KR20210031809A

KR20210031809A - 3 축 압축 기둥 보 접합부의 프리스트레스 도입법

Info

Publication number: KR20210031809A
Application number: KR1020200080783A
Authority: KR
Inventors: 료헤이 구로사와
Original assignee: 구로사와 겐세츠 가부시키가이샤
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2021-03-23
Also published as: JP2021042644A; US11111664B2; US20210079643A1; JP6644324B1; KR102571298B1; TR202009922A2

Abstract

(과제) 기둥 보 접합부에 있어서, XYZ 축 3 축의 압축 상태를 적절한 비율로 하는 프리스트레스 도입법을 제공한다.
(해결 수단) 기둥 보 접합부에 있어서, 평면 2 방향 (X , Y 축) 의 PC 보와, 연직 방향 (Z 축) 의 PC 기둥에 배치된 PC 긴장재를 기둥 보 접합부에 관통하여, 긴장 정착한 긴장 도입력으로 기둥 보 접합부에 프리스트레스를 도입하여 3 축 압축 상태로 하는 방법으로서, 기둥 보 접합부 (10) 에 있어서, 대규모 지진시 (극히 드물게 일어나는 지진) 에도, 지진 하중에 의한 입력 전단력으로 발생한 경사 인장력 (T) 의 전부 또는 일부를 상쇄하고, 경사 균열의 발생을 허용하지 않는, 각 축 방향으로 도입되는 프리스트레스의 비율을 식 (1) 로 나타냈다.
σx : σy : σz = 1 : 1 : 0.3 ∼ 0.9 (1)
또한, σx ,σy ,σz 는, 각 축 (X, Y, Z 축) 에 도입되는 프리스트레스이다.

Description

3 축 압축 기둥 보 접합부의 프리스트레스 도입법{METHOD OF INTRODUCING PRESTRESS TO BEAM-COLUMN JOINT IN TRIAXIAL COMPRESSION}

2019년 9월 13일에 출원한 일본 특허출원 2019-167793호에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 내용은 참조에 의해 여기에 삽입된다.

본 발명은, 프리스트레스 콘크리트 구조 (PC 구조) 의 기둥 보 접합부를 3 축 압축 상태로 하기 위한 프리스트레스의 도입법에 관한 것이다.

콘크리트 부재로 3 축 방향 (평면 x, y 2 방향의 보 부재와, 연직 z 방향의 기둥 부재) 에서 형성된 기둥 보 접합부에 있어서, 경사 인장력에 의해 발생하는 경사 전단 균열이 발생하기 때문에, 콘크리트 부재가 손상을 받고 균열이 확대되어 인성이 없는 취성적 파괴를 일으키고, 기둥 보 접합부의 파괴가 즉시 구조 골조의 붕괴로 이어지고, 머지 않아 구조물 전체가 치명적인 전단 파괴에 이르는 것이 이전부터 많은 연구에 의해 증명되어 있다.

이 기둥 보 접합부에 있어서의 경사 균열의 발생을 방지하기 위해서, 기둥 보 접합부를 보강하는 여러 가지 방법이 이하에 나타내는 특허문헌에 개시되어 있다. 철근 콘크리트 구조 (RC 조) 에 관해서는, 예를 들어 특허문헌 1 (일본 공개특허공보 2005-23603호) 에 나타낸 보강 방법은, 콘크리트 구조물의 기둥 보 접합부에 있어서, 쌍방의 보의 단면 (端面) 으로부터 기둥 보 접합부 내에 연장되는 상부 보 주근이, 대향하는 타방의 보의 단면을 향하여 경사 하방으로 연장되어, 그 대향하는 타방의 보의 단면으로부터 수평으로 내부를 향하여 정착되어 그 대향하는 타방의 보의 하부 보 주근이 되고, 쌍방의 보의 단면으로부터 기둥 보 접합부 내에 연장되는 하부 보 주근이, 대향하는 타방의 보의 단면을 향하여 경사 상방으로 연장되어, 그 대향하는 타방의 보의 단면으로부터 수평으로 내부를 향하여 정착되어 그 대향하는 타방의 보의 상부 보 주근으로 함으로써 인장 주응력을 저감시킴과 함께, 압축 주응력을 증대시키는 것이다.

PC 조에 관해서는, 특허문헌 2 (US 특허 953411호에 대응하는 JP 특허 5612231호) 에, 프리캐스트 콘크리트 부재를 패널 존 (기둥 보 접합부) 을 관통하는 2 차 케이블에 의해 기둥과 보를 압착 접합하여 일체화하는 PC 구조의 2 단계 비선형 탄성 내진 설계법이 개시되어 있다. 이 2 단계 비선형 탄성 내진 설계법에 의하면, 기둥 보 압착 접합부에 있어서, 소정의 지진 하중 설계값까지는, 풀 프리스트레스의 접합 상태로 하고, 상기 소정의 지진 하중 설계값을 초과하는 극대 지진이 내습한 경우에는, 파셜·프리스트레스 접합 상태로 함으로써 주요 구조 부재 (기둥, 보, 패널 존) 의 치명적인 손상이 일어나지 않도록 한 것이다.

