KR101415253B1

KR101415253B1 - Ｓｒｃ 기둥용 중공 ｐｃ합성기둥 및 이를 이용한 ｓｒｃ구조

Info

Publication number: KR101415253B1
Application number: KR1020120087434A
Authority: KR
Inventors: 김창수; 박홍근
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2014-07-04
Also published as: KR20140021277A

Abstract

본 발명은 강-콘크리트의 최적합성을 통해 단면성능을 극대화하면서도 현장작업을 간소화할 수 있도록 SRC기둥을 부분적으로 PC화한 중공 PC합성기둥과 그 중공 PC합성기둥을 바람직하게 이용한 SRC구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 SRC기둥용 중공 PC합성기둥은 철골과 철근콘크리트가 합성된 중공 PC합성기둥으로, 기둥 단면으로 서로 이격하게 수직 배치된 복수개의 형강재; 상기 형강재 중간에서 복수개의 형강재 상호 간을 연결하도록 형강재에 접합 설치된 띠판; 상기 형강재 외측에서 복수개의 형강재를 횡방향으로 둘러 감는 띠철근; 상기 형강재, 띠판 및 띠철근이 조립된 선조립단면 외측에서 선조립단면을 피복하면서 일체로 PC화된 피복콘크리트;를 포함하여 구성되어 형강재 내측면이 노출되게 하면서 형강재 내측으로 중공부가 형성되는 것을 특징으로 한다. 여기서 형강재 외측면에 접합 설치되어 피복콘크리트에 매설되는 스터드;가 더 포함될 수 있다. 나아가 형강재는 ㄱ형강으로 마련되어 사각 기둥 단면의 모서리에 배치되거나, 띠철근은 나선철근으로 마련되거나, 피복콘크리트의 조기압괴를 방지하도록 피복콘크리트는 변형능력이 우수한 강섬유보강 콘크리트(SFRC)로 형성될 수 있다. 이와 같은 중공 PC합성기둥은 가운데 중공부에 심부콘크리트가 채워짐으로써 SRC기둥으로 완성된다.

Description

ＳＲＣ 기둥용 중공 ＰＣ합성기둥 및 이를 이용한 ＳＲＣ구조{Hollow Core PC Composite Column for SRC Columns and SRC Structures Using the Same}

본 발명은 강-콘크리트의 최적합성을 통해 단면성능을 극대화하면서도 현장작업을 간소화할 수 있도록 SRC기둥을 부분적으로 PC화한 중공 PC합성기둥과 그 중공 PC합성기둥을 바람직하게 이용한 SRC구조에 관한 것이다.

합성기둥은 강재와 콘크리트의 합성효과를 통해 단면의 성능을 극대화한 기둥으로서, 높은 성능(강도, 강성, 연성)이 요구되는 초고층 및 대형구조물의 기둥에 널리 이용된다. 이러한 합성기둥에는 콘크리트가 강재를 둘러싸는 형태의 매입형 합성기둥(Steel Reinforced Concrete, 이하 SRC기둥)이 대표적인데, 도 1은 종래 SRC기둥의 다양한 단면형태이다.

도 1(a)는 SRC기둥 중 H형강 매입형 합성기둥에 해당하는데, 보는 바와 같이 단면 중심에 H형강을 배치하고 철근콘크리트로 둘러싸는 형태이다. 강도, 강성, 연성 등의 증대뿐만 아니라 피복을 목적으로 H형강 외부에 단순히 철근콘크리트를 합성한 고전적인 형태의 SRC기둥이다. 이러한 H형강 매입형 합성기둥은 약축에 대한 휨성능이 크게 떨어지고, 강재단면의 대부분이 기둥 중앙부에 있어 휨과 축력을 동시에 받는 기둥의 경우 단면적 대비 휨모멘트 성능이 떨어지는 단점이 있다. 또한 600MPa 이상의 고강도강재를 사용하는 경우에는 콘크리트가 강재 외부에 위치하므로 콘크리트 피복에 더 높은 변형이 발생하며(콘크리트의 극한압축변형률은 강도와 크게 관계없이 최대 0.003정도), 이로 인해 강재항복 전에 피복콘크리트의 조기 압괴가 발생하여 강재의 항복강도 활용이 어려울 수 있다. 또한 종래의 매입형 합성기둥은 현장에서의 철근배근과 거푸집설치가 요구된다.

