KR101804171B1 - 수직내다이아프램이 내장된 cft기둥 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CFT기둥 구조체에 관한 것으로서, 한 쌍의 외플레이트와 다른 한 쌍의 내플레이트가 서로 직교하여 내부에 사각단면의 폐쇄된 공간이 형성되고, 상기 한 쌍의 외플레이트 사이에는 보구조체가 접합되는 위치에서 수직내다이아프램이 수직방향으로 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

수직내다이아프램이 내장된 CFT기둥 구조체{CFT COLUMN STRUCTURE WITH THE VERTICAL INTERNAL DIAPHRAGM}
본 발명은 CFT기둥 구조체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 H형강 기둥의 단면을 개선하면서 내부에 타설되는 콘크리트 구속효과 및 효율적인 단면구성으로 강재량을 절감하고, 내부에 다이아프램을 선 조립하여 현장 작업량을 대폭 감소시킬 수 있는 CFT기둥 구조체의 단면 구조에 관한 것이다.
H형강으로 제작되는 기둥은 철골보와의 접합이 용이하나, 고가이면서 강축과 약축이 존재하는 문제점으로 인하여 최근에는 CFT(콘크리트 충전강관, Concrete Filled Steel Tube) 구조의 기둥이 각광을 받고 있다.
CFT기둥은 철골과 콘크리트의 장점을 결합한 합리적인 구조형식으로, 외피를 이루는 강관의 구속효과에 의한 내부 충전 콘크리트의 내력 상승효과와 콘크리트에 의한 강관의 좌굴보강효과로 부재의 내력을 증가시키면서 단면의 크기를 감소시킬 수 있으며, 특히 초고층 구조의 기둥에서 요구되는 고축력, 고연성의 우수성을 장점으로 하고 있다.
그런데 CFT기둥은 그 자체만으로는 매우 큰 축력을 지지할 수 있다는 구조적 장점이 있으나, 철골보 등의 보부재와 접합하는 경우에는 보부재에 의한 인장응력으로 인해 CFT기둥을 구성하는 얇은 외피(철판)이 찢어져 국부 파괴가 일어나거나 심한 경우 접합부가 조기에 파단되는 경우가 발생되는 문제점이 있다.
따라서 보부재와의 접합시에는 CFT기둥의 외피를 이루는 강관의 국부손상을 방지하기 위하여 다이아프램(diaphram)이라는 보강수단을 사용하여 보부재에 의한 휨하중에 대응시키는 것이 일반적이다.
이러한 다이아프램은 크게 강관의 내부에 삽입하는 내측 다이아프램방식, 강관의 외면에 테두리 형상으로 설치하는 외측 다이아프램 방식 및, 강관을 관통시켜 내부에 설치하는 관통형 다이아프램 방식으로 설치된다.
도 1은 등록특허공보 등록번호 10-1036851호에 개시된 것으로서, 사각단면의 강관 내부에 다이아프램을 설치하여 CFT기둥을 구축한 예이다.
상기의 CFT기둥은, 강관기둥(10)에서 철골보(20)가 접합되는 부분을 절단하고(S1), 상기 강관기둥(10)의 절단면을 보강 플레이트(30)로 덮고 용접하여(S2), 보강 플레이트(30)를 결합시키는 방식으로 제작된다.
그런데 상기와 같이 보강 플레이트를 설치하기 위하여 강관기둥을 절단하게 되면 기둥의 수직도를 정확하기 유지하기 위한 노력이 별도로 제공되어야 하는 번거로움이 발생된다.
또 상기 보강 플레이트는 기둥에 설치되는 철골보의 상하플랜지가 접하는 위치에 정확하게 설치되어야 하나, 현장에서의 시공오차로 인하여 이를 정확하게 맞추는 것은 그리 용이하지 않으며, 이러한 시공오차를 보정하는 것 역시 많은 작업상의 번거로움을 야기시킨다. 이와 더불어 수평방향으로 설치되는 보강 플레이트는 그 하부에 대한 콘크리트의 밀실한 충진을 방해한다.
