KR102597270B1 - 건축물용 프리스트레스트 복합 철골보 및 이를 이용한 건축물의 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기둥에 접합하는 철골보에 프리스트레스가 도입되도록 복합 단면으로 구성되는 건축물용 프리스트레스트 복합 철골보에 관한 것으로서, 하부로 탄성 변형된 상태의 원형강관과, 상기 원형강관의 상면에 접합된 상부T형강과, 상기 원형강관의 하면에 접합된 하부T형강으로 이루어져, 상기 원형강관에 의해 상부T형강과 하부T형강에 인장응력과 압축응력이 각각 도입되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

건축물용 프리스트레스트 복합 철골보 및 이를 이용한 건축물의 시공방법{PRESTRESSED COMPOSITE STEEL BEAM FOR BUILDING AND THE CONSTRUCTION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 철골구조의 건축물에 설치되는 보부재의 구조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기둥에 접합하는 철골보에 프리스트레스가 도입되도록 복합 단면으로 구성되는 건축물용 프리스트레스트 복합 철골보에 관한 것이다.

철골구조의 건축구조물은 휨하중을 받는 H형강의 철골보는 중앙부모멘트가 발생하게 되고, 상기 철골보가 기둥부재에 강접합되는 경우 양 단부에는최대 부모멘트가 발생하게 된다.

이러한 휨모멘트에 의해 발생되는 응력은 철골보의 상하부플랜지에 의해 지지되고, 이러한 철골보의 휨강성은 상하부플랜지의 단면적과 이들 사이의 폭 크기에 비례하여 증가하게 된다.

따라서 물류창고 등의 장스팬이 요구되는 건축물의 경우 철골보의 규격을 크게 하여야 하나, 이는 자중을 증가시킬 뿐 아니라 활용공건을 경제적으로도 비효율적이다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 등록특허공보 등록번호 10-1732719호는 '튜브형 플랜지를 갖는 하이브리드보'를 제안한 바 있다.

상기 등록번호 10-1732719호의 '튜브형 플랜지를 갖는 하이브리드보'는 관성모멘트와 회전 저항성능 및 좌굴강도를 향상시키기 위해 높이에 비해 폭이 큰 직사각형 단면의 강재 튜브형으로 구성되어 수평하게 형성되는 상부 플랜지; 높이에 비해 폭이 큰 직사각형 단면의 강재 튜브형으로 구성되어 상부 플랜지의 하부로 이격되는 하부 플랜지; 상부 플랜지와 하부 플랜지의 폭방향 중앙부를 수직하게 결합하는 웨브(21,31); 및 상부 플랜지의 좌굴강도를 증가시키고 강판의 두께 증가 없이 경제적으로 보강하기 위해 강재 튜브형 상부 플랜지에 충전되는 콘크리트;로 구성된다.

그런데 상기의 '튜브형 플랜지를 갖는 하이브리드보'는 상부 플랜지 내부에 콘크리트를 충진시킴으로써 보부재의 자중이 대폭 증가시킬 뿐 아니라, 보부재의 중앙부분에 발생하는 정모멘트에 대하여는 양 단부부분보다 상대적으로 불리해진다. 아울러 강축과 약축 사이에 현저한 강성의 차이가 발생하게 보부재가 전체적으로 비틀림에 취약하게 된다. 아울러 튜브구조 내부에 콘크리트를 밀실하게 충진시켜야 하는 습식작업의 번거로움으로 인하여 보부재의 제작 내지 시공의 효율성이 저하된다.

보부재의 강성을 증대시키기 위한 또 다른 방법으로, 보부재에 프리스트레스를 도입시킴으로써 보부재의 규격을 최소화시키는 구조가 널리 적용되고 있다.

보부재에 대한 프리스트레스의 도입은 강연선을 긴장시키는 방식과 보부재에 하중을 가하는 재하 단계와 가했던 하중을 제거하는 릴리스 단계의 과정 중에 보부재에 프리스트레스가 도입되도록 하는 소위 프리플렉스 방식이 주로 사용된다.

