KR20190036825A - 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모멘트와 수평력이 크게 작용하는 상부를 보강한 복합말뚝에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PHC 파일을 사용하되 휨모멘트와 수평력이 크게 작용하는 말뚝 상부를 강판과 콘크리트로 보강하여 복합말뚝으로 구성한 것이다.
본 발명의 적절한 실시형태에 따른 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝은 중공을 갖는 PHC 말뚝; PHC 말뚝의 외경과 같은 직경을 갖는 강판으로 구성되고 주입구멍이 천공되며 PHC 말뚝의 상단을 폐쇄하는 상부 덮개판; 강판으로 구성되어 상부 덮개판의 하면에 일단이 결합되는 보강강판; PHC 말뚝의 내경과 같은 직경을 갖는 강판으로 구성되어 보강강판의 타단에 결합되어 PHC 말뚝 중공을 폐쇄하는 하부 마감판; 및 상부 덮개판의 주입구멍으로 주입되어 상부 덮개판과 하부 마감판 사이의 PHC 말뚝 상부에 타설 양생되는 보강 콘크리트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝{Composite pile reinforced with steel plate assembly and concrete}

본 발명은 모멘트와 수평력이 크게 작용하는 상부를 보강한 복합말뚝에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PHC 파일을 사용하되 휨모멘트와 수평력이 크게 작용하는 말뚝 상부를 강판과 콘크리트로 보강하여 복합말뚝으로 구성한 것이다.

지중에 설치되는 말뚝은 재하하중, 지반상태, 기초결합조건에 따라 편차가 있지만 대부분 말뚝 상부에서 휨모멘트가 크게 작용하고 말뚝 하부로 내려가면 수직력이 지배적이다. 복합말뚝은 이러한 말뚝의 거동을 고려하여 휨모멘트가 큰 말뚝 상부와 수직력이 지배적인 말뚝 하부를 다른 재질로 구성하여 말뚝의 구조적 안정성을 확보하면서 경제성을 향상시킨 것이다.

대표적인 복합말뚝으로는 서로 다른 이종의 말뚝 즉, 강관과 PHC 파일을 결합하여 말뚝 두부에 가해지는 큰 휨과 수평력에 대해서는 강관말뚝이, 압축력(수직력)에 대해서는 PHC 말뚝이 저항하는 구조를 취한다. 강관과 PHC 파일의 연결부 방식에 따라 복합말뚝의 공법이 분류되고 특화제품화하고 있는 실정이며, 이질재료의 결합을 위한 이음작업이 어렵고 고가의 접합장치가 필요하다는 점이 단점으로 지적되고 있다.

또한, 이질재료의 결합으로 결합부에 응력집중시 취약하다는 단점이 있으며 상부의 강관과 PHC 파일의 결합한 이후 말뚝 시공작업을 해야하기 때문에 지반조건 변화에 따른 대응이 어렵고 설계에 맞춰 시공하기 위해서 철저한 시공관리가 필요하다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 특허등록 제10-1683613호‘횡방향 유격 억제 및 용이한 센터링 작업이 가능하게 만드는 PHC 말뚝-강관말뚝 결합용 접합 연결구에 의하여 PHC 말뚝-강관말뚝이 일체화된 복합말뚝'이 있다. 이 특허는 PHC 말뚝의 중심과 강관말뚝의 중심이 일치되게 만드는 센터링 작업을 위한 접합연결구과 이를 이용한 복합말뚝을 제안한다. 이 특허에 의한 복합말뚝은 강관말뚝이 접합연결구의 돌기판에 강하게 밀착시키면서 고정되므로, 강관말뚝이 접합연결구에 끼워진 상태에서 횡방향으로 변위되는 것이 방지되어 작용 휨모멘트 증가 및 그에 따른 구조적 불안정 상태 발생과 파괴의 발생을 예방할 수 있는 장점이 있다.

그러나 이 특허에 의한 복합말뚝은 고가의 접합연결구가 필요하며 상부 강관말뚝의 사용으로 과대한 강재량이 소요되고, 미리 강관말뚝과 PHC 파일이 결합된 후 현장에서 말뚝시공이 가능하므로 지반조건 변화에 따른 대응이 어려운 단점이 있다.

