KR20220063704A - 강화 소재를 이용한 벽체구조물 고정앵커 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중앙에 관통공이 있는 원통형으로서 복수의 절개부, 외주면의 돌출부 및 확장고정부를 포함하는 카트리지; 상기 카트리지의 이동을 제어하는 고정부재;
상기 카트리지의 확장고정부로 삽입되어 카트리지의 절개부를 확장시킴으로써 카트리지를 벽체에 고정하는 삽입부재; 및 상기 카트리지, 고정부재 및 삽입부재를 관통하여 정렬시키는 연결봉을 포함하고, 상기 카트리지, 고정부재 및 삽입부재로 구성된 고정부가 연결봉의 양 말단에 위치함으로써 건물 외벽의 지지력을 강화할 수 있는 벽체구조물 고정앵커를 제공한다.

Description

강화 소재를 이용한 벽체구조물 고정앵커 {FIXED ANCHOR TO WALL STRUCTURE USING REINFORCED MATERIALS}
본 발명은 외벽과 내벽을 일체화하여 공유 하중을 향상시키는 벽체구조물 고정앵커에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외벽과 내벽에 천공 작업을 하고 내진성 및 내풍성을 갖는 외벽과, 내진성 등이 상대적으로 열악한 내벽을 연결함으로써 설계하중을 적절하게 분산시킬 수 있는 벽체구조물 고정앵커에 관한 것이다.
최근 건축물에 대한 내진설계 기준이 강화됨으로써, 학교 건축물을 시작으로 중층이상의 공공 건축물과 관련된 내진보강공사 시장이 성장하면서 다양한 종류의 내진보강공법이 개발되고 있다.
하지만, 국내 개인 건축물의 대부분을 차지하고 있는 저층 비보강 조적조 건축물에 대해서는 내진보강 기술개발 및 대책이 미흡하며, 국내외적으로도 저층 비보강 조적조 건축물은 중층이상의 건축물에 비해 지진 및 각종 자연재해 등에 취약한 구조를 가지고 있으므로 해마다 각종 자연재해 및 노후화로 갑작스럽게 벽체에 균열이 발생하거나 건축물이 붕괴되는 등의 많은 피해를 입고 있다.
일반적으로 중층이상의 건축물에 적용되는 내진보강공법은 막대한 비용을 필요로 하는 경우가 많으므로, 저층의 개인 건축물에 이를 적용하기는 현실적으로 어려운 경우가 많다.
따라서, 개인 소유의 저층의 조적조 건축물을 대상으로 시공 용이성, 시공 경제성이 있으면서도 내진 성능을 향상시킬 수 있는 내진보강공법의 개발이 시급하다.
현재는 못이나 일반 볼트와 같은 체결부재를 설치하기 어려운 콘크리트, 점토벽돌 등에 각종 부착물을 결합하여 고정시킬 수 있도록 하기 위한 체결수단으로 다양한 구조의 앵커볼트가 사용되고 있다.
일반적으로 상기 앵커볼트는 콘크리트 벽에 천공한 구멍에 설치될 때, 슬리브를 타격하여 삽입함으로써, 슬리브의 선단부에서 볼트와 일체로 형성된 쐐기부가 삽입되면서 확관이 이루어져서 구멍 안에서 고정되게 한 것으로 타격에 의해 슬리브를 구멍안에 삽입 및 고정시키더라도 확실한 고정상태를 유지하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 상기 종래의 앵커볼트의 경우 내진설계를 위한 내벽의 유효 삽입 깊이까지 도달하기 어렵고, 외벽과 내벽의 균형있는 인발하중을 얻기 어려워 벽체구조물의 안정성이 떨어지는 경향이 있고, 일부 제품은 앵커의 직경이 커서 벽돌에 천공을 할 때 깨짐(크랙) 현상이 발생하고 시간이 지남에 따라 벽돌의 천공 직경이 넓어지면서 앵커볼트가 이탈되는 현상이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 앵커볼트의 슬리브는 스테인리스나 황동과 같은 금속소재로 되어 있어 생산원가가 높고, 소재가 상대적으로 무거워 취급이 어렵고, 시공을 함에 있어서도 벽체 내부에 확실한 고정을 하기 어려운 문제점이 있어 새로운 소재 적용의 필요성이 요구되고 있다.
