KR20200104529A - 철근콘크리트 구조물의 슬래브-기둥 접합부 전단보강구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철근콘크리트 구조물의 기둥과 슬래브가 접합되는 부위에 있어 전단파괴에 대한 저항력을 증대시키기 위해 전단보강재로 보강한 슬래브-기둥 접합부의 전단보강구조에 관한 것으로, 트러스형으로 제작된 전단보강재를 사용함으로써 슬래브-기둥 접합부의 강도와 연성을 증진시킬 수 있도록 할 뿐 아니라 균열면에 수직으로 교차하는 보강재의 수를 늘려 보강성능을 향상시킨 슬래브-기둥 접합부 전단보강구조에 관한 것이다.
본 발명이 적절한 실시형태에 따르면, 철근콘크리트 구조물의 기둥과 슬래브가 접합되는 부위에 있어 전단파괴에 대한 저항력을 증대시키기 위해 전단보강재로 보강한 슬래브-기둥 접합부의 전단보강구조에 있어서, 전단보강재는, 파형으로 절곡된 제1 복부재와, 제1 복부재와 90도의 위상차를 가진 파형으로 절곡된 제2 복부재와, 제1,2 복부재의 하부에 결합된 하현재와, 제1,2 복부재의 상부에 결합된 상현재를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 슬래브-기둥 접합부 전단보강구조가 제공된다.

Description

철근콘크리트 구조물의 슬래브-기둥 접합부 전단보강구조{Shearing force reinforcement structure of slab-column joint in reinfoced concrete construction}

본 발명은 철근콘크리트 구조물의 기둥과 플랫 플레이트 슬래브가 접합되는 부위에 있어 전단파괴에 대한 저항력을 증대시키기 위해 전단보강재로 보강한 슬래브-기둥 접합부의 전단보강구조에 관한 것으로, 트러스형으로 제작된 전단보강재를 사용함으로써 슬래브-기둥 접합부의 강도와 연성을 증진시킬 수 있도록 할 뿐 아니라 균열면에 수직으로 교차하는 보강재의 수를 늘려 보강성능을 향상시킨 슬래브-기둥 접합부 전단보강구조에 관한 것이다.

평행한 면을 형성하여 활동공간을 주는 슬래브에서 단변에 대한 장변의 비가 2배를 넘지 않아 슬래브 위에 작용하는 하중을 양방향으로 휘면서 전달하는 슬래브를 2방향 슬래브라고 한다.

가장 일반적인 2방향 슬래브로는 2방향 보로 보강된 슬래브, 플랫 플레이트, 플랫 슬래브, 워플 슬래브 등이 있다. 플랫 플레이트는 기둥이 직접적으로 슬래브를 지지하는 2방향 슬래브를 말하는데, 그 사용의 근본적인 제한은 기둥 둘레의 전단이 문제이다.

플랫 플레이트에 있어서 전단내력을 키우기 위한 방법으로는 전체 패널에 걸쳐 슬래브의 두께를 두껍게 하는 방법, 기둥 머리에 지판(drop panel)을 배치하는 방법, 기둥의 크기를 증가시키거나 기둥머리(capital)를 배치하는 방법, 전단보강철근을 배치하는 방법 등이 있다.

기둥 주위에 지판(drop panel)이나 주두(capital)를 설치하는 방식이 가장 통상적으로 사용되고 있는데, 지판이나 주두를 설치함으로써 단면의 확대를 통하여 전단 내력을 증대시킬 수는 있으나, 이러한 지판이나 주두의 형성을 위한 거푸집의 제작이 번거로울 뿐 아니라 보강 성능의 측면에서도 그다지 효과적이지 못하다는 문제가 있다.

한편, 플랫 플레이트에 있어서 전단내력을 키우기 위한 방법으로 상기한 방법 이외에 스터럽을 사용하는 방식, 구조용 강재로 만든 전단머리를 설치하는 방식, 평평한 강재바에 스터드를 용접해서 만든 전단 스터드를 이용하는 방식 등이 있다.

스터럽을 이용하는 방식은 현재 시공 현장에서 가장 널리 사용되고 있는 방식으로서, 도 6(a)에 도시된 바와 같이 기둥-슬래브 접합부를 가로질러 배치된 상, 하부 슬래브 철근에 스터럽(전단철근)을 감아 이것이 전단 내력을 보강하도록하는 방식이다. 이 방식은 두께가 얇은 슬래브에는 적용하기에 어려움이 있으며, 나아가 다수의 스터럽을 결속함에 따라 현장에서의 공정이 많아지므로 시공성이 상대적으로 떨어진다는 문제점이 지적되고 있다.

