KR101895898B1 - 내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록이 내장된 cft기둥 - Google Patents

내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록이 내장된 cft기둥 Download PDF

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    • E04C5/06Reinforcing elements of metal, e.g. with non-structural coatings of high bending resistance, i.e. of essentially three-dimensional extent, e.g. lattice girders

Abstract

본 발명은 강관 내부에 수평 철근콘크리트 블록으로 내다이아프램을 구비시켜 기둥의 제작성, 경제성 및, 시공성을 향상시킨 내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록이 내장된 CFT 기둥에 관한 것으로서, 상기 CFT기둥은 폐쇄단면을 가지는 강관과, 철골보의 플랜지가 접합되는 위치를 중심으로 상하로 여유간극이 구비되도록 일정한 두께를 가지는 수평 철근콘크리트 블록이 상기 강관의 내부에 형성되고, 상기 강관에 콘크리트가 타설되는 것을 특징으로 한다.

Description

내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록이 내장된 CFT기둥{CFT COLUMNS WITH HORZONTAL REINFORCED CONCRETE BLOCKS FOR INNER DIAPHRAGM}
본 발명은 단면이 폐쇄된 강관의 내부에 콘크리트를 타설하여 구축하는 합성기둥의 CFT 기둥에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 그 내부에 수평 철근콘크리트 블록으로 내다이아프램을 구비시켜 기둥의 제작성, 경제성 및, 시공성을 향상시킨 내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록이 내장된 CFT 기둥에 관한 것이다.
CFT(콘크리트 충진강관, Concrete Filled Steel Tube)구조는 강관의 폐쇄된 내부 공간에 콘크리트를 충진시킴으로써 철골과 콘크리트의 장점을 취할 수 있도록 한 구조를 말한다.
상기 CFT구조는, 외피를 이루는 강관이 그 내부의 콘크리트를 구속시킴으로써, 상기 콘크리트가 큰 압축력에 의해 급격히 파괴되는 일반적인 현상을 방지하여 상기 콘크리트의 내력을 상승시키고, 다른 한편으로 충진된 콘크리트에 의해 강관의 좌굴내력이 보강되어 부재의 내력을 크게 증가되는 바, 단면의 크기를 감소시켜 경제성을 도모하게 할 뿐 아니라 건축물의 활용공간을 극대화시킬 수 있게 한다.
아울러 상기 CFT구조는 내구성, 내진성 등 구조재로서의 여타 기능이 향상되는 바, 근래에 들어 그 사용량이 대폭 증가하고 있다.
이와 같이 CFT강관은 기둥으로 사용되는 경우 그 기둥 자체만으로는 매우 큰 축력을 지지할 수 있다는 구조적 장점이 있으나, 철골보 등의 보부재와 접합하는 경우에는 보부재에 의한 인장응력으로 인해 CFT강관을 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 설치되고 있으며, 그중 내측 다이아프램방식은 외측 다이아프램 등에서 시공성을 떨어뜨리는 현장에서의 강재 재단, 용접 작업 등의 문제점을 발생시키지 않을뿐더러 외관이 단순하고 깨끗하여 가장 선호되는 보강방식이라고 할 수 있다.
강관의 폐쇄된 단면의 내측에 다이아프램을 설치하기 위해서는 일반적으로 강관을 절단하여 다이아프램을 설치한 후, 다시 절단된 강관을 용접 이음하는 방식이 사용된다. 그런데 이러한 제작방식은 기둥부재에서 가중 중요한 수직도에 오차가 발생할 여지가 있을 뿐 아니라, 제작되는 강관의 규격이 한정되어 있어 특히 대단위 단면의 기둥에 대하여는 적용에 한계가 있다.
강관 내부에 내다이아프램을 설치하는 또 다른 방법으로 강관의 양 대응면에 수평슬릿을 형성시키고 상기 수평슬릿을 관통하도록 강판을 삽입한 후 이를 용접으로 강관과 일체화시키는 방법이 있다. 그러나 이러한 방식은 다이아프램 부재인 강판이 양 단부만 강관에 접합될 뿐 나머지 두 면에는 접합되지 않는 문제점이 있어 다이아프램의 기능을 충분히 발휘하지 못하게 된다.
더욱이 철골보는 적어도 상부플랜지 부분이 상기 다이아프램이 설치된 위치에 접합되어야 하는 것이나, 상기와 같이 판상형의 강판으로 설치된 다이아프램은 상기 철골보의 접합 위치를 제한하기 때문에 현장에서의 시공오차를 보정할 수 있는 여지가 거의 없게 된다.
