KR20130100665A - 3조각 하이브리드 빔 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20130100665A
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Abstract

본 발명은 상단이 내측 또는 외측으로 수평 절곡된 상부플랜지와, 하단이 내측 상방으로 하측홈을 형성하도록 절곡된 하측 절곡부를 구비하며, 합성보의 측판이 되도록 서로 이격되어 배치되는 한 쌍의 웨브 플레이트(web plate); 및 합성보의 바닥판이 되도록 상기 웨브 플레이트들의 하측에서 양단이 상기 하측 절곡부의 하측과 용접에 의해 각각 결합하는 하부 플레이트(lower plate)를 포함하는 3조각 하이브리드 빔 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 따르면, 단면이 한 쌍의 웨브 플레이트와 하부 플레이트, 즉 3조각으로 구비되어 있으므로 냉간 성형으로도 보의 외곽 폭을 일정하게 또는 원하는 폭으로 제작이 가능하다.

Description

3조각 하이브리드 빔 및 그 제조방법 {Hybrid beam with separated double swellings and Assembling method thereof}
본 발명은 빔 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하이브리드 빔 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 TSC의 종류를 나타낸 단면도, 도 2는 종래에 보를 상부에서 매달아 처짐을 방지하는 방법을 나타낸 측면도, 도 3은 SRC 기둥에 종래의 TSC Ⅱ를 부착한 것을 나타낸 평면도, 도 4는 종래 TSC Ⅳ의 웨브 플레이트에 시멘트 페이스트가 묻는 것을 방지하는 전용테이프를 부착한 것을 나타낸 단면도, 도 5는 TSC Ⅳ 및 300 series H형강 규격을 나타내는 단면도, 도 6은 거더와 빔의 접합 방법을 나타낸 측면도, 도 7은 SRC, PRC, PSRC 기둥을 나타낸 평면도, 도 8은 TSC 보에 강선보강을 할 경우 강선의 조합 방법을 나타낸 단면도, 도 9는 TSC보와 본 발명의 실시예에 따른 3조각 하이브리드 빔의 하부 볼트 조합 방법을 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 출원인이 1999년 개발하여 특허를 취득한 한국 최초의 양산 합성보인 특허등록 제10-0430317호(이하, TSC I)는 개선을 거듭하여 특허등록 제10-0617878호 (이하, TSC Ⅱ), 특허등록 제10-0592398호 (이하, TSC Ⅲ)를 거쳐 현재 주력 생산품은 특허등록 제10-0872959호 (이하, TSC Ⅳ)이다.
TSC I 개발 당시에는 강판의 종류가 SS400 또는 SM400이었지만 TSC Ⅳ는 SM490을 주로 사용하며 중국 경쟁업체들에 대항하는 국내 제강회사들의 고부가가치 제품 개발 경쟁 덕분에 예상보다 빠른 시일 안에 SM570, SM800까지도 사용 가능하게 될 전망이다.
고강도강일수록 단가가 비싸긴 하나 전체 자재 사용량을 적절히 줄이면 공사원가 절감은 물론 자원 절약, 탄소배출량 감소 효과도 얻을 수 있다. 단, 고강도강 사용시 주의할 점은 강재의 강도와는 무관하게 변형에 영향을 주는 영계수(Young's Modulus)가 2.05×105N/㎟로 동일하다는 점이다. 즉, 고강도강으로 갈수록 강재의 강도는 높아지나 강성까지 함께 높아지지는 않는다. 예컨대 기존 일반 강재와 두께가 같은 고강도강의 강도가 일반 강재의 2배라고 가정할 때 강도를 똑같이 맞출 수 있다 하여 두께를 절반으로 줄이면 강성이 절반으로 줄어들게 된다.
따라서 보 제작시 강도만을 고려하여 두께가 얇은 고강도강으로 대체하면 강도 부족으로 부러지지는 않으나 강성 부족으로 구부러지고 처짐량이 커서 사용이 어려울 수 있다. 합성보의 경우 공사 완료시 보의 강성은 콘크리트가 주로 발휘하므로 이론상으로는 강재는 강도만 유지된다면 얼마든지 두께를 줄여도 되지만 실제로는 두께를 줄인 만큼 강성이 감소된 합성보는 콘크리트가 양생되기 전까지의 시공중 처짐이 문제가 된다.
시공중 처짐의 가장 보편적인 해결책은 보 하부에 가설지주를 세우는 것인데 층고가 높아 가설지주의 길이가 길어지면 좌굴(buckling)을 방지하기 위하여 가설지주의 단면 크기를 늘려야 하고 이는 가설공사비의 상승 요인이 된다. 또 한 가지 방법은 시공중 처짐을 미리 고려하여 보 자체에 일정량의 치올림(camber)을 주는 것으로서 강재에 열을 가했다가 식히는 과정에서 발생하는 수축현상을 활용하여 합성보 하부 강재를 가열하는 방법, 도 2에 도시된 것처럼 위층 보의 단부에서 아래층 보의 중앙부를 달대(10)로 매달아 처짐을 제어하는 방법 등이 사용되고 있으며 프리스트레스트(pre-stressed) 콘크리트 구조에서는 강선을 긴장하는 과정에서의 치올림 효과를 활용하기도 한다.
상기한 바와 같이 처짐량 과다로 인한 부작용은 고강도강을 사용하는 장스팬 보에 항상 수반되는 문제이다. TSC 합성보는 U형 강판재 그릇 내부에 콘크리트를 채우는 합성보이므로 콘크리트가 양생된 후에는 처짐량 및 진동 문제가 크게 개선되는 장점이 있다.
한편 철골보에 필수인 내화피복의 경우 TSC 합성보는 일반 H형강에 비하여 1/2 두께의 내화피복으로도 탁월한 내화성이 있으며(건설기술연구원 내화구조 인증: BS09-0928-1a) H형강보다 표면적이 적으므로 전반적으로 내화피복 공사비가 H형강의 1/3으로 절감되는 장점이 있다.
TSC합성보가 H형강에 비하여 경제적이라는 것은 개발 당시부터 지속적인 실물대 실험과 200여 동 이상의 대형건물 공사 적용실적으로 증명되며 도 1의 TSC I내지 TSC Ⅳ의 각각의 특성은 다음과 같다.
도 1의 (a)에 도시된 TSC I은 냉간성형이 불가능한 대형 보(일반적으로 길이 15m 이상)에 적용하는 것으로 두꺼운 강판으로 용접 제작하는 플레이트 거더(대형 H형강)를 대체하는 것이다.
도 1의 (b)에 도시된 TSC Ⅱ는 상부 플랜지(1)가 바깥쪽을 향하는 것을 특징으로 한다. 바깥쪽으로 구부러진 상부 플랜지(1)에 데크를 걸치기 쉽고 상부철근 배근이 용이하다는 장점이 있는 반면, 몇 가지 제약사항이 있다.
첫째로는 국내 냉간성형설비의 제작능력 한계 때문에 TSC Ⅱ 제작에 사용될 수 있는 코일 두께는 6㎜~10㎜, 보의 최대 높이는 500㎜로 제한된다. 상기 제약조건으로 인하여 TSC Ⅱ 보의 최대 스팬은 약 15m (고하중시 12m 이하) 정도이다.
