KR20020066608A - 강재말뚝과 콘크리트기초와의 보강결합을 위한 결합구 및이를 이용한 결합구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토목 또는 건축 구조물의 기초로써 강재말뚝을 사용한 말뚝기초를 이용하는 경우에 강재말뚝을 콘크리트기초에 앵커링하기 위한 결합구와 이를 이용한 강관말뚝 결합구조에 관한 것이다.

본 발명은 암나사 형태의 기초앵커철근 결합부와, 상기 결합부의 하부에 측면방향의 볼트구멍이 형성된 강제말뚝 결합부 그리고 내부앵커철근 결합부가 일체로 형성되어, 강제말뚝과 앵커철근을 기계적으로 연결하는 결합구로써, 앵커철근과 결합구, 결합구와 강재말뚝간의 단순한 기계적 연결외에 강재말뚝머리부 내부에 채워지는 콘크리트의 부착력을 이용하도록 하는 구조의 결합구와 결합구조에 관한 것이다.

본 발명의 강재말뚝 결합구는 기존의 속채움 공법을 이용한 강관말뚝 결합방법에서 지적되어온 강관내부 용접작업을 강-콘크리트 합성을 이용하는 기계적 이음으로 개선함으로써 시공작업의 편의성과 경제성을 개선하는 효과가 있다.

Description

강재말뚝과 콘크리트기초와의 보강결합을 위한 결합구 및 이를 이용한 결합구조{Anchoring joint for steel pile head and concrete footing and thereof construction structure}

본 발명은 토목 또는 건축 구조물의 기초로써 강재말뚝을 이용하는 경우에 강재말뚝의 머리부와 콘크리트 기초를 결합하는 결합구와 결합구조에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 강재말뚝의 머리부의 내부 또는 외부에 콘크리트를 채우는 경우에 있어서, 강재말뚝을 콘크리트 기초에 용이하게 앵커링하는 구조와 이를 위한 결합구에 관한 것이다.

기존의 강관말뚝 머리부와 콘크리트 기초의 결합방법의 예를 도 1와 도 2, 그리고 도 3에서 도시하였다.

도 1은 강관말뚝 내부를 콘크리트로 속채움하는 방법으로, 상기 방법은 강관말뚝(1) 내에 2열의 미끄럼 방지턱(5)와 합판 걸림턱을 용접한 후, 앵커철근(2)을 삽입하고 콘크리트(4)를 타설함으로써 콘크리트 기초에 작용하는 외력을 지탱하는 구조이다.

국내의 도로교 표준시방서에 제시되어 있는 속채움방식의 강관말뚝과 콘크리트 기초 결합방법은 콘크리트 기초 속에 강관말뚝을 근입시키고, 콘크리트로 강관내부를 속채움하도록 하고 있다. 이러한 속채움방식에 있어서도 콘크리트 기초에 근입되는 강관말뚝(1)이 콘크리트 기초의 주철근(3)과 간섭하지 않도록 근입깊이를 10cm만 근입시키고 강관말뚝 머리부에 콘크리트 기초속에 정착되는 보강철근망을삽입하고 강관내부에 미끄럼 방지턱(5)을 용접한 후 콘크리트(4)로 강관직경 이상의 깊이까지 속채움하여 강관말뚝 머리부가 콘크리트 기초에 앵커링되는 설계가 주로 사용되고 있다.

그러나 상기 속채움 방법에서 강관내부에 미끄럼 방지턱의 용접작업이 좁은 강관말뚝내부의 지표면 아래위치에서 이루어짐에 따라 용접자세가 불량하여 용접품질이 영향을 받기 쉽고 작업시간이 오래 걸리는 단점이 있다.

