KR101627512B1 - 콘크리트 구조물용 ｈ-파일 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 콘크리트 구조물용 H-파일은 토목 또는 건축 구조물의 하부에 배치되며, 하부 웹 및 상기 하부 웹의 양측에 수직하게 배치되는 한 쌍의 플랜지를 포함하는 하부지지부 및 상기 토목 또는 건축 구조물의 콘크리트 내부에 배치되고, 상기 하부 웹에서 상부로 연장 형성되는 상부 웹을 포함하여, 한 쌍의 상기 플랜지를 포함하는 상기 하부지지부와 비교하여 상대적으로 단면2차모멘트 및 강성을 감소시켜 상기 콘크리트의 파손을 방지하는 상부지지부를 포함한다.

Description

콘크리트 구조물용 Ｈ-파일{H-Pile for Concrete Structure}

본 발명은 콘크리트 구조물용 H-파일에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 토목 또는 건축 구조물의 지반 기초공사에 사용되는 H-파일의 콘크리트 내부에서 발생하는 응력집중 및 강성을 감소하고, 수평변위가 용이한 콘크리트 구조물용 H-파일에 관한 것이다.

통상적으로 토목 또는 건축 구조물을 시공하고자 하는 대상 지반이 연약지반인 경우에는, 기초지반을 보강하기 위해서 약액 주입공법, 콘크리트 또는 강관파일 등을 이용한 파일기초 보강공법 등의 기초지반 개량공법이 선행되며, 이러한 기초지반 개량을 행한 후, 파일 두부 상단에 상부 구조물의 골조를 연결한 다음, 매설 콘크리트 또는 강관파일과 연결되는 기둥용 콘크리트를 타설하게 된다.

교량의 교대와 같은 토목 또는 건축 구조물의 기초부에 삽입되는 H-파일의 상부 길이는 H-파일의 단면 최대 치수의 1배 이상으로 요구된다. 콘크리트에 매입되는 H-파일의 상단부에는 주위 온도 변화로 인한 상부구조의 신축에 의해 발생하는 교대변위, 교대변위에 의해 발생하는 수동 토압 및 H-파일에 작용하는 수평력 또는 휨 모멘트에 의해 국부지압응력이 매우 크게 증가하게 되고, 이는 일차적으로 콘크리트와 H-파일 간의 부착파괴를 일으키고, 궁극적으로 H-파일의 플랜지면을 따라 콘크리트를 파괴시킬 뿐만 아니라 콘크리트의 외면 측단까지 할렬인장파괴 또는 지압파괴시킬 수 있다.

또한, H-파일이 매입되어 있는 콘크리트는 H-파일의 양측 플랜지 및 웹에 의해 구속되는데, 상부에서 수직으로 작용하는 하중이나 진동 또는 콘크리트와 H-파일의 부착면이 파괴되면 양측 플랜지와 웹 사이의 공간이 채워진 콘크리트의 구속효과가 감소되어 작용 연직하중에 대한 구조적 성능을 저감시키고, 접합부에서의 저항 메커니즘에 문제를 발생시킬 수 있다.

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따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 토목 또는 건축 구조물의 지반 기초공사에 사용되는 H-파일의 콘크리트 내부에서 발생하는 응력집중 및 강성을 감소하고, 수평변위가 용이한 콘크리트 구조물용 H-파일을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 콘크리트 구조물용 H-파일은 토목 또는 건축 구조물의 하부에 배치되며, 하부 웹 및 상기 하부 웹의 양측에 수직하게 배치되는 한 쌍의 플랜지를 포함하는 하부지지부 및 상기 토목 또는 건축 구조물의 콘크리트 내부에 배치되고, 상기 하부 웹에서 상부로 연장 형성되는 상부 웹을 포함하여, 한 쌍의 상기 플랜지를 포함하는 상기 하부지지부와 비교하여 상대적으로 단면2차모멘트 및 강성을 감소시켜 상기 콘크리트의 파손을 방지하는 상부지지부를 포함한다.

또한, 상기 상부 웹은 상기 콘크리트에 가해지는 응력집중을 완화하기 위하여 모서리부를 모따기 또는 라운딩 처리할 수 있다.

또한, 상기 하부지지부 및 상부지지부의 경계면에는 상기 H-파일의 단면에 대응되는 지지판이 더 구비될 수 있다.

또한, 지면에 매설되는 상기 H-파일의 상기 하부지지부의 상기 플랜지 일측에는 홈이 형성될 수 있다.

