KR101403142B1 - 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새 - Google Patents

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KR101403142B1
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buckling
steel structure
coupled
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KR1020130041777A
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이원식
노광근
박노준
최성모
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(주)티섹구조엔지니어링기술사사무소
서울시립대학교 산학협력단
한국동서발전(주)
(주)희상리인포스
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Abstract

본 발명은 발전소 등의 기간시설물이나 플랜트 등의 철골구조물의 보강용 가새에 관한 것으로, H형강으로 형성된 심재를 둘러싸도록 보강재를 구성하여 인장만 받도록 하는 것이 아니라 압축시에도 좌굴이 일어나지 않도록 하여 인장 및 압축을 동시에 받을 수 있도록 한 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시 예는 철골 기둥과 보로 이루어지는 철골구조물을 보강하는 가새에 있어서, 중앙 웨브와 양단부에 수직으로 플랜지가 형성된 H형강으로 구성된 심재와; ㄴ자 단면을 갖는 지지부와, 지지부의 상단부에서 내측 직각으로 두 번 절곡되어 형성되는 고정부와, 지지부의 하단부에서 외측 직각으로 절곡되어 형성되는 결합부로 구성되며, 고정부가 심재 플랜지의 상단부에 끼워지고, 두 개가 마주보고 결합하여 결합부 끼리 상호 면접하여 결합되어 심재의 길이방향의 중앙부를 둘러싸도록 결합되는 보강재;로 구성된다.

Description

철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새{Buckling-Restrained Braces for steel structure}
본 발명은 발전소 등의 기간시설물이나 플랜트 등의 철골구조물의 보강용 가새에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 철골 기둥과 보로 이루어지는 철골구조물을 보강하는 가새에 있어서, H형강으로 형성된 심재를 둘러싸도록 일측면에만 결합부가 노출된 보강재를 결합 구성한 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새에 관한 것이다.
일반적으로 기간시설물이나 플랜트 등에서는 철골구조물이 많이 사용되어 왔으며, 기존 구조물 들을 당시 국가 설계(지진) 기준에서 요구하는 조건들에 맞도록 구조 설계가 이루어졌으나, 지속적 지진 연구를 통해 보다 강화되고 개선된 내진 설계기준은 기존 시설물에 대한 보강설계를 통한 보강구조를 설치하는 것으로 판정된다. 대부분 가새는 인장력을 받도록 설계되어 세장비가 크고, 압축력을 받을 때에는 탄성좌굴을 일으켜 가새의 역할을 하지 못하는 문제점이 있었다. 또한, 대부분 기간시설물이나 플랜트 등에서는 철골구조물에서는 가동중 보강작업을 해야 하기 때문에, 용접 작업이 가능하지 않은 문제점도 있었다.
본 발명의 배경이 되는 기술로는 특허등록 제0938978호 "비좌굴가새 및 이에 의한 비좌굴가새 유닛"(특허문헌 1)이 있다.
상기 배경기술에서는 도 6에서와 같이 중공튜브(50); 상기 중공튜브(50)의 중공으로 삽입되는 금속재 코어(60) 및; 상기 코어(60)의 외주면을 따라 등간격으로 고정되어 코어(60)와 함께 상기 중공튜브(50)에 삽입되고, 외주면이 중공튜브(50)의 내주면에 밀착되어 실질적으로 코어(60)를 중공튜브(50)에 지지시키며, 축력에 따른 중공튜브(50)의 변형시 중공튜브(50)의 내주면과 슬라이딩 마찰하는 복수개의 금속재 평판링(70);을 포함하는 비좌굴 가새를 제안한다.
그러나 상기 배경기술은 종래의 철골구조물에 많이 사용되는 H형강에 적용하기 어렵고, 별도로 금속재 코어(60)를 구성하는 등 그 구성이 복잡하고 제작이 어려운 문제점이 있었다.
