KR20100055760A - 패널존을 2중 스킨으로 사전 보강한 원심력 중공 콘크리트충전강관기둥 제조공법 - Google Patents

Abstract

부담하중이 큰 기둥에는 400 계열 H형강이나 극후형 강판을 용접한 상자형 단면을 사용하지만 공사비가 많이 들고 패널존 보강이 번거롭다. 또한 원형강관은 판재나 코일을 2차 가공한 것이므로 열간압연제품인 H형강보다 비싸며, 보통은 두께가 16mm 이하여서 축하중이 큰 기둥에는 부적합하고, 강관 내부에 무근 또는 철근콘크리트를 현장타설하여 보강하는 것도 어렵다. 따라서 콘크리트 흄관을 제작하는 기존 시설을 활용하여 강관 내부에 무근 또는 철근콘크리트를 주입 후 원심력으로 다지면 손쉽게 800kgf/cm² 이상인 고강도 중공 콘크리트 CFT를 생산할 수 있다. 한편 패널존 보강은 패널존 상·하에 외다이아프램을 용접하고 패널존을 더블스킨으로 조성하는 것이 바람직하므로 주강관 속에 콘크리트를 주입하여 원심력을 이용한 다짐과정에서 더블스킨 사이의 빈 공간까지 콘크리트가 침투하여 밀실하게 채워지도록 하는 것이 본 발명의 핵심 기술이다.

패널존 내부의 주강관에 콘크리트 유입구를 뚫어주면 주강관에 콘크리트를 주입하고 고속 회전시키는 과정에서 회전 중심에서 멀어질수록 원심력이 커지므로 주강관에 뚫은 콘크리트 유입구를 통하여 더블스킨 사이의 공간은 콘크리트가 잘 채워지게 된다. 이상 패널존을 더블 스킨으로 사전 보강한 원심력 중공 콘크리트 충전강관기둥 제조공법을 요약하면 아래와 같다.

강관 양단 마구리에 각각 콘크리트 주입구와 공기배출구를 뚫은 강판을 용접 하고, 각 패널존에는 주강관보다 직경이 200∼300mm 큰 상하부 외다이아프램을 용접하여 외다이아프램 사이 주강관에는 50mm 정도의 구멍 8개를 뚫는다. 상하부 외다이아프램의 외단 사이에는 주강관보다 직경이 200∼300mm 큰 강관토막을 전주 용접하여 더블스킨을 형성한 후 주강관 내부에 콘크리트를 채운다. 주강관을 회전시켜서 중공 CFT가 생성되면 콘크리트를 양생한다. 상기 설명에서 원형 외다이아프램과 원형강관토막 대신 8각형 등 다각형의 외다이아프램과 8각형 등 다각형 강관토막을 사용할 수도 있다.

같은 크기의 외형 단면에서 축하중을 증가시키려면 강관의 두께를 증가시키는 것이 필요하다. 그러나 16mm이상 두께의 강관을 손쉽게 제작할 수 없으며 또한 두께가 두꺼울수록 내부 원심력 콘크리트의 장점 비중이 희석되므로 강관의 두께를 증가하는 대신 철근을 추가하는 것이 경제적이다. 주근 배근은 별도의 띠철근을 생략하고 강관 내부에 직접 용접하는 방법을 택한다.

Description

패널존을 2중 스킨으로 사전 보강한 원심력 중공 콘크리트 충전강관기둥 제조공법{Construction Method of Centrifugally Concrete Filled Hollow Core Tube Column with Pre-reinforced Double Skin Panel Zone}

부담하중이 큰 기둥에 흔히 사용하는 400 계열(Series)의 H형강은 기둥전용 제품으로 축하중 1,000톤 까지는 무리 없이 지탱하며 현장에서 주변외곽에 철근콘크리트 기둥을 추가한 철골철근콘크리트 기둥은 더 큰 하중을 부담할 수 있으나 현장 콘크리트를 고강도로 시공하기가 어려운 것이 흠이다. 이것으로도 내력이 부족하면 극후형 강판을 상자(Box)형으로 용접 제작하는 것이 일반적인데 상자형 내부의 패널존(Panel Zone)에 다이아프램(Diaphragm)을 삽입하기 위한 제작비가 많이 드는 것이 단점이다. 또한 다이아프램은 강관 내부를 횡으로 차단하므로 싱자형 기둥에는 내부에 콘크리트를 주입할 수 없는 것도 단점이다(따라서 63빌딩, COEX 등 몇몇 건물에만 적용하였음).