다른 한편으로 CFT기둥이 콘크리트 구속효과를 제대로 발휘하게 하려면, 강관 내부에 타설되는 콘크리트는 밀실하게 충진되어야 하나, 상기와 같은 판상형의 다이아프램은 콘크리트의 밀실한 충진을 저해하는 요인으로도 작용한다.
이러한 콘크리트의 충진 문제를 해결하는 방안으로 도 1의 CFT용 강관기둥이 제안된 바 있다. 상기 CFT용 강관기둥은 등록특허공보 등록번호 10-1402958호에 게시된 것으로서, 그 구성은 콘크리트(14)가 충진되는 강관기둥(11)과; 보의 설치방향에 대응하여 서로 마주보는 위치에서 강관기둥(11)의 내측면 또는 외측면에 수평으로 용접접합되는 한 쌍의 플랜지플레이트(12)와; 한 쌍의 플랜지플레이트(12) 상호 간을 연결하도록 설치되되, 플랜지플레이트(12) 위에 올려져 전길이 용접접합되는 연결철근(13)으로 이루어진다. 이때 상기 플랜지플레이트(12)는 도 1의 (a)에서와 같이 강관의 외면에 설치될 수도 있고, 도 1의 (b)에서와 같이 강관의 내면에 설치될 수도 있으며, 철골보의 플랜지는 상기 플랜지플레이트(12)에 접합된다.
즉 상기한 도 1의 선행기술은 플랜지플레이트로 하여금 외다이아프램 또는 내다이아프램의 기능을 하게 하면서, 이들 양측의 플랜지플레이트(12)를 연결철근(13)으로 일체화시킴으로써 강관 내부에 대한 콘크리트의 충진성을 향상시키면서 상기 연결철근(13)으로 하여금 응력이 내부 콘크리트에도 전달될 수 있게 한다는 것이다.
그러나 이러한 선행기술의 다이아프램 구조 역시 판상구조를 가지는 것이어서 철골보가 접합해야 하는 위치를 제한하기 때문에 현장에서의 시공오차를 보정하는 것이 용이하지 않을 뿐더러, 연결철근(13) 역시 플랜지플레이트(12)를 연결하는 보조기능만을 하는 것이기 때문에 기둥 단면 전체에 대한 응력전달이 충분히 이루어지지 않게 된다.
KR 10-1402958 B1
본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 콘크리트의 충진성을 충분히 확보할 수 있으면서도 철골보의 모멘트 접합에 의해 발생되는 모든 종류의 하중에 대한 높은 저항능력을 가질 수 있는 구조를 가지는 CFT기둥을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기둥 설치에 대한 현장에서의 시공오차를 쉽게 보정할 수 있게 하여 시공성을 향상시키고 철골보와의 사이에 고품질의 접합구조가 이루어질 수 있게 하는 경제적인 CFT기둥을 제공함에도 또 다른 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 의하면, 폐쇄단면을 가지는 강관과, 철골보의 플랜지가 접합되는 위치를 중심으로 상하로 여유간극이 구비되도록 일정한 두께를 가지는 수평 철근콘크리트 블록이 상기 강관의 내부에 형성되고, 상기 강관에 콘크리트가 타설되는 것을 특징으로 하는 내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록이 내장된 CFT기둥이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 수평 철근콘크리트 블록은, 상하로 상호 이격된 상철근망과 하철근망이 콘크리트에 매립되도록 형성되며, 상기 상,하철근망을 구성하는 종방향 철근과 횡방향 철근의 각 단부는 강관에 고정 설치되되, 강관의 각 외면에 돌출되지 않아 강관 외면이 평탄면을 유지하는 것을 특징으로 하는 내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록이 내장된 CFT기둥이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 강관의 양방향 각 측면에는 수평방향으로 서로 대향하는 통공이 형성되고, 종방향 철근과 횡방향 철근의 각 단부가 상기 통공의 내면에 거치된 상태에서 상기 통공의 내부를 완전용입용접함으로써 강관의 내면에 상,하철근망이 부착 고정되는 것을 특징으로 하는 내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록이 내장된 CFT기둥이 제공된다.
본 발명은 CFT기둥의 구축을 위하여 현장에서 그 내부에 대한 콘크리트 타설시 강관 내부에 자연스럽게 내다이아프램이 형성되므로 내다이아프램의 설치 작업에 매우 간편하고, 상기 내다이아프램은 콘크리트의 충진을 저해하지 않기 때문에 밀실한 충진에 따른 고품질의 CFT기둥이 구축될 수 있게 한다.