특허등록 제0938978호 "비좌굴가새 및 이에 의한 비좌굴가새 유닛"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, H형강으로 형성된 심재를 둘러싸도록 결합부가 일측면에만 노출된 보강재를 구성하여 용접 등의 결합방법을 사용하지 않고 볼트결합으로 체결할 수 있어 전력 시설물 등 철골구조물의 가동중에도 매우 용이하게 시공할 수 있으며, 심재 웨브의 약축을 보강하고 심재의 단면을 확대하여 단면성능을 향상시켜, 인장만 받도록 하는 것이 아니라 압축시에도 좌굴이 일어나지 않도록 하여 지진과 같은 반복되는 하중에서도 안정적인 이력거동을 유도하여 철골구조물의 안정성을 증대시킬 수 있는 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 철골 기둥과 보로 이루어지는 철골구조물을 보강하는 가새에 있어서, 중앙 웨브와 양단부에 수직으로 플랜지가 형성된 H형강으로 구성된 심재와; ㄴ자 단면을 갖는 지지부와, 지지부의 상단부에서 내측 직각으로 두 번 절곡되어 형성되는 고정부와, 지지부의 하단부에서 외측 직각으로 절곡되어 형성되는 결합부로 구성되며, 고정부가 심재 플랜지의 상단부에 끼워지고, 두 개가 마주보고 결합하여 결합부끼리 상호 면접하여 결합되어 심재의 길이방향의 중앙부를 둘러싸도록 결합되는 보강재;로 구성되는 것을 특징으로 하는 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새를 제공하고자 한다.
또한, ㄷ 자 단면을 갖는 보강 앵글이 심재의 웨브의 상부면과 양측의 플랜지와 면접하도록 심재의 길이방향의 중앙부에 위치하고, 상단부가 보강재의 고정부의 내측에 인입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새를 제공하고자 한다.
또한, 단면이 사각형으로 형성되고 하부면이 단절되어 단절된 부분이 외부로 절곡되어 돌출된 형상의 결합부가 형성된 보강 밴드가, 심재와 결합된 보강재의 양단부의 외부면에 각각 결합구성되는 것을 특징으로 하는 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새를 제공하고자 한다.
또한, 상호 결합되는 보강재의 제 1결합부의 사이로 인입되어 단부가 심재의 웨브의 중앙부의 길이방향에 접하도록 구성되는 보조 보강부재가 추가로 구성되도록 할 수 있으며, 상기 보조 보강부재를 단면이 판재형, T형 및 H형 중 어느 하나로 구성할 수 있다.
또한, 보강재는 성형이 용이한 알루미늄으로 형성되도록 할 수 있다.
본 발명의 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새는 H형강으로 형성된 심재를 둘러싸도록 결합부가 일측면에만 노출된 보강재를 구성하여 용접 등의 결합방법을 사용하지 않고 볼트결합으로 체결할 수 있어 전력 시설물 등 철골구조물의 가동중에도 매우 용이하게 시공할 수 있으며, 심재 웨브의 약축을 보강하고 심재의 단면을 확대하여 단면성능을 향상시켜, 인장만 받도록 하는 것이 아니라 압축시에도 좌굴이 일어나지 않도록 하여 지진과 같은 반복되는 하중에서도 안정적인 이력거동을 유도하여 철골구조물의 안정성을 증대시킬 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새의 설치상태의 일실시 예를 도시한 도이다.
도 2는 상기 도 1의 A-A선을 따른 단면도이다.
도 3은 상기 도 1의 B-B선을 따른 단면도이다.
도 4는 상기 도 1의 C-C선을 따른 단면도이다.
도 5는 상기 도 3에서 보조 보강부재(500)가 구성된 다양한 실시 예의 단면도이다.
도 6은 종래의 실시 예에 의한 비좌굴가새의 사시도이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이하 바람직한 실시 예에 따라 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새의 설치상태의 일실시 예를 도시한 도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 비좌굴 가새(1)는 철골 기둥(2)과 보(3)로 이루어지는 철골구조물을 보강하는 가새로 사용된다.
일반적으로 발전소 등의 기간시설물이나 플랜트 등 철골구조물들을 보강하기 위해서는 노출되어 있지 않은 기둥이나 보를 직접 보강하기는 어렵기 때문에 가새를 이용하여 보강한다. 인장을 받는 가새가 반대로 지진시 압축력에 의해 압축을 받을 수 있으며, 플랜트 등의 구조물들은 핀접합되어 있기 때문에, 유일한 횡저항요소는 가새가 된다. 이때, 발전소 등의 철골구조물은 보강을 위하여 가동을 중지하고 보강을 하기 어렵고 가동중 보강하여야 하는데, 이때에는 가동중 시설물에 위험을 줄 수 있는 용접, 절삭 등의 작업이 불가능하여 가새 및 보강재가 모두 볼트 결합을 이용하여 시공되어야 한다.