일본 공개특허공보 2005-23603호 일본 특허공보 제5612231호 (대응 USP No.9,534,411) 일본 특허 제4041828호

특허문헌 1 (일본 공개특허공보 2005-23603호) 에 있어서는, 일방의 보 단 (端) 으로부터 주근을 기둥 보 접합부에 경사지게 연장하여 타방의 보 단에 정착함으로써 인장 주응력을 저감시킨다는 것이다. 그러나, 주지하는 바와 같이, RC 구조에서는, 철근이 균열의 발생을 방지할 수 없고, 균열이 발생하고 나서 철근이 균열의 진전을 억제하고, 균열 폭의 확대를 억지하는 역할을 담당하고 있다. 요컨대, 철근이 적극적으로 균열의 발생을 방지하는 역할을 할 수는 없는데, 균열이 발생하고 나서 비로소 균열의 확대를 억제하는 것에 불과한 것이다.

따라서, 특허문헌 1 (일본 공개특허공보 2005-23603호) 에 나타나 있는 바와 같이 철근을 배치해도, 적극적으로 기둥 보 접합부에 경사 균열의 발생을 방지할 수는 없고, 어디까지나 균열이 발생하고 나서, 진전되지 않도록 하는 소극적인 방법에 불과하므로, 반복하여 지진 하중을 받으면, 경사 균열의 발생에 의한 기둥 보 접합부의 내진성 및 내구성이 저하되는 것을 방지할 수 없다.

또, 특허문헌 1 (일본 공개특허공보 2005-23603호) 에 개시된 구조에 의한 다른 문제는, 일방의 보 단의 상부 보 주근과 타방의 보 단의 하부 보 주근의 수량이나 철근 직경은 반드시 동등하다고는 할 수 없고, 철근의 굽힘 가공이나 경사지게 배치하려면 상당히 시간이 걸릴 뿐만 아니라, 기둥 보 접합부 내의 철근이 착종 (錯綜) 되어 피팅이 상당히 나쁜 상태이며, 콘크리트가 균일하게 타설되지 않아 콘크리트의 충전 불량에 의한 콘크리트의 곰보가 발생하는 경향이 있는 것이다.

특허문헌 2 (USP No.9,534,411) 에는, 「패널 존 (기둥과 보의 접합부) 에 있어서, 스팬 방향의 큰 보와 길이 방향의 보 및 기둥 부재 모두 프리스트레스를 부여함으로써, 패널 존은 XYZ 모든 방향에서 3 차원적으로 프리스트레스력을 받게 된다.」고 기재되어 있고, 또한, 「패널 존에 3 차원적으로 축 압축을 부가하고 있으므로 프리스트레스에 의한 복원력 특성을 가지고 있기 때문에, 지진 후의 잔류 변형은 전혀 발생하지 않는다. 종래의 설계법에 의한 RC 구조 및 PC 구조의 패널 존이 파괴됨으로써 에너지를 흡수하는 것과 완전히 다른 설계 사상이다.」라고 기재되어 있다. 이 설계 사상에 기초하여 기둥 보 접합부에 3 축 방향으로 미리 프리스트레스를 도입하여 지진시에 기둥 보 접합부에 발생하는 경사 인장력을 적극적으로 상쇄하고, 결과적으로 경사 인장력이 발생하지 않고 전단 파괴되는 것을 완전히 회피할 수 있어, 특허문헌 1 (일본 공개특허공보 2005-23603호) 에 나타나는 많은 경사 배근을 형성할 필요가 없어지므로 기둥 보 접합부 (패널 존) 내에 콘크리트의 곰보 발생의 문제는 일어나지 않는다.

특허문헌 2 (USP No.9,534,411) 에는, 3 축 압축 기둥 보 접합부 (패널 존) 로 하는 설계 사상이 나타나 있지만, 3 축 방향으로 프리스트레스를 도입하는 구체적 설계법, 즉, 3 축 방향으로 도입하는 프리스트레스의 비율이나 도입하는 프리스트레스의 상한에 대해서는 언급되어 있지 않다. 일반적으로 보 부재에는 작용 하중에 의한 축력이 거의 없지만, 기둥 부재에는, 작용 하중에 의한 축력이 항상 발생하고 있고, 작용 하중의 종류에 따라 축력 방향이 일정하지는 않고 변동되며, 상시 하중 (연직 하중) 에 의한 축력이 압축이지만, 지진이나 바람 등 우발 하중 (수평 하중) 에 의한 축력이 압축과 인장의 2 종류 있다. 특히, 건물의 외주 둘레에 배치된 외주 (外柱) 나 모기둥에 지진 하중에 의해 큰 인발력, 또는 압축력이 발생하는 경우가 많다. 또, 기둥의 축력은, 계층에 따라 값이 상이하고, 고층이나 초고층 건물에 있어서, 최상층과 최하층의 축력의 차이는 매우 크고, 작용 하중에 의한 기둥 축력의 크기나 방향 (압축 또는 인장) 이 가지각색이며, 일정하지는 않다. 본 발명은, 기둥 보 접합부 (패널 존) 에 3 차원적으로 축 압축을 부가한다는 설계 사상을 더욱 발전시켜 PC 구조물의 3 축 압축 상태를 적절한 비율로 하는 프리스트레스 도입법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명에 의해 제공되는 방법은, PC 기둥과 PC 보로 복수 층계로 형성된 건물 구조의 기둥 보 접합부에 있어서, 평면 2 방향 (X, Y 축) 의 PC 보와, 연직 방향 (Z 축) 의 PC 기둥에 배치된 PC 긴장재를 기둥 보 접합부에 관통하여, 긴장 정착한 긴장 도입력으로 기둥 보 접합부에 프리스트레스를 도입하여 3 축 압축 상태로 하는 방법으로서, 상기 기둥 보 접합부에 있어서, 대규모 지진시 (극히 드물게 일어나는 지진) 에도, 지진 하중에 의한 입력 전단력으로 발생한 경사 인장력의 전부 또는 일부를 상쇄하고, 경사 균열의 발생을 허용하지 않고, 각 축 방향으로 도입되는 프리스트레스의 비율을 하기의 식 (1) 을 만족하도록 하고 있는 것을 특징으로 하는 기둥 보 접합부의 프리스트레스 도입법이다.