도 1(b)는 SRC기둥 중 부분매입형 합성기둥으로, 강재플랜지가 합성단면의 외곽에 배치되고, 플랜지와 웨브 사이를 콘크리트로 채우는 형태이다. 일반적으로 강재의 국부좌굴을 지연시키기 위하여 플랜지간 링크철근을 일정간격으로 용접설치하며, 경우에 따라서는 띠철근과 주철근을 설치하기도 한다. 이러한 SRC기둥은 강재가 콘크리트 외부에 배치되므로 강재의 선항복이 가능하고 강재의 모멘트팔길이 증가로 인하여 동일단면적 대비 휨성능이 증가하지만, 역시 약축에 대한 휨성능이 떨어지고, 링크철근의 국부좌굴 지연효과가 그리 크지 않아 큰 연성능력을 보이지는 못하며, 또한 노출된 강재플랜지에 내화피복이 요구되는 단점이 있다.

도 1(c)는 SRC기둥 중 ㄱ형강 매입형 합성기둥으로, 종래의 H형강 매입형 합성단면에서 벗어나 SRC합성단면에 특화된 형태이다. 최소 피복만을 확보한 후 ㄱ형강 또는 강재앵글을 단면의 네 모서리에 대칭으로 배치하고, 띠판, 띠철근, 래티스 등(도 1(c)에서 점선으로 표현)을 이용하여 강재앵글들을 서로 일체화시키는 형태이다. 강재 단면이 모서리에 집중 배치되므로 모멘트팔길이 증가 및 변형량 증가로 인하여 동일단면적 대비 강재기여도가 증가하고 강재의 응력활용이 극대화되며, 또한 대칭배치에 따라 강축 및 약축의 성능이 동일하다. 뿐만 아니라 응력집중으로 인하여 콘크리트가 가장 취약한 모서리에서 강재앵글이 심부콘크리트에 강력한 횡구속력을 제공하기 때문에, 피복콘크리트의 박탈 이후에도 기둥의 하중저항능력과 변형능력이 확보된다. 그러나 강재앵글이 축력을 받으므로 국부좌굴 이후에는 심부콘크리트에 대한 횡구속력이 급격히 상실될 수 있다. 또한 현장에서의 거푸집작업이 여전히 요구되며, 강재와 철근의 선조립공법이 많이 이용되지만 경우에 따라서는 현장 철근보강도 필요하다.

본 발명은 종래 SRC기둥의 구조적인 문제와 현장 시공문제를 동시에 개선하고자 개발된 것으로서, 강-콘크리트의 최적합성을 통해 단면성능을 극대화하면서도 현장작업을 간소화할 수 있도록 SRC기둥을 부분적으로 PC화한 중공 PC합성기둥과 그 중공 PC합성기둥을 이용한 SRC구조를 제공하는데 기술적 과제가 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 철골과 철근콘크리트가 합성된 중공 PC합성기둥으로, 기둥 단면으로 서로 이격하게 수직 배치된 복수개의 형강재; 상기 형강재 중간에서 복수개의 형강재 상호 간을 연결하도록 형강재에 접합 설치된 띠판; 상기 형강재 외측에서 복수개의 형강재를 횡방향으로 둘러 감는 띠철근; 상기 형강재, 띠판 및 띠철근이 조립된 선조립단면 외측에서 선조립단면을 피복하면서 일체로 PC화된 피복콘크리트;를 포함하여 구성되어 형강재 내측면이 노출되게 하면서 형강재 내측으로 중공부가 형성되는 것을 특징으로 하는 중공 PC합성기둥을 제공한다. 여기서 형강재 외측면에 접합 설치되어 피복콘크리트에 매설되는 스터드;가 더 포함될 수 있다. 나아가 형강재는 ㄱ형강으로 마련되어 사각 기둥 단면의 모서리에 배치되거나, 띠철근은 나선철근으로 마련되거나, 피복콘크리트의 조기압괴를 방지하도록 피복콘크리트는 변형능력이 우수한 강섬유보강 콘크리트(SFRC)로 형성될 수 있다.

