KR20110108708A - 단면감소 철근을 이용한 보-기둥 접합 부분에서의 내진 성능 향상 구조를 가지는 철근 콘크리트 골조 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철근 콘크리트 보와 철근 콘크리트 기둥으로 이루어지는 철근 콘크리트 골조 구조물에서, 보와 기둥이 접합되는 보-기둥 접합부를 관통하거나 또는 이에 정착되도록 보에 배치되는 주철근에, 기둥면으로부터 일정 거리 되는 위치에서 그 단면적이 감소된 단면 감소부를 가지도록 함으로써, 지진하중 등과 같은 수평하중 작용시에 상기 주철근의 단면 감소부에서 소성힌지가 생성되도록 하여, 철근 콘크리트 골조 구조물의 연성을 향상시키고, 보-기둥 접합부의 손상을 방지하여, 내진 성능이 크게 향상되는 철근 콘크리트 골조 구조물에 관한 것이다.
본 발명에서는 철근 콘크리트 기둥(10)과 철근 콘크리트 보(20)가 접합되는 보-기둥 접합부를 가지는 철근 콘크리트 골조 구조물(100)로서, 철근 콘크리트 보(20)에 배근되어 기둥(10)을 관통하거나 기둥(10)에 그 단부가 정착되는 주철근(21)에는, 기둥(10)의 전면으로부터 떨어진 위치에서 단면적이 감소되어 있는 단면 감소부(210)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 골조 구조물이 제공된다.

Description

단면감소 철근을 이용한 보-기둥 접합 부분에서의 내진 성능 향상 구조를 가지는 철근 콘크리트 골조 구조물{Reinforced Concrete Frame Structure having High Flexibility in Beam-Column Joint}

본 발명은 철근 콘크리트 보와 철근 콘크리트 기둥의 접합부를 가지는 철근 콘크리트 골조 구조물에 대한 것으로서, 구체적으로는 철근 콘크리트 보와 철근 콘크리트 기둥으로 이루어지는 철근 콘크리트 골조 구조물에서, 보와 기둥이 접합되는 보-기둥 접합부를 관통하거나 또는 이에 정착되도록 보에 배치되는 주철근에, 기둥면으로부터 일정 거리 되는 위치에서 그 단면적이 감소된 단면 감소부를 가지도록 함으로써, 지진하중 등과 같은 수평하중 작용시에 상기 주철근의 단면 감소부에서 소성힌지가 생성되도록 하여, 철근 콘크리트 골조 구조물의 연성을 향상시키고, 보-기둥 접합부의 손상을 방지하여, 내진 성능이 크게 향상되는 철근 콘크리트 골조 구조물에 관한 것이다.

도 1에는 철근 콘크리트 기둥과 철근 콘크리트 보로 이루어진 철근 콘크리트 골조 구조물(100)을 나타내는 개략도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 원 A로 표시된 보-기둥 접합부 즉, 철근 콘크리트 보와 철근 콘크리트 기둥이 접합되는 부분에서의 철근 배근 상세도가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 2의 선B-B에 따른 단면도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 2에 도시된 보-기둥 접합부에서의 휨모멘트와 전단력 작용 상태 및 균열 발생 양상을 보여주는 개략도가 도시되어 있다.

도 1 내지 도 4에 도시된 것처럼, 철근 콘크리트 골조 구조물(100)은 철근 콘크리트 기둥(10)과 철근 콘크리트 보(20)로 이루어지며, 기둥(10)과 보(20)가 접합되는 보-기둥 접합부를 가지고 있다. 이러한 보-기둥 접합부는 보와 기둥의 휨모멘트와 전단력이 전달되는 중요한 구조요소인데, 수평하중에 해당하는 지진하중이 가해질 경우에는 도 4에 도시된 것처럼 보-기둥 접합부에 대각선 형태의 균열(30)이 발생하게 된다. 이와 같은 보-기둥 접합부에서의 균열은 결국 취성파괴를 야기하고, 철근 콘크리트 골조 구조물의 에너지 소산능력을 저하시켜 전체적인 골조의 붕괴를 초래할 수도 있다.

이를 방지하기 위하여 보-기둥 접합부를 타이로 보강하는 방안이 종래기술로 제시되고 있으나, 기존의 연구나 실험결과에 의하면, 보-기둥 접합부를 타이로 보강하는 종래의 기술로는 보-기둥 접합부의 위와 같은 손상을 방지하는데 충분하지 아니한 것으로 보고되고 있다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 지진하중 등과 같은 수평하중 작용시에 철근 콘크리트 골조 구조물의 연성을 향상시키고, 보-기둥 접합부의 손상을 방지함으로써 내진 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 형식의 철근 콘크리트 골조 구조물을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 철근 콘크리트 기둥과 철근 콘크리트 보가 접합되는 보-기둥 접합부를 가지는 철근 콘크리트 골조 구조물로서, 철근 콘크리트 보에 배근되어 기둥을 관통하거나 기둥에 그 단부가 정착되는 주철근에는, 기둥의 전면으로부터 떨어진 위치에서 단면적이 감소되어 있는 단면 감소부가 형성되어 있어, 지진하중 작용시 단면 감소부에서 소성힌지가 생성되도록 하는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 골조 구조물이 제공된다.