σx : σy : σz = 1 : 1 : 0.3 ∼ 0.9 (1)

또한, σx, σy, σz 는, 각 축 (X, Y, Z 축) 에 도입되는 프리스트레스로 하고, 다음의 식으로 산출한 것이다.

σx = Px/Ax Px : x 축 방향의 긴장 도입력, Ax : x 축 방향의 보 단 단면적

σy = Py/Ay Py : y 축 방향의 긴장 도입력, Ay : y 축 방향의 보 단 단면적

σz = Pz/Az Pz : z 축 방향의 긴장 도입력, Az : z 축 방향의 기둥 단 단면적

또한, 상기 식 (1) 의 σx, σy, σz 의 값은, 이하에 나타내는 범위 내로 하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 도입법이다.

2.0 ≤ σx ≤ 10.0 N/mm²

2.0 ≤ σy ≤ 10.0 N/mm²

0.6 ≤ σz ≤ 9.0 N/mm²

또, 상기 기둥 보 접합부의 프리스트레스 도입법에 있어서, PC 기둥에 도입하는 프리스트레스 (σz) 를, 적어도 5 층분을 1 구분으로 하여 동일값으로 하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 도입법이다.

또, 대규모 지진시에, 상기 기둥 보 접합부에 발생한 경사 인장력의 일부가 상쇄되고, 일부가 남겨진 경우에는, 그 남겨진 경사 인장력에 의한 인장 응력도가 콘크리트의 허용 인장 응력도 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 기둥 보 접합부의 프리스트레스 도입법이다.

본 발명의 효과를 이하에 열거한다.

(1) 기둥의 축력의 변동 요인을 고려하여 기둥에 도입하는 프리스트레스를 저감시킨 관계식 (1) 의 비율로 3 축 방향으로 프리스트레스를 도입함으로써, 기둥 보 접합부에 작용하는 3 축 방향의 압축 응력도의 비율이 대체로 1 : 1 : 1 이 되고, 이 비율의 압축 응력도가 합성된 압축 응력이 기둥 보 접합부의 대각선 상에 약 45 도의 가장 이상적인 방향에 형성되고, 지진 하중으로 기둥 보 접합부에 입력 전단력에 의해 기둥 보 접합부의 대각선 상에 발생한 경사 인장력의 전부 또는 그 대부분을 상쇄하고, 경사 균열이 발생하여 전단 파괴에 이르는 것을 확실하게 방지할 수 있는 것이다. 동시에, 보에 비해 기둥에 도입하는 프리스트레스를 저감시킴으로써, 상시 하중 (연직 하중) 시에 있어서도, 기둥에 작용하는 축력이 허용 응력도 범위 내로 제어되어 압축 응력도가 과대해지지 않도록 할 수 있는 것이다.

(2) 또한, 관계식 (1) 의 적용 범위를 기본으로는, σx = σy = 2.0 ∼ 10.0 N/㎟ 로 하고, 비율 관계에 따라 σz = 0.6 ∼ 9.0 N/㎟ 로 함으로써, PC 구조물에 일반적으로 사용되고 있는 콘크리트 설계 기준 강도 (Fc = 40 ∼ 60 N/㎟) 에 대응시키고 있고, 도입력의 과소 또는 과대는 되지 않고, 합리적 또한 경제적인 설계로 할 수 있다.

(3) 기둥에 작용하는 축력이 층계나 평면 위치에 따라 가지각색인 것에 대하여, 도입하는 프리스트레스를 적어도 5 층분을 1 구분으로 하여 동일값으로 함으로써, 5 층분마다 기둥의 축력의 차이를 식 (1) 의 비율 범위 내 (σz = 0.3 ∼ 0.9) 에서 조정하여 기둥의 축력이 허용 범위 내로 제어되는 것이 가능하고, 설계와 시공을 효율적으로 정리할 수 있음과 함께, 시공시의 긴장 미스를 해소할 수 있다.

(4) 대규모 지진시에, 기둥 보 접합부에 발생한 경사 인장력의 일부가 도입된 프리스트레스에 의해 상쇄되고, 일부가 남겨진 경우에도, 그 경사 인장력에 의한 인장 응력도가 기둥 보 접합부의 구축에 사용한 콘크리트의 허용 인장 응력도 이하가 되도록 함으로써, 구조체에 있어서 치명적인 경사 전단 균열이 발생하지 않고, 내진 성능을 유지할 수 있다.

(5) 본 발명의 프리스트레스 도입법은, 철근을 기둥 보 접합부에 배근하여 균열 발생 후의 진전을 소극적으로 억제하는 종래의 RC 구조와는 완전히 상이한 원리에 기초하고 있고, 본 발명에 의하면 기둥 보 접합부가 기둥의 축력이 변동되는 요인을 고려한 가장 합리적인 밸런스로 3 축 압축 상태가 되고, 균열이 발생하는 요인이 되는 인장력을 적극적으로 상쇄하는 것이며, 확실하게 균열의 발생을 억지할 수 있는 것이 된다.