그러나 가새는 인장력을 받도록 설계되어 세장비가 크고, 압축력을 받을 때에는 탄성좌굴을 일으켜 가새의 역할을 하지 못하는 문제점이 있었기 때문에 본 발명의 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새(1)에서는 심재(10)를 보강하도록 보강재(100)를 구성하여, 단면 2차 반경을 증가시켜 인장 가새에서의 압축 내력을 확보하도록 보강하여 비좌굴 가새를 형성하도록 하는 것이다.
한편, 상기와 같은 본 발명의 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새(1)는 다양한 방법에 의하여 양단부가 보(3)에 결합되거나, 기둥(2)과 보(3)의 중심에 결합될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 보(3)와 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새(1)의 사이에는 가새플레이트(4)가 각각 설치되고, 가새(1)와 가새플레이트(4)는 연결부재(5)에 의해 연결되도록 구성하였다.
도 2는 상기 도 1의 A-A선을 따른 단면도이고, 도 3은 상기 도 1의 B-B선을 따른 단면도이다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새(1)는 H형강으로 형성된 심재(10)와, 상기 심재(10)를 플랜지(12)의 양방향에서 상호 결합하여 외부를 감싸도록 구성되는 보강재(100)로 구성된다.
심재(10)는 수평으로 형성된 웨브(11)와 웨브(11)의 양단부에 평행하게 구성되는 플랜지(12)가 구성된 H형강을 사용하는데, H형강은 2개의 축방향을 갖도록 공장 제작되어 있으며, 이와 같은 H형강은 압축력 작용시 좌굴영향을 줄이기 위하여 일정 구간의 단면을 보강하여야 한다.
심재(10)와 보강재(100)는 직접 결합하는 면이 없도록 비부착되어 심재(10)의 좌굴에 대해서만 보강하도록 하는데, 단지 2개의 보강재(100)(100)의 상호결합에 의해서 보강재(100)가 심재(10)의 외부에 고정 결합되는 것이다.
보강재(100)는 ㄴ자 단면을 갖는 지지부(110)와, 지지부(100)의 상단부에서 내측 직각으로 두 번 절곡되어 형성되는 고정부(120)와, 지지부(110)의 하단부에서 외측 직각으로 절곡되어 형성되는 결합부(130)가 일체로 형성된다.
지지부(110)는 ㄴ자 단면을 갖도록 형성되어, 심재(10)와의 결합시 일측 내측면이 일측 플랜지(12)에 면접하고, 타측 내측면이 웨브(11)와 평행하게 위치하게 된다.
고정부(120)는 내측으로 두번 절곡되어 고리형상을 하고 있으며, 심재(10)와의 결합시에 고정부(120)가 플랜지(12)의 상단부에 끼워져 고정된다.
결합부(130)는 지지부(110)의 하단부에서 외측으로 절곡된 형상으로 구성되어, 보강재(100) 2개가 심재(10)의 플랜지(12)의 양측에서 서로 마주보고 결합되며, 이때, 마주보는 보강재(100)(100)의 결합부(130)(130)가 상호 면접하게 되고, 상호 면접한 결합부(130)(130)를 볼트(131)로 결합하게 된다.
이와 같이 결합부(130)는 지지부(110)의 하단부에서 외부로 절곡된 형상으로 형성되는 데, 이는 보강재(100)를 심재(10)의 양 플랜지 방향에서 결합하였을 때 접하는 보강재(100)(100) 상호 간의 맞닿는 면적을 넓혀 결합을 용이하도록 하고, 절곡된 형상으로 인하여 좌굴에 대한 강성을 증가시키며, H형강으로 구성된 심재(10)의 단면 2차반경을 증가시켜 약축을 보강하여 좌굴강도를 증가시키기 위해서이다. 이와 같이 구성하여 가새의 단면내력 만큼 압축저항력을 확보할 수 있게 된다.
결합부(130)에는 볼트(131) 결합을 위한 결합공이 통공되어 형성될 수 있다.
이와 같이 구성된 보강재(100)는 2개가 심재(10)의 플랜지(120)의 양측에서 서로 마주보고 결합되며, 이때, 마주보는 보강재(100)(100)의 결합부(130)(130)가 상호 면접하게 되고, 상호 면접한 결합부(130)(130)를 볼트(131)로 결합하게 된다.
