WO2014021554A1

WO2014021554A1 - 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔과 그 제작방법

Info

Publication number: WO2014021554A1
Application number: PCT/KR2013/005542
Authority: WO
Inventors: 채일수
Original assignee: Chae Il Soo
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2014-02-06
Also published as: KR101223145B1

Abstract

본 발명은 제작이 용이하면서도 좌굴 및 비틀림에 대한 저항성을 크게 향상시킨 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔과 이를 제작하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 용접빔은, 상부 플랜지, 하부 플랜지 및 요철형 웨브로 이루어지고, 양 단부에는 다른 구조부재와의 접합을 위한 체결수단이 구비되어 있으며; 상기 요철형 웨브는, 상부 플랜지와 하부 플랜지가 각각 접합되는 상단 평탄부와 하단 평탄부 및, 상기 상단 평탄부와 하단 평탄부 사이의 중간부에 형성되는 요철부로 이루어지고, 상기 요철부는 웨브 평면에 대하여 수직하는 방향으로 돌출되는 오목부와 볼록부가 교대로 형성되되, 상기 오목부와 볼록부 사이에는 일정한 길이를 갖는 중심축부가 위치하도록 형성되며, 상기 중심축부는 상,하단 평탄부와 동일한 평면을 이루는 것을 특징으로 한다.

Description

중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔과 그 제작방법

본 발명은 건축공사나 토목공사시 구조부재로 사용되는 용접빔에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제작이 용이하면서도 좌굴 및 비틀림에 대한 저항성을 크게 향상시킨 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔과 이를 제작하기 위한 방법에 관한 것이다.

철골구조는 건축물 및 사회기반시설의 공사시 널리 사용되고 있는 구조 중 하나로서, 강도가 큰 강재로 이루어져 있어 구조적 성능이 우수하며, 부재의 공장제작이 가능해 공기를 단축할 수 있고 균질한 품질을 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다.

그리고 보와 기둥과 같이 긴 길이를 가진 장대 구조의 구조체에서는, 중앙의 웨브와 이 웨브 양단의 플랜지로 이루어진 형강이 일반적으로 사용된다. 이 형강을 수직하중이 크거나 장지간을 가진 구조물에 적용하기 위해서, 기존에는 웨브의 높이를 크게 하거나, 웨브의 두께를 두껍게 하거나, 강도가 큰 재질의 강재를 사용하는 등의 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 방법들은 강재의 물량이나 중량당 단가의 증가를 가져오기 때문에 경제적이지 못하고, 웨브의 높이가 너무 높은 경우에는 공간활용의 측면에서 불리하다는 단점이 있다.

이런 문제점을 해결하기 위하여 웨브를 파형으로 형성시킨 용접빔이 제안되고 있는데, 그 예의 하나로 2005. 7. 18. 출원된 등록번호 20-0397805호의 철제 아이-빔을 들 수 있다. 도 1은 상기 등록번호 20-0397805호에 의한 용접빔을 전체적으로 나타내고 있는 사시도이다. 도 1에 따르면 상기의 강재 아이-빔은 웨브에 있어서 그 단면이 골과 언덕이 교대로 반복되는 파형을 이루도록 하되, 골 및 언덕을 이루는 단위 파형은 사다리꼴을 가지며, 웨브의 두께는 10mm 이상이고, 단위 파형의 길이와 폭은 대략 동일하다는 특징을 가지고 있다. 이러한 웨브 단면의 파형 형상으로 인해 웨브를 두껍게 하거나 스티프너를 설치한 것과 같은 효과가 발생하여 웨브의 전단강도가 증가한다는 장점을 부여한다.

그러나 상기와 같은 웨브의 파형 단면은 웨브를 플랜지에 용접하는 작업을 어렵게 함으로써 높은 품질의 용접빔을 제작하기가 쉽지 아니하게 하며, 평탄형의 웨브 또는 빔 단부의 체결판과의 결합이 용이하지 않다는 문제점이 있다. 또한 상기 파형 단면을 가진 웨브는 아코디언 효과를 발생시켜 오히려 용접빔을 구조적으로 불리하게 만드는 문제점을 나타낸다.