도 2는 하부에 '+'자형 보강판(12)을 부착한 덮개판(11)을 강관말뚝 머리부에 삽입하고, 강관말뚝과 보강판을 볼트(13)로 연결하는 구조이다. 기존의 속채움방법에서 미끄럼방지턱을 용접하는데 따른 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 이는 강관말뚝에 작용하는 압축하중을 강관말뚝의 상부에 씌워지는 +자형 보강판(12)을 부착한 덮개판(11)을 이용하여 지지하고, 인발하중에 대해서는 콘크리트 기초속에 정착되는 앵커철근(2)이 강관파일에 볼트연결된 덮개판(11)에 나사이음되어 지지하는 구조이다. 이 구조는 강관말뚝 머리부에 덮개판(11)을 씌워 압축하중에 대한 지지면적을 크게 함으로써 하중분산효과를 높이고자 하였으나, 오히려 덮개판을 씌우지 않고 강관말뚝 머리부 내부를 콘크리트로 속채움하는 구조에 비해 응력분산 효과가 더 떨어지는 것으로 실험결과가 나오고 있다. 또한 인발하중에 대해서도 강관말뚝과 결합구간의 볼트연결부가 지지하는 구조로, 볼트 지지하중이 적은 단점이 있다. 또한 강관파일(1) 내부가 비어있게 됨으로써 강관머리부의 강성이 작아 수평으로 작용하는 하중에 대해 취약한 단점을 가지고 있다.

도 3은 하부에 '+'자형 보강판(22)을 부착한 덮개판(21)을 강관말뚝 머리부에 삽입하고, 강관말뚝(1)과 덮개판(21)을 용접하여 강관말뚝을 폐색하고 기초앵커철근(2)을 강관 머리부 옆면에 용접하는 구조이다. 이는 강관말뚝에 작용하는 압축하중을 강관말뚝의 상부에 씌워지는 +자형 보강판을 부착한 덮개판을 이용하여 지지하고, 인발하중에 대해서는 강관파일과 기초앵커철근의 용접부(23)가 강관말뚝에 하중을 전달하는 구조이다. 이 구조는 도 2의 구조에서와 같이 응력분산 효과가 더 떨어지는 것으로 실험결과가 나와 사용되지 않는 구조이다.

이외에 H형강말뚝의 경우 콘크리트 기초에 매입되는 앵커철근을 H형강말뚝의 머리부에 용접하는 방법이 주로 쓰이고 있다. 그러나 이 방법은 통상 용접용으로 사용되지 않는 이형철근을 용접사용함으로써 용접부위의 품질을 확보하기가 어려우며, 용접을 위한 장비 및 인력관리, 현장의 열악한 환경 등 시공상의 어려움을 안고 있다.

본 발명은 강재말뚝 머리부에 작용하는 하중에 대해 고른 지압하중분포, 충분한 강성 등 여러 장점을 가지는 콘크리트 채움방법의 장점을 살리면서, 강재말뚝 머리부에서의 용접작업 특히, 강관말뚝의 경우에 강관내부에 미끄럼 방지턱과 합판 걸림턱을 용접하는데 따른 문제점을 해결하고, 강재 말뚝 머리부를 보강하면서 콘크리트 기초와의 앵커링하는 방법과 이를 위한 결합구를 제공하는데 주 목적이 있다.

강재말뚝과 콘크리트 기초간의 결합이 가져야하는 기능은 크게 두가지로 볼 수 있다. 첫째, 말뚝머리부의 보강이다. 콘크리트 기초부와 말뚝 머리부간에는 급격한 단면적 변화가 이루어져 상대적으로 취약한 말뚝머리부의 보강이 필요하다. 둘째, 말뚝의 콘크리트기초에의 앵커링이다. 이같은 기능은 특히 지진과 같은 대규모 하중이 수직이외의 방향에서 작용하는 경우에 필수적인 것이다.

강관말뚝 속채움 방법의 여러 장점은 강재말뚝 표면과 콘크리트 사이에서 발휘되는 부착력과 채움콘크리크로 인한 머리부의 강성증가에서 기인하는 것이며, 볼트식 결합구를 이용하는 방법의 장점은 현장용접작업이 없이 간단한 유압펀칭프레스에 의한 타공으로 강관말뚝과 앵커철근의 연결이 가능하다는 것이다. 그러나 각기 방법은 그 장점에도 불구하고 시공측면 또는 구조안전성 측면의 문제점을 안고 있다.