이와 같이, 보강재(100)의 결합부(130)를 심재(10)의 일측면에만 구성하는 것은 발전소 등의 기간시설물이나 플랜트 등 철골구조물들을 보강하기 위해서는 타측면이 노출되어 있지 않은 경우, 일측면에만 결합부(130)가 노출되도록 하여 결합이 용이하도록 함과 동시에 타측면은 고정부(120)에 의하여 심재(10)에 고정되도록 하는 것이다.
상기와 같이 구성된 보강재(100)는 심재(10)의 양단부를 제외한 길이방향의 중심부에 결합구성된다.
상기와 같이 심재(10)에서 웨브(11)의 하단부에만 ㄴ자 단면을 갖는 지지부(110)의 일측면이 위치하도록 결합되어, 결합된 후에는 심재(10)의 상부는 개방된 상태가 된다. 이는 철골구조물의 내부에서 심재(10) 및 보강재(100)의 결합시에 결합을 용이하게 하기 위하여 결합부를 일측에만 구성한 것이다.
심재(10)는 압축력 작용시 좌굴영향을 줄이기 위하여 일정 구간의 단면을 보강하여야 하며, 보강시 기둥부재의 단면의 축에서 방향성을 고려하여 단면 2차 반경이 작게 나오는 쪽으로 보강을 한다. 즉, H형강의 경우 약축에 대한 보강을 하여야 한다. 이때, 심재(10) 웨브(11)의 하부는 웨브(11)의 하단부에만 ㄴ자 단면을 갖는 지지부(110)의 일측면이 위치하고 결합부(130)가 형성되어 약축이 보강되지만, 웨브(11)의 상부는 보강되지 않은 상태로 구성되기 때문에, 웨브(11)의 상부에도 ㄷ 자 단면을 갖는 보강 앵글(200)이 심재(10)의 웨브(11)의 상부면과 양측의 플랜지(12)와 면접하도록 끼워 구성하도록 하여 약축을 보강할 수 있다.
보강 앵글(200)의 고정은 보강 앵글(200)의 개구부가 상부를 향하도록 심재(10)의 웨브(11)의 상단부에 위치하도록 끼워지며, 보강 앵글(200)의 양측의 상단부가 심재(10)의 플랜지(12)의 상단부와 함께 보강재(100)의 고정부(120)의 내측에 인입되어 끼워져 고정되도록 한다.
도 4는 상기 도 1의 C-C선을 따른 단면도이다.
도 4에서와 같이, 심재(10)와 결합된 보강재(100)는 보강재(100)의 양단부의 외부면에 각각 보강 밴드(400)가 결합되도록 하여 전체적으로 구조적인 안정성을 갖게 하면서 보강재(100) 외의 부가적인 보강재의 역할을 할 수 있도록 한다.
보강 밴드(400)는 단면이 사각형으로 형성되고 하부면이 단절되어 단절된 부분이 외부로 절곡되어 돌출된 형상의 결합부(410)가 형성된다.
보강 밴드(400)는 보강재(100)의 외부면을 감싸는 형태로 결합되며, 그 결합은 보강재(100)의 결합부(130)와 결쳐서 볼트(131)로 결합하여, 보강재(100)와 일체로 거동하게 한다.
도 5는 상기 도 3에서 보조 보강부재가 구성된 다양한 실시 예의 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상호 결합되는 보강재(100)(100)의 결합부(130)(130)의 사이로 보조 보강부재(500)가 인입되어, 인입된 보조 보강부재(500)의 단부가 심재(10)의 웨브(11)의 중앙부의 길이방향에 접하도록 구성되도록 할 수 있다.
이와 같이, 보조 보강부재(500)를 구성하는 것은 심재(10)의 약축을 보강하기 위해서 구성되며, 보조 보강부재(500)는 심재(10)와 직접 결합되지 않고 접하도록 하여, 보조 보강부재(500)의 단부와 심재(10)의 웨브(11)에는 슬립이 일어나도록 한다.
보조 보강부재(500)의 결합은 상호 결합되는 보강재(100)(100)의 결합부(130)(130)의 볼트(131)를 이용하여 상호 결합시에, 보조 보강부재(500)도 같이 볼트(131)로 결합한다. 보조 보강부재(500)는 상호 결합되는 보강재(100)의 결합부(130)의 사이에 끼워져 구성되기 때문에, 상호 결합되는 보강재(100)의 결합부(130)의 상호 결합시에 보조 보강부재(500)도 같이 결합하도록 하여, 보강재(100)와 일체로 거동하도록 한다.
