KR101448156B1 - 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강재와 콘크리트의 합성부재용 선조립 철골조를 제작할 때, 볼트 접합으로 다수의 형강을 선조립 단일부재로 이용할 수 있도록 일체화함과 동시에 강재와 콘크리트 사이에 전단합성작용이 가능하도록 한 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조에 대한 것이다.
본 발명의 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조는 기둥 또는 보로 사용되는 강-콘크리트 합성부재에 설치되는 것으로, 상기 부재의 각 모서리에 부재면과 일정 간격 이격되도록 배치되는 복수의 ㄱ형강; 및 인접하는 ㄱ형강을 상호 연결하도록 양단이 인접하는 ㄱ형강에 볼트 및 너트로 결합되는 플레이트 형상의 래티스재; 로 구성되되, 상기 래티스재는 ㄱ형강의 부재 내측 면에 결합되는 것을 특징으로 한다.

Description

강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조{Prefabricated steel frame for composite member of steel and concrete}
본 발명은 강재와 콘크리트의 합성부재용 선조립 철골조를 제작할 때, 볼트 접합으로 다수의 형강을 선조립 단일부재로 이용할 수 있도록 일체화함과 동시에 강재와 콘크리트 사이에 전단합성작용이 가능하도록 한 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조에 대한 것이다.
강-콘크리트 합성부재는 강재와 콘크리트를 합성하여 기둥 또는 보 등의 구조부재 내에서 강재와 콘크리트의 강도를 모두 발현할 수 있도록 한 것이다.
종래 대표적인 강-콘크리트 합성부재는 I 또는 H 형강 표면에 스터드 등의 전단연결재(shear connector)를 용접 부착한 다음 콘크리트를 타설한 것으로, 외력에 대하여 구조체의 거동을 일체화시켜 높은 강도 성능을 발현할 수 있도록 하였다.
최근에는 전단연결재를 사용하는 합성부재 이외에도 띠철근 또는 래티스 형태의 철근을 ㄱ 또는 ㄷ형강 표면에 공장 용접한 다음, 현장에서 콘크리트를 타설할 수 있도록 한 선조립 합성부재가 종종 사용되고 있다(공개특허 특2001-0005431, 등록특허 제10-1274999호).
상기 선행기술들을 이용하는 경우 공기단축 및 시공성 향상 등의 효과를 얻을 수 있다. 그러나 상기 선행기술들은 띠철근 또는 래티스부재를 ㄱ형강 등에 용접 결합하기 때문에 종래 합성부재에 비하여 용접 부위가 증가하고, 고탄소강 철근의 경우 화학적으로 용접에 취약하여 용접 부위에 대한 신뢰성 확보가 더욱 요구되는 문제점이 존재한다.
즉, 전단연결재로 스터드를 사용한 종래 합성부재나 띠철근 또는 래티스 형태의 철근을 사용한 선조립 합성부재 모두 강재와 콘크리트 사이의 전단연결 대부분을 용접 기술에 의존하여 제품을 만들어왔다고 할 수 있다. 그리고 이는 곧 생산자 및 구조 설계자에게 다음과 같은 경제적, 기술적 문제점을 유발한다.
우선, 경제적으로는 생산자로 하여금 용접 작업량의 증가로 인한 고비용의 용접 기술자 확보 및 고용 문제, 막대한 용접량에 따른 작업 지연 등의 공기 문제, 용접시 고열 용접재 사용에 따른 형강의 열 변형 등으로 인한 제품의 치수 오차 등 품질 저하에 따른 보수 및 보강 등의 문제가 발생한다.
그리고 기술적으로는 용접자의 기술 숙련도에 따라 용접부의 품질 편차가 크기 때문에 용접부 균열 등에 따른 강도의 신뢰성 확보가 어렵고, 용접 때 발생하는 높은 고열로 인하여 열에 취약한 강재의 강도 발현에 부정적인 영향이 발생한다. 실제로 종래 합성부재 및 선조립 합성부재의 경우, 기둥 압축 등의 구조실험에서 용접부 파괴에 따른 설계 강도 미만의 강도 발현 및 조기 강도 저하가 빈번히 보고되고 있는 실정이다.