KR 10-1036851 B1 KR 0578641 B1
본 발명은 종래기술의 상기한 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 정밀성 및 제작성이 우수하고, 시공오차의 보정 및 보강작업이 용이하여 현장 적용성이 뛰어나며, 강재의 사용량을 절감시켜 경제성을 도모할 수 있는 수직내다이아프램이 내장된 CFT기둥 구조체를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 의하면, 한 쌍의 외플레이트와 다른 한 쌍의 내플레이트가 서로 직교하여 내부에 사각단면의 폐쇄된 공간이 형성되고, 상기 한 쌍의 외플레이트 사이에는 보구조체가 접합되는 위치에서 수직내다이아프램이 수직방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 수직내다이아프램이 내장된 선조립 CFT기둥 구조체가 제공된다.
이때, 상기 외플레이트의 두께를 내플레이트의 두께보다 더 크게 구성시킬 수 있고, 내플레이트의 양측 단은 외플레이트의 내면에 접하게 함으로써, 상기 외플레이트의 양측 단이 내플레이트의 외면으로부터 돌출되어 보강공간부가 형성되게 할 수 있으며, 상기 보강공간부에는 외플레이트의 돌출폭과 일치하는 두께를 가지는 보강플레이트를 부착시킬 수 있다.
본 발명은 CFT기둥 구조체를 절단하지 않고 다이아프램을 설치할 수 있어 제작성이 뛰어나게 되어 경제적인 선조립 CFT기둥 구조체를 제작할 수 있게 한다.
또한 본 발명은 현장에서의 철골보와의 접합부에 대한 시공오차를 용이하게 보정할 수 있고, 내부에 대한 콘크리트의 밀실한 충진으로 고품질의 CFT기둥을 구축할 수 있게 한다.
또한 본 발명은 철골보와의 강접합되는 부위에 대하여 다중의 다이아프램을 설치한 효과를 가지게 함으로써 효율적인 모멘트 접합구조를 가지게 할 뿐 아니라, H형강기둥과의 이음접합에 대하여도 접합구조를 단순화시켜 경제성을 도모할 수 있게 하고, 응력의 전달을 명확하게 하여 구조적인 안정성을 향상시키게 한다.
도 1은 종래기술에 의한 CFT기둥 내부에 다이아프램이 설치되는 예를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 CFT기둥 구조체를 나타낸 사시도 및 각 단면도이다.
도 3은 본 발명의 CFT기둥 구조체에 철골보를 접합시킨 상태를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 CFT기둥 구조체를 제작하는 과정을 설명하기 위한 분리사시도 및 단계별 각 단면도이다.
도 5는 일반적인 CFT기둥과 본 발명에 의한 CFT기둥의 콘크리트 충진상태를 비교한 단면도이다.
도 6은 일반적인 CFT기둥과 본 발명에 의한 CFT기둥에 각각 H형강기둥을 접합시킨 구조를 비교한 단면도이다.
도 7은 일반적인 CFT기둥과 본 발명에 의한 CFT기둥에 각각 철골보를 접합상태를 비교한 단면도이다.
도 8은 본발명의 CFT기둥 구조체에 보강플레이트를 설치하는 예의 분리 사시도이다.
도 9는 상기 보강플레이트에 의한 작용효과를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 상기 보강플레이트에 연결플레이트가 더 구비된 상태를 나타낸 사시도이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명을 설명함에 있어 공지의 구성을 구체적으로 설명함으로 인하여 본 발명의 기술적 사상을 흐리게 하거나 불명료하게 하는 경우에는 위 공지의 구성에 관한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 CFT기둥 구조체는 내부에 콘크리트가 충진될 수 있도록 설치장소 이외의 곳에서 선조립되고, 현장으로 이송 및 설치된 후 콘크리트(C) 타설을 통해 건축물의 기둥을 형성시키는 것으로서, 특히 일방향 모멘트 구조를 가지는 건축물을 구축에 매우 유리한 구조를 가지는 것이다.
도 2는 이러한 본 발명의 일 실시예에 의한 CFT기둥 구조체(100)를 나타낸 사시도 및 각 단면도이고, 도 3은 상기 CFT기둥 구조체(100)에 철골보(200)를 접합시킨 상태를 나타낸 사시도이다.
상기의 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 CFT기둥 구조체(100)는, 한 쌍의 외플레이트(110)와 다른 한 쌍의 내플레이트(120)가 서로 직교하여 내부에 사각단면의 폐쇄된 공간(S)이 형성되도록 구성된다.
상기의 폐쇄된 내부의 공간(S)에는 콘크리트(C)가 타설됨으로써 보 등의 수평구조체를 통해 전달되는 건축물의 하중을 지지하는 본기둥인 CFT기둥이 만들어진다.
