KR101546665B1 - 합성부재에서 전단내력에 저항하는 전단스터드 구조체 - Google Patents

합성부재에서 전단내력에 저항하는 전단스터드 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철골 콘크리트 기둥용 형강재의 외측에 배치되어 콘크리트와의 결합성을 향상시키는 전단스터드의 구조를 개선하여 용접작업을 최소화하면서 수직 하중을 분산시킬 수 있으며 충분한 내구성을 갖도록 그 구조가 개선된 합성부재에서 전단내력에 저항하는 전단스터드 구조체에 관한 것이다.
본 발명은 콘크리트가 타설되는 기둥(10)의 내측에 배치되며, 웨브(25)와 상기 웨브(25)의 양측에 대향되게 배치되는 플랜지(22,24)로 이루어진 형강재(20)와; 상기 형강재(20)의 웨브(25) 양면과 플랜지(22,24)의 외측 각각에 면접촉되도록 용접으로 결합되고, 상,하로 이격되게 배치되는 제1,2블록몸체(100A,100B)와; 상기 제1,2블록몸체(100A,100B)에 관통되게 결합되는 양측 수평부(210)와, 상기 양측 수평부(210)의 외측단부를 서로 연결하는 연결부(220)로 이루어진 전단부재(200); 및 상기 전단부재(200)의 양측 수평부(210)를 상기 제1,2블록몸체(100A,100B)에 고정시키는 고정수단(300);으로 구성된다.

Description

합성부재에서 전단내력에 저항하는 전단스터드 구조체{SHEAR STUD STRUCTURE FOR COMPOSITE MEMBER OF STEEL AND CONCRETE}
본 발명은 합성부재에서 전단내력에 저항하는 전단스터드 구조체에 관한 것으로, 특히 순수 전단력을 받는 기둥용 형강재인 H빔의 외측에 전단효과를 갖는 구조물을 배치시키면서 전단하중에 의해 용접부 단부에 조기 파괴현상이 발생하는 것을 예방할 수 있도록 그 구조가 개선된 합성부재에서 전단내력에 저항하는 전단스터드 구조체에 관한 것이다.
일반적으로 탑다운 공법(top down method)이나 다운워드 공법(downward method)에서는 RCD(Reverse Circulation Drill) 파일이나 PRD(Perocussion Rotary Method) 파일 등의 현장타설말뚝을 미리 시공한 후, 구체 공사를 진행하는 순서로 시공이 이루어진다.
이들 RCD 파일이나 PRD 파일은 상부 구조물을 지지하는 기초의 일종으로, 주로 선단지지력과 주면마찰력을 통하여 지지력을 향상시킨다. 그리고 이러한 지지력 향상 방법으로 H형강 말뚝의 선단에 전단연결재로서의 스터드 볼트를 용접 결합하는 방법이 사용되고 있다.
한편, 현장타설말뚝에 사용되는 스터드 볼트 외에, 철골보와 콘크리트의 합성구조에서 외력에 대하여 이들 상호간의 거동을 일체화시키기 위한 전단연결재로서 스터드 볼트가 이용되고 있다.
종래 전단연결재로 이용되는 스터드 볼트는 공장 또는 현장에서 철골부재에 연직으로 용접 결합된 다음, 후 타설되는 콘크리트에 철골부재를 일체화하였다. 그리고 이러한 전단연결재로서의 역할을 위해서는 시공 단계에서 스터드 볼트가 계속하여 철골부재에 연직으로 결합이 유지될 필요가 있다.
그러나 철골부재의 운반 또는 입설 과정에서 스터드 볼트에 변형이 일어나는 경우가 다수 발생하며, 이로 인하여 철골부재와 콘크리트 상호 간에 전단 응력이 잘 전달되지 않는 경우가 있다.
이러한 스터드 볼트의 변형은 용접 공정이 부실하게 진행되거나, 콘크리트의 타설압에 의하여 스터드 볼트에 불균등하게 분포하는 하중이 작용하는 경우에는 더욱 가속화될 수 있다.
또한, 스터드 볼트를 현장 용접하는 경우에는 용접 공정에 따른 현장 화재 위험 및 용접 공정에 따른 공기 증가와 비용 상승의 우려가 있으며, 아울러 외기 조건에 의하여 접합부 품질이 좌우된다는 단점이 있다.
따라서, 기존 스터드 볼트의 결합을 위해 용접작업없이 스터드건을 이용하여 형강재에 스터드 볼트를 박아서 조립할 수도 있으나, 이 스터드건은 비교적 직경이 작은 것에만 적용 가능하고 직경이 큰 스터드 볼트의 경우에는 조립이 불량하게 되어 적용이 불가능한 단점이 있다.