본 발명은 외벽과 내벽을 일체화하여 공유 하중을 향상시키는 벽체구조물 고정앵커에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외벽과 내벽에 천공 작업을 하고 내진성 및 내풍성을 갖는 외벽과, 내진성 등이 상대적으로 열악한 내벽을 연결함으로써 설계하중을 적절하게 분산시키고자 하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시형태에서, 중앙에 관통공이 있는 원통형으로서 복수의 절개부, 외주면의 돌출부 및 확장고정부를 포함하는 고강도 플라스틱 카트리지; 상기 카트리지의 이동을 제어하는 고정부재; 상기 카트리지의 확장고정부로 삽입되어 카트리지의 절개부를 확장시킴으로써 카트리지를 벽체에 고정하는 삽입부재; 및 상기 카트리지, 고정부재 및 삽입부재를 관통하여 정렬시키는 연결봉을 포함하며, 상기 카트리지, 고정부재 및 삽입부재로 구성된 고정부가 연결봉의 양 말단에 위치하여 건물 외벽의 지지력을 강화하되, 상기 카트리지의 소재는 나일론 6 베이스 수지를 포함하는 일군 또는, 폴리카보네이트와 유리섬유의 혼합물을 포함하는 일군중에서 선택되도록 구성되며, 상기 카트리지 외주면의 형상은 볼록부와 오목부가 반복되는 형상으로 이루어지고, 상기 카트리지에 형성된 절개부의 길이는 카트리지 전체길이 대비 50 내지 90%로 형성되어 카트리지의 절개부가 확장되었을 때의 카트리지 직경이 확장되기 전의 직경 대비 최대 75%까지 증가될 수 있는 것을 특징으로 하는 내진설계용 벽체구조물 고정앵커를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 폴리카보네이트와 유리섬유의 혼합비율은 6:4 내지 8:2인 것을 특징으로 하는 내진설계용 벽체구조물 고정 앵커를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 삽입부재의 재질은 구리 및 아연을 90 질량% 이상 포함하는 합금 재질인 벽체구조물 고정앵커를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 삽입부재의 재질이 구리 60~70 질량%, 아연 30~40 질량%를 포함하는 황동인 벽체구조물 고정앵커를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 카트리지 외주면 돌출부 높이는 카트리지 직경대비 1 내지 10%의 크기로 형성되어 카트리지의 원주방향 마찰력을 증대시킨 벽체구조물 고정앵커를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 나일론 6 베이스 수지에 폴리아미드(PA: Polyamide), 폴리아세탈(POM: Polyacetal or Polyoxymethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate), 폴리설폰수지(PSU: Polysulfone resin), 폴리에테르 설폰(PES: Polyether sulfone), 폴리페닐렌 설파이드(PPS: Polyphenylene sulphide), 폴리페닐렌설폰(PPSU: Polyphenylene sulfone), 폴리에테르이미드(PEI: Polyether imide), 폴리아미드이미드(PAI: Polyamide imide), 폴리벤지미다졸(PBI: Polybenzimidazole), 폴리이미드(PI: Polyimide), 폴리아릴레이트(PA: Polyarylate) 및 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK: Polyether ether ketone)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄성부재를 혼합하는 것을 특징으로 하는 내진설계용 벽체구조물 고정앵커를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 삽입부재 대 카트리지의 직경비가 1:1 내지 1:1.3인 벽체구조물 고정앵커를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 카트리지의 확장고정부 반대편 말단부가 10~20°의 각도의 경사면을 포함하는 벽체구조물 고정앵커를 제공한다.
본 발명은 외벽과 내벽에 천공작업을 하고, 삽입부재가 카트리지의 확장고정부로 삽입되어 고정앵커의 절개부가 확장되는 벽체구조물 앵커가 외벽과 내벽에 연결됨으로써 건물 외벽의 지지력을 강화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 내벽의 유효 삽입 깊이를 확보하면서도, 외벽과 내벽의 인발하중을 향상시킴으로써 벽체구조물의 안정성과 내구력을 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 종래 금속소재 앵커의 카트리지를 강화소재인 나일론 6 베이스 수지 또는 폴리카보네이트와 유리섬유의 혼합물을 포함하는 고강도 플라스틱 소재로 대체하여 소재의 경량화를 달성함과 동시에 카트리지의 생산원가를 절감하였으며, 높은 인장강도, 인장신율을 가지는 엔지니어링 플라스틱의 기계적 특성을 활용하여 시공성을 향상시킨 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체구조물 고정앵커를 나타낸 도면이다
도 2는 본 발명의 카트리지의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체에 시공된 벽체구조물 고정앵커를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체에 시공된 벽체구조물 고정앵커의 인발하중 측정시험을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체에 시공된 벽체구조물 고정앵커의 전단 하중 측정시험을 나타낸 사진이다
이하, 본 발명을 통상의 기술자가 실시할 수 있도록 도면을 활용하여 상세히 설명하도록 한다. 단, 하기 설명한 내용은 본 발명의 일 실시예로써 이에 국한되는 것은 아니며, 상황에 따라 변경, 조합 등이 가능하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 벽체구조물 고정앵커(1)는 카트리지(2), 고정부재(3, 4), 삽입부재(5) 및 연결봉(7)을 포함할 수 있으며 카트리지(2), 고정부재(3, 4) 및 삽입부재(5)로 구성되는 고정부(6)가 연결봉(7)의 양 말단에 위치하여 건물 외벽의 지지력을 강화하는 역할을 할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 고정부(6)는 중앙에 관통공(20)이 있는 원통형으로서 복수의 절개부(21), 외주면의 돌출부(22) 및 확장고정부(23)를 포함하는 카트리지(2); 카트리지(2)의 이동을 제어하는 고정부재(3, 4); 카트리지(20)의 확장고정부(23)로 삽입되어 카트리지의 절개부(21)를 확장시킴으로써 카트리지(2)를 벽체에 고정하는 삽입부재(5)로 구성될 수 있다.
연결봉(7)은 카트리지(2), 고정부재(3, 4) 및 삽입부재(5)를 관통하여 정렬시키고 고정부(6)가 연결봉(7)의 양말단에 위치함으로써, 벽체구조물 고정앵커(1)가 형성될 수 있다.
상기 고정부재(3, 4) 및 연결봉(7)의 재질은 통상적으로 건축용 내장재 및 외장재에 사용되는 금속으로 그 범위가 한정되지는 않으나, 바람직하게는 강철 또는 스테인리스 재질이 사용된다.
삽입부재(5)의 말단부에 위치한 고정부재(4)는 연결봉(7)의 중심(70) 방향으로 이동하며 삽입부재(5)를 연결봉(7)의 중심(70) 방향으로 함께 이동시킬 수 있는데, 삽입부재(5)의 이동으로 카트리지의 외주면의 길이방향으로 형성되어 있는 절개부(21)가 확장되면서 확장고정부(23)가 도 3에서 설명할 벽체(100, 101)의 내부에 밀착되어 결합할 수 있다.
한편, 본 발명과 같이 내진설계기능을 가지기 위해서는 내벽과 외벽사이의 유효깊이 내로 고정앵커가 삽입되어야 하고 내벽과 외벽사이에 충분한 공간을 주기 위해서 긴 연결봉을 가지는 것이 필요하다.
