KR101940857B1 - 강관 및 이를 이용한 합성기둥 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강관 및 이를 이용한 합성기둥에 관한 것으로서, 상기 강관은 일측이 개방된 제1 단위부재와, 개방된 일측이 상기 제1 단위부재의 개방된 일측과 일정 갭을 가지도록 마주보게 배치되는 제2 단위부재, 그리고 한쌍으로 마련되어 상기 제1 단위부재와 상기 제2 단위부재의 양단부를 연결하도록 각각 체결되어 폐단면을 형성하고 폐단면의 내측으로 돌출 형성되는 보강부재를 포함한다. 이러한 구성으로, 박판을 절곡한 한쌍의 단위부재를 맞대어 최소한의 용접으로 강관을 제조할 수 있어 열변형에 의한 강도 저하를 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

강관 및 이를 이용한 합성기둥{STEEL TUBE AND COMPOSITE COLUMN USING THE SAME}
본 발명은 강관 및 이를 이용한 합성기둥에 관한 것이다.
최근 도시의 건축물은 한정된 부지를 효율적으로 이용하기 위해 고층화되어 왔으며, 고층건물은 구조계획의 측면에서 공간의 효율성 및 구조 안전성 확보를 위해 다양한 구조시스템을 요구하고 있다. 또한, 원자재의 가격상승과 인건비의 증가에 따라 재료의 효율적 이용에 대한 연구개발이 활발히 이루어 지고 있다.
콘크리트 충전 강관(concrete filled steel tube; CFT)인 합성기둥은 인장력을 부담하는 강관이 외측에 배치되고, 압축력을 부담하는 콘크리트가 내측에 배치되어 강관이 내부 콘크리트를 구속하는 한편 콘크리트가 강관의 국부 좌굴을 막아주는 효과에 의하여 강도, 연성 및 에너지 흡수능력이 우수한 구조형식이다.
상기 합성기둥은 강관 내부에 충전된 콘크리트가 강관의 국부 좌굴변형을 억제하기 때문에 좌굴에 의한 강관의 내력저하를 방지하고, 충전된 콘크리트는 강관에 의해 구속되어 있기 때문에 철근콘크리트 기둥이나 철골철근콘크리트 기둥에서 나타나는 균열에 의한 콘크리트의 탈락 없이 강도가 상승한다. 따라서, 합성기둥은 높은 내력특성 및 변형능력을 발휘하여 최대 내력 이후에 대변형 영역까지 내력을 유지할 수 있다.
이러한, 구조적 장점을 지닌 합성기둥의 강관은 일반구조용 각형강관(KS D 3568)이나, 내진 건축구조용 냉간성형 각형강관(KS D 3864)을 사용하여야 한다. 하지만, KS 기준에 나와 있는 기성품들을 적용할 경우, 단면의 최적화를 진행할 수 없고, 제품을 구하는데 상당한 시일이 소요되는 문제가 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 합성기둥은 4면 용접 각형강관에 콘크리트를 타설하여 제조한 것으로서 판재의 절단, 개선작업, 판재의 가조립 후 용접을 통하여 강관을 제작하므로, 오랜 제작기간이 소요되고 제작비가 높은 문제점을 가지고 있다. 또한, 여러 번의 용접에 의한 용접열에 의한 열변형이 발생할 수 있는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 박판을 절곡한 한쌍의 단위부재를 맞대어 최소한의 용접으로 제조할 수 있는 강관 및 이를 이용한 합성기둥을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강관은, 일측이 개방된 제1 단위부재; 개방된 일측이 상기 제1 단위부재의 개방된 일측과 일정 갭을 가지도록 마주보게 배치되는 제2 단위부재; 및 한쌍으로 마련되어 상기 제1 단위부재와 상기 제2 단위부재의 양단부를 연결하도록 각각 체결되어 폐단면을 형성하고, 폐단면의 내측으로 돌출 형성되는 보강부재;를 포함한다.
