KR20120088237A

KR20120088237A - 콘크리트-강관 복합 기둥

Info

Publication number: KR20120088237A
Application number: KR1020110009460A
Authority: KR
Inventors: 김진경; 강영종; 현정환; 원덕희; 이강돈
Original assignee: (주)협성엔지니어링
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-08-08

Abstract

본 발명은 강관(steel tube)과 콘크리트의 접촉 부분에서의 부착 강도를 향상시켜 일체 거동을 할 수 있게 하고, 강관의 성능 저하를 방지할 수 있는 콘크리트-강관 복합 기둥에 관한 것으로, 본 발명에 따른 콘크리트-강관 복합 기둥은 중공관 구조의 강관과; 상기 강관의 내측 또는 외측에 타설되는 콘크리트와; 상기 콘크리트와 접촉하게 되는 강관의 내주면 또는 외주면에 둘레를 따라 부착되어, 콘크리트와 강관의 접촉면 간의 마찰력을 증대시키는 링형태로 된 복수개의 마찰철근을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

콘크리트-강관 복합 기둥{Column Complxed with Concrete and steel tube}

본 발명은 콘크리트와 강관(steel tube)이 복합된 기둥에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교량의 교각이나 건축 구조물 등에 사용되는 기둥으로서 중공관 구조의 강관과, 이 강관의 내측 또는 외측에 부착되는 콘크리트를 포함하는 콘크리트-강관 복합 기둥에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 교량의 교각은 상부구조의 하중을 축력으로 받아 하부로 전달하는 역할 외에도 지진과 같은 횡하중에 대해서 저항하는 주부재로서의 역할을 수행하므로, 교각 기둥은 수직하중 뿐만 아니라 횡하중 및 휨모멘트 등에 대해서도 저항할 수 있도록 설계해야 한다.

현재 도로교 및 철도교 설계기준에서는 지진과 같은 횡하중에 대해 교각 소성힌지부의 연성을 확보하기 위해 횡철근비를 규정하고 있다. 이 횡철근비 기준을 만족하는 충실단면 철근 콘크리트 교각은 현재까지 쌓아온 시공경험으로 비교적 많은 시공이 이루어져 왔으며, 하중 지지 능력이 우수한 장점이 있다. 그러나 충실단면 철근 콘크리트 교각 기둥은 콘크리트 자중이 과도하여 기초부가 구조적으로 문제시되는 곳은 적용이 곤란하고, 콘크리트 재료비가 증가하여 경제성이 떨어지며, 콘크리트 타설시 수화열 발생에 의한 균열이 발생할 우려가 있는 단점이 있다.

이에 비용면에서는 다소 불리하나 우수한 소성변형능력과 신속한 건설이라는 강점을 가진 강교각이 도시 지역의 교량을 중심으로 주목을 받았다. 그러나 강교각은 일반적으로 극한 내하력에 비해 재하하중이 작고 교각을 구성하는 판의 두께에 비해 폭이 큰 특징을 갖고 있기 때문에 지진 시 국부좌굴에 취약한 점을 갖게 되며 휨강성이 낮다는 문제가 있다.

이에 대한 보강으로 강교각에 콘크리트를 채운 충전 강교각이 출현되었다. 이 콘크리트 충전 강교각은 충전 콘크리트의 내하력이 증가되고, 기존 콘크리트 교각에 비해서 사하중이 작으며 연성능력이 우수한 장점이 있다. 하지만 이러한 콘크리트 충전 강교각은 건설비가 매우 높으며, 운용 시 표면의 강재에 대한 유지관리가 필요하므로 유지 관리비가 많이 드는 단점이 있다.

한편, 교량의 교각이나 건축물의 기둥으로 콘크리트 자중이 과도하여 구조적으로 문제시되는 곳이나 상대적으로 콘크리트 재료비용이 높은 경우에 속이 찬 충실단면의 철근콘크리트 기둥 대신 속이 빈 중공단면의 철근콘크리트 기둥이 사용되고 있다. 이러한 중공 단면의 철근콘크리트 기둥은 역학적으로 모멘트 저항능력이 일반 기둥에 비해 크게 떨어지지 않아 그 활용가치가 큰 것으로 평가되어 왔다.