고층건물의 하부 및 지하실 기둥은 단면의 외형이 크지 않으면서도 큰 하중을 받을 수 있어야 한다. 원형강관은 점대칭이므로 어느 축에서나 단면2차반경이 동일하며 크다. 따라서 기둥을 비롯한 압축재로서는 가장 효율적이기는 하나 말뚝 등 손쉽게 구할 수 있는 원형강관은 코일을 성형 용접하여 제작하므로 열간압연제 품인 H형강에 비해 단위중량당 단가가 높다. 성형 제작된 강관의 두께는 제작 방법 특성상 16mm 이하가 보통이다. 따라서 축하중이 큰 기둥은 원형강관을 사용하지 못하는 실정인데 그 이유 중 또 다른 것은 강관 내부에 일반적인 방법으로 콘크리트를 주입 시 콘크리트 타설 높이가 높아서 재료분리 및 다짐 확인의 어려움이다.

철근은 주로 고철을 원료로 사용한다. 따라서 이른바 처녀철(處女鐵)로 제작한 H형강이나 코일보다 단위 중량당 단가가 저렴하므로 구조물을 경제적으로 하려면 될수록 철근콘크리트조로 설계하여야 한다. 본 발명의 원심력 중공 콘크리트 충전강관기둥은 강구조도 철근콘크리트조도 아닌 하이브리드(Hybrid) 구조이므로 값비싼 강관 단면을 철근으로 대체하여 경제성을 도모하고자 한다. 일반 철근콘크리트 기둥이나 원심력 중공 콘크리트 말뚝에서는 주근을 원형 띠철근 또는 나선형 띠철근으로 묶어 주어야 한다. 이같은 오래된 습성 때문에 강관 속에 철근을 배근할 때도 당연히 띠철근이 있어야 하는 것으로 알고 있으나 본 발명에서는 띠철근을 생략하고 철근을 강관의 내면에 밀착시켜 배열하고, 원심력을 활용하여 콘크리트를 충전할 때 철근이 소정 위치를 이탈하지 않도록 하는 수단으로는 철근의 양단만을 강관 내면에 용접하는 것으로 한다.

원심력 중공 콘크리트 충전강관기둥은 콘크리트 전주(電柱) 또는 말뚝은 원심력을 활용하여 제작한다. 즉 반원통형 거푸집 한 쌍 중 하나를 눕힌 상태에서 철근망과 콘크리트를 채우고, 나머지 반원통형 거푸집을 덮어 일체화 한 후 고속으로 회전시킨다. 고속 회전에 의한 원심력으로 콘크리트가 거푸집 가까이에 몰려 치밀 하게 다져지고, 중앙 부위는 빈 공간으로 남아 양생 후 거푸집을 제거하면 가운데가 슬러지 및 빈 공간인 원통형 전주 또는 말뚝이 조성된다. 위와 같이 원심력으로 다져진 콘크리트는 800kgf/cm² 이상의 높은 압축강도를 발현하여 고작 300kgf/cm²인 현장타설 콘크리트에 비하여 2.5배 이상의 강도를 확보하게 된다. 그러므로 위와 같은 기존기술과 설비 시설을 활용하여 주강관 속에 콘크리트를 주입하고 고속회전 시키면 콘크리트가 원심력에 의해 외측의 주강관쪽으로 다져지면서 몰려가 속이 빈 단면, 즉 최외곽부를 강관이 감싸고 내부에는 원통형 고강도 무근콘크리트가 밀착된 CFT(Concrete Filled Tube)가 생성된다. 상기 방법으로 제작한 CFT를 그대로 기둥에 사용하려면 패널존에 외다이아프램을 용접하여 보강시켜야 하며 상하 외다이아프램 사이에는 수직 방향으로 강판을 용접하여 보의 웨브 강판과 접합하여야 한다.

최근 각광을 받고 있는 TSC 합성보는 웨브 강판이 좌우 2개가 있으므로 위 패널존의 상하 외다이아프램 사이에 용접하여야 할 수직강판의 수는 네 방향에 각각 2개씩 8개가 필요하다(도 4). 물론 이런 공법으로도 제작할 수 있으나 용접량이 과다하고 공사 후 외관도 복잡하므로 패널존을 더블스킨으로 조성하는 것이 바람직하다. 위 상하 외다이아프램 외부 돌출부 사이에 수직강판 대신 직경이 큰 강관토막을 용접하여 더블스킨으로 조성하는 것인데 그렇게 되면 더블스킨 사이는 공간으로 남게 되므로 패널존 보강 효과가 감소된다. 위 빈 공간에 시멘트 페이스트를 주입하려면 2차 공정에 소요되는 비용도 무시할 수 없고 높은 강도도 보장되지 않으 므로 강관 속에 콘크리트를 주입하여 원심력을 이용한 다짐 과정에서 더블스킨의 빈 공간에까지 콘크리트가 침투하여 밀실하게 채워지도록 하는 것이 본 발명의 핵심기술이다.