다른 카테고리로써 본 발명의 목적을 달성하기 위한 콘크리트 구조물용 H-파일은 웹 및 상기 웹의 양측에 수직하게 배치되는 한 쌍의 플랜지를 포함하고, 하부는 토목 또는 건축 구조물의 하부 지면에 배치되며, 상부는 상기 토목 또는 건축 구조물의 콘크리트 내부에 배치되는 H-파일 및 상기 지면에 매설되는 상기 플랜지의 하부 일측에 형성되어 상기 콘크리트 내부에 배치되는 상기 H-파일의 상부의 강성이 상기 지면에 배치되는 상기 H-파일의 하부 강성보다 상대적으로 크게 하여 상기 H-파일의 상기 콘크리트 외부에서의 강성을 감소하고, 수평변위가 용이하도록 하는 홈을 포함한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 콘크리트에 매입되는 H-파일의 상단부가 웹만으로 이루어짐으로써 콘크리트와 비교하여 상대적으로 강성이 큰 H-파일의 모서리부의 수가 감소하여 국부응력을 감소시킴으로써 콘크리트의 할렬인장파괴(Splitting Tensile Failure) 및 지압파괴(Bearing Failure)를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

둘째, H-파일의 상단 웹의 모서리부를 모따기 또는 라운딩 처리하여 응력집중을 최소화함으로써 콘크리트의 파손 위험을 보다 감소시킬 수 있다.

셋째, 웹만으로 이루어진 상단 부분과 웹 및 플랜지로 이루어진 부분 사이에 지지판을 구비하여 콘크리트의 타설을 용이하게 하고, H-파일의 수직력을 향상시킬 수 있으며, 타설된 콘크리트의 하중 지지에 용이한 효과가 있다.

넷째, 콘크리트에 매입되는 웹의 중심에 스터드를 형성함으로써 콘크리트와 H-파일의 구속효과를 향상시키고, H-파일의 인발 저항력을 향상시키고, 수평력에 대한 저항을 향상시킬 수 있다. 즉, 종래의 H-파일과 비교하여 부피 및 질량이 감소하지만, 스터드가 구비됨에 따라 종래의 H-파일과 비교하여 상대적으로 콘크리트와 H-파일의 구속효과를 향상시킴으로써, 토양의 침하 등과 같은 문제가 발생하더라도 H-파일과 콘크리트가 견고하게 구속되는 효과가 있다.

다섯째, 토양에 매설되는 H-파일의 하부 플랜지에 복수의 홈이 형성되어 H-파일의 콘크리트 외부에서의 강성을 감소시키고, 수평변위가 용이한 효과가 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 H-파일의 사시도;
도 2는 본 발명의 변형예에 따른 H-파일의 사시도;
도 3은 본 발명의 다른 변형예에 따른 H-파일의 사시도;
도 4는 본 발명의 다른 변형예에 따른 H-파일의 사시도;
도 5는 본 발명의 다른 변형예에 따른 H-파일의 사시도;
도 6은 본 발명의 다른 변형예에 따른 H-파일의 사시도; 및
도 7은 본 발명에 따른 H-파일의 사용 상태도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 H-파일의 사시도이다. 본 발명에 따른 H-파일(H-Pile)(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 하부는 하부 웹(100) 및 하부웹(100)의 양측에 수직하게 배치되는 한 쌍의 플랜지(200)가 구비된 하부지지부 및 H-파일(10)의 상부는 플랜지(200)가 제거되어 하부 웹(100)에서 상부로 연장되는 상부 웹(100)만으로 구성도니 상부지지부로 이루어진다. 이때, 플랜지(200)가 제거되어 상부 웹(100)만으로 이루어진 H-파일(10)의 상부지지부의 길이는 토목 또는 건축 구조물의 콘크리트(500)가 타설되어 그 콘크리트(500) 내부에 삽입되는 길이에 대응되도록 하고, 400mm 내지 500mm, 바람직하게는 450mm인 것이 좋다. 기존의 H-파일은 플랜지의 상단 모서리 부분이 4개 존재하고, 이 부분에서 응력 집중이 발생하고, 이로 인해 상대적으로 강성이 약한 콘크리트(500)의 파손이 발생한다. 하지만, 본 발명에 따른 H-파일(10)은 콘크리트(500)가 타설되는 상부지지부가 플랜지(200) 없이 상부 웹(100)만으로 이루어져 있기 때문에, 기존의 H-파일과 비교하여 상대적으로 강성이 감소하여 콘크리트(500)의 파손을 최소화할 수 있다. 강성은 다음의 [수학식 1]에 의해 산출될 수 있다.

