KR200347040Y1 - 상부고정 프리플렉스 강재보 - Google Patents

Abstract

본 고안은 건축 및 토목구조물의 구조부재에 관한 것으로, 강재 H빔이나 I빔 또는 빌트업빔을 사용한 강재보에서 프리플렉스빔을 적용하여 형고의 장지간 보를 가능하게 하도록 한 상부고정 프리플렉스 강재보를 제안하는데 목적이 있다.

이를 위해 본 고안에서는 슬래브를 지지하는 강재보가 설치되는 건축물이나 토목구조물에 있어서, 상기 강재보는 하부에 탄성재인 강형재와, 상부에는 탄성재인 인장재가 강결접합되어 이루어지되, 상기 강형재는 중앙부가 상방향으로 휘어진 프리플렉스보에 상단압축응력이 작용하도록 한 상태에서 상기 인장재와 볼트체결 혹은 용접으로 강결접합됨으로써 상기 인장재의 상부에 인장력이 도입되어 형성된 것을 특징으로 하는 상부고정 프리플렉스 강재보를 제안한다.

Description

상부고정 프리플렉스 강재보 {Upper Side Fixed Pre-flex(UFP) Steel Beam}

본 고안은 건축 및 토목구조물의 구조부재 및 그 제조공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강재 H빔이나 I빔 또는 빌트업빔을 사용한 강재보에서 프리플렉스빔을 적용하여 낮은 형고의 장지간 보를 가능하게 하도록 한 상부고정 프리플렉스 강재보에 관한 것이다.

일반적으로, 슬래브(Slab)를 횡방향으로 지지하기 위한 강재 보(Steel beam)에는 자중 및 활하중에 의한 처짐을 고려하여 소정 간격마다 기둥이 연결된다. 이렇게 소정 간격마다 설치되는 기둥은 건축물 및 토목 구조물의 설계 및 미관의 가변성을 저하시키고 공사비를 상승시키는 요인이 되고 있다. 최근에는 건축물 및 토목 구조물의 기둥을 줄일 수 있게 하는 방안으로 프리스트레스 공법과 프리플렉스 공법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 적용한 건축물과 토목 구조물이 나타나고 있다.

프리스트레스(Prestress) 공법과 프리플렉스(Preflex) 공법은 자중에 의한 강재 보의 휨 모멘트를 반대방향의 휨 모멘트(Bending moment)를 가지는 프리스트레스를 가하여 상쇄하게 된다. 프리스트레스 공법은 교량과 같은 토목 구조물에 적용되고 있으며, 도 1과 같이 H 빔(1)의 하부 양끝단에 고정부재(2a,2b)를 설치하고 소정의 인장력을 가지는 인장선(3)의 양끝단을 고정부재(2a,2b)에 고정하게 된다.

그러나 도 1의 방식은 H 빔의 하부에 설치된 인장선(3)에 의해 프리스트레스가 적용된 강재보는 인장선(3)과 고정부재의 폭 만큼 강재보의 폭 즉, 형고가 높아지는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 고안의 고안자는 등록실용신안20-0234927호에서 도2와 같은 형태의 인장선(3)을 제안하였다. 도2는 장착부재(5a, 5b)와 삼각보강판(4a, 4b)의 용접설치 등 추가적인 작업이 발생하여 공기 지연 및 자재량증가의 문제점이 있다.

프리플렉스 공법은 규모가 큰 건축물에 적용되고 있으며, 도 3과 같이 H 빔(1)의 하부에 프리스트레스 부가용 철근 콘크리트(6)를 설치하여 강재 보에 프리스트레스를 적용하게 된다. 철근 콘크리트(6)는 H 빔(1)의 'U' 자형 쳐짐을 상쇄하기 위하여 '∩'형의 휨 모멘트를 가지게 된다. 도 3과 같은 프리플렉스 공법은강재 보의 자중을 크게 함은 물론 철근 콘크리트의 제작에 따른 공사비와 공사기간 연장의 문제점을 초래한다. 나아가, 프리플렉스 공법은 시간이 경과하여 H 빔(1)의 처짐량이 철근 콘크리트(6)의 프리스트레스양보다 커지게 될 때 철근 콘크리트(6)의 저면부터 전단파괴에 의한 크랙이 발생하는 문제점이 있다.

따라서 본 고안은 상술한 문제점을 해결하기 위해 강재H빔, I빔 및 빌트업빔 등의 인장재에 프리플렉스보를 도입하여 안전하고 균일한 성능을 유지할 수 있는 강재보를 제공하는 데 목적이 있다.