또한 본 발명의 내다이아프램은 철골보 접합에 대한 상하의 여유간극을 가지고 있기 때문에 기둥 설치에 관한 현장의 시공오차를 쉽게 보정할 수 있을 뿐 아니라, 동일 기둥에 접합되는 철골보의 규격을 다양하게 적용할 수 있게 하고, 바닥 높이에 단차를 가지는 평면에도 적용할 수 있어 건축물 내 공간의 다양한 연출을 가능하게 하는 범용성의 효과를 효과를 발휘하게 한다.
또한 본 발명의 내다이아프램은 강판을 사용하지 않기 때문에 강재 사용량과 용접량이 줄어들기 때문에 비용이 절감되고, 마감작업이 간략해져 경제적인 CFT기둥을 구축할 수 있게 한다.
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도 1은 종래기술에 의해 강관에 다이아프램을 설치한 상태의 각 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 수평 철근콘크리트 블록을 설치한 CFT기둥의 개념을 설명한 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A 및 B-B 선에서의 각 단면도이다.
도 4는 기둥을 중심으로 단차가 형성된 보 구조에 본 발명을 적용한 예를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명이 내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록을 형성시키기 위하여 강관 내부에 철근들을 배근시킨 상태의 절개 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 발명은 폐쇄단면을 가지는 강관(110)의 내부에 콘크리트(C)를 충진시킨 CFT기둥(100)에 관한 것으로서, 철골보(200)의 모멘트 접합을 가질 수 있도록 그 내부에 설치되는 다이아프램을 통상적인 강판이 아닌 수평 철근콘크리트 블록(120)으로 구성시키는 것을 가장 중요한 기술적 특징으로 한다.
이때 상기 강관(110)은 사각강관인 것이 바람직하나, 원형 또는 다각형의 강관인 경우에도 적용이 가능하다. 다만 여기에서는 설명의 편의상 사각강관을 사용하여 CFT기둥(100)을 형성시키는 경우를 예로 하여 설명한다.
도 2는 이와 같이 CFT기둥(100)에 철골보(200)가 접합된 구조에서의 내다이아프램 기능을 하는 수평 철근콘크리트 블록(120)을 개념적으로 설명하기 위한 사시도이고, 도 3은 상기 상기 수평 철근콘크리트 블록(120)의 구조를 설명하기 위하여 도 2의 A-A 및 B-B 선에서 바라본 각 단면을 도시한 것이다.
상기 수평 철근콘크리트 블록(120)은, 도 2에 도시된 바와 같이 철골보(200)의 플랜지(210,220)가 접합되는 위치를 중심으로 상하 여유간극(△)을 가질 수 있도록, 일정한 두께를 가진다.
따라서 본 발명의 CFT기둥(100)에 접합되는 철골보(200)는 상기 여유간극(△)의 범위 내에서 상하로 위치가 변경되더라도 상기 여유간극(△)의 범위 내에서는 수평 철근콘크리트 블록(120)이 다이아프램의 기능을 유지할 수 있게 되는바, 기둥 설치 등과 관련하여 현장에서 발생할 수 있는 시공오차의 보정을 용이하게 한다.
아울러, 상기한 여유간극(△)은 다양한 규격의 철골보(200)를 접합시킬 수 있게 할 뿐 아니라, 평면의 구조계획상 철골보(200) 단면이 변화되거나 단차가 생길 수 밖에 없는 경우에도 용이하게 적용할 수 있는 범용성의 효과를 가지게 한다.
도 4는 본 발명의 적용에 관한 상기한 예시 중 기둥을 중심으로 단차가 형성될 수 밖에 없는 경우에 본 발명의 내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록(120)이 내장된 CFT기둥(100)을 적용함으로써 이를 해결하는 예를 설명한 것이다.
이러한 내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록(120)은 철골보(200)의 상부플랜지(210)가 접하는 부위에만 설치될 수도 있으나, 바람직하게는 하부플랜지(220)가 접하는 부위에도 함께 설치된다.
도 5는 내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록(120)을 형성시키기 위하여 강관(110)의 내부에 철근들을 배근시킨 상태를 나타낸 절개 사시도이다.
상기 수평 철근콘크리트 블록(120)의 콘크리트(C)에는 상호 이격된 격자형상의 상철근망(121)과 하철근망(122)이 매립되어 형성된다.
즉 상철근망(121)과 하철근망(122)의 각각은 강관(110)의 내부에서 종방향 철근(121a,122a)과 횡방향 철근(121b,122b)이 서로 직각으로 배치되어 격자 형상을 가지도록 구성된다.