여기서, E는 탄성율이고, I는 단면2차모멘트를 의미한다.

[수학식 1]을 이용하여 도 1에 도시된 X-X축에 대한 기존의 H-파일 및 본 발명에 따른 H-파일(10)의 단면2차모멘트를 비교하기로 한다. 종래의 플랜지가 형성된 H-파일의 단면2차모멘트는 다음의 [수학식 2]와 같이 산출할 수 있다.

반면, 본 발명에 따른 H-파일(10)의 단면2차모멘트는 다음의 [수학식 3]과 같이 산출할 수 있다.

여기서, [수학식 2] 및 [수학식 3]에서 I_xx는 X-X축에 대한 단면2차모멘트이고, D는 웹의 폭, t_w는 웹의 두께, t_f는 플랜지의 두께, b_f는 플랜지의 폭을 의미한다.

[수학식 2]와 [수학식 3]을 비교하면, [수학식 3]에서는 H-파일(10)의 플랜지(200)가 제거되어 플랜지(200)에서 발생하는 단면2차모멘트 값이 없기 때문에, 종래의 H-파일과 비교하여 상대적으로 I_xx값이 감소한다. 따라서, [수학식 1]에 의해 강성 역시 감소하게 된다.

도 2는 본 발명의 변형예에 따른 H-파일의 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전술한 구성으로 이루어진 H-파일(10)의 상부 웹(100) 모서리 부분에서 발생하는 응력집중을 완화하기 위하여 모서리 부분을 모따기하여 응력 집중을 완화하여 콘크리트(500)의 파손을 최소화할 수 있다. 본 발명의 도면 및 설명에서 모따기로 설명하였으나, 모따기 대신 모서리 부분을 라운드 지게 라운딩할 수도 있음은 자명하다. 이때, 모따기 길이는 가로 세로 80mm 내지 120mm, 바람직하게는 100mm로 모따기를 수행하는 것이 좋고, 모따기의 길이는 H-파일(10)의 크기에 따라 자유롭게 변경 가능하다.

도 3은 본 발명의 다른 변형예에 따른 H-파일의 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 H-파일(10)은 플랜지(200) 없이 상부 웹(100)만으로 이루어진 상부지지부와 하부지지부의 경계면에 H-파일(10)의 단면에 대응되는 지지판(300)이 더 구비된다. 이러한 지지판(300)이 더 구비됨으로써 H-파일(10)의 수직력이 향상되고, 콘크리트(500)의 타설이 용이해진다. 또한, 지지판(300)이 타설된 콘크리트(500) 하단면을 지지하기 때문에 콘크리트(500)의 하중 지지에 용이하다. 이때, 지지판(300)의 두께는 10mm 내지 20mm인 것이 좋고, 바람직하게는 15mm인 것이 좋다.

