KR20210059064A - 사선형 내다이어프램이 설치된 cft 기둥구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강관의 내부에 콘크리트가 충진되는 CFT 기둥구조에 관한 것으로,
강판을 절곡한 것으로 베이스부(110)와 상기 베이스부(110)의 양단을 절곡한 2개의 절곡부(130)로 나뉘며 평면상 ㄷ자형 단면의 외관프레임(100);
상기 베이스부(110)의 내면과 상기 절곡부(130)의 내면 사이에 사선으로 경사지게 접합되는 내다이어프램판(200);
을 포함하여 구성되되,
상기 외관프레임(100)과 상기 내다이어프램판(200)의 결합체를 CFT유닛(U)으로 하여 상기 CFT유닛(U) 2개가 마주보고 접합되어 CFT유닛결합체(UC)를 형성하므로,
상기 외관프레임(100)의 외주면에 접합되는 보철골(500)의 응력이 상기 외관프레임(100)을 거쳐 상기 내다이어프램판(200)으로 사선으로 분산되는 것을 특징으로 하는 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조에 관한 것이다.

Description

사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조{the CFT column structure with diagonal line type internal diaphragm}

본 발명은 강관의 내부에 콘크리트가 충진되는 CFT 기둥구조에 관한 것으로, 용접 편의성을 고려하여 용접부위를 외부로 노출하고 유닛 단위로 부재를 설계하여 미숙련공도 제작과정에서 소정의 품질로 신속하고 용이하게 제작할 수 있고, 내다이어판을 사선으로 설치하여 응력의 집중 및 단절 없이 응력이 다른 부재에 사선으로 분산되는 것을 특징으로 하는 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조에 관한 것이다.

H형강으로 제작되는 기둥은 철골보와의 접합이 용이하나, 고가이면서 강축과 약축이 존재하는 문제점으로 인하여 최근에는 CFT(콘크리트 충전강관, Concrete Filled Steel Tube) 구조의 기둥이 각광을 받고 있다.

CFT(콘크리트 충진강관, Concrete Filled Steel Tube)구조는 강관의 폐쇄된 내부 공간에 콘크리트를 충진시킴으로써 철골과 콘크리트의 장점을 취할 수 있도록 한 구조를 말한다.

CFT구조는 외피를 이루는 강관이 그 내부의 콘크리트를 구속시킴으로써, 상기 콘크리트가 큰 압축력에 의해 급격히 파괴되는 일반적인 현상을 방지하여 상기 콘크리트의 내력을 상승시키고, 다른 한편으로 충진된 콘크리트에 의해 강관의 좌굴내력이 보강되어 부재의 내력을 크게 증가되는 바, 단면의 크기를 감소시켜 경제성을 도모하게 할 뿐 아니라 건축물의 활용공간을 극대화시킬 수 있게 한다.

이와 같이 CFT강관은 기둥으로 사용되는 경우 그 기둥 자체만으로는 매우 큰 축력을 지지할 수 있다는 구조적 장점이 있으나, 철골보 등의 보부재와 접합하는 경우에는 보부재에 의한 인장응력으로 인해 CFT강관을 구성하는 얇은 외피(철판)이 찢어져 국부 파괴가 일어나거나 심한 경우 접합부가 조기에 파단되는 경우가 발생되는 문제점이 있다.

따라서 보부재와의 접합시에는 CFT기둥의 외피를 이루는 강관의 국부손상을 방지하기 위하여 다이아프램(diaphram)이라는 보강수단을 사용하여 보부재에 의한 휨하중에 대응시키는 것이 일반적이다.

이러한 다이아프램은 크게 (1) 강관의 내부에 삽입하는 내측 다이아프램방식, (2) 강관의 외면에 테두리 형상으로 설치하는 외측 다이아프램 방식 및, (3) 강관을 관통시켜 내부에 설치하는 관통형 다이아프램 방식으로 설치되고 있으며,

그중 내측 다이아프램방식은 외측 다이아프램 등에서 시공성을 떨어뜨리는 현장에서의 강재 재단, 용접 작업 등의 문제점을 발생시키지 않을뿐더러 외관이 단순하고 깨끗하여 가장 선호되는 보강방식이라고 할 수 있다.