본 발명의 CFT기둥 구조체(100)에는 일방향의 각 면에 철골보(200) 등의 보구조체가 모멘트 접합구조를 가지면서 접합되는 바, 이를 위하여 그 내부에 수직내다이아프램(130)이 설치된다.
상기의 수직내다이아프램(130)은 서로 대향하는 한 쌍의 외플레이트(110) 사이에 설치되어 철골보(200)와의 접합부에서 발생되는 휨모멘트에 대하여 기둥의 전단면이 저항할 수 있게 한다.
따라서 상기의 수직내다이아프램(130)은 외플레이트(110)의 내측에서 철골보(200)가 접합되는 위치에 설치되어야 하나, 일반적으로 내다이아프램(D)이 철골보(200)의 플랜지(210,220) 위치에서 수평방향으로 설치되는 것과는 달리, 본 발명에서는 상하의 수직방향으로 설치되는 것을 중요한 기술적 특징으로 하고 있다.
즉 본 발명의 CFT기둥 구조체(100)는 수직내다이아프램(130)의 상하부에 철골보(200)의 상부플랜지(210)와 하부플랜지(220)가 함께 접합되는 구조를 가진다.
이러한 수직내다이아프램(130)은 다음과 같은 작용효과를 가지게 한다.
첫째, CFT기둥 구조체(100)의 제작을 용이하게 한다.
도 4는 수직내다이아프램(130)을 설치하여 본 발명의 CFT기둥 구조체(100)를 제작하는 과정을 설명하기 위한 분리사시도 및 단계별 각 단면도이다.
도 4의 (a)에서와 같이, 폐쇄된 사각단면으로 형성된 CFT기둥 구조체(100)의 각 외플레이트(110)에 상하로 길게 다이아프램 설치홀(112)을 서로 대향되도록 형성시키고, 수직내다이아프램(130)을 상기 다이아프램 설치홀(112)에 끼워 넣은 후, 수직내다이아프램(130)의 각 테두리를 용접함으로써 그 설치가 완료된다.
이때 수직내다이아프램(130)과 외플레이트(110) 사이의 용접이 용이하게 이루어지도록 상기 다이아프램 설치홀(112)은 외향으로 벌어지는 경사홈의 형상으로 형성시키는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명은 CFT기둥 구조체(100)를 수평으로 절단하지 않으면서 다이아프램 설치홀(112)의 구성만으로 수직내다이아프램(130)을 설치할 수 있어 다이아프램의 설치가 매우 용이하고, CFT기둥 구조체(100)의 수직도를 조정해야 할 필요성이 없게 된다.
더욱이 수직내다이아프램(130)은 단부 테두리의 전체면이 외플레이트(110)에 용접되기 때문에 응력의 분산 전달이 보다 명확하게 이루어지게 할 수 있다.
둘째, 콘크리트(C)의 밀실한 충진이 가능해 고품질의 CFT기둥이 구축될 수 있게 한다.
도 5는 일반적인 내다이아프램(D)이 설치된 CFT기둥과 본 발명의 수직내다이아프램(130)이 설치된 CFT기둥의 콘크리트 충진상태를 비교한 것이다.
CFT기둥의 품질성은 콘크리트 충진상태에 크게 의존된다. 즉 강판에 의해 폐쇄된 단면의 내부에 콘크리트가 밀실하게 충진되어야만 상기 강판에 의한 콘크리트 구속효과가 발휘될 수 있다.
그런데 종래와 같이 수평방향으로 내다이아프램(D)이 설치된 경우에는 도 5의 (a)에서와 같이 상기 내다이아프램(D)의 하부에 공극(h)이 생길 여지가 있고, 이러한 공극(h)의 유무는 확인 자체가 용이하지 아니한 바, CFT기둥의 품질에 대한 신뢰성이 떨어질 수 밖에 없게 된다.
이에 반하여 수직방향으로 수직내다이아프램(130)이 설치되는 본 발명의 경우는 도 5의 (b)에서와 같이 사각단면의 내부에 공극(h)이 생길 여지가 전혀 없으며, 콘크리트(C)를 타설하면서 그 충진상태를 육안으로 확인할 수 있는 바, 높은 신뢰성을 가지는 고품질의 CFT기둥이 구축될 수 있게 된다.
셋째, H형강기둥(300)과의 접합작업이 매우 용이하며 응력전달이 명확하다.