기둥의 외곽 크기가 정해져 있는데 강관과 내부에 채우는 원심력콘크리트는 단면만으로는 내력이 부족할 때 강관의 벽두께를 두껍게 하는 것이 간편하다. 그러나 강관의 제조기술상 16mm 이상은 부담이 되며, 강관재료 자체가 고가이어서 강관 내부에 철근을 추가하는 것이 바람직하다. 강구조설계기준과 철근콘크리트 구조계산기준을 비교하면 SM490 강재와 SD40 철근의 인장, 압축내력은 2.2tf/cm로 동등한데 2008년 11월 현재 강관의 톤당 단가는 철근의 1.55배(강관; 143만원/톤, 철근 92.1만원/톤)이므로 강관 두께를 줄이는 대신 철근을 추가하는 것이 훨씬 경제적이다. 또한 주근 주변에 횡방향 띠철근을 배근하는 전통적인 방법 대신 강관 내면에 밀착 배근하는 이유는 단면에서 강재를 될수록 바깥쪽에 집중 배치하는 것이 휨모멘트에 유리하며 강관은 주근을 묶어주는 띠철근의 기능을 하기에 충분하기 때문이다.

원심력 중공 콘크리트 충전강관기둥은 패널존에 사전 부착한 더블스킨 사이의 빈공간에 콘크리트가 밀실하게 채워지도록 하는 것이 바람직하다. 원심력 CFT를 제작한 후에 위 작업을 수행하는 것은 번거롭기도 하지만 원심력으로 다짐한 것처럼 고강도를 발현하는 것이 쉽지 않으므로 CFT기둥 제작과 동시에 이루어지도록 하 는 것이 기술적인 과제이다. 또한 국내의 원심력 말뚝 공장은 모두가 눕혀 놓은 반원통형 거푸집에 콘크리트를 부어넣는 방법을 적용하고 있으므로 원형강관에 콘크리트를 채우는 방법을 찾아내는 것이 해결하여야 할 과제이다.

만약 강관 내부에 재래식으로 철근을 배근하려면 길이가 긴 강관 내부에 띠철근과 주근으로 이루는 철근농(籠)을 삽입하고 철근과 강관 사이의 피복 두께를 일정하게 유지시키는 스페이서를 마련하는 일이 어렵다. 따라서 이같은 어려운 작업을 생략하면서도 효과적인 철근배근 방법을 마련하여야 한다.

원심력 중공 콘크리트 충전강관기둥은 패널존에 사전 부착한 더블스킨 사이에 콘크리트를 밀실하게 충전하기 위해서는 패널존 내부의 주강관에 콘크리트 유입구를 뚫어주기만 하면 된다. 주강관에 콘크리트를 주입하고 고속 회전시키면 원심력은 회전 중심에서 멀어질수록 크다. 더블스킨의 외부 강관토막은 내부의 주강관에 비해 외다이아프램의 폭만큼 크므로 주강관에 구멍을 뚫어주면 더블스킨 사이의 공간은 원심력에 의해 주강관 내부 콘크리트가 잘 스며들어 채워지는 효과가 있다. 한편 주강관에 콘크리트를 주입하는 방법은 콘크리트 주입구를 위로 하여 강관을 기울인 상태에서 부어넣거나 콘크리트 펌프로 강제 압입하는 방법을 사용한다.

강관의 단면이 부족할 때 또는 강관 단면을 줄이기 위한 수단으로 강관 내부에 철근을 배근할 때는 띠철근을 생략하고, 주근을 강관 내벽에 밀착 배열하여 강관의 양단부에서만 철근을 용접한다.

기둥의 패널존은 축하중과 함께 보에서 전달되는 휨모멘트를 동시에 받아야 한다. 따라서 강관 내부에 내다이아프램을 삽입할 수만 있다면 바람직하겠으나 아직은 그런 공법이 개발되지 않았으므로 외다이아프램 공법을 적용한다. 그러나 4방으로 연결되는 TSC 보를 부착하기 위한 수직강판이 패널존에 8개(도 4)가 필요하여 부담스러우므로 상하 외다이아프램 사이에 강관토막을 용접하여 더블스킨을 조성하고, 이들 동심원의 두 강관 사이의 빈 공간에 고강도 콘크리트를 주입하면 단면적도 증가하고 휨모멘트에 저항하는 CFT의 외경도 커지므로 보강 효과가 증가하는 장점이 있다.

강관 내부에 철근을 추가하면 철근 값이 강관보다 싸므로 경제적이다.