또한, 상기 보조 보강부재(500)는 단면이 판재형, T형, H형 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
도 5(a)와 같이, 보조 보강부재(500)가 판재형인 경우에는 심재(10)의 웨브(11)의 중앙부의 길이방향에 양단부 중 어느 한 부분이 접하도록 구성된다.
도 5(b)와 같이, 보조 보강부재(500)가 T형인 경우에는 웨브의 단부 부분이 심재(10)의 웨브의 중앙부의 길이방향에 접하도록 구성되거나, 플랜지가 심재(10)의 웨브(11)의 중앙부의 길이방향에 면접하도록 구성되도록 할 수 있다.
도 5(c)와 같이, 보조 보강부재(500)가 H형인 경우에는 심재(10)의 웨브(11)의 중앙부의 길이방향에 플랜지 부분이 접하도록 구성되도록 할 수 있다.
보강재(100)는 강재, FRP 등의 복합소재 등 다양한 재질로 구성될 수 있으나, 보강재(100)는 절곡되는 부분이 많기 때문에 재질 자체를 알루미늄으로 형성되도록 하여, 성형이 용이하도록 할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새는 H형강으로 형성된 심재를 둘러싸도록 결합부가 일측면에만 노출된 보강재를 구성하여 용접 등의 결합방법을 사용하지 않고 볼트결합으로 체결할 수 있어 전력 시설물 등 철골구조물의 가동중에도 매우 용이하게 시공할 수 있으며, 심재 웨브의 약축을 보강하고 심재의 단면을 확대하여 단면성능을 향상시켜, 인장만 받도록 하는 것이 아니라 압축시에도 좌굴이 일어나지 않도록 하여 지진과 같은 반복되는 하중에서도 안정적인 이력거동을 유도하여 철골구조물의 안정성을 증대시킬 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
1 : 비좌굴 가새
2 : 기둥
3 : 보
4 : 가새플레이트
5 : 연결부재
10 : 심재
100 : 보강재
110 : 지지부
120 : 고정부
130 : 결합부
131 : 볼트
200 : 보강 앵글
400 : 보강 밴드
500 : 보조 보강부재

Claims (6)

  1. 철골 기둥(2)과 보(3)로 이루어지는 철골구조물을 보강하는 가새에 있어서,
    중앙 웨브(11)와 양단부에 수직으로 플랜지(12)가 형성된 H형강으로 구성된 심재(10)와;
    ㄴ자 단면을 갖는 지지부(110)와, 지지부(110)의 상단부에서 내측 직각으로 두 번 절곡되어 형성되는 고정부(120)와, 지지부(110)의 하단부에서 외측 직각으로 절곡되어 형성되는 결합부(130)로 구성되며, 고정부(120)가 심재(10) 플랜지(12)의 상단부에 끼워지고, 두 개가 마주보고 결합하여 결합부(130) 끼리 상호 면접하여 결합되어 심재(10)의 길이방향의 중앙부를 둘러싸도록 결합되는 보강재(100)와;
    상호 결합되는 보강재(100)의 결합부(130)의 사이로 인입되어 단부가 심재(10)의 웨브의 중앙부의 길이방향에 접하도록 구성되는 보조 보강부재(500); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새.
  2. 청구항 1에 있어서,
    ㄷ 자 단면을 갖는 보강 앵글(200)이 심재(10)의 웨브(11)의 상부면과 양측의 플랜지(12)와 면접하도록 심재(10)의 길이방향의 중앙부에 위치하고, 상단부가 보강재(100)의 고정부(120)의 내측에 인입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    단면이 사각형으로 형성되고 하부면이 단절되어 단절된 부분이 외부로 절곡되어 돌출된 형상의 결합부(130)가 형성된 보강 밴드(400)가, 심재(10)와 결합된 보강재(100)의 양단부의 외부면에 각각 결합구성되는 것을 특징으로 하는 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 보강부재(500)는 단면이 판재형, T형 및 H형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새.
  6. 청구항 1에 있어서,
    보강재(100)는 알루미늄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 철골구조물 내진 보강용 비좌굴 가새.
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