전단 머리를 설치하는 방식은 도 6(b)에 도시된 바와 같이 H형강 또는 채널을 종, 횡으로 접합하여 전단보강재를 井자형으로 구성하고 이를 기둥과 슬래브의 접합부에 설치함으로써 전단력에 대한 내력을 분담하도록 하는 방식이다. 그러나 이 방식의 경우 형강재의 사용에 따라 필요 이상의 강재가 소요됨은 물론 건물의 자중이 증가되고, 설치된 전단보강재에 의해 슬래브 및 기둥 철근이 단절될 수 있어 구조상 불리한 영향이 있을 수 있으며, 아울러 콘크리트의 타설시에는 밀실한 충전이 이루어질 수 있도록 세심한 주의가 필요하다는 단점이 있다.

전단 스터드(stud)를 설치하는 방식은 도 6(c)에 도시된 바와 같이 스트립(strip)의 형태로 가공된 평철판의 상부에 다수의 스터드 볼트를 용접한 것을 조립하여 전단보강재를 구성하고 이를 기둥과 슬래브가 접합되는 부위에 설치함으로써 전단 내력이 보강되도록 하는 방식이다. 이 방식은 다수개의 스터드 볼트에 대한 용접 작업을 필요로 하므로 제작상의 번거로움이 있다는 문제점을 가지고 있다.

나아가 이러한 종래의 보강 방안들이 가지는 단점을 해소하기 위한 선행발명으로 특허등록 제10-0976184호가 제안되었다. 이 특허에서 제시하는 나선형 전단보강체는, 길이방향을 따라 나선으로 굽어지는 것으로 너비보다 높이가 크면서 너비 방향으로 원호를 그리는 장방형 타원 나선으로 형성된 나선근; 상기 나선근의 길이방향을 따라 나선근의 상부 고점 또는 나선근의 일 측면 상부에 내접하게 배치되어 접합된 1본의 상부근; 상기 나선근의 길이방향을 따라 나선근의 하부 저점 또는 나선근의 타측면 하부에 내접하게 배치되어 접합된 1본의 하부근으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 그러나 이 특허에서 제안하는 전단보강체 또한 제작상의 번거로움을 피할 수 없다는 단점이 있다.

따라서, 전술한 방식들과 같은 접합부 보강 방안들이 가지는 단점들을 해결함과 동시에 시공성과 경제성을 확보하면서 접합부의 구조 성능(강도 및 연성도)을 증진시킬 수 있는 보강 방안의 개발이 요구된다.

특허등록 제10-0976184호 '나선형 전단보강체 및 이를 이용한 슬래브 철근의 배근구조(2010. 2. 10. 출원, 2010. 8. 10. 등록)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술들에 대한 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명은 간편한 시공에 의하여 철근콘크리트 구조물의 플랫 플레이트 슬래브-기둥 접합부의 강도와 연성을 효과적으로 증대시킬 수 있으며, 특히 접합부의 구조 성능으로서 매우 중요한 연성면에서 우수한 성능을 발휘할 수 있고, 균열면에 수직으로 교차하는 보강재의 수를 늘려 보강성능을 향상시킨 슬래브-기둥 접합부 전단보강구조를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

본 발명이 적절한 실시형태에 따르면, 철근콘크리트 구조물의 기둥과 슬래브가 접합되는 부위에 있어 전단파괴에 대한 저항력을 증대시키기 위해 전단보강재로 보강한 슬래브-기둥 접합부의 전단보강구조에 있어서, 전단보강재는, 파형으로 절곡된 제1 복부재와, 제1 복부재와 90도의 위상차를 가진 파형으로 절곡된 제2 복부재와, 제1,2 복부재의 하부에 결합된 하현재와, 제1,2 복부재의 상부에 결합된 상현재를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 슬래브-기둥 접합부 전단보강구조가 제공된다.

