KR20120058697A - 선조립 철근기둥의 현장이음 공법 - Google Patents

Abstract

철근콘크리트 공사를 간편화하기 위하여 공장에서 기둥주근 주변에 띠철근을 부착한 선조립 철근기둥(50)을 현장에 반입한 후 보 및 하부 철근기둥과 조립하는 신공법이 활성화되었다. 그런데 상하부 철근기둥을 서로 잇기 위해 여러 가지 방법을 시도하고 있으나 모두 불합리한 점이 노출되었으므로 재래식 방법과 특별히 다른 신공법이 필요하게 되었다. 기둥주근(10) 하나하나를 커플러로 잇거나(도 9) 가스압접(도 10) 하는 것은 비용도 부담스럽지만 이음작업 중 상부 철근기둥을 매달고 있어야 하는 크레인 대기 시간이 너무 길다. 또한 이음강판 내부에 기둥주근을 용접(도 7)하는 것은 거푸집과 이음강판 사이의 콘크리트(15) 피복두께 확보가 불확실할 뿐만 아니라 타설 후 콘크리트가 탈락할 위험이 있으며, 가설용러그(30)의 탈부착이 번거로운 단점이 있다. 이를 해소하는 방법으로 이음강판(20)을 주근 내부에 배치하는 방법(도 8)도 적용해 보았으나, 기둥주근의 굵기가 다를 때 띠철근이 가느다란 주근과 직접 만나지 못하는 부작용이 발생하여 이를 보정하는 추가 작업이 필요하다.

본 발명은 도 1, 도 2와 같이 기둥주근(10) 굵기가 다를 때 기둥주근의 배열을 선별적으로 조정하여 기둥이음을 확실하게 하도록 한다. 또한 가설용러그(30)도 간편하게 설치하며, 이음작업 후 분리 및 제거하지 않도록 한다. 본 방법을 사용하여 도 2(a)와 같이 기둥주근을 기둥단면 구석의 주변에 집중 배치하면, 동일수량의 주근을 배근하여도 더 큰 휨내력이 확보된다. 그리고 기둥구석 예각부위를 깎아내 는 작업도 자연스러워지는 장점이 있다.

Description

선조립 철근기둥의 현장이음 공법{Site Splicing Method of Pre-Assembled Rebar Columns}

도 1(b)에서 철근콘크리트 기둥의 띠철근은 기둥주근을 감싸도록 설계한다. 띠철근은 기둥주근이 시공 중은 물론 콘크리트 양생 후에도 원하는 위치에서 벗어나지 않도록 잡아준다. 또한 기둥 길이가 줄어들 정도로 과대한 축력을 받는 특별한 경우(지진하중 작용시 등) 기둥 콘크리트의 외향분리현상에 의해 기둥주근(10)이 단면 외부로 벌어지려는 것을 구속하는 역할을 한다. 그런데 철근콘크리트 공사 현장에서는 도 3(c)와 같이 기둥주근을 세우고, 주변에 띠철근(12)을 감아 기둥주근과 띠철근이 만나는 위치마다 결속선으로 묶어 조립하는 방법을 채택하므로 작업효율과 시공정밀도가 떨어지는 것을 감수하여야 한다.

철근은 공기 중 산소와 결합하면 녹(산화철)이 발생하는 단점이 있다. 철근 산화를 방지하기 위해 철근을 감싸 보호하는 콘크리트 피복은 구조물의 내구연한에 따라 시방서와 규정으로 정하고 있으며, 기둥의 최소피복두께는 40mm 이다. 따라서 상하 철근기둥의 이음부분도 기둥철근과 동등하게 피복두께를 확보하여야 하며, 피복이 탈락하는 등의 위험요소가 없어야 한다.

