KR101387232B1 - 건축용 모멘트 골조 시스템 - Google Patents

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Abstract

건축용 모멘트 골조 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 모멘트 골조 시스템은, 가로 방향으로 배치되는 다수의 PC 거더(Prestressed Concrete Girder); 세로 방향으로 배치되는 다수의 PC 컬럼(Precast Concrete Column); 십자가 형태로 배치되는 PC 거더들의 중앙부에서 PC 거더들과 PC 컬럼들을 교차되게 연결하는 다수의 메인 연결모듈; 및 메인 연결모듈을 제외한 위치에서 PC 거더들과 PC 컬럼들을 교차되게 연결하는 다수의 서브 연결모듈을 포함한다.

Description

건축용 모멘트 골조 시스템{Moment framework system}
본 발명은, 건축용 모멘트 골조 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 지하 구조물 적용 시 보의 높이를 최소화할 수 있어 층고 절감 효과에 따른 터파기 물량 또는 지하외벽 물량 등을 감소시킬 수 있음은 물론 동절기 공사가 가능할 뿐만 아니라 공기를 절감시킬 수 있으며, 자유롭게 슬래브 시스템을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 유지보수가 용이하여 보수 공사비 절감 및 민원발생의 최소화할 수 있는 건축용 모멘트 골조 시스템에 관한 것이다.
장스팬(SPAN) 고하중의 문화시설, 물류창고, 할인매장, 극장 및 주차장 등의 건축 수요 증대가 기대됨에 따라 이에 부응하는 건설기술의 개발이 요구되고 있다.
국내에서 고하중 장스팬 구조물에는 주로 철골 구조 시스템이 적용되어 왔으며, 일부 더블티 슬래브 등을 사용한 PC(Precast Concrete) 골조 구조 시스템이 적용되고 있다.
상기 두 시스템 중 PC 골조 구조 시스템은 경제성, 내구성, 시공성이 우수하여 설계와 시공에 많은 장점을 가지고 있다.
일반적으로 건물을 건축할 때에 철근 콘크리트를 이용하여 건물의 기둥과 보를 제작하여 건물을 건축할 수 있고, 철골을 이용하여 건물의 기둥과 보를 제작하여 건물을 건축할 수 있다.
철골 구조물은 가볍고 인장력이 강하며 경간사이의 거리가 길게 되는 장점이 있으나, 가격이 비싸 시공비용이 많이 들게 되며, 누르는 힘과 열에 약하고 진동이 쉽게 전달되는 단점이 있어 별도의 내화피복을 하여야 하며 또한 철골 구조물은 철골사이에 별도의 보강 재료를 첨가하여 진동을 저감해야 쾌적한 환경에서 생활할 수 있게 된다. 따라서 공정이 복잡해질 뿐만 아니라 건축비용이 더욱 증가할 수 밖에 없다.
문화시설, 역사, 체육관, 할인매장, 도서관, 박물관 등의 건물은 도시에 필수적인 건축물이며 많은 사람들이 이용하는 건물이다.
이러한 박물관 등의 건물은 기둥과 기둥 사이의 거리가 길어야 하므로, 철골 구조물을 이용하여 건물을 건축하게 된다.
따라서 상기와 같은 건축물의 시공비용이 비싸지게 되어 적정한 수 만큼을 건설하지 못하게 되며 시공비의 증가에 따른 이용비용의 증가가 초래될 수 있어 많은 사람들이 쉽게 이용하지 못하는 문제점이 발생한다.
또한 최근에 극장은 복합 상영관이 증가하며 영화에서 사운드의 효과가 증대되어 철골 구조물을 이용하여 극장을 건축하게 되면 다른 상영관의 소리 또는 대기실에서 관람하기를 기다리는 사람들의 소리가 들리게 되어 소음과 진동에 의해 영화 관람 시 애로사항이 생기게 되는 문제점이 발생한다.