상기 중공단면 철근 콘크리트 기둥은 충실단면 철근콘크리트 기둥이 갖고 있는 콘크리트 구속효과를 기대할 수 없기 때문에 그 연성능력이 의문시되고 있다. 즉 기둥의 연성능력은 기둥단면의 중립축 위치에 따라 크게 영향을 받는데, 중공단면 철근 콘크리트 기둥은 외측 단면부의 콘크리트에서는 횡철근의 구속을 받지만 중공단면의 내측에서는 콘크리트를 구속하지 못하여 충실단면의 철근콘크리트 기둥과 같은 3축 압축 상태의 콘크리트를 만들지 못한다. 따라서 중공단면 철근콘크리트 기둥은 중공 단면의 내측에서 콘크리트 구속효과가 없음으로 인해 발생하게 되는 중공면의 파괴로 실제 콘크리트의 휨강도와 연성에 좋지 않은 결과를 보이게 된다.

이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 등록특허공보 제0620860호에 중공 단면 철근콘크리트 기둥의 내측에 강관을 삽입하여 내측 단면에 충분한 구속력을 발휘할 수 있도록 하여 연성 능력을 증가시킴과 동시에 콘크리트의 압괴를 지연시키는 효과를 가질 수 있도록 한 "강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥"이 개발되었다.

그러나, 종래에 개발된 "강관을 삽입한 중공단면 철근콘크리트 기둥"을 비롯하여 강관 내부에 콘크리트를 완전히 채워넣은 CFT(CONCRETE FILLED STEEL TUBE) 타입의 기둥 등 강관과 콘크리트의 복합형 기둥들은 강관과 콘크리트와의 접촉부분의 부착강도가 매우 낮아 휨모멘트나 압축하중을 받을 경우 콘크리트와 강관이 분리되는 문제가 발생하게 된다.

이에 종래에는 강관과 콘크리트에 전단 스터드를 체결시켜 부착 강도를 향상시키는 방법을 사용하고 있으나, 이 경우 사용해야 하는 전단 스터드의 양이 너무 많아 시공이 어렵고 비용이 많이 발생하여 경제성이 떨어지며, 스터드와 강관 사이를 용접함으로 인해 강관의 성능 저하가 발생하는 문제가 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 간단한 구성으로 강관(steel tube)과 콘크리트의 접촉 부분에서의 부착 강도를 향상시켜 일체 거동을 할 수 있게 하고, 강관의 성능 저하를 방지할 수 있는 콘크리트-강관 복합 기둥을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중공관 구조의 강관과; 상기 강관의 내측 또는 외측에 타설되는 콘크리트와; 상기 콘크리트와 접촉하게 되는 강관의 내주면 또는 외주면에 둘레를 따라 부착되어, 콘크리트와 강관의 접촉면 간의 마찰력을 증대시키는 링형태로 된 복수개의 마찰철근을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트-강관 복합 기둥을 제공한다.

본 발명의 한 형태에 따르면, 본 발명의 콘크리트-강관 복합 기둥은, 공관 구조의 외부 강관과; 상기 외부 강관의 내부에 동축상으로 설치되며 외부 강관보다 작은 직경을 갖는 중공관 구조의 내부 강관과; 상기 외부 강관과 내부 강관 사이에 채워지는 콘크리트와; 상기 내부 강관의 외주면 및/또는 외부 강관의 내주면에 둘레를 따라 부착되어, 콘크리트와 내부 강관의 접촉면 간의 마찰력을 증대시키는 링형태로 된 복수개의 마찰철근을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 본 발명의 콘크리트-강관 복합 기둥은 중공관 구조의 내부 강관과; 상기 내부 강관의 외주면으로부터 일정 거리 이격된 위치에 축방향으로 설치되는 복수개의 주철근과; 상기 주철근의 외측에 원주방향으로 설치되는 횡철근과; 상기 내부 강관의 외측에 상기 주철근 및 횡철근을 내부에 수용하도록 타설되어 양생되는 콘크리트와; 상기 내부 강관의 외주면에 둘레를 따라 부착되어, 콘크리트와 내부 강관의 접촉면 간의 마찰력을 증대시키는 링형태로 된 복수개의 마찰철근을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 한 형태에 따르면, 본 발명의 콘크리트-강관 복합 기둥은 중공관 구조의 강관과; 상기 강관의 내측 또는 외측에 타설되는 콘크리트와; 상기 콘크리트와 접촉하게 되는 강관의 내주면 또는 외주면에 축방향을 따라 나선형으로 감겨지면서 부착되어, 콘크리트와 강관의 접촉면 간의 마찰력을 증대시키는 마찰철근을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 콘크리트와 접촉하게 되는 강관의 외주면 또는 내주면에 소정 간격으로 철근이 부착되어 콘크리트와 강관 사이의 부착 강도가 향상되며, 콘크리트와 강관 사이의 축방향 슬립이 발생하지 않고 일체 거동을 할 수 있게 된다.