본 발명의 다른 적절한 실시형태에 따르면, 철근콘크리트 구조물의 기둥과 슬래브가 접합되는 부위에 있어 전단파괴에 대한 저항력을 증대시키기 위해 전단보강재로 보강한 슬래브-기둥 접합부의 전단보강구조에 있어서, 전단보강재는, 파형으로 절곡된 복부재와, 복부재의 하부에 결합된 하현재와, 복부재의 상부에 결합된 상현재를 포함하는 한 쌍의 전단보강재로 구성하되, 한 쌍의 전단보강재의 복부재가 서로 직교하도록 한 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 슬래브-기둥 접합부 전단보강구조가 제공된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시형태에 따르면, 철근콘크리트 구조물의 기둥과 슬래브가 접합되는 부위에 있어 전단파괴에 대한 저항력을 증대시키기 위해 전단보강재로 보강한 슬래브-기둥 접합부의 전단보강구조에 있어서, 전단보강재는, 파형으로 절곡된 제1 복부재와, 제1 복부재와 90도의 위상차를 가진 파형으로 절곡되며 그 상부는 제1 복부재와 근접하고 그 하부는 제1 복부재와 일정 거리로 이격된 제2 복부재와, 제1,2 복부재의 하부에 결합되고 서로 일정하게 이격된 제1,2 하현재와, 제1,2 복부재의 양쪽 단부의 상부에 결합된 상현재를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 슬래브-기둥 접합부 전단보강구조가 제공된다.

이상에서 상세하게 설명한 본 발명에 따르면, 철근콘크리트 구조물의 슬래브-기둥 접합부에 있어 무보강 접합부에 비하여 강도와 연성도를 효과적으로 증대시킬 수 있으며, 특히 접합부의 구조 성능으로서 매우 중요한 연성도면에서 우수한 성능을 발휘할 수 있게 되는 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에서의 전단보강재는 슬래브 상하 주근에 대한 간격재의 역할도 수행할 수 있어 별도의 간격재의 설치를 하지 않아도 되므로 작업량이 감소할 뿐 아니라 슬래브 상하 철근의 위치를 정확히 유지할 수 있어 슬래브의 구조 성능을 확보함에 있어서도 유리하다.

또한 본 발명에서는 균열면에 수직으로 교차하는 보강재의 수를 증가시켜 전단력에 효과적으로 저항할 수 있는 매우 효율적인 단면을 제공한다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전단보강재를 나타낸 것으로, (a)는 정면도이고 (b)는 양쪽 단부의 단면도((a)의 A-A 단면도)이며 (c)는 중앙부의 단면도((a)의 B-B 단면도)이다.
도 2는 본 발명에 따른 전단보강재가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전단보강재를 나타낸 것으로, (a)는 정면도이고 (b)는 양쪽 단부의 단면도((a)의 C-C 단면도)이며 (c)는 중앙부의 단면도((a)의 D-D 단면도)이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전단보강재를 나타낸 것으로, (a)는 정면도이고 (b)는 양쪽 단부의 단면도이며 (c)는 중앙부의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전단보강재로 보강한 경우 전단저항 메커니즘을 보여주는 단면도이다.
도 6은 종래 기둥-슬래브 접합부의 전단보강구조를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 표기하며, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전단보강재를 나타낸 것으로, (a)는 정면도이고 (b)는 단면도((a)의 A-A 단면도)이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 전단보강재(10a)는, 파형으로 절곡된 제1 복부재(11)와, 제1 복부재(11)와 90도의 위상차를 가진 파형으로 절곡된 제2 복부재(12)와, 제1,2 복부재(11,12)의 하부에 결합된 하현재(13)와, 제1,2 복부재(11,12)의 상부에 결합된 상현재(14)로 구성된다. 즉, 본 실시예에 따른 전단보강재(10a)는 전체적으로 트러스 형태를 가지도록 한 것이다.

복부재(11,12)가 이루는 파형은 대략 상,하현재(14,13)에 대해 45도의 각도를 이루는 삼각형의 산과 골이 연속된 형상으로 산과 골 부분은 둥그렇게 절곡된 형상을 갖는다. 그러나 복부재(11,12)의 파형의 형상은 이에 한정되지 않으며 사인장 응력으로 슬래브에 발생하는 사인장 균열과 소정의 각도를 가지고 복부재(11,12)가 배치될 수 있도록 하는 형상이면 된다.

상현재(14)와 하현재(13)는 철근 또는 강봉으로 구성되며 복부재(11,12)는 상현재(14) 및 하현재(13)보다 직경이 작은 철근 또는 강봉을 파형으로 구부린 것으로 구성되고 복부재(11,12)에 상현재(14)와 하현재(13)를 용접하여 전체적으로 트러스 형태를 가지도록 구성한다.

슬래브-기둥 접합부에서 전단에 의한 파괴양상은 대략 45도 방향으로 경사지게 발생되는 균열(사인장 균열)에 의해 파괴되는 것으로 트러스 형태의 전단보강재에서 균열면과 나란하게 배치된 복부재는 보강의 효과가 없어 보강성능이 저하된다. 따라서 이를 해결하기 위해서는 복부재의 간격을 좁히는 방법이 있으나 제작상 한계가 있어 본 실시예에서는 복부재의 파형을 서로 90도의 위상차를 갖는 파형을 동시에 배치하여 균열면에 수직으로 교차하는 복부재의 수를 늘려 보강성능을 향상시킨 것이다.