강관의 폐쇄된 단면의 내측에 다이아프램을 설치하기 위해서는 일반적으로 강관을 절단하여 다이아프램을 설치한 후, 다시 절단된 강관을 용접 이음하는 방식이 사용된다. 그런데 이러한 제작방식은 기둥부재에서 가중 중요한 수직도에 오차가 발생할 여지가 있을 뿐 아니라, 제작되는 강관의 규격이 한정되어 있어 특히 대단위 단면의 기둥에 대하여는 적용에 한계가 있다.

종래의 CFT 기둥구조는 (1) 내측 다이아프램방식, (2) 외측 다이아프램 방식 및, (3) 관통형 다이아프램 방식 여부를 불문하고 제작과정에서 용접부위가 많고 기능공의 작업공간이 확보되지 않아 제작에 어려움이 많았으며.

현장의 시공과정에서도 과다한 용접공종으로 인해 품질확보가 어렵고 공기가 지연되는 등의 문제점이 지적되어 왔다.

[문헌 1] 대한민국 등록특허 제10-1741218호 ‘내다이아프램이 설치된 박스형 CFT기둥구조체 및 그의 제작방법’, 2017년05월23일 [문헌 2] 대한민국 등록특허 제10-1804171호 ‘수직내다이아프램이 내장된 CFT기둥 구조체’, 2017년11월28일

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해서 제시되는 것이다. 그 목적은 강관의 내부에 콘크리트가 충진되는 CFT 기둥구조에 관한 것으로, 용접 편의성을 고려하여 용접부위를 외부로 노출하고 유닛 단위로 부재를 설계하여 미숙련공도 제작과정에서 소정의 품질로 신속하고 용이하게 제작할 수 있고, 내다이어판을 사선으로 설치하여 응력의 집중 및 단절 없이 응력이 다른 부재에 사선으로 분산되는 것을 특징으로 하는 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조를 제공하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 강관의 내부에 콘크리트가 충진되는 CFT 기둥구조에 관한 것으로,

강판을 절곡한 것으로 베이스부(110)와 상기 베이스부(110)의 양단을 절곡한 2개의 절곡부(130)로 나뉘며 평면상 ㄷ자형 단면의 외관프레임(100);

상기 베이스부(110)의 내면과 상기 절곡부(130)의 내면 사이에 사선으로 경사지게 접합되는 내다이어프램판(200);

을 포함하여 구성되되,

상기 외관프레임(100)과 상기 내다이어프램판(200)의 결합체를 CFT유닛(U)으로 하여 상기 CFT유닛(U) 2개가 마주보고 접합되어 CFT유닛결합체(UC)를 형성하므로,

상기 외관프레임(100)의 외주면에 접합되는 보철골(500)의 응력이 상기 외관프레임(100)을 거쳐 상기 내다이어프램판(200)으로 사선으로 분산되는 것을 특징으로 하는 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 강관의 내부에 콘크리트가 충진되는 CFT 기둥구조에 관한 것으로, 용접 편의성을 고려하여 용접부위를 외부로 노출하고 유닛 단위로 부재를 설계하여 미숙련공도 제작과정에서 소정의 품질로 신속하고 용이하게 제작할 수 있고, 내다이어판을 사선으로 설치하여 응력의 집중 및 단절 없이 응력이 다른 부재에 사선으로 분산되는 것을 특징으로 하는 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조를 제공한다.

도 1은 본 발명의 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조에서 CFT유닛의 사시도이다.
도 2는 본 발명에서 2개의 CFT유닛이 접합되어 CFT유닛결합체를 형성하는 과정이다.
도 3은 본 발명에서 CFT유닛결합체에 철골보가 접합되는 과정을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조의 평면도로써 응력전달과정을 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 정면도이다.
도 6은 도 4의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조에서 CFT유닛의 다른 실시예의 사시도이다.
도 8은 도 7의 실시예가 접합되어 CFT유닛결합체를 형성하는 과정이다.
도 9는 도 8의 CFT유닛결합체에 철골보가 접합되는 과정을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조의 다른 실시예의 평면도로써 응력전달과정을 도시한 것이다.
도 11은 도 10의 사시도이다.
도 12는 본 발명에서 양중고리를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명에서 양중고리를 이용한 양중과 레벨링 과정을 도시한 것이다.
도 14 내지 20은 본 발명의 유한요소 해석모델 시험과 결과를 도시한 것이다.