일반적인 PC 골조 시스템은 시공비용이 저렴하고 소음 및 진동에 강하지만 기둥과 기둥 사이의 거리가 철골 구조물에 비해 짧아 문화시설, 역사, 체육관, 할인매장, 도서관, 박물관 등의 건물에 적합하지 않다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 장스팬PC 골조 시스템을 이용한 건물의 건설이 연구되어지고 있다.
장스팬 PC 골조 시스템은 철골 복합 공법과 더블티 슬래브 시스템 공법을 들 수 있다.
철골 복합 공법은 철골보 양단부를 PC로 함으로써, 단순지지에서 20m까지 적용 가능하나 스팬/깊이, 자중 등 효율성에서 철골조를 극복하지 못하였다. 특히, 중앙 철골부위에 대응하는 중간보 등이 모두 철골조를 이용하여야 하므로 시공비용을 낮추는 효과가 얻기 어렵다.
더블티 슬래브 시스템은 대형 할인 매장건물에 활용이 예상되는 시스템으로서 효과적인 단면 및 배근이 제안되었으나 운송 등의 이유로 단순지지, 경간의 거리가 15m 이상인 건물 적용에 한계가 있다.
특히, 이들 시스템들은 지하 구조물 적용 시 보의 높이를 최소화하기 어려운 세팅된 구조를 가지고 있기 때문에 터파기 물량 또는 지하외벽 물량 등이 늘어날 수 밖에 없고, 특히, 동절기 공사가 어려운 문제점을 야기한다.
결과적으로 현재 적용 중에 있거나 연구되고 있는 골조 시스템의 경우, 아래와 같은 다양한 문제점 발생이 예상된다.
즉 현재까지 알려진 골조 시스템의 경우, 예컨대 지하 구조물 적용 시 보의 높이를 최소화하기 어려운 문제점, 터파기 물량 또는 지하외벽 물량 등이 늘어나는 문제점, 동절기 공사가 어려운 문제점, 공기가 지연되는 문제점, 자유롭게 슬래브 시스템을 구연할 수 없는 문제점, 유지보수가 어려워 보수 공사비가 늘어나면서 민원 발생이 증가하는 문제점 등 다양한 문제점이 예상되고 있으므로 이러한 전반적인 사항을 고려한 새롭고 진보된 골조 시스템의 개발이 요구된다.
대한민국특허청 출원번호 제10-2001-7008694호 대한민국특허청 출원번호 제10-1999-0049566호
본 발명의 목적은, 지하 구조물 적용 시 보의 높이를 최소화할 수 있어 층고 절감 효과에 따른 터파기 물량 또는 지하외벽 물량 등을 감소시킬 수 있음은 물론 동절기 공사가 가능할 뿐만 아니라 공기를 절감시킬 수 있으며, 자유롭게 슬래브 시스템을 구연할 수 있을 뿐만 아니라 유지보수가 용이하여 보수 공사비 절감 및 민원 발생의 최소화할 수 있는 건축용 모멘트 골조 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 가로 방향으로 배치되는 다수의 PC 거더(Prestressed Concrete Girder); 세로 방향으로 배치되는 다수의 PC 컬럼(Precast Concrete Column); 십자가 형태로 배치되는 상기 PC 거더들의 중앙부에서 상기 PC 거더들과 상기 PC 컬럼들을 교차되게 연결하는 다수의 메인 연결모듈; 및 상기 메인 연결모듈을 제외한 위치에서 상기 PC 거더들과 상기 PC 컬럼들을 교차되게 연결하는 다수의 서브 연결모듈을 포함하는 건축용 모멘트 골조 시스템에 의해 달성된다.
상기 다수의 PC 컬럼에 의해 상기 다수의 PC 거더는 다층 구조를 가질 수 있으며, 상기 메인 연결모듈은 다층 구조를 갖는 상기 PC 거더들의 최상층 영역에서 십자가 형태로 배치되는 상기 PC 거더들의 중앙부에서 상기 PC 거더들과 상기 PC 컬럼을 교차되게 연결할 수 있다.