둘째로는 상부 플랜지(1)가 바깥을 향하는 형상 때문에 H-300 SRC 기둥 웨브플레이트 내법치수에 맞추어 270㎜ 폭으로 제작한 TSC Ⅱ 합성보의 상부플랜지(1)를 포함하는 총 외곽폭이 450㎜에 달하므로(도 1의 (b) 참조) SRC 기둥 폭(WT)이 최소 800㎜ 이상이어야만(도 3 참조) 기둥에서 반대편 보와 연속시키고 후속 철근콘크리트 공사가 가능하다.
상기한 두 가지 제약사항 때문에 TSC Ⅱ는 고유의 여러 가지 장점들에도 불구하고 주로 아파트형 공장, 물류센터, 민자역사 등 고하중의 대형 건물에 적용되었고 소규모 경량하중의 건물에는 가격경쟁력을 갖지 못하였다.
한편, TSC Ⅱ의 제약조건 중 총 외곽폭을 줄여 폭이 좁은 기둥에도 접합이 용이하도록 하는 데 역점을 두어 새로 개발한 후속 제품이 도 1의 (c)에 도시된 TSC Ⅲ(일명 항아리형 TSC)였다. 그러나 단면 형태가 복잡하여 생산설비에 무리가 가고 제품의 품질이 떨어지는 문제가 있었으며 공사현장에서는 보를 다리 삼아 이동하는 작업자들이 TSC Ⅲ는 딛고 다니기가 불편하고 위험하다는 불만사항을 제기하였다.
이에 본 출원인은 항아리형의 상부 목 부분을 제거한 도 1의 (d)에 도시된 TSC Ⅳ로 변경하였다. 이는 보의 전체 폭이 270㎜로 좁아져서 SRC 기둥 단면의 크기가 자유로운 장점이 있기 때문에 어떤 종류의 건물에도 적용할 수 있다. 그러나 상부플랜지(1)가 웨브 플레이트(3)에서 안으로 꺾여 있기 때문에 그 위에 데크를 깔고 콘크리트를 타설할 때 시멘트 페이스트가 흘러서 웨브 플레이트(3)를 오염시키므로 이를 막는 도 4에 도시된 전용 테이프(8)를 개발하여 별도로 부착하는 공정을 추가하여야 한다.
TSC Ⅳ는 그 재료인 코일의 두께가 4.5㎜~10㎜이며 높이는 600㎜까지 생산가능하다. TSC Ⅱ보다 높이를 100㎜ 늘릴 수 있어 최대 스팬은 TSC Ⅱ의 12~15m에서 20m로 늘어났다.
도 5를 참조하면 TSC의 폭 270㎜는 상기 300 Series H형과 마찬가지로 냉간 성형의 편의상 성형 Roll의 폭을 270㎜로 통일한 것이어서 실제 TSC의 외곽 폭은 270㎜에다 강판 두께(t)의 2배를 더한 값이 된다. 따라서 거더에 빔을 접합할 때에는 거더의 강판 두께가 두꺼워짐에 따라 빔의 길이를 조금씩 짧게(L') 제작하여야 하는 불편도 감수하여야 한다(도 6 참조). 이 문제는 비단 현행의 TSC 합성보에만 적용되는 것이 아니라 냉간 및 열간을 막론한 모든 성형제품이 안고 있는 단점이다,
강구조에서 가장 많이 사용하는 H형강을 예로 들면 주로 기둥재로 사용하는 300계열 H형강의 외형 크기가 294×302㎜로부터 310×310㎜로 다양하기 때문에 기둥 상호 간의 이음은 물론 보와의 접합에서도 부위마다 각각 다른 상세처리를 해야 하는 어려움이 있다. 이같은 불편함을 개선하기 위하여 한때 일본에서는 시리즈마다 H형강의 외곽 크기를 통일하고 두께를 달리하는 H형강을 개발하였으나 생산성이 떨어져 사라지고 말았다.
이에 본 출원인은 도 7에 도시된 것처럼 최근 TSC 합성보와 최적의 상성(常性)을 가진 철근선조립기둥(PRC)(21)과 철골철근선조립기둥(PSRC)(22)을 개발하여 성공리에 현장 적용중이다. TSC 합성보를 PRC(21) 또는 PSRC(22)와 조합하면 TSC의 폭을 SRC기둥의 300계열 H형강에 맞추어 270㎜로 고정할 필요가 없어지게 되었다.
보의 허용 내력을 증가시키는 방법으로는 크게 보 재질의 강성을 높이는 방법과 보의 높이를 키우는 방법이 있는데, 강성을 높이는 것은 기술적으로 쉬운 문제가 아니기 때문에 TSC를 비롯한 합성보들이 개발되기 전까지는 자중 증가와 층고의 손해를 무릅쓰고 대부분 보의 높이를 키워 필요한 내력을 확보해 왔다. 보의 휨 저항 내력은 대략 높이의 제곱에 비례한다. 예컨대 800 보의 휨 저항 내력은 600 보의 1.78배(82/62=1.78)가 된다.
건물들이 점점 대형화하고 공간구획이 자유로운 무주(無柱) 대공간이 선호되면서 고하중, 장스팬에 대응하는 합성보의 개발이 시급한 가운데 기존의 TSC Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ는 이미 국내 강재 시장에서 구할 수 있는 최선의 강재와 냉간 성형설비의 능력 한계를 모두 활용하고 있어 새로운 고안 없이는 더 이상의 성능 향상이 어려운 상황이다. 현행의 냉간성형 TSC 제품들이 직면한 한계를 열거하면 다음과 같다.
첫째, 현재까지의 TSC 합성보는 코일로 좌판과 우판을 냉간 성형한 뒤 두 개의 판 하단을 용접 접합하여 완성하므로 웨브(3)와 플랜지(1, 2)의 두께를 달리할 수 없다. 그러므로 구조계산 결과 웨브(3)와 상부플랜지(1)의 단면은 이미 충분하고 단지 하부플랜지(2)의 단면 두께만 부족한 경우 하부플랜지(2)에 별도의 강판이나 철근을 추가하는 번거로운 공정을 추가하거나 아예 두꺼운 코일을 사용하여 웨브(3)와 상부플랜지(1) 두께까지 함께 늘려버리는 낭비를 감수할 수 밖에 없다.
둘째, 국내 제강사들은 중국산의 저가공세에 대항하여 고강도 강재의 공급을 늘리고 있으나 아직 두께 10㎜ 이하의 SM570 코일(Coil)의 수급이 원활하지 못하고 SM800은 두께 20㎜ 이상의 판재로만 생산되어 냉간성형(Cold Roll Forming)이 불가능하다. 고강도강 코일의 수급이 원활해진다고 해도 국내에서 운용중인 냉간 성형설비의 성능 한계상 두꺼운 코일로 높은 보를 성형하는 것은 어려운 일이다. 전술한 바와 같이 TSC Ⅱ의 최고 높이가 500㎜, TSC Ⅳ는 600㎜인 것은 냉간 성형설비의 생산능력에 의해 제약된 것이다.