그리고, 단면이 직사각형 형태로 마련되며, 단변의 길이는 아래 판폭두께비 수식을 만족하는 폭 값으로 마련되고, 상기 보강부재가 배치된 장변의 길이는 상기 단변의 길이보다 1.1~2배로 형성될 수 있다.
B/t = 2.26 x (Es/Fy)^1/2
여기서, B는 강관 단면의 폭, t는 소재의 두께, Es는 소재의 탄성계수, Fy는 소재의 항복강도이다.
상기 갭에 용접을 수행하여 상기 제1 단위부재와, 상기 제2 단위부재, 그리고 상기 보강부재를 체결하고, 상기 보강부재는 뒷댐재 역할을 하도록 설치된다.
상기 제1 단위부재는, ㄷ자 형태로 마련되고, 제1 수직면과 상기 제1 수직면의 양측에서 절곡된 제1 수평면의 길이가 상기 제1 수직면 길이의 0.6~1배로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 제2 단위부재는, ㄷ자 형태로 마련되어 제2 수직면과 상기 제2 수직면의 양측에서 절곡된 제2 수평면으로 구성되고, 상기 제2 수직면은 상기 제1 수직면과 길이가 동일하고, 상기 제2 수평면은 상기 제2 수직면 길이의 0.6~1배로 마련될 수 있다.
여기서, 상기 제1 단위부재의 제1 수평면과 상기 제2 단위부재의 제2 수평면은 동일한 길이로 마련되는 것이 바람직하다.
상기 보강부재는, 두께가 상기 제1 단위부재 두께의 1.5~5배로 마련되고, 길이가 상기 제1 단위부재 두께의 5~25배로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 보강부재는, l자, L자, I자, T자, Z자, ㄷ자 중 어느 하나로 마련될 수 있다.
상기 제1 단위부재와 상기 제2 단위부재의 내측에 구비되는 스터드부재;를 더 포함할 수도 있다.
그리고, 상기 제1 단위부재의 절곡부와, 상기 제2 단위부재의 절곡부, 그리고 상기 보강부재의 양측에 배치되는 철근;을 더 포함할 수도 있다.
여기서, 상기 제1 단위부재 및 상기 제2 단위부재의 두께는 6~18mm로 마련될 수도 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성기둥은, 상기 강관; 및 상기 강관의 중공부에 타설되는 콘크리트;를 포함한다.
본 발명에 의한 강관 및 이를 이용한 합성기둥에 따르면, 박판을 절곡한 한쌍의 단위부재를 맞대어 최소한의 용접으로 강관을 제조할 수 있어 열변형에 의한 강도 저하를 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명에 의하면, 박판을 이용하여 강관을 제조할 수 있어 기존의 각형강관과 비교하여 제조비를 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 한쌍의 단위부재가 체결되는 영역에 내측으로 돌출되는 보강부재를 구비하여 판폭두께비를 완화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 합성기둥을 개략적으로 도시해 보인 평면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 강관을 개략적으로 도시해 보인 평면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 강관에서 보강부재의 다양한 형태를 개략적으로 도시해 보인 평면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 강관을 개략적으로 도시해 보인 평면도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 강관을 개략적으로 도시해 보인 평면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 강관을 이용한 합성기둥을 개략적으로 도시해 보인 평면도,
도 7은 종래의 합성기둥과 본 발명의 실시예에 의한 합성기둥을 이용한 시공상태를 개략적으로 도시해 보인 평면도이다.
본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 강관 및 이를 이용한 합성기둥에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 강관을 개략적으로 도시해 보인 평면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 강관(100)은 일측이 개방된 제1 단위부재(110)와, 개방된 일측이 상기 제1 단위부재(110)의 개방된 일측과 일정 갭을 가지도록 마주보게 배치되는 제2 단위부재(120), 그리고 한쌍으로 마련되어 상기 제1 단위부재(110)와 상기 제2 단위부재(120)의 양단부를 연결하도록 각각 체결되어 폐단면을 형성하고 폐단면의 내측으로 돌출 형성되는 보강부재(130)를 포함한다.
