KR101622522B1 - H형강과 절곡 철판을 이용한 cft 합성기둥 - Google Patents

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박영구
정주헌
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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    • E04B1/30Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons the supporting parts being composed of two or more materials; Composite steel and concrete constructions

Abstract

본 발명은 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥에 관한 것으로, 보다 상세하게는 H형강에 절곡 철판을 접합하여 외골격과 내골격이 결합되는 구조로서 시공성이 매우 우수하고 높은 구조적 성능을 발휘할 수 있는 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥에 관한 것이다.
본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥은, 내부에 콘크리트가 타설되는 각형 형상의 CFT 합성기둥에 있어서, 2개가 한 쌍으로 구성되어 서로 대향되게 배치되는 'ㄷ'자 형상의 절곡 철판과, 상기 절곡 철판의 내부에 삽입되며 웨브와 상기 웨브의 양단에 형성되는 플랜지로 구성되어 상기 절곡 철판의 내면에 플랜지가 면접된 상태에서 용접 접합되는 H형강을 포함하며, 상기 절곡 철판의 내측면에 'T'자 형상의 보강형강이 접합되고, 상기 H형강의 웨브 양측에는 타설된 콘크리트가 H형강에 정착할 수 있도록 스터드 볼트가 고정되며, 상기 절곡 철판은 내화강 재질로 이루어지고, 양단부가 상기 H형강의 플랜지 단부 외면에 각각 용접 접합되는 것을 특징으로 한다.