셋째, 보의 폭과 높이의 비는 1:2가 적합하므로 높이가 600㎜를 넘으면 폭 270㎜로는 충분하지 않으며 상부플랜지(1)가 안으로 꺾여진 형태인 TSC Ⅳ는 상부플랜지 개구부 폭이 120㎜로 좁아 보 높이가 600㎜ 이하로 제한되어 있음에도 불구하고 내부 볼트 채우기 등 작업에 어려움이 있다. 상기한 바와 같은 제약 때문에 현재까지는 높이가 600㎜를 초과할 경우 강판을 절단하여 용접제작하는 TSC I에 의존하고 있으나 생산성과 가격경쟁력에 개선의 여지가 있다.
넷째, 고하중, 장경간의 보를 시공할 때 시공중 처짐을 막기 위하여 다량의 가설지주를 설치하는데 층고가 높아질수록 비용과 위험성이 커진다. 보에 의도적으로 치올림(camber)를 조성함으로써 더 긴 경간을 가능하게 하면서도 가설지주를 줄이고 시공중 처짐을 상쇄하는 방법들이 여러 가지로 시도되고 있으나 모두 기존의 보 형상을 그대로 두고 강선 긴장 등의 조치를 덧붙이는 방식에서 벗어나지 못하고 있어 효과와 가격 경쟁력이 떨어지는 상황이다.
따라서, 종래의 합성보는 다음과 같은 과제를 해결할 필요가 있다.
먼저, 현행의 냉간성형 설비를 활용하여 보 높이를 800㎜까지 높이면서 하부 플레이트(200)의 두께와 폭 및 강종을 용도에 따라 자유롭게 변경할 수 있는 방법이 필요하다.
국내에 운용중인 냉간성형 설비는 성형하려는 형상의 복잡한 정도에 따라 사용가능한 코일의 두께와 강도에 빠듯한 제약이 있으며 TSC Ⅱ와 TSC Ⅳ의 경우 최대 10㎜의 SM490 코일이 한계이다. 향후 냉간성형 설비의 용량과 성능이 발전하더라도 그러한 발전의 효과를 SM570, SM800 등 고강도강을 사용하는 데 활용하려면 보의 단면 형상 자체는 냉간성형 설비에 가능한 한 부담을 덜 주는 형태로 개선되어야 한다.
구조재로 사용하는 대부분의 철골보는 폭이 200㎜이거나 300㎜이므로 하부 플레이트의 폭은 구조전문가들에게 익숙한 300㎜ 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하며 이는 기성 강판 원자재의 절단손실을 최소화하는 데에도 유효하다.
한편, 보의 폭은 1열로 강선 보강이나 볼트를 체결할 수 있는 최대 개수를 결정한다. 종래의 TSC 보는 도 8 및 도 9의 (a)에 제시된 바와 같이 2개의 반제품을 돌기끼리 서로 맞대고 용접하여 하부플랜지의 내부가 돌기로 양분되는 형태이다 보니 통상적인 TSC 보의 하부플랜지(2) 내부에 강선보강용 강관토막(6)이나 볼트(B)를 부착할 경우 반드시 좌우대칭을 이루도록 2개 또는 4개씩을 부착하여야 한다.
이는 구조계산상 최적의 강선 또는 체결볼트 수가 1개이거나 3개일 경우에도 2개, 4개를 사용하여야 하는 비효율을 초래한다. 따라서 보의 하부플랜지(2) 폭을 300㎜로 유지하면서 하부플랜지(2) 폭이 허용하는 한 강선이나 볼트체결 수에 제한이 없도록 개선할 필요가 있다.
또한, 강접보의 단부에 혼치(Haunch)를 부착하면 구조내력상 유리하나 하부플랜지(2)가 웨브플레이트(3)와 일체화된 TSC Ⅱ나 TSC Ⅳ는 하부플랜지(2)에 구멍을 뚫지 않고서는 혼치 내에 콘크리트가 채워지지 않는 문제가 있었다. 따라서 콘크리트 채움 문제를 해결하고 혼치를 부착할 수 있는 새로운 개념의 보가 필요하다.
본 발명의 목적은 조립성, 시공성을 높이고 공사비를 절감할 수 있는 3조각 하이브리드 빔 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 3조각 하이브리드 빔은 상단이 내측 또는 외측으로 수평 절곡된 상부플랜지와, 하단이 내측 상방으로 하측홈을 형성하도록 절곡된 하측 절곡부를 구비하며, 합성보의 측판이 되도록 서로 이격되어 배치되는 한 쌍의 웨브 플레이트(web plate); 및 합성보의 바닥판이 되도록 상기 웨브 플레이트들의 하측에서 양단이 상기 하측 절곡부의 하측과 용접에 의해 각각 결합하는 하부 플레이트(lower plate)를 포함한다.
여기서, 상기 하부 플레이트는, 양단이 종단면상 상기 웨브 플레이트보다 각각 3 ~ 7㎜의 범위에서 더 돌출되게 구비될 수 있다.
아울러, 상기 웨브 플레이트는 일반 형강이고, 상기 하부 플레이트는 고강도 강판이며, 상기 웨브 플레이트의 높이가 300 ~ 600㎜의 범위일 때, 상기 하부 플레이트의 폭은 280 ~ 300㎜의 범위이고, 상기 웨브 플레이트의 높이가 600 ~ 1300㎜의 범위일 때, 상기 하부 플레이트의 폭은 290 ~ 700㎜의 범위일 수 있다.
나아가, 상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(camber)을 형성하기 위하여, 상기 하측홈의 길이 방향 양단부 내측에 각각 결합하여 프리스트레스를 주기 위한 복수의 단강관(短鋼管)과, 상기 단강관을 관통하는 강연선을 더 포함하되, 상기 하측홈은 상기 단강관의 외주면에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
게다가, 상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(camber)을 형성하기 위하여, 상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 양단부로부터 중앙부로 갈수록 웨브 플레이트의 높이가 더 작아지도록 상기 하측 절곡부의 길이를 점차 증가시킬 수 있다.
더욱이, 상기 하부 플레이트와 상기 하측 절곡부의 외측을 용접 결합할 때, 용접열의 수축 효과를 조절함으로써 상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(camber)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 양단부에는, 혼치(haunch)를 형성하기 위하여 상기 하부 플레이트 대신 단면의 높이가 단부로 갈수록 증가하는 U자 형상의 혼치부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 3조각 하이브리드 빔의 제조방법은 상단이 내측 또는 외측으로 수평 절곡된 상부플랜지와, 하단이 내측 상방으로 하측홈을 형성하도록 절곡된 하측 절곡부를 구비하며, 합성보의 측판이 되는 한 쌍의 웨브 플레이트를 서로 이격 배치하는 단계; 및 합성보의 바닥판이 되는 하부 플레이트의 양단을 상기 하측 절곡부의 하측과 용접에 의해 각각 결합하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(camber)을 형성하기 위하여, 상기 웨브 플레이트는, 상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 양단부로부터 중앙부로 갈수록 웨브 플레이트의 높이가 더 작아지도록 상기 하측 절곡부의 길이를 점차 증가시키고, 상기 용접에 의해 각각 결합하는 단계에서는, 상기 하부 플레이트와 상기 하측 절곡부의 외측을 용접 결합할 때, 용접열의 수축 효과를 조절하여 치올림을 형성할 수 있다.