아코디언 효과란, 판의 단면을 판의 폭 전체에 대해 주름이 반복되는 형상으로 만든, 즉, 판을 아코디언의 형상으로 만든 파형판에 있어서, 판의 길이방향으로 인장력 또는 압축력을 가한 경우, 판이 이 힘에 대해 거의 저항하지 못하고 인장되거나 압축되어 변형되는 현상을 말한다.

파형판을 가진 부재가 건축물 등에 적용되어 하중을 받는 경우에는 위와 같은 아코디언 효과에 의하여 부재에 변형이 발생하게 된다. 예를 들어 파형판을 가진 부재가 두 기둥 사이에 강접합되어 보로 사용되는 경우, 보의 중앙에서는 상부에는 압축력이 발생하고, 하부에는 인장력이 발생하게 되며, 이러한 압축력과 인장력은 보의 처짐을 유발한다.

또 다른 종래기술로, 1984. 2. 28. 공고된 공고번호 특1984-0000199호의 I-빔구조가 제시된 바 있다. 도 2, 3은 상기 공고번호 특1984-0000199호의 I-빔구조를 도시한 종단면도 및 횡단면도이다. 상기 I-빔구조는 도 2, 3에 도시된 바와 같이 웨브에는 웨브판의 평평한 평면의 한쪽면으로부터 바깥쪽으로 돌출되어 형성된 다수의 파형들과 그 반대면으로부터 바깥쪽으로 돌출되어 형성된 다수의 파형들이 있고, 양쪽 플랜지에 인접하여 파형이 형성되지 않은 웨브의 양단부는 띠모양부분을 가지며, 그 띠모양부분의 폭은 최소한 그 웨브단면 두께의 2배 이상이 되도록 하여 형성되어 있다.

상기 공고번호 특1984-0000199호의 I-빔구조에서 웨브의 띠모양부분은 플랜지와의 용접을 용이하게 하면서 아코디언효과에 의한 변형을 다소 방지할 수 있다는 효과를 기대할 수 있다. 그러나, 공고번호 특1984-0000199호의 I-빔구조는, 웨브의 파형이 롤링가공에 의해 이루어지기 때문에, 규격이 다른 파형의 웨브를 제작하기 위해서는 롤링 가공을 위한 로울러 자체를 교환해야 하므로 제작단가가 상승되는 문제점이 있어 용접빔의 규격을 경제적인 비용으로 다양하게 형성시킬 수 없다는 문제점이 있으며, 또 구조적으로도 아코디언 효과의 방지를 상하부의 띠모양부분이 전담하기 때문에 상기 띠모양부분의 폭을 크게 하여야 하며, 이는 결국 파형단면이 가지는 스티프너 효과를 감소시킬 수 밖에 없는 문제점을 나타내고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 파형단면의 웨브가 가지는 효과를 그대로 가지면서도 아코디언효과에 의한 휨강성 저하를 방지하고, 용접 및 제작이 용이하면서도 다양한 규격의 용접빔을 경제적으로 제작할 수 있는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔과 그 제작방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상부 플랜지, 하부 플랜지 및 요철형 웨브로 이루어지고, 양 단부에는 다른 구조부재와의 접합을 위한 체결수단이 구비되는 용접빔에 있어서, 상기 요철형 웨브는, 상부 플랜지와 하부 플랜지가 각각 접합되는 상단 평탄부와 하단 평탄부 및, 상기 상단 평탄부와 하단 평탄부 사이의 중간부에 형성되는 요철부로 이루어지고, 상기 요철부는 웨브 평면에 대하여 수직하는 방향으로 돌출되는 오목부와 볼록부가 교대로 형성되되, 상기 오목부와 볼록부 사이에는 일정한 길이를 갖는 중심축부가 위치하도록 형성되며, 상기 중심축부는 상,하단 평탄부와 동일한 평면을 이루는 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 중심축부의 길이 또는 오목부와 볼록부가 차지하는 면적에 대한 중심축부가 차지하는 면적의 비율을 용접빔에 작용하는 응력의 종류 및 분포에 따라 다르게 구성하는 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 중심축부의 길이 또는 면적의 비율 변화는 용접빔에 작용하는 응력분포에 비례하여 점진적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 체결수단은, 용접빔의 양 단부에 부착되는 것으로서, 상기 용접빔의 상,하부 플랜지에 대하여 상하좌우로 더 돌출된 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부와 상,하부 플랜지가 위치한 내부에는 각각 체결공이 구비되는 체결판인 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 체결수단은, 용접빔의 단부에 위치한 웨브에 구비된 체결공이거나, 용접빔의 단부에 위치한 웨브 및 상,하부 플랜지에 함께 구비된 체결공인 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 용접빔을 제작하는 방법에 있어서, a) 용접빔의 제작을 위해 설계된 요철형 웨브의 높이에 여유폭이 더해진 폭을 가진 강판을 준비하는 단계; b) 상기 강판의 길이방향 중심선 상에 중심축부가 위치하도록 하면서, 상기 중심축부를 사이에 두고 오목부와 볼록부가 형성되도록 하되, 상기 오목부와 볼록부의 상하 길이는 요철형 웨브의 높이보다 작게 하여 요철형 웨브의 상, 하단에 각각 상단 평탄부와 하단 평탄부가 형성되도록 강판을 프레스하면서, 요철형 웨브의 설계된 높이와 일치하도록 상기 프레스된 강판의 여유폭을 절단하여 요철형 웨브를 재단하는 단계; c) 상기 b)단계에서 재단된 요철형 웨브의 상단 평탄부 및 하단 평탄부의 각 단부에 상부 플랜지와 하부 플랜지를 각각 용접하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔의 제작방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 c) 단계가 완료된 후, 웨브 및 상,하부 플랜지가 접합된 용접빔의 양 단부에 체결공이 구비된 체결판을 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔의 제작방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 b) 단계와 c) 단계 사이에, 웨브의 단부에 체결공을 형성하거나, 또는 웨브와 상,하부 플랜지의 단부 모두에 체결공을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔의 제작방법이 제공된다.