또한, 외부 온도변화가 심한 경우에도, 콘크리트와 강관 사이의 우수한 부착 강도로 인하여 콘크리트-강관 복합 기둥의 기능이 원활히 발휘된다.

특히, 소성힌지부인 기둥 하부에서 마찰철근들 간의 간격을 상부보다 작게 하면, 기둥 하부에서의 부착 강도가 더욱 커지게 되어 소성힌지부에서 변형이나 손상이 발생할 가능성이 더욱 줄어들게 되고, 더욱 안정적인 지지구조를 구현할 수 있는 이점을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트-강관 복합 기둥의 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 콘크리트-강관 복합 기둥의 종단면도이다.
도 3은 도 1의 콘크리트-강관 복합 기둥의 변형례를 나타낸 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 콘크리트-강관 복합 기둥의 횡단면도이다.
도 5는 도 4의 콘크리트-강관 복합 기둥의 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 콘크리트-강관 복합 기둥의 횡단면도이다.
도 7은 도 6의 콘크리트-강관 복합 기둥의 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 콘크리트-강관 복합 기둥의 종단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 콘크리트-강관 복합 기둥의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

먼저, 도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 콘크리트-강관 복합 기둥의 첫번째 실시예를 나타낸 것으로, 이 첫번째 실시예의 콘크리트-강관 복합 기둥은 소정의 직경을 갖는 중공관 구조의 외부 강관(10)과, 상기 외부 강관(10)의 내부에 동축상으로 설치되며 외부 강관(10)보다 작은 직경을 갖는 중공관 구조의 내부 강관(20)과, 상기 외부 강관(10)과 내부 강관(20) 사이에 채워지는 콘크리트(30)를 포함하는 내부 구속 중공 CFT 기둥이다.

상기 내부 강관(20)의 외주면에는 둘레를 따라 링형태의 내측 마찰철근(41)이 부착된다. 상기 내측 마찰철근(41)은 용접에 의해 고정될 수 있으나 이에 한정하지는 않는다. 그리고, 상기 내측 마찰철근(41)은 복수개가 내부 강관(20)의 축방향을 따라 일정 간격으로 부착된다.

또한, 상기 외부 강관(10)의 내주면에도 둘레를 따라 링형태의 외측 마찰철근(42)이 용접에 의해 부착된다. 상기 외측 마찰철근(42)들 또한 축방향을 따라 일정 간격으로 부착된다.

이와 같이 본 발명의 콘크리트-강관 복합 기둥은 콘크리트(30)와 접촉하게 되는 내부 강관(20)의 외주면과 외부 강관(10)의 내주면 각각에 링형태의 내측 마찰철근(41) 및 외측 마찰철근(42)들이 일정 간격으로 배치되어 있으므로, 콘크리트(30)와 강관(10 또는 20) 사이의 부착 강도가 증대되어, 콘크리트(30)와 강관(10 또는 20) 사이의 축방향 슬립 현상이 억제되고, 콘크리트(30)와 강관(10 또는 20)이 일체 거동하게 되어 안정적인 지지상태를 유지할 수 있다.

