KR101268802B1 - 철근콘크리트구조의 전단보강 입체그리드 - Google Patents

Abstract

철근콘크리트구조 부재 중에서 기둥과 보에는 주근을 붙들어주는 철근(띠철근 또는 스터럽)을 배근하여 콘크리트의 전단내력 부족분을 보강하지만 바닥슬래브, 벽체 및 기초는 일반적으로 철근을 사용하여 전단보강을 하지 않고 콘크리트의 배합강도나 두께를 증가시켜 해결하는 것을 관행으로 삼고 있다. 바닥슬래브와 벽체의 주응력은 휨모멘트이며 토압, 수압이 특별히 큰 깊은 지하실 벽체 하단 일부에서나 전단보강을 필요로 하므로 본 발명에서는 주로 기초 보강에 초점을 맞춰서 설명한다. 기초는 단위면적당 지지하중이 큰 것이 특징이어서 기둥 또는 내력벽 주변에서의 전단력이 크다. 그래서 기초의 두께가 두꺼워지는 것인데 두께가 1m를 넘는 기초에서도 하부에만 휨모멘트에 저항하는 철근을 배근하고 나머지 부분에는 철근이 없는데도 이상하게 여겨지지 않는다. 때로 기초 두께를 줄이기 위하여 스터럽(수직철근)을 배근하려 시도해도 기초 상단부에 이를 붙들어줄만한 철근이 없으므로 현장 배근하기가 쉽지 않다[도 4]. 그래서 만약 기초 상단에도 철근을 배근한다고 해도 상하 철근 사이에 수직 스터럽을 촘촘하게 배근하는데 필요한 작업발판이 없으며 상부 가로세로 철근 사이 좁은 공간에 위에서는 손이 들어가지 않아 상하철근 사이에 보조철근을 결속선으로 묶는 작업도 불가능하다. 그래서 만약 상하철근 사이에 옆으로 작업원이 들어가서 한 가닥씩 묶기에는 기초의 두께가 너무나 얇고 그런 작업을 해 본 경험자도 없으므로 설계에 반영하는 것이 부담스럽다[도 5]. 수평부재의 전단보강근은 사인장력에 대응하는 것이므로 수직, 수평 어느 방향으로 배근해도 보강효과가 동일함에도 불구하고 구조전문가들조차 스터럽은 당연히 수직방향으로 보강하여야 되는 것으로 인식하고 있다[도 7]. 그럼에도 불구하고 본 발명자는 이미 수평전단보강 방법을 특허출원 하였으나 예상했던 대로 관련기술자들의 고정관념을 타파하는 것이 얼마나 어려운가를 다시금 깨닫게 되었다. 또한 공사현장에서 철근을 배근하는 기술자는 외국인 기능공들이 대부분이어서 조금이라도 익숙하지 않은 새로운 방식을 전파하는 것은 피하여야 한다.

상기 현황과 조건을 기본으로 하여 본 발명에서는 기둥이나 내력벽 주변의 기초 또는 플랫플레이트 콘크리트를 작은 단위의 좌우상하 직6면체의 그리드 철근망으로 구속하여 일반 철근콘크리트와는 획기적으로 다른 성능의 합성구조내력을 발휘하게 한다[도 1]. 철근콘크리트 구조는 주근을 1방향 또는 2방향으로 배열하여 결속선으로 묶는데 불과하지만 본 발명의 철근은 입체그리드로 배열하여 공장용접한 것이 차별화 된 것이다. 이는 FERRO CEMENTO나 목재합판이 일반 철근콘크리트나 천연목재에 비하여 특별히 우수한 구조성능을 발휘하는데서 착안한 것이다. 전단보강 입체그리드의 평면형태는 30cm*30cm로 동일하며 높이는 기초의 두께가 변함에 따라 10cm 단위로 높이가 달라지도록 한다. 상기 전단보강 입체그리드의 규격은 설명을 간편화하기 위하여 상기 1가지로 통일한 것이며 그 규격은 상황에 따라 다양화할 수 있다.