또한 본 고안은 프리플렉스보에 하중을 재하하여 인장재를 강결접합함으로써 공기를 종래에 비해 휠씬 단축할 수 있는 강재보를 제공하는데 목적이 있다.

또한 본 고안은 강재H빔, I빔 및 빌트업빔 등의 인장재와 아래로 굽은 강형재 사이에 채움재를 도입함으로써 낮은 형고의 장지간보를 가능하게 하도록 한 강재보를 제공하는데 목적이 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 프리스트레스 공법이 적용된 강재보를 나태내는 단면도이고,

도 3은 종래의 프리플렉스 공법이 적용된 강재보를 나태내는 단면도이고,

도 4는 본 고안에 따른 프리플렉스 강형재를 도시한 것이며,

도 5a는 하중이 재하된 강형재 및 휨모멘트를 도시한 것이고

도 5b는 하중이 재하된 강형재의 응력분포를 도시한 것이며,

도 6a는 하중이 재하된 상태에서 강형재와 인장재를 강결접합한 합성강재보를 도시한 것이고,

도 6b는 하중이 재하된 상태에서 강형재와 인장재를 강결접합한 합성강재보의 응력분포를 도시한 것이고,

도 7a는 응력이 제거된 합성 강재보를 도시한 것이고,

도 7b는 합성 강재보의 강형재와 인장재의 힘평형도를 도시한 것이고,

도 7c는 합성 강재보의 강형재와 인장재의 등가 힘평형도을 도시한 것이고,

도 7d는 합성 강재보의 응력분포를 도시한 것이고,

도 8a, 도8b는 합성 강재보에 활하중이 재하된 상태의 휨모멘트다이어그램과응력분포를 도시한 것이며,

도 9a, 도 9b, 도 9c는 인장재의 다양한 변형예를 보여주는 예시도이며,

도 10는 본 고안에 따른 제2실시예인 강재보의 제작과정을 단계별로 도시한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10, 50 : 강재보 20, 40 : 강형재

30, 70 : 인장재 60 : 채움재

31 : ㄷ채널 33 : 평판

상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안의 상부고정 프리플렉스 강재보의 제1실시 예에서는, 슬래브를 지지하는 강재보가 설치되는 건축물이나 토목구조물에 있어서, 상기 강재보는 하부에 탄성재인 강형재와, 상부에는 탄성재인 인장재가 강결접합되어 이루어지되, 상기 강형재는 중앙부가 상방향으로 휘어진 프리플렉스보에상단압축응력이 작용하도록 한 상태에서 상기 인장재와 볼트체결 혹은 용접으로 강결접합됨으로써 상기 인장재의 상부에 인장력이 도입되어 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1실시 예에서의 상기 인장재는 강재 H빔 이나 혹은 강재 I 빔 혹은 강판 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 상부고정 프리플렉스 강재보가 제안된다.

또한 상기 인장재는 개구부를 상방으로 향하도록 한 이중 ㄷ-채널 혹은 개구부를 양측면으로 구성한 이중 ㄷ-채널인 것을 특징으로 하는 상부고정 프리플렉스 강재보가 제안된다.

본 고안의 상부고정 프리플렉스 강재보의 제2실시예에서는, 슬래브를 지지하는 강재보가 설치되는 건축물이나 토목구조물에 있어서, 상기 강재보의 하부는 중앙부가 하방으로 굽은 강형재와, 상부에는 탄성 인장재로 구성되어 이루어지되, 상기 강형재와 상기 인장재는 채움재을 사이에 두고 강결되며, 상기 채움재는 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 상부고정 강재보를 특징으로 한다.

이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.

도면에서 보는 바와 같이, 본 고안에 따른 상부고정 프리플렉스 강재보의 제조공법을 먼저 살펴보면 우선 도 4는 중심부가 상방으로 휘어진 상태로 제작된 프리플렉스보(21)를 나타낸다. 따라서 상기 프리플렉스보는 응력이 작용하지 않는다.

첫 번째 단계는 위와 같은 프리플렉스보를 준비하는 단계로서 상기 프리플렉스보는 일반 강형재로 제작된다. 상기 프리플렉스보는 도4와 같이 강재 I빔을 사용하는 것이 바람직하다.

또한 도 5a는 프리플렉스 강형재의 상부에 하중을 작용시켜 그 중심부가 하방으로 변형되어 직선강재 상태를 나타냄과 동시에 하중에 대한 휨모멘트다이어그램(BMD)를 도시하고 있다. 이는 하중 재하단계를 나타내는 것이며, 프리플렉스보의 상부압축응력이 작용하도록 하는 것이다. 상기 하중의 재하는 상부 혹은 하부에서 집중하중을 재하함으로써 이루어질 수도 있으며, 혹은 분포하중에 의해 상부에 압축응력이 작용하도록 할 수 있다. 상기 프리플렉스 강형재(20)의 상단에는 압축응력이 작용하고 하단에는 인장응력이 작용하게 된다.