본 발명은 얇은 강판을 사용하면서도 스티프너 등 별도의 전단보강재의 설치 없이 충분한 전단내력을 가지게 하여 좌굴 및 비틀림에 대한 저항성을 크게 증대시키고 강재의 사용량을 줄일 수 있는 효과를 발휘하게 한다.

또한 본 발명은 아코디언 효과의 발생을 줄여 빔의 길이 방향에 대한 저항성을 향상시키고 상부 하중에 의해 쉽게 처짐이 발생되는 것을 방지하는 효과를 발휘하게 한다.

또한 본 발명은 빔의 다양한 규격에 대한 적용이 용이하고 제작상의 오차를 줄일 수 있는 요철형 웨브를 가진 용접빔의 제작방법을 제공함으로써 고품질의 다양한 규격의 용접빔을 경제적으로 제공할 수 있다는 효과를 발휘하게 한다.

도 1은 종래기술의 파형웨브를 가진 빔의 사시도이다.

도 2, 3은 또 다른 종래기술의 파형웨브를 가진 빔의 종단면 및 횡단면도이다.

도 4는 본 발명의 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔의 사시도이다.

도 5는 본 발명의 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔에 대한 종단면(A-A')도이다.

도 6은 본 발명의 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔에 대한 횡단면(B-B')도이다.

도 7는 요철형 웨브의 길이 전체에 대하여 각 오목부와 볼록부 사이에 있는 중심축부의 길이가 동일한 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔의 실시예이다.

도 8은 응력의 종류 및 분포상태에 따라 중심축부의 길이를 변화시킨 중간부 요철형 웨브를 갖는 용접비의 실시예이다.

도 9는 본 발명의 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔을 구성하는 오목부와 볼록부에 대한 여러 가지 실시예를 도시한 단면도이다.

도 10은 상기 오목부와 볼록부에 보강리브를 더 형성시킨 중간부 요철형 웨브의 단면도이다.

도 11은 본 발명의 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔의 단부에 체결판이 접합된 상태를 나타내는 사시도이다.

