멈춤턱 역할을 한다. 영구거푸집의 후면 수직 벽면의 강성을 높이고 모르타르 양생 후 영구거푸집과의 부착성을 확보하기 위하여 상기 후면 수직 벽면의 소정 높이에 벽면 좌단부터 우단까지 수평방향으로 소정 깊이로 모르타르 고정홈(12)을 조성한다.
도 5는 디딤바닥(10)과 측판(20)의 조립도이다. 도 1의 디딤바닥(10)의 좌우 길이는 계단의 폭(1.5m)과 같고 전후 폭은 300mm로 일정하며 성형강판의 전면 수직 벽면 높이까지 모르타르를 채우므로 계단 사용시 발을 딛는 디딤면(상면)은 완전히 평평하고 후면 수직 벽면 상단에는 후방 상부모서리(14)가 15mm 높이로 위로 돌출하여 액체나 물건의 멈춤턱 역할을 한다.

디딤바닥(10)의 각 부분 명칭 및 기능 등을 상세히 정리하면 다음과 같다.

① 전방 상부모서리(11) ; 모르타르가 양생되기 전 모르타르 자중과 시공하중을 지탱하기에 필요한 성형강판의 상부플랜지. 성형강판과 모르타르의 합성작용을 수행함에 있어 양 재료의 분리를 제어하고, 디딤바닥(10)을 사용하는 과정에서 모르타르 파손을 방지하는 역할.

② 모르타르 고정홈(12) ; 성형강판과 모르타르의 합성작용에 있어 양 재료 간 분리효과를 제어하고, 디딤바닥(10) 두께의 둔탁함을 보정하는 미관상의 조치.

③ 커플러 삽입홈(13) ; 모르타르가 양생되기 전 모르타르 자중과 시공하중을 지탱하기에 필요한 성형강판의 하부플랜지. 디딤바닥(10)을 측판(20)에 부착하는 볼트를 채우기 위한 커플러의 용접홈.

④ 후방 상부모서리(14) ; 모르타르가 양생되기 전 모르타르 자중과 시공하중을 지탱하기에 필요한 성형강판의 상부플랜지. 성형강판과 모르타르가 합성작용을 함에 있어 양 재료 간 분리효과를 제어하고, 계단 사용 중 디딤바닥(10)에 물이 흘렀을 때 뒤로 넘어가서 아래층 계단으로 떨어지는 것을 방지하는 물막이턱. 또한 만약의 경우 챌면이 없어도 통행자가 떨어뜨린 물건이 뒤로 떨어지는 것을 막는 역할도 수행.

⑤ 하부곡면(15) ; 하부곡면(15)은 디딤바닥(10) 하면을 곡면으로 성형한 것이며, 성형강판의 강성을 증대시키기 위함. 디딤바닥(10) 후면이 전면보다 높은 이유는 디딤바닥(10)에 물이 흘렀을 때 전면 끝에서 후면으로 흘러서 하부 디딤바닥(10)의 후면 끝을 벗어나 아래로 떨어지는 것을 방지(물끊기 기능).

⑥ 와이어메쉬(16) ; 디딤바닥(10)에 모르타르의 균열을 방지하고, 디딤바닥(10)의 부모멘트 지지용 인장재 역할 수행.

⑦ 모르타르(17) ; 디딤바닥(10)의 바닥면을 형성하고, 성형강판과 합성설계를 위한 주자재. 디딤바닥(10)에 모르타르 타설로 철제계단의 진동 및 소음방지.

⑧ 커플러(18) ; 성형강판의 커플러 삽입홈(13)에 용접하여 볼트로 측판(20)에 부착하는 기능.

일반적으로 4.5mm 또는 1.6mm강판 2매를 사용하는 기존 강판제 디딤바닥(10)은 보행시 진동과 아울러 소음이 발생하지만 본 발명에서 제시하는 성형강판과 모르타르의 합성단면은 철근콘크리트 계단과 같이 진동은 물론 소음이 발생하지 않는 장점이 있다.

도 2의 계단 측판(20)은 재래식 철골계단에서 일반적으로 사용하는 두꺼운 평강판(도 2의 (c)) 대신 얇은 ㄷ형강 또는 C형강(도 2의 (b))으로 성형하여 강성을 높인다. 측판(20)은 도 3의 (a)에서 ㄷ형강 또는 C형강의 강판두께를 4.5mm로 하는데 도 3의 (b)의 재래식 8mm 평강판과 단면성능을 비교하면, ㄷ형강의 단면적(중량)은 평강판의 71％에 불과하나 휨모멘트에 저항하는 단면계수와 처짐에 저항하는 단면2차모멘트의 값은 비슷하여 경제적인 효과가 있다. 또한 횡방향 강성은 평강판에 비해 크게 향상되며, 외관상으로도 오히려 더 두꺼운 것처럼 보여서 안정감과 부드러움을 느낄 수 있다. 도 6은 두께 1.2mm의 강판으로 제작한 디딤바닥(10)용 성형강판과 그 속에 모르타르(17)를 부어서 양생한 합성단면의 단면성능과 계단 폭이 1.5m일 경우 응력상태를 계산한 근거자료다.

도 1은 조립식 합성계단의 디딤바닥용 성형강판을 도시하는 단면도.

도 2는 조립식 합성계단의 측판을 도시하는 측면도.

도 3은 조립식 합성계단의 측판을 도시하는 단면도.

도 4는 조립식 합성계단을 도시하는 사시도.

도 5는 조립식 합성계단을 위한 디딤바닥과 측판의 조립도.

도 6은 디딤바닥의 단면성상을 도시하는 도면.

＜도면의 부호 설명＞

10: 디딤바닥 11: 전방 상부모서리

12: 모르타르 고정홈 13: 커플러 삽입홈

14: 후방 상부모서리 15: 하부곡면

16: 와이어메쉬 17: 모르타르

18: 커플러 20, 20a: 측판

21: 웨브 22: 플랜지

Claims (2)

1. ㄷ 형으로 절곡된 것으로 웨브(21)에 다수의 볼트구멍이 형성된 2개의 철제 측판(20); 과 상기 측판(20) 사이에 형성되는 것으로 좌우 길이는 계단의 폭과 동일하고, 폭은 300mm로 일정하며 상면인 디딤면이 평평한 디딤바닥(10); 으로 구성된 조립식 합성계단에 관한 것으로서,

   상기 디딤바닥(10)은,

   전면 수직 벽면, 바닥면 및 후면 수직 벽면으로 구성되되, 상기 측판(20) 사이에 일정한 간격으로 상기 측판(20)과 밀착되도록 상기 측판(20)의 볼트구멍에 볼트로 조립되는 철제 성형강판;

   상기 성형강판 내부에 배치되는 와이어메쉬(16); 및

   상기 성형강판 내부에 채워지는 것으로 상기 전면 수직 벽면 높이까지 채워져 양생되는 모르타르(17); 로 구성되며,

   상기 후면 수직 벽면의 상단에는 액체나 물건의 멈춤턱 역할을 하도록 후방 상부모서리(14)가 15mm 돌출하여 형성된 것을 특징으로 하는 조립식 합성계단.
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