또한 본 발명은 상기한 중공 PC합성기둥; 중공 PC합성기둥의 중공부에 채워지는 심부콘크리트;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중공 PC합성기둥에 의한 SRC구조를 제공한다. 여기서 중공 PC합성기둥은 형강재가 피복콘크리트 위로 더 돌출되게 마련되어 중공 PC합성기둥의 피복콘크리트 위로 돌출된 형강재가 보와 일체화 시공될 수 있고, 심부콘크리트는 고강도 콘크리트로 채워질 수 있다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, SRC기둥의 부분 PC화를 통해 중공 PC합성기둥을 제공하기 때문에 SRC기둥 공사에서 현장 철근배근과 거푸집 설치공정을 생략할 수 있어 전반적으로 시공성을 향상시킬 수 있다.

둘째, SRC기둥에서 단면의 외부에 강재 단면이 집중 배치되는 단면구조로 완성하기 때문에, 높은 강성을 가진 강재의 모멘트팔길이 증가로 인하여 단면 휨성능을 크게 증가시킬 수 있으며, 또한 휨과 축력을 동시에 받는 단면일 경우 강재의 변형이 증가하여 강재의 강도를 충분히 활용할 수 있다. 특히 사각 단면의 SRC기둥으로 완성하는 경우에는 ㄱ형강이 네 모서리에 대칭 배치되는 형태로 완성되기 때문에 동일 단면적 대비 뛰어난 2축 휨성능을 발휘하게 된다. 이와 같이 강재의 동일 단면적 대비 성능을 증가시킬 수 있어 주철근을 생략하면서 강재량 절감을 도모할 수 있다.

셋째, SRC기둥의 단면 외곽을 PC화하여 중공 PC합성기둥으로 선제작하여 시공하기 때문에 중공 PC합성기둥의 중공부를 통해 보-기둥 접합부를 용이하게 일체화 시공할 수 있으며, 또한 RC구조, 강구조, 합성구조에 모두에 적용할 수 있다.

도 1은 종래 합성기둥의 다양한 단면이다.
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 중공 PC합성기둥의 단면도와 사시도이다.
도 3은 도 2a의 중공 PC합성기둥의 제작과정에 대한 순서도이다.
도 4는 도 2a의 중공 PC합성기둥에 심부콘크리트를 채워 완성한 SRC기둥의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 SRC구조에서 SRC기둥과 보의 접합부이다.

이하 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 SRC기둥용 중공 PC합성기둥(100)의 단면도와 사시도이다. 보는 바와 같이 본 발명에 따른 SRC기둥용 중공 PC합성기둥(100)은 중앙에 중공부(100a)가 형성되도록 철골과 철근콘크리트가 합성된 PC기둥이다.

구체적으로 본 발명에 따른 SRC기둥용 중공 PC합성기둥(100)은, 기둥 단면으로 서로 이격하게 수직 배치된 복수개의 형강재(110); 상기 형강재 중간에서 복수개의 형강재(110) 상호 간을 연결하도록 형강재(110)에 접합 설치된 띠판(120); 상기 형강재(110) 외측에서 복수개의 형강재(110)를 횡방향으로 둘러 감는 띠철근(130); 상기 형강재(110), 띠판(120) 및 띠철근(130)이 조립된 선조립단면 외측에서 선조립단면을 피복하면서 일체로 PC화된 피복콘크리트(140);를 포함하여 구성되어, 형강재(110) 내측면이 노출되게 하면서 형강재(110) 내측으로 중공부(100a)가 형성된다. SRC기둥에서 철골을 단면 외곽으로 배치하면서 철골을 경계로 단면 외곽부분을 PC화하여 중공 기둥으로 완성한 것이다.