도 3과 같이 결속선을 사용하여 기둥주근(10)과 띠철근(12)을 공사현장에서 조립하면, 철근 자체로는 아무런 힘을 발휘하지 못하므로 철근 주변을 감싸는 거푸집과 띠장의 가설재 등이 콘크리트를 부어넣는 과정의 모든 작업하중에 견뎌야 한다. 따라서 기둥주근 상하이음도 용접을 하거나 커플러 등을 활용하는 기계이음을 할 의무가 없으며, 대부분 겹침이음에 의존하고 있다. 그런데 겹침이음은 상·하 기둥주근을 서로 맞대고 결속선으로 묶어야 하므로 정해진 길이를 확보해야 하고, 철근 강도와 직경이 증가할수록 겹침이음을 위한 이음길이는 더 길어져야 한다(도 6). 이렇게 길어지는 철근양을 대신하여 다른 이음방법을 적용하는 것이 경제적으로 효과적이다. 또한 설계과정에서 기둥 크기는 도 3과 같이 주근의 겹침이음으로 인한 철근의 최소간격을 확보하기 위해 단면을 증가시키는 경우가 많다.

일반적으로 굵은 기둥주근은 도 4(a)와 같이 건물의 층마다 이음을 하는데 그 이유는 인력으로 기둥을 바로세우고 나서 주변에 띠철근을 돌려 결속선으로 묶는 작업이 위험하기 때문이다. 그러나 선조립 철근기둥(도 4(b))은 공장에서 용접하여 강성이 확보되므로. 2∼3개 층 길이의 기둥주근을 한 번에 세워서 조립하는 것이 가능하다.

기둥주근을 도 9처럼 커플러(38)로 이음하는 방법은 철근 단부를 나사 가공하는 비용과 커플러 값도 비싸지만 공사현장에서는 커플러를 돌려 맞추는 동안 크레인 대기시간이 너무 길어진다. 도 7은 기둥주근(10) 표면에 이음강판(20)을 두르고 이음강판 내부에서 철근과 이음강판을 용접한 후, 공사현장에서 철근기둥 상하단의 이음강판끼리 전주맞댐용접 하는 간접접합 방식이다. 이렇게 하면 기둥 띠철 근을 둘러야 하는 평면상의 위치를 이음강판이 차지하게 되므로 거푸집과 평활한 이음강판 사이는 내부 기둥 콘크리트와 분리된 무근콘크리트 피복만 남게 된다. 따라서 콘크리트를 부어넣을 때 40mm 좁은 틈에 제대로 채우기가 어려울 뿐만 아니라 후에 균열이 발생하여 쉽게 탈락할 위험이 있다. 또한 이음강판 외부에 돌출시켜 부착하는 가설용러그(30)의 탈부착이 번거로운 단점이 있다.

도 8은 이를 해소하는 방법으로 이음강판을 기둥주근 내부에 배열하는 방법이다. 기둥주근(10) 내부에 이음강판을 설치하면, 구석에 있는 기둥주근과 이음강판의 용접이 어렵다(도 8, 도 9). 또한 도 8(c)처럼 이음강판을 ㅍ형으로 변경해도 기둥주근의 굵기가 다르면, 가느다란 기둥주근은 띠철근과 직선상에서 직접 만나지 못하게 된다(도 8(e)).

기둥주근과 띠철근을 공장에서 용접하여 선조립하는 방법을 사용하는 경우, 선조립 철근기둥(50)의 상하 기둥주근을 서로 이음 해야 한다. 도 3, 도 4(a)와 같이 재래식으로 철근을 겹침이음하면 이음철근량이 추가되며, 상하 기둥주근들이 평면상에서 기둥주근 굵기만큼 서로 어긋나게 배열해야 한다. 이같은 어려움을 극복하기 위해 도 7과 같이 기둥 이음위치의 주근 끝단부를 이음강판에 용접하여 상하 이음강판끼리 맞댐용접 하는 간접이음방법을 적용하였으나, 콘크리트의 피복두께 부족 및 탈락 위험을 발견하여 이 문제도 해결하여야 한다. 위의 문제점을 해결하기 위해 도 8과 같이 이음강판을 주근 내부에 배열하였으나, 기둥주근 굵기가 서로 다를 경우 띠철근이 굵은 철근과 가느다란 철근의 차이만큼 이격이 생겨 도 8(d)처럼 자투리강판을 끼워 2단계의 추가용접을 해야 한다.