Description

철근콘크리트구조의 전단보강 입체그리드{Shear Reinforcing Space Grid of RC Structural Members}

수평 구조부재 중에서 가장 간단한 것은 지판이 없는 플랫플레이트와 기초다. 이는 기둥에 평판을 붙여놓은 것과 같은 양상인데 기둥간격이나 작용하중이 커지면 두께를 증가시켜야 한다. 매트기초와 플랫플레이트는 기둥의 상하부 어디에 붙어있느냐에 따라 하중작용 방향이 다르다. 만약 단층 건물에서 지붕구조가 플랫플레이트일 때 기초도 매트기초로 설계한다면 지붕슬래브와 기초의 구조 응력이 방향만 반대이고 크기는 동일하므로 마치 나무상자처럼 두께도 동일하게 할 수 있다. 그러나 건물의 층수가 점점 늘어나면 기초판 하나가 상부 여러개층의 하중을 전부 부담하여야 하므로 매트기초는 두꺼워져야 하는데 이 때 지내력에 여유가 있으면 매트기초 대신 독립기초로 설계하는 것이 경제적이다. 경험상 기초 밑판 소요면적이 바닥 전체면적의 1/2 이내면 독립기초로 설계하는 것이 경제적이다. 그러나 20여년전부터 국내 공사현장 노무자의 인건비가 많이 올라감에 따라 굴삭기로 땅을 판 후 부분적으로 독립기초를 위한 구덩이를 파는 삽질이 불필요한 매트기초를 선호하는 경향이 있는데 기둥 주변에서의 전단내력 확보 때문에 기초 두께를 줄이지 못하는 것이 아쉽다. 즉 기초 주변 극히 일부분을 전단보강 할 수 있다면 나머지 구간의 휨모멘트에 대응하는 철근배근은 큰 부담이 되지 않는다. 독립기초도 매트기초와 마찬가지로 보가 없으며 기둥 밑에 두꺼운 캔틸레버 슬래브만 있는 형상이어서 전단보강문제는 매트기초와 동일하다. 매트기초나 플랫플레이트 전단보강 방법 중 대표적인 것은 스터럽, H형강, 시어커넥터를 용착한 가공 철판프레임(스터드레일) 등[도 6]이며 이들 모두는 기둥을 중심으로 하여 X, Y 방향으로 배치하는 것을 기본으로 삼고 있다. 또한 본 발명자는 이미 철근을 수평 X, Y 방향으로 여러단 배근하여 수직배근 스터럽을 대신하는 방법과 기둥 주변에 철망을 동심원으로 돌려감는 방법 및 철근트러스배열을 특허등록 하였으나 이들을 현장적용하기 위한 홍보가 부족하여 사용실적이 미미하다.

보의 전단보강근은 45°방향의 사인장력에 저항하는 것이므로 이론적으로는 수직, 수평 어느 방향으로 배근해도 보강효과가 동일하다[도 7]. 마찬가지로 보, 슬래브, 또는 기초가 전단파괴를 일으키는 양상은 45°방향의 균열이 발생하면서 진행되는 것이므로 그 사인장력에 대응하는 가장 합리적인 배근방법은 균열과 직각방향으로 철근을 배근하는 것인데 그렇게 하는 현장 작업이 어렵기 때문에 구조전문가들조차 스터럽을 비롯한 전단보강근은 당연히 수직 방향으로 배근해야 하는 것으로 인식된 것이다. 스터럽이 수직방향인 이유 중 또 다른 이유는 휨모멘트에 대응하는 보의 주근이 상하단에 있으므로 이들이 제 위치를 이탈하지 않도록 하는 보조철근으로 수직배근이 가장 적합하기 때문이기도 하다. 단면 하단에만 철근이 배근되어 있는 기초에 수직철근을 배근하는 것은 불가능하므로[도 4] 본 발명자는 이 미 수평방향으로 전단보강하는 방법을 특허출원 하였으나 이를 현장에 적용할 관련기술자들의 고정관념을 타파하는 것이 매우 어려운 일임을 확인하였다. 또한 공사현장에서 철근을 배근하는 기술자들 대부분이 외국인이어서 조금이라도 익숙하지 않은 새로운 방식을 전파하는 것도 쉽지 않다.

그러므로 구조관련 기술자들이 쉽게 이해할 수 있으며 현장 작업원들이 작업하는데 있어서 특별한 교육이 불필요한 간편한 전단보강방법이 필요하다. 즉 공장에서 제작하는 작업은 다소 까다롭다고 해도 현장 작업이 간단한 전단보강 방법을 모색하기로 한다. 또한 구조설계 담당자들도 번거로운 전단보강설계를 하지 않아도 특별한 전단보강 유닛제품을 기둥이나 내력보 근처 일부에 배열하는 단순작업이 가능하게 한다.