그러나 프리스트레스 도입의 상기한 방법들 역시 보부재에 강연선을 긴장시키고 정착시키기 위한 별도의 부재를 필요로 하거나, 케이싱 콘크리트 타설 등의 습식작업에 의한 번거로움 및, 강축 대비 약축에 대한 강성의 큰 차이의 문제점은 그대로 존재하고 있다.

KR 10-1732719 B1

본 발명은 순수한 철골구조만으로 이루어지는 보부재를 형성시켜 습식작업을 배제하여 보부재의 제적성을 향상시키고, 휨모멘트에 의한 응력의 변화에 대응하여 보부재 규격의 최적화를 꾀함과 더불어 약축에 대한 강성을 증대시킬 수 있는 건축물용 프리스트레스트 복합 철골보 및 이를 이용한 건축물의 시공방법을 제공하고자 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 의하면, 하부로 탄성 변형된 상태의 원형강관과, 상기 원형강관의 상면에 접합된 상부T형강과, 상기 원형강관의 하면에 접합된 하부T형강으로 이루어져, 상기 원형강관에 의해 상부T형강과 하부T형강에 인장응력과 압축응력이 각각 도입되어 있는 것을 특징으로 하는 건축물용 프리스트레스트 복합 철골보가 제공된다.

이에 관한 제1실시예에서는 캠버가 형성되어 있는 원형강관에 하중을 재하하여 일직선으로 탄성 변형된 상태에서 상부T형강과 하부T형강이 접합되며, 이때 상부T형강과 하부T형강의 각 웨브 길이를 동일하게 구성시킬 수 있고, 이와 함께 또는 이와 별도로 상부T형강과 하부T형강의 각 웨브 길이를 중앙부보다 단부에서 더 크게 구성시킬 수 있다.

또 다른 제2실시예에서는 캠버가 형성되지 않은 일자 형상의 원형강관에 하중을 재하하여 일측으로 볼록하게 탄성 변형된 상태에서 상부T형강과 하부T형강이 접합되며, 이때 중앙부에서는 상부T형강의 웨브 길이를 하부T형강의 웨브 길이보다 더 크게 구성시킬 수 있고, 이와 함께 또는 이와 별도로 양 단부에서는 하부T형강의 웨브 길이를 상부T형강의 웨브 길이보다 더 크게 구성시킬 수 있다.

본 발명은 건축물용 보부재를 콘크리트 타설과 같은 습식작업의 부가 없이 순수한 철골구조로 구성시킴으로써 보부재의 제작성을 향상시키면서, 휨모멘트에 의한 응력의 방향에 대응하여 보부재의 상부와 하부에 인장응력과 압축응력을 동시에 도입시켜 효율적인 휨강성을 가지게 하고, 휨모멘트의 변화에 따라 원형강관의 상하 위치를 변화시킬 수 있어 보부재의 제작비용 절감 및 단면의 최적화를 도모할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 복합 철골보의 사시도이다.
도 2는 도 1의 종단면도이다.
도 3은 제1실시예의 복합 철골보를 제작하는 과정의 설명도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 철골보의 사시도이다.
도 5은 상기 제2실시예 중 원형강관의 위치에 관한 일 실시예의 단면도이다.
도 6은 상기 제2실시예 중 원형강관의 위치에 관한 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 7은 상기 제2실시예의 복합 철골보를 제작하는 과정의 설명도이다.

이하에서는 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 기준으로 하여 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.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 복합 철골보의 외관을 전체적으로 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 종단면을 도시한 것이며, 도 3은 제1실시예의 복합 철골보를 제작하는 과정을 각 단계에 따라 도시한 것이다.

본 발명의 복합 철골보는 1개의 원형강관(10)과 2개의 T형강(20,30)으로 구성되어 철골형강의 강구조를 가지는 건축물용 보부재로 사용되는 것으로서, 상기 원형강관(10)을 통해 각 T형강(20,30)에 프리스트레스가 도입된 구조를 가지는 것이다.

이를 위해 원형강관(10)은 하부로 탄성 변형된 상태에서 그의 상하면에 상부T형강(20)과 하부T형강(30)이 각각 접합되는 구조를 가진다.