상기 메인 연결모듈은, 십자가 형태로 배치되는 상기 PC 거더들 쪽으로 미리 결정된 구간만큼 각각 연장되며, 해당 위치에서 상기 PC 거더들과 디본딩(debonding)되는 십자형 메인 강재; 및 상기 십자형 메인 강재와 상기 PC 컬럼에 일체로 체결되는 다수의 제1 체결부재를 포함할 수 있다.
상기 메인 연결모듈은, 상기 십자형 메인 강재와 상기 PC 컬럼에 일체로 배치되는 다수의 제1 기능성 철근을 더 포함할 수 있다.
상기 십자형 메인 강재는 H 형강으로 적용될 수 있다.
상기 다수의 제1 체결부재는 다수의 스터드 볼트(stud bolt)를 포함할 수 있다.
상기 다수의 제1 체결부재는 상기 다수의 스터드 볼트에 이웃한 위치에서 체결되는 다수의 앵커 볼트(anchor bolt)를 더 포함할 수 있다.
상기 서브 연결모듈은, 상기 PC 거더들 쪽으로 미리 결정된 구간만큼 각각 연장되며, 해당 위치에서 상기 PC 거더들과 디본딩(debonding)되는 서브 강재; 및 상기 서브 강재와 상기 PC 컬럼에 일체로 배치되는 다수의 제2 기능성 철근을 포함할 수 있다.
상기 서브 강재는 H 형강으로 적용될 수 있다.
상기 PC 거더들의 상부 영역으로 타설되는 탑핑 콘크리트(topping concrete)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 지하 구조물 적용 시 보의 높이를 최소화할 수 있어 층고 절감 효과에 따른 터파기 물량 또는 지하외벽 물량 등을 감소시킬 수 있음은 물론 동절기 공사가 가능할 뿐만 아니라 공기를 절감시킬 수 있으며, 자유롭게 슬래브 시스템을 구연할 수 있을 뿐만 아니라 유지보수가 용이하여 보수 공사비 절감 및 민원 발생의 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 모멘트 골조 시스템의 개략적인 평면 구조도이다.
도 2는 도 1의 측단면 구조도이다.
도 3은 도 2의 A 영역에 대한 확대도이다.
도 4는 도 3에서 메인 연결모듈 영역의 확대도이다.
도 5는 도 3에서 서브 연결모듈 영역의 확대도이다.
도 6 내지 도 13은 각각 도 3의 A-A선, B-B선, C-C선, D-D선, E-E선, F-F선, G-G선, H-H선에 따른 단면 구조도이다.
도 14 내지 도 16은 메인 연결모듈에 대한 위치별 구조도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 모멘트 골조 시스템의 개략적인 평면 구조도, 도 2는 도 1의 측단면 구조도, 도 3은 도 2의 A 영역에 대한 확대도, 도 4는 도 3에서 메인 연결모듈 영역의 확대도, 도 5는 도 3에서 서브 연결모듈 영역의 확대도, 도 6 내지 도 13은 각각 도 3의 A-A선, B-B선, C-C선, D-D선, E-E선, F-F선, G-G선, H-H선에 따른 단면 구조도, 그리고 도 14 내지 도 16은 메인 연결모듈에 대한 위치별 구조도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예의 건축용 모멘트 골조 시스템(100)은, 다수의 PC 거더(Prestressed Concrete Girder, 110), 다수의 PC 컬럼(Precast Concrete Column, 120), 다수의 메인 연결모듈(130), 그리고 다수의 서브 연결모듈(140)을 포함한다.
PC 거더(110)와 PC 컬럼(120)은 배치 위치와 그 길이만이 상이할 뿐 동일한 제품, 즉 스팬(span) 20m 정도의 빔(beam)일 수 있다.
PC 거더(110)와 PC 컬럼(120)에 대해 간략하게 살펴보면, PC 거더(110)와 PC 컬럼(120)은 긴장된 PS 강선에 의한 압축력과 고강도 콘크리트에 의한 고도의 강도를 갖는다. 동일한 강도의 RC나 철골 구조의 기둥, 보에 비해 단면적 감소를 이룰 수 있다. 또한 공장에서 금형 제작되어 증기 양생된 부재이므로 골재분리와 같은 하자 요인이 전혀 없으며, 설비 등에 일괄되게 적용할 수 있음은 물론 마감 처리가 불필요하고 균일한 벽체를 얻을 수 있다.