따라서 강재말뚝과 앵커철근의 연결을 현장용접에 의존하지 않고 기계적 연결로 해결하고 강재말뚝 머리부에 채워지는 보강콘크리트을 활용하여 내력을 향상함으로써 보다 경제적이고 구조적으로 안정된 결합방법을 찾고자 한다.

본 발명은 채움 콘크리트에 의한 강재말뚝 머리부에 작용하는 하중을 분산 지지하는 효과가 있는 콘크리트 채움 구조를 기본으로 하면서, 강재말뚝과 앵커철근의 연결을 볼트가 당당하도록 하고 상대적으로 작은 지압능력을 갖는 볼트연결의 지지능력을 채움 콘크리트가 부담하도록 하여 체결 볼트의 수량을 줄이면서 구조적 안전성을 확보하는 결합구와 이를 이용한 결합구조를 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 종래의 강관말뚝과 콘크리트 기초의 속채움 결합구조의 단면도이다.

도 2는 종래의 강관말뚝과 콘크리트 기초의 볼트연결 결합구를 이용한 결합 구조의 단면도이다.

도 3은 종래의 강관말뚝과 콘크리트 기초의 용접연결 결합구를 이용한 결합구조의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 결합구의 정면도이다.

도 5은 본 발명의 결합구가 강관말뚝에 연결된 측면도이다.

도 6은 본 발명의 결합구조의 실시 예의 단면도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 강관말뚝 2 : 기초앵커철근

3 : 기초 콘크리트 철근 4 : 기초 콘크리트 철근

4 : 콘크리트 5 : 미끄럼 방지턱

30 : 결합구 31 : 기초앵커철근결합부

32 : 강관파일결합부 33 : 보강콘크리트앵커부

34 : 암나사부 40 : 바닥판

도 4에서 도 6를 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다.

본 발명의 결합구(30)는 암나사 형태의 기초앵커철근 결합부(31)와, 상기 결합부의 하부에 측면방향의 볼트구멍이 형성된 강재말뚝 결합부(32), 그리고 보강콘크리트 앵커부(33)가 일체로 형성되어, 강재말뚝(1)과 기초앵커철근(2)을 기계적으로 연결하는 결합구(30)이다. 본 발명의 결합구(30)는 기초앵커철근(2)과 결합구, 결합구와 강재말뚝간의 단순한 기계적 연결외에 결합구에 연결된 보강콘크리트앵커부(33)에 의해 강재말뚝머리부에 채워지는 보강콘크리트의 부착력을 이용하도록 하는 구조이다.

기초앵커철근 결합부(31)는 하단부에 나사가공이 되어있는 기초앵커철근(2)이 결합되도록 암나사 가공이 되어있으며 암나사부 길이는 그 결속력이 기초앵커철근의 인장력의 125%이상을 확보할 수 있는 길이로 한다. 그리고 기초앵커철근 결합시 결합부의 상부에서 너트(41)를 체결하여 기초앵커철근에 인장력이 발생시킴으로써 기초앵커철근(2)과 결합부(31)간의 결속력을 관리할 수 있도록 구성하되, 기초앵커철근 결합부(31)의 상부가 오목하게 형성되고, 암나사부(34)가 그 오목부위 하부에 낮게 형성되어 수평하중에 의한 기초앵커철근 결속부위의 구조적 안전성을 개선할 수 있도록 구성할 수 있다.

상기 기초앵커철근 결합부(31)의 하부에는 측면방향의 볼트구멍이 형성된 강재말뚝 결합부(32)가 형성된다. 강재말뚝 결합부(32)는 측면방향으로 볼트구멍(35)이 형성되어 강재말뚝 머리부에 형성되는 구멍(3)을 통해 볼트연결됨으로써 기초앵커철근(2)에 작용하는 하중의 일부를 강재말뚝에 전달하는 역할을 한다. 강재말뚝과 기초앵커철근 결합구의 연결은 일반볼트와 너트를 이용할 수 도 있고, 강재말뚝 결합부(32)의 볼트구멍을 암나사로 가공하여 고장력볼트(36)로 연결을 할 수도 있다.