이하 첨부한 도면과 함께 상기와 같은 본 발명의 개념이 바람직하게 구현된 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

편의상 본 발명에서 강관 내부에 충진된는 콘크리트는 도시하지 않았다.

도 1은 본 발명의 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조에서 CFT유닛의 사시도이고, 도 2는 본 발명에서 2개의 CFT유닛이 접합되어 CFT유닛결합체를 형성하는 과정이며, 도 3은 본 발명에서 CFT유닛결합체에 철골보가 접합되는 과정을 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조의 평면도로써 응력전달과정을 도시한 것이고, 도 5는 도 4의 정면도이며, 도 6은 도 4의 사시도이다.

본 발명의 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조는,

강관의 내부에 콘크리트가 충진되는 CFT 기둥구조에 관한 것으로,

강판을 절곡한 것으로 베이스부(110)와 상기 베이스부(110)의 양단을 절곡한 2개의 절곡부(130)로 나뉘며 평면상 ㄷ자형 단면의 외관프레임(100);

상기 베이스부(110)의 내면과 상기 절곡부(130)의 내면 사이에 사선으로 경사지게 접합되는 내다이어프램판(200);

을 포함하여 구성되되,

상기 외관프레임(100)과 상기 내다이어프램판(200)의 결합체를 CFT유닛(U)으로 하여 상기 CFT유닛(U) 2개가 마주보고 접합되어 CFT유닛결합체(UC)를 형성하므로,

상기 외관프레임(100)의 외주면에 접합되는 보철골(500)의 응력이 상기 외관프레임(100)을 거쳐 상기 내다이어프램판(200)으로 사선으로 분산되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 모든 부재는 용접을 사용하여 결합되게 된다. 따라서 용접품질 확보를 위해서는 공장 제작시 용접공의 작업공간 확보가 중요하다.

본 발명은 용접공의 작업공간 확보를 위하여 부재 크기 및 위치 그리고 유닛단위의 부재설계를 통하여 용접공이 좁은 내부에 들어가거나 손을 집어넣어 위험한 용접작업을 수행하는 것을 방지하였다.

즉, 용접 편의성을 고려하여 용접부위를 외부로 노출하고 유닛 단위로 부재를 설계하여 미숙련공도 제작과정에서 소정의 품질로 신속하고 용이하게 한 것이 특징이다.

본 발명에서 구체적인 용접부위는 아래 그림과 같다.

위 그림에 도시된 바와 같이, 본 발명은 제작과정에서 용접의 편의성을 향상시키는 것을 목적으로 하므로, 용접공이 외부에서 용접품질을 살피면서 용접할 수 있다.

그리고 도 5에 도시된 바와 같이,

상기 내다이어프램판(200)의 상단의 레벨은 상기 보철골(500)의 상단의 레벨보다 높고,

상기 내다이어프램판(200)의 하단의 레벨은 상기 보철골(500)의 하단의 레벨보다 작은 것을 특징으로 한다.

본 발명은 (1) 소위 탑다운공법과 같이 지중에 기둥을 먼저 설치하고 보를 연결하는 공법에도 사용될 수 있고, (2) 통상적인 지상 골조에도 사용될 수 있다.

상기 (1)에 본 발명을 적용하는 경우, 먼저 다수개의 CFT유닛결합체(UC)를 지중에 설치하고, 굴착을 병행하면서 CFT유닛결합체(UC) 상호간에 상기 보철골(500)을 접합하여 연결하게 된다. 이때 상술한 바와 같이 강재보인 보철골(500)의 수직방향 시공오차에 대한 대응을 원활히 할 수 있도록 보철골(500)의 상하부로 상기 내다이어프램판(200)를 연장하여 배치한다. 따라서 보철골(500)의 춤 또는 설치레벨이 서로 다른 경우에도 문제없이 적용할 수 있다.

상기 (2)에 본 발명을 적용하는 경우에는, 상기 보철골(500)은 소위 브래킷 부재가 되어 CFT유닛결합체(UC)에 선 용접되어 현장에 반입된다.