나아가, 상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(camber)을 형성하기 위하여, 상기 용접에 의해 각각 결합하는 단계 이후에, 프리스트레스를 주기 위한 복수의 단강관(短鋼管)을 상기 하측홈의 길이 방향 양단부 내측에 각각 결합하는 단계; 강연선을 상기 단강관을 관통하여 삽입하는 단계; 및 상기 단강관의 외측에 돌출된 강연선에 프리스트레스를 주고 강선콘에 의해 고정하여 치올림을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3조각 하이브리드 빔 및 그 제조방법에 의하면,
첫째, 단면이 한 쌍의 웨브 플레이트와 하부 플레이트, 즉 3조각으로 구비되어 있으므로 냉간 성형으로도 보의 외곽 폭을 일정하게 또는 원하는 폭으로 제작이 가능하다.
둘째, 3조각이기 때문에 하부 플레이트의 폭 만큼이 코일의 표준 폭과 냉간성형 설비에 투입 가능한 코일의 최대폭 제한에서 제외되므로, 보의 높이를 800㎜ 이상으로 제작 가능하고, 종래에 강판을 용접하여 제작해야 했던 고하중, 장스팬의 보까지 냉간성형으로 제작할 수 있다.
셋째, 하부 플레이트의 강종과 두께를 자유롭게 정할 수 있고 부분적으로 달리 할 수도 있다.
넷째, 프리스트레스, 웨브 플레이트의 높이 조절, 용접열 수축 효과 등을 이용하여 보에 치올림을 사전 조성함으로써 가설지주를 생략할 수 있다.
다섯째, 하부 플레이트와 웨브 플레이트를 용접하는 과정에서 좌우의 용접열 조절을 통해 보의 비틀림 하자도 바로잡을 수 있다.
여섯째, 종래의 TSC 시리즈와 달리 하부 플레이트가 돌기로 인하여 양분되지 않으므로 하부플랜지 중앙에 강선이나 볼트를 배열하여 종래에는 불가능했던 1개, 3개의 강선 보강이나 볼트 체결이 가능하다.
일곱째, 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 양단부에 혼치부를 구비하여 혼치 내에 콘크리트가 채워지지 않는 문제를 해결할 수 있다.
여덟째, 상기한 장점들로 인하여 높은 내력, 우월한 시공성 및 원가 경쟁력을 가질 수 있다.
도 1은 종래의 TSC의 종류를 나타낸 단면도이다.
도 2는 종래에 보를 상부에서 매달아 처짐을 방지하는 방법을 나타낸 측면도이다.
도 3은 SRC 기둥에 종래의 TSC Ⅱ를 부착한 것을 나타낸 평면도이다.
도 4는 종래 TSC Ⅳ의 웨브 플레이트에 시멘트 페이스트가 묻는 것을 방지하는 전용테이프를 부착한 것을 나타낸 단면도이다.
도 5는 TSC Ⅳ 및 300 series H형강 규격을 나타내는 단면도이다.
도 6은 거더와 빔의 접합 방법을 나타낸 측면도이다.
도 7은 SRC, PRC, PSRC 기둥을 나타낸 평면도이다.
도 8은 TSC 보에 강선보강을 할 경우 강선의 조합 방법을 나타낸 단면도이다.
도 9는 TSC보와 본 발명의 실시예에 따른 3조각 하이브리드 빔의 하부 볼트 조합 방법을 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 3조각 하이브리드 빔을 나타낸 단면도이다.
도 11은 도 10의 3조각 하이브리드 빔에 데크 플레이트가 배치되는 것을 나타낸 단면도이다.
도 12는 종래의 TSC Ⅱ, TSC Ⅳ와 도 10의 3조각 하이브리드 빔을 비교한 단면도이다.
도 13은 종래의 TSC Ⅱ, TSC Ⅳ와 도 10의 3조각 하이브리드 빔의 강선 보강방법을 비교한 단면도이다.
도 14는 도 10의 3조각 하이브리드 빔의 하부 플레이트의 두께 변화를 나타낸 단면도이다.
도 15은 도 10의 3조각 하이브리드 빔의 치올림을 나타내는 개념도이다.
도 16은 강선 긴장으로 3조각 하이브리드 빔의 치올림 값을 추가하는 구조계산 예시이다.
도 17은 TSC Ⅱ와 3조각 하이브리드 빔의 단부에 혼치를 추가할 경우를 나타낸 단면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 3조각 하이브리드 빔의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 3조각 하이브리드 빔을 나타낸 단면도, 도 11은 도 10의 3조각 하이브리드 빔에 데크 플레이트가 배치되는 것을 나타낸 단면도, 도 12는 종래의 TSC Ⅱ, TSC Ⅳ와 도 10의 3조각 하이브리드 빔을 비교한 단면도, 도 13은 종래의 TSC Ⅱ, TSC Ⅳ와 도 10의 3조각 하이브리드 빔의 강선 보강방법을 비교한 단면도, 도 14는 도 10의 3조각 하이브리드 빔의 하부 플레이트의 두께 변화를 나타낸 단면도이다.
도 10 내지 도 14를 참조하면, 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 한 쌍의 웨브 플레이트(web plate)(100) 및 하부 플레이트(lower plate)(200)를 포함한다.
3조각 하이브리드 빔(PTH)은 냉간성형한 2조각을 1개소에서만 용접하는 TSC Ⅱ, TSC Ⅳ와 달리 한 쌍의 웨브 플레이트(100)를 하부 플레이트(200) 좌우 끝부분 2개소에 각각 용접한 3조각의 것으로서 후술하는 것처럼 프리스트레스를 줄 수 있으므로 PTH (Prestressed Three-piece Hybrid Beam with Separated Double Swellings)로 명명한다.
웨브 플레이트(100)는 상부플랜지(110)와 하측 절곡부(120)를 구비하며, 합성보의 측판이 되도록 서로 이격되어 배치된다.
상부플랜지(110)는 필요에 따라 도 10에 도시된 것처럼 상단이 외측으로 수평 절곡될 수도 있고, 상단이 내측으로 수평 절곡될 수도 있다. 상부플랜지(110)를 안으로 꺾은 형태의 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 TSC Ⅳ를 대체할 수 있고 밖으로 꺾은 형태의 PTH는 TSC Ⅱ를 대체할 수 있다. 하측 절곡부(120)는 하단이 내측 상방으로 하측홈(120a)을 형성하도록 절곡된다.
하측홈(120a)은 필요에 따라 도 10의 (a)에 도시된 것처럼 후술할 단강관(310)이 삽입되도록 단강관(310)의 외주면에 대응되는 형상인 곡면으로 형성될 수도 있고, 도 10의 (b)에 도시된 것처럼 예각을 이루는 V자 형상의 홈일 수도 있다.
종래의 상부플랜지(1)의 폭은 TSC Ⅱ가 90㎜, TSC Ⅳ가 75㎜(도 1 참조)로 각각 너무 넓거나 좁았다. 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 그간의 적용 경험과 현장의 반응을 집계한 결과 최적의 수치로 입증된 약 80㎜ 정도로 조정한다.