SRC기둥용 중공 PC합성기둥(100)에서 형강재(110)는 휨과 축력을 동시에 저항하는 구조재가 되는데, SRC기둥의 단면 외곽에 위치하기 때문에 강도활용이 극대화된다. 이에 따라 본 발명에서는 주철근을 생략할 수 있다. 도 2a와 도 2b에서는 사각 단면의 SRC기둥을 고려하여 사각 단면의 중공 PC합성기둥(100)을 예시하고 있는데, 그 결과 ㄱ형강에 의한 형강재(110)가 사각의 네 모서리에 배치되고 있다. ㄱ형강의 모서리 배치는 동일단면적 대비 양방향 휨성능을 극대화할 수 있어 가장 이상적이다. 한편 형강재(110) 외측면에는 스터드(150)가 더 접합 설치될 수 있는데, 스터드(150)는 형강재(110)와 피복콘크리트(140)의 부착성능을 확보하기 위함이다. 스터드(150)는 형강재(110)에 일정간격으로 용접설치하며, 그 위치와 간격은 최소로 필요한 수준에서 결정한다.

서로 이격 배치된 형강재(110)는 띠판(120)을 이용하여 용접 연결한다. 띠판(120)은 형강재(110) 상호 간을 일체화시키며 전단력을 전달한다. 형강재(110)의 국부좌굴은 띠철근(130)이 주로 방지하므로 띠판(120)은 형강재(110) 상호 간의 일체성 확보와 전단력 전달에 필요한 최소개수만 설치하면 충분하며, 가령 형강재(110)의 상중하 3곳 정도에만 설치하면 적당하다. 이와 같은 띠판(120)은 형강재(110) 내·외측 어느 쪽에도 설치 가능하다. 형강재(110) 외측에 띠판(140)을 설치한다면 용접작업이 용이하지만 피복콘크리트(130)의 최대골재치수가 고려되어야 하며, 내측에 설치한다면 용접작업이 다소 불편하지만 중공 PC합성기둥(100)의 제작과정에서 내부거푸집(IF)과 PC부의 접촉면적을 줄여 내부거푸집(IF)의 용이한 제거가 가능하다.

띠철근(130)은 형강재(110)를 둘러 감도록 설치되어 형강재(110)를 횡구속하며, 이에 따라 형강재(110)의 국부좌굴을 억제하는 역할을 한다. 또한 띠철근(130)은 중공 PC합성기둥(100) 내부에 채워진 심부콘크리트(200)에 강력한 횡구속력을 제공한다. 띠철근(130)은 기둥 전길이에 걸쳐 설치하며, 여러 형태와 직경의 이형철근을 적절히 선택하여 높은 구속효과와 부착능력을 발휘되게 한다. 특히 띠철근(130)으로는 나선철근을 채용하는 것이 바람직한데, 나선철근은 연속성 확보로 전단력 저항에 유리하며, 또한 공장에서 제작된 후 압착묶음으로 공급되기 때문에 형강재(110) 상부에 점용접(tag 또는 spot welding)한 후 묶음을 풀면 일정간격을 유지한 채 자동으로 아래로 펼쳐지므로 그 설치가 매우 용이하다. 도 2b에서는 사각 단면의 중공 PC합성기둥(100) 완성을 위해 ㄱ형강에 의한 형강재(110) 둘레를 각형 나선철근에 의한 띠철근(130)으로 둘러 감고 있다.

피복콘크리트(140)는 상기 형강재(110), 띠판(120) 및 띠철근(130)이 조립된 선조립단면 외측에 피복하여 형성되는 콘크리트 부분으로, 형강재(110), 띠판(120) 및 띠철근(130)을 일체화하여 PC화한다. PC화를 통해 현장에서의 거푸집작업을 없애고, 또한 형강재(110)와 띠철근(130)의 내화나 부식방지용으로 역할하는 것이다. 피복콘크리트(140)는 강섬유보강 콘크리트(SFRC)로 이용하는 것이 바람직한데, 우수한 변형능력을 가진 SFRC를 이용하면 제작·운반·설치시 피복콘크리트(140)의 손상을 최소화할 수 있고, 또한 피복콘크리트(140)의 조기 압괴를 방지하여 형강재(110)의 충분한 응력활용이 가능하기 때문이다. 한편 피복콘크리트(140)는 강도기여도가 그리 크지 않으므로 굳이 고강도콘크리트를 이용할 필요는 없으며, 오히려 강섬유의 혼입 자체와 이에 따른 성능증대가 제한적인 고강도 크리트보다는 비교적 낮은 혼입률로도 높은 연성능력을 확보할 수 있는 저강도콘크리트가 더욱 바람직하다.