도 11은 또 다른 방법으로 기둥주근 상·하단부에 수평이음강판을 배열하고, 기둥주근을 수평이음강판에 직접 맞댐용접 후 현장에서 상기 두 수평이음강판을 전주용접 하는 방법을 적용하였다. 그러나 수평이음강판 중앙에 콘크리트 타설용구멍(36)을 뚫어 두어도 수평이음강판 하부에 콘크리트(15)가 밀실하게 채워진다는 보장이 없으므로 이를 개선하여야 한다.

도 7은 상·하 철근기둥 이음에서도 일반 철골기둥 이음과 같이 철근기둥 상·하부에 가설용러그(30)를 수직방향으로 어긋나게 용접하여 볼트이음을 한 다음 기둥이음 강판끼리 용접하는 표준 공법을 적용하고 있다, 그러나 가설용러그는 상·하 기둥 이음용접 후 제거하는 수고를 덜어주는 방법이 필요하다. 또한 이음강판은 공장 선조립 철근기둥을 현장이음하기 위한 수단으로 사용되나, 철근 중량대비 단가가 높아 강판 사용량을 최소화 하여 경제성을 확보하여야 한다.

도 1 및 도 2와 같이 기둥 이음강판(20)은 기둥주근 내부에 배열하여 도 3과 같이 기둥주근 외부에 사용하는 경우와 비교하여 강판 길이가 감소되므로 강판량이 절감된다. 또한 기둥주근의 굵기가 동일하지 않은 경우, 이음강판 중에서 동서(좌우)와 남북(상하)에 배열된 이음강판의 상·하 길이(폭)를 서로 다르게 하고 남북면 이음강판(ㅍ형 단면의 상하 플랜지)에 용접하는 기둥주근은 굵은 것을 사용한다.

기둥단면 구석에 기둥주근(10)을 배열하는 통상적인 경우, 도 1과 같이 ㅍ자형으로 용접한 이음강판 외부에 굵은 기둥주근을 용접한다. 이음강판 외부의 콘크리트 두께는 통상의 피복두께+기둥주근+띠철근 굵기가 되며, 콘크리트 타설이 용이하고 피복탈락을 방지한다. 도 2와 같이 기둥 구석에 기둥주근을 배치하지 않도록 하는 진취적인 경우, ㅁ자형으로 용접한 이음강판의 외부에 기둥주근을 용접하는데, 이음강판이 동서와 남북으로 대응하는 면의 기둥주근 굵기를 같은 것으로 통일하면 띠철근과 만나는 면에 빈틈이 생기지 않게 된다. 위와 같이 서로 대응하는 면의 기둥주근 굵기를 통일하면, 이음강판의 규격을 이음강판과 기둥주근의 최소 용접이음길이에 맞춰서 서로 다르게 설계할 수 있다(기둥주근과 이음강판의 용접길이는 도 6 참조). 가설용러그는 도 1과 도 2와 같이 이음강판 내부 구석에 수평방향으로 부착하여 상하 철근기둥을 서로 맞대고 상하 가설용러그 끼리 볼트이음 할 수 있게 한다.

본 공법을 사용하면 다음의 효과를 기대할 수 있다.

첫째 기둥주근을 이음강판 외부에 용접하면, 피복두께가 기둥주근 굵기만큼 더 두꺼워지므로 콘크리트 타설 시 시공성이 좋아지고 피복이 탈락할 염려가 없어진다.

둘째 기둥주근의 굵기를 한 가지로 통일하지 않아도 기둥 이음강판을 기둥주근 내부에 배치할 수 있다.

셋째 기둥주근 굵기가 다를 경우 동서, 남북 이음강판에 용접하는 기둥주근 의 굵기를 각각 통일하여 이음강판의 사용량을 최소화 할 수 있다(도 1, 도 2, 도 6 참조).

넷째 이음강판을 기둥주근 내부에 배치함으로 외부에 배치하는 것 보다 강판사용량의 절감이 가능하다.

다섯째 이음강판에 부착하는 가설용러그의 크기와 볼트개수가 줄어들고 기둥 이음 후 제거하지 않아도 된다.