기존 전단 스터드 볼트의 선행기술로는, 한국 공개특허공보 제10-2010-0041991호 "전단연결재로서의 철골구조용 스터드 볼트의 결합구조"(공개일자 : 2010.04.23)에 개시된 바와 같이, 볼트머리; 및 일단이 볼트머리에 연직 결합되는 볼트몸통;으로 이루어지는 스터드 볼트를 이용한 것으로, 상기 볼트몸통의 타단은 소정의 길이만큼 철골부재를 관통하여 너트 결합되는 구조를 갖는다.
또한, 기존 전단 스터드와 관련된 다른 선행기술로는 동 출원인이 선출원한 한국 공개특허공보 제 10-2012-0065757호 "고강도 전단스터드를 이용한 시공방법"(공개일자 : 2012.06.21)에 기재된 바와 같이, 일단에 보강부재를 지닌 고강도의 전단스터드를 모재에 용접하고, 콘크리트를 타설하여 일체로 매설된 구조물을 완성하는 것을 특징으로 하며, 보강부재의 직경은 전단스터드의 직경보다 10~30% 범위로 크게 설정한 것이다.
그런데, 기존 전단스터드 구조는 철골 형강재의 외측에 전단스터드가 일체로 용접되는 구조를 가지며, 이를 보강하기 위해 형강재와 전단스터드 결합부위의 보강부재를 구성하여 직경을 키울 수 있으나, 이 경우에도 보강부재와 전단스터드의 연결부위가 취약하여 수직 하중이 전달됨에 따라 휘어지거나 파괴되는 현상이 빈번하게 발생되는 단점이 있다.
또한, 종래 전단 스터드 구조는 다수의 스터드 볼트를 형강재의 외측에 용접으로 일체화시키기 위해 현장에서의 용접 작업량이 많아지게 되고, 이로 인해 작업속도가 느려지게 되면서 공사기간이 대폭 증가하게 되는 단점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2010-0041991호 "전단연결재로서의 철골구조용 스터드 볼트의 결합구조"(공개일자 : 2010.04.23) 한국 공개특허공보 제 10-2012-0065757호 "고강도 전단스터드를 이용한 시공방법"(공개일자 : 2012.06.21)
본 발명은 상기한 제반문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 그 목적은 철골 콘크리트 기둥용 형강재의 외측에 배치되어 콘크리트와의 결합성을 향상시키는 전단스터드의 구조를 개선하여 용접작업을 최소화하면서 수직 하중을 분산시킬 수 있으며 충분한 내구성을 갖도록 그 구조가 개선된 합성부재에서 전단내력에 저항하는 전단스터드 구조체를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 콘크리트가 타설되는 기둥의 내측에 배치되며, 웨브와 상기 웨브의 양측에 대향되게 배치되는 플랜지로 이루어진 형강재와; 상기 형강재)의 웨브 양면과 플랜지의 외측 각각에 면접촉되도록 용접으로 결합되고, 상,하로 이격되게 배치되는 제1,2블록몸체와; 상기 제1,2블록몸체에 관통되게 결합되는 양측 수평부와, 상기 양측 수평부의 외측단부를 서로 연결하는 연결부로 이루어진 전단부재; 및 상기 전단부재의 양측 수평부를 상기 제1,2블록몸체에 고정시키는 고정수단;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 전단부재는 양측 수평부를 수직으로 연결하는 보강부를 더 구비한다.
상기 고정수단은 상기 제1,2블록몸체의 상,하부가 연통되도록 각각 천공되는 결합공과, 상기 전단부재의 양측 수평부에 상기 결합공과 대응되는 크기로 각각 형성되는 연결공과, 상기 결합공과 연결공을 관통하여 끼워지며 상기 제1,2블록몸체에 각각의 헤드부가 안착되는 결합볼트들 및, 상기 결합볼트들의 단부에 각각 체결되는 고정너트를 구비한다.
상기 고정수단은 결합봉이 수직방향으로 관통결합되도록 상기 제1,2블록몸체의 각각에 상,하부가 연통되게 천공되는 결합공과, 상기 제1,2블록몸체의 각각에 상기 전단부재의 양측 수평부 중 일측의 수평부가 삽입되도록 수평방향으로 형성되는 끼움공과, 상기 전단부재의 양측 수평부에 결합봉이 수직방향으로 관통결합되도록 형성되는 연결공과, 상기 결합공과 연결공에 관통되게 끼워지며 상기 제1,2블록몸체를 연결하는 결합봉 및 상기 결합봉의 단부에 나사 체결되는 고정너트를 구비한 것이다.