도 3은 도 2a의 중공 PC합성기둥(100)의 제작과정에 대한 순서도이다. 보는 바와 같이 중공 PC합성기둥(100)은 내·외부거푸집(IF, OF)을 이용하면서 제작한다. 우선 형강재(110)와 띠판(120)을 이용하여 폐쇄구조의 조립강재 단면을 제작하고, 띠철근(130)을 조립강재 단면 외측에서 둘러싼 후, 스터드(150)를 일정간격으로 설치한다. 이후 내측면에 내부거푸집(IF)을 접하게 설치하고 외측면에 외부거푸집(OF)을 이격 설치한 후, 세운 상태에 피복콘크리트(140)를 중력 타설하여 제작한다. 외부거푸집(OF)은 피복콘크리트(140)의 측압에 견딜 수 있어야 하며, 내부거푸집(IF)은 박리에 용이하도록 하여야 한다. 다만 본 발명의 중공 PC합성기둥(100)은 피복콘크리트(140)가 최소의 두께로 바람직하게 제안되기 때문에 외부거푸집(OF)에 작용하는 콘크리트 측압은 그리 크지 않을 것으로 예상되며, 한편으로 형강재(110), 띠판(120), 띠철근(130) 등으로 인하여 피복콘크리트(140)와 내부거푸집(IF) 사이에 약축면 또는 부분 불연속면이 발생하여 내부거푸집(IF) 또한 쉽게 박리 가능할 것으로 예상된다.

도 4는 도 2a의 중공 PC합성기둥(100)을 이용하여 완성한 SRC기둥의 단면도이다. 보는 바와 같이 중공 PC합성기둥의 중공부(100a)에 현장에서 심부콘크리트(200)를 채우기만 하면 SRC기둥으로 완성된다. 형강재(110)와 띠판(120)에 의한 조립강재 단면과 띠철근(130), 그리고 이들을 일체화하여 PC화한 피복콘크리트(140)로 구성된 중공 PC합성기둥(100)이 심부콘크리트(200)의 측압에 대하여 강력한 강성을 제공하므로 별도의 거푸집이 필요 없고, 또한 중공부(100a)에 복잡한 철근배근이 없으므로 심부콘크리트(200)의 타설도 용이하다. 이와 같이 중공 PC합성기둥(100)을 이용한 SRC기둥은 현장에서의 철근배근작업과 거푸집공사가 생략되므로 공기 단축은 물론 공사비 절감이 가능하며, 더불어 공장제작에 의해 일정 품질이 확보된 중공 PC합성기둥(100)을 이용하므로 SRC기둥의 내구성도 높일 수 있다.

완성된 SRC기둥의 심부콘크리트(200)는 중공 PC합성기둥에 의해 횡구속된다. 특히 띠철근(120)은 심부콘크리트(200)에 강력한 횡구속력을 제공할 뿐만 아니라 형강재(110)의 국부좌굴도 방지해 주므로, 띠판(140)으로 용접연결되어 네 모서리에 배치된 형강재(110) 역시 심부콘크리트(200)의 횡구속에 기여한다. 횡구속된 심부콘크리트(200)는 강도와 연성이 증가하므로 그에 따라 완성된 SRC기둥의 단면성능도 증가한다.

한편 전체 SRC기둥의 강도 및 강성을 보강하기 위해서 심부콘크리트(200)는 고강도콘크리트가 바람직하다. 특히 형강재(110)와 띠판(120) 및 띠철근(130)으로 이루어진 중공 PC합성기둥(100)의 선조립 단면은 심부콘크리트(200)에 강력한 횡구속을 제공하므로, 고강도콘크리트의 높은 취성도 극복가능하다.