철근을 작은 직6면체 입체그리드로 용접한 것을 동서남북으로 연속시킨 입체 프레임에 콘크리트를 부어 넣은 구조부재에 전단력 즉 45°사인장응력이 작용하면 상기 입체그리드의 수직수평 철근 모두가 각각 SIN 45°=0.707배의 효율을 가지고 인장력에 대응하게 된다[도 7]. 여기서 스터럽에 해당하는 수직철근이 빽빽하게 배열된 것을 보면 일반 구조전문가들도 전단보강 효과가 있는 것을 인정할 것이고 실제로는 수평철근도 동등한 역할을 하여 전단보강효과가 증가한다는 사실은 구조계산 및 실험으로도 증명하고자 한다. 그러나 이들 수직, 수평철근 그리드를 좁은 공간에서 연속된 철근으로 제작하려면 미니로봇용접기라야 가능하므로[도 5] 수동용접으로도 가능한 전단보강 입체그리드의 크기가 작아야 한다. 본 발명에서는 설명을 간편화하기 위하여 전단보강 입체그리드의 평면형태를 [도 1]과 같이 30cm*30cm로 통일하며 높이는 기초의 두께가 변함에 따라 10cm 단위로 달라지도록 한다. 또한 기초나 플랫플레이트의 전단응력은 기초 주변에서 외곽으로 벗어남에 따라 급격히 감소하므로 기둥이나 내력벽 측면에서 멀리 떨어질수록 전단보강 입체그리드의 높이를 계단식으로 줄일 수 있다[도 3].

상기 전단보강 입체그리드는 기초의 하부 철근 배근이 완료된 후 기둥 또는 내력벽 외부로부터 좌우 및 외곽으로 배열하여 각 전단보강 입체그리드의 외곽으로 돌출된 U형고리(17)가 인접 전단보강 입체그리드의 U형 연결고리와 상하로 겹치게 배열하여 그들 사이에 생성되는 타원형의 구멍에 꽂이쇠(18)를 끼우거나 콘크리트 타설시 상호간의 위치 이탈이 없을 정도로 결속선으로 묶으면 전단보강 배근작업이 완료된다[도 8, 도 9].

과거에는 전단보강 입체그리드와 같이 철근을 서로 용접하는 작업을 하는 업체가 없었으나 최근 본 발명자가 특허출원하여 철근선조립기둥을 제작하는 업체가 능히 생산할 수 있다.

전단보강 입체그리드를 사용하여 기초나 플랫플레이트의 전단력을 증대시켜서 두께를 줄일 수 있다. 그 결과는 기초 흙파기량, 콘크리트 사용량 및 건물의 층고가 동시에 줄어들게 되므로 경제적이다. 기초나 플랫플레이트는 상하부 또는 하부에만 가로세로 배근을 하고 나머지 구간은 무근콘크리트여서 모든 전단내력은 콘크리트에 의존하므로 두께가 두꺼워지는 것인데 전단보강 입체그리드를 사용하면 두께를 줄일 수 있다. 기초나 플랫플레이트 두께는 기둥 또는 내력벽 주변 극히 일부분에서만 두꺼워도 되는데 나머지 대부분의 면적에서도 같은 두께를 적용하여 낭비하기 때문이다.

철근콘크리트 기초나 플랫플레이트의 두께를 줄이기 위한 전단보강 입체그리드에 관한 것으로 표준도면인 [도 1]의 각 규격과 치수에 준하여 설명하지만 보강하고자 하는 구조부재의 규격 및 크기와 전단보강 범위와 크기에 따라 전단보강 입체그리드의 규격과 치수도 달라질 수 있다. 여기 사용하는 철근은 고강도 용접철근이다.

1. 30cm 길이의 D10 철근 양단에서 길이 10cm인 U형고리가 돌출되도록 절곡한 기본 단위의 부품 24개는 각각 다음 용도로 사용한다. 8개: 수평상주근(11), 8개; 수평하주근(13), 4개: 수평상보조근(12), 4개; 수평하보조근(14).

2. 4개의 D13 철근을 길이 42cm로 절단하여 수직주근(15)으로 사용한다.

3. 5개의 D13 철근을 길이 34cm로 절단하여 수직보조근(16)으로 사용한다.

4. 상기 총 33개의 철근을 [도 1]과 같이 배열하여 철근끼리 만나는 점을 용접하여 고정한다. 수평상주근과 수평상보조근은 수평하주근과 수평하보조근 위에 얹어 전체적인 형상은 30cm 정방형의 전(田)자형이며 이렇게 조립한 3조의 田자형 세트는 상하 10cm 간격을 유지한채 수직근들과 용접한다. 수직근 들의 상, 하부 2cm 돌출은 최상단 및 최하단 수평근들과의 용접장을 위한 여유치며 3조의 田자형 세트 중 최하단 하부로 10cm 돌출되는 구석의 수직주근은 기초나 플랫플레이트의 하부근과의 상하간섭을 피하기 위한 다리 역할을 한다.

이 다리들은 수평방향으로도 기초나 플랫플레이트 하부근의 간섭을 받을 수 있으므로 수평근들의 U형고리가 인접 전단보강 입체그리드의 U형고리(17)와 상하 겹침으로 조성되는 타원형의 공간 꽂이쇠(18)로 연결할 때 다리의 위치를 다소 이동시키는데 활용한다.