보다 구체적으로 원형강관(10)이 탄성 변형되도록 하중을 재하한 상태에서 원형강관(10)의 상면에 상부T형강(20)의 웨브(21)를 용접으로 접합시켜 일체화시키고 원형강관(10)의 하면에 하부T형강(30)의 웨브(31)를 용접으로 접합시켜 일체화시킨 다음, 원형강관(10)에 재하하고 있던 하중을 제거함으로써, 상부T형강(20)에는 인장응력이 도입되고 하부T형강(30)에는 압축응력이 도입되도록 한다.

이러한 프리스트레스 도입방식은 형강부재의 전단면에 하중을 재하하고 그의 하부플랜지에 콘크리트 케이싱을 구축하는 전형적인 프리플렉스 방식에 비하여, 단면의 중앙에 위치한 원형강관(10)에만 하중을 재하하기 때문에 재하량을 크게 할 필요가 없을 뿐더러 보부재의 상부쪽에도 압축응력을 도입시킬 수 있고, 콘크리트 타설이라는 습식작업의 번거로움을 제거할 수 있으며, 아울러 원형강관(10)에 의해 약축에 대한 보강이 이루어져 비틀림에 대한 저항성이 향상된다는 점에서 작용효과상에 큰 차이가 있다.

상기의 원형강관(10)은 미리 캠버가 형성되도록 제작된 것일 수도 있고, 캠버가 형성되지 아니한 일자 형상의 것일 수도 있다. 본 발명의 제1실시예에 의한 복합 철골보에서는 전자의 캠버가 형성되어 제작된 원형강관(10)이 적용되며, 후자의 일자 형상의 원형강관(10)은 후술하게 되는 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 철골보에 적용된다.

도 3을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 의한 복합 철골보의 제작과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 상부로 볼록하게 변형시켜 하부에 캠버가 형성된 원형강관(10)과, 상호 대칭구조를 가지는 상부T형강(20)과 하부T형강(30)을 준비한다.

원형강관(10)의 캠버형성은 고주파를 이용하여 쉽게 실시할 수 있다. 상부T형강(20)가 하부T형강(30)은 각기 별도로 제작될 수도 있으나, H형강의 웨브를 절단하는 방식으로도 제작이 가능하다.

원형강관(10)과 상부T형강(20) 및 하부T형강(30)은 재료강도를 서로 달리한 것을 사용함으로써, 상부T형강(20)과 하부T형강(30)에 대한 프리스트레스의 도입이 보다 효율적으로 이루어지게 할 수 있다. 예컨대 상부T형강(20)과 하부T형강(30)을 SS275의 것을 사용하면서 원형강관(10)에 대하여는 SS420의 것을 사용함으로써 원형강관(10)에 의한 구속 내지 변형이 상부T형강(20)과 하부T형강(30)에 효율적으로 이루어지게 할 수 있다. 물론 상부T형강(20)과 하부T형강(30)의 재료강도 역시 서로 다르게 구성시킬 수 있다.

도 3의 (b)는 원형강관(10)에 하중을 재하하여 일자 형상으로 탄성 변형시킨 상태를 도시한 것이다.

원형강관(10)에 대한 하중 재하는 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 예컨대 도시하지는 아니하였으나 원형강관(10)의 양 측면에 재하용 브라켓을 각 설치하고, 여기에 유압잭을 설치함으로써, 후속하는 단계에서의 상하면에 대한 상부T형강(20)과 하부T형강(30)을 접합하는 작업에 간섭이 발생하지 않게 할 수 있다.

도 3의 (c)는 원형강관(10)을 상술한 바와 같이 일직선으로 탄성 변형시킨 상태에서 상부T형강(20)과 하부T형강(30)을 접합시킨 상태를 도시한 것이다. 원형강관(10)에 상부T형강(20)과 하부T형강(30)을 접합시키는 과정 중에는 하중의 재하상태는 그대로 유지되어야 한다.

