KR200219137Y1

KR200219137Y1 - 나선형 철근을 이용한 콘크리트 충전강관 구조

Info

Publication number: KR200219137Y1
Application number: KR2020000030265U
Authority: KR
Inventors: 정광량; 박규석; 정길용
Original assignee: 주식회사동양구조안전기술; 주식회사안건축사사무소; 주식회사단건축사사무소
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2001-04-02

Abstract

본 고안은 강관에 콘크리트를 충전하는 콘크리트 충전강관(CFT) 구조에서 강관 내부에 나선형 철근을 배근함으로써 콘크리트와 강관과의 횡구속효과(Confined Effect)를 증진시켜 축압축 단면력을 최대로 발휘할 수 있는 나선형 철근을 이용한 CFT 구조에 관한 것이다.

본 고안은 강관(11, 12), 상기 강관 내부에 배근되는 나선형 철근(spiral hoop, 15)과 상기 강관 내부에 충전되는 콘크리트(17)를 포함하여 구성된다. 상기 강관은 각형강관(11) 또는 원형강관(12) 중 어느 것을 사용해도 무방하나, 콘크리트와 강관과의 횡구속효과(Confined Effect)는 원형강관인 경우가 더욱 우수하다. 또한 나선형 철근으로 기 조립된 것을 사용하면 시공상 편의를 도모할 수 있게 된다.

Description

나선형 철근을 이용한 콘크리트 충전강관 구조{CFT(Concrete-Filled steel Tube) structure arranging spiral hoop}

본 고안은 나선형 철근을 이용한 콘크리트 충전강관(CFT) 구조에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 강관에 콘크리트를 충전하는 CFT 구조에서 강관 내부에 나선형 철근을 배근함으로써 콘크리트와 강관과의 횡구속효과를 증진시켜 축압축 단면력을 최대로 발휘할 수 있는 나선형 철근을 이용한 CFT 구조에 관한 것이다.

CFT는 Concrete-Filled steel Tube의 약자로 강관에 콘크리트를 충전한 콘크리트 충전강관을 말하며, 이 CFT를 골조의 주요 구성부재 중 기둥부재에 채용하여 고축력에 저항하는 구조를 CFT구조라 한다. 이러한 CFT 구조는 강관이 콘크리트를 구속함으로써 강성, 내력, 변형 등의 구조적인 면뿐만 아니라, 내화 및 시공 등 다방면에서 우수한 성능을 발휘하고 있다.

CFT 구조의 이점을 설명하면 다음과 같다.

첫째, CFT 기둥은 충전되어 있는 콘크리트가 강관에 국부좌굴을 구속하여 좌굴에 따른 강관의 내력저하를 방지하며, 이때 콘크리트는 강관에 의해 구속되기 때문에 철근콘크리트 기둥이나 철골철근콘크리트 기둥에서 볼 수 있는 바와 같이 균열에 의한 박리가 없고 높은 강도를 갖게 된다. 또한, CFT 기둥은 콘크리트와 강관의 상호작용인 횡구속효과(Confined Effect)에 의해 높은 항복강도와 큰 변형능력을 발휘한다.

둘째, CFT 구조에서 내부에 충전되는 콘크리트는 열용량이 크기 때문에 화재로 인한 강관의 온도상승을 억제할 수 있어, CFT 기둥은 내화피복의 두께를 얇게 유지하거나 일정조건하에서는 내화피복을 하지 않아도 된다.

셋째, 종래의 철근콘크리트 구조 또는 철골철근콘크리트 구조에서는 철근공사와 거푸집 등의 가설공사가 선행된 후 콘크리트 타설작업이 이루어지는데 반해, CFT 구조에서 강관은 철근과 거푸집 기능을 가지므로 별도의 가설작업을 생략할 수 있어 공사기간을 단축할 수 있다.