여기서, 상기 제1 단위부재(110)와 상기 제2 단위부재(120) 사이의 갭에 용접을 수행하게 되면, 상기 제1 단위부재(110)와, 상기 제2 단위부재(120), 그리고 상기 보강부재(130) 모두를 체결하게 된다. 여기서, 상기 보강부재(130)는 용접시 뒷댐재 역할을 겸하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 제1 단위부재(110)는 ㄷ자 형태로 마련되어 제1 수직면(111)과 상기 제1 수직면(111)의 양측에서 절곡된 제1 수평면(112)으로 구성된다. 그리고, 상기 제1 수평면(112)의 길이는 상기 제1 수직면(111) 길이의 0.6~1배로 마련되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제2 단위부재(120)는 ㄷ자 형태로 마련되어 제2 수직면(121)과 상기 제2 수직면(121)의 양측에서 절곡된 제2 수평면(122)으로 구성되고, 상기 제2 수직면(121)은 상기 제1 수직면(111)과 길이가 동일하고, 상기 제2 수평면(122)은 상기 제2 수직면(112) 길이의 0.6~1배로 마련되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1 단위부재(110)의 제1 수평면(112)과 상기 제2 단위부재(120)의 제2 수평면(122)은 동일한 길이로 마련되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제1 수평면(112)과 제2 수평면(122)이 동일한 길이로 마련되면 상기 보강부재(130)는 강관(100)의 장변 방향 즉, 높이(H) 방향의 중심에 위치하게 된다. 따라서, 보다 안정적으로 강관(100)의 휨변형에 대하여 저항할 수 있다.
이러한 구성으로, 상기 제1 단위부재(110)와 상기 제2 단위부재(120)의 개방된 일측이 서로 마주본 상태로 상기 보강부재(130)와 함께 용접 체결되면 단면이 직사각형 형태인 폐단면을 가지는 강관(100)으로 마련된다. 그리고, 이렇게 형성된 강관(100)은 단면을 기준으로 폭(W)에 대한 높이(H)의 길이가 1.2~2배로 마련된다.
상기 제1 단위부재(110)와 상기 제2 단위부재(120)는 두께가 6~18mm인 판재를 절곡하여 마련될 수 있다. 이와 비교하여, 종래는 두꺼운 판재를 4면 용접하여 제작하였으므로, 종래 강관과 비교하여 경제성이 높은 장점이 있다.
그리고, 상기 제1 단위부재(110)와 상기 제2 단위부재(120)가 체결되는 측에 보강부재(130)를 구비하여 판폭두께비를 완화시킬 수 있어 직사각형 형태의 강관을 형성할 수 있다.
이러한, 상기 보강부재(130)는 강관의 판폭두께비를 완화하기 위하여 두께(B)가 상기 제1 단위부재(110) 두께(T)의 1.5~5배로 마련되고, 길이(L)가 상기 제1 단위부재(110) 두께(T)의 5~25배로 마련되는 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 보강부재(130)는 l자 형태로 마련될 수도 있지만, 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 마련될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 강관에서 보강부재의 다양한 형태를 개략적으로 도시해 보인 평면도이다.
도 3을 참조하면, 보강부재는 L자, I자, T자, Z자, ㄷ자 중 어느 하나로 마련될 수 있다. 즉, 이러한 형태의 보강부재를 강관의 장변방향 즉, 도 2에서 높이(H) 방향에 수직한 방향으로 설치하는 경우 강관 장변방향의 강성이 보강되고 단면 2차 모멘트의 증가로 장변방향의 좌굴을 지연시켜 건축구조기준에서 요구하는 합성기둥의 판폭두께비를 완화할 수 있어 강관을 직사각형 형태로 마련할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예 및 또 다른 실시예에 의한 강관을 개략적으로 도시해 보인 평면도이다
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 강관은 상기 제1 단위부재(110)와 상기 제2 단위부재(120)의 내측에 스터드부재(140)를 더 구비할 수 있다. 도 4에서는 스터드부재(140)가 T자 형태로 개시되어 있지만 스터드부재(140)의 형태가 이에 한정되지 않고 I자, ㄱ자 등과 같이 다양한 형태로 마련될 수 있다.
