KR102661410B1 - 기초 파일의 내부강결 두부보강 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기초 파일에 연결되는 내부강결 방식의 두부보강 구조체에 있어서: 상기 파일보다 작은 외경을 갖춘 강관기재(10); 상기 강관기재(10)의 외면에서 상하로 연장되도록 결합되는 다수의 철근을 갖춘 철근부재(20); 상기 철근부재를 환형으로 유지하도록 연결되는 결속부재(30); 및 상기 강관기재, 철근부재, 결속부재 중의 적어도 어느 하나에 전단연결재를 갖춘 보조부재(40)를 포함하여 구성된다.
또한, 기초부재 내부의 철근배근 형식에 따라 강관기재(10)에 철근이 관통할 수 있게하는 천공홀(55)을 구비할 수 있는 보조부재(40)를 포함하여 구성된다.
이에 따라, 파일의 하부로 설치하는 방식을 기반으로 기초와 파일을 강결 연결하여 수평력 저항을 높이고 지진하중에서도 충분한 내하력을 나타내어 지반침하, 불규칙 하중에 의한 분리파손 등을 방지하는 효과가 있다.

Description

기초 파일의 내부강결 두부보강 구조체 {Internally tightened and head reinforced structure for pile}

본 발명은 건축ㆍ토목 분야의 구조체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 건축 및 토목용 기초구조물과 연결하도록 강관 말뚝이나 PHC 말뚝에 설치되는 기초 파일의 내부강결 두부보강 구조체에 관한 것이다.

통상 건설 구조물은 지상에서 자중을 포함하여 많은 하중을 받으며 이러한 하중이 구조물의 기초를 이루는 말뚝(파일)에 전달되므로 파일은 구조물의 안전에 중요한 역할을 하게 된다. 기초는 암층까지 설치되어 충분한 선단지지력이 확보되어야 하고 지층의 상태에 따른 주면 마찰력에 의해 파일이 안전하게 거동해야 상부구조물의 안전성을 확보할 수가 있다.

종래의 말뚝 두부보강 기술은 강성이 좋지 않고 두부와 강결 접합되지 않아 노후화되었을 경우 두부에 전달되는 수평력과 휨모멘트에 의해 두부가 분리되어 기능을 상실하는 경우가 많다.

말뚝의 두부보강과 관련하여 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제0679301호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제2051386호(선행문헌 2) 등이 있다.

선행문헌 1은 강관과 지지대를 고정하는 볼트의 나사산 위에 링 형상의 철근 지지판을 가지며, 링 형상의 철근 지지판의 외측 테두리에는 다수개의 지지대 체결홈을 가지며, 내측 테두리에는 다수개의 수직연결철근체결홈을 가지며, 수직연결철근체결홈에 수직연결철근을 각각 끼워 고정한다. 이에, 공기 단축 및 공사비 절감의 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 PHC 파일; PHC 파일 상단에 용접 또는 볼팅 결합되고, 상부PC강봉 사이에 수직 방향으로 주철근이 배근되는 합성PHC파일; 합성PHC파일의 상단 용접좌판과 맞닿은 상태에서 둘레를 따라 용접되고, 시공시 측벽면 일부가 절단되는 강관캡; 등을 포함한다. 이에, 프리스트레스의 손실을 최소화하여 구조적 안정성을 높이는 효과를 기대한다.

그러나, 선행문헌 1은 비교적 구조적으로 복잡하여 단순화의 여지가 있고 선행문헌 2은 파일의 외부에 원형강관으로 보강하므로 수평력 저항이 미흡하다.