PC 거더(110)들은 가로 방향으로 배치되어 구조물의 각 층을 형성한다. 따라서 시공 후에 PC 거더(110)들의 상부 영역으로 탑핑 콘크리트(topping concrete, C)가 타설되어 실질적인 바닥을 형성한다.
PC 컬럼(120)은 PC 거더(110)에 대해 교차되는 방향으로 배치되어 전체 구조물의 축 방향 하중을 지지한다. 본 실시예의 경우, 다수의 PC 컬럼(120)에 의해 PC 거더(110)들은 다층 구조를 갖는다.
한편, 이들의 대부분은 공장 제작 후에 메인 연결모듈(130)과 서브 연결모듈(140)에 의해 연결될 수 있다.
때문에, 본 실시예처럼 건물의 지하 구조물 적용 시 보의 높이를 최소화할 수 있어 층고 절감 효과에 따른 터파기 물량 또는 지하외벽 물량 등을 감소시킬 수 있음은 물론 동절기 공사가 가능할 뿐만 아니라 공기를 절감시킬 수 있으며, 자유롭게 슬래브 시스템을 구연할 수 있을 뿐만 아니라 유지보수가 용이하여 보수 공사비 절감 및 민원 발생의 최소화할 수 있다.
다수의 메인 연결모듈(130) 모두는, 십자가 형태로 배치되는 PC 거더(110)들의 중앙부에서 PC 거더(110)들과 PC 컬럼(120)들을 교차되게 연결한다.
PC 거더(110)들과 PC 컬럼(120)들이 교차되는 부분은 다수 곳 존재하는데, 본 실시예의 메인 연결모듈(130)은 다층 구조를 갖는 PC 거더(110)들의 최상층 영역에서 십자가 형태로 배치되는 PC 거더(110)들의 중앙부에서 PC 거더(110)들과 PC 컬럼(120)을 교차되게 연결한다.
도 4, 그리고 도 14 내지 도 16을 참조하면, 메인 연결모듈(130)은, 십자가 형태로 배치되는 PC 거더(110)들 쪽으로 미리 결정된 구간만큼 각각 연장되며, 해당 위치에서 PC 거더(110)들과 디본딩(debonding)되는 십자형 메인 강재(131)와, 십자형 메인 강재(131)와 PC 컬럼(120)에 일체로 체결되는 다수의 제1 체결부재(132,133)와, 십자형 메인 강재(131)와 PC 컬럼(120)에 일체로 배치되는 다수의 제1 기능성 철근(134,135)을 포함한다.
본 실시예에서 십자형 메인 강재(131)는 H 형강으로 적용되며, 도 15에 도시된 바와 같이, 평면에서 볼 때 십자가 구조를 이룬다. 4개의 H 형강을 십자가 형태로 배치하여 용접함으로써 제작될 수 있다.
십자형 메인 강재(131)들은 도 4처럼 PC 거더(110)들 쪽으로 미리 결정된 구간만큼 각각 연장되며, 해당 위치에서 PC 거더(110)들과 디본딩될 수 있다.
다수의 제1 체결부재(132,133)는 십자형 메인 강재(131)와 PC 컬럼(120)에 일체로 체결될 수 있다.
본 실시예에서 다수의 제1 체결부재(132,133)는 다수의 스터드 볼트(stud bolt, 132)와 다수의 스터드 볼트(132)에 이웃한 위치에서 체결되는 다수의 앵커 볼트(anchor bolt, 133)를 포함한다.
다수의 제1 기능성 철근(134,135)은 해당 위치에서 전단력을 제공하기 위한 목적으로, 인장력을 제공하기 위한 목적으로, 혹은 균열을 방지시키기 위한 목적 등으로 사용될 수 있다.