특허등록 제10-1683613호‘횡방향 유격 억제 및 용이한 센터링 작업이 가능하게 만드는 PHC 말뚝-강관말뚝 결합용 접합 연결구에 의하여 PHC 말뚝-강관말뚝이 일체화된 복합말뚝'

본 발명은 상술한 종래기술이 가지는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 적은 강재량을 사용하고 별도의 접합장치가 필요없는 복합말뚝을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 지반조건 변화에 따른 대응이 수월하도록 PHC 파일을 이용하되 현장에서 복합말뚝으로 변환될 수 있는 것을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 적절한 실시형태에 따른 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝은 중공을 갖는 PHC 말뚝; PHC 말뚝의 외경과 같은 직경을 갖는 강판으로 구성되고 주입구멍이 천공되며 PHC 말뚝의 상단을 폐쇄하는 상부 덮개판; 강판으로 구성되어 상부 덮개판의 하면에 일단이 결합되는 보강강판; PHC 말뚝의 내경과 같은 직경을 갖는 강판으로 구성되어 보강강판의 타단에 결합되어 PHC 말뚝 중공을 폐쇄하는 하부 마감판; 및 상부 덮개판의 주입구멍으로 주입되어 상부 덮개판과 하부 마감판 사이의 PHC 말뚝 상부에 타설 양생되는 보강 콘크리트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 보강강판은, PHC 말뚝의 내경과 같은 폭을 갖는 한 개의 강판으로 구성될 수 있다.

또는, 보강강판은, PHC 말뚝의 내경과 같은 폭을 갖는 제1 강판과, 제1 강판의 양면에 제1 강판에 수직하도록 결합되는 십자형 강판으로 구성되어 십자형 단면을 갖을 수 있다.

또는, 보강강판은, 3개의 날개강판이 일단은 서로를 연결하도록 결합되고 타단을 PHC 말뚝에 면접하도록 구성되어 ㅅ자형 단면을 갖을 수 있다.

한편, PHC 말뚝의 길이방향에 수직하게 보강강판으로부터 돌출되도록 결합된 다수개의 스터드볼트를 더 포함할 수 있다.

여기서, PHC 말뚝의 길이방향에 평행하도록 보강강판에 결합되는 보강철근을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 PHC 파일을 사용하되 휨모멘트와 수평력이 큰 말뚝 상부를 PHC 파일 중공에 강판과 콘크리트로 보강하여 복합말뚝으로 구성하므로 기존의 복합말뚝과는 다르게 강관을 사용하지 않아 별도의 접합장치가 필요하지 않고 적은 강재 사용으로 말뚝 횡방향 휨모멘트를 향상시킬 수 있어 수평력에 대한 저항성능을 향상 말뚝의 구조적 안정성을 확보하면서 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 매우 간단한 구조로 구성되어 보강강판의 길이를 조절하여 다양한 경우에 대하여 손쉽게 대응할 수 있으며, 일반적인 PHC 파일을 이용하여 현장에서 복합말뚝으로 변환 가능하므로 지반조건 변화에 따른 대응이 수월한 효과가 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝의 분해사시도이고 도 2는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝이 적용된 확대기초의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝의 일부 사시도이다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝의 분해사시도이고 도 2는 단면도이다.

본 실시예는 중공(s)을 갖는 PHC 말뚝(10), PHC 말뚝(10)의 외경과 같은 직경을 갖는 강판으로 PHC 말뚝(10)의 상단을 폐쇄하는 상부 덮개판(20), 강판으로 구성되어 상부 덮개판(20)의 하면에 일단이 결합되는 보강강판(30), PHC 말뚝(10)의 내경과 같은 직경을 갖는 강판으로 구성되어 보강강판(30)의 타단에 결합되어 PHC 말뚝(10) 중공을 폐쇄하는 하부 마감판(40), 및 상부 덮개판(20)과 하부 마감판(40) 사이에 타설 양생되는 보강 콘크리트(50)를 포함하여 구성된다.

PHC 말뚝(10)은 단면 중심부에 길이 축을 따라 중공(s)이 형성된 기성제품으로 KS F 4306에서는 프리텐션 방식 원심력 고강도 콘크리트 말뚝(Pretensioned spum High strength Concrete Pile)으로 정의하고 있으며, 일반 콘크리트, 초고성능 콘크리트(UHPC), 섬유보강 콘크리트(FRC)등 다양한 공지의 재료로 형성될 수 있다.

상부 덮개판(20)은 원형의 강판으로 구성되어 PHC 말뚝(10)의 상단을 폐쇄하는 것으로, 직경은 PHC 말뚝(10)의 외경과 동일하거나 더 크게 구성할 수 있다. 더 크게 구성한 경우 PHC 말뚝(10)의 외측 부분에 확대기초와의 강결합을 위한 수직철근을 고정시킬 수 있다.

상부 덮개판(20)에는 보강 콘크리트(50)의 주입을 위하여 주입구멍(21)이 천공된다. 도면에는 7개의 주입구멍이 천공된 것으로 도시되었으나 그 숫자는 콘크리트 타설 공간당 적어도 2개 이상(주입구, 배출구)이면 된다.