이때 상부T형강(20)과 하부T형강(30)의 각 웨브(21,31) 길이는 복합 철골보의 전체 길이에 대하여 동일하게 구성할 수도 있으나, 적용되는 구조물에서의 구조형식에 따라 상부T형강(20)과 하부T형강(30)의 웨브(21,31) 길이를 중앙부보다 단부에서 더 크게 구성시킬 수 있다. 이러한 후자의 단면구조 형식은 기둥과의 강접합되는 경우 복합 철골보 단부에 발생하는 부모멘트에 대한 보강효과를 가지게 한다.

상부T형강(20)과 하부T형강(30)의 접합으로 이들과 원형강관(10)이 일체화되면 재하하였던 하중을 제거한다. 이에 따라 원형강관(10)의 변형 일부가 복원되면서 상부T형강(20)과 하부T형강(30)에 인장응력과 압축응력이 각각 도입된다. 아울러 본 단계의 과정에 의해 제작이 완료된 복합 철골보의 중앙부에는 상향력이 발생하게 되며, 이러한 점은 후술하는 제2실시예에서도 같다. 도 3의 (d)는 하중을 제거한 상태의 복합 철골보를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 철골보의 외관을 전체적으로 도시한 것이고, 도 5, 6은 도 4의 원형강관(10) 위치에 따른 각 실시예의 종단면 및 각 지점에서의 횡단면을 각각 도시한 것이며, 도 7은 제2실시예의 복합 철골보를 제작하는 과정을 각 단계에 따라 도시한 것이다.

본 발명의 제2실시예에 의한 복합 철골보는 원형강관(10)에 캠버를 형성시키지 않은 일자 형상의 것에 탄성 변형을 가하여 상부T형강(20)에 인장응력이 도입될 수 있게 하고 하부T형강(30)에 압축응력이 도입될 수 있도록 한다.

이러한 제2실시예의 복합 철골보는 길이방향으로 변하는 휨모멘트의 크기에 대응하여 원형강관(10)의 위치를 변화시킴으로써 휨하중에 효율적으로 저항할 수 있도록 한다.

보다 구체적으로 복합 철골보의 전체 길이에 대하여 중앙부에서는 원형강관(10)이 하부쪽에 위치하여 중앙부에서 발생하는 정모멘트에 의한 응력에 충분히 저항할 수 있도록 하고 단부에서는 원형강관(10)이 상부쪽에 위치하여 단부에서 발생하는 부모멘트에 의한 응력에 충분히 저항할 수 있도록 함으로써 효율적인 저항능력을 가지게 할 수 있다.

이러한 제2실시예의 복합 철골보를 제작하는 과정에 관하여 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

제2실시예에서는 상술한 바와 같이 원형강관(10)에 캠버를 형성시키지 않고, 일자 형상을 가진 원형강관(10)에 하중을 재하하여 일측으로 볼록하게 탄성 변형시키고, 이러한 변형의 복원력이 상부T형강(20)과 하부T형강(30)에 프리스트레스의 도입력으로 작용하게 한다.

따라서 먼저 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 캠버가 형성되지 아니한 일자 형상의 원형강관(10)을 준비한다.

이와 함께 웨브(21,31)의 길이를 서로 달리하는 상부T형강(20)과 하부T형강(30)을 각각 준비한다. 구체적으로 상부T형강(20)과 하부T형강(30)의 각 웨브(21,31)의 단부는 길이방향으로 곡선을 가지는 변단면 형상을 가지며, 이들 곡선의 각 곡률은 원형강관(10)이 탄성 변형할 때 그의 상하면이 이루는 곡선의 각 곡률과 일치해야 한다.

이러한 형상을 가지는 상부T형강(20)과 하부T형강(30)은 원형강관(10)에 하중을 재하하여 탄성 변형시킨 후 이에 맞추어 제작할 수도 있고, 구조계획에 의해 계산된 원형강관(10)의 탄성 변형의 정도를 고려하여 미리 제작할 수도 있다.

원형강관(10)과 상부T형강(20) 및 하부T형강(30)에 대하여 재료강도를 달리 할 수 있음은 제1실시예의 것과 다르지 않다.