뿐만 아니라, 형강으로 사용하는 강재가 고강도화될수록 용접 기술에 의한 문제점은 더욱 부각된다. 최근 강재의 고강도화에 따라 종래 500MPa 이하의 SM(Structural Material) 계열 일반강에 비하여 강도 성능이 향상된 HS(High Performance Steel) 계열 800MPa급 강재가 KS 기준에 등록되는 등 합성구조부재로서의 활용이 기대되고 있다. 그러나 모재가 지니는 800MPa급 응력을 견딜 수 있는 신뢰성 있는 용접재가 아직 상용화되지 않았고, 탄소의 함량이 높아진 고강도 강재의 고품질 용접 접합부 확보를 위해서는 더욱 엄격한 용접부 열관리 및 고임금의 숙련공이 요구되는 문제점이 존재한다.
아울러 종래 띠철근 또는 래티스부재가 형강 외측에 위치하는 경우에는 부재의 피복 두께 확보에 불리하였으며, 강재와 콘크리트의 합성 작용을 기대하기 위하여 전단연결재를 별도로 시공하여야 하는 번거로운 공정이 수반되었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 용접 기술이 수반되는 종래 전단연결재를 부착하는 합성부재 내지 띠철근 또는 래티스 형태의 철근을 부착하는 선조립 합성부재와 달리, 용접 기술에 의존하지 않고 강재를 선조립 단일부재로 이용할 수 있으면서 강재와 콘크리트 사이의 합성 거동을 기대할 수 있는 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조를 제공하고자 한다.
아울러 본 발명은 선조립 철골조의 제작시 피복 두께 확보에 유리할 뿐만 아니라, ㄱ형강과 래티스재의 결합을 위한 볼트를 전단연결재로 활용하여 공정을 단순화시킬 수 있는 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조를 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 기둥 또는 보로 사용되는 강-콘크리트 합성부재에 설치되는 것으로, 상기 부재의 각 모서리에 부재면과 일정 간격 이격되도록 배치되는 복수의 ㄱ형강; 및 인접하는 ㄱ형강을 상호 연결하도록 양단이 인접하는 ㄱ형강에 볼트 및 너트로 결합되는 플레이트 형상의 래티스재; 로 구성되되, 상기 래티스재는 ㄱ형강의 부재 내측 면에 결합되는 것을 특징으로 하는 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 ㄱ형강은 모서리가 부재 외측을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 ㄱ형강은 모서리가 부재 내측을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 볼트는 몸체부 및 상기 몸체부 일단에 구비되는 머리부로 구성되는 것으로, 상기 머리부는 부재 내측을 향하도록 배치되고, 상기 몸체부는 일부가 부재 내측으로 돌출되도록 두 개의 너트에 의해 ㄱ형강 및 래티스재와 결합되는 것을 특징으로 하는 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 볼트의 몸체부는 외주면에 나사산이 형성되지 않은 것으로 머리부 측에 위치하는 무나사부; 와 외주면에 나사산이 형성된 것으로 볼트 단부 측에 위치하는 나사부; 로 구성되되, 한 개의 너트는 상기 나사부의 일단에 결합되어 무나사부의 단부에 걸림되고, 다른 한 개의 너트는 나사부의 타단에 결합되어 ㄱ형강 외측에 밀착되는 것을 특징으로 하는 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조를 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 종래 선조립 합성부재와 달리 용접 대신 기계식 볼트 조임에 의존하여 제품을 생산할 수 있다. 따라서 용접 기술자의 숙련도에 따른 품질 편차 또는 용접 변형에 따른 치수 오차 등의 발생 가능성이 없어 고품질 제품 생산이 가능하고, 제품 제작이 용이하며, 공기 단축이 가능하다.
둘째, 래티스재를 ㄱ형강 내측에 결합함으로써 부재의 피복두께 확보에 유리하다.
셋째, ㄱ형강과 래티스재를 결합하기 위한 볼트가 전단연결재 역할을 수행하므로, 공정을 단순화할 수 있어 작업성이 향상되며 콘크리트의 전단력이 강재에 잘 전달된다.
넷째, ㄱ형강의 모서리가 부재 내측을 향하도록 배치하는 경우에는 부재 모서리의 모따기를 자연스럽게 형성할 수 있다. 아울러 기둥 연결시 연결플레이트가 돌출되지 않아 피복 두께 확보에 유리하다.