1. (필요하면 강관 내부면에 철근을 밀착시켜 배열하고 양 단부에만 용접하고) 강관 마구리 한 쪽은 원의 중앙부위에 콘크리트 주입구(직경 150∼200mm)를 뚫은 강판을 용접하고, 반대편은 콘크리트 주입 시 공기배출구(20mm 내외)를 뚫은 강판을 용접한다.

2. 각 층 보를 부착할 패널존은 강관과 동심원이고 직경이 200∼300mm 큰 상하 외다이아프램을 삽입하여 용접 부착한다(상하부 외다이아프램의 간격은 패널존에 부착할 보의 높이 +100mm 정도).

3. 상하 다이아프램 사이 주강관에는 외다이아프램에 가깝게 네 방향에 직경 50mm 정도의 구멍 8개를 뚫는다.

4. 외다이아프램 외단 사이에는 주강관보다 직경이 200∼300mm 정도 큰 강관 토막을 전주 용접한다.

5. 주강관 내부에 콘크리트를 채운다(콘크리트 주입구를 위로 하여 강관을 기울인 상태에서 주입하거나 강관을 눕힌 상태에서 주입구를 통하여 콘크리트 펌프로 압입한다).

6. 재래식 방법으로 회전 틀에 얹어 회전시켜서 원심력을 유발한 중공 CFT를 제작한다.

7. 재래식 방법으로 증기양생 한다.

8. 위 2, 4항에서 원형 외다이아프램과 원형강관토막 대신 8각형 등 다각형의 외다이아프램과 8각형 등 다각형 강관토막을 사용할 수도 있다.

9. 위 주강관은 출원자가 별도 특허출원한 리브강관으로 대체할 수 있다.

도 1은 원형 및 팔각형 강관의 외다이아프램으로 제작된 원심력 중공 콘크리트 충전강관기둥의 단면 및 입면,

도 2는 외다이프램이 부착된 원심력 중공 콘크리트 충전강관기둥 1절(3개 층)의 입면,

도 3은 원심력 중공 콘크리트 충전강관기둥의 각 단계별 제조방법,

도 4는 원심력 중공 콘크리트 충전강관기둥의 외다이아프램에 부착하는 8개의 웨브 강판,

도 5는 원심력 중공 콘크리트 말뚝의 단면도,

도 6은 일반 CFT의 단면도이다.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

CFT (Concrete Filled Tube Structure) : 원형강관 또는 각형강관 속에 콘크리트를 충전한 것으로 주로 기둥부재에 적용

패널존 (Panel Zone) : 강구조에서 보-기둥 교차 부분의 패널 영역

다이아프램 (Diaphragm) : 지지요소에 힘을 전달하도록 이용된 면내전단강성과 강도를 갖는 플레이트

Claims (3)

1. 패널존을 2중 스킨으로 보강한 원심력 중공 콘크리트 충전강관기둥을 제조하는 방법에 있어서,

   (a) 강판 중앙부의 콘크리트 주입구와 반대편 강판 중앙부의 공기배출구를 뚫은 강판을 주강관 양단 마구리에 설치하고 용접하는 단계 ;

   (b) 각 층 보를 부착할 패널존에 주강관과 동심원이고, 직경과 춤이 패널존 보다 더 큰 위치에 상하 외다이아프램을 삽입하여 용접 부착하는 단계 ;

   (c) 상하부 외다이아프램 사이 주강관에 외다이아프램 위치의 네 방향에 가깝게 구멍을 뚫는 단계 ;

   (d) 외다이아프램의 외단 사이에 강관토막을 상하부 외다이아프램에 전주 용접하는 단계 ;

   (e) 주강관 내부에 콘크리트를 채우는 단계 ;

   (f) 재래식 방법으로 회전 틀에 얹고, 회전시켜서 원심력을 유발한 중공 CFT를 제작하는 단계 ;

   (g) 증기양생 단계를 거쳐 제작되는 것을 특징으로 하는 패널존을 2중 스킨으로 사전 보강한 원심력 중공 콘크리트 충전강관기동 제조공법.
2. 제 1항에 있어서,

   8각형과 다각형의 외다이아프램 및 강관토막을 사용하는 것을 특징으로 하는 패널존을 2중 스킨으로 사전 보강한 원심력 중공 콘크리트 충전강관기둥 제조공법.
3. 제 1항에 있어서 철근 배근이 필요할 때 철근을 강관 내벽에 밀착하여 강관 양단부만 용접하는 것을 특징으로 하는 패널존을 2중 스킨으로 사전 보강한 원심력 중공 콘크리트 충전강관기동 제조공법.

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