각 부재의 준비가 완료되면 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 일자 형상의 원형강관(10)에 하중을 재하하여 일측으로 볼록하게 탄성 변형시킨다. 이러한 하중 재하의 방법 역시 제1실시예와 마찬가지로 양 측면에 재하용 브라켓을 설치하고 여기에 유압잭을 설치하여, 다음 단계에서의 원형강관(10)에 대한 상부T형강(20)과 하부T형강(30)의 접합 작업에 간섭이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

도 7의 (c)는 하중 재하에 의해 일측으로 볼록하게 탄성 변형된 원형강관(10)의 상면과 하면에 상부T형강(20)과 하부T형강(30)을 각각 접합하여 이들을 일체화시킨 상태를 도시한 것이다.

하중이 재하된 상태에서의 원형강관(10)은 상술한 바와 같이 곡선형상을 가지게 되는 바, 이에 접합되는 상부T형강(20)과 하부T형강(30)의 웨브(21,31) 역시 곡선의 단부를 형성하여 일자 형상의 복합 철골보가 형성되게 한다.

이에 따라 중앙부에서는 상부T형강(20)의 웨브(21) 길이가 하부T형강(30)의 웨브(31) 길이보다 더 크게 구성되며, 이에 의해 원형강관(10)은 복합 철골보 단면의 하부쪽에 위치하여 정모멘트에 의해 발생되는 인장응력을 분담하여 휨강성을 증대시키게 된다.

또한 기둥에 대한 복합 철골보의 접합구조에 따라 상부T형강(20)과 하부T형강(30)의 웨브(21,31) 길이를 달리 할 수 있다. 예컨대 복합 철골보를 기둥에 핀결합구조를 가지게 할 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, 양 단부에서의 상부T형강(20)의 웨브(21) 길이와 하부T형강(30)의 웨브(31) 길이를 동일하게 하여 원형강관(10)이 복합 철골보 단면의 중앙에 위치하게 할 수도 있고, 복합철골보를 기둥에 강결합구조를 가지게 할 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이, 양 단부에서 하부T형강(30)의 웨브(31) 길이가 상부T형강(20)의 웨브(21) 길이보다 더 크게 구성시킴으로써 원형강관(10)이 복합 철골보 단면의 상부쪽에 위치하여 부모멘트에 의해 발생되는 인장응력을 분담하게 할 수도 있다.

도 7의 (d)는 원형강관(10)에 재하하고 있던 하중을 제거한 상태를 도시한 것이다. 이에 따라 원형강관(10)의 탄성 복원력의 일부가 상부T형강(20)과 하부T형강(30)에 프리스트레스를 도입시키게 되며, 이로써 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 철골보의 제작이 완료된다.

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.

10; 원형강관 20; 상부T형강
21, 31; 웨브 30: 하부T형강

Claims (8)

1. 건축물용 철골형강의 보부재에 있어서,
   하부로 탄성 변형된 상태의 원형강관(10)과,
   상기 원형강관(10)의 상면에 접합된 상부T형강(20)과,
   상기 원형강관(10)의 하면에 접합된 하부T형강(30)으로 이루어져,
   상기 원형강관(10)에 의해 상부T형강(20)과 하부T형강(30)에 프리스트레스가 도입되어 있는 것을 특징으로 하는 건축물용 프리스트레스트 복합 철골보.
2. 제1항에 있어서,
   상기 원형강관(10)은 캠버가 형성되어 있는 것에 하중을 재하하여 일직선으로 탄성 변형된 상태에서 상부T형강(20)과 하부T형강(30)이 접합된 것을 특징으로 하는 건축물용 프리스트레스트 복합 철골보.
3. 제2항에 있어서,
   상기 상부T형강(20)과 하부T형강(30)의 각 웨브(21,31) 길이는 동일하게 구성되는 것을 특징으로 하는 건축물용 프리스트레스트 복합 철골보.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 원형강관(10)은 캠버가 형성되지 않은 일자 형상의 것에 하중을 재하하여 일측으로 볼록하게 탄성 변형된 상태에서 상부T형강(20)과 하부T형강(30)이 접합된 것을 특징으로 하는 건축물용 프리스트레스트 복합 철골보.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항 내지 제3항, 제5항 중 어느 한 항의 복합 철골보를 이용한 건축물의 시공방법.

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