도 1A 및 1B 는, 본 발명의 PC 부재만으로 이루어지는 기둥 보 접합부를 갖는 건물의 중간층 일부를 나타내고 있고, 도 1A 는 평면도 및 도 2B 는 측면도이다.
도 2A ∼ 2E 는, 본 발명에 의해 3 축 압축 상태가 된 기둥 보 접합부를 설명하기 위한 것이고, 도 2A 는 평면도, 도 2B 는 측면도, 도 2C 는 도 2A, 도 2B 에 나타내는 보의 2C-2C 단면도, 도 2D 는 도 2A 에 나타내는 보의 2D-2D 단면도, 도 2E 는 도 2B 에 나타내는 기둥의 2E-2E 단면도이다.
도 3A 는 기둥 보 접합부의 긴장재의 배치 형성 상태 사시도, 도 3B 는 기둥 보 접합부에 있어서의 3 축 압축 응력의 방향의 설명도이다.
도 4A, 4B 는 기둥 보 접합부에 있어서의 응력과 균열 발생의 관계 상태 설명도이다.
도 5A ∼ 5C 는, 기둥 보 접합부를 현장 치기 콘크리트로서 구축된 세미 압착 PC 구조를 나타내고 있고, 도 5A 는 평면도, 도 5B 는 측면도 및 도 5C 는 보 단면도이다.

도 1A 및 1B 는, 본 발명을 적용하는 건축물의 일부를 나타내는 것으로서, 도 1A 는 복수 층계의 건축물의 중간층의 기둥 보 접합부의 평면도, 도 1B 는 측면도이다.

PC 기둥 (1), PC 보 (2) 모두 프리캐스트 부재이고, PC 기둥 (1) 은, 기초 (도시 생략) 로부터 세워 형성되어 있고, PC 긴장재로 하는 PC 강봉 (3) 을 PC 기둥 (1) 에 관통시켜 긴장 정착하고 있다. PC 보 (2) 는, PC 기둥 (1) 에 형성되어 있는 코벨 (11) 에 놓여 있고, PC 보 (2) 내에 형성된 PC 긴장재인 PC 케이블 (31) 이 기둥 보 접합부를 관통하여 배치 형성되어 긴장 정착되어 있다.

도 1A 및 1B 에 도시된 바와 같이, 기둥 보 접합부에 있어서, 평면 (X, Y) 2 방향, 연직 (Z) 방향으로 PC 긴장재로 하는 PC 강봉 (3) 과 PC 케이블 (31) 이 관통 배치되어 있고, 긴장 정착함으로써 기둥 보 접합부 (10) 에 프리스트레스가 도입되어 있다.

또한, 본 발명과 직접 관계되지 않는 구성 부분, 예를 들어 PC 기둥과 PC 보를 PC 긴장재를 사용하여 긴장 정착하여 일체화한 후에, 프리캐스트제 PC 보의 상단에 톱 콘크리트와 슬래브를 포함시켜 타설하여 합성 보가 되는 것 등에 대해서는, 종래와 같으므로 상세한 것은 생략으로 한다.

본 발명에 있어서의 PC 기둥 및 PC 보란, 프리스트레스트 콘크리트 구조 부재이다.

또, 프리캐스트 부재로 하는 기둥과 보의 접합에 철근을 사용하지 않고 PC 긴장재만으로 압착 접합하는 것을 풀 압착 접합이라고 칭하고, 철근과 PC 긴장재를 병용하여 접합하는 것을 세미 압착 접합이라고 칭한다.

도 2A 및 2B 는, 각각 X 축과 Y 축을 포함하는 평면도와 X 축과 Y 축을 포함하는 측면도에서 동일한 구조에 대해 나타내고 있다. 도 2A 및 2B 에 있어서는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해, PC 긴장재의 도시를 생략하고, 대신에 화살표로 프리스트레스 (σ (σx, σy, σz)) 가 기둥 보 접합부에 작용하고, 기둥 보 접합부 (10) 가 3 축 압축 상태가 되어 있는 것을 도 2A 및 도 2B 에 나타낸다.

또, 도 2C ∼ 2E 는, x 축, y 축의 보 단과 z 축 기둥 단의 단면 형상을 각각 2C-2C 단면, 2D-2D 단면, 2E-2E 단면도에 나타낸다.

본 발명의 방법에 있어서는, 보 부재에 배치하여 기둥 보 접합부에 관통되는 PC 긴장재로 하는 2 차 케이블의 긴장 정착 작업은, 톱 콘크리트 (20) 를 타설하기 전에 실시하므로, 보 단 단면적 (Ax, Ay) 에는 톱 콘크리트 (20) 를 포함하지 않는 것으로 한다. 요컨대, σx, σy 의 산정에 있어서는, 보 단 단면적 (Ax, Ay) 에는, 톱 콘크리트 (20) 의 단면적을 포함하지 않는다.

상기와 동일한 생각으로, 본 발명에서 말하는 기둥 보 접합부 (10) (패널 존) 란, 톱 콘크리트 (20) 를 포함하지 않고, 도 2A 및 2B 의 해칭 부분을 의미하는 것으로 한다.