기둥 상·하부를 맞댐용접하여 이음 하는 것은 일반 강구조에서 익숙한 공법이다. 그러나 위 공법을 원용하여 철근콘크리트 기둥주근(10)을 이음하려면 당연히 도 7과 같이 이음강판(20) 내부에 기둥주근을 용접하여야 한다. 본 공법은 재래식 방법과 달리 이음강판을 기둥주근 내부에 배치하는데 기둥단면 구석에 기둥주근을 배치하여야 하는 일반적인 경우(도 1)와 그렇게 하지 않아도 되는 경우(도 2)에 따라 각각 기둥 이음감판의 평면형태를 다르게 제작한다.

기둥주근을 기둥단면의 구석에 배열하는 일반적인 경우, 도 1과 같이 ㅍ형으로 용접한 기둥 이음강판의 외부에 기둥주근을 용접한다. 이 때 만약 기둥주근의 굵기가 동일하지 않을 경우 ㅍ형 이음강판 단면의 동서면과 남북면에는 각각 같은 굵기의 기둥주근만을 배열하여 모든 기둥주근 굵기가 같지 않아도 그들 외곽주변에 따라 띠철근을 돌려 용접할 때 기둥주근들과 어긋나지 않고 직선을 유지하게 된다.

이때 기둥주근 중 굵은 주근은 남북면(ㅍ형의 플랜지면)에 배열하는 것을 원칙으로 한다. 도 5에 표기한 것과 같이 기둥 중에는 X, Y축방향의 휨모멘트가 거의 없는 중앙 기둥은 도 5(b)와 같이 배치해도 되지만, 건물 외곽에 면하여 한 방향의 휨모멘트가 큰 기둥은 도 5(a)와 같이 배치해야 된다. 이 때 큰 휨모멘트에 저항하여야하는 대응면 즉 본 발명에서 남북면이라고 일컬었던 ㅍ형 이음강판의 플랜지를 건물평면 내외부에 배열시키면 굵은 기둥주근이 자연스럽게 기둥 내외부면에 집중 배열하게 되는 합리성이 유도된다(도 1).

기둥주근을 기둥단면의 구석에 배열하지 않아도 되는 경우, 도 2와 같이 ㅁ형으로 용접한 이음강판의 외부면에 기둥주근을 용접한다. 이때에도 기둥주근의 굵기가 같지 않으면 ㅁ형 이음강판 단면의 동서면과 남북면에 각각 동일한 굵기의 주근만을 배열한다. 기둥단면 구석에 기둥주근이 없으면 기둥 구석 예각부를 깎아내서 부드러운 느낌을 가지게 하기에도 편리하다(도 2).

도 6과 같이 기둥주근의 직경이 굵으면 이음강판의 용접장이 길어져야 하므로 이음강판의 높이를 키워야 한다. 따라서 기둥주근의 굵기가 다른 경우, 도 1, 도 2와 같이 동서와 남북의 이음강판 높이를 차별화 하여 경제성을 증진시킨다. 철근기둥은 조립시 일반적으로 H형강 등 강구조 기둥보다는 강성이 크지 않은데 그것이 현장 조립작업에서는 오히려 장점이 된다. 기둥 강성이 너무 강하면 기둥 이음시 수직도를 맞추는데 정성을 들여야 하지만 철근기둥은 적당히 휘청거리므로 다소간의 수직도 오차는 밀고 당기면서 쉽게 수정할 수 있다. 그러므로 조립용 가설러그는 도 1, 도 2와 같이 기둥단면의 4 구석에 수평으로 배치하여 각각 볼트 하나씩만으로 가설이음이 가능하다.

상기 과정을 통해 선조립 철근기둥을 현장이음 하는 경우 각 단계별 순서는 다음과 같다.

첫째 ; 철근콘크리트 기둥의 철근을 선조립으로 공장제작하는 선조립 철근기둥(50)은 기둥주근(10)과 띠철근(12), 상하 단부의 이음강판(20)으로 구성된다.