위와 같이 충분히 긴 유효깊이내로 고정앵커가 삽입되기 위해서는 고정앵커가 삽임됨에 따라 벽체내부가 파손되는 현상이 발생하지 않아야 하는 바, 벽체와 맞닿는 카트리지가 지나치게 단단하게 구성되어서는 안되므로 카트리지의 강도 등의 물성이 적절하게 조절되어야 한다.
특히, 본 발명의 고정앵커에 있어서 가장 중요한 특성은 우수한 인발력을 지녀야 한다는 것이다. 일반적인 고정앵커의 경우, 간단한 물체를 거치하기 위한 역할을 가지는 바, 극단적으로 높은 인발하중을 견뎌야 할 필요가 없다. 그러나, 본 발명과 같이 외벽과 내벽사이에 설치되어 내진설계 효과를 거두기 위해서는 바람직하게는 3kN 이상의 인발하중을 견딜 수 있어야 하는 바, 이러한 높은 인발하중을 견딜 수 있는 고정앵커의 구성이 필요하다.
이에 본 발명에서는 카트리지의 소재 및 형상을 조절하여, 높은 인발하중을 견딜 수 있는 고정앵커를 제조하였다.
종래에 카트리지(2)의 경우, 대부분 금속소재로 제조되었는데 이렇게 금속으로 이루어진 카트리지의 경우, 가격이 비싸고 가공성이 떨어져서 원하는 형상을 가지도록 구성되기 어려웠으며, 깊은 절개ƒˆ이내로 삽입될 경우, 벽체 내부에 크랙을 형성하여 구멍이 넓어지는 현상이 일어났는 바, 절개 깊이를 가지도록 제조하는 것이 용이하지 않았다.
아울러, 상기 금속소재의 경우, 굴곡강도나 굴곡탄성이 떨어져서 외부에서 강한 압력이 가해질 경우 깨짐현상이 발생할 수 있었으며, 신율 및 탄성력이 떨어지는 바, 카트리지의 확장성이 떨어지고 제조된 형상대로 형상이 고정되어 벽체내부와 접합되었을 때, 형상변화가 전혀 일어나지 않아서 벽체내부 형상에 맞게 접합되지 않는 바, 밀착결합력이 떨어졌다.
한편, 기존 특허문헌 KR 10-2008-0105665호와 같이 강화플라스틱 소재를 이용하여 고정앵커를 제조한 발명이 소개되어 있기는 하나, 상기 특허문헌에서는 단순히 플라스틱 소재를 활용하여 벽체 내부에 가하는 충격을 완화시키는 효과에 대해 언급할 뿐, 내진보수용 고정앵커로 활용하기 위한 구체적인 소재의 성분이나 물성 등 필요한 다른 구성에 관한 정보가 전혀 나타나지 않았다.
상기 특허문헌에 기재된 바와 같이 플라스틱 소재의 경우, 벽체 내부에 손상을 방지한다는 점에서 금속 소재에 비해 일부 유리한점이 있다. 그러나, 가장 큰 문제점은 본 발명과 같이 내진보수용 고정앵커로 활용되기 위해서는 인발력이 우수해야 하는데 일반적인 플라스틱 소재를 사용할 경우, 인발력이 낮아서 우수한 내진효과를 기대할 수 없다는 점이었다.
따라서, 이러한 방법으로 제조된 고정앵커는 단순 벽체 고정앵커로 활용 가능할 뿐, 내진설계용 고정앵커로 활용할 수 없었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 상기 카트리지의 소재로서 활용될 수 있는 소재를 도출하고, 이러한 소재적 특성과 더불어 고정앵커로서 활용하기 위한 카트리지의 형상 및 절개길이등을 조절함으로서, 벽체 내부의 손상을 방지하면서도 인발하중을 크게 향상시킬 수 있는 고정앵커를 제조하였다.
본 발명에서는 상기 고강도 플라스틱으로서, 나일론 6 베이스 수지를 사용할 수 있으며, 상기 소재에 폴리아미드(PA: Polyamide), 폴리아세탈(POM: Polyacetal or Polyoxymethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate), 폴리설폰수지(PSU: Polysulfone resin), 폴리에테르 설폰(PES: Polyether sulfone), 폴리페닐렌 설파이드(PPS: Polyphenylene sulphide), 폴리페닐렌설폰(PPSU: Polyphenylene sulfone), 폴리에테르이미드(PEI: Polyether imide), 폴리아미드이미드(PAI: Polyamide imide), 폴리벤지미다졸(PBI: Polybenzimidazole), 폴리이미드(PI: Polyimide), 폴리아릴레이트(PA: Polyarylate) 및 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK: Polyether ether ketone)와 같은 탄성소재를 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 소재의 혼합비율은 나일론 6 베이스 수지 : 탄성소재가 10:0 내지 6:4로 혼합되는 것이 바람직하다.
실험을 통해 측정한 바에 따르면, 나일론 6 베이스 수지는 인장강도가 780kgf/cm2, 인장신율이 120% 굴곡강도가 1,200 kgf/cm2, 굴곡탄성이 26,000 kgf/cm2으로 매우 우수한 바, 이러한 나일론 6 베이스 수지를 베이스로 삼아 카트리지를 제조할 경우, 카트리지의 확장성이 매우 우수하게 나타날 수 있다.
구체적으로 이러한 나일론 6 베이스 수지는 가공성이 우수하며, 굴곡에 대한 저항력이 강하므로, 카트리지를 크게 확장시킨다 하여도, 카트리지가 깨지는 현상이 발생하지 않는 바, 절개길이를 충분히 길게 마련할 수 있었다. 이에, 종전 금속 카트리지에 비해 훨씬 긴 카트리지 길이 대비 50%이상의 절개길이를 확보할 수 있었으며, 최대 90%까지 절개길이를 확보할 수 있었다.