또, 프리스트레스 (σ (σx, σy, σz)) 에는, PC 긴장재의 긴장 도입력에 의한 것으로만 하고, PC 긴장재의 도심 (圖心) 이 기둥, 보 부재의 단면에 있어서 편심되어 배치 형성되는 것에 의한 영향은 고려하지 않고 무시하는 것으로 한다.

요컨대, 프리스트레스 (σ (σx, σy, σz)) 의 산정은, P/A 만으로 하고, P·e 에 의한 영향은 고려하지 않는다.

여기서, P : PC 긴장재에 의한 유효 긴장 도입력

A : 전술에서 설명한 보 단 및 기둥 부재 단의 단면적 (Ax, Ay, Az)

e : PC 긴장재의 도심의 보 또는 기둥 부재의 단면 중심 (重心) 축에 대한 편심 거리

또, 본 명세서에 있어서, PC 기둥, PC 보란, 부재 전체 길이에 프리스트레스가 부여된 것을 의미하고, 프리스트레스의 부여는, 1 차 PC 긴장재 (공장에서 긴장 작업을 실시하는 것) 와, 2 차 PC 긴장재 (현장에서 긴장 작업을 실시하는 것) 에 의한 것을 포함하는 것이다. 1 차 PC 긴장재는 도시를 생략하고 있지만, 공장에서 긴장 작업을 실시하는 것이므로, 프리텐션 방식 또는 포스트텐션 방식의 어느 방식이어도 되는데, 2 차 PC 긴장재의 긴장 작업은, 현장에서 실시하므로 포스트텐션 방식으로 실시한다. 또한, 2 차 PC 긴장재로서 PC 케이블을 사용하는 경우에는, 2 차 케이블이라고도 한다.

도 3A, 3B 는, 본 발명에 있어서의 프리스트레스가 3 축 압축 기둥 보 접합부 (10) 에 어떻게 도입되는지를 나타낸다. 도 3A 는 기둥 보 접합부 (10) 의 긴장 강재의 배치 형성 상태의 사시도 및 도 3B 는 기둥 보 접합부 (10) 의 3 축 압축 응력의 작용 상태도이다.

도 3A, 3B 에 나타내는 바와 같이, 3 축 압축 기둥 보 접합부를 형성하여 지진시에 발생하는 경사 인장력을 적절히 상쇄하기 위해서는, 기둥 보 접합부 (10) 에 3 축 방향으로 프리스트레스 (σx, σy, σz) 를 도입하는 것이 물론 필요하지만, 그것뿐만 아니라, 도입되는 프리스트레스 (σx, σy, σz) 의 상호 관계가 매우 중요하고, 특히, 그들이 밸런스가 잡힌 관계인지의 여부에 따라, 기둥 보 접합부 (10) 에 있어서의 구속에 기초하는 작용·효과가 크게 좌우되는 것이다.

다음으로, 도 4A, 4B 의 기둥 보 접합부 (10) 의 응력과 균열 발생의 관계 상태도에 기초하여 본 발명의 작용 효과를 상세하게 설명한다.

도 4A 에 지진 하중이 건물에 우측 작용시의 경우에 있어서의 종래의 RC 조 패널 존이 지진 하중을 받은 상태를 나타낸다. 또한, 지진 하중이 건물에 좌측 작용시의 경우에는, 도시는 생략하지만, 응력이나 변형, 균열 등은, 도 4A 에 나타낸 것과는 반대가 된다.

종래의 RC 조 기둥 보 접합부 (10) (패널 존) 에 있어서, 대지진시에 수평 방향으로 지진 하중에 의한 입력 전단력 (도시 생략) 이 구조 골조에 작용하고, X-Z 면에서는, 그 입력 전단력에 의해 보 단과 기둥 단에 각각 굽힘 모멘트 (Mx, Mz) 가 발생한다. 기둥 (1) 에는 축력으로서 상시 연직 하중 (N) 이 작용하고 있는데, 그 크기는 계층에 따라 변동되는 것이며 일정하지 않다. 한편, 보에는 일반적으로 축력이 없다. 지진 하중에 의한 굽힘 모멘트에 대해 구속할 수 없기 때문에, 도 4A 에 나타내는 바와 같이, 기둥 보 접합부 (패널 존) 의 연직 방향으로 상하단의 기둥 (1) 에 상대적인 어긋남이 발생하고, 수평 방향으로 좌우측의 보 단이 각각 회전 변형되고, 그 변형에 의해 기둥 보 접합부 (10) 가 마름모꼴이 되고, 도시는 생략하지만, 기둥 단과 보 단에 작용하는 굽힘 모멘트 (Mx, Mz) 에 의해 기둥과 보의 단면의 편측에 인장 응력, 반대측에 압축 응력이 각각 발생한다. 이 인장 응력이 기둥 보 접합부의 대각선상 및 코너부에 합성한 경사 인장력 (T 와 TC) 을 발생시키고, 대각선상에 경사 균열 (대각 경사 균열 (4) 과 코너 경사 균열 (41) 의 2 종류 있다) 이 발생하고, 머지 않아 취성적인 전단 파괴가 되고, 골조 전체가 치명적인 붕괴에 이를 위험성이 매우 높다. 또한, 대각 경사 균열 (4) 과 코너 경사 균열 (41) 의 어느 것이 발생하는 케이스와, 동시에 발생하는 케이스가 있다. 본 발명에서 말하는 대각선상에 경사 균열의 발생이란, 양방을 포함하는 것으로 한다.