그리고, 도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 강관은 상기 제1 단위부재(110)의 절곡부와, 상기 제2 단위부재(120)의 절곡부, 그리고 상기 보강부재(130)의 양측에 철근(150)을 배근할 수 있다.
이러한, 상기 스터드부재(140) 또는 상기 철근(150)를 더 구비함에 따라 폭 및 높이 방향에 대한 국부 좌굴변형을 보다 높은 강성으로 억제할 수 있고, 콘크리트 타설시 콘크리트와의 구속력을 증대시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 강관을 이용한 합성기둥을 개략적으로 도시해 보인 평면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 합성기둥(10)은 강관(100)과, 상기 강관(100)의 중공부에 타설되는 콘크리트(200)를 포함한다. 즉, 상기에서 설명한 강관에 콘크리트를 타설하여 마련된다.
물론, 도 6에서는 도 2에 개시되어 있는 강관에 콘크리트를 타설한 상태의 합성기둥(10)만을 개시하고 있지만, 도 3 내지 도 5에 개시되어 있는 강관에 콘크리트를 타설하여 합성기둥(10)을 마련할 수 있다.
이렇게 마련된 본 발명의 실시예에 의한 합성기둥(10)은 종래 정사각형 형태의 합성기둥과 달리 직사각형 형태로 마련된다. 종래 합성기둥의 경우 판폭두께비 제한으로 인하여 직사각형 형태의 합성기둥을 형성하는데 제약이 따른다.
상기한 직사각형 형태의 합성기둥(10)을 이용하여 건축물을 시공하는 경우, 종래 정사각형 형태의 합성기둥과 비교하여 일부 보강빔 설치를 생략할 수 있어 시공비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 건축구조 설계기준에 따르면 국부좌굴이 발생하지 않는 콘크리트 충전형 합성기둥의 판폭두께비에 대하여 아래식과 같이 제한을 두고 있다.
B/t = 2.26 x (Es / Fy)^1/2
여기서, B는 기둥단면의 폭 또는 높이, t는 강관의 두께, Es는 강관의 탄성계수, Fy는 강관의 항복강도를 나타낸다.
예를 들어, 두께가 6mm인 SM490 강재를 이용하여 합성기둥을 제작하는 경우, 판폭두께비를 만족하는 범위안에서 한변의 최대길이가 340mm인 정사각형 단면만이 강도 저감없이 사용할 수 있다.
하지만, 본 발명에서는 합성기둥의 단면이 직사각형 형태를 이루고, 장변의 길이가 판폭두께비를 만족하는 범위의 최대길이보다 길게 형성되어도 보강부재가 구비되어 내력을 증대할 수 있어 판폭두께비를 완화할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 의한 강관(100)은 제1 단위부재와 제2 단위부재를 서로 맞대어 폐단면을 형성할 때 상기 제1 단위부재와 제2 단위부재가 맞닿는 내부에 보강부재를 설치하여 강관의 단면에서 장변 방향의 강성을 보강하게 되어 장변의 길이가 판폭두께비를 만족하는 범위의 최대길이보다 길게 형성되어도 내력의 감소없이 직사각형 단면을 형성할 수 있어 판폭두께비를 완화하게 된다.
예를 들어, 본 발명의 실시예에 의한 강관(100)은 단면이 직사각형 형태로 마련되고, 단변의 길이는 상기 판폭두께비 수식을 만족하는 폭(B) 값으로 마련되고, 상기 보강부재가 배치된 장변의 길이는 상기 단변의 길이보다 1.1~2배가 되도록 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 7은 종래의 합성기둥과 본 발명의 실시예에 의한 합성기둥을 이용한 시공상태를 개략적으로 도시해 보인 평면도이다.