이러한 종방향 철근(121a,122a)과 횡방향 철근(121b,122b)의 각 단부는 강관(110)에 직접 고정 설치됨으로써, 강관(110)의 외판을 매개로 하여 전달되는 철골보(200) 단부의 휨응력 및 전단응력에 대한 수평 철근콘크리트 블록(120)으로의 응력전달이 명확하게 이루어지게 한다.
이때 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상철근망(121)과 하철근망(122)을 구성하는 종,횡방향 철근(121a,122a,121b,122b)의 각 단부가 강관(110)의 외면에 돌출되지 않도록 강관(110)에 고정된다.
이는 철골보(200)가 접합될 강관(110)의 외면으로 하여금 평탄면을 유지하게 함으로써 철골보(200)의 접합위치를 자유롭게 선택할 수 있게 하여 앞서 설명한 오차보정, 철골보(200) 규격의 자유로운 변화를 용이하게 한다.
이를 위한 강관(110) 내부에의 종,횡방향 철근(121a,122a,121b,122b) 고정 설치의 일 실시예는 강관(110)의 양방향 각 측면에 수평방향으로 서로 대향하는 통공(111)을 형성시킨 후, 종방향 철근(121a,122a)과 횡방향 철근(121b,122b)을 상기 통공(111)에 각 삽입시켜 양 측이 상기 통공(111)에 걸쳐지게 한다. 물론 종방향 철근(121a,122a)을 위한 통공(111)과 횡방향 철근(121b,122b)을 위한 통공(111)은 상하 방향에 대하여 서로 어긋난 위치에 형성시킴으로써 종방향 철근(121a,122a)과 횡방향 철근(121b,122b)이 서로 간섭되지 않도록 해야 할 것이다.
이때 상기 종,횡방향 철근(121a,122a,121b,122b)의 각 단부는 강관(110)의 외면에 돌출될 수도 있으나, 바람직하게는 그들의 각 길이를 강관(110)의 각 외면 사이의 길이보다 다소 짧게 하여 각 단부가 통공(111)의 내면에 거치되게 하는 것이 바람직하다.
이러한 형상은 종,횡방향 철근(121a,122a,121b,122b)의 단부면이 강관(110) 외면의 통공(111)의 일면을 폐쇄시키면서 용접홈(h)을 형성시키게 하는 바, 상기 통공(111)의 내부에 대하여 완전용입 용접을 가능하게 함으로써 종,횡방향 철근(121a,122a,121b,122b)과 강관(110) 사이에 매우 높은 결합력을 가지게 하면서도, 강관(110) 외면에 대한 그라인딩 등의 마감작업을 간략하게 한다.
물론 앞서 설명한 바와 같이 각 외면 사이보다 길이가 긴 종,횡방향 철근(121a,122a,121b,122b)을 양측의 통공(111)에 거치시킴으로써 양 단부가 강관(110)의 외면으로부터 돌출되게 한 상태에서 이들 사이를 용접한 후, 종방향 철근(121a,122a)과 횡방향 철근(121b,122b)의 각 돌출부분을 절단하는 등의 방식으로 강관(110)의 내부에 상철근망(121)과 하철근망(122)을 설치할 수도 있다.
강관(110) 내부에 종,횡방향 철근(121a,122a,121b,122b)의 설치를 완료시킴으로써 상하로 상호 이격된 상철근망(121)과 하철근망(122)이 설치되면 여기에 콘크리트(C)를 타설함으로써 내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록(120)이 구축되게 한다.
이러한 수평 철근콘크리트 블록(120)의 구축은 CFT기둥(100)의 구축과 별도로 이루어지는 것이 아니라, CFT기둥(100)의 구축을 위하여 강관(110) 내부에 콘크리트(C)를 타설하는 과정중에서 자연스럽게 이루어진다.
즉 강관(110) 내부의 콘크리트(C)는 상기 강관(110)에 의해 구속되면서 기둥 자체에 대한 내력을 향상시키는 CFT기둥(100)을 형성시키면서도 철골보(200)가 접합되는 부위에서는 상,하철근망(121,122)과 함께 수평 철근콘크리트 블록(120)을 형성하여 내다이아프램의 기능을 하게 한다.
이러한 구조의 CFT기둥(100)은 강관(110) 내부에 콘크리트(C)의 충진을 저해하는 요인이 없기 때문에 밀실한 충진을 가능하게 하여 CFT기둥(100)으로서 발휘할 수 있는 작용효과를 완벽하게 발휘할 수 있게 하면서, 철골보(200)의 모멘트 접합을 가능하게 하고 앞서 설명한 바와 같이 철골보(200)의 위치를 자유럽게 변화시킬 수 있음에 따른 다양한 작용효과를 가지게 한다.
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 110; 강관
111; 통공 120; 수평철근콘크리트 블록
121; 상철근망 121a,122a; 종방향 철근
121b;122b; 횡방향 철근 122; 하철근망
200; 철골보 210; 상부플랜지
220; 하부플랜지 h; 용접홈
C; 콘크리트