[1] 한국 등록특허공보 제0679301호 "강관파일의 두부 보강 구조" (공개일자 : 2006.06.14.) [2] 한국 등록특허공보 제2051386호 "휨 및 전단성능이 보강된 고강도 콘크리트파일에 두부보강용 강관캡이 구비된 파일 시공 방법" (공개일자 : 2019.12.17.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 파일의 하부로 설치하는 방식을 기반으로 철근과 전단연결재로 기초와 파일을 강결 연결하여 수평력 저항을 높이고 지진하중에서도 충분한 내하력을 갖는 기초 파일의 내부강결 두부보강 구조체를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기초 파일에 연결되는 내부강결 방식의 두부보강 구조체에 있어서: 상기 파일보다 작은 외경을 갖춘 강관기재; 상기 강관기재의 외면에서 상하로 연장되도록 결합되는 다수의 철근을 갖춘 철근부재; 상기 철근부재를 환형으로 유지하도록 연결되는 결속부재; 및 상기 강관기재와 결속부재 중의 적어도 어느 하나에 전단연결재를 갖춘 보조부재;를 포함하여 구성된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 철근부재는 각각의 철근의 일단에 형성되는 내향 절곡부와 타단에 형성되는 외향 절곡부를 구비한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 결속부재는 띠철근 또는 결속링을 사용한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 보조부재는 강관기재의 하부로 설치되는 하부 전단연결재와 강관기재의 상부로 설치되는 상부 전단연결재를 구비한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 하부 전단연결재와 상기 상부 전단연결재는 상호 엇갈리게 배치된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 강관기재는 기초용 철근의 통과를 위한 천공부를 더 구비한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 강관기재는 원형 및 각형 등의 형상으로 자유롭게 구성할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 파일의 하부로 설치하는 방식을 기반으로 기초와 파일을 강결 연결하여 수평력 저항을 높이고 지진하중에서도 충분한 내하력을 나타내어 지반침하, 불규칙 하중에 의한 분리파손 등을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 기초 파일의 내부강결 두부보강 구조체를 설치 상태로 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 기초 파일의 내부강결 두부보강 구조체를 확대하여 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 기초 파일의 내부강결 두부보강 구조체를 반단면으로 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 철근을 통과할 수 있게 하는 천공홀을 구비한 강관기재를 나타내는 모식도이다.
도 5는 내부 강관기재(10)가 각형으로 된 기초 파일의 내부강결 두부보강 구조체의 반단면도이다.
도 6은 ABAQUS로 모델링 된 내부강결 두부보강 구조체의 수치해석 프로그램 시뮬레이션 결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 기초 파일에 연결되는 내부강결 방식의 두부보강 구조체에 관하여 제안한다. 건축 및 토목구조물의 기초를 형성하는 강관말뚝 혹은 PHC말뚝의 두부보강 구조체를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 파일의 두부보강을 위해 수평력과 휨 모멘트에 대응하는 응력과 강성이 요구된다.

본 발명에 따르면 상기 기초용 파일보다 작은 외경을 갖춘 강관기재(10)를 사용한다.

도 1을 참조하면, 기초(FD)와 파일(PL) 사이에 개재되는 강관기재(10)가 나타난다. 강관기재(10)는 원형 단면의 강관이 선호되지만 여타의 구성을 배제하는 것은 아니다. 강관기재(10)의 재질은 다양한 선택이 가능하지만 철근과의 용접성을 고려한다. 기초용 파일보다 작은 외경의 강관기재(10)를 사용함이 구조적 단순성과 더불어 수평력과 휨 모멘트에 대응하기 유리하다.

또한, 본 발명에 따르면 철근부재(20)가 상기 강관기재(10)의 외면에서 상하로 연장되도록 결합되는 다수의 철근을 갖춘 구조를 이루고 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 철근부재(20)를 구성하는 다수의 철근이 강관기재(10)의 상단과 하단에서 연장된 상태를 나타낸다. 철근부재(20)의 철근은 강관기재(10)의 외면에 용접으로 결합된다. 철근부재(20)의 모든 철근은 강관기재(10)와 중심축과 평행한 수직의 자세로 배치된다. 철근의 길이는 기초(FD)의 설계에 따라 차등적으로 설정될 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 철근부재(20)는 각각의 철근의 일단에 형성되는 내향 절곡부(21)와 타단에 형성되는 외향 절곡부(22)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 철근부재(20)의 철근이 하단에서 내향 절곡부(21)를 상단에서 외향 절곡부(22)를 갖춘다. 철근은 대략 ""형태로서 내향 절곡부(21)는 외향 절곡부(22)보다 다소 짧게 형성할 수 있다. 내향 절곡부(21)는 강관기재(10)의 중심을 지향하며 말뚝의 수직력과 인발력에 대응한 저항을 작용한다. 내향 절곡부(21)는 강관기재(10)의 하측으로 하부지지판(15)과 연결되어 콘크리트(50) 타설시 흘러내리지 않도록 한다. 외향 절곡부(22)는 강관기재(10)의 중심과 반대 방향을 지향하며 기초과 합성되어 파일의 인발력에 대응하여 저항을 작용한다. 이와 같이 강관기재(10)와 철근부재(20)가 연계하여 수평력과 휨모멘트에 저항하는 응력을 발생한다.