마지막으로, 다수의 서브 연결모듈(140)은 메인 연결모듈(130)을 제외한 위치에서 PC 거더(110)들과 PC 컬럼(120)들을 교차되게 연결한다. 예를 들어, 도 1 및 도 2의 그림에서 메인 연결모듈(130)을 제외한 모든 교차 위치에 서브 연결모듈(140)이 적용된다. 서브 연결모듈(140)들은 PC 거더(110)들의 개수와 방향에 차이가 있을 뿐 대부분이 동일하다.
이러한 서브 연결모듈(140)은 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, PC 거더(110)들 쪽으로 미리 결정된 구간만큼 각각 연장되며, 해당 위치에서 PC 거더(110)들과 디본딩(debonding)되는 서브 강재(141)와, 서브 강재(141)와 PC 컬럼(120)에 일체로 배치되는 다수의 제2 기능성 철근(142,143,144)을 포함한다.
서브 강재(141) 역시, 십자형 메인 강재(131)와 마찬가지로 H 형강으로 적용될 수 있다.
그리고 다수의 제2 기능성 철근(142,143,144)은 해당 위치에서 전단력을 제공하기 위한 목적으로, 인장력을 제공하기 위한 목적으로, 혹은 균열을 방지시키기 위한 목적 등으로 사용될 수 있다.
도 6 내지 도 13은 각각 도 3의 A-A선, B-B선, C-C선, D-D선, E-E선, F-F선, G-G선, H-H선에 따른 단면 구조도인데, 이들 도면에 보이는 것처럼 본 실시예의 경우, 구조면에서 지하 구조물 적용 시 보의 높이를 최소화할 수 있어 층고 절감 효과에 따른 터파기 물량 또는 지하외벽 물량 등을 감소시킬 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 실시예의 건축용 모멘트 골조 시스템의 경우, 구조적으로 볼 때, 내구성이 우수하여 유지관리가 용이하며, 스팬(SPAN) 대비 작은 단면을 구현하기 위해 중앙부와 단부에 모두에 프리스트레스 방법 중 프리텐션 공법을 적용하여 정모멘트 발생 부분의 중앙부 단면에 대한 내력의 상승을 극대화한다.
참고로, 프리스트레싱(prestressing)의 기본 원리는 인장이 약한 부재에 미리 프리스트레스로 압축을 어느 정도 가해놓은 후에 하중이 가해지면 미리 가해진 압축만큼 힘을 더 받을 수 있는 원리이다. 대표적인 예로 교량을 들 수 있는데, 주로 하중의 크기가 정해져 있다면, 인장을 더 크게 받을 수 있는 장경간 교량이 프리스트레스로 인해 가능해진다. 그래서 일반 철근콘크리트 교량보다 프리스트레스 교량의 경간이 더 길다.
프리텐션 공법(pre-tensioning construction)이란 콘크리트에 프리스트레스를 주는 방법의 하나로서, PC 강재를 긴장한 상태에서 콘크리트를 타설하고, 콘크리트 경화 후에 PC강재와 콘크리트와의 부착에 의해 콘크리트에 프리스트레스를 주는 방법을 가리킨다.
본 실시예의 건축용 모멘트 골조 시스템에서 보 단부의 경우는 프리텐션에 의한 편심 모멘트가 발생되지 않도록 하며, 단부에 발생되는 휨 모멘트 및 전단력에 대해서는 철골과 콘크리트의 하이브리드 단면이 저항하도록 한다.
단부 내력 상승을 위해 보 단부에 철골이 매립되어 있고 기둥 내부에도 보와 접합을 위해 일부 철골이 매립되어야 하나 이는 불연속 단부에 위치하는 기둥에 한하며, 기둥으로 전달되는 휨 모멘트의 양이 작은 내부 기둥에도 P.C 기둥 상부에 메인 연결모듈(130)이나 서브 연결모듈(140)들을 적용함으로써 철골의 양을 최소화한다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 지하 구조물 적용 시 보의 높이를 최소화할 수 있어 층고 절감 효과에 따른 터파기 물량 또는 지하외벽 물량 등을 감소시킬 수 있음은 물론 동절기 공사가 가능할 뿐만 아니라 공기를 절감시킬 수 있으며, 자유롭게 슬래브 시스템을 구연할 수 있을 뿐만 아니라 유지보수가 용이하여 보수 공사비 절감 및 민원 발생의 최소화할 수 있게 된다.