도 12는 본 발명의 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔을 연결플레이트로 기둥에 핀결합시킨 상태를 나타내는 단면도이다.

도 13은 본 발명의 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔을 기둥에 설치된 브라켓에 강접합시킨 상태를 나타내는 단면도이다.

도 14는 본 발명의 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔을 제작하는 과정을 순서대로 도시한 설명도이다.

도 15는 본 발명에 제작방법에 의해 웨브에 요철을 형성시킬 때 발생되는 제작상의 아코디언 효과를 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명의 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔은, 상부 플랜지, 하부 플랜지 및 요철형 웨브로 이루어지고, 양 단부에는 다른 구조부재와의 접합을 위한 체결수단이 구비되는 용접빔에 있어서, 상기 요철형 웨브는, 상부 플랜지와 하부 플랜지가 각각 접합되는 상단 평탄부와 하단 평탄부 및, 상기 상단 평탄부와 하단 평탄부 사이의 중간부에 형성되는 요철부로 이루어지고, 상기 요철부는 웨브 평면에 대하여 수직하는 방향으로 돌출되는 오목부와 볼록부가 교대로 형성되되, 상기 오목부와 볼록부 사이에는 일정한 길이를 갖는 중심축부가 위치하도록 형성되며, 상기 중심축부는 상,하단 평탄부와 동일한 평면을 이루는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명을 설명함에 있어 공지의 구성을 구체적으로 설명함으로 인하여 본 발명의 기술적 사상을 흐리게 하거나 불명료하게 하는 경우에는 위 공지의 구성에 관하여는 그 설명을 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명에 의한 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔을 전체적으로 나타내는 사시도이고, 도 5와 도 6은 각각 본 발명의 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔에 대한 종단면 및 횡단면을 나타내는 단면도이다.

도 4 내지 6을 참조하면, 본 발명에 의한 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔은, 상부 플랜지(200), 하부 플랜지(200') 및, 이들 상,하부 플랜지(200,200')에 접합되는 요철형 웨브(100)로 이루어진다. 상기 요철형 웨브(100)는, 상부 플랜지(200)와 하부 플랜지(200')가 각각 접합되는 상단 평탄부(110)와 하단 평탄부(110') 및, 상기 상단 평탄부(100)와 하단 평탄부(110') 사이의 중간부에 형성되는 요철부(120)로 이루어진다. 상기 요철형 웨브(100)의 요철부(120)는 웨브 평면에 대하여 수직하는 방향으로 돌출되는 오목부(122)와 볼록부(123)가 교대로 형성된다. 이와 같이 오목부(122)와 볼록부(123)로 형성된 요철부(120)는 스티프너의 기능을 함으로써 얇은 금속판으로 된 웨브의 전단 응력 및 비틀림 응력에 대한 저항성을 증대시킨다.