둘째 ; 기둥주근의 개수는 구조설계에 의해 필요한 수가 산정되며, 길이는 1개 층∼3개 층 까지 가능하나, 경제성과 시공성을 고려하여 3개 층 이내로 제작한다.

셋째 ; 기둥주근이 준비되면 기둥주근 외부에 설치할 띠철근을 제작하고, 띠철근을 기둥주근에 설치 후 기둥철근과 띠철근이 만나는 부위를 용접으로 고정한다.

넷째 ; 기둥주근의 양 단부에는 이음강판을 기둥주근 내부에 절단·제작하여 설치하고, 기둥주근과 이음강판이 만나는 부위는 용접으로 고정한다. 이때 이음강판의 길이는 기둥주근의 직경과 개수에 따라 상이하게 되며, 도 6 이음강판의 필요길이에 따라 정해진다.

다섯째 ; 이음강판의 상하(또는 남북방향), 좌우(또는 동서방향)면에는 각각 동일한 직경의 기둥주근을 배치하여 띠철근과 기둥주근의 용접이 용이하도록 한다.

여섯째 ; 4면으로 구성된 이음강판 내부 모서리에는 가설용러그(30)가 부착되어 있다. 가설용러그는 플레이트를 절단하여 이음강판에 용접으로 고정하고, 플레이트 중앙부에는 볼트 체결이 가능하도록 볼트구멍이 뚫려 있다.

일곱째 ; 이렇게 제작한 선조립 철근기둥의 이음은 하부의 선조립 철근기둥과 상부의 선조립 철근기둥 각각의 이음강판이 만나는 부위를 용접으로 고정한다. 용접으로 고정하기 전에 이음강판 모서리의 가설용러그(30)를 이용하여 볼트로 고정하면, 용접하는 동안 상부와 하부의 선조립 철근기둥의 안전성을 확보할 수 있다.

본 공법은 이러한 각 단계를 거쳐 공장에서 제작한 선조립 철근기둥의 상부와 하부를 현장이음 하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 ㅍ형으로 용접한 기둥 이음강판의 외부에 기둥주근을 용접한 철근기둥의 상하 이음공법,

도 2는 ㅁ형으로 용접한 기둥 이음강판의 외부에 기둥주근을 용접한 철근기둥의 상하 이음공법,

도 3은 재래식 기둥주근의 상하 이음공법,

도 4(a)는 재래식 기둥주근의 층별 상하 이음공법,

도 4(b)는 공장에서 용접으로 선조립한 철근기둥의 3개 층 상하 이음공법,

도 5는 기둥주근의 배열방법에 따르는 휨모멘트 저항능력 설명도,

도 6은 기둥주근의 겹침이음과 용접이음 길이표,

도 7은 이음강판 내부에 기둥주근을 용접한 철근기둥의 재래식 상하 이음공법,

도 8은 기둥주근 내부에 이음강판을 용접하는 방법과 특징 비교,

도 9는 기둥주근을 커플러로 이음하는 공법,

도 10은 기둥주근을 가스압접하여 이음하는 공법,

도 11은 기둥 이음강판을 기둥주근 끝단에 수평으로 맞대고 용접한 상하 철근기둥을 이음하는 공법이다.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

10 ; 기둥주근 12 ; 띠철근

15 ; 콘크리트 20 ; 이음강판

30 ; 가설용러그 32 ; 가설이음볼트

34 ; 가설이음강판 36 ; 콘크리트 타설용구멍

38 ; 커플러

50 ; 선조립 철근기둥

선조립 철근기둥 ; 기둥주근 주변에 띠철근을 감아 기둥주근과 띠철근이 만나는 점을 용접하여 강성을 확보하는 기둥(주변에 거푸집을 감싸고 콘크리트를 채워야 철근콘크리트 기둥이 완성됨)

