KR20040103833A - 복합구조 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 철근 콘크리트 기둥과 철골 보로 구성된 복합구조의 접합부위를 개발 및 개선하기 위한 시스템에 관한 것으로써, 수직으로 철근 콘크리트 기둥을 형성하고 수평방향으로 철골 보를 연결하되, 제 1 · 2 연결부재와 결합부재를 이용하여 연결함으로써 접합부위의 강성이 향상되고, 이로 인해 장스팬화가 가능하며, 내진성이 향상된 특징이 있다.
본 발명은 크게 철근 콘크리트 기둥(10)과 철골 보(20), 연결 부재(30) 및 결합 부재(40) 등으로 구성되며, 철근 콘크리트 기둥(10)과 그 상부 수평방향으로 돌출부(13)가 형성되도록 거푸집을 설치하고, 기둥 철근(11)과 띠근(12)을 이용하여 철근 콘크리트 기둥(10)의 뼈대를 완성하며, 일정 거리 이격된 위치에 철골 보(20)를 설치하되, 철골 보(20)의 양측으로 제 1 연결부재(31)와 제 2 연결부재(32)를 결합부재(40)를 이용하여 설치하고, 그 후 콘크리트를 부어 양생하되, 철골 보(20)와 연결되는 부위에는 제 1 · 2 연결부재(31, 32)를 감싸도록 돌출부(13)를 형성시킴으로써 접합부위의 강도가 향상될 수 있는 대략적인 구성을 갖는다.
상기와 같이 구성을 갖는 본 발명은, 우선 기둥 철근을 수직방향으로 입설하고, 그 둘레에 띠근을 둘러 서로 움직이지 않도록 결속하고, 일정위치에 제 1 · 2 연결부재를 설치한 후, 제 1 · 2 연결부재와 철골 보를 결합부재로 결속한 다음콘크리트를 타설함으로써 철근 콘크리트 기둥과 철골 보의 장점을 동시에 살려서 강성을 확보하면서 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다.
또한, 콘크리트의 타설 시 철골 보가 연결되는 부위에는 돌출부를 형성시켜서 철골 보의 응력을 콘크리트 기둥으로 전달될 수 있도록 하여 기둥의 국부적인 손상의 우려가 없으며, 이를 통해 장스팬의 수평 구조물을 제작할 수 있도록 하며, 이를 대상으로 반복재하 실험을 통해 역학적 특성과 내력 및 구조성능을 평가하고, 연결부의 응력전달 경로를 규명하여 내진성을 향상시킬 수 있는 또 다른 효과가 있다.

Description

복합구조 시스템 { The hybrid structure system }
본 발명은 철근 콘크리트 기둥과 철골 보로 구성된 복합구조의 접합부위를 보강하기 위한 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게 설명하면, 수직으로 철근 콘크리트 기둥을 형성하고 수평방향으로 철골 보를 연결하되, 제 1 · 2 연결부재와 결합부재를 이용하여 상호 연결함으로써 접합부위의 강성이 향상되고, 이로 인해 장스팬화가 가능하며, 내진성이 향상된 복합구조 시스템에 관한 것이다.
근래에 들어서 건축 구조물은 구조부재의 특성을 보다 효과적으로 사용하고, 시공성 향상 및 장스팬화, 고층화, 다기능화, 경량화를 위하여 복합구조 시스템에 관한 다양한 발명 및 연구가 수행되고 있다.
그 중 가장 기초적인 방법에는, 철근을 배근하고 앵커볼트를 철근에 고정한 다음 콘크리트를 타설하여 철근 콘크리트 기둥을 형성하며, 콘크리트가 양생이 완료되면 앵커볼트에 베이스 플레이트를 설치한 후, 베이스 플레이트 위에 철골 보를 설치하는 대략적인 형태로 구성된다.
그러나, 철근이 배근된 상태에서 앵커볼트를 하나하나 레벨과 위치를 맞추어 설치하는 것이 용이하지 않았고, 설치된 앵커볼트가 콘크리트 타설 과정에서 변형될 우려가 높은 문제점이 있었다.