상기 강재말뚝 결합부(32)의 하부에는 보강콘크리트 앵커부(33)가 일체로 형성된다. 보강콘크리트 앵커부(33)는 이형철근형상으로 형성되며, 연결되는 강재말뚝면으로부터 보강철근앵커부(33)의 직경이상만큼 떨어지도록 형성된다. 보강콘크리트앵커부(33)는 기초앵커철근(2)에 작용하는 하중중 강재말뚝과의 볼트연결이 부담하는 하중이외의 하중을 보강콘크리트에 전달함으로써 보강콘크리트의 강재부착력에 의해 지지되도록 하는 역할을 한다. 콘크리트의 강재부착력은 보통 1.4㎏f/㎠ 정도의 허용부착응력을 허용하고 있다. 이는 강재말뚝 표면의 상태에 따른 영향을 감안해 큰 안전율을 부가하고 있는 수치로, 실제 정상적인 강재부착력은 이보다 큰 부착력을 보이고 있다. 보강콘크리트앵커부(33)는 기초앵커철근에 작용하는 하중을 콘크리트의 강재부착력을 활용하여 지지하게 된다.

또한 본 발명의 다른 실시예로서 기초앵커철근 결합구(30)와 기초앵커철근(2)은 일체로 형성될 수도 있으며, 보강콘크리트앵커부(33)와 결합구(30)가 분리되어 기계적 이음으로 연결될 수도 있도록 구성될 수 있다.

본 결합구(30)를 이용한 강재말뚝과 콘크리트기초의 결합구조는 기존의 속채움 콘크리트 방법과 유사하다. 다만 강관내부에 용접되는 미끄럼 방지턱(5)을 기초앵커철근(2)과 연결된 결합구(30)의 강재말뚝과의 볼트연결로 대치하되 볼트연결의 허용지지력을 보강콘크리트앵커부(33)를 통한 콘크리트 강재부착력으로 보완하는 구조이다.

강관말뚝기초의 경우 속채움 콘크리트 방법의 장점을 살리되 좁은 강관내부에서 이루어지는 용접작업을 기계적 이음과 강재부착력을 활용하는 구조의 기초앵커철근 결합구를 이용하여 시공성과 경제성을 개선한 것이다.

본 발명의 결합구를 이용한 강재말뚝 결합구조를 설치하는 방법을 강관말뚝 기초의 경우를 들어 설명하면 다음과 같다.

강관말뚝의 타입후 지반위에 남는 강관말뚝은 기초콘크리트의 기초배근과 간섭되지 않도록 절단한다. 절단된 강관말뚝 머리부에 구조설계에 따라 결정되는 수만큼의 기초앵커철근을 설치할 수 있도록 볼트가 통과할 수 있는 볼트구멍(3)을 일정간격으로 형성시킨다. 볼트구멍(3)은 강관말뚝 머리부로부터 강관말뚝 모재의 연단거리를 지키는 위치에 형성하도록 하며 유압펀칭프레스 등을 이용하여 용이하게 형성될 수 있다.

강관말뚝 내부에 속채움되는 콘크리트를 지지할 수 있도록 강관내부 직경으로 가공된 바닥판(40)을 설치되는 3개 이상의 결합구(30)의 보강콘크리트 앵커부(33)에 철선 등의 결속선으로 고정하여 강관말뚝 내부에 삽입하고, 결합구를 강관말뚝의 볼트구멍(3)에 볼트 연결한다.

강관말뚝 머리부의 내부에 일정한 간격으로 연결된 결합구(30)에 기초앵커철근(2)을 결합한다. 이때 결합구와 기초앵커철근의 결속력 관리가 필요한 경우 너트(41)를 추가하여 토크렌치로 결속함으로써 결속력을 관리한다.

그리고 기초콘크리트의 기초배근을 완료한 후 콘크리트를 타설한다. 타설된 콘크리트는 강관말뚝 내부로 유입되어 강관말뚝과 일체화 된다.