한편, 상부 덮개판(20)의 주입구멍(21) 일부는 확대기초 주철근(수직철근)의 단부 정착을 위한 철근 주입구로 활용될 수 있어 일체화 도모에 기여할 수 있다.

보강강판(30)의 길이 즉, 상부 덮개판(20)과 하부 마감판(40) 사이의 거리, 다시 말해 파일 상부 보강구간은 구조설계에 따라 결정된다. 구조해석에 의해 휨모멘트가 크게 작용하는 보강대상 길이를 계산하여 이에 따라 보강강판(30) 길이가 결정된다. 보강강판(30)의 폭은 PHC 말뚝(10)의 내경과 동일하도록 도시하고 있으나 더 작게 구성될 수도 있다. 본 실시예에서 보강판(30)은 십자형 단면을 갖도록 구성되는데 이에 대해서는 이후 다른 도면으로 자세히 설명하기로 한다.

보강강판(30)은 보강 콘크리트(50)와 함께 SRC 구조로 합성되어 말뚝의 상부를 보강하여 수평력에 대한 저항성능을 향상시킨다.

보강판(30)에는 PHC 말뚝(10)의 길이방향에 수직하도록 보강강판(30)으로부터 돌출되는 스터드볼트(30a)가 다수개 설치되어 보강판(30)과 보강 콘크리트(50)의 일체화를 도모하는 것이 바람직하다.

하부 마감판(40)은 PHC 말뚝(10)의 내경과 같은 직경을 갖는 강판으로 구성되어 PHC 말뚝(10)의 중공을 폐쇄하여 보강 콘크리트(50)의 거푸집으로 역할한다.

보강 콘크리트(50)는 상부 덮개판(20)의 주입구멍(21)으로 주입되어 상부 덮개판(20)과 하부 마감판(40) 사이에 타설 양생된다. 보강 콘크리트(50)는 보강강판(30)과 함께 SRC 구조로 합성되어 말뚝의 상부를 보강하여 수평력에 대한 저항성능을 향상시킨다.

지중에 설치되는 말뚝은 말뚝 상부에서 휨 모멘트가 크게 작용하고 말뚝 하부로 내려가면 수직력이 지배적이므로 본 발명에 따른 복합말뚝은 이러한 말뚝의 거동을 고려하여 PHC 파일을 사용하되 휨모멘트와 수평력이 큰 말뚝 상부를 PHC 파일 중공에 강판과 콘크리트로 보강하여 복합말뚝으로 구성하였다.

도 3은 본 발명에 따른 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝이 적용된 확대기초의 모식도이다.

본 발명에 따른 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝은 도 3에 도시된 바와 같이 큰 수평력이 발생하는 확대기초에 적용되거나 교각(미도시)에 적용될 수 있다.

상, 하단에 각각 상부 덮개판(20)과 하부 마감판(40)이 용접 등의 공지의 방법으로 설치된 보강판(30)을 PHC 말뚝(10) 상단 중공에 삽입하면 상부 덮개판(20)이 PHC 말뚝(10)의 상단을 걸침 폐쇄하여 임시 고정되고, 이후 보강 콘크리트(50)를 타설하여 일체화하면 별도의 접합장치나 결합단계가 없이 복합말뚝으로 구성된다.

기존의 복합말뚝과는 다르게 강관을 사용하지 않으므로 별도의 접합장치가 필요하지 않고 적은 강재 사용으로 말뚝 횡방향 휨모멘트를 향상시킬 수 있어 말뚝의 구조적 안정성을 확보하면서 경제성을 향상시킨 것이다.

보강강판(30)의 길이 즉, 상부 덮개판(20)과 하부 마감판(40) 사이의 거리, 다시 말해 파일 두부 보강구간은 구조설계에 따라 결정된다. 본 발명에 따른 복합말뚝은 매우 간단한 구조로 구성되므로 보강강판(30)의 길이를 조절하여 다양한 경우에 대하여 손쉽게 대응할 수 있다.

본 발명에 따른 복합말뚝은 사전 제작되어 현장에서 파일시공에 적용될 수 있으나 일반 PHC 말뚝시공과 동일하게 먼저 PHC 말뚝(10)의 지반내로 시공 완료 후 상부 덮개판(20)과 하부 마감판(40)이 설치된 보강강판(30)을 PHC 말뚝(10) 상단 중공에 삽입하고 보강 콘크리트(50)를 타설하여 복합말뚝으로 구성될 수 있다.

이는 일반적인 PHC 파일을 이용하여 현장에서 복합말뚝으로 변환 가능하도록 고안된 것으로 기존의 복합말뚝은 사전제작 후 현장에서 말뚝 시공을 해야하기 때문에 지반조건 변화에 따른 대응이 어려운 반면 본 발명에 따른 복합말뚝은 지반조건 변화에 따른 대응이 수월한 장점이 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝의 단면도이다.