상기 형강재는 웨브와 플랜지를 갖는 H빔으로서, 상기 제1,2블록몸체가 웨브와 플랜지의 외측에 결합되는 것이다.
기존 전단 스터드볼트를 이용한 구조일 경우 전단 응력이 스터드 볼트의 결합부위에 집중되는 것에 비해, 본 발명 전단스터드 구조체는 형강재와 콘크리트를 통해 전단 응력이 전달되더라도 전단하중(F)이 제1,2블록몸체와 전단부재를 통해 분산되면서 충분한 내구성을 가질 수 있는 유용한 효과를 갖는다.
또한, 기존의 스터드 볼트를 형강재의 외측에 결합시키기 위해서는 많은 작업량의 용접작업이 요구되는 반면에, 본 발명에서는 제1,2블록몸체가 공장에서 미리 용접작업을 통해 제작된 경우 현장에서 별도의 용접작업없이 볼트 체결방식의 조립작업만이 요구되므로 현장 작업성이 향상되고 공사기간이 대폭 단축되는 이점을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 합성부재에서 전단내력에 저항하는 전단스터드 구조체의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도.
도 2는 도 1의 결합상태를 보인 사시도.
도 3은 본 발명 제1,2블록몸체와 전단부재의 결합구조를 보인 도면.
도 4는 본 발명에 따른 전단스터드 구조체의 다른 실시예를 나타낸 분해 사시도.
도 5는 본 발명 전단스터드 구조체가 적용된 형강재를 나타낸 평면도.
도 6은 본 발명의 사용상태도.
본 발명에 따른 합성부재에서 전단내력에 저항하는 전단스터드 구조체의 일 실시예는, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 철골 기둥(10)용 형강재(20)의 외측에 면접촉되고, 용접으로 일체화되며, 상,하로 이격되게 배치되는 제1,2블록몸체(100A,100B)와; 일단부가 상기 제1,2블록몸체(100A,100B)에 관통되어 각각 결합되는 양측 수평부(210)와, 양측 수평부(210)의 타단부를 서로 연결하도록 절곡되는 연결부(220)를 갖는 전단부재(200) 및; 상기 전단부재(200)의 양측 수평부(210)를 상기 제1,2블록몸체(100A,100B)에 고정시키는 고정수단(300)으로 구성된다.
형강재(20)는 양측 플랜지(22,24)와, 양측 플랜지(22,24)를 연결하는 웨브(25)로 구성된 공지의 H빔을 채택하되, 웨브(25)와 플랜지(22,24)의 외측에 제1,2블록몸체(100A,100B)의 일면이 용접으로 결합된다.
도 1을 참조하면, 제1,2블록몸체(100A,100B)는 박스 형태로 구성되고 타면에 전단부재(200)의 양측 수평부(210)가 관통되도록 끼움공(120)이 각각 형성된 구조를 갖는다.
제1,2블록몸체(100A,100B)는 사각형 단면 구조를 가지며, 각각의 상부면은 콘크리트와의 결합시 수직으로 전달되는 전단하중에 대해 내구성을 갖도록 충분한 크기의 단면적을 갖는 것이 바람직하다.
전단부재(200)는 양측 수평부(210)가 평행한 각도로 배치되는 환봉 형태로 구성되고, 양측 수평부(210)를 서로 연결하도록 절곡된 연결부(220)가 양측 수평부(210)에 대해 수직으로 배치되는 구조를 갖는다.
또한, 전단부재(200)는 제1,2블록몸체(100A,100B)에 관통되는 양측 수평부(210)와 근접된 부위에 수직으로 양측 수평부(210)를 연결하는 보강부(230)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 이는, 제1,2블록몸체(100A,100B)와 결합되는 양측 수평부(210) 부위를 보강하기 위한 것이다.
즉, 보강부(230)는 전단부재(200)의 취약부위에 양측 수평부(210)를 수직방향으로 일체로 연결되어 주로 상측에서 하측으로 전달되는 전단하중에 대해 내구력을 보강하는 기능을 수행하게 된다.
전단부재(200)의 양측 수평부(210)를 제1,2블록몸체(100A,100B)에 각각 결합시키는 고정수단(300)은 제1,2블록몸체(100A,100B)의 상,하부가 연통되도록 각각 천공되는 결합공(110)과, 상기 전단부재(200)의 양측 수평부(210)에 상기 결합공(110)과 대응되는 크기로 각각 형성되는 연결공(212)과, 상기 결합공(110)과 연결공(212)을 관통하여 끼워지는 결합볼트(310)들 및, 상기 결합볼트(310)들의 단부에 각각 체결되는 고정너트(320)로 구성된다.