3조각 하이브리드 빔(PTH)은 2조각인 TSC Ⅱ와 달리 3조각으로 제작한다. 즉 코일을 웨브 플레이트(100)로 일체로 냉간 성형한 것을 평판으로 된 하부 플레이트(200)의 양단과 용접(W)하여 일체화한 것이다. 상부플랜지(110)의 내법치수는 80㎜로서 TSC Ⅱ의 내법치수 90㎜보다 10㎜만큼 좁은데 이는 정해진 폭의 코일로 웨브 플레이트(100)의 높이를 최대화하면서도 도 11에 도시된 것처럼 상부플랜지(110)에 데크 플레이트(DP)를 얹고 보 단부를 기둥 또는 다른 보와 원활하게 접합하는데 필요한 최소의 상부플랜지 치수를 다년간의 경험을 토대로 산출한 결과이다.
또한, 웨브 플레이트(100)의 하단에 구비된 하측 절곡부(120)는 냉간 성형시, 용접 전 운반시 그리고 용접시 직진도를 확보하고, 하부 플레이트(200)와 용접시 간접적인 개선(開先) 효과가 있으며 콘크리트와의 부착내력을 증진시킨다. 하측 절곡부(120)는 하부 플레이트(200)의 단면적에 가산되는 효과가 있음은 물론 이미 TSC Ⅱ 및 TSC Ⅳ의 실물대 실험 및 수많은 현장적용에서 콘크리트와의 부착내력에 도움이 되는 것을 확인하였으므로 몇 차례의 추가 실험만으로도 동등한 효과가 있음을 알 수 있다.
참고로, 도 12에 도시된 것처럼 하부 플레이트(200)와 용접(W)한 좌우 하측 절곡부(120)의 하측홈(120a)의 직경 치수는 상기 하측홈(120a) 내측에 강선보강용 단강관(310)을 끼워넣고 용접 고정하기에 용이하도록 40~100㎜의 범위 내에서 변경될 수 있다. 예컨대 직경 15.2㎜ 7강연선(긴장력 15톤)(320)의 정착단인 단강관(310)의 외형 치수는 45㎜이므로 이 단강관(310)을 사용할 경우 하측홈(120a)의 내경은 도시된 것처럼 45㎜가 된다.
TSC Ⅱ에서는 보가 횡좌굴을 일으킬 경우 바로잡는 작업이 어려웠으나 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 도 13에 도시된 것처럼 강연선(320)이 보의 좌우 끝에 최대한 가깝게 배치되므로 좌우 강선의 긴장량을 조절하여 직진도를 맞추기 용이하다. 도 13에 도시된 것처럼 추가적인 보강이 더 필요할 경우 TSC Ⅱ는 중앙에 돌기(4)가 있어서 중간부에 강선 보강이 어려운 것과 달리 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 하부 플레이트(200) 중간부에도 강선 보강을 추가할 수 있다.
다음으로, 하부 플레이트(200)는 합성보의 바닥판이 되도록 웨브 플레이트들(100)의 하측에서 양단이 하측 절곡부(120)의 하측과 용접(W)에 의해 각각 결합한다. 하부 플레이트(200)는 도 14에 도시된 것처럼, 빔의 휨모멘트의 크기에 따라 하부 플레이트(200) 중에서 모멘트가 집중되는 중앙 부위만 두께(t2)를 두껍게 하고 나머지 부분의 두께(t3)는 얇게 하여 자재와 자중을 절감하는 설계도 가능하다.
여기서, 하부 플레이트(200)는 양단이 종단면상 웨브 플레이트(100)보다 각각 3 ~ 7㎜의 범위에서 더 돌출되게 구비될 수 있다. 도 10에는 웨브 플레이트(100)의 바깥폭이 290㎜이고, 하부 플레이트(200)의 양단이 각각 5㎜씩 돌출되어 총 300㎜의 폭으로 구비된 것이 예시되어 있다.
TSC 합성보의 내화피복 두께는 일반 H형강의 1/2로도 탁월한 내화성이 있음을 확인받아 건설기술연구원으로부터 내화인증을 받은바 있으나, 웨브플레이트(3)와 하부플랜지(2)의 경계면에 "턱"이 없어 내화피복이 탈락할 가능성이 있다고 염려하는 기술자들이 있다. 그들의 염려를 불식시키는 수단으로 기존의 TSC Ⅱ, Ⅳ에는 웨브플레이트(3)에 얇고 짧은 형강토막을 600mm 간격으로 부착하는 방법도 활용하고 있다. 하지만, 도 12에 도시된 것처럼 보의 폭보다 하부 플레이트(200)의 폭만 좌우 5㎜ 정도를 크게 하는 것만으로도 그 우려가 해소되므로 하부플랜지(200)의 폭을 300㎜로 넓힌 것이다. 실제로 TSC 합성보는 내화피복 두께가 20㎜ 이내로 얇아서 탈락 가능성은 매우 낮으나 겨울철 불량시공에도 안전하게 하기 위함이다. 상기한 바와 같이 하부 플레이트(200)의 폭을 좌우 웨브 플레이트(100)의 외곽 폭보다 넓혀 "턱"을 조성하면 용접작업이 용이해지는 부가적인 장점도 있다.
한편, 웨브 플레이트(100)는 일반 형강이고, 하부 플레이트(200)는 고강도 강판일 수 있다. 도 12에 도시된 웨브 플레이트(100)의 두께(t1)는 4.5㎜~10㎜이고, 하부 플레이트(200)의 두께(t2)는 4.5㎜ 이상일 수 있다.
웨브 플레이트(100)의 높이가 300 ~ 600㎜의 범위일 때, 하부 플레이트(200)의 폭은 280 ~ 300㎜의 범위이고, 상기 웨브 플레이트의 높이가 600 ~ 1300㎜의 범위일 때, 상기 하부 플레이트의 폭은 290 ~ 700㎜의 범위일 수 있다.
즉, 3조각 하이브리드 빔(PTH)의 표준 외부 폭(웨브 플레이트 간 외곽치수)은 290㎜이며, 보의 높이가 600㎜를 초과하여 상부플랜지(110) 내부로 손을 넣어 볼트(B) 체결이나 강선 보강 작업을 수행하기에 불편할 경우는 하부 플레이트(200)의 폭을 조절하여 290㎜ 이상으로 증가시킬 수 있다. TSC Ⅱ는 H-300계열 기둥에 접합할 것을 전제로 하여 보의 표준 폭을 내부 기준 270㎜로 하였으나 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 좌우 웨브플레이트의 표준 폭을 외부 기준 290㎜로 하였다. 이는 정밀을 요하는 강구조공사에서 좌우 웨브플레이트에 직각으로 접합하는 빔의 접합상세에서 일관성 있는 상세 처리가 가능한 장점이 있다(도 6 참조).