그에 대해 도 4B 에 본 발명의 프리스트레스가 도입되어 기둥 보 접합부 (10) 가 3 축 압축된 상태를 나타낸다. 또한, 도 4B 는 X-Z (2 축) 뿐인데, Y-Z (2 축) 에 대해서는 도시하고 있지 않지만 동일하다.

도 4B 에 나타내는 바와 같이, 지진 하중에 의해 기둥 보 접합부 (10) (패널 존) 에 종래와 동일하게 경사 인장력 (대각선상의 인장력 (T) 과 코너부의 인장력 (TC)) 이 발생하려고 하지만, 기둥 보 접합부 (10) (패널 존) 에 도입된 프리스트레스 (σ (도 4B 에서는 σx 와 σz)) 에 의해, 기둥 보 접합부가 주위로부터 강하게 구속되어, 종래와 같은 변형은 되지 않는다. 또한, 본 발명에서 제안한 식 (1) 의 비율로 프리스트레스를 설정함으로써 대각선상에 합성 압축력 (Cp) 과 함께 코너부에 합성 압축력 (Cc) 이 형성되고, 또한 식 (1) 의 σ (σx, σy, σz) 의 값이 한정된 적용 범위가 됨으로써, 유효하고 또한 바람직한 합성 압축력 (Cp 와 Cc) 이 형성되고, 인장력 (T 와 Tc) 전부 또는 일부를 상쇄하게 되고, 경사 균열은 발생하지 않게 된다.

또, 본 발명에 의하면, 대각선상에 발생한 인장력 (T) 의 일부가 합성 압축력 (Cp) 에 상쇄되고, 일부가 남겨진 경우에도, 그 합성 압축력 (Cp) 에 의해 콘크리트의 단면에 발생한 인장 응력도 (단위 면적당의 인장력) 가 기둥 보 접합부의 구축에 사용한 콘크리트의 허용 인장 응력도 이하가 되도록, 식 (1) 에 따라서 소요되는 프리스트레스가 도입되도록 PC 긴장재를 배치하여 긴장 정착하여 콘크리트 경사 균열이 발생하지 않게 한다.

구체예를 들어 설명하면, 기둥 보 접합부 (10) 의 구축에 사용하는 콘크리트 설계 기준 강도 Fc = 60 N/mm² 로 하면, 콘크리트의 허용 인장 응력도 ft = 1/30Fc = 2 N/mm² 가 되고, 전술한 바와 같이 인장력 (T) 이 일부 남겨진 경우에도, 그 인장력에 의한 인장 응력도가 콘크리트의 허용 인장 응력도 이하가 되도록, 소요되는 프리스트레스를 도입한다. 코너부에 발생하는 인장력 (TC) 에 대해서도 동일한 대응으로 한다.

종래의 PC 기둥과 PC 보를 프리캐스트 부재로 하여 구축된 PC 구조에서는, 보 부재와 기둥 부재를 풀 압착 접합하여 일체화하기 때문에, 보 단에 PC 강재를 기둥에 관통시켜 배치하여 긴장 정착하게 되는데, 그 긴장 도입력은, 기둥 부재에 대한, 보 단의 PC 압착 접합에 필요한 것이면 충분하다고 되어 있다. 동일하게, 종래의 PC 구조에서는, 기둥 부재끼리를 PC 압착 접합하여 일체화하기 때문에, 기둥축 방향으로 PC 강재를 배치하여 필요하게 되는 프리스트레스력을 도입하게 되어 있다. 그 X 방향 및 Z 방향, 또는 Y 방향 및 Z 방향의 프리스트레스의 상호 관계는, 기둥 보 접합부 (패널 존) 의 대각선상에 합성 압축력 (Cp) 을 형성하도록 고려한 것이 아니고, 요컨대, 각 방향에 도입되는 긴장 도입력은 부재끼리를 풀 압착 접합할 수 있으면 된다고 하고 있는데, 긴장 도입력의 상호 비율에 대해서는 전혀 고려되어 있지 않기 때문에, 기둥 보 접합부 (패널 존) 의 대각선상에 유효한 합성 압축력 (Cp) 을 형성하는 것은 확보할 수 없다. 이것에 대해서는, 기둥 보 접합부 (패널 존) 의 코너부에 대해서도 동일하게 고려되어 있지 않다.

또, 도 5A - 5C 에 나타내는 바와 같이, 적층 공법을 사용하여 PC 구조물을 구축하는 경우에는, 기둥, 보를 프리캐스트 부재로 하고, 기둥 보 접합부 (패널 존) (10) 가 현장 치기 콘크리트이고, 프리캐스트제 보 부재로부터 철근을 꺼내어 기둥 보 접합부에 정착함으로써, 프리캐스트제 보 부재끼리를 접합할 수 있다. 또, 프리캐스트제 기둥 부재에 대해서는, 도시는 생략하지만, 특허문헌 3 (JP 특허 제4041828호) 의 도 5 에 나타나 있는 바와 같이, 프리캐스트제 기둥으로부터 철근을 돌출시키고, 기둥 보 접합부를 관통하여, 위의 프리캐스트 기둥 부재와 모르타르 충전식 철근 이음매 등으로 접속하는 경우도 있다. 요컨대, 이와 같은 경우, 기둥 보 부재는 PC 조이지만, 기둥 보 접합부 (10) 가 RC 조가 된다.