또한, 본 발명에 따르면 결속부재(30)가 상기 철근부재(20)를 환형으로 유지하도록 연결되는 구조를 이루고 있다.

도 2에서, 철근부재(20)의 다수의 철근이 결속부재(30)에 의해 방사상으로 지지되는 상태를 나타내다. 결속부재(30)는 철근부재(20)를 강관기재(10)와 동심으로 유지하는 기능도 수행할 수 있다. 결속부재(30)는 철근부재(20)의 대략 중심을 결속하도록 배치된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 결속부재(30)는 띠철근 또는 결속링을 사용하는 것을 특징으로 한다.

도 2 및 도 3에서, 결속부재(30)를 대략 원형으로 형성된 띠철근 또는 결속링으로 예시하지만 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 평면에서 볼 때 강관기재(10)이 사각형인 경우 결속부재(30)도 사각형으로 적용한다. 결속부재(30)로 띠철근 또는 결속링을 사용하는 경우 철근부재(20)의 중심을 기준으로 상하로 분산하여 배치하는 것이 좋다. 결속부재(30)는 철근부재(20)의 환형 배치를 유지하면서 일부 전단파괴에 저항하는 역할도 한다.

또한, 본 발명에 따르면 보조부재(40)가 상기 강관기재(10)와 철근부재(20) 중의 적어도 어느 하나에 전단연결재를 갖춘 구조이다.

도 2에서, 보조부재(40)를 구성하는 다수의 전단연결재가 강관기재(10)에 구성된 상태를 나타난다. 보조부재(40)는 전단연결재에 한정되지 않으며 강관기재(10)외에 철근부재(20)에서 구성할 수 있다. 보조부재(40)의 전단연결재는 강관기재(10), 철근부재(20), 결속부재(30)를 포함하는 구조체 전체와 연계하여 기초와 파일의 분리현상을 완화하면서 단면강성을 증대하여 수평력에 대하여 충분히 저항할 수 있게 한다. 물론 기본적으로 강관기재(10)의 외경이 파일(PL)의 외경보다 작은 것이 시공성을 향상하는 하는 동시에 단면강성과 수평력 저항을 증대하는 중요한 요소로 작용한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 보조부재(40)는 강관기재(10)의 하부로 설치되는 하부 전단연결재(41)와 강관기재(10)의 상부로 설치되는 상부 전단연결재(42)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 2에서, 보조부재(40)에 포함되는 하부 전단연결재(41)와 상부 전단연결재(42)가 나타난다. 하부 전단연결재(41)는 파일의 절단면에 위치하도록 강관기재(10)의 하측 영역에 배치된다. 상부 전단연결재(42)는 기초 콘크리트와 합성되어 완전 강결되도록 강관기재(10)의 상측 영역에 배치된다. 하부 전단연결재(41)와 상부 전단연결재(42)는 이에 한정되지 않고 전체 치수(길이)를 고려하여 그 중간을 비롯한 여타 영역에 부가될 수도 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 하부 전단연결재(41)와 상기 상부 전단연결재(42)는 상호 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 한다.

예를 들면, 하부 전단연결재(41)와 상부 전단연결재(42)가 각각 4개의 부재로 구성된다면 하부 부재들과 상부 부재들은 동일한 수직면상에 포함되지 않고 45˚로 어긋나게 배치된다. 하부 전단연결재(41)와 상부 전단연결재(42)의 수량이 달라지는 경우에도 동일한 원리를 적용하여 최대한 어긋난 상태를 유지한다. 이는 단면강성과 수평력 저항의 증대에 일조하는 동시에 콘크리트(50) 타설ㆍ양생 후의 비틀림 강성을 증대하는데 유리하다.