기둥주근 ; 상기 철근기둥에서 수직으로 설치된 굵은 철근

기둥철근 ; 상기 철근기둥을 구성하는 기둥주근과 띠철근의 총칭

커플러 ; 2개의 철근 단부에 나사를 내고 그 사이에 돌려끼워 일체화시키는 암나사 원통=길이가 긴 너트

가스압접 ; 철근 양단을 맞대어 압착시키면서 주변에 가스불꽃 고열을 가하여 철근 끝단끼리 서로 녹아 붙게 하는 철근 이음방법

가설용러그 ; 상하 기둥을 서료 용접하는 과정에서 흔들리지 않도록 임시로 묶어주는 가설용 철물(볼트로 고정했다가 기둥 용접 후 잘라냄)

자투리강판 및 2단계 용접 ; 이음강판이 주근 내부에 있을 때 굵기가 다른 기둥주근을 용접하면 띠철근과 가느다란 기둥주근은 일직선상에서 만나지 못하므로 가느다란 철근과 이음강판 사이에 자투리강판을 용접한 후 그 자투리강판에 또다시 가느다란 철근을 재용접하는 방법

기둥주근을 기둥단면 구석에 배치 ; 기둥이 X, Y 양방향으로 큰 휨모멘트에 저항해야 하는 경우, 같은 양의 기둥주근이라도 기둥단면 구석에 집중배치하면 휨저항내력이 증가

기둥구석 예각부 깎아내기 ; 4각형 기둥구석 날카로운 부분에 3각형 보조거푸집을 부착하여 8각형 단면으로 만드는 행위

결속선 ; 불에 구워 연철로 만들며, 여러 가닥의 가느다란 철사(＃20)로 철근을 묶는데 사용함

피복두께 ; 철근콘크리트 구조에서 철근을 보호하여 내구성을 확보하게 하는 최소두께 규정(일반적으로 내구연한 50년을 기준함)

기둥주근 사이의 최소간격 규정 ; 기둥주근들 사이의 순간격이 너무 좁으면 콘크리트 골재가 빠져나가지 못하고, 부착내력이 저하되므로 규정으로 최소치를 정함

패널존 ; 기둥에서 각층 보가 접합되는 구조상 주요부위

Claims (3)

1. 철근콘크리트 기둥의 철근을 선조립하여 공장제작하는 선조립 철근기둥(50)에 있어서

   (a) 선조립 철근기둥은 기둥주근(10)과 띠철근(12), 상하 단부의 이음강판(20)으로 구성되고 ;

   (b) 기둥주근은 필요 길이와 개수만큼 제작하고, 기둥주근 외부에는 띠철근을 설치하며 기둥주근과 띠철근이 만나는 부위를 용접으로 고정하는 단계 ;

   (c) 기둥주근의 양 단부에는 이음강판을 기둥주근 내부에 설치하고, 이음강판의 상하, 좌우면에는 각각 동일한 직경의 기둥주근을 배치하여 띠철근과 기둥주근의 용접이 용이하도록 하며, 이음강판과 기둥주근이 만나는 부위는 용접으로 고정하는 단계 ;

   (d) 이음강판 내부 모서리에는 플레이트를 이음강판에 고정하여 제작한 가설용러그(30)를 설치하고, 하부와 상부의 선조립 철근기둥을 가설용러그(30)에 볼트로 고정하는 단계 ;

   (e) 하부와 상부의 선조립 철근기둥 이음강판이 만나는 부위를 용접으로 고정하여 선조립 철근기둥을 일체화시키는 것을 특징으로 하는 선조립 철근기둥의 현장이음 공법
2. 제1항에 있어서 ;

   이음강판의 형상은 기둥주근을 모서리에 배치하는 경우 ㅍ평 이음강판을 사용하고, 또는 기둥주근을 모서리에 배치하지 않는 경우 ㅁ형 이음강판을 적용하는 것을 특징으로 하는 선조립 철근기둥의 현장이음 공법
3. 제1항에 있어서 ;

   철근기둥의 이음강판은 상하부와 좌우는 각각 동일한 직경의 기둥주근을 배치하고, 기둥주근의 직경에 따라 이음강판에 고정하기 위해 필요한 용접길이를 정하며 ;

   상기 이음강판의 상하, 좌우 길이를 다르게 배치하는 것을 특징으로 하는 선조립 철근기둥의 현장이음 공법

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