강관이외의 강재말뚝기초에 적용되는 경우 강관의 경우와 같이 본 발명의 결합구를 연결하고 강재말뚝머리부의 보강깊이까지 강재말뚝주변을 보강콘크리트로 채우게 된다.

본 발명의 강재말뚝과 기초콘크리트의 결합구조는 강재말뚝머리부를 콘크리트로 채움으로써 머리부를 보강하고, 강재말뚝과 콘크리트 사이에서 발휘되는 부착력을 이용하여 하중분산효과와 기계적 이음의 구조적 안전성을 향상하는 것으로 그만큼 경제성과 시공성이 향상된다.

본 발명은 강재말뚝의 머리부를 보강하고 강재말뚝을 기초콘크리트에 앵커링 하기 위한 것으로, 강재말뚝 머리부를 콘크리트로 보강하고 기초앵커철근에 작용하는 하중의 강재말뚝으로의 전달을 기계적 이음으로 개선함으로써 구조적 안정성을 개선한 발명이다. 특히 기계적 이음의 하중전달능력을 향상시킬 수 있도록 결합구가 보강콘크리트 속에 앵커링될 수 있는 앵커부를 형성한 것이 특징이다.

따라서 본 발명은 말뚝머리부를 콘크리트로 채워 보강하는 방법의 구조적 장점을 그대로 살릴 수 있는 효과가 있다. 콘크리트의 강재 부착력을 활용하여 하중의 분산효과가 높으며 강-콘크리트 합성에 의한 강성증가의 효과가 있다.

또한 본 발명은 기초앵커철근을 강재말뚝에 용접연결하는 방식에 비해 시공관리용이성 및 안전성이 증가되는 효과가 있다. 용접연결의 경우 작업인력의 기능 관리가 필요하고 용접작업의 품질에 대한 검사 또한 이루어져야 한다. 또한 열악한 현장환경하에서의 용접작업의 안전성이 확보되어야 한다. 반면에 본 발명의 결합구조의 경우 전문기능인력이 필요치 않으며 기계적 이음에 의해 시공되기 때문에 시공품질검사 또한 용이하고 현장작업조건에 따른 영향이 적은 특징이 있다. 그리고 유압펀칭프레스 등을 이용한 기계작업에 시공되므로 시공시간 또한 대폭 감소된다.

또한 본 발명은 강재말뚝 상단에 거치되는 일체형 결합구를 이용하는 구조에 비해 작업성이 우수한 효과가 있다. 일체형 결합구를 이용하는 구조의 경우 강재말뚝 상단의 절단면이 수평을 이루어야하고 절단면의 거칠기가 일정해야 한다는 제약으로 인해 강재절단작업이 복잡하고, 결합구를 연결하기 위해 강재말뚝에 형성하는 구멍의 가공작업 역시 용이하지 않다. 기존의 일체형 결합구를 이용하는 결합구조의 경우 현장에서 정리되는 강재말뚝 머리부의 상단 표면 거칠기와 타공위치의 정확성이 확보되지 않음으로 인해 발생되는 교정작업이 이루어져야만 하는 경우가 발생하며, 현장에서의 가공작업을 위한 치구설치작업들이 많은 문제점을 안고 있다. 이에 비해 본 발명에 의한 결합구의 경우 강재말뚝상단 절단면의 가공상태의 제약을 받지 않으며 현장에서 강재말뚝에 형성하는 구멍에 간단히 적용될 수 있어 작업이 간편하다는 효과가 있다.

또한 본 발명은 강재말뚝 상단에 거치되는 일체형 결합구를 이용하는 구조에 비해 결합구적용의 유연성이 향상되는 효과가 있다. 기존의 일체형 결합구의 경우 기초앵커철근의 직경과 배치위치가 결정되어 있어 설계하중에 따른 기초앵커철근의 설계를 제대로 반영할 수 없어 과다설계되는 경향을 가질 수 밖에 없으나 본 발명에 의한 결합구의 경우 기초앵커철근별로 분리되어 있어 설계규격 및 수량에 따른 시공이 가능하기 때문에 경제적인 설계가 용이하다. 그리고 임의의 강재말뚝형상에 도 쉽게 적용될 수 있어 결합구적용의 유연성이 높다.