또, 종래의 적층 공법에서는, 철근량을 줄이고 PC 강재를 배치하여 긴장 도입력을 도입하는 경우도 있지만, 그 경우는, 풀 압착 접합이 아니고, 세미 압착 접합이 되며, 필요로 하는 PC 강재가 풀 압착 접합에 비해 대폭 줄어든다. 따라서, 기둥 보 접합부에 도입되는 프리스트레스가 대폭 감소된다. 따라서, 종래의 적층 공법의 경우에는, 기둥 보 접합부 (패널 존) (10) 에 유효한 합성 압축력 (Cp 와 CC) 을 형성할 수 없다.

적층 공법에 의한 종래의 PC 구조에 있어서, 기둥 보 접합부가 RC 조 (철근 콘크리트) 혹은 PRC 조 (프리스트레스트 철근 콘크리트) 가 되므로, 통상적인 PC 조 기둥 보 접합부보다 경사 균열이 발생하기 쉬운 것이 되고, 프리스트레스력을 도입하여 보강할 필요성이 풀 압착 접합보다 한층 높아진다.

그래서, 본 발명에서는, 종래의 기둥 보 접합부에 3 축 방향 (X, Y, Z) 으로 PC 강재가 배치되는 것에 더하여, 기둥에 작용하고 있는 축력을 고려하고, 연직 방향의 프리스트레스 (σz) 를 저감시켜 구체적으로 프리스트레스 도입법을 명확하게 정하고, 관계식 (1) 에 의해 적절히 프리스트레스를 도입할 수 있다. 또한, 프리스트레스 (σx, σy, σz) 의 값의 적용 범위를 정함으로써, PC 구조에 자주 사용하는 콘크리트 설계 기준 강도에 알맞은 프리스트레스가 부여되고, 과소 또는 과대해지지 않고, 기둥 보 접합부 (패널 존) 에 유효한 합성 압축력 (Cp 와 CC) 을 형성할 수 있게 하였다.

도 5A - 5C 에 나타내는 본 발명의 일 실시형태인 적층 공법의 구축 방법에 대해 설명한다.

먼저, 프리캐스트제 PC 기둥 (1) 을 기초 (도시 생략) 로부터 세워 형성하여, 이 PC 기둥 (1) 에 PC 긴장재로 하는 PC 강봉 (3) 을 삽입하여 긴장 정착한다. 다음으로, PC 기둥 (1) 에 형성되어 있는 코벨 (11) 에 프리캐스트제 PC 보 (2) 를 가설하고, 이웃하는 보 (2) 의 보 단으로부터 나와 있는 하단 철근 (5) 끼리를 철근 이음매에서 접속한다. 단, 철근 이음매를 사용하지 않고 겹치기 이음매로 해도 된다. 계속해서, 기둥 보 접합부 (패널 존) (10) 내의 배선, 배근을 실시하고, 프리캐스트제 PC 보 (2) 의 상단까지 PC 보 (2) 와 동등 이상의 압축 강도를 갖는 현장 치기 콘크리트를 타설하여 경화시킨다. 경화 후, PC 보 (2) 에 배치된 PC 긴장재로 하는 PC 케이블 (31) 을 긴장 정착하여 수평 2 방향 (X, Y) 으로 프리스트레스를 도입한다. 그 후, 프리캐스트제 PC 보 (2) 의 상단에 상단 철근 (5) 을 배근하고, 톱 콘크리트 (20) 와 슬래브를 함께 타설한다. 요컨대, 통상, PC 보 (2) 와 슬래브의 콘크리트 강도가 상이하고, PC 보 (2) 의 강도가 보다 높기 때문에, 기둥 보 접합부 (패널 존) (10) 의 현장 치기 콘크리트는 2 회로 나누어 타설하게 된다.

톱 콘크리트 (20) 의 경화 후, 기둥 보 접합부 (10) 상에 추가로 상층계의 프리캐스트제 PC 기둥 (1) 을 설치하여 PC 긴장재로 하는 PC 강봉 (3) 을 커플러로 접속하여, 긴장 정착하여 연직 방향 (Z 방향) 으로 프리스트레스를 도입한다. 기둥 보 접합부로부터 상층계의 PC 기둥 (1) 내에 철근을 연장시키는 경우에는, 콘크리트를 타설 전에 철근을 미리 기둥 보 접합부에 관통시키고, 콘크리트를 타설하고 경화 후, 철근을 상층계의 기둥 부재와 모르타르 충전식 철근 이음매로 접속하여 연결한다.

이상, 설명한 바와 같이 구축된 적층 공법에 의한 기둥 보 접합부 (패널 존) (10) 에 있어서, 도 1A, 1B 에 나타내는 올 프리캐스트 부재로 형성된 실시예의 경우와 동일하게, 보 단 단면적 (Ax, Ay) 에 대해서는, 톱 콘크리트를 보의 단면에 포함하지 않게 되기 때문에, 관계식 (1) 을 적용할 수 있다.

또, 도시는 생략하지만, PC 기둥, PC 보 및 기둥 보 접합부가 모두 현장 치기 콘크리트로 구축되는, 이른바, 현장 치기 프리스트레스트 콘크리트조에 의한 PC 구조물에 대해서도, 본 발명의 기둥 보 접합부의 프리스트레스 도입법은 동일하게 적용 가능하다. 단, 그 경우에는, 보 단 단면적 (Ax, Ay) 은, PC 긴장재를 긴장 정착하여 프리스트레스를 도입할 때에 있어서의 단면적을 채용한다. 예를 들어, 긴장 정착시에, 보의 상단에 슬래브가 아직 타설되어 있지 않은 경우에는, 보 단면적 (Ax, Ay) 은 슬래브를 포함하지 않는 것으로 한다. 보와 슬래브가 형성된 후에 긴장 정착하는 경우에는, 보 단면적 (Ax, Ay) 에는 슬래브를 포함하는 것으로 한다.