이와 같이 구성된 본 실시예에 따른 전단보강재는 도 2에 도시된 바와 같이 철근콘크리트 구조물의 슬래브와 기둥이 접합되는 접합부에 전단 내력을 보강할 수 있도록 설치된다. 전단보강재는 기둥을 관통하지 않고 기둥의 주면으로부터 뚫림전단파괴(Punching-shear failure 또는 2방향 전단(2-way shear))의 위험단면 내에 설치되어 기둥 주변의 위험단면에 작용하는 전단응력에 저항하여 뚤림전단파괴를 방지할 수 있도록 슬래브의 전단강도를 보강한다.

즉, 슬래브에 작용하는 연직하중은 전단응력으로 받침기둥에 전달되는데 큰 하중이 작용하는 슬래브에서 기둥 둘레의 전단응력이 콘크리트의 전단강도를 초과하게 되면 붕괴가 일어나거나 또는 받침면에 휨모멘트가 발달하여 상당한 균열이 발생할 수 있다. 기둥의 양쪽 면에서 휨모멘트의 크기가 같은 특별한 경우에는 오직 연직하중만이 기둥에 전달되면 된다. 이런 연직하중은 슬래브를 균등하게 아래와 밀어 내리려 하여 기둥 주변의 위험단면에는 전단응력이 발생하게 된다. 기둥 주변의 전단응력은 사인장 응력을 발생시켜서 이 사인장 응력이 슬래브의 전단강도를 초과하게 되면 뚤림전단파괴가 일어나게 된다. 본 실시예에 따르면 사인장 응력의 발생 방향에 대략 수직하게 복부재가 위치하도록 배치된 전단보강재가 위험단면 내에 설치됨으로써 사인장 응력에 효과적으로 대응할 수 있는 것이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전단보강재를 나타낸 것으로, (a)는 정면도이고 (b)는 단면도((a)의 B-B 단면도)이다.

본 실시예에 따른 전단보강재(10b)는, 파형으로 절곡된 복부재(11)와, 복부재(11)의 하부에 결합된 하현재(13)와, 복부재(11)의 상부에 결합된 상현재(14)로 구성로 구성된 전단보강재를 한 쌍으로 적용하되 복부재(11)가 서로 교차되도록 각 전단보강재의 복부재(11)가 90도의 위상차를 갖도록 한 것으로서 균열면에 수직으로 교차하는 복부재(11)의 수를 늘려 보강성능을 향상시킨 것이다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전단보강재를 나타낸 것으로, (a)는 정면도이고 (b)는 단면도((a)의 C-C 단면도)이다.

도 4를 참조하면 본 실시예에 따른 전단보강재(10c)는, 파형으로 절곡된 제1 복부재(11)와, 제1 복부재(11)와 90도의 위상차를 가진 파형으로 절곡된 제2 복부재(12)와, 제1,2 복부재(11,12)의 하부에 결합되고 서로 일정하게 이격된 제1,2 하현재(15,16)와, 제1,2 복부재(11,12)의 상부에 결합된 상현재(14)로 구성된다. 즉, 본 실시예에 따른 전단보강재(10c)는 전체적으로 트러스 형태를 가지도록 한 것이다. 상현재(14)와 하현재(15,16)는 철근 또는 강봉으로 구성되며 복부재(11,12)는 상현재(14) 및 하현재(15)보다 직경이 작은 철근 또는 강봉을 파형으로 구부린 것으로 구성되고 복부재(11,12)에 상현재(14)와 하현재(15,16)를 용접하여 전체적으로 트러스 형태를 가지도록 구성한다. 즉, 본 실시예에 따른 전단보강재는 복부재를 서로 90도의 위상차를 가지도록 배치된 제1,2 복부재(11,12)로 구성한 점에서 전술한 제1, 2 실시예와 동일하나, 제1,2 복부재(11,12)의 상부는 하나의 상현재(14)에 결합하여 끝이 모이도록 한 반면에 하부는 벌어지게 하여 서로 이격된 한 쌍의 하현재(15,16)에 각각 결합되도록 한 점에서 제1, 2 실시예와 차이가 있다. 따라서 본 실시예에 따른 전단보강재는 단면이 삼각형 형태인 트러스 형태가 된다.