도 3에서, 본 발명의 주요 구성품의 길이는 결속부재(30)를 중심으로 L1, L2, L3로 구분하여 나타낸다. 길이 L1은 설치되는 기초의 깊이에 따라 치수의 조정이 가능하다. 길이 L는 일부는 기초에 일부는 파일에 매입되는 것으로 콘크리트로 충진되며 길이는 최소한으로 하되 지반 조건에 따라 치수를 조정할 수 있다. 길이 L3도 지반 조건에 따라 파일의 거동을 분석하여 깊이를 다르게 조정이 가능하다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 강관기재(10)는 기초용 철근의 통과를 위한 천공부(55)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 강관기재(10)는 원형 및 각형 등의 형상으로 자유롭게 할 수 있다.

도 4를 참조하면, 강관기재(10)의 하단 전단연결재(41)의 위에 기초철근(도시 생략)이 배근되는데 이를 관통할 수 있도록 천공홀(55)을 설치하도록 구성할 수 있다. 물론 천공홀(55)은 기초철근을 절단하지 않고 연속적으로 배근해야 하는 경우에 한하여 설치하는 것이 좋다. 기초철근이 강관기재(10)를 통과함으로써 합성거동이 더욱 유리하고 수평력 저항에 뛰어난 효과가 있다.

도 5는 내부 강관기재(10)가 각형으로 된 기초 파일의 내부강결 두부보강 구조체의 반단면도이다.

상기 강관기재(10)는 원형 및 각형 등의 형상으로 자유롭게 구성할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 파일의 하부로 설치하는 방식을 기반으로 기초와 파일을 강결 연결하여 수평력 저항을 높이고 지진하중에서도 충분한 내하력을 나타내어 지반침하, 불규칙 하중에 의한 분리파손 등을 방지한다.

도 6은 ABAQUS로 모델링 된 내부강결 두부보강 구조체의 수치해석 프로그램 시뮬레이션 결과이다.

다음은 상세해석 프로그램 ABAQUS로 모델링한 것으로 일반 두부보강에 비해 하중분담 효과가 뛰어나고 내부강결 두부보강 구조체가 높은 강성으로 외력에 저항하여 합성 구조시스템으로서 매우 효과적인 것으로 판명되었다.

이와 같은 본 발명의 구조체를 사용하면 지반 침하 현상, 계산 하중과 다른 불규칙적인 상부 하중에 의한 분리 파손, 지진 하중에 의한 파손 등에 대비하여 견고한 지지력을 확보할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 강관기재 15: 하부지지판
20: 철근부재 21: 내향 절곡부
22: 외향 절곡부 30: 결속부재
40: 보조부재 41: 하부 전단연결재
42: 상부 전단연결재 50: 콘크리트
55: 천공부 FD: 기초
PL: 파일

Claims (7)

1. 기초 파일에 연결되는 내부강결 방식의 두부보강 구조체에 있어서:
   상기 파일보다 작은 크기의 각형으로 형성되는 강관기재(10);
   상기 강관기재(10)의 외면에서 상하로 연장되도록 결합되는 다수의 철근을 갖춘 철근부재(20);
   상기 철근부재(20)를 각형으로 유지하도록 연결되는 결속부재(30); 및
   상기 강관기재(10)와 철근부재(20) 중의 적어도 어느 하나에 전단연결재를 갖춘 보조부재(40);를 포함하되,
   상기 철근부재(20)는 각각의 철근의 일단에 형성되는 내향 절곡부(21)와 타단에 형성되는 외향 절곡부(22)를 대략 "" 형태로 형성하면서 내향 절곡부(21)는 외향 절곡부(22)보다 다소 짧게 형성하고,
   상기 결속부재(30)는 띠철근 또는 결속링을 사용하며,
   상기 보조부재(40)는 강관기재(10)의 하부로 설치되는 하부 전단연결재(41)와 강관기재(10)의 상부로 설치되는 상부 전단연결재(42)를 구비하고,
   상기 하부 전단연결재(41)와 상기 상부 전단연결재(42)는 상호 엇갈리게 배치되며,
   상기 강관기재(10)는 기초용 철근의 통과를 위한 천공부(55)를 더 구비하는 기초 파일의 내부강결 두부보강 구조체.
   
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