위와 같은 본 발명에 있어서, 상기 보는, U자형 단면을 가지는 프리캐스트 콘크리트로 제작되어, 기둥의 전면에 걸쳐진 상태에서, 단면 감소부가 형성된 주철근이 U자형 단면 내부에 배근된 후, U자형 단면 내에 현장 타설 콘크리트가 타설되어 형성될 수도 있다.

본 발명에 의하면, 철근 콘크리트 골조 구조물의 보-기둥 접합부에서 기둥의 전면으로부터 일정 거리 떨어진 위치에서, 보의 주철근에 단면 감소부가 존재하고, 상기 단면 감소부 존재 위치가 소성힌지로 기능하게 되므로, 지진하중 등이 작용할 때 소성힌지가 되는 단면 감소부에서 우선적으로 연성 파괴가 유도되어 보-기둥의 접합부에서의 파괴가 방지되며, 그에 따라 철근 콘크리트 구조물의 연성 능력이 향상되며 보-기둥 접합부에서의 급작스러운 취성파괴가 방지되어 철근 콘크리트 골조 구조물의 내진 성능이 향상되는 효과가 발휘된다.

도 1은 철근 콘크리트 기둥과 철근 콘크리트 보로 이루어진 철근 콘크리트 골조 구조물을 보여주는 개략도이다.
도 2는 종래 기술의 철근 콘크리트 골조 구조물에서 도 1의 원 A로 표시된 보-기둥 접합부의 배근 상태 상세도이다.
도 3은 도 2의 선B-B에 따른 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 종래 기술에 의한 보-기둥 접합부에서의 휨모멘트와 전단력 작용 상태 및 균열 발생 양상을 보여주는 개략도이다.
도 5는 도 2에 대응되는 도면으로서, 본 발명에 따른 철근 콘크리트 골조 구조물에 구비된 보-기둥 접합부의 배근 상태 상세도이다.
도 6은 본 발명에 따른 보-기둥 접합부에서의 휨강도와 작용모멘트의 관계를 보여주는 그래프도이다.
도 7은 도 5의 상태에서 소성힌지 형성 위치에서의 균열 발생 상태를 보여주는 개략도이다.
도 8은 도 5에 대응되는 도면으로서, 본 발명의 또다른 실시예(프리캐스트 콘크리트 보를 이용한 실시예)에 따른 보-기둥 접합부의 배근 상태 상세도이다.
도 9는 도 5의 선 C-C에 따라 보의 단면을 보여주는 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

도 5에 도시되어 있듯이, 철근 콘크리트 기둥(10)과 철근 콘크리트 보(20)가 접합되는 본 발명에 따른 철근 콘크리트 골조 구조물(100)의 보-기둥 접합부에서, 철근 콘크리트 보(20)에 배근된 주철근(21)은 기둥(10)을 관통하거나(도 5에 도시된 실시예의 경우) 또는 기둥(10)에서 그 단부가 정착되는데(도면에 도시되지 아니한 실시예), 상기 주철근(21)은, 기둥(10)의 전면으로부터 일정 거리 떨어진 위치의 단면적이 다른 부분보다 감소되어 있다. 즉, 보(20)의 주철근(21)에는, 기둥(10)의 전면으로부터 일정 거리 떨어진 위치에, 철근의 단면적이 감소되는 단면 감소부(210)가 존재하는 것이다. 일반적으로 보(20)에는 주철근(21)이 상연과 하연에 모두 배근되는데, 상,하연의 주철근(21) 모두에 위와 같이 단면 감소부(210)가 존재하게 된다. 상기 주철근(21)의 단면 감소부(210)는, 기둥(10)의 전면으로부터, 보(20)의 유효 깊이(d)의 50%에 해당하는 거리만큼 떨어진 위치에 형성될 수 있는데 예를 들면 약 기둥(10)의 전면으로부터 약 200 ~250 mm 떨어진 위치에 단면 감소부(210)가 형성될 수 있다.

도면에 도시된 것처럼, 상기 주철근(21)의 단면 감소부(210)는 일정 길이로 형성될 수 있는데, 상기 단면 감소부(210)의 길이는 구조계산을 통해 주철근(21)이 충분한 소성변형을 일으킬 수 있는 길이를 산정하여 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 단면 감소부(210)의 길이는 약 200mm이거나 또는 그 이상의 길이로 형성될 수 있다.