또한, 앵커볼트는 통상 4개 이상을 설치해야 하며, 각각의 앵커볼트를 설치하기 위해서 철근의 배근이 완료된 다음, 혹은 철근의 배근 중에 철근에 앵커볼트를 가고정하고 레벨을 정확하게 조정한 후 다시 철근에 앵커볼트를 용접하여 고정하여야 하는 바, 앵커볼트의 설치 작업이 매우 번거로운 문제를 내포하고 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 발명한 것으로써, 철근 콘크리트 기둥과 돌출부의 거푸집을 설치한 후, 기둥 철근을 수직방향으로 입설하고, 그 둘레에 띠근을 둘러 서로 움직이지 않도록 결속하여 기둥의 뼈대를 형성하고, 일정위치에 제 1 · 2 연결부재를 설치한 후, 제 1 · 2 연결부재와 철골 보를 결합부재로 결속한 다음 콘크리트를 타설함으로써 철근 콘크리트 기둥과 철골 보의 장점을 동시에 살려서 강성을 확보하면서 경량화를 이를 수 있도록 함을 목적으로 한다.
또한, 콘크리트의 타설 시 철골 보가 연결되는 부위에는 돌출부를 형성시켜서 철골 보의 끝단에 형성되는 압축력을 콘크리트 기둥으로 전달될 수 있도록 하여 국부적인 손상의 우려가 없으며, 이를 통해 장스팬의 수평 구조물을 제작할 수 있도록 하며, 이를 대상으로 반복재하 실험을 통해 역학적 특성과 내력 및 구조성능을 평가하고, 연결부의 응력전달 경로를 규명할 수 있도록 하여 내진성을 향상시킬 수 있도록 함을 또 다른 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 사시도
도 2는 본 발명의 정단면도
도 3은 본 발명의 평단면도
도 4는 본 발명의 측단면도
도 5a, 도 5b, 도 5c는 본 발명 접합부의 응력 분포를 나타낸 예시도
도 6은 본 발명의 응력전달 모델을 나타낸 예시도
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
10 : 철근 콘크리트 기둥 11 : 기둥 철근
12 : 띠근 13 : 돌출부
20 : 철골 보 30 : 연결부재
31 : 제 1연결부재 32 : 제 1연결부재
40 : 결합부재
본 발명은 철근 콘크리트 기둥과 철골 보로 구성된 복합구조의 접합부위를 개선하기 위한 시스템에 관한 것으로써, 수직으로 철근 콘크리트 기둥을 형성하고 수평방향으로 철골 보를 연결하되, 제 1 · 2 연결부재와 결합부재를 이용하여 연결함으로써 접합부위의 강성이 향상되고, 이로 인해 장스팬화가 가능하며, 내진성이 향상된 특징이 있다.
본 발명은 크게 철근 콘크리트 기둥(10)과 철골 보(20), 연결 부재(30) 및 결합 부재(40) 등으로 구성되며, 철근 콘크리트 기둥(10)과 그 상부 수평방향으로 돌출부(13)가 형성되도록 거푸집을 설치하고, 기둥 철근(11)과 띠근(12)을 이용하여 철근 콘크리트 기둥(10)의 뼈대를 완성하며, 일정 거리 이격된 위치에 철골 보(20)를 설치하되, 철골 보(20)의 양측으로 제 1 연결부재(31)와 제 2 연결부재(32)를 결합부재(40)를 이용하여 설치하고, 그 후 콘크리트를 부어 양생하되, 철골 보(20)와 연결되는 부위에는 제 1 · 2 연결부재(31, 32)를 감싸도록 돌출부(13)를 형성시킴으로써 접합부위의 강도가 향상될 수 있는 대략적인 구성을 갖는다.
이하 본 발명의 상세한 실시 예를 도면을 통해 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 사시도를 나타낸 것으로써, 도시한 바와 같이, 수직으로는 철근 콘크리트 기둥(10)이 형성되고, 그와 수평방향으로는 철골 보(20)가 결합되되, 철근 콘크리트 기둥(10)과 연결되는 부위에는 돌출부(13)가 형성된 구성을 갖는다.