합성보의 특성상 하부플랜지(2)의 단면을 증대시키는 것이 구조 내력상 유리하다. 그러나 TSC Ⅱ는 하부플랜지(2) 내에 철근을 삽입하거나 외부에 강판을 추가하는 방법 밖에 없으므로 실무에서는 하부플랜지(2)에 필요한 두께에 맞추느라 하부플랜지(2) 이외의 부분은 불필요하게 두꺼운 강판이 적용되는 낭비를 감수하기도 했다. 그러나 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 하부 플레이트(200)의 두께와 재질을 별도로 자유롭게 선택할 수 있음은, 물론 보 길이 전체에 같은 두께의 강판을 사용하는 대신 응력의 크기에 따라 부위별로 두께를 달리하여 필요한 응력에 딱 맞게 대응시킴으로써 경제성을 도모할 수 있다.
이렇게 하부 플레이트(200)가 하측 절곡부(120)로 인하여 양분되지 않고 단일의 강판으로 이루어지므로 도 13에 도시된 것처럼 강선 보강의 위치를 1개부터 3개 이상까지 자유롭게 할 수 있고, 볼트(B) 체결 위치 역시 도 9의 (b)에 도시된 것처럼 1개부터 3개 이상까지 자유롭게 할 수 있다.
도 15는 도 10의 3조각 하이브리드 빔의 치올림을 나타내는 개념도, 도 16은 강선 긴장으로 3조각 하이브리드 빔의 치올림 값을 추가하는 구조계산 예시이다.
한편, 도 15에 도시된 것처럼 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(camber)(C)을 아래의 3가지 방법 중 적어도 어느 하나에 의해 형성할 수 있다.
첫번째는 강선 보강에 의해 치올림(C)을 주는 방법으로서, 치올림(C)을 위해 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 하측홈(120a)의 길이 방향 양단부 내측에 각각 결합하여 프리스트레스를 주기 위한 복수의 단강관(短鋼管)(310)과, 단강관(310)을 관통하는 강연선(320)을 구비한다. 앞서 설명한 것처럼 단강관(310)은 외경 45㎜의 것으로 보 양단 하측홈(120a) 내에 삽입하여 용접 고정될 수 있다.
더욱 구체적으로는 강선보강이 필요한 경우 도 13과 같이 보 양단부 하측홈(120a) 내에 단강관(310)을 삽입하여 용접(W)한다. 필요한 경우 하부 플레이트(200)에도 추가 용접할 수 있다. 단강관(310) 사이에는 강연선(320)을 삽입하고 양단에 강선콘(330)을 삽입한 뒤 유압잭으로 긴장하여 정착하면 치올림(C)이 형성된다. 도 16에는 직경 45㎜의 단강관(310)을 하측홈(120a) 내에 용접 고정하고, 약 15.2㎜ 직경의 7연 강연선(320)을 사용하여 강선보강을 수행하는 경우에 형성되는 치올림(C) 값의 계산근거와 그 결과값인 약 31㎜가 예시되어 있다.
만일 하부 플레이트(200) 강판과 웨브 플레이트(100)의 용접 과정에서 보의 비틀림이 발생한 경우에는 상기한 강선 긴장 공정에서 좌우 강연선(320)의 긴장력을 조절하여 보정한다. 강선보강을 통한 치올림 효과를 극대화하기 위하여 웨브 플레이트(100)를 하부 플레이트(200)에 용접하기 전에 강선보강을 시행할 수도 있다.
두번째 방법으로, 3조각 하이브리드 빔(PTH)의 길이 방향 양단부로부터 중앙부로 갈수록 웨브 플레이트(100)의 높이가 더 작아지도록 하측 절곡부(120)의 길이를 점차 증가시킬 수 있다.
세번째 방법으로, 하부 플레이트(200)와 하측 절곡부(120)의 외측을 용접 결합할 때, 용접열의 수축 효과를 조절함으로써 치올림(camber)(C)이 형성될 수 있다. 즉, 하측 절곡부(120)와 하부 플레이트(200)를 용접하는 과정에서 용접열 사용을 조절하면 시공중 처짐을 상쇄하는 치올림을 확보할 수 있으며 좌우의 용접열 조절을 통해 보의 비틀림 하자도 바로잡을 수 있다.
잘 알려진 것처럼 코일은 밴드강판을 말아(감아)놓은 것이다. 코일 제작 과정에서 제대로 식기 전에 밴드강판을 감게 되므로 부위에 따라 식는 속도가 다르며, 이 때문에 코일을 풀어 길이방향으로 절단하면 좌우 양변의 길이가 달라져 면외(面外) 방향으로 구부러지는 현상이 발생한다. 또한 TSC 제작시 웨브플레이트(3)와 하부플랜지(2)를 용접하는 과정에서 열응력이 발생하여 보 하부가 수축하는 현상 때문에 보의 중앙부에 자연적인 치올림 효과가 생긴다.
보통은 이러한 오차를 감안하여 정확한 직선을 이루도록 보정하기 위해 여러 가지 조치를 취하지만, 본 발명에서는 상기한 자연발생적인 현상을 적극적으로 역이용하여 PTH 합성보의 치올림(C)을 확보하고자 하는 것이다.
TSC Ⅱ와 TSC Ⅳ는 2조각으로 이루어져 있어 용접부위가 1개소이며 그 용접에는 응력이 발생하지 않으므로 용접량도 적다. 즉 용접열이 크지 않으므로 열변형 또한 그다지 크지 않다. 그러나 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 사용시 웨브 플레이트(100)와 하부 플레이트(200) 사이에 큰 응력이 발생하여 용접두께를 두껍게 하여야 하며 용접 개소가 좌우 2개소이므로 TSC Ⅱ, Ⅳ에 비해 용접변형이 크다.
만약 도 13과 같이 TSC Ⅱ나 TSC Ⅳ의 하부플랜지(2)에서 강선긴장을 하면 하부플랜지(2)도 동시에 프리스트레스 되어 치올림 효과가 강선에만 의지하게 되기 때문에 실무에서 필요로 하는 수준의 치올림(C) 값을 얻기 어렵다.
반면 3조각 하이브리드 빔(PTH)의 경우 하부 플레이트(200)를 용접하기 전에 좌우 웨브 플레이트(100)에만 강선긴장 한다면 하부 플레이트(200)가 프리스트레스 되지 않는 상태에서 웨브 플레이트(100)에만 압축력을 가하여 치올림(C)을 하는 것이므로 큰 치올림(C) 효과를 기대할 수 있다. 상기 방법으로 조성한 치올림(C)의 표준 값은 보 길이의 1/300이며 상기 치올림(C) 효과들을 적절히 조합 활용하면 시공시 가설지주를 생략할 수 있다. 가설지주의 생략은 공사비 절감과 공기 단축에 유리하며 건물의 층고가 높을수록 큰 장점으로 작용한다.
도 17은 TSC Ⅱ와 3조각 하이브리드 빔의 단부에 혼치를 추가할 경우를 나타낸 단면도이다. 도 17을 참조하면, 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 길이 방향 양단부에 혼치(haunch)를 형성하기 위하여 하부 플레이트(200) 대신 단면의 높이가 단부로 갈수록 증가하는 U자 형상의 혼치부(400)를 더 포함할 수 있다.