Claims (3)

  1. 내부에 콘크리트(C)가 충진되는 CFT기둥에 있어서,
    폐쇄단면을 가지는 강관(110)과, 철골보(200)의 플랜지(210,220)가 접합되는 위치를 중심으로 상하로 여유간극(△)이 구비되도록 일정한 두께를 가지는 수평 철근콘크리트 블록(120)이 상기 강관(110)의 내부에 형성되는 것으로서,
    상기 수평 철근콘크리트 블록(120)은, 상하로 상호 이격된 상철근망(121)과 하철근망(122)이 콘크리트(C)에 매립되도록 형성되며, 상기 상,하철근망(121,122)을 구성하는 종방향 철근(121a,122a)과 횡방향 철근(121b,122b)의 각 단부는 강관(110)에 고정 설치되되, 강관(110)의 각 외면에 돌출되지 않아 강관(110) 외면이 평탄면을 유지하고, 상기 강관(110)의 양방향 각 측면에는 수평방향으로 서로 대향하는 통공(111)이 형성되고, 종방향 철근(121a,122a)과 횡방향 철근(121b,122b)의 각 각 길이는 강관(110)의 각 외면 사이의 길이보다 짧게 하여 종방향 철근(121a,122a)과 횡방향 철근(121b,122b)의 각 단부가 상기 통공(111)의 내면에 거치된 상태에서 상기 통공(111)의 내부에 대하여 완전용입 용접을 함으로써 강관(110)의 내면에 상,하철근망(121,122)이 부착 고정되는 것을 특징으로 하는 내다이아프램용 수평 철근콘크리트 블록이 내장된 CFT기둥.
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CN112482607A (zh) * 2020-12-08 2021-03-12 韩里平 一种空心钢管与砌块制备而成的复合墙体

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JPH0596207U (ja) * 1992-06-03 1993-12-27 株式会社熊谷組 鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合構造
JP3049571B2 (ja) * 1991-06-04 2000-06-05 株式会社竹中工務店 ダイアフラム無し鋼管コンクリート柱と梁の接合工法
KR101402958B1 (ko) 2012-08-09 2014-06-02 서울대학교산학협력단 플랜지플레이트와 연결철근의 수평용접 다이아프램이 설치된 cft용 강관기둥과 이를 이용한 철골보와의 강접합구조

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