도 6은 일반적인 CFT기둥과 본 발명에 의해 구축된 CFT기둥에 각각 H형강기둥(300)을 접합시킨 구조를 비교한 것이다.
예컨대, 지하층의 기둥을 CFT기둥으로 구축하고, 지상층에 대하여는 H형강기둥(300)으로 구축하게 되는 경우, 일반적인 경우에는 도 6의 (a)에서와 같이 상부의 H형강기둥(300)의 웨브(310)에 의해 전달되는 하중이 하부로 전달될 수 있도록 CFT기둥의 상단에 두꺼운 베이스플레이트(400)가 설치된다.
그러나 본 발명의 경우는 수직내다이아프램(130)이 H형강기둥(300)의 웨브(310)에 맞접합될 수 있어 응력전달이 명확하게 이루어질 뿐 아니라, 상기와 같은 베이스플레이트(400)를 설치할 필요가 없어 경제적일 뿐 아니라, 베이스플레이트(400) 설치에 기인하는 작업의 번잡성이 제거된다.
넷째, 시공오차의 보정이 매우 용이하게 된다
탑다운(Top-Down) 공법에서 지중에 기둥부재를 시공하는 경우 상기 기둥부재의 정확한 수직도를 가지도록 시공하는 것이 바람직하나, 이러한 기둥부재의 정밀시공은 토질의 상황에 따라 현실적으로 매우 곤란한 경우가 많다.
따라서 기둥부재와 보부재의 접합부위에 대한 시공오차가 발생할 여지가 있게 되는데, 본 발명은 수직내다이아프램(130)의 상하 길이에 여유를 둠으로써 상기한 시공오차를 매우 용이하게 보정할 수 있게 한다
도 7은 내다이아프램(D)이 수평방향으로 설치되는 일반적인 CFT기둥과 수직내다이아프램(130)이 수직으로 설치되는 본 발명의 CFT기둥에 각각 H형강 철골보(200)를 접합상태를 비교한 것이다.
즉 일반적인 CFT기둥에 설치된 내다이아프램(D)은 적어도 철골보(200)의 상부플랜지(210)와 일치되는 위치에 설치되어야 하나, 상기 내다이아프램(D)은 상하방향에 대한 여유의 두께를 가지는 것이 용이하지 않기 때문에 도 7의 (a)에서와 같이 오차보정에 한계가 있게 된다.
그러나 본 발명은 수직내다이아프램(130)의 상하 길이에 대하여 여유를 갖게 하는 것이 용이하기 때문에 도 7의 (b)에서와 같이 오차보정에 제한이 없게 된다. 이러한 여유길이(ℓ)는 건축물이 건축되는 시공현장의 상황에 따라 달라질 수 있으나, 대략 상하방향으로 각 15cm정도이면 족하다고 할 수 있다.
CFT기둥 구조체(100)는 외플레이트(110)와 내플레이트(120)를 동일한 강판으로 구성시킬 수도 있으나, 바람직하게는 수직내다이아프램(130)이 설치되는 외플레이트(110)의 두께(t₁)를 내플레이트(120)의 두께(t₂)보다 더 크게 구성시킨다.
이러한 외플레이트(110)의 두꺼운 단면 구성은 철골보(200)와 강접합된 부위에 작용하는 큰 휨모멘트에 의한 CFT기둥 구조체(100)의 국부변형을 방지하면서 효율적인 일방향 모멘트 접합구조를 구성할 수 있게 한다.
다른 한편으로 본 발명의 CFT기둥 구조체(100)의 내플레이트(120)에는 철골보(200)가 핀접합구조로 접합되는 바, 이러한 접합부위의 전단보강을 위한 보강플레이트(140)가 더 설치될 수 있다.
도 8은 보강플레이트(140)가 설치된 본 발명의 CFT기둥 구조체(100)에서 상기 보강플레이트(140)를 분리시킨 사시도이다.
상기 보강플레이트(140)는 수직내다이아프램(130)이 설치되는 위치에 부착되는데, 도 8에 도시된 바와 같이, 내플레이트(120)의 양측 단이 외플레이트(110)의 내면(111)에 접하는 방식으로 CFT기둥 구조체(100)의 사각단면을 구성시키고, 외플레이트(110)의 양측단이 내플레이트(120)의 외면(121)으로부터 돌출되도록 함으로써 내측으로 오목하게 형성되는 보강공간부(R)에 설치하는 것이 바람직하다.