이때, 전단보강재는 일반 철근 또는 강봉을 가지고 트러스형으로 제작하여 사용할 수도 있지만 통상의 트러스형 데크플레이트에서 금속 플레이트 부분을 제거하고 중앙부의 상,하현재를 제거한 트러스형 철근을 사용하게 되면 제품 개발이 용이하고 간편한 시공을 기대할 수 있다.

본 실시예에 따른 전단보강재는 제1, 2 실시예에 따른 전단보강재와 같이 복부재의 파형을 서로 90도의 위상차를 갖는 파형을 동시에 배치하여 균열면에 수직으로 교차하는 복부재의 수를 늘려 보강성능을 향상시킨 것이다.

이와 같이 본 발명의 전단보강 구조는 트러스 형태의 전단보강재를 채용함으로써 구조 역학적인 측면에서 기존의 전단보강재들에 비하여 월등히 우수한 전단 보강 효과를 나타낸다.

즉, 도 5(a)의 도시로부터 알 수 있는 것과 같이 하중을 받는 슬래브(S)와 이를 지지하고 있는 기둥(C)이 만나는 결합부의 경우 연직 방향으로의 전단력과 휨하중으로부터 발생하는 수평 응력의 합력으로 인하여 사선 방향으로 인장력이 작용하게 되는데, 주지하는 바와 같이 콘크리트는 인장력에 특히 취약성을 나타내는 재료이므로 그 파괴 양상도 인장력의 작용방향에 대하여 직각 방향인 주두(柱頭)부로부터 사선 방향으로 균열 및 파괴가 나타나게 된다.

이에 대하여 본 발명에서 채용된 전단보강재의 경우 상, 하현재 사이에 복부재가 연속적으로 설치된 구성을 가지고 있으므로 도 5(b)에 도시된 바와 같이 주두부 콘크리트에서의 예상 균열은 복부재를 상당한 각도로(수직에 가깝도록) 가로질러 통과할 수밖에 없으며, 따라서 상기 접합부에 대한 전단 균열의 벌어짐은 이와 같은 복부재에 의해 효과적으로 방지될 수 있는 것이다.

또한, 접합부에 관통 균열이 발생한 경우에 있어서는 상,하현재와 복부재로 이루어진 트러스 거동에 의하여 접합부의 연성도가 증대되므로 슬래브 전체가 급격히 붕괴되는 것을 방지할 수 있게 된다.

지금까지 본 발명을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

11 : 제1 복부재
12 : 제2 복부재
13 : 하현재
14 : 상현재
15 : 제1 하현재
16 : 제2 하현재

Claims (3)

1. 철근콘크리트 구조물의 기둥과 슬래브가 접합되는 부위에 있어 전단파괴에 대한 저항력을 증대시키기 위해 전단보강재로 보강한 슬래브-기둥 접합부의 전단보강구조에 있어서,
   전단보강재는, 파형으로 절곡된 제1 복부재(11)와, 제1 복부재(11)와 90도의 위상차를 가진 파형으로 절곡된 제2 복부재(12)와, 제1,2 복부재(11,12)의 하부에 결합된 하현재(13)와, 제1,2 복부재(11,12)의 상부에 결합된 상현재(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 슬래브-기둥 접합부 전단보강구조.
2. 철근콘크리트 구조물의 기둥과 슬래브가 접합되는 부위에 있어 전단파괴에 대한 저항력을 증대시키기 위해 전단보강재로 보강한 슬래브-기둥 접합부의 전단보강구조에 있어서,
   전단보강재는, 파형으로 절곡된 복부재(11)와, 복부재(11)의 하부에 결합된 하현재(13)와, 복부재의 상부에 결합된 상현재(14)를 포함하는 한 쌍의 전단보강재로 구성하되, 한 쌍의 전단보강재의 복부재(11)가 서로 직교하도록 한 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 슬래브-기둥 접합부 전단보강구조.
3. 철근콘크리트 구조물의 기둥과 슬래브가 접합되는 부위에 있어 전단파괴에 대한 저항력을 증대시키기 위해 전단보강재로 보강한 슬래브-기둥 접합부의 전단보강구조에 있어서,
   전단보강재는, 파형으로 절곡된 제1 복부재(11)와, 제1 복부재(11)와 90도의 위상차를 가진 파형으로 절곡되며 그 상부는 제1 복부재(11)와 근접하고 그 하부는 제1 복부재(11)와 일정 거리로 이격된 제2 복부재(12)와, 제1,2 복부재(11,12)의 하부에 결합되고 서로 일정하게 이격된 제1,2 하현재(15,16)와, 제1,2 복부재(11,12)의 양쪽 단부의 상부에 결합된 상현재(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 슬래브-기둥 접합부 전단보강구조.

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