위와 같이 보-기둥 접합부에서 기둥(10)의 전면으로부터 일정 거리 떨어진 위치에서, 보(20)의 주철근(21)에 단면 감소부(210)가 존재하게 되면, 도 6에 도시된 것처럼, 주철근(21)의 단면 감소부(210) 형성 위치에서는 보 단면의 휨강도가 다른 부분(주철근의 단면이 줄어들지 아니한 부분)에 비하여 작아지게 된다. 보-기둥 접합부에 작용하는 휨모멘트는 도 6에 점선으로 도시한 것처럼, 기둥(10)의 전면으로부터 멀어질수록 작아지게 되는데, 위와 같이 주철근(21)의 단면 감소부(210) 시작 위치 즉, 기둥(10)의 전면으로부터 주철근(21)의 단면 감소부(210)가 처음 시작되는 위치에서는 보 단면의 휨강도가 보-기둥 접합부에 작용하는 휨모멘트보다 작으며, 따라서 상기 주철근(21)의 단면 감소부(210)는 소성 거동을 보이게 되는 소성힌지가 된다.

그러므로 지진하중 등이 본 발명의 철근 콘크리트 골조 구조물에 작용하게 되면, 주철근(21)의 단면 감소부(210)가 존재하는 위치에 구조적으로 소성힌지가 존재하게 되어, 도 7에 도시된 것처럼 단면 감소부(210)가 형성되어 있는 위치에서 우선적으로 균열(30)이 발생하여 연성 파괴되며, 이러한 연성 파괴 발생으로 인하여 더 이상 보-기둥 접합부에서는 작용 휨모멘트가 증가하지 않으므로 보-기둥의 접합부에서는 파괴가 방지된다. 그에 따라 철근 콘크리트 구조물의 연성 능력이 향상되며 보-기둥 접합부에서의 급작스러운 취성파괴가 방지되어 철근 콘크리트 골조 구조물의 내진 성능이 향상되는 효과가 발휘된다.

도 5에서 설명되지 아니한 부재번호 11과 12는 각각 기둥(10)에 배근되는 수직철근(11)과 횡방향 철근(12)이다. 부재번호 22는 보(20)의 주철근(21)에 수직하게 배근되는 전단철근(22)이다.

한편, 위와 같이 보(20)의 주철근(21)에 단면 감소부(210)를 형성하여 소성힌지 구간을 이루도록 하는 본 발명은, 도면에 예시된 것과 같이 기둥(10)을 관통하는 경우에만 적용되는 것은 아니며, 주철근(21)의 단부가 기둥(10)에서 정착되는 경우에도 적용된다. 또한, 위와 같은 본 발명은 현장 타설 콘크리트로 이루어진 보와 기둥의 접합부에만 적용되지 아니하며, 후술하는 또다른 실시예와 같이, 프리캐스트 콘크리트 보와 기둥의 접합부에도 적용할 수 있다. 따라서 본 명세서에서 철근 콘크리트 보는 프리캐스트 콘크리트로 제작된 보를 포함하는 의미로 이해되어야 한다.

기둥과 프리캐스트 콘크리트로 제작된 보의 접합구조에 대한 도 8 및 도 9에 도시된 것처럼, U자형 단면을 가지는 프리캐스트 콘크리트 부재(23)가 그 단부를 기둥(10)의 측면에 거치된 상태에서 그 내부에는, 기둥(10)의 전면으로부터 일정 거리 떨어진 위치에서부터 일정 길이의 구간에 철근 단면적이 감소된 단면 감소부(210)가 형성되어 있는 주철근(21)이 배근된 후, 콘크리트가 타설되어 보(20)를 형성함과 동시에 보-기둥 접합부를 형성한다. 본 실시예에 대한 기타 내용은 앞서 살펴본 도 5 및 도 6의 실시예와 동일하므로 반복 설명을 생략한다.

프리캐스트 콘크리트로 제작된 보(20)와 기둥이 접합되는 경우에는 프리캐스트 콘크리트의 특성상, 보-기둥 접합부가 약화될 수밖에 없는데, 위와 같이 단면 감소부(210)를 가지는 주철근(21)을 보(20)의 내부에 배근하고 현장 타설 콘크리트로 보-기둥 접합부를 형성하여, 보-기둥 접합부의 전면으로 소성힌지가 형성되도록 함으로써 지진하중에 대한 프리캐스트 콘크리트 골조 구조물의 내진성능을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

100 : 철근 콘크리트 골조 구조물 10 : 기둥
20 : 보 21 : 주철근 210 : 단면 감소부

Claims (2)

1. 철근 콘크리트 기둥(10)과 철근 콘크리트 보(20)가 접합되는 보-기둥 접합부를 가지는 철근 콘크리트 골조 구조물(100)로서,
   철근 콘크리트 보(20)에 배근되어 기둥(10)을 관통하거나 기둥(10)에 그 단부가 정착되는 주철근(21)에는, 기둥(10)의 전면으로부터 떨어진 위치에서 단면적이 감소되어 있는 단면 감소부(210)가 형성되어 있어, 지진하중 작용시 단면 감소부(210)에서 소성힌지가 생성되는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 골조 구조물.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 보(20)는,
   U자형 단면을 가지는 프리캐스트 콘크리트로 제작되어, 기둥(10)의 전면에 걸쳐진 상태에서, 단면 감소부(210)가 형성된 주철근(21)이 U자형 단면 내부에 배근된 후 현장 타설 콘크리트가 타설되어 형성된 것임을 특징으로 하는 철근 콘크리트 골조 구조물.

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