여기서, 상기 마찰철근(41, 42)들의 간격은 작용 하중(수직하중, 수평력 등), 콘크리트(30)의 직경 및 강도, 외부 강관(10) 및 내부 강관(20)의 직경 및 두께, 종철근량, 횡철근량 등의 영향을 받게 된다. 따라서, 적절한 부착 강도 발현을 위하여 상기 마찰철근(41, 42)들은 0.2 내지 2.5m의 간격을 유지하는 것이 바람직하며, 시공의 편의성 및 성능의 효과적 발현을 위하여 0.5 내지 1.5m의 간격을 유지하는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 이 실시예에서 상기 내측 마찰철근(41) 및 외측 마찰철근(42)들은 축방향을 따라 일정 간격으로 부착되어 있다. 하지만, 도 3에 도시한 것과 같이 소성힌지부인 기둥 하부에 설치된 마찰철근(41, 42)들의 간격(D_L)이 기둥 상부에 설치된 마찰철근(41, 42)들의 간격(D_H)보다 더 작은 것이 바람직하다. 이와 같이 마찰철근(41, 42)들의 간격이 좁아지게 되면 콘크리트(30)와 내부 강관(20) 또는 외부 강관(10)과의 부착 강도가 더욱 커지게 되어 소성힌지부가 되는 기둥의 하단부에서 변형이나 손상이 발생할 가능성이 더욱 줄어들게 되는 이점을 얻을 수 있다. 여기서, 기둥의 상부에 설치된 마찰철근(41, 42)들의 간격(D_H)에 대한 기둥 하부에 설치된 마찰철근(41, 42)들의 간격(D_L)의 비는 1.1 내지 4.0 이며, 시공의 경제성 및 성능의 효과를 고려하면 1.5 내지 2.5인 것이 바람직하다.

이 실시예에서와 같이 상기 마찰철근(41, 42)들의 간격은 하부의 일정 위치까지는 일정하게 좁은 간격으로 배열되고, 그 이상에서는 일정하게 넓은 간격으로 배열될 수도 있지만, 이와 다르게 하부에서 상부로 갈수록 간격이 점차적으로 커질 수도 있을 것이다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 콘크리트-강관 복합 기둥의 다른 실시예로서 내부 구속 중공 RC(Reinforced Concrete) 기둥을 나타낸 것으로, 이 두번째 실시예의 기둥은 중공관 구조의 내부 강관(20)과, 상기 내부 강관(20)의 외주면으로부터 일정 거리 이격된 위치에 축방향으로 설치되는 복수개의 주철근(51)과, 상기 주철근(51)의 외측에 원주방향으로 설치되는 횡철근(52)과, 상기 내부 강관(20)의 외측에 상기 주철근(51) 및 횡철근(52)을 내부에 수용하도록 타설되어 양생되는 콘크리트(30)와, 상기 내부 강관(20)의 외주면에 둘레를 따라 용접에 의해 부착되어 콘크리트와 내부 강관(20)의 접촉면 간의 마찰력을 증대시키는 링형태로 된 복수개의 마찰철근(41)을 포함한 구성으로 이루어진다.

이 두번째 실시예의 콘크리트-강관 복합 기둥 역시 내부 강관(20)의 외주면에 링형태로 된 복수개의 마찰철근(41)들이 일정 간격으로 부착됨으로써 콘크리트(30)와의 부착 강도가 향상되는 이점을 얻는다.

이 실시예에서 상기 마찰철근(41)은 내부 강관(20)의 축방향을 따라 일정 간격으로 부착되지만, 전술한 것과 같이 하부에 배치된 것이 상부에 배치된 것보다 좁은 간격으로 배열될 수도 있을 것이다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 콘크리트-강관 복합 기둥의 다른 실시예로서 CFT(CONCRETE FILLED STEEL TUBE) 기둥을 예시하고 있다. 이 실시예의 콘크리트-강관 복합 기둥은 소정의 직경을 갖는 외부 강관(10)과, 상기 외부 강관(10)의 내부에 완전히 채워지는 콘크리트(30)와, 상기 외부 강관(10)의 내주면에 둘레를 따라 용접에 의해 부착되어 콘크리트(30)와 외부 강관(10)의 접촉면 간의 마찰력을 증대시키는 링형태로 된 복수개의 마찰철근(42)을 포함한 구성으로 이루어진다.

이 세번째 실시예의 콘크리트-강관 복합 기둥 또한 전술한 실시예들과 마찬가지로 외부 강관(10)과 콘크리트(30)의 접촉면 사이에 복수의 마찰철근(42)들이 배열되어 콘크리트(30)와의 부착 강도가 향상되는 이점을 얻는다.