본 발명의 보강판(30)은 다양한 단면을 갖도록 구성될 수 있는 것으로 강종, 두께, 형상은 모두 구조설계에서 결정된다. 앞선 실시예에서는 도 4a에 도시된 바와 PHC 말뚝(10)의 내경과 같은 폭을 갖는 제1의 강판(31)과, 제1의 강판(31)의 양면에 제1의 강판(31)에 수직하도록 결합되는 십자형 강판(32)으로 구성되어 십자형 단면을 갖도록 구성될 수 있으며 또는 도 4b에 도시된 바와 같이 PHC 말뚝(10)의 내경과 같은 폭을 갖는 한 개의 강판으로 구성되거나, 도 4c에 도시된 바와 같이 3개의 날개강판(33)이 일단은 서로를 연결하도록 결합되고 타단을 PHC 말뚝(10)에 면접하도록 구성되어 ㅅ자형 단면을 갖을 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝의 일부 사시도이다.

앞선 실시예에서는 보강판(30)에 보강강판(30)으로부터 PHC 말뚝(10)의 길이방향에 수직하게 돌출되는 스터드볼트(30a)가 설치되어 보강판(30)과 보강 콘크리트(50)의 일체화를 도모하였으나 본 실시예는 PHC 말뚝(10)의 길이방향에 평행하도록 보강강판(30)에 결합되는 보강철근(32)이 구성되어 전단연결재로서 보강 콘크리트(50)의 일체화를 도모함과 동시에 말뚝 두부 보강구간의 강성을 증대시킨다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, PHC 파일을 사용하되 휨모멘트와 수평력이 큰 말뚝 상부를 PHC 파일 중공에 강판과 콘크리트로 보강하여 복합말뚝으로 구성하여 기존의 복합말뚝과는 다르게 강관을 사용하지 않으므로 별도의 접합장치가 필요하지 않고 적은 강재 사용으로 말뚝 횡방향 휨모멘트를 향상시킬 수 있어 말뚝의 구조적 안정성을 확보하면서 경제성을 향상시킬 수 있다.

또한, 매우 간단한 구조로 구성되어 보강강판의 길이를 조절하여 다양한 경우에 대하여 손쉽게 대응할 수 있으며, 일반적인 PHC 파일을 이용하여 현장에서 복합말뚝으로 변환 가능하므로 지반조건 변화에 따른 대응이 수월한 장점이 있다.

지금까지 본 발명은 제시된 실시예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

10 : PHC 말뚝
20 : 상부 덮개판
30 : 보강강판
40 : 하부 마감판
50 : 보강 콘크리트

Claims (6)

1. 중공을 갖는 PHC 말뚝(10);
   PHC 말뚝(10)의 외경과 같은 직경을 갖는 강판으로 구성되고 주입구멍(21)이 천공되며 PHC 말뚝(10)의 상단을 폐쇄하는 상부 덮개판(20);
   강판으로 구성되어 상부 덮개판(20)의 하면에 일단이 결합되는 보강강판(30);
   PHC 말뚝(10)의 내경과 같은 직경을 갖는 강판으로 구성되어 보강강판(30)의 타단에 결합되어 PHC 말뚝(10) 중공을 폐쇄하는 하부 마감판(40); 및
   상부 덮개판(20)의 주입구멍(21)으로 주입되어 상부 덮개판(20)과 하부 마감판(40) 사이의 PHC 말뚝(10) 상부에 타설 양생되는 보강 콘크리트(50);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝.
2. 제1항에 있어서,
   보강강판(30)은,
   PHC 말뚝(10)의 내경과 같은 폭을 갖는 한 개의 강판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝.
3. 제1항에 있어서,
   보강강판(30)은,
   PHC 말뚝(10)의 내경과 같은 폭을 갖는 제1 강판(31)과, 제1 강판(31)의 양면에 제1 강판(31)에 수직하도록 결합되는 십자형 강판(32)으로 구성되어 십자형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝.
4. 제1항에 있어서,
   보강강판(30)은,
   3개의 날개강판(33)이 일단은 서로를 연결하도록 결합되고 타단을 PHC 말뚝(10)에 면접하도록 구성되어 ㅅ자형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝.
5. 제1항에 있어서,
   PHC 말뚝(10)의 길이방향에 수직하게 보강강판(30)으로부터 돌출되도록 결합된 다수개의 스터드볼트(30a)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝.
6. 제1항에 있어서,
   PHC 말뚝(10)의 길이방향에 평행하도록 보강강판(30)에 결합되는 보강철근(30b)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강판과 콘크리트로 상부가 보강된 복합말뚝.

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