다섯째, 모재에 구멍 천공, 체결 그리고 볼트 조임에 이르기까지 제작 전 과정에서 기계에 기반을 둔 정밀치수 제작 및 대량생산이 가능하다. 따라서 숙련된 용접 기술자 고용 또는 초음파 장비 등을 이용한 용접부 품질 검사에 따른 경제적 비용을 절감하여 제품의 생산단가를 낮춰 가격경쟁력을 실현할 수 있다.
여섯째, 일정한 크기의 토크력을 줄 수 있는 기계식 볼트 접합을 통하여 기둥 또는 보 전체에 균질한 전단연결재를 구성하고, 일정한 크기의 토크 이상에서 볼트 하부가 끊어지는 TS 볼트 등을 적용할 수 있어, 고강도·고성능 전단합성부를 확보할 수 있다. 따라서 용접공의 숙련도에 따른 용접부의 품질 편차, 잘못된 용접으로 인한 응력집중 현상, 철근 등 고탄소강 부재가 용접에 취약한 성질, 용접시 고열로 인한 강재의 강도 저감 현상 등 종래 전단연결재를 부착하는 합성부재 내지 띠철근 또는 래티스 형태의 철근을 부착하는 선조립 합성부재의 사용으로 인한 강도의 신뢰성 확보 문제로부터 자유롭다.
일곱째, 제작 전 과정에서 용접 공정이 요구되지 않으므로 고강도강을 합성부재로 적용할 수 있다. 따라서 고강도 강재의 사용으로 인한 고비용의 용접재 사용, 엄격한 용접부 열관리, 고임금의 숙련공이 필요하지 않아, 실무에 쉽게 적용할 수 있다.
여덟째, 횡방향에 효과적으로 저항할 수 있는 브레이싱을 통하여 강한 강성을 공급하므로, 수직 또는 수평부재로 이용시 처짐 및 변형에 대하여 상당한 저항성을 확보할 수 있다. 따라서 철근의 낮은 강성이나 용접 변형으로 인한 수직도 및 수평도 확보에 노력을 소요할 필요가 없고, 경간이나 층고의 증가에 적극 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조의 실시예를 도시하는 사시도.
도 2는 본 발명 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조의 다른 실시예를 도시하는 사시도.
도 3은 본 발명 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조의 실시예를 도시하는 분해 사시도.
도 4는 본 발명 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조의 실시예들을 도시하는 단면도.
도 5는 본 발명에 이용되는 볼트를 도시하는 사시도.
도 6은 볼트와 ㄱ형강 및 래티스재와의 결합관계를 도시하는 확대 단면도.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조(10)의 실시예를 도시하는 사시도이고, 도 2는 본 발명 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조(10)의 다른 실시예를 도시하는 사시도이며, 도 3은 본 발명 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조(10)의 실시예를 도시하는 분해 사시도이다.
본 발명은 강재와 콘크리트를 합성하여 기둥 또는 보 부재로 이용하기 위한 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조(10)에 대한 것이다.
도 1 내지 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조(10)는 기둥 또는 보로 사용되는 강-콘크리트 합성부재(1)에 설치되는 것으로, 상기 부재(1)의 각 모서리에 부재(1)면과 일정 간격 이격되도록 배치되는 복수의 ㄱ형강(11); 및 인접하는 ㄱ형강(11)을 상호 연결하도록 양단이 인접하는 ㄱ형강(11)에 볼트(20) 및 너트(30)로 결합되는 플레이트 형상의 래티스재(12); 로 구성되되, 상기 래티스재(12)는 ㄱ형강(11)의 부재(1) 내측 면에 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 ㄱ형강(11)은 기둥 또는 보 부재(1)의 각 모서리에 배치되는 것으로, 일정 두께의 피복 두께를 확보할 수 있도록 부재(1)면과 일정 간격 이격 배치된다.
도 1 내지 도 3의 실시예에서는 기둥 부재용 선조립 철골조에 대한 실시예가 도시되었으나, 보 부재용 선조립 철골조의 제작도 가능하다.
상기 ㄱ형강(11)에는 볼트(20) 관통을 위한 체결공(111)이 복수 개 형성된다.
상기 래티스재(12)는 인접하는 ㄱ형강(11)을 상호 연결하도록 양단이 인접하는 ㄱ형강(11)에 볼트(20) 및 너트(30)로 결합된다.
상기 래티스재(12)의 양 단부에는 ㄱ형강(11)의 체결공(111)과 대응되는 위치에 체결공(121)이 형성되어, 볼트(20)에 의하여 ㄱ형강(11)에 결합된다.