도 14 내지 20은 본 발명의 유한요소 해석모델 시험과 결과를 도시한 것이다.

상기 내다이어프램판(200)으로 인한 본 발명의 가장 큰 특징은 도 4에 점선화살표로 도시된 바와 같이,

상기 외관프레임(100)의 외주면에 접합되는 보철골(500)의 응력이 상기 외관프레임(100)을 거쳐 상기 내다이어프램판(200)으로 사선으로 분산되는 것이다. 즉, 내다이어판을 사선으로 설치하여 응력의 집중 및 단절 없이 응력이 다른 부재에 사선으로 분산되는 것을 특징으로 한다.

이에 대한 구체적인 설명은 도 16 내지 22로 갈음하도록 한다.

그리고 아래 그림과 같이,

본 발명은 경제성을 확보하기 위하여 응력전달에 불필요한 부분을 삭제하여,

상기 보철골(500)이 I형 철골인 경우 상기 내다이어프램판(200)은 상부와 하부가 분절되어 상기 보철골(500)의 상부와 하부 플렌지 부위에만 각각 설치되고,

상기 보철골(500)이 T형 또는 역T형 철골인 경우 상기 내다이어프램판(200)은 상기 보철골(500)의 플렌지 부위에만 설치되는 것을 특징으로 한다.

즉, 내다이어프램판(200)은 보철골(500)의 플랜지의 하중을 전달하기 위한 것으로 보철골(500)의 웨브 접합면에서는 설치하지 않을 수 있다.

본 발명은 상기 CFT유닛(U) 내부에 충진되는 콘크리트가 상기 내다이어프램판(200)으로 인하여 분리되지 않도록,

상기 내다이어프램판(200)에는 스터드볼트(미도시)과 콘크리트연결홀(210) 중 어느 하나 이상이 설치되어, 상기 CFT유닛(U) 내부에 충진되는 콘크리트가 상기 스터드볼트(미도시) 또는 상기 콘크리트연결홀(210)로 인하여 상기 내다이어프램판(200) 좌우에서 응력전달이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 내다이어프램판(200) 좌우에서 충진되는 콘크리트가 상기 콘크리트연결홀(210)로 인하여 일체성을 가지고 상기 내다이어프램판(200)을 지지하므로,

상기 내다이어프램판(200)의 좌굴을 방지하여 응력전달을 함과 동시에, 충진되는 콘크리트 구체 자체로 인하여 응력전달을 하게 되므로 구조적 성능이 증가되게 된다.

도 7은 본 발명의 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조에서 CFT유닛의 다른 실시예의 사시도이고, 도 8은 도 7의 실시예가 접합되어 CFT유닛결합체를 형성하는 과정이며, 도 9는 도 8의 CFT유닛결합체에 철골보가 접합되는 과정을 도시한 것이다.

도 10은 본 발명의 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조의 다른 실시예의 평면도로써 응력전달과정을 도시한 것이고, 도 11은 도 10의 사시도이다.

본 발명의 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조의 다른 실시예는,

상기 절곡부(130)의 폭이 상기 베이스부(110)의 폭의 0.5배 이상이 될 경우,

상기 2개의 절곡부(130)의 단부 내면 사이에는 상기 내다이어프램판(200)과 동일 레벨에서 보강내다이어프램판(300);이 추가되어,

상기 CFT유닛(U) 2개가 마주보고 접합되 부위에 접합되는 보철골(500)의 응력이 상기 외관프레임(100)을 거쳐 상기 보강내다이어프램판(300)으로 직선으로 분산되는 것을 특징으로 한다.

도 12는 본 발명에서 양중고리를 도시한 것이고, 도 13은 본 발명에서 양중고리를 이용한 양중과 레벨링 과정을 도시한 것이다.

도 12 내지 13에 도시된 바와 같이,

본 발명은 상기 외관프레임(100)의 상단 내면에는 슬로프(710)가 형성된 양중고리(700)가 상기 외관프레임(100)의 상단으로 돌출되도록 접합되어,

현장에 설치된 하부의 CFT유닛결합체(UC) 상부로 상부의 CFT유닛결합체(UC)가 양중되어 하강 설치될 때,

상기 상부의 CFT유닛결합체(UC)의 하단은 상기 슬로프(710)에 의해 유도되어 상기 하부의 CFT유닛결합체(UC)의 상단에 자동으로 레벨링되어 거치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다.