즉, 도 5a와 같은 모멘트가 작용하고 있을 때, 중심부의 상단에서의 응력을 f_to라고 하고 하단에서의 응력을 f_bo라고 하고, 단면계수가 S₁이면,

(압축) ,(인장)

다음 단계는 강결접합단계로서 도 6a에 도시되어 있는데, 이는 강형재의 상부에 재한된 하중이 유지되면서 인장재(30)가 상기 강형재의 상부에 위치하여 일체형성된 상태를 나타낸다. 이러한 인장재 강결접합은 볼트체결 혹은 용접에 의해 이루어 진다.

또한 인장재로서 강재 H빔, I빔등이 사용될 수 있으며 혹은 현장에서 제작되는 임의의 형상의 빌트업빔, 혹은 강판(33), 혹은 ㄷ-채널(31) 등이 있는데, 이는도9a, 도9b, 도9c에 그 형상이 도시되어 있다. 실제로 강결접합하게 되면 강형재 뿐만 아니라 인장재도 응력의 분포가 바뀌게 되나, 본 고안에서는 상세한 응력의 변화는 생략하고 단지 주요 응력의 변화만 설명한다. 이와 같은 이유로 강형재에서의 응력분포는 전 단계인 하중이 재하된 상태에서와 같다.

또한 도 7a는 강형재의 상부에 인장재가 일체형성되면서 하중을 해제시킨 상태를 도시한 것으로서 합성 강재보는 강형재의 복원력에 의해 상방으로 약간 휘어진 상태를 나타낸다. 이는 상기 강결단계의 다음단계인 하중 해제단계로서, 강형재와 인장재에 재하중인 하중을 해제하는 것이다.

따라서 강형재의 상부에 인장재가 일체형성되는 동안 가해졌던 하중을 제거하면 상기 강형재가 원래 가지고 있던 상방이 휘어진 상태로 복원력이 작용하여 합성 강재보는 상방으로 휘어지게 된다.

도 7b은 합성 강재보의 강형재와 인장재의 프리바디다이어그램(Free Body Diagram)을 도시한 것으로 인장재(30)는 인장력과 상방 휨모멘트가 작용하게 되고 아울러 강형재는 압축력과 상방 휨모멘트가 작용하는 것이다. 인장재의 단면적과 단면계수를 각각 A_2,S₂이라 하고 강형재의 단면적을 A₁이라 하면, 먼저 인장재의 상단과 하단에서의 응력은

(인장) ,

(인장)이며,

또한 강형재의 상단과 하단에서의 응력은

(압축) ,

(인장) 으로 된다. 즉, 합성 강재보의 상단과 하단은 인장응력이 작용하게 된다.

도 8에서는 강형재에 일체형성된 인장보로 이루어진 합성 강재보에 외부하중(활하중)이 가해질 때, 상기 합성 강재보 상단에 외부하중으로 인한 압축응력이 작용하면서 합성 강재보 상단의 기인장응력과 상쇄된다. 즉, 활하중으로 인한 모멘트를M _l, 강재보의 단면계수를 S _l 이라 할 때, 강재보의 상단과 하단에서의 응력은,

즉, 상기 합성 강재보의 상단에 작용하는 압축응력이 완화됨으로써 스틸강재의 압축허용응력에 유리하게 작용하므로 낮은 형고의 장지간보가 가능하게 되는 것이다. 또한 도 9a, 도 9b, 도 9c에서는 인장재를 다양하게 변형한 실시예를 도시한 것으로서 도 9a는 개구부를 양측면으로 형성한 이중 ㄷ-채널(31)이며 도 9b는 개구부를 상향하도록 형성한 이중 ㄷ-채널(32)이다. 이렇게 이중 ㄷ-채널로 구성하면 인장재의 강도를 휠씬 증대시킬 수 있다. 또한 간단히 강판(33)으로 구성할 수도 있다.

한편, 상기와 같은 공법으로 제작된 본 고안의 상부고정 프리플렉스 강재보에 대해 설명하면, 슬래브를 지지하면서 건축물이나 토목구조물을 형성하게 되는 본 고안의 강재보는 하부에 탄성재인 강형재가 중심부를 상방으로 향하게 된 상태에서 상기 강형재의 상부에는 탄성재인 인장재가 강결접합되어 형성된다.