여기서, 도 7의 (a)는 종래의 정사각형 형태의 합성기둥을 이용하여 건축물을 시공하는 상태를 개략적으로 도시해 보인 평면도이고, 도 7의 (b)는 본 발명의 실시예에 의한 직사각형 형태의 합성기둥을 이용하여 건축물을 시공하는 상태를 개략적으로 도시해 보인 평면도이다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 정사각형의 합성기둥(10)이 직사각형 형태로 설치되고, 상기 합성기둥(10)과 합성기둥(10) 사이에 거더(20)가 설치되어 있고, 상기 거더(20)와 거더(20)를 연결시켜주는 보(30)가 설치되며, 이때 상기 거더(20)와 보(30) 사이에 설치되는 슬래브는 일반 트러스 데크를 사용하여 구성된다.
이와 비교하여, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 직사각형의 합성기둥(100)을 설치하는 경우에는 춤이 깊은 데크(Deep Deck)를 슬래브로 설치할 수 있어, 상기 거더(20)와 거더(20) 사이의 보를 생략할 수 있으므로, 전체적인 구조 물량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
10 : 합성기둥 100 : 강관
110 : 제1 단위부재 120 : 제2 단위부재
130 : 보강부재 140 : 보조 보강부재
150 : 철근

Claims (12)

  1. 일측이 개방된 제1 단위부재;
    개방된 일측이 상기 제1 단위부재의 개방된 일측과 일정 갭을 가지도록 마주보게 배치되는 제2 단위부재; 및
    한쌍으로 마련되어 상기 제1 단위부재와 상기 제2 단위부재의 양단부를 연결하도록 각각 체결되어 폐단면을 형성하고, 폐단면의 내측으로 돌출 형성되는 보강부재;
    를 포함하고,
    상기 제1 단위부재는, ㄷ자 형태로 마련되고, 제1 수직면과 상기 제1 수직면의 양측에서 절곡된 제1 수평면의 길이가 상기 제1 수직면 길이의 0.6~1배로 마련되고,
    상기 제2 단위부재는, ㄷ자 형태로 마련되어 제2 수직면과 상기 제2 수직면의 양측에서 절곡된 제2 수평면으로 구성되고, 상기 제2 수직면은 상기 제1 수직면과 길이가 동일하고, 상기 제2 수평면은 상기 제2 수직면 길이의 0.6~1배로 마련되고,
    상기 제1 단위부재의 제1 수평면과 상기 제2 단위부재의 제2 수평면은 동일한 길이로 마련되어, 상기 보강부재는 강관의 장변 방향의 중심에 위치하게 되고,
    상기 보강부재는, 두께가 상기 제1 단위부재 두께의 1.5~5배로 마련되고, 길이가 상기 제1 단위부재 두께의 5~25배로 마련되고,
    단면이 직사각형 형태로 마련되며, 단변의 길이는 아래 판폭두께비 수식을 만족하는 폭 값으로 마련되고, 상기 보강부재가 배치된 장변의 길이는 상기 단변의 길이보다 1.1~2배로 형성되는 것을 특징으로 하는 강관.
    B/t = 2.26 x (Es/Fy)^1/2
    여기서, B는 강관 단면의 폭, t는 소재의 두께, Es는 소재의 탄성계수, Fy는
    소재의 항복강도이다.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 갭에 용접을 수행하여 상기 제1 단위부재와, 상기 제2 단위부재, 그리고 상기 보강부재를 체결하고, 상기 보강부재는 뒷댐재 역할을 하는 것을 특징으로 하는 강관.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 보강부재는,
    l자, L자, I자, T자, Z자, ㄷ자 중 어느 하나로 마련되는 것을 특징으로 하는 강관.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단위부재와 상기 제2 단위부재의 내측에 구비되는 스터드부재;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강관.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단위부재의 절곡부와, 상기 제2 단위부재의 절곡부, 그리고 상기 보강부재의 양측에 배치되는 철근;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강관.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단위부재 및 상기 제2 단위부재의 두께는 6~18mm로 마련되는 것을 특징으로 하는 강관.
  12. 제1항, 제3항 및 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 의한 강관; 및
    상기 강관의 중공부에 타설되는 콘크리트;
    를 포함하는 합성기둥.
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