이와 같이 절개길이를 길게 확보하여 본 발명 카트리지는 확장전 대비 최대 75%의 매우 큰 확장성을 확보할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
이와 같이 카트리지의 확장성이 우수할 경우, 좁은 벽체내부로 카트리지를 삽입시킨 뒤, 카트리지를 크게 확장시켜 내부 천공의 형태에 구애받지 않고 카트리지를 내부에 강하게 밀착시킬 수 있다.
또한, 시간이 지날수록 벽체내부의 천공이 확장될 수 있는데, 본 발명 카트리지의 우수한 확장력으로 인해 시공이후 천공의 크기가 커진다 하여도 천공이 넓어지는 만큼 카트리지를 추가 확장시켜 결합력을 유지할 수 있는 바, 장기간동안 일정한 결합력을 유지할 수 있다는 장점이 있다.
아울러, 상기 나일론 6 베이스 수지는 아이조드 충격강도 역시 6Kgcm/cm로 높게 나타나는 바, 외부 충격에도 쉽게 파손되지 않으며, 외부하중이 가해져도 충분히 견딜 수 있는 바, 높은 인발력을 가지는 고정앵커를 제조하는데 매우 적합했다.
한편, 시공환경에 따라 나일론 6 베이스 수지에 앞서 기재한 다른 탄성소재를 혼합하여 사용할 수 있으며 이러한 혼합물에 있어서는 나일론 6 베이스 수지가 전체 소재대비 60% 이상 함유되는 것이 바람직하다.
나일론 6 베이스 수지가 60% 미만으로 함유될 경우, 인발력이 낮아지기 때문에 내진설비용 고정앵커로 사용되기에 용이하지 않다.
추가적으로, 이러한 카트리지 소재로서 나일론 6 베이스 수지가 아닌 폴리카보네이트 소재와 유리섬유를 6:4 내지 8:2의 혼합비로 혼합시킨 소재를 사용할 수 있다.
상기와 같은 소재는 앞서 살펴본 나일론 6 베이스 수지에 비해서 신율이 다소 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 가공성이 다소 떨어지긴 하나, 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성 및 아이조드 충격강도등이 더욱 우수하게 나타나는 바, 건물이 지어진 환경등을 고려하여 보다 높은 인발하중을 견뎌야 하는 경우에 상기와 같이 조합된 소재를 사용하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
상기 소재를 제조함에 있어, 유리섬유를 상기 비율보다 적게 넣을 경우, 물성강화의 정도가 낮아져서 나일론 6 베이스 수지를 사용하는 것에 비해 물성향상을 기대할 수 없는 바, 바람직하지 않다.
반면, 유리섬유를 삼기 비율보다 많이 넣게 되면, 신율이 지나치게 떨어져서 가공성이 낮아지는 바, 원하는 만큼의 확장성을 지닌 카트리지 제조가 어려워지므로 바람직하지 않다.
즉, 본 발명의 카트리지의 소재는 나일론 6 베이스 수지를 포함하는 일군 또는, 폴리카보네이트와 유리섬유의 혼합물을 포함하는 일군중에서 선택되도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 소재로 제조된 카트리지의 절개부(21)의 길이는 카트리지(2) 전체길이 대비 50 내지 90%로 형성될 수 있다.
기존 금속재질 카트리지의 경우, 절개부의 길이가 카트리지 전체길이 대비 50% 이상으로 형성될 경우, 확장이 진행됨에 따라 카트리지의 깨짐현상이 발생할 수 있었다. 이와 달리 본 발명의 카트리지는 소재적 특성으로 인해 최대 90%까지 절개부가 형성될 수 있어 더욱 확장력을 높일 수 있다.
상기 절개부(21)의 길이가 카트리지(2) 전체길이의 50% 이하인 경우 소재의 탄성강도에 의해 실제적인 확장정도가 낮게 나타나느 바, 벽체(100, 101)와의 내부 결합력을 충분히 확보하기 어려워 외벽의 지지력에 문제가 발생할 수 있다. 반대로, 90% 이상인 경우 시공 시 카트리지의 파열이 발생하여 고정앵커가 파손되는 문제가 발생할 수 있다.
카트리지(2)의 반경은 관통공(20)의 중심으로부터 카트리지(2)의 외주면까지의 길이로 정의될 수 있으며, 직경은 상기 반경의 2배 길이로 정의될 수 있다.
절개부(21)의 개수는 카트리지(2)의 길이와 폭에 따라 다양한 변화가 가능하지만, 벽체(100, 101)와의 내부 결합력을 고려하여 볼 때 n개(n=2 내지 8)가 바람직하다. 절개부(21)가 1개일 경우는 확장고정부(23)가 벽체(100, 101) 내부에 적절히 확장되어 결합하기 어려워 벽체 내부 결합력이 적절히 분산되지 못하는 문제점이 발생할 수 있다. 절개부(21)가 9개 이상인 경우는 벽체(100, 101)와 결합하는 확장고정부(23)의 외주면의 면적이 작아져 지지력에 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 카트리지의 외주면 상에 돌출부(22)가 마련될 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명 고정앵커의 시공과정에서 고정부재를 카트리지 방향으로 이동시키기 위하여 해머드릴비트와 같은 툴로 본체부를 회전시키는데, 이러한 회전 과정에서 매끄러운 표면을 가진 카트리지가 벽체 내부에서 미끄러져, 너트를 포함한 구성요소들이 헛도는 현상이 발생할 수 있다. 이 때, 상기 돌출부는 삼각형 형상으로 형성되어 카트리지와 벽면사이의 마찰력을 늘려주는 바, 헛도는 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
카트리지(2) 외주면 돌출부(22) 높이는 카트리지(2) 직경대비 5 내지 10%의 크기로 형성되어 카트리지의 원주방향 마찰력을 증대시킬 수 있다.