상기 철근 콘크리트 기둥(10)과 철골 보(20)가 결합되는 형태를 도 2의 정단면도와 도 3의 평단면도를 통해 제작과정의 순서로 살펴보면, 우선, 철근 콘크리트 기둥(10)과 그의 일측에 형성된 돌출부(13)를 형성하기 위하여 거푸집 공사를 시행하는 바, 거푸집은 목재, 합판, 철재 등으로 제작하여 콘크리트가 응결, 경화하는 동안 일정한 형상과 치수의 유지 및 경화에 필요한 수분의 누출을 방지하는 것으로써, 철근 콘크리트 기둥(10)과 돌출부(13)의 형태를 결정하는 구성을 갖는다.
상기 거푸집 공사를 완료한 후에는 철근 공사를 실시하는 바, 철근 콘크리트 기둥(10)은 기둥 철근(11)을 수직으로 입설하고, 입설된 기둥 철근(11)의 둘레에 띠근(12)을 둘러서 철사 등의 결속수단을 통해 서로 움직이지 않도록 결속하여 철근 콘크리트 기둥(10)의 뼈대를 완성한다.
그런 다음, 철근 콘크리트 기둥(10) 뼈대의 일정 높이에 철골 보(20)를 결합하되, 우선, 'ㄱ'자 형태의 제 2 연결부재(32)를 철골 보(20)가 결합되는 지점의 끝단까지 설치하고, 'I'형 철골 보(20)의 상단과 하단에 각각 두 개씩 결합되는 형태로 구성된다.
또한, '' 형태의 제 1연결부재(31)는 상기 제 2 연결부재(32)보다더 연장된 지점까지 설치하되, 'I'형 철골 보(20)의 양측부에 각각 결합되는 형태로 구성되는 바, 직사각 형태의 결합부재(40)를 이용하여 철골 보(20)와 제 1연결부재(31)를 결속시킬 수 있도록 구성된다.
상기 결속되는 형태가 도 4의 측면도에 잘 도시된 바, 'I'형 철골 보(20)의 좌측과 그 철골 보(20)의 우측에 설치된 제 1 연결부재(31)가 직사각 형태의 결합부재(40)를 통해 결속되고, 'I'형 철골 보(20)의 우측과 그 철골 보(20)의 좌측에 설치된 제 1연결부재(31)가 직사각 형태의 결합부재(40)를 통해 상호 견고하게 결속되는 형태로 구성된다.
그 후, 철근 콘크리트 기둥(10)의 뼈대와 그에 결합되는 철골 보(20)의 연결부위에 콘크리트를 타설하는 바, 시멘트, 골재, 물 등을 적당한 비율로 혼합하여 상기 거푸집의 내부로 부어 넣은 다음, 시멘트와 물의 화학 작용으로 견고한 경화체로 형성시키는 양생과정을 통해 철근 콘크리트 기둥(10)과 그와 연결된 돌출부(13)를 형성함으로써 본 발명의 제작을 완료한다.
본 발명은 상기 실시되는 시공방법에 국한되지 아니하고, 현장의 여건에 따라 다양한 형태로 실시가 가능하며, 본 발명의 기술적 사상이 적용되는 모든 시공방법에 적용됨을 밝혀둔다.
상기와 같이 제작된 본 발명은 기존에 고안된 기존의 복합보 구조에 비해 높은 강성을 갖게 되는 바, 그 구체적인 예를 다수 번의 실험과 본 발명인이 신규로 제안하는 제안식을 통해 살펴보면 다음과 같다.
우선, 철근 콘크리트 기둥(10)과 철골 보(20)의 접합부의 응력분포를 살펴보면, 도 5a에 도시된 바와 같이 접합부의 길이를 L2, 철근 콘크리트 기둥(10) 단부에서 하중작용점까지의 거리를 L3라 할 때 하중 Qu에 의한 응력분포를 도 5b와 같이 표현하면, 분포된 응력의 합력sQ와rQ로 간단히 하여 Qu와 평형을 이루는 것으로 가정한다.