넷째, CFT 구조는 기존 철골철근콘크리트 구조에서 강관과 콘크리트를 사용함으로써 미려한 외관과 부드러운 구조부재의 단면을 형성케 하여, 도시의 오피스빌딩, 고층복합시설, 판매시설 등과 같은 건축물에 효율적으로 적용할 수 있다. 또한 도시화에 따른 초고층 건축물과 장스팬 및 공간의 효율성을 갖는 공업화 건축물까지 폭 넓게 적용할 수 있다.

한편, CFT 구조는 위와 같은 이점만 있는 것은 아니다.

CFT 기둥은 강관과 콘크리트의 강도의 조합이 적절하면 강관의 내부콘크리트에 대한 횡구속효과(Confined Effect)에 의해서 양자의 항복내력의 합 이상의 축압축 단면력을 발휘하지만, CFT 기둥에서 내부 콘크리트의 강도가 어느 한계 이상으로 커지면 횡구속효과(Confined Effect)는 나타나지 않고 축압축 단면력은 강관과 콘크리트의 항복내력의 합보다 작아진다. 그러나, CFT 구조는 이러한 구속효과가 소멸되는 콘크리트의 강도의 상한치, 강관의 폭두께비(지름/두께)의 한계치 등을 명시할 수 없어, 전술한 CFT 구조의 다양한 이점에도 불구하고 사용에 제한되거나 적용에 문제를 갖고 있다.

본 고안의 다른 목적은 CFT 구조에서 강관 내부에 나선형 철근을 배근함으로써 강관과 콘크리트의 횡구속효과(Confined Effect)를 증진시킨 나선형 철근을 이용한 콘크리트 충전강관(CFT) 구조를 제공하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 기 조립된 나선형 철근을 사용함으로써 시공상 간편한 작업을 가능케 한 나선형 철근을 이용한 콘크리트 충전강관(CFT) 구조를 제공하는 것이다.

제1a도는 본 고안에서 각형강관을 사용한 구체예의 평면도이다.

제1b도는 본 고안에서 원형강관을 사용한 구체예의 평면도이다.

제2도는 본 고안의 나선형 철근을 이용한 콘크리트 충전강관 구조의 단면도이다.

〈도면의 주요 부호의 설명>

1: 콘크리트 충전강관(CFT) 기둥 11: 각형강관

12: 원형강관 15: 나선형 철근

17: 콘크리트

도면에 따라 본 고안을 설명한다.

제1a도 및 제1b도는 본 고안의 나선형 철근을 이용한 콘크리트 충전강관 구조의 구체예의 평면도로서, 본 고안은 강관(11, 12), 상기 강관(11, 12) 내부에 배근되는 나선형 철근(15) 및 상기 강관 내부에 충전되는 콘크리트(17)로 구성된다.

강관(11, 12)은 일반 건축구조용 탄소강관이며, 제1a도 및 제1b도는 본 고안의 구체예로서 강관으로 각형강관(11) 또는 원형강관(12)을 사용한 경우이다. 상기 강관(11, 12)은 냉간 또는 열간압연에 의해 제조된 이음매 없는 강관 또는 강재를 용접하여 제작된 용접강관 중 어느 것을 사용해도 무방하다. CFT 구조에서 강관(11, 12)의 폭두께비(지름/두께)는 CFT 기둥의 내력에 커다한 영향을 미치므로, 강관의 기둥 내력분담률을 고려하여 이를 결정한다.

나선형 철근(spiral hoop)은 일반 철근콘크리트 구조에서 기둥의 축방향 철근을 나선상 또는 환상으로 둘러싸서 배치한 철근으로, 주근의 좌굴과 수평력에 대한 전단력을 부담하는 역할을 한다. 본 고안에서의 나선형 철근(spiral hoop, 15)은 상기 강관(11, 12) 내부에 배근되어 일반 철근콘크리트 구조에서처럼 동일하게 작용한다. 상기 나선형 철근(15)으로 공장 또는 현장에서 다각형을 유지하면서 나선상으로 기 조립된 상태의 것을 사용하면, 강관 내부에 삽입하기만 하면 되므로 시공상의 편의를 도모할 수 있다.