5. 田자형 외부로 돌출된 12조의 U형고리는 [도 2]와 같이 동일한 다른 전단보강 입체그리드의 U형고리들과 어긋나게 상하로 겹칠 수 있도록 전단보강 입체그리드들을 수평보강상주근의 U형고리(17)와 수평보강하주근들의 U형고리가 서로 쌍을 이루도록 어긋나게 배열한다[도 2, 도 3, 도 8, 도 9]. 상기 꽂이쇠는 D13 철근을 상기 1항과 같은 요령으로 제작하되 U형고리를 포함한 전체 길이가 24cm로 꽂이쇠를 상기 상하 수평으로 한 쌍을 이루어 형성된 타원형 구멍에 수직으로 꽂아내리고 상단 U형고리가 수평보강상주근의 U형고리에 걸쳐서 아래로 빠져 내려가지 못하도록 구속한다.

상기 꽂이쇠의 하단 U형고리의 구조적인 역할은 U형 꽂이쇠가 인장력을 받을 때의 부착내력 부족분을 보충하기 위한 것이다. 단부에 U형고리가 없는 다른 철근들은 직각 방향으로 만나는 다른 철근들과 용접하였으므로 추가 부착내력 확보가 불필요하다.

상기 꽂이쇠(18)를 하나씩 꽂는 작업이 번거로울 경우는 꽂이쇠 꽂기를 생략하고 U형고리를 결속선으로 묶어도 된다. 이 때 결속선 묶기는 최상단에서만 시행 해도 되며 이 경우 꽂이쇠가 생략되었으므로 그 내력은 구조계산에서 제외한다. 특히 꽂이쇠는 기둥 표면 가까운 부분의 전단내력을 크게 증대시키고자 할 때 그 부분에만 꽂을 수 있다.

6. 전단보강 입체그리드의 높이는 기초의 두께가 커짐에 따라 田자형 세트를 10cm 단위로 상하 격리하여 추가하며 그에 상응하는 수직주근 및 수직보조근의 길이도 각각 10cm씩 추가한다.

7. 하나의 기초나 플랫플레이트에서도 기둥 또는 내력벽 표면에서 멀어짐에 따라 전단력이 줄어들게 되므로 전단보강 입체그리드의 높이를 계단식으로 줄일 수 있다[도 3].

도 1은 전단보강 입체그리드의 사시도, 평면도, 입면도,

도 2는 전단보강 입체그리드들을 수평방향으로 연결하여 조합한 사시도,

도 3은 전단보강 입체그리드의 높이를 계단식으로 줄인 입면도,

도 4는 하부 인장철근만 있는 기초에서 수직 전단보강 스터럽을 배근할 수 없는 이유를 설명하는 입면도,

도 5는 기초 상단에도 수평철근을 배근하여 스터럽을 배근하려 해도 결속선으로 묶는 작업이 어려움을 설명하는 입면도,

도 6은 기존 전단보강방법들,

도 7은 45°사인장응력이 작용하는 입체그리드의 수직수평 철근이 각각 SIN 45°=0.707배의 효율을 가지고 인장력에 대응하는 것을 설명하는 개념도,

도 8은 전단보강 입체그리드의 배열방법,

도 9는 독립기초에 전단보강 입체그리드를 적용한 사시도이다.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

11 ; 수평상주근 12 ; 수평상보조근

13 ; 수평하주근 14 ; 수평하보조근

15 ; 수직주근 16 ; 수직보조근

17 ; U형고리 18 ; 꽂이쇠

21 ; 기둥 22 ; 철근

23 ; 기초 30 ; 전단보강 입체그리드

삭제

Claims (2)

1. a) 철근 양 단부에 조성된 180°로 구부린 갈고리의 U형고리(17);

   b) 상기 조성된 철근을 田형 세트로 배열하여 접점마다 용접되고;

   c) 상기 b)의 田형 세트가 상하로 여러 단 배열되어 각 단의 수평상주근(11)과 수평하주근(13)이 만나서 생기는 모서리 내부에 수직주근(15)이 설치되고, 수평상주근(11)과 수평하보조근(14)이 만나서 생기는 모서리, 수평상보조근(12)과 수평하주근(13)이 만나서 생기는 모서리 및 수평상보조근(12)과 수평하보조근(14)이 만나서 생기는 모서리 내부에는 수직보조근(16)이 설치되며;

   d) 상기 c)에서 수직철근과 수평철근이 만나는 각 접점이 용접으로 고정하여 형성된 철근콘크리트 전단보강 입체그리드.
2. 제 1항에 있어서 높이가 같은 전단보강 입체그리드 또는 높이가 다른 전단보강 입체그리드를 가로세로 수평 배열되고 전단보강 입체그리드 단부끼리 상호 겹치는 U형고리(17)에 꽂이쇠(18) 또는 결속선으로 연결, 배열된 철근콘크리트 구조의 전단보강 입체그리드.

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