상기 카트리지(2) 외주면 돌출부(22) 높이가 직경대비 5% 이하일 경우는 원주방향 마찰력이 약하여 고정앵커(1)를 벽체에 고정할 때의 미끄럼 방지효과가 미비한 문제가 발생할 수 있고, 카트리지(2) 외주면 돌출부(22) 높이가 직경대비 10% 이상일 경우는 벽체(100, 101)의 인발하중 향상을 위한 유효 내부 깊이까지 고정앵커를 삽입할 수 없는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 종전 금속으로 이루어진 삼각형태의 돌출부의 경우, 날카로운 형태로 인하여 벽체내부로 가해지는 압력이 더욱 크게 증가하는 바, 벽체내부상에서 크랙을 형성시켜, 벽체내부의 홈을 더욱 크게 확장시키는 문제가 있었다. 이에 삼각형태로 제조하지 못하거나, 카트리지 직경 대비 충분한 크기로 제조하기 어려웠다.
그러나, 앞선 카트리지와 동일 소재로 구성된 본 발명의 돌출부는 소재적 특성으로 인하여, 삼각형태를 가지더라도 벽체 내부를 파손시키지 않고도 위와 같이 충분한 범위의 크기로 제조될 수 있다.
상기 카트리지(2)내로 삽입되어 카트리지를 확장시키는 삽입부재(5)의 재질은 구리와 아연을 주성분으로 하는 합금 재질일 수 있으며, 바람직하게는 구리 및 아연을 90 질량% 이상 포함하는 합금 재질일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 구리 60~70 질량%, 아연 30~40 질량%를 포함하는 황동일 수 있다. 아연의 질량%가 30 이하일 경우에는 삽입부재의 경도가 저하될 수 있는 문제가 있을 수 있고, 40 이상일 경우에는 경도는 증가될 수 있지만 삽입부재가 깨질 수 있는 취성이 증가하는 문제가 있을 수 있다.
삽입부재(5)의 반경은 관통공(20)의 중심으로부터 삽입부재(5)의 외주면까지의 길이로 정의될 수 있으며, 직경은 상기 반경의 2배 길이로 정의될 수 있다.
삽입부재(5) 대 카트리지(2)의 직경비는 1:1 내지 1:1.3 일 수 있다. 카트리지(2)의 직경이 삽입부재(5)의 직경보다 작은 경우 삽입부재(5)가 연결봉(7)의 중심(70) 방향으로 이동하면서 절개부(21)를 충분히 확장시키기 어려워 지지력 약화의 문제가 있을 수 있으며, 삽입부재(5) 대비 카트리지(2)의 직경 비율이 1.3이상일 경우 삽입부재의 직경과 대비하여 천공의 직경이 너무 커져서 확장고정부(23)가 벽체(100, 101) 내부에 적절히 확장되어 결합하기 어려워 벽체 내부 결합력이 적절히 분산되지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 카트리지(2)의 확장고정부(23) 반대편 말단부는 10~20°의 각도의 경사면을 포함할 수 있다. 확장고정부(23) 반대편 말단부가 10~20°의 각도의 경사면을 형성하게 함으로써, 카트리지(2)가 천공된 벽체의 내부에 삽입될 때 왜곡없이 쉽게 삽입될 수 있는 효과가 있다.
일반적인 금속 카트리지의 경우, 일정 형상을 유지하므로 말단이 부드럽게 삽입된다 하여도, 나머지 카트리지 면이 벽체의 홈과 꽉 맞을 경우에 여전히 삽입이 용이하지 않다는 단점이 있었다. 따라서, 모든 카트리지 면이 충분히 들어갈만한 홈을 확보할 필요가 있었다.
그러나, 본 발명의 카트리지는 소재적 특성에 의해 형태에 다소 탄력성을 가지는 바, 초기 삽입이 이루어질 경우, 이후의 삽입은 보다 용이하게 이루어져 있어서, 천공을 과하게 뚫지 않아도 유효깊이까지 충분히 카트리지를 삽입시킬 수 있는 장점이 있다.
카트리지(2)의 확장고정부(23)는 길이는 카트리지(2) 전체길이 대비 40 내지 60%로 형성될 수 있다. 확장고정부(23)의 길이가 카트리지(2) 전체길이의 40% 이하인 경우 벽체(100, 101)와의 내부 결합력이 약하여 외벽의 지지력에 문제가 발생할 수 있고, 60% 이상인 경우 벽체(100, 101)의 인발하중 향상을 위한 유효 내부 깊이까지 고정앵커를 삽입할 수 없는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 카트리지(2)의 확장고정부(23)는 절개부(21)가 확장되면서 벽체(100, 101)에 고정되는 부분으로 오목부(230)와 볼록부(231)를 포함한다. 구체적으로 상기 확장고정부에 해당하는 카트리지 외주면의 형상이 볼록부와 오목부가 반복되는 형상으로 이루러질 수 있으며, 이러한 오목부(230) 및 볼록부(231)는 카트리지(2) 외주면의 둘레를 따라 복수 개가 형성될 수 있다.
볼록부(231)는 벽체(100, 101)와 접촉 시 마찰력 증가를 위해 격자 또는 빗살무늬 형태의 표면을 가질 수 있다.
한편, 일반적인 금속 카트리지의 경우, 위와 같이 볼록부와 오목부가 반복적으로 나타날 경우, 오히려 볼록부 부분만 벽체에 닿게 되어 맞닿는 표면적이 줄어 들게 된다.
그러나 본 발명의 경우 이와 같이 볼록부와 오목부가 반복되는 형상을 갖출 경우, 벽체 내부에서 볼록부 부분이 가압될 때, 카트리지의 소재적 특성에 의해 볼록부 부분이 눌리는 형상변화가 일어나고 오목부 부분상에 벽체의 돌출부가 맞닿아서 벽체내부와 카트리지가 맞닿는 표면적이 최대로 발생할 수 있어서, 마찰력이 강화됨에 따라 고정앵커의 고정력이 더욱 커질 수 있다.