Description

H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥{Concrete Filled Steel Tube Columns using H-beam and bending iron plate}
본 발명은 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥에 관한 것으로, 보다 상세하게는 H형강에 절곡 철판을 접합하여 외골격과 내골격이 결합되는 구조로서 시공성이 매우 우수하고 높은 구조적 성능을 발휘할 수 있는 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥에 관한 것이다.
일반적으로 철골철근콘크리트구조(Steel reinforced concrete, SRC)는 철골을 중심으로 그 주위를 철근으로 둘러싸고 여기에 콘크리트를 타설하여 단일체로 만든 구조, 즉 철근콘크리트구조와 철골구조의 중간적인 구조이다.
상기 철근콘크리트구조는 압축력에는 강하지만 인장력에는 매우 약한 콘크리트에 인장력이 강한 철근을 보강하여 상호 보완되도록 한 구조로서, 구조적으로나 경제적으로 많이 사용되고 있는데, 이러한 철근콘크리트구조는 여러 가지 장점에도 불구하고 부재의 단면과 중량이 커서 자중이 무겁고 고층이 될수록 기둥이 굵어지고 유효면적이 작아지는 결점이 있으며, 휨에 약하여 장스팬 건물이나 고층건물에는 부적합하고, 강재 설치 후 별도의 거푸집 공사가 필요하고 공사 진행상황에 맞추어 콘크리트를 타설하고 양생해야 하므로 공사기간이 많이 소요되며, 균일한 시공이 어려워 철저한 관리가 요구되는 단점이 있다.
이에 최근에는 기둥 부재로서 원형의 강관 내에 콘크리트를 타설하여 형성되는 CFT(Concrete filled steel tube) 기둥을 이용하는 것이 주목을 받고 있다. CFT 기둥을 이용하게 되면 철근조립 및 거푸집 공사를 생략할 수 있고, 시공 현장에서 해야 하는 작업을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, CFT 기둥은 콘크리트와 강관의 합성작용이 발휘됨에 따라 강재량을 절감할 수 있어, 시공성의 향상, 공기단축, 기둥 크기 축소에 따른 공간활용도 증대, 강성, 내진/내풍 성능 및 내화성능 등의 향상, 그리고 고층 건축물에 대한 우수한 적용성 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.
특히, CFT 기둥은 강관이 내부의 콘크리트를 구속하고 있기 때문에 강성, 내력, 변형성능, 내화, 시공 등의 측면에서 우수한 특성을 발휘하는 구조시스템이다.
이러한 기술의 일예가 하기 문헌 1에 개시되어 있다.
하기 특허문헌 1에는 단위부재 복수개를 조립하여 내부가 빈 폐쇄형의 단면을 갖도록 완성되는 원형 또는 각형 튜브 형상의 철골부재로서, 상기 단위부재는 튜브의 단면 일부와 일치하는 형상을 갖는 면형성부와 상기 면형성부의 양단부에서 튜브의 내부를 향해 절곡된 절곡부를 포함하여 구성되도록 철판을 절곡한 것이며, 상기 단위부재 복수개 상호간을 절곡부가 서로 맞닿도록 배치한 후 접합함으로 완성되는 것을 특징으로 하는 절곡성형 철판을 이용한 조립식 폐쇄형 철골부재에 대해 개시되어 있다.
상기와 같이 구성되는 종래의 기술은 종방향의 단위부재 복수개를 횡방향으로 연결 조립하여 폐쇄형의 박스강관으로 완성하는데 특징이 있다. 특히 철판을 절곡하여 양단부를 단부절곡부로 형성시킨 단위부재 복수개를 단부절곡부끼리 맞대어 강관 외부에서 용접 접합하기 때문에 단부절곡부가 강관 내부로 돌출되는 형태의 박스강관으로 완성된다. 이러한 박스강관은 강관 내부로 돌출된 단부절곡부가 좌굴에 유리하게 대응하는 것은 물론 강관 내부에 콘크리트가 충전될 때 콘크리트의 구속력 증대에도 기여하므로 CFT 구조 기둥부재로 유리하게 적용할 수 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 기술은 복수개의 단위부재를 연결하여 용접하는 구조로서, 용접 접합으로 인해 작업시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 화재 시 용접 부위가 가장 취약한 부분으로 용접재의 녹음 현상으로 인해 용접부위에서의 파단으로 인해 강관의 터짐 현상이 발생할 수 있다는 문제점이 있었다. 또한, 박스강관은 순수 외골격이므로 거더접합부가 외골격인 겉면 철판에 부착되기 때문에 취약한 구조를 보완하기 위해 내부에 다이아프램이라는 철판량이 늘어나게 되는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-0684931호(2007.02.13 등록)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, H형강에 절곡 철판을 접합하여 외골격과 내골격이 결합되는 구조로서 용접 접합부의 좌굴 내력을 증가시키고 절곡 철판의 터짐 현상을 방지할 수 있는 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 시공성이 우수하고 높은 구조적 성능을 발휘하며, 기존의 합성기둥과 대비하여 다이아프램 사용량을 크게 절감할 수 있는 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥은, 내부에 콘크리트가 타설되는 각형 형상의 CFT 합성기둥에 있어서, 2개가 한 쌍으로 구성되어 서로 대향되게 배치되는 'ㄷ'자 형상의 절곡 철판과, 상기 절곡 철판의 내부에 삽입되며 웨브와 상기 웨브의 양단에 형성되는 플랜지로 구성되어 상기 절곡 철판의 내면에 플랜지가 면접된 상태에서 용접 접합되는 H형강을 포함하며, 상기 절곡 철판의 내측면에 'T'자 형상의 보강형강이 접합되고, 상기 H형강의 웨브 양측에는 타설된 콘크리트가 H형강에 정착할 수 있도록 스터드 볼트가 고정되며, 상기 절곡 철판은 내화강 재질로 이루어지고, 양단부가 상기 H형강의 플랜지 단부 외면에 각각 용접 접합되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥은, H형강에 절곡 철판을 접합하여 외골격과 내골격이 결합되는 구조로서 용접 접합부의 좌굴 내력을 증가시키고 절곡 철판의 터짐 현상을 방지하는 효과가 있다.
또한, 기존의 합성기둥과 대비하여 용접 접합부위를 대폭 줄임으로써 제조단가 절감 및 시공시간을 크게 단축시키는 한편 다이아프램 사용량을 크게 절감하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥을 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥을 도시한 분리사시도.
도 3은 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥을 도시한 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥의 다른 실시예를 도시한 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥의 또 다른 실시예를 도시한 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 H형강의 다른 실시예를 도시한 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥의 또 다른 실시예를 도시한 평면도.