도 17의 (a)와 같이 TSC Ⅱ의 경우, 2조각이어서 하부플랜지(2)가 막혀 있고, 혼치부를 두어 콘크리트를 채워넣기 곤란하다. 하지만, 3조각으로 제작한 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 냉간 성형 과정에서 하부 플레이트(200)가 웨브 플레이트(100)와 일체화되어 있지 않으므로 도 17의 (b)와 같이 혼치부(400)를 하측 절곡부(120) 하부에 용접하여 혼치부(400) 내에 콘크리트가 쉽게 채워지게 된다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 3조각 하이브리드 빔(PTH)의 제조방법에 대해 설명한다. 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 3조각 하이브리드 빔의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 18에 도시된 것처럼 3조각 하이브리드 빔(PTH)의 제조방법은 단계 S110 내지 단계 S150을 포함한다.
먼저 단계 S110에서는 한 쌍의 웨브 플레이트(100)를 서로 이격 배치한다. 앞서 설명한 것처럼 웨브 플레이트(100)는 상단이 내측 또는 외측으로 수평 절곡된 상부플랜지(110)와, 하단이 내측 상방으로 하측홈(120a)을 형성하도록 절곡된 하측 절곡부(120)를 구비하며, 합성보의 측판이 된다.
여기서, 선택적으로 3조각 하이브리드 빔(PTH)의 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(C)을 형성하기 위하여, 웨브 플레이트(100)는, 3조각 하이브리드 빔(PTH)의 길이 방향 양단부로부터 중앙부로 갈수록 웨브 플레이트(100)의 높이가 더 작아지도록 하측 절곡부(120)의 길이를 점차 증가시킬 수 있다.
단계 S120에서는 합성보의 바닥판이 되는 하부 플레이트(200)의 양단을 상기 하측 절곡부(120)의 하측과 용접(W)에 의해 각각 결합한다. 여기서도 3조각 하이브리드 빔(PTH)의 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(C)을 형성하기 위하여, 하부 플레이트(200)와 하측 절곡부(120)의 외측을 용접(W) 결합할 때, 용접열의 수축 효과를 조절하여 치올림(C)을 형성할 수 있다.
단계 S130에서는 프리스트레스를 주기 위한 복수의 단강관(310)을 하측홈(120a)의 길이 방향 양단부 내측에 각각 결합한다.
단계 S140에서는 강연선(320)을 단강관(310)을 관통하여 삽입한다.
마지막으로 단계 S150에서는 단강관(310)의 외측에 돌출된 강연선(320)에 프리스트레스를 주고 강선콘(330)에 의해 고정하여 치올림(C)을 형성한다.
이하에서는 TSC 합성보와 3조각 하이브리드 빔(PTH)의 차이점에 대해 다시 한번 구체적으로 설명한다.
현재 주로 사용중인 U형 합성보는 도 1의 (b)에 도시된 TSC Ⅱ와 도 1의 (d)에 도시된 TSC Ⅳ이며, 20m를 넘는 장스팬이나 특별한 고하중 건물에는 도 1의 (a)에 도시된 TSC I을 사용한다. 본 발명은 TSC Ⅱ와 TSC Ⅳ의 단점을 보완하여 또 다른 형태인 3조각 하이브리드 빔(PTH)로 개량하는데 관련된 것이다.
먼저 PTH의 기초가 된 TSC Ⅱ를 다시 설명하면 다음과 같다.
[TSC Ⅱ]
외형: 도 1의 (b)에 도시된 것처럼 전체적인 단면형상은 U형이며 270㎜ 간격으로 격리된 좌우에 높이가 300-600㎜인 웨브플레이트(3) 상단에 수평방향 외향으로 90㎜ 폭의 상부플랜지(1)가 돌출된다. 폭이 135㎜인 하부플랜지(2)는 웨브플레이트(3) 하단에서 수평 내향으로 접혔고 그 끝에는 상부로 접어올린 돌기(4)가 형성되는데 이들 좌우 돌기가 마주하여 형성되는 골 하부를 연속 용접하여 접합한 형태이다. 보의 전체 폭은 270㎜ + (코일두께) × 2이다. 여타의 TSC I, Ⅲ, Ⅳ에 비교하였을 때 TSC Ⅱ는 상부 플랜지(1)가 바깥쪽을 향하는 것을 특징으로 한다.
TSC Ⅱ는 바깥쪽으로 구부러진 상부 플랜지에 데크를 걸치기 쉽고 상부철근 배근이 용이하다는 장점이 있는 반면 몇 가지 제약사항이 있다.
첫째로는 국내 냉간 성형설비의 제작능력 한계 때문에 TSC Ⅱ 제작에 사용될 수 있는 코일 두께는 6㎜~10㎜, 보의 최대 높이는 500㎜로 제한된다. 상기 제약조건으로 인하여 TSC Ⅱ 보의 최대 스팬은 약 15m(고하중시 12m이하) 정도이다.
둘째로는 상부 플랜지가 바깥을 향하는 형상 때문에 H-300 SRC기둥 웨브플레이트 내법치수에 맞추어 270㎜ 폭으로 제작한 TSC Ⅱ 합성보의 상부플랜지를 포함하는 총 외곽폭이 450㎜에 달하므로 SRC기둥 폭이 최소 800㎜ 이상이어야만 기둥에서 반대편 보와 연속시키고 후속 철근콘크리트 공사가 가능하다(도 3 참조).
상기한 두 가지 제약사항 때문에 TSC Ⅱ는 고유의 여러 가지 장점들에도 불구하고 주로 아파트형 공장, 물류센터, 민자역사 등 고하중의 대형 건물에 적용되었고 소규모 경량하중의 건물에는 가격경쟁력을 갖지 못하였다.
반면, TSC Ⅱ를 개선한 본 발명의 3조각 하이브리드 빔(PTH)은 다음과 같다.
[PTH]
외형; 도 10 및 도 12에 도시된 것처럼 3조각 하이브리드 빔(PTH)의 표준 폭은 300㎜이고 두께가 4.5㎜ 이상인 고강도 강판 하부 플레이트(200)의 중앙에 좌우 수직으로 두께가 4.5~10㎜이고 높이가 300~600㎜인 웨브 플레이트(100)가 폭 290㎜로 격리되고 폭이 80㎜인 상부플랜지(110)가 웨브 플레이트(100) 상단에서 각각 외부로 돌출된다.
웨브 플레이트(100) 높이가 600㎜를 초과할 경우에는 하부 플레이트(200)의 폭을 300㎜ 이상으로 조정할 수 있다.
좌우 웨브 플레이트(100) 하단에는 하측홈(120a)이 형성되도록 절곡된 하측 절곡부(120)를 구비한다. 하측홈(120a)은 필요에 따라 도 10의 (a)에 도시된 것처럼 후술할 단강관(310)이 삽입되도록 단강관(310)의 외주면에 대응되는 형상인 곡면으로 형성될 수도 있고, 도 10의 (b)에 도시된 것처럼 예각을 이루는 V자 형상의 홈일 수도 있다.
냉간 성형이 유리한 부분인 웨브 플레이트(100)만 냉간 성형 방식으로 제작하고 하부 플레이트(200)는 별도로 분리하여 제작하는 본 발명은 TSC Ⅱ, TSC Ⅳ를 포함하는 여타의 냉간 성형식 합성보들에 비하여 여러 가지 장점이 있다.