한편, 전술한 실시예들의 콘크리트-강관 복합 기둥들은 내부 강관(20) 및/또는 외부 강관(10)에 링형태로 된 복수개의 마찰철근(41 및/또는 42)들이 부착되어 콘크리트(30)와의 부착 강도를 향상시키고 있으나, 도 8에 도시한 실시예와 같이 내부 강관(20)의 외주면에 축방향을 따라 나선형으로 감겨진 마찰철근(140)을 부착함으로써 내부 강관(20)과 콘크리트(30) 간의 마찰력을 증대시키고 부착 강도를 증대시킬 수 있을 것이다.

여기서, 상기 마찰철근(140)의 피치는 일정하게 형성될 수도 있지만, 이와 다르게 소성힌지부인 하부에서의 부착 강도를 더 크게 하기 위하여 마찰철근(140)중 내부 강관(20)의 하부에 위치하는 부분의 피치가 상부에 위치하는 부분의 피치보다 작은 것이 바람직하다.

전술한 본 발명에 따른 콘크리트-강관 복합 기둥에 대한 실시예들은 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제시된 것으로 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술 사상의 범주 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.

10 : 외부 강관 20 : 내부 강관
30 : 콘크리트 41, 42, 140 : 마찰철근
51 : 주철근 52 : 횡철근

Claims

중공관 구조의 강관과;
상기 강관의 내측 또는 외측에 타설되는 콘크리트와;
상기 콘크리트와 접촉하게 되는 강관의 내주면 또는 외주면에 둘레를 따라 부착되어, 콘크리트와 강관의 접촉면 간의 마찰력을 증대시키는 링형태로 된 복수개의 마찰철근을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트-강관 복합 기둥.
중공관 구조의 외부 강관(10)과;
상기 외부 강관(10)의 내부에 동축상으로 설치되며 외부 강관(10)보다 작은 직경을 갖는 중공관 구조의 내부 강관(20)과;
상기 외부 강관(10)과 내부 강관(20) 사이에 채워지는 콘크리트(30)와;
상기 내부 강관(20)의 외주면에 둘레를 따라 부착되어, 콘크리트와 내부 강관(20)의 접촉면 간의 마찰력을 증대시키는 링형태로 된 복수개의 마찰철근(41)을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트-강관 복합 기둥.
제2항에 있어서, 상기 외부 강관(10)의 내주면에도 콘크리트와 외부 강관(10)의 접촉면 간의 마찰력을 증대시키기 위한 링형태로 된 복수개의 외측 마찰철근(42)이 설치된 것을 특징으로 하는 콘크리트-강관 복합 기둥.
중공관 구조의 내부 강관(20)과;
상기 내부 강관(20)의 외주면으로부터 일정 거리 이격된 위치에 축방향으로 설치되는 복수개의 주철근(51)과;
상기 주철근(51)의 외측에 원주방향으로 설치되는 횡철근(52)과;
상기 내부 강관(20)의 외측에 상기 주철근(51) 및 횡철근(52)을 내부에 수용하도록 타설되어 양생되는 콘크리트(30)와;
상기 내부 강관(20)의 외주면에 둘레를 따라 부착되어, 콘크리트와 내부 강관(20)의 접촉면 간의 마찰력을 증대시키는 링형태로 된 복수개의 마찰철근(41)을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트-강관 복합 기둥.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마찰철근(41 또는 42)들은 하부에 설치된 것들의 간격(D_L)이 상부에 설치된 것들의 간격(D_H)보다 더 작은 것을 특징으로 하는 콘크리트-강관 복합 기둥.
중공관 구조의 강관과;
상기 강관의 내측 또는 외측에 타설되는 콘크리트와;
상기 콘크리트와 접촉하게 되는 강관의 내주면 또는 외주면에 축방향을 따라 나선형으로 감겨지면서 부착되어, 콘크리트와 강관의 접촉면 간의 마찰력을 증대시키는 마찰철근(140)을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트-강관 복합 기둥.
제6항에 있어서, 상기 마찰철근(140)은 강관의 하부에 위치하는 부분의 피치가 상부에 위치하는 부분의 피치보다 작은 것을 특징으로 하는 콘크리트-강관 복합 기둥.