도 4는 본 발명의 다른 변형예에 따른 H-파일의 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 H-파일(10)은 상부에 상부 웹(100)로만 이루어진 부분의 중심 일측에 관통공이 형성되고, 관통공에 스터드(400)가 삽입된다. 이때, 관통공에 삽입된 스터드(400)는 용접 등을 통해 결합될 수 있으며, 관통공이 형성되지 않고, 제조 시 스터드(400)가 일체로 제조될 수도 있다. 이와 같은 스터드(400)가 형성됨에 따라 토목 또는 건축 구조물의 흔들림과 같은 수평력 및 모멘트에 대한 저항력인 수평 저항력이 증가된다. 또한, 스터드(400)의 상, 하로 콘크리트(500)가 충진되어 있기 때문에, 토양의 침하 시 파일이 콘크리트(500)의 외부로 이탈되지 않고, 상부 웹(100) 만으로 이루어져 종래의 H-파일과 비교하여 콘크리트(500)의 접촉 면적이 감소하였지만, 콘크리트(500)의 구속 효과를 오히려 향상 시킬 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 변형예에 따른 H-파일의 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 H-파일(10)은 H-파일(10)의 강성을 콘크리트(500) 외부에서 감소시키고, 수평변위가 용이하도록 H-파일(10)의 하부, 즉, 하부 웹(100) 및 플랜지(200)가 모두 형성되어 지반에 매설되는 하부지지부의 플랜지(200)에 복수의 홈(210)이 형성된다. 이와 같이 지반에 매설되는 부분의 플랜지(200)에 복수의 홈(210)이 형성됨에 따라 H-파일(10)의 콘크리트(500) 외부에서의 강성은 감소하고, 수평변위가 용이해진다. 이러한 수평변위(횡변위)는 H-파일(10)의 콘크리트(500) 내부에 배치되는 부분이 지면에 매입되는 부분보다 상대적으로 강성이 커야 용이하게 발생한다. 즉, 수평변위가 용이하기 위해서는 H-파일(10)의 내부 강성이 H-파일(10)의 외부 강성보다 커야한다. 하지만, 도 5에 도시된 바와 같이, 콘크리트(500) 내부에 배치되는 부분이 상부 웹(100) 만으로 이루어진 경우에는 콘크리트(500) 내부에 배치된 부분의 강성이 지면에 매입되는 하부 지지부와 비교하여 상대적으로 강성이 작기 때문에 수평변위가 용이하지 않을 수 있다. 그렇기 때문에, 콘크리트(500) 내부에 배치되는 부분의 강성을 지면에 매입되는 부분의 강성보다 상대적으로 크게 하기 위하여 도 6에 도시된 바와 같이, 콘크리트(500) 내부에 배치되는 H-파일(10)의 상부 지지부는 하부 지지부와 마찬가지로 웹(100) 및 플랜지(200)가 모두 형성되도록 할 수 있다. 이와 같이, 상부 지지부가 하부 지지부와 마찬가지로 웹(100) 및 플랜지(200)로 형성되면 상부 지지부 및 하부 지지부의 강성이 동일하지만, 하부 지지부의 플랜지(200) 부분에는 복수의 홈(210)이 형성됨에 따라 상부 지지부와 비교하여 상대적으로 강성이 작아지고, 이로 인해 수평변위가 용이해 진다. 이때, 복수의 홈(210)은 H-파일(10)의 길이 방향을 따라 반타원 형상으로 이루어진다. 하지만, 이러한 홈(210)의 형상은 반타원 형상으로 한정되지 않고, 사용양태, H-파일(10)이 매립되는 토양의 상태 등을 고려하여 다양하게 형성할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 H-파일의 사용 상태도이다. 전술한 구성으로 이루어진 H-파일(10)은 도 7에 도시된 바와 같이, 하부 웹(100)과 플랜지(200)가 모두 구비된 부분, 즉, 지지판(300)의 하부인 하부지지부는 지면이 매설된다. 이때 지면에 매설되는 H-파일(10)의 플랜지(200)에는 복수의 홈(210)이 형성되어 있기 때문에 H-파일(10)의 수평변위가 용이하고, 지면에서의 강성이 감소된다.

그리고 지지판(300)의 상부, 즉, 플랜지(200)가 제거되고, 웹(100)만으로 이루어진 상부지지부에는 토목 또는 건축 구조물의 콘크리트(500)가 타설된다. 이때, H-파일(10)의 상부는 상부 웹(100)만으로 이루어지고, 상부 웹(100)의 모서리부는 모따기가 되어있기 때문에 강성 및 응력집중이 감소되어 콘크리트(500)의 파손율을 최소화할 수 있다. 또한, 스터드(400)가 구비되어 있기 때문에 토목 또는 건축 구조물의 흔들림 등에 대한 수평 저항력이 향상된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : H-파일
11 : 하부지지부
12 : 상부지지부
110 : 하부 웹
120 : 상부 웹
200 : 플랜지
210 : 홈
300 : 지지판
400 : 스터드
500 : 콘크리트

Claims (5)

1. 토목 또는 건축 구조물의 하부에 배치되며, 하부 웹 및 상기 하부 웹의 양측에 수직하게 배치되는 한 쌍의 플랜지를 포함하는 하부지지부;
   상기 토목 또는 건축 구조물의 콘크리트 내부에 배치되고, 상기 하부 웹에서 상부로 연장 형성되는 상부 웹을 포함하여, 한 쌍의 상기 플랜지를 포함하는 상기 하부지지부와 비교하여 상대적으로 단면2차모멘트 및 강성을 감소시켜 상기 콘크리트의 파손을 방지하는 상부지지부;
   상기 하부지지부 및 상부지지부의 경계면에는 H-파일의 단면에 대응되는 지지판; 및
   상기 상부 웹의 중심 일측에는 상기 상부 웹과 수직하게 구비되는 스터드;를 포함하고,
   상기 상부 웹은 상기 콘크리트에 가해지는 응력집중을 완화하기 위하여 모서리부를 모따기 또는 라운딩 처리되며,
   지면에 매설되는 H-파일의 상기 하부지지부의 상기 플랜지 일측에는 홈이 형성되는 콘크리트 구조물용 H-파일.
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