여기서sQ는 콘크리트의 전단내력(crQ)과 전단보강근에 의한 내력의 합으로 평가되며 콘크리트의 전단내력에 의한 강재의 지렛대 반력의 구속효과를 고려하여rQ는 아래의 식과 같이 제안된다.
그러므로 철근 콘크리트 부분의 전단내력은rQ 이상이 되도록 전단보강근 혹은 기타 보강방법에 의하여 설계하는 것으로 한다.
한편, 기존의 응력전달 모델은 실험결과와 비교해 볼 때 내력차이가 있는 것으로 보고되고 있으므로, 도 6에 나타낸 바와 같이 본 발명의 응력전달 모델을 살펴보면, Mcom은 철근 콘크리트의 전단내력에 의한 저항모멘트이고, 본 발명의 응력전달 모델에 의한 복합보의 종국전단내력은 다음 식과 같다.
또, 철근 콘크리트 기둥(10)과 철골 보(20)의 접합부분의 철근 콘크리트 단면과 철골단면에 각각 작용하는 전단력sQ ,rQ 는 다음 식과 같다.
여기서,
sMp: 철골단면의 전소성모멘트.
cMu: 철근 콘크리트 단면의 극한 휨내력.
Mcom: 철근 콘크리트 전단내력에 의한 저항 모멘트.
crQ : 철근 콘크리트 균열시의 공칭전단응력.
ds: 철근 콘크리트 보의 피복두께를 제외한 높이.
D : 철근 콘크리트 보의 춤. d` : 피복두께.
접합부분의 양단에서 전단력 변화는 전단보강근이 부담한다고 가정하면, 철골 측과 철근 콘크리트 측의 전단보강근 소요개수 n은 다음과 같다.
(철골측) ,(철근 콘크리트측)
여기서,
wσy: 전단보강근의 항복응력.
wα : 전단보강근 한 개의 단면적.
한편, 다양한 형태로 실험을 실시하되, 실험에 의해 얻어진 값과, 일본국의 SCR규준 및 기존의 계산식으로 얻어진 값과, 본 발명에 의해 제안된 계산식으로 얻어진 값과 비교한 결과 다음과 같다.
아래의 < 표 1 >은 실험체의 일람표를 나타낸 것으로써 표상에 나타난 실험체의 표기 형식은,
W40 : 용접 주근량(용접철근의 항복모멘트 / 종국모멘트 %),
C : 시어코넥터 설치, H : 고강도 콘크리트,
U : 상 · 하 주근을 일체로 배근함, F : 정착판 부착.
으로 표시하였다.
실험번호 실험체명 인장철근량 (콘크리트강도) 용접주근량 (%) RC단부보강 비고
1 W40 6-HD10(210kg/cm2) 40 무 주근용접형
2 W60 60 주근용접형
3 W80 80 주근용접형
4 W60F 60 정착판 정착판보강형
5 W50HU 2-D192-D16(270kg/cm2) 50 상·하 주근 일체 배근 주근 용접형
6 W50HF 50 정착판 정착판보강형
7 CHU1 0 상·하 주근 일체 배근 시어코넥터형
8 CHU2 0 시어코넥터형
상기와 같은 실험체에 변위계를 설치하고 하중 가력장치를 이용하여 반복 재하실험을 최종 파괴가 발생할 때 까지 실시함으로써 다음과 같은 결과 값을 얻을수 있었다.