이러한 보강공간부(R)는 보강플레이트(140)의 설치를 용이하게 하여 시공성을 향상시킬 뿐 아니라, 휨모멘트에 의한 인장력에 대하여 수직내다이아프램(130) 및 내플레이트(120)를 포함하여 5개의 플레이트가 저항하는 구조를 가지게 하여 매우 안정된 모멘트 접합구조를 가지게 한다. 도 9는 이를 개념적으로 설명한 것이다.
이때 상기의 보강공간부(R)를 형성시키기 위하여 내플레이트(120)의 외면(121)으로부터 돌출된 외플레이트(110)의 돌출폭(d)은 상기 보강플레이트(140)의 두께(t₃)와 일치되도록 한다.
상기의 돌출폭(d)이 보강플레이트(140)의 두께(t₃)보다 크게 되면, 즉 보강공간부(R)가 지나치게 깊게 형성되는 경우에는 철골보(200)를 그 사이에 끼워넣어야 하나, 지중에서 실시되는 역타공법에서는 이러한 철골보(200)의 끼움 설치작업이 현실적으로 불가능하여 그 적용이 어렵게 된다.
이와 반대로 상기의 돌출폭(d)이 보강플레이트(140)의 두께(t₃)보다 작게 되면, 보강플레이트(140)의 일부 단면이 외플레이트(110)의 내면(111)으로부터 벗어나게 되므로 상기한 휨모멘트의 보강능력이 저하되는 문제점이 있게 된다.
외플레이트(110)의 돌출폭(d)과 보강플레이트(140)의 두께(t₃)가 불일치됨으로써 발생되는 상기한 문제점과 더불어, 이들을 일치시키게 되면 그 외면은 사각박스형상을 가지게 되는 바, 현장의 필요에 따라 수평방향의 외다이아프램 등의 또 다른 보강부재(미도시)의 설치를 용이하게하는 이점이 있다.
상기 보강플레이트(140)에는 도 10에 도시된 바와 같이, 또다른 철골보와의 핀결합구조를 가질 수 있도록 하는 연결플레이트(150)가 수직으로 더 설치될 수 있다. 상기 연결플레이트(150)는 사각단면의 대각선을 중심으로 대칭이 되도록 설치되는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명은 구체적인 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였으나, 상기 실시 예는 본 발명을 이해하기 쉽도록 하기 위한 예시에 불과한 것이므로, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이를 다양하게 변형하여 실시할 수 있을 것임은 자명한 것이다. 따라서 그러한 변형 예들은 청구범위에 기재된 바에 의해 본 발명의 권리범위에 속한다고 할 것이다.
100; CFT기둥 구조체 110; 외플레이트
111; 외플레이트의 내면 112; 다이아프램 설치홀
120; 내플레이트 121; 내플레이트의 외면
130; 수직내다이아프램 140; 보강플레이트
150; 연결플레이트 200; 철골보
210; 상부플랜지 220; 하부플랜지
300; H형강기둥 310; 웨브
400; 베이스플레이트

Claims (5)

  1. 한 쌍의 외플레이트(110)와 다른 한 쌍의 내플레이트(120)가 서로 직교하여 내부에 사각단면의 폐쇄된 공간(S)이 형성되고, 상기 한 쌍의 외플레이트(110) 사이에는 보구조체가 접합되는 위치에서 상하방향으로 여유길이(ℓ)를 가지는 수직내다이아프램(130)이 수직방향으로 설치되는 것으로서,
    상기 외플레이트(110)의 두께(t₁)는 내플레이트(120)의 두께(t₂)보다 더 크게 구성되고,
    상기 내플레이트(120)의 양측 단은 외플레이트(110)의 내면(111)에 접함으로써, 상기 외플레이트(110)의 양측 단은 내플레이트(120)의 외면(121)으로부터 돌출되어 보강공간부(R)를 형성시키며,
    상기 보강공간부(R)에는 수직내다이아프램(130)이 설치되는 위치에 보강플레이트(140)가 부착되되, 상기 보강플레이트(140)의 두께(t₃)는 내플레이트(120)의 외면(121)으로부터 돌출된 외플레이트(110)의 돌출폭(d)과 일치하도록 구성되고,
    상기 보강플레이트(140)에는 보구조체와의 핀결합구조를 가질 수 있도록 하는 연결플레이트(150)가 수직으로 설치되는 것을 특징으로 하는 수직내다이아프램(130)이 내장된 선조립 CFT기둥 구조체.
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