본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥은, 내부에 콘크리트가 타설되는 각형 형상의 CFT 합성기둥에 있어서, 2개가 한 쌍으로 구성되어 서로 대향되게 배치되는 'ㄷ'자 형상의 절곡 철판과, 상기 절곡 철판의 내부에 삽입되며 웨브와 상기 웨브의 양단에 형성되는 플랜지로 구성되어 상기 절곡 철판의 내면에 플랜지가 면접된 상태에서 용접 접합되는 H형강을 포함하며, 상기 절곡 철판의 내측면에 'T'자 형상의 보강형강이 접합되고, 상기 H형강의 웨브 양측에는 타설된 콘크리트가 H형강에 정착할 수 있도록 스터드 볼트가 고정되며, 상기 절곡 철판은 내화강 재질로 이루어지고, 양단부가 상기 H형강의 플랜지 단부 외면에 각각 용접 접합되는 것을 특징으로 한다.
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이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥을 도시한 분리사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥을 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥의 다른 실시예를 도시한 평면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥의 또 다른 실시예를 도시한 평면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 H형강의 다른 실시예를 도시한 사시도이며, 도 7은 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥의 또 다른 실시예를 도시한 평면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥은 내부에 콘크리트가 타설되는 각형 형상의 CFT 합성기둥에 있어서, 외골격을 이루는 절곡 철판(10)과 내골격을 이루는 H형강(20)을 포함한다.
상기 절곡 철판(10)은 'ㄷ'자 형상으로서 2개가 한 쌍으로 구성되어 서로 대향되게 배치된다.
특히, 상기 2개의 절곡 철판(10)의 결합에 따라 사각형상의 외골격 구조 역할을 하게 된다.
이처럼, H형강(20)을 기준으로 2개의 절곡 철판(10)을 서로 대향 배치한 다음 절곡 철판(10)의 절곡부(11) 단부를 견고하게 맞대기 용접하면 사각단면을 갖는 CFT 합성기둥이 형성된다.
상기 H형강(20)은 상기 절곡 철판(10)의 길이에 대응하는 길이로 형성되어 상기 절곡 철판(10)의 내부에 고정되는 것이다.
상기 H형강(20)은 상기 절곡 철판(10)의 내부 중간에 배치되어 내골격 구조 역할을 하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 H형강(20)은 상기 절곡 철판(10)의 내부에 삽입되며 웨브(21)와 상기 웨브(21)의 양단에 형성되는 플랜지(22)로 구성되어 상기 절곡 철판(10)의 절곡부(1) 내면에 플랜지(22)가 면접된 상태에서 용접 접합된다.
상기 플랜지(22)는 상기 절곡 철판(10)의 절곡부(11) 내면에 긴밀하게 밀착된 상태를 유지하도록 하여 진동 및 소음은 물론 타설되는 콘크리트가 누출되지 않도록 한다.
특히, 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥은 'ㄷ'자 형상인 2개의 절곡 철판(10)과 H형강(20)의 구성에 따라 용접 접합부위를 2군데로 줄임으로써 시공시간을 대폭 줄이고 그에 따른 시공비용을 절감할 수 있는 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥은 상기 절곡 철판(10)의 내측면에 'T'자 형상의 보강형강(30)이 접합될 수 있다.
상기 보강형강(30)은 평면상 CFT 합성기둥 양측의 좌굴 내력을 증가시키고 콘크리트 타설 시 절곡 철판(10)에 콘크리트가 정착되도록 하는 역할을 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 H형강(20)의 웨브(21) 양측에는 타설된 콘크리트가 H형강(20)에 정착할 수 있도록 스터드 볼트(40)가 고정될 수 있다.
즉, 상기 절곡 철판(10)과 H형강(20)의 결합에 의한 CFT 합성기둥 내부에 콘크리트를 타설하면 상기 스터드 볼트(40)가 콘크리트 내에 매설되어 경화된 콘크리트와 결합됨으로써 CFT 합성기둥의 강도를 증대시킬 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 H형강(20)의 웨브(21)에는 타설된 콘크리트가 H형강(20)에 정착할 수 있도록 다수의 천공(50)이 일정 간격으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 H형강(20)의 웨브(21) 양측에 고정되는 스터드 볼트(40)를 대체할 수 있으며, 이로 인해 시공시간을 단축시키고 시공비용을 크게 절감할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 절곡 철판(10)은 내화강 재질로 이루어지고, 양단부가 상기 H형강(20)의 플랜지(22) 단부 외면에 각각 용접 접합될 수 있다. 상기 절곡 철판(10)이 내화강 재질로 이루어짐으로써 내화피복량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 상기 절곡 철판(10)의 양단부를 상기 H형강(20)의 플랜지(22) 단부 외면에 각각 용접 접합함으로써 접합부위가 4개소로 증가하지만, H형강(20)의 플랜지(22) 쪽의 중복되는 철판 양을 절감할 수 있는 것이다.
상기와 같이 구성되는 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥은, H형강(20)에 절곡 철판(10)을 접합하여 외골격과 내골격이 결합되는 구조로서 용접 접합부의 좌굴 내력을 증가시키고 절곡 철판(10)의 터짐 현상을 방지할 수 있고, 시공성이 우수하고 높은 구조적 성능을 발휘하며, 기존의 합성기둥과 대비하여 다이아프램 사용량을 크게 절감할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
10 : 절곡 철판
11 : 절곡부
20 : H형강
21 : 웨브
22 : 플랜지
30 : 보강형강
40 : 스터드 볼트
50 : 천공

Claims (5)

  1. 내부에 콘크리트가 타설되는 각형 형상의 CFT 합성기둥에 있어서,
    2개가 한 쌍으로 구성되어 서로 대향되게 배치되는 'ㄷ'자 형상의 절곡 철판(10)과, 상기 절곡 철판(10)의 내부에 삽입되며 웨브(21)와 상기 웨브(21)의 양단에 형성되는 플랜지(22)로 구성되어 상기 절곡 철판(10)의 내면에 플랜지(22)가 면접된 상태에서 용접 접합되는 H형강(20)을 포함하며,
    상기 절곡 철판(10)의 내측면에 'T'자 형상의 보강형강(30)이 접합되고,
    상기 H형강(20)의 웨브(21) 양측에는 타설된 콘크리트가 H형강(20)에 정착할 수 있도록 스터드 볼트(40)가 고정되며,
    상기 절곡 철판(10)은 내화강 재질로 이루어지고, 양단부가 상기 H형강(20)의 플랜지(22) 단부 외면에 각각 용접 접합되는 것을 특징으로 하는 H형강과 절곡 철판을 이용한 CFT 합성기둥.
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