따라서 강형재에는 중앙부가 상방향으로 휘어진 프리플렉션 보에 상단압축응력이 작용하도록 한 상태에서 상기 인장재와 볼트체결 혹은 용접으로 강결접합됨으로써 상기 인장재의 상단에 인장력이 도입되는 것이다.

다음은 본 고안의 제2실시예인 상부고정 강재보의 제작공법에 대해 설명한다. 도 10은 제2실시예에 대한 공법을 단계별로 상세도를 도시한 것이다. 먼저 강형재(40)를 준비하게 되는데 제1실시예와는 달리 프리플렉스 상태의 보가 아닌 일반 강형재를 준비하는 것이다. 다음 단계는 상기 강형재에 하중을 재하함으로써 상단에 압축응력이 작용하도록 하는데, 여기서 하중의 재하는 하부에서 줄 수도 있고 상부에서 줄 수도 있으나 계속 하중이 작용하고 있는 상태에서 강형재의 상부에 대해 작업을 진행해야 하므로 작업의 편의성을 위해 하부에서 하중을 주는 것이 바람직하다. 또한 상기 하중은 분포하중이 될 수 도 있다.

계속하여 하중이 재하되면, 상기 상단 압축응력이 작용하는 강형재의 상부에 채움재(60)가 순차적으로 적층된다. 상기 채움재는 강판으로 구성하되 강형재의 오목부가 위로 올라갈수록 넓어지는 것을 고려하여 순차적으로 채움재의 길이가 길어지는 것이 바람직하다. 즉, 채움재는 결국 인장재와 강형재 사이의 공간을 모두 채울 수 있어 강도를 더욱더 향상시키는 것이 가능하다.

다음은 상기 채움재(60)가 적층된 강형재에 인장재(70)가 강결접합된다. 상기 강형재와 인장재에 재하중인 하중을 해제하여 구성된다.

상술한 바와 같은 본 고안의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 고안의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함을 물론이다.

그러므로 본 고안의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 실용신안등록청구범위 뿐만 아니라 이 실용신안등록청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 고안은 피로ㅇ 응력에 의한 인장선의 파단현상이나 철근 콘크리트 저면의 전단파괴에 따른 크랙발생 등의 폐해를 방지함은 물론 인장재의 긴장이나 철근콘트리트 타설 및 양생 등의 시간을 절감시켜 공기를 앞당길 수 있으며 시공성이 우수하고 모든 재료가 별도로 균일하게 제작되므로 품질 및 안정성이 우수하다.

또한 강재사용에 따른 자중이 감소함으로써 장스팬의 보를 구현하게 되므로 고층 건축물을 설계할 수 있을 뿐만 아니라 필요한 기둥의 수를 최소화하여 가변성 있는 공간을 충분히 확보하게 되므로 공연장, 백화점, 주차장 및 체육관 등과 같은 토목 구조물 및 건축물의 미관성을 높이고 설계 가변성을 확보할 수 있다.

또한, 본 고안의 실시예에 따른 강재 보의 폭 내에서 프리스트레스를 적용한 강재 보는 필요한 기둥 수를 최소화함으로써 상부 및 하부 구조의 물량감소를 가능하게 하므로 토목교량 및 건축물의 공사비 저감과 공기 단축의 효과를 유발하는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 슬래브를 지지하는 강재보가 설치되는 건축물이나 토목구조물에 있어서, 상기 강재보는 하부에 탄성재인 강형재(20)와, 상부에는 탄성재인 인장재(30)가 강결접합되어 이루어지되, 상기 강형재는 중앙부가 상방향으로 휘어진 프리플렉스보 (21)에 상단압축응력이 작용하도록 한 상태에서 상기 인장재와 볼트체결 혹은 용접으로 강결접합됨으로써 상기 인장재의 상부에 인장력이 도입되어 형성된 것을 특징으로 하는 상부고정 프리플렉스 강재보
2. 제1항에 있어서,

   상기 인장재는 강재 H빔 이나 혹은 강재 I 빔 혹은 강판(33) 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 상부고정 프리플렉스 강재보
3. 제1항에 있어서,

   상기 인장재는 개구부를 상방으로 향하도록 한 이중 ㄷ-채널(32) 혹은 개구부를 양측면으로 구성한 이중 ㄷ-채널(31)인 것을 특징으로 하는 상부고정 프리플렉스 강재보
4. 슬래브를 지지하는 강재보가 설치되는 건축물이나 토목구조물에 있어서, 상기 강재보의 하부는 중앙부가 하방으로 굽은 강형재(40)와, 상부에는 탄성 인장재(70)로 구성되어 이루어지되, 상기 강형재와 상기 인장재는 채움재(60)을 사이에 두고 강결되며, 상기 채움재(60)는 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 상부고정 강재보