상기 래티스재(12)는 인접하는 ㄱ형강(11)을 상호 결합하여 이들을 단일 선조립 부재로 만들기 위한 것으로, 일정한 두께와 폭을 가진 띠 형상의 철골 부재를 래티스재(12)로 이용하여, 인접하는 ㄱ형강(11)을 브레이싱하여 연결한다.
본 발명에서는 상기 래티스재(12)를 ㄱ형강(11)의 부재(1) 내측 면에 결합하여, 부재(1)의 피복 두께 확보에 유리하도록 한다.
상기 래티스재(12)는 부재에 요구되는 하중 및 공사 여건에 따라 다른 형태를 적용할 수 있다. 만약, 콘크리트 합성 전 선조립 부재에 강한 수평력이 요구될 경우에는 도 1 내지 도 2의 실시예에서와 같이 일단과 타단의 높이가 서로 다른 경사재 형태의 래티스재(12)를 이용한다. 그리고 큰 수평력이 요구되지 않을 경우에는 도면에는 미도시되어 있으나, 래티스재(12)의 일단과 타단의 높이가 같은 수평 방향 형태의 래티스재(12)를 이용한다.
이와 같이, 인접 ㄱ형강(11) 사이에 래티스재(12)를 결합하는 경우, 래티스재(12)가 횡구속근의 역할을 하므로, 별도의 후프근이 불필요하다.
또한, 래티스재(12)의 구성으로 선조립 철골조(10)의 강성이 매우 커지게 된다. 따라서 운반 및 설치시 선조립 철골조(10)의 변형을 최소화할 수 있으며, 선조립 철골조(10)에 거푸집을 직접 결합할 수 있어 거푸집 지지를 위한 별도의 서포트가 필요 없다.
본 발명에서 상기 인접 ㄱ형강(11) 사이에는 ㄱ형강(11)과 평행하도록 부형강재가 위치될 수 있다. 이 경우, 상기 부형강재도 ㄱ형강(11)에 결합하는 래티스재(12)에 결합할 수 있다.
물론, 부형강재 및 래티스재(12)에는 부형강재와 래티스재(12)의 볼트(20) 결합을 위한 별도의 체결공이 형성된다.
본 발명에서 상기 ㄱ형강(11)은 도 1에서와 같이 모서리가 부재(1) 외측을 향하도록 배치되거나, 도 2에서와 같이 모서리가 부재(1) 내측을 향하도록 배치될 수 있다.
도 2의 실시예의 경우, 부재(1) 모서리의 모따기를 자연스럽게 형성할 수 있다. 아울러 기둥 연결시 연결 플레이트가 돌출되지 않아 피복 두께 확보에 유리하다.
도 4는 본 발명 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조(10)의 실시예들을 도시하는 단면도로, 도 4의 (a)와 (b)는 각각 도 1과 도 2의 실시예를 도시한다.
그리고 도 5는 본 발명에 이용되는 볼트(20)를 도시하는 사시도이며, 도 6은 볼트(20)와 ㄱ형강(11) 및 래티스재(12)와의 결합관계를 도시하는 확대 단면도이다.
본 발명에서 상기 볼트(20)는 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 몸체부(21) 및 상기 몸체부(21) 일단에 구비되는 머리부(22)로 구성된다.
그리고 상기 머리부(22)는 부재(1) 내측을 향하도록 배치되고, 상기 몸체부(21)는 일부가 부재(1) 내측으로 돌출되도록 두 개의 너트(30a, 30b)에 의해 ㄱ형강(11) 및 래티스재(12)와 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 볼트(20)는 콘크리트의 전단력을 강재에 전달하고, 콘크리트와 강재의 격리를 방지할 목적으로 사용되는 전단연결재 역할을 한다. 상기 볼트(20)는 부재에 외력이 작용할 때, 콘크리트와 철골의 수직 및 수평 방향의 변형을 일체화시키기 위하여 충분한 강성을 가지고 있어야 한다.