아래의 < 표 2 >는 각 실험체별 내력을 비교하는 표로써,
실험체명 항복내력(tf) 종국내력(tf)
실험값 일본규준 실험값 일본규준 종래제안식 본발명의 제안값
W40 3.9 3.43 5.63 6.08 4.0 5.22
W60 4.2 3.43 4.73 6.08 4.0 5.22
W80 4.2 3.43 5.76 6.08 4.0 5.22
W60F 4.2 3.43 5.31 6.08 4.0 5.22
W50HU 5.0 4.75 8.08 8.81 6.09 7.72
W50HF 4.8 4.75 8.12 8.81 6.09 7.72
CHU1 5.5 5.03 8.41 9.1 6.09 7.72
CHU2 5.8 5.03 8.17 9.1 6.09 7.72
일본국 SRC 규준 :
단,rQu: 철근 콘크리트의 종국전단내력,sQu: 철골의 종국전단내력
기존의 제안식 :,
단,,
sMp: 철골의 전소성 휨내력, Mu: RC의 휨내력
상기와 같은 결과를 토대로 하여 계산식에 의한 값과 실험결과에 대한 비를 보면 평균적으로 일본규준은 약 11%를 상회하는 것으로 나타났고, 기존의 제안식은 24% 정도 낮게 평가하는 것으로 나타났지만, 본 발명에 의한 제안식은 평균 5% 이내의 오차에서 평가되고 있어서 보다 신뢰할 수 있는 결과를 얻기에 충분한 것이다.
즉, 상기 < 표 2 >의 값을 이용하여 실험값을 계산 값으로 나눈 결과가 1에 가까울수록 신뢰할 수 있는 것으로 아래의 그래프를 통해 볼 때 더욱 명확하게 그결과를 예측할 수 있는 구성을 갖는다.
상기와 같이 구성을 갖는 본 발명은, 우선 기둥 철근을 수직방향으로 입설하고, 그 둘레에 띠근을 둘러 서로 움직이지 않도록 결속하고, 일정위치에 제 1 · 2 연결부재를 설치한 후, 제 1 · 2 연결부재와 철골 보를 결합부재로 결속한 다음 콘크리트를 타설함으로써 철근 콘크리트 기둥과 철골 보의 장점을 동시에 살려서 강성을 확보하면서 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다.
또한, 콘크리트의 타설 시 철골 보가 연결되는 부위에는 돌출부를 형성시켜서 철골 보의 응력을 콘크리트 기둥으로 전달될 수 있도록 하여 국부적인 손상의 우려가 없으며, 이를 통해 장스팬의 수평 구조물을 제작할 수 있도록 하며, 이를 대상으로 반복재하 실험을 통해 역학적 특성과 내력 및 구조성능을 평가하고, 연결부의 응력전달 경로를 규명할 수 있도록 하여 내진성을 향상시킬 수 있는 또 다른 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 복합구조 시스템에 있어서,
    철근 콘크리트 기둥(10)과 그 상부 수평방향으로 돌출부(13)가 형성되도록 거푸집을 설치하고,
    기둥 철근(11)과 띠근(12)을 이용하여 철근 콘크리트 기둥(10)의 뼈대를 완성하며,
    상기 돌출부(13)에 철골 보(20)를 설치하되, 제 1 연결부재(31)와 제 2 연결부재(32)를 결합부재(40)를 통해 설치하고,
    그 후 거푸집 내로 콘크리트를 부어 양생함으로써 철근 콘크리트 기둥(10)과 돌출부(13)가 형성되고, 철골 보(20)와 연결된 제 1 · 2 연결부재(31, 32)가 콘크리트에 의해 감싸지도록 구성되어,
    복합 보의 강성이 증대되고 경량화 및 장스팬화가 구현될 수 있도록 함을 특징으로 하는 복합구조 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    제 2연결부재(32)는, 'ㄱ'자 형태로 절곡된 철근으로 구성되되, 철골 보(20)의 끝단 상 · 하부에 각각 두 개씩 결합됨을 특징으로 하는 복합구조 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    제 1연결부재(31)는, '' 형태로 절곡된 철근으로써, 철골 보(20)의 양측부에 각각 결합되되,
    직사각 형태의 결합부재(40)를 이용하여 철골 보(20)의 일측과 그 철골 보(20)의 타측에 설치된 제 1 연결부재(31)를 결속시키고,
    결합부재(40)를 이용하여 철골 보(20)의 타측과 그 철골 보(20)의 일측에 설치된 제 1연결부재(31)를 결속시켜서 상호 견고하게 결속됨을 특징으로 하는 복합구조 시스템.
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