결합볼트(310)들은 상부에 제1,2블록몸체(100A,100B)의 상부면에 각각 안착되는 헤드부가 마련되고, 하부 외주면에 고정너트(320)와의 체결을 위한 나사산이 형성되어 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명 일 실시예는, 철골 기둥(10)을 형성하는 형강재(20)(H빔)를 거푸집 내에 배치하고 콘크리트를 타설하여 철골 기둥(10)을 형성시키는 공정은 기존과 동일하지만, 형강재(20)의 외측에 본 발명의 전단스터드 구조체를 현장에서 일체로 결합시키거나, 작업의 편의성을 위해 공장에서 미리 형강재(20)의 웨브(25) 또는 플랜지(22,24)의 외측면에 제1,2블록몸체(100A,100B)를 일체로 용접시킨 후에, 현장으로 이송할 수 있다.
여기서는 현장에서의 작업량을 줄이기 위해 공장에서 형강재(20)의 외측에 제1,2블록몸체(100A,100B)를 미리 용접작업으로 일체화시키도록 제작한 후에, 현장으로 이송하는 것이 바람직하다.
이후에, 형강재(20)의 외측에 마련된 제1,2블록몸체(100A,100B)의 끼움공(120)에 양측 수평부(210)를 각각 끼움 결합시키고, 제1,2블록몸체(100A,100B)의 결합공(110)과 양측 수평부(210)의 연결공(212)을 동일 수직선상에 위치하도록 배치한 후에, 결합볼트(310)를 결합공(110)과 연결공(212)에 관통시킨다.
이때, 상기한 연결공(212)과 결합공(110) 간의 정위치 조절은 양측 수평부(210)의 단부가 끼움공(120)을 통해 제1,2블록몸체(100A,100B)의 내부에 완전히 진입되면, 결합공(110)과 연결공(212)이 동일 수직선상에 위치하게 되도록 연결공(212)의 천공 위치를 조절함으로써, 연결공(212)과 결합공(110)의 동일 수직선상의 정위치에 용이하게 배치할 수 있다.
결합볼트(310)는 제1,2블록몸체(100A,100B)와의 조립과정에서 각각의 하단부가 제1,2블록몸체(100A,100B)의 상,하면에 각각 형성된 결합공(110)을 통과하면서 제1,2블록몸체(100A,100B)의 하부면으로부터 돌출된 후에, 제1,2블록몸체(100A,100B)의 하부면으로부터 돌출된 하단부에 고정너트(320)가 체결되는 조립과정을 갖는다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 도면으로서, 앞의 선 실시예와는 다른 고정수단(300)을 갖는 것으로, 제1,2블록몸체(100A,100B)의 상,하부가 연통되도록 천공되는 결합공(110)과, 전단부재(200)의 양측 수평부(210)에 상기 결합공(110)과 대응되는 크기로 형성되는 연결공(212)은 동일한 구성으로 이루어지되, 제1,2블록몸체(100A,100B)의 결합공(110)과 양측 수평부(210)의 연결공(212)에 관통되도록 끼워지며 상기 제1,2블록몸체(100A,100B)를 연결하는 결합봉(330) 및, 상기 결합봉(330)의 단부에 나사 체결되는 고정너트(320)를 구비한 것이다.
결합봉(330)은 제1,2블록몸체(100A,100B)를 연결할 정도의 길이를 가지고, 상단부에 제1블록몸체(100A)의 상부면에 안착되는 헤드부가 형성되며, 하부 외주면에 고정너트(320)와의 체결을 위한 나사산이 형성되는 구조를 갖는다.
즉, 결합봉(330)은 제1,2블록몸체(100A,100B)의 상,하면에 각각 형성된 결합공(110)들에 관통되도록 결합되면서 양측 수평부(210)의 연결공(212)에 각각 끼워지도록 결합되어 전단부재(200)의 양측 수평부(210)를 제1,2블록몸체(100A,100B)에 고정시키게 된다.
이로 인해 본 발명의 다른 실시예는 제1,2블록몸체(100A,100B)를 수직으로 연결하여 앞서 설명한 선 실시예보다 전단 하중에 대한 내구력을 증대시킬 수 있으며, 고정너트(320)와의 체결작업을 줄여서 조립성을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.