따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

U: CFT유닛
UC: CFT유닛결합체
100: 외관프레임
110: 베이스부
130: 절곡부
200: 내다이어프램판
210: 콘크리트연결홀
300: 보강내다이어프램판
500: 보철골
700: 양중고리
710: 슬로프

Claims (6)

1. 강관의 내부에 콘크리트가 충진되는 CFT 기둥구조에 관한 것으로,
   강판을 절곡한 것으로 베이스부(110)와 상기 베이스부(110)의 양단을 절곡한 2개의 절곡부(130)로 나뉘며 평면상 ㄷ자형 단면의 외관프레임(100);
   상기 베이스부(110)의 내면과 상기 절곡부(130)의 내면 사이에 사선으로 경사지게 접합되는 내다이어프램판(200);
   을 포함하여 구성되되,
   상기 외관프레임(100)과 상기 내다이어프램판(200)의 결합체를 CFT유닛(U)으로 하여 상기 CFT유닛(U) 2개가 마주보고 접합되어 CFT유닛결합체(UC)를 형성하므로,
   상기 외관프레임(100)의 외주면에 접합되는 보철골(500)의 응력이 상기 외관프레임(100)을 거쳐 상기 내다이어프램판(200)으로 사선으로 분산되는 것을 특징으로 하는 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조.
   
2. 제1항에서,
   상기 내다이어프램판(200)의 상단의 레벨은 상기 보철골(500)의 상단의 레벨보다 높고,
   상기 내다이어프램판(200)의 하단의 레벨은 상기 보철골(500)의 하단의 레벨보다 작은 것을 특징으로 하는 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조.
   
3. 제1항 또는 제2항에서,
   상기 보철골(500)이 I형 철골인 경우 상기 내다이어프램판(200)은 상부와 하부가 분절되어 상기 보철골(500)의 상부와 하부 플렌지 부위에만 각각 설치되고,
   상기 보철골(500)이 T형 또는 역T형 철골인 경우 상기 내다이어프램판(200)은 상기 보철골(500)의 플렌지 부위에만 설치되는 것을 특징으로 하는 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조.
   
4. 제1항 또는 제2항에서,
   상기 CFT유닛(U) 내부에 충진되는 콘크리트가 상기 내다이어프램판(200)으로 인하여 분리되지 않도록,
   상기 내다이어프램판(200)에는 스터드볼트(미도시)과 콘크리트연결홀(210) 중 어느 하나 이상이 설치되어, 상기 CFT유닛(U) 내부에 충진되는 콘크리트가 상기 스터드볼트(미도시) 또는 상기 콘크리트연결홀(210)로 인하여 상기 내다이어프램판(200) 좌우에서 응력전달이 가능한 것을 특징으로 하는 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조.
   
5. 제1항 또는 제2항에서,
   상기 절곡부(130)의 폭이 상기 베이스부(110)의 폭의 0.5배 이상이 될 경우,
   상기 2개의 절곡부(130)의 단부 내면 사이에는 상기 내다이어프램판(200)과 동일 레벨에서 보강내다이어프램판(300);이 추가되어,
   상기 CFT유닛(U) 2개가 마주보고 접합되 부위에 접합되는 보철골(500)의 응력이 상기 외관프레임(100)을 거쳐 상기 보강내다이어프램판(300)으로 직선으로 분산되는 것을 특징으로 하는 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조.
   
6. 제1항 또는 제2항에서,
   상기 외관프레임(100)의 상단 내면에는 슬로프(710)가 형성된 양중고리(700)가 상기 외관프레임(100)의 상단으로 돌출되도록 접합되어,
   현장에 설치된 하부의 CFT유닛결합체(UC) 상부로 상부의 CFT유닛결합체(UC)가 양중되어 하강 설치될 때,
   상기 상부의 CFT유닛결합체(UC)의 하단은 상기 슬로프(710)에 의해 유도되어 상기 하부의 CFT유닛결합체(UC)의 상단에 자동으로 레벨링되어 거치되는 것을 특징으로 하는 사선형 내다이어프램이 설치된 CFT 기둥구조.

Images