본 실시예의 건축용 모멘트 골조 시스템은 아파트 지하 주차장, 오피스 및 아파트형 공정 건축물의 지하층, 대규모 백화점 및 할인점 지하층 등에 적용이 가능하다.
만약, 기둥(PC 컬럼)과 보(PC 거더)의 접합부 성능 향상 기술 개발 시 아파트형 공장 건축물 전체를 구현할 수도 있고, 철골조로 설계된 거의 모든 건축물에 V.E 기술로 적용 가능하다. 때문에 할인점 축조도 가능하며, 장팬스를 구성해야 하는 종교건축물 등에도 적용이 가능할 것이라 예상된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
110 : PC 거더 120 : PC 컬럼
130 : 메인 연결모듈 131 : 십자형 메인 강재
132 : 스터드 볼트 133 : 앵커 볼트
134,135 : 제1 기능성 철근 140 : 서브 연결모듈
141 : 서브 강재 142,143,144 : 제2 기능성 철근

Claims (10)

  1. 가로 방향으로 배치되는 다수의 PC 거더(Prestressed Concrete Girder); 세로 방향으로 배치되는 다수의 PC 컬럼(Precast Concrete Column); 십자가 형태로 배치되는 상기 PC 거더들의 중앙부에서 상기 PC 거더들과 상기 PC 컬럼들을 교차되게 연결하는 다수의 메인 연결모듈; 및 상기 메인 연결모듈을 제외한 위치에서 상기 PC 거더들과 상기 PC 컬럼들을 교차되게 연결하는 다수의 서브 연결모듈을 포함하며;
    상기 메인 연결모듈은,
    십자가 형태로 배치되는 상기 PC 거더들 쪽으로 미리 결정된 구간만큼 각각 연장되며, 해당 위치에서 상기 PC 거더들과 디본딩(debonding)되는 십자형 메인 강재;
    다수의 스터드 볼트(stud bolt)와 상기 다수의 스터드 볼트에 이웃한 위치에서 체결되는 다수의 앵커 볼트(anchor bolt)를 포함하여, 상기 십자형 메인 강재와 상기 PC 컬럼에 일체로 체결되는 다수의 제1 체결부재; 및
    상기 십자형 메인 강재와 상기 PC 컬럼에 일체로 배치되어, 전단력 및 인장력을 제공하고 균열을 방지하기 위한 다수의 제1 기능성 철근을 포함하는 건축용 모멘트 골조 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 PC 컬럼에 의해 상기 다수의 PC 거더는 다층 구조를 가지며,
    상기 메인 연결모듈은 다층 구조를 갖는 상기 PC 거더들의 최상층 영역에서 십자가 형태로 배치되는 상기 PC 거더들의 중앙부에서 상기 PC 거더들과 상기 PC 컬럼을 교차되게 연결하는 건축용 모멘트 골조 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 십자형 메인 강재는 H 형강으로 적용되는 건축용 모멘트 골조 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 서브 연결모듈은,
    상기 PC 거더들 쪽으로 미리 결정된 구간만큼 각각 연장되며, 해당 위치에서 상기 PC 거더들과 디본딩(debonding)되는 서브 강재; 및
    상기 서브 강재와 상기 PC 컬럼에 일체로 배치되는 다수의 제2 기능성 철근을 포함하는 건축용 모멘트 골조 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 서브 강재는 H 형강으로 적용되는 건축용 모멘트 골조 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 PC 거더들의 상부 영역으로 타설되는 탑핑 콘크리트(topping concrete)를 더 포함하는 건축용 모멘트 골조 시스템.
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