따라서 본 발명의 실시예들은 도 5에 도시된 바와 같이, 형강재(20)의 웨브(25) 및 플랜지(22,24) 부위의 외측에 전단스터드 구조체인 제1,2블록몸체(100A,100B)와 전단부재(200)가 돌출되도록 마련된다.
이로 인해, 본 발명의 전단스터드 구조체는 도 6에 도시된 바와 같이, 콘크리트(30)가 제1,2블록몸체(100A,100B)와 전단부재(200)가 돌출된 형강재(20)의 외측에 타설되어 철골 콘크리트 기둥(10)으로 일체화될 때 결합력이 된 후에, 형강재(20)와 콘크리트(30)를 통해 전단 응력이 전달되더라도 기존 전단 스터드볼트를 이용한 구조일 경우 전단 응력이 스터드 볼트의 결합부위에 집중되는 것에 비해, 본 발명은 전단하중(F)이 제1,2블록몸체(100A,100B)와 전단부재(200)를 통해 분산되면서 충분한 내구성을 가질 수 있는 유용한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 기존 스터드 볼트를 형강재(20)의 외측에 결합시키기 위해 많은 작업량의 용접작업이 요구되는 반면에, 본 발명에서는 제1,2블록몸체(100A,100B)가 공장에서 미리 용접작업을 통해 제작된 경우 현장에서 별도의 용접작업없이 볼트 체결방식의 조립작업만이 요구되므로 현장 작업성이 향상되고 공사기간이 대폭 단축되는 이점을 갖는다.
10 : 기둥 20 : 형강재
22,24 : 플랜지 25 : 웨브
30 : 콘크리트 100A,100B : 제1,2블록몸체
110 : 결합공 120 : 끼움공
200 : 전단부재 210 : 양측 수평부
212 : 연결공 220 : 연결부
230 : 보강부 300 : 고정수단
310 : 결합볼트 320 : 고정너트
330 : 결합봉

Claims (5)

  1. 콘크리트가 타설되는 기둥(10)의 내측에 배치되며, 웨브(25)와 상기 웨브(25)의 양측에 대향되게 배치되는 플랜지(22,24)로 이루어진 형강재(20)와;
    상기 형강재(20)의 웨브(25) 양면과 플랜지(22,24)의 외측 각각에 면접촉되도록 용접으로 결합되고, 상,하로 이격되게 배치되는 제1,2블록몸체(100A,100B)와;
    상기 제1,2블록몸체(100A,100B)에 관통되게 결합되는 양측 수평부(210)와, 상기 양측 수평부(210)의 외측단부를 서로 연결하는 연결부(220)로 이루어진 전단부재(200); 및
    상기 전단부재(200)의 양측 수평부(210)를 상기 제1,2블록몸체(100A,100B)에 고정시키는 고정수단(300);을 포함하여 구성되고,
    상기 고정수단(300)은 결합봉(330)이 수직방향으로 관통결합되도록 상기 제1,2블록몸체(100A,100B)의 각각에 상,하부가 연통되게 천공되는 결합공(110)과, 상기 제1,2블록몸체(100A,100B)의 각각에 상기 전단부재(200)의 양측 수평부(210) 중 일측의 수평부(210)가 삽입되도록 수평방향으로 형성되는 끼움공(120)과, 상기 전단부재(200)의 양측 수평부(210)에 결합봉(330)이 수직방향으로 관통결합되도록 형성되는 연결공(212)과, 상기 결합공(110)과 연결공(212)에 관통되게 끼워지며 상기 제1,2블록몸체(100A,100B)를 연결하는 결합봉(330) 및 상기 결합봉(330)의 단부에 나사 체결되는 고정너트(320)로 이루어진 것을 특징으로 하는 합성부재에서 전단내력에 저항하는 전단스터드 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전단부재(200)는 양측 수평부(210)를 수직으로 연결하는 보강부(230)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 합성부재에서 전단내력에 저항하는 전단스터드 구조체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 결합공(110)과 연결공(212)은 전단부재(200)의 양측 수평부(210)가 제1,2블록몸체(100A,100B)의 끼움공(120)에 삽입되면 동일 수직선상에 위치되도록 형성된 것을 특징으로 하는 합성부재에서 전단내력에 저항하는 전단스터드 구조체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100582930B1 (ko) 1998-07-09 2006-12-05 리 코우안 콘크리트 구조물에서의 보강용 철근 삽입 방법 및 장치
KR100952930B1 (ko) 2010-01-06 2010-04-16 주식회사 현대종합설계건축사사무소 콘크리트 충전 강관 기둥과 철근콘크리트 플랫 슬래브 접합부 전단보강장치

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