또한 결합구와 기초앵커철근이 일체로 형성되는 실시예의 경우 기초앵커철근과 결합구의 결속력에 대한 우려가 없다. 또한 기초앵커철근이 결합구의 기초앵커철근결합부(31)에 나사연결되는 실시예의 경우 너트(41)를 이용하여 결합력을 관리할 수 있으며, 특히 기초앵커철근결합부(31) 상단에서 오목부위 높이만큼의 비결합 길이를 가짐으로써 수평력에 의한 앵커철근 전단위험을 줄일 수 있다.

또한 기초앵커철근이 일체화된 결합구의 경우 주강공정을 이용하여 가공함으로써 가공작업의 손쉬워져 경제성이 향상되며 일체화된 결합구의 현장취급성 또한 좋은 효과가 있다.

Claims (5)

1. 강재말뚝기초의 강재말뚝 머리부와 구조물의 콘크리트기초를 결합하는 결합구에 있어서, ;

   기초앵커철근결합부(31)와 강재말뚝결합부(32), 그리고 보강콘크리트앵커부(33)가 일체로 형성되며, ;

   상기 기초앵커철근결합부(31)가 암나사 형태로 형성되어, 하단부가 나사가공된 기초앵커철근과 결합되며, ;

   상기 강재말뚝결합부(32)가 기초앵커철근결합부(31)의 하부에 형성되어, 측면방향으로의 볼트구멍(35)을 가지며, ;

   상기 보강콘크리트앵커부(33)가 이형철근의 형상으로 강재말뚝결합부의 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 기초앵커철근 결합구(30)
2. 제 1항에 있어서, 기초앵커철근결합부(31)의 상부가 오목하게 형성되고, 암나사부(34)가 그 오목부위 하부에 형성되어 오목부위 높이만큼의 비결합길이를 가지는 것을 특징으로 하는 기초앵커철근 결합구.
3. 강재말뚝기초의 강재말뚝 머리부와 구조물의 콘크리트기초를 결합하는 결합구에 있어서, ;

   기초앵커철근결합부와 강재말뚝결합부, 그리고 보강콘크리트앵커결합부가 일체로 형성되며, ;

   상기 기초앵커철근결합부가 암나사 형태로 형성되어, 하단부가 나사가공된 기초앵커철근이 결합되며, ;

   상기 강재말뚝결합부가 기초앵커철근결합부의 하부에 형성되어, 측면방향으로의 볼트구멍을 가지며, ;

   상기 보강콘크리트앵커결합부가 암나사 형태로 가공되어, 상단부가 나사가공된 보강콘크리트앵커철근이 결합되는 것을 특징으로 하는 기초앵커철근 결합구
4. 강재말뚝기초의 강재말뚝 머리부와 구조물의 콘크리트기초를 결합하는 결합구에 있어서, ;

   기초앵커부와 강재말뚝결합부, 그리고 보강콘크리트 앵커부가 일체로 형성되며, ;

   상기 기초앵커부가 구조물의 콘크리트 기초에 정착되는 이형철근 형상이며, ;

   상기 강재말뚝결합부가 기초앵커부의 하부에 형성되어 측면방향으로의 볼트구멍을 가지며, ;

   상기 보강콘크리트앵커부가 이형철근의 형상으로 강재말뚝결합부의 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 강재말뚝 결합구
5. 강재말뚝기초의 강재말뚝 머리부와 구조물의 콘크리트기초를 결합하는 결합구조에 있어서, ;

   제 1항, 제 2항, 제 3항, 또는 제 4항의 결합구를 강재말뚝 머리부 내측 주변에 일정간격으로 볼트연결하고 강재말뚝 머리부에 콘크리트를 속채움하는 것을 특징으로 하는 결합구조.