따라서, 카트리지(2)의 확장고정부(23)는 상기의 오목부(230) 및 볼록부(231)의 구조를 갖춤으로써, 삽입부재(5)에 의해 확장되어 벽체(100, 101)에 압착되는 표면적을 증가시킴으로써 벽체(100, 101)와의 내부 결합력을 강화시켜 주는 역할을 할 수 있다.
전체 볼록부(231)의 길이는 확장고정부(23)에서의 개개의 볼록부(231) 길이의 합으로 정의될 수 있다.
전체 볼록부(231)의 길이는 확장고정부(23)의 길이 대비 40 내지 75%로 형성될 수 있다. 전체 볼록부(231)의 길이가 확장고정부(23)의 길이의 40% 이하인 경우 벽체(100, 101)와의 내부 결합력이 약하여 외벽의 지지력에 문제가 발생할 수 있고, 75% 이상인 경우 벽체(100, 101)의 인발하중 향상을 위한 유효 내부 깊이까지 고정앵커를 삽입할 수 없는 문제가 발생할 수 있다.
확장된 카트리지(2)의 반경은 관통공(20)의 중심으로부터 확장된 카트리지(2)의 외주면까지의 길이로 정의될 수 있으며, 확장된 카트리지(2)의 직경은 상기 확장된 반경의 2배 길이로 정의될 수 있다.
상기 카트리지(2)의 직경은 확장고정부(23)의 절개부(21)가 확장되면서 증가될 수 있는데, 상기 고강도 플라스틱의 뛰어난 인장강도 및 인장신율의 특성으로 확장되기 전의 직경에 비하여 최대 75%까지 증가할 수 있다.
결과적으로 확장고정부(23)가 최대 75%까지 증가함으로써 벽체 내부에 압착되는 표면적이 증가되어 벽체(100, 101)와의 내부 결합력이 강화될 수 있으며, 시간이 경과함에 따라 점토 벽돌이 부식되면서 천공의 직경이 넓어지더라도 확장고정부(23)의 부착력이 유지될 수 있는 효과가 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 벽체구조물 고정앵커(1)은 천공된 벽체(100, 101)의 내부로 삽입되고 고정됨으로써, 벽체를 연결하여 건물 외벽의 지지력을 강화하는 역할을 할 수 있다. 상기 벽체(100, 101) 중 하나는 건물 외벽을 구성할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예 및 시험예를 제시한다. 그러나, 하기의 시험예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위해서 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예: 카트리지의 소재가 고강도 플라스틱인 고정앵커
<실시예 1: 시멘트 벽돌 벽체 및 점토 벽돌 벽체를 고정>
1. 중앙에 관통공이 있는 원통형으로서 길이가 22mm인 4개의 절개부, 높이가 1mm인 돌출부를 가지고 나일론 6 베이스 수지를 소재로 한 카트리지; 길이가 4mm이고 직경은 8mm인 강철로 구성된 고정부재; 길이가 22mm이고 직경은 8mm인 구리 65 질량% 및 아연 35 질량%인 황동이 소재인 삽입부재를 각각 준비하였다.
2. 직경이 4.5mm이고 길이가 245mm인 연결봉의 양 말단에 상기 1단계에서 준비한 카트리지, 고정부재 및 삽입부재를 관통하여 정렬시켜 도 1과 같은 형태의 총 길이 245mm인 벽체구조물 고정앵커를 준비하였다.
3. 시멘트 벽돌로 구성된 벽체와 점토 벽돌로 구성된 벽체의 간격을 90mm로 유지하고, 점토벽돌로 구성된 벽체를 관통하면서 시멘트 벽돌로 구성된 벽체에는 50mm의 깊이의 천공이 형성되도록 드릴 작업을 수행하였고, 양 벽체에 직경 10mm의 천공을 형성시켰다.
4. 상기 2단계에서 준비된 고정앵커를 상기 점토벽돌로 구성된 벽체를 관통시키면서 시멘트 벽돌에 형성된 천공에 고정앵커의 일측 말단을 위치시켰고, 또 다른 일측 말단은 점토벽돌로 구성된 벽체를 관통하게 하여 15mm 돌출되도록 하였다.
5. 벽체의 간격에 위치한 고정부재 중 상기 시멘트 벽돌로 구성된 벽체 쪽에 위치한 고정부재를 조절하여 고정앵커를 시멘트 벽돌로 구성된 벽체에 고정하였고, 상기 돌출된 부분에 위치한 고정부재를 조절하여 점토벽돌로 구성된 벽체에 고정하였다.
<실시예 2: 콘크리트 벽돌 벽체 및 점토 벽돌 벽체를 고정>
상기 실시예1의 시멘트 벽돌로 구성된 벽체를 콘크리트로 구성된 벽체로 대체하고 1~5단계를 한 번 더 수행하였다.
비교예: 카트리지의 소재가 금속인 고정앵커
<비교예 1: 시멘트 벽돌 벽체 및 점토 벽돌 벽체를 고정>
1. 중앙에 관통공이 있는 원통형으로서 길이가 22mm인 4개의 절개부, 높이가 1mm인 돌출부를 가지고 구리 65 질량% 및 아연 35 질량%인 황동을 소재로 한 카트리지; 길이가 4mm이고 직경은 8mm인 강철로 구성된 고정부재; 길이가 22mm이고 직경은 8mm인 구리 65 질량% 및 아연 35 질량%인 황동이 소재인 삽입부재를 각각 준비하였다.
2. 직경이 4.5mm이고 길이가 245mm인 연결봉의 양 말단에 상기 1단계에서 준비한 카트리지, 고정부재 및 삽입부재를 관통하여 정렬시켜 도 1과 같은 형태의 총 길이 245mm인 벽체구조물 고정앵커를 준비하였다.