첫째, 전체를 단일의 코일로 성형하는 기존 합성보에서는 냉간 성형용 코일의 제한된 폭에서 하부플랜지(2)에 할애해야만 했던 부분만큼을 본 발명에서는 보의 높이를 늘리는 데 활용할 수 있어 과거에는 냉간 성형 방식으로 제작이 곤란했던 700㎜, 800㎜ 이상의 높이를 가진 보를 대량생산 할 수 있다.
둘째, 합성보에서 가장 큰 내력이 필요한 부분은 하부플랜지(2)이고 웨브 플레이트(3)나 상부플랜지(1)는 상대적으로 필요 내력이 작은데 기존의 TSC Ⅱ, TSC Ⅳ는 전체를 한번에 성형하므로 하부플랜지(2)에 필요한 내력에 맞추어 코일의 두께가 결정되므로 전체적으로 자재가 과잉투입되는 경향이 있었다. 그 대신 큰 내력을 요하는 하부플랜지(2)를 별도로 분리제작한다면 하부플랜지(2)는 냉간성형 설비에는 투입할 수 없는 고강도 판재를 활용하여 내력을 충분히 확보하되 상부플랜지(1)와 웨브 플레이트(2)는 강종을 저렴한 일반강재로 하거나 두께를 줄임으로써 자재 물량을 절감하고 코일 규격 허용치가 비교적 떨어지는 기존의 냉간 성형 설비들을 계속적으로 활용할 수 있다.
이에, 본 발명에서는 얇은 코일을 사용하여 보의 웨브 플레이트(100)만 일체로 냉간 성형하고, 하부 플레이트(200)는 필요에 따라 상기한 냉간 성형 제작 부위와 두께 및 강종을 달리하는 고강도 강판을 사용한다. 하부 플레이트(200) 부분은 냉간성형 하지 않기 때문에 코일로는 생산되지 않는 다양한 두께와 강도의 고강도 강판을 사용할 수 있다. 즉, 하부 플레이트(200)에 별도의 고강도 강판을 이용하고 총 3조각으로 나누어 구성함으로써 종래의 2조각 형태로는 국내 냉간 성형설비로 제작이 불가능했던 800㎜ 높이의 합성보를 제작할 수 있게 된다.
이렇게, 본 발명이 제시하는 3조각 하이브리드빔은 소재(코일)의 특성을 살리고 제조공정상 불가피한 용접열에 의한 변형을 적극적으로 활용하며 강선 긴장 등 pre-stressing이 가장 큰 효과를 발휘할 수 있도록 단면 형상과 제작 공정을 최적화한 새로운 형태의 합성보로서 기존의 여타 합성보 제품들은 물론 TSC로도 불가능했던 고하중에 대응하는 장경간에 대응하고 시공시 가설지주를 생략함으로써 시공성을 높이고 공사비를 절감할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100...웨브 플레이트 110...상부플랜지
120...하측 절곡부 200...하부 플레이트
310...단강관 320...강연선
400...혼치부

Claims (10)

  1. 상단이 내측 또는 외측으로 수평 절곡된 상부플랜지와, 하단이 내측 상방으로 하측홈을 형성하도록 절곡된 하측 절곡부를 구비하며, 합성보의 측판이 되도록 서로 이격되어 배치되는 한 쌍의 웨브 플레이트(web plate); 및
    합성보의 바닥판이 되도록 상기 웨브 플레이트들의 하측에서 양단이 상기 하측 절곡부의 하측과 용접에 의해 각각 결합하는 하부 플레이트(lower plate)를 포함하는 3조각 하이브리드 빔.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 플레이트는,
    양단이 종단면상 상기 웨브 플레이트보다 각각 3 ~ 7㎜의 범위에서 더 돌출되게 구비되는 것을 특징으로 하는 3조각 하이브리드 빔.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 웨브 플레이트는 일반 형강이고, 상기 하부 플레이트는 고강도 강판이며,
    상기 웨브 플레이트의 높이가 300 ~ 600㎜의 범위일 때, 상기 하부 플레이트의 폭은 280 ~ 300㎜의 범위이고,
    상기 웨브 플레이트의 높이가 600 ~ 1300㎜의 범위일 때, 상기 하부 플레이트의 폭은 290 ~ 700㎜의 범위인 것을 특징으로 하는 3조각 하이브리드 빔.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(camber)을 형성하기 위하여,
    상기 하측홈의 길이 방향 양단부 내측에 각각 결합하여 프리스트레스를 주기 위한 복수의 단강관(短鋼管)과, 상기 단강관을 관통하는 강연선을 더 포함하되,
    상기 하측홈은 상기 단강관의 외주면에 대응되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 3조각 하이브리드 빔.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(camber)을 형성하기 위하여,
    상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 양단부로부터 중앙부로 갈수록 웨브 플레이트의 높이가 더 작아지도록 상기 하측 절곡부의 길이를 점차 증가시키는 것을 특징으로 하는 3조각 하이브리드 빔.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 플레이트와 상기 하측 절곡부의 외측을 용접 결합할 때, 용접열의 수축 효과를 조절함으로써 상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(camber)이 형성된 것을 특징으로 하는 3조각 하이브리드 빔.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 양단부에는,
    혼치(haunch)를 형성하기 위하여 상기 하부 플레이트 대신 단면의 높이가 단부로 갈수록 증가하는 U자 형상의 혼치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3조각 하이브리드 빔.
  8. 상단이 내측 또는 외측으로 수평 절곡된 상부플랜지와, 하단이 내측 상방으로 하측홈을 형성하도록 절곡된 하측 절곡부를 구비하며, 합성보의 측판이 되는 한 쌍의 웨브 플레이트를 서로 이격 배치하는 단계; 및
    합성보의 바닥판이 되는 하부 플레이트의 양단을 상기 하측 절곡부의 하측과 용접에 의해 각각 결합하는 단계를 포함하는 3조각 하이브리드 빔의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(camber)을 형성하기 위하여,
    상기 웨브 플레이트는, 상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 양단부로부터 중앙부로 갈수록 웨브 플레이트의 높이가 더 작아지도록 상기 하측 절곡부의 길이를 점차 증가시키고,
    상기 용접에 의해 각각 결합하는 단계에서는, 상기 하부 플레이트와 상기 하측 절곡부의 외측을 용접 결합할 때, 용접열의 수축 효과를 조절하여 치올림을 형성하는 것을 특징으로 하는 3조각 하이브리드 빔의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 3조각 하이브리드 빔의 길이 방향 중앙부가 상향으로 활처럼 구부러지는 치올림(camber)을 형성하기 위하여,
    상기 용접에 의해 각각 결합하는 단계 이후에,
    프리스트레스를 주기 위한 복수의 단강관(短鋼管)을 상기 하측홈의 길이 방향 양단부 내측에 각각 결합하는 단계;
    강연선을 상기 단강관을 관통하여 삽입하는 단계; 및
    상기 단강관의 외측에 돌출된 강연선에 프리스트레스를 주고 강선콘에 의해 고정하여 치올림을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3조각 하이브리드 빔의 제조방법.
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