콘크리트(17)는 강관(11, 12) 내부에 충전되어 상기 강관의 국부좌굴 변형을 구속하고 좌굴에 의한 강관의 내력저하를 방지한다. 콘크리트(17)는 강관에 의해 구속되기 때문에, 철근콘크리트 기둥이나 철골철근콘크리트 기둥에 나타나는 균열에 의한 탈락 현상이 없고 높은 강도를 갖게 된다. 이때 상기 콘크리트(17)는 상기 강관(11, 12) 내부에 공극없이 충전되어야 소요내력을 확보할 수 있으므로 유동성이 우수하고 침하가 적은 배합계획이 이루어지도록 한다.

콘크리트는 그 강도가 커질수록 충전되는 콘크리트의 강관에 대한 횡구속효과(Confined Effect)는 증진되나 최대내력에 도달한 후에는 콘크리트의 전단파괴로 내력이 급속히 저하하는 취성적인 거동을 나타내므로, 콘크리트의 기둥 내력분담률을 고려하여 강도를 결정한다.

본 고안의 나선형 철근을 이용한 콘크리트 충전강관(CFT) 구조를 실시하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저 기둥위치에 강관(11, 12)을 설치하고, 나선형 철근(15)을 상기 강관(11, 12) 내부에 배근한 후 콘크리트(17)를 충전하면 CFT 기둥의 설치가 완료된다. 이때 강관으로 원형강관(12)을 사용하면 각형강관(11)을 사용하는 경우보다 콘크리트와 강관과의 횡구속효과(Confined Effect)가 더욱 크게 발휘되며, 나선형 철근(15)으로 기 조립 상태의 것을 사용하면 강관(11, 12) 내부에 설치하는 것이 간편해 진다. 또한 콘크리트(17) 충전작업은 공정에 영향을 미치지 않기 때문에 전체적으로 공기단축을 가능케 한다.

강관 내에 콘크리트를 충전하는 방법으로는 압입공법(Bottom-up Pumping Method), 원심성형법(Centrifugal Forming Method) 및 위로부터의 주입성형법 등이 있는데, 압입공법이 주로 적용되고 있다.

압입공법은 고유동 콘크리트를 주각부분부터 한번에 채우는 공법이다. 압입공법에서는 콘크리트 압입 시공중에 작용하는 압입압력에 의해 강관이 변형하지 않도록 시공계획시에 적절한 압입높이를 결정한다. 그리고, 시공시에는 압입압력구 근처에 간이식 압력계를 설치한 후 기준치를 초과하지 않도록 관리해야 한다. 이 경우 기준치는 강관의 폭, 강관두께 및 항복강도에 의해 계산한다. 예를 들어 강관폭 600㎜, 강관두께 28㎜, 항복강도 3,300kgf/㎠ 의 경우에 기준치는 15.8kgf/㎠ 로 하고 있다.

본 고안은 CFT 구조에서 강관 내부에 나선형 철근을 배근함으로써 강관과 콘크리트의 횡구속효과를 증진시켜 국부응력이 발생하는 것을 해결하고 축압축 단면력이 최대로 발휘하도록 하며, 또한 나선형 철근으로 기 조립된 상태의 것을 사용함으로써 시공상 작업을 간편하게 한다.

Claims

강관(11, 12);

상기 강관 내부에 배근되는 나선형 철근(spiral hoop, 15); 및,

상기 강관 내부에 충전되는 콘크리트(17);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 철근을 이용한 콘크리트 충전강관(CFT) 구조.
제1항에서, 상기 나선형 철근(15)으로 기 조립된 상태의 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 나선형 철근을 이용한 콘크리트 충전강관(CFT) 구조