또한, 도 4 내지 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 볼트(20)의 몸체부(21)는 외주면에 나사산이 형성되지 않은 것으로 머리부(22) 측에 위치하는 무나사부(211); 와 외주면에 나사산이 형성된 것으로 볼트(20) 단부 측에 위치하는 나사부(212); 로 구성되되, 한 개의 너트(30a)는 상기 나사부(212)의 일단에 결합되어 무나사부(211)의 단부에 걸림되고, 다른 한 개의 너트(30b)는 나사부(212)의 타단에 결합되어 ㄱ형강(11) 외측에 밀착되는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여 상기 볼트(20)의 몸체부(21)를 구성하는 나사부(212)에 한 개의 너트(30a)를 먼저 끼워 머리부(22) 측인 나사부(212) 일단으로 이동시킨다. 이때, 상기 무나사부(211)에 의하여 너트(30a)가 더 이상 돌아가지 않게 된다. 그리고 볼트(20)의 나사부(212)가 ㄱ형강(11)과 래티스재(12)를 통과하게 한 후, 외측으로 돌출된 볼트(20)의 나사부(212) 타단에 다른 한 개의 너트(30b)를 체결한다. 상기 다른 한 개의 너트(30b)는 ㄱ형강(11) 외측에 밀착되도록 구성한다.
부재(1) 내측으로 돌출된 볼트(20)의 머리부(22)와 무나사부(211), 너트(30a)는 강재와 콘크리트 사이에 견고한 전단 합성 작용을 수행한다.
만약 구조설계시 추가적으로 전단연결재가 필요하면, ㄱ형강(11) 또는 부형강재의 내면에 스터드를 용접하여 합성 효과를 증가시킬 수 있다.
본 발명을 이용하는 경우, 용접 접합을 사용하지 않고 공장에서 미리 기계식 볼트(20) 접합만을 이용하여 선조립 철골조(10)를 제작할 수 있다.
그리고 제작된 선조립 철골조(10)를 현장 반입하여 설치하고, 외면에 일정 간격 피복 두께를 확보하도록 거푸집을 설치한 다음, 콘크리트(C)를 타설 및 양생하는 순서로 시공하여 부재의 시공을 완료한다.
1: 강-콘크리트 합성부재 10: 선조립 철골조
11: ㄱ형강 12: 래티스재
111, 121: 체결공 20: 볼트
21: 몸체부 22: 머리부
211: 무나사부 212: 나사부
30, 30a, 30b: 너트 C: 콘크리트

Claims (5)

  1. 기둥 또는 보로 사용되는 강-콘크리트 합성부재(1)에 설치되는 것으로,
    상기 부재(1)의 각 모서리에 부재(1)면과 일정 간격 이격되도록 배치되는 복수의 ㄱ형강(11); 및
    인접하는 ㄱ형강(11)을 상호 연결하도록 양단이 인접하는 ㄱ형강(11)에 볼트(20) 및 너트(30)로 결합되는 플레이트 형상의 래티스재(12); 로 구성되되,
    상기 래티스재(12)는 ㄱ형강(11)의 부재(1) 내측 면에 결합되며,
    상기 볼트(20)는 몸체부(21) 및 상기 몸체부(21) 일단에 구비되는 머리부(22)로 구성되는 것으로, 상기 머리부(22)는 부재(1) 내측을 향하도록 배치되고, 상기 몸체부(21)는 일부가 부재(1) 내측으로 돌출되도록 두 개의 너트(30a, 30b)에 의해 ㄱ형강(11) 및 래티스재(12)와 결합되는 것을 특징으로 하는 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 ㄱ형강(11)은 모서리가 부재(1) 외측을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 ㄱ형강(11)은 모서리가 부재(1) 내측을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 볼트(20)의 몸체부(21)는 외주면에 나사산이 형성되지 않은 것으로 머리부(22) 측에 위치하는 무나사부(211); 와 외주면에 나사산이 형성된 것으로 볼트(20) 단부 측에 위치하는 나사부(212); 로 구성되되,
    한 개의 너트(30a)는 상기 나사부(212)의 일단에 결합되어 무나사부(211)의 단부에 걸림되고, 다른 한 개의 너트(30b)는 나사부(212)의 타단에 결합되어 ㄱ형강(11) 외측에 밀착되는 것을 특징으로 하는 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조.
  5. 삭제
KR1020130083258A 2013-07-16 2013-07-16 강-콘크리트 합성부재용 선조립 철골조 KR101448156B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101274999B1 (ko) * 2011-03-16 2013-06-17 재단법인 포항산업과학연구원 래티스부재를 이용한 강-콘크리트 합성구조물 및 이의 제작방법

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