도 5는 본 발명에 따른 SRC구조에서 SRC기둥과 보의 접합부이다. 도 5에서는 형강재(110)가 피복콘크리트(140) 위로 더 돌출되게 제작된 중공 PC합성기둥(100)을 확인할 수 있는데, 이러한 중공 PC합성기둥(100)은 돌출된 형강재(110)를 이용하면서 쉽게 양중할 수 있다는 장점이 있고, 또한 보와의 일체화 시공에도 유리하다. 여기서 보와의 일체화 시공은 돌출된 형강재(110) 사이에 보를 관통 시공하는 것으로 실현된다. 즉 RC보 또는 PC보의 휨철근이나 강재보를 돌출된 형강재(110) 사이로 관통 설치하고 중공 PC합성기둥(100)의 중공부(100a)에 타설하는 심부콘크리트(200)를 접합부에도 타설하여 일체화 시공하는 것이다. 특히 PC보와 강재보의 경우에는 중공 PC합성기둥의 피복콘크리트(140) 위에 거치하면서 시공할 수 있다.

이상에서 본 발명은 구체적인 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환, 부가 및 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

100: 중공 PC합성기둥
100a: 중공부
110: 형강재
120: 띠판
130: 띠철근
140: 피복콘크리트
150: 스터드
200: 심부콘크리트
IF: 내부거푸집
OF: 외부거푸집

Claims

철골과 철근콘크리트가 합성된 중공 PC합성기둥으로,
기둥 단면으로 서로 이격하게 수직 배치된 복수개의 형강재(110);
상기 형강재(110) 중간에서 복수개의 형강재(110) 상호 간을 연결하도록 형강재(110)에 접합 설치된 띠판(120);
상기 형강재(110) 외측에서 복수개의 형강재(110)를 횡방향으로 둘러 감는 띠철근(130);
상기 형강재(110), 띠판(120) 및 띠철근(130)이 조립된 선조립단면 외측에서 선조립단면을 피복하면서 일체로 PC화된 피복콘크리트(140);
를 포함하여 구성되어 형강재(110) 내측면이 노출되게 하면서 형강재(110) 내측으로 중공부(100a)가 형성되는 것을 특징으로 하는 중공 PC합성기둥(100).
제1항에서,
상기 형강재(110) 외측면에 접합 설치되어 피복콘크리트(140)에 매설되는 스터드(150);
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중공 PC합성기둥(100).
제1항 또는 제2항에서,
상기 형강재(110)는 ㄱ형강으로 마련되어 사각 기둥 단면의 모서리에 배치되거나, 상기 띠철근(130)은 나선철근으로 마련되거나, 상기 피복콘크리트(140)는 강섬유보강 콘크리트(SFRC)로 마련되는 것을 특징으로 하는 중공 PC합성기둥(100).
제1항 또는 제2항에 따른 중공 PC합성기둥(100);
상기 중공 PC합성기둥의 중공부(100a)에 채워지는 심부콘크리트(200);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중공 PC합성기둥에 의한 SRC구조.
제4항에서,
상기 중공 PC합성기둥(100)은, 형강재(110)가 피복콘크리트(140) 위로 더 돌출되게 마련되며,
상기 중공 PC합성기둥(100)의 피복콘크리트(140) 위로 시공되어 돌출된 형강재(110)와 일체화되는 보;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중공 PC합성기둥에 의한 SRC구조.
제4항에서,
상기 중공 PC합성기둥(100)은, 형강재(110)가 ㄱ형강으로 마련되어 사각 기둥 단면의 모서리에 배치되거나, 띠철근(130)이 나선철근으로 마련되거나, 피복콘크리트(140)가 강섬유보강 콘크리트(SFRC)로 형성되는 것이며,
상기 심부콘크리트(200)는, 고강도콘크리트로 채워지는 것을 중공 PC합성기둥에 의한 SRC구조.