3. 시멘트 벽돌로 구성된 벽체와 점토 벽돌로 구성된 벽체의 간격을 90mm로 유지하고, 점토벽돌로 구성된 벽체를 관통하면서 시멘트 벽돌로 구성된 벽체에는 50mm의 깊이의 천공이 형성되도록 드릴 작업을 수행하였고, 양 벽체에 직경 10mm의 천공을 형성시켰다.
4. 상기 2단계에서 준비된 고정앵커를 상기 점토벽돌로 구성된 벽체를 관통시키면서 시멘트 벽돌에 형성된 천공에 고정앵커의 일측 말단을 위치시켰고, 또 다른 일측 말단은 점토벽돌로 구성된 벽체를 관통하게 하여 15mm 돌출되도록 하였다.
5. 벽체의 간격에 위치한 고정부재 중 상기 시멘트 벽돌로 구성된 벽체 쪽에 위치한 고정부재를 조절하여 고정앵커를 시멘트 벽돌로 구성된 벽체에 고정하였고, 상기 돌출된 부분에 위치한 고정부재를 조절하여 점토벽돌로 구성된 벽체에 고정하였다.
<비교예 2: 콘크리트 벽돌 벽체 및 점토 벽돌 벽체를 고정>
상기 비교예1의 시멘트 벽돌로 구성된 벽체를 콘크리트로 구성된 벽체로 대체하고 1~5단계를 한 번 더 수행하였다.
시험예1: 인발하중 테스트
<시험예 1-1: 시멘트 벽돌 벽체 및 점토 벽돌 벽체 고정앵커의 인발하중 테스트>
한국화학융합시험연구원에 의뢰하여 인발시험기(LOAD CELL, 20kN)를 상기 실시예1 및 비교예1에서의 돌출된 부분에 고정하여 인발하중을 측정하였다.
상기 실시예1 및 비교예1의 조건으로 각각 3번씩 테스트를 수행했으며 수행된 시험결과는 하기의 표 1과 같다.
실시예 1 비교예 1
수행횟수 1 2 3 1 2 3
결과치(단위: kN) 3.26 3.33 3.28 2.41 2.37 2.46
<시험예 1-2: 콘크리트 벽돌 벽체 및 점토 벽돌 벽체 고정앵커의 인발하중 테스트>
한국화학융합시험연구원에 의뢰하여 인발시험기(LOAD CELL, 20kN)를 상기 실시예2 및 비교예2에서의 돌출된 부분에 고정하여 인발하중을 측정하였다.
상기 실시예2 및 비교예2의 조건으로 각각 3번씩 테스트를 수행했으며 수행된 시험결과는 하기의 표 2와 같다.
실시예 2 비교예 2
수행횟수 1 2 3 1 2 3
결과치(단위: kN) 4.31 4.29 4.35 3.68 3.72 3.66
시험예 2: 전단하중 테스트
<시험예 2-1: 시멘트 벽돌 벽체 및 점토 벽돌 벽체 고정앵커의 전단하중 테스트>
한국화학융합시험연구원에 의뢰하여 인발시험기(LOAD CELL, 20kN)를 상기 실시예1 및 비교예1에서의 돌출된 부분에 고정하여 전단하중을 측정하였다.
상기 실시예1 및 비교예1의 조건으로 각각 3번씩 테스트를 수행했으며 수행된 시험결과는 하기의 표 3과 같다.
실시예 1 비교예 1
수행횟수 1 2 3 1 2 3
결과치(단위: kN) 5.42 5.44 5.39 4.08 4.03 4.05
<시험예 2-2: 콘크리트 벽돌 벽체 및 점토 벽돌 벽체 고정앵커의 전단하중 테스트>
한국화학융합시험연구원에 의뢰하여 인발시험기(LOAD CELL, 20kN)를 상기 실시예2 및 비교예2에서의 돌출된 부분에 고정하여 전단하중을 측정하였다.
상기 실시예2 및 비교예2의 조건으로 각각 3번씩 테스트를 수행했으며 수행된 시험결과는 하기의 표 4와 같다.
실시예 2 비교예 2
수행횟수 1 2 3 1 2 3
결과치(단위: kN) 5.90 5.84 5.88 5.32 5.28 5.34
시험예 3: 고강도 플라스틱 소재의 물리적, 기계적, 열적특성 측정
하기의 표 5 내지 표7은 실시예에 사용된 카트리지 소재인 나일론 6 베이스 수지의 물리적 특성, 기계적 특성 및 열적 특성을 각각 측정한 것이다.
물리적 특성
property Test method Unit value
비중 ASTM D792 1.14
흡수율(23℃, water, 24h) ASTM D570 % 1.8
성형수축율(1/8) ASTM D955 % 1.3~1.5
기계적 특성
property Test method Unit value
인장강도(23℃) ASTM D638 kg/cm2 780
인장신율(23℃) ASTM D638 % 120
굴곡강도(23℃) ASTM D790 kg/cm2 1,200
굴곡탄성(23℃) ASTM D790 kg/cm2 26,000
Izod Impact Strength ASTM D256 kg*cm/cm 6
Rokwell Hardness ASTM D785 120
열적 특성
property Test method Unit value
융점 D789 ℃ 220
선팽창계수 D696 X10-4 cm/cm/℃ 0.8
열변형온도(4.6kg/cm2) ISO R75 ℃ 175
열변형온도(18.6kg/cm2) ISO R75 ℃ 65
난연성 UL94 HB
하기의 표 8은 나일론 6 베이스 수지외에 본 발명의 카트리지 소재로 활용될 수 있는 폴리카보네이트와 유리섬유를 7:3으로 혼합한 소재의 물리적 특성을 나타낸 것이다.