다음으로, 도입하는 프리스트레스를 적어도 5 층분을 1 구분으로 하여 동일값으로 하는 모드에 대해 설명한다.

각 층계의 기둥에 작용하는 축력은 가지각색이기 때문에, 기둥에 도입되는 프리스트레스는 그것에 맞추어 조절하여 프리스트레스와 축력의 합계를 균일하게 하는 것이 바람직하지만, 시공상의 긴장 관리는 매우 번잡하고 곤란하기 때문에, 본 발명에서는, 보에 대해 기둥의 비율을 허용 범위를 설정하여 (σz = 0.3 ∼ 0.9) 조정함으로써, 5 층분을 1 구분으로 하여 동일값으로 하는 것을 가능하게 했기 때문에, 설계와 시공을 효율적으로 하였다.

구체적으로 설명하면, 예를 들어 10 층으로 지어진 PC 구조 건물에 있어서, 1 ∼ 5 층까지의 기둥에 PC 강봉을 복수 개 배치로 하고, 6 ∼ 10 층까지의 기둥에 축력이 줄어들기 때문에, 줄어든 분량에 따라 PC 강봉을 추가 배치하여 보충한다. 각 계층의 기둥에 작용하는 축력과 프리스트레스의 합계가, 허용 범위 내 (σz = 0.3 ∼ 0.9) 에 용이하게 들어가고, 설계, 시공 모두 간단하게 실시를 할 수 있어, 실용성이 있는 프리스트레스 도입법이다.

극히 드물게 일어나는 대지진은 건물의 공용 (供用) 기간 중에 고작 한 번밖에 일어나지 않고, 일어났다고 해도, 기둥 보 접합부에 경사 균열이 발생하지 않으면 구조물에 큰 손상은 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 기둥 보 접합부에 발생한 경사 인장력의 일부가 남겨진 경우에, 인장 응력도가 콘크리트의 허용 인장 응력도 이하가 되도록 설정할 수도 있다. 이것은, PC 긴장재를 줄여 건설 비용 경감을 도모하는 것을 우선하는 경우에 적용된다.

1 : PC 기둥
10 : 기둥 보 접합부 (패널 존)
11 : 코벨
2 : PC 보
20 : 톱 콘크리트
3 : PC 강봉
31 : PC 케이블
4 : 대각 경사 균열
41 : 코너 경사 균열
5 : 철근
T : 인장력
Tc : 인장력
Cp : 합성 압축력
Cc : 코너 합성 압축력

Claims

PC 기둥과 PC 보로 복수 층계로 형성된 건물 구조의 기둥 보 접합부에 있어서, 평면 2 방향 (X, Y 축) 의 PC 보와, 연직 방향 (Z 축) 의 PC 기둥에 배치된 PC 긴장재를 기둥 보 접합부에 관통하여 긴장 정착한 긴장 도입력으로 기둥 보 접합부에 프리스트레스를 도입하여 3 축 압축 상태로 하는 방법으로서, 상기 기둥 보 접합부에 있어서, 대규모 지진시 (극히 드물게 일어나는 지진) 에도, 지진 하중에 의한 입력 전단력으로 발생한 경사 인장력의 전부 또는 일부를 상쇄하고, 경사 균열의 발생을 허용하지 않고, 각 축 방향으로 도입되는 프리스트레스의 비율을 하기의 식 (1) 을 만족하도록 하는 것을 특징으로 하는 기둥 보 접합부의 프리스트레스 도입법.
σx : σy : σz = 1 : 1 : 0.3 ∼ 0.9 (1)
또한, σx, σy, σz 는, 각 축 (X, Y, Z 축) 에 도입되는 프리스트레스로 하고, 다음의 식으로 산출한 것이다.
σx = Px/Ax Px : x 축 방향의 긴장 도입력, Ax : x 축 방향의 보 단 단면적
σy = Py/Ay Py : y 축 방향의 긴장 도입력, Ay : y 축 방향의 보 단 단면적
σz = Pz/Az Pz : z 축 방향의 긴장 도입력, Az : z 축 방향의 기둥 단 단면적
제 1 항에 있어서,
σx, σy, σz 의 값은, 이하에 나타내는 범위 내로 하는 것을 특징으로 하는 기둥 보 접합부의 프리스트레스 도입법.
2.0 ≤ σx ≤ 10.0 N/㎟
2.0 ≤ σy ≤ 10.0 N/㎟
0.6 ≤ σz ≤ 9.0 N/㎟
제 2 항에 있어서,
PC 기둥에 도입하는 프리스트레스 (σz) 를, 적어도 5 층분을 1 구분으로 하여 동일값으로 하는 것을 특징으로 하는 기둥 보 접합부의 프리스트레스 도입법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
대규모 지진시에, 상기 기둥 보 접합부에 발생한 경사 인장력의 일부가 상쇄되고, 일부가 남겨진 상태에 있어서, 남겨진 경사 인장력에 의한 인장 응력도가 기둥 보 접합부의 콘크리트의 허용 인장 응력도 이하가 되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 기둥 보 접합부의 프리스트레스 도입법.