기계적 특성
property Test method Unit value
인장강도(23℃) ASTM D638 kg/cm2 967
인장신율(23℃) ASTM D638 % 54
굴곡강도(23℃) ASTM D790 kg/cm2 1510
굴곡탄성(23℃) ASTM D790 kg/cm2 60326
Izod Impact Strength ASTM D256 kg*cm/cm 10.3
시험예 4: 카트리지의 확장된 직경 측정
상기 실시예와 비교예에서 각각 준비된 고정앵커에서 삽입부재를 연결봉의 말단까지 카트리지의 직경이 더 이상 확장되지 않을 때까지 이동시켰고, 이 때 확장된 카트리지의 직경을 버니어 캘리퍼스를 이용하여 측정하였다.
하기의 표 9는 실시예와 비교예에서 확장된 카트리지의 직경의 전후를 나타낸 것이다.
실시예 비교예
확장 전 확장 후 확장 전 확장 후
카트리지 직경
(단위 mm)		 10 16.5 10 12.5
위와 같이, 본 발명의 카트리지를 사용할 경우, 확장시 카트리지의 직경이 65%만큼 상승하였으며 일반적인 금속 카트리지 (25% 확장) 에 비해서 2.6배의 확장력을 가질 수 있다.
아울러, 이러한 카트리지의 높은 확장력 및 우수한 탄성강도와 충격 강도등으로 인하여, 시멘트 벽돌과 점도 벽돌 사이에 본 발명의 고정앵커가 설치될 경우, 약 3.3kN의 인발하중을 견디는 바, 일반적인 내진설계용 고정앵커 (약 2.4kN견딤)에 비해서 인발하중을 견디는 힘이 약 1.37배 우수한 것을 확인할 수 있었으며, 콘크리트 벽돌과 점토 벽돌사이에 설치될 경우, 약 4.3kN의 인발하중을 견디는 바, 일반적인 내진설계용 고정앵커 (약 3.7kN견딤)에 비해서 인발하중을 견디는 힘이 약 1.16배 우수한 것을 확인할 수 있었다.
즉, 본 발명의 고정앵커를 사용할 경우 기존과 같은 금속 카트리지를 사용한 고정앵커에 비해서 우수한 내진성을 확보할 수 있으며, 특히 내진성이 다소 떨어지는 시멘트 벽돌으로 이루허진 내벽에 대해서도, 3kN 이상의 인발하중을 견딜 수 있는 내진성을 확보할 바, 범용성이 넓은 고정앵커임을 확인할 수 있다.
1: 벽체구조물 고정앵커
2: 카트리지
20: 관통공 21: 절개부 22: 돌출부 23: 확장고정부
230: 오목부 231: 볼목부
3, 4: 고정부재
5: 삽입부재
6: 고정부
7: 연결봉
70: 연결봉의 중심

Claims (8)

  1. 중앙에 관통공이 있는 원통형으로서 복수의 절개부, 외주면의 돌출부 및 확장고정부를 포함하는 고강도 플라스틱 카트리지;
    상기 카트리지의 이동을 제어하는 고정부재;
    상기 카트리지의 확장고정부로 삽입되어 카트리지의 절개부를 확장시킴으로써 카트리지를 벽체에 고정하는 삽입부재; 및
    상기 카트리지, 고정부재 및 삽입부재를 관통하여 정렬시키는 연결봉을 포함하며,
    상기 카트리지, 고정부재 및 삽입부재로 구성된 고정부가 연결봉의 양 말단에 위치하여 건물 외벽의 지지력을 강화하되,
    상기 카트리지의 소재는 나일론 6 베이스 수지를 포함하는 일군 또는, 폴리카보네이트와 유리섬유의 혼합물을 포함하는 일군중에서 선택되도록 구성되며,
    상기 카트리지 외주면의 형상은 볼록부와 오목부가 반복되는 형상으로 이루어지고,
    상기 카트리지에 형성된 절개부의 길이는 카트리지 전체길이 대비 50 내지 90%로 형성되어 카트리지의 절개부가 확장되었을 때의 카트리지 직경이 확장되기 전의 직경 대비 최대 75%까지 증가될 수 있는 것을 특징으로 하는 내진설계용 벽체구조물 고정앵커.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리카보네이트와 유리섬유의 혼합비율은 6:4 내지 8:2인 것을 특징으로 하는 내진설계용 벽체구조물 고정 앵커.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 삽입부재의 재질은 구리 및 아연을 90 질량% 이상 포함하는 합금 재질인 내진설계용 벽체구조물 고정앵커.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 삽입부재의 재질이 구리 60~70 질량%, 아연 30~40 질량%를 포함하는 황동인 내진설계용 벽체구조물 고정앵커.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지 외주면 돌출부는 삼각형상을 가지며, 돌출부의 높이는 카트리지 직경대비 1 내지 10%의 크기로 형성되어 카트리지의 원주방향 마찰력을 증대시킨 것을 특징으로 하는 내진설계용 벽체구조물 고정앵커.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나일론 6 베이스 수지에 폴리아미드(PA: Polyamide), 폴리아세탈(POM: Polyacetal or Polyoxymethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate), 폴리설폰수지(PSU: Polysulfone resin), 폴리에테르 설폰(PES: Polyether sulfone), 폴리페닐렌 설파이드(PPS: Polyphenylene sulphide), 폴리페닐렌설폰(PPSU: Polyphenylene sulfone), 폴리에테르이미드(PEI: Polyether imide), 폴리아미드이미드(PAI: Polyamide imide), 폴리벤지미다졸(PBI: Polybenzimidazole), 폴리이미드(PI: Polyimide), 폴리아릴레이트(PA: Polyarylate) 및 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK: Polyether ether ketone)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄성부재를 혼합하는 것을 특징으로 하는 내진설계용 벽체구조물 고정앵커.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 삽입부재 대 카트리지의 직경비가 1:1 내지 1:1.3인 것을 특징으로 하는 내진설계용 벽체구조물 고정앵커.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지의 확장고정부 반대편 말단부가 10~20°의 각도의 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 내진설계용 벽체구조물 고정앵커.
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