상기 요철부(120)의 상,하단에는 도 5에 도시된 바와 같이, 평탄면을 가지는 상단 평탄부(110)와 하단 평탄부(110')가 각각 형성되어 있다. 요철부(120)의 상,하단이 상,하부 플랜지(200,200')에 직접 결합되는 경우에는 웨브의 전단응력에 대한 저항성은 다소 향상될 수 있으나, 용접부위가 일정하지 않기 때문에 용접작업이 용이하지 아니하여 일부분만 용접하게 되는 등 빔의 구조적 일체성 저하에 따른 강성의 약화를 야기시키는 문제점이 발생될 수 있다. 그러나 상기 상,하단 평탄부(110, 110')는 상,하부 플랜지(200,200')에 대한 직선용접을 가능하게 하므로, 용접시공의 정밀성을 도모하여 고품질의 용접빔을 제공할 수 있게 한다. 또 상기 상,하단 평탄부(110, 110')는 하중의 작용시 요철부(120)에 대한 아코디언 효과를 1차적으로 감소시켜 빔의 길이방향에 대한 하중, 즉 축력 및 휨 하중에 대한 처짐이 발생하는 것을 방지하는 효과를 발휘하게 된다. 이를 보다 구체적으로 설명하면, 빔의 중앙부에 수직하중이 작용하는 경우 빔의 상부에는 압축응력이 발생하고 빔의 하부에는 인장응력이 발생하게 되며, 압축응력이 발생하는 빔의 상부에서는 요철형상의 주름이 접혀지려 하고 인장응력이 발생하는 빔의 하부에서는 요철형상의 주름이 펴지려 하며, 이러한 변형은 빔에 처짐이 발생하게 되는 상하방향으로 이루어지게 된다. 이와 같은 상하방향에 대한 변형은 상기 웨브의 상,하단에 부착된 상,하부 플랜지(200,200')가 잡아주는 기능을 하나, 상기 상,하부 플랜지(200,200')는 판상의 부재가 수평으로 부착되어 있기 때문에 상기의 변형을 완벽하게 방지할 수 없다. 더욱이 상,하부 플랜지(200,200')가 요철면에 직접 부착되는 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 용접상태가 완전하지 않기 때문에 빔의 처짐에 대하여 웨브와 플랜지가 분리될 우려가 있다. 이에 반하여 상기 요철부(120)의 양단에 형성되는 상,하단 평탄부(110, 110')는 요철부(120)와 동일한 하나의 강판으로 형성되어 있으며 상하방향에 대하여 강성이 큰 방향인 수직면으로 형성되어 있기 때문에 요철형상의 주름이 변형되는 것을 효과적으로 방지하여 빔에 처짐이 발생되는 것을 어느 정도 줄일 수 있는 작용을 하게 된다. 상,하단 평탄부(110, 110')의 이러한 작용효과는 띠모양의 평탄부를 형성시키는 띠의 폭(ℓ)이 크면 클수록 크게 증가하나, 반대로 요철부(120)의 길이가 짧아져 전단응력에 대한 저항력은 감소된다는 상반된 문제점을 나타내게 된다. 반대로 상기 띠의 폭(ℓ)이 너무 작으면 평탄부가 쉽게 찢어져 아코디언 효과를 발생을 충분히 저지할 수 없게 된다.

본 발명은 요철부(120)의 상,하단에 상,하단 평탄부(110, 110')를 형성시킴에 있어서 발생될 수 있는 상기의 문제점을 해결하기 위한 수단으로 상기 요철부(120) 내에 중심축부(121)를 형성시키는 것을 주요 기술적 특징으로 하고 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 요철부(120)는 웨브 평면에 대하여 수직하는 방향으로 돌출되는 오목부(122)와 볼록부(123)가 교대로 형성되며, 중심축부(121)는 상기 오목부(122)와 볼록부(123)의 사이에서 일정한 길이(k)를 가진 평탄면으로 형성된다. 상기 중심축부(121)는, 오목부(122)와 볼록부(123)가 서로 대칭구조를 이루는 중심축선상에 위치하게 되며 요철부(120)의 상,하단에 형성되는 상,하단 평탄부(110, 110')와 동일한 평면을 이루게 된다. 이러한 동일 평면은 상,하단 평탄부(110, 110')와 중심축부(121)가 연속된 I 형상의 유기적인 일체적 구조를 가지게 함으로써 웨브의 중간부에 형성된 요철부(120)에 의해 발생되는 아코디언 효과에 의한 변형을 효과적으로 감소시키게 된다. 따라서 상기 중심축부(121)는 요철부(120)의 길이를 길게 하거나, 평탄부(110, 110')의 띠의 폭(ℓ)을 크게 하지않고도 웨브의 전단응력에 대한 저항성을 충분히 유지시키고 이에 상반되게 증가되는 빔의 처짐을 충분히 극복할 수 있게 한다.

상기 요철부(120)에 형성되는 중심축부(121)의 길이(k)는 도 7에 도시된 바와 같이, 웨브의 전체 길이에 대하여 각 오목부(122)와 볼록부(123)의 사이에서 동일하게 형성시킬 수도 있으나, 응력의 종류 및 크기에 따라 중심축부(121)의 길이(k)를 다양하게 변형시킬 수도 있다.

도 8은 중심축부(121)의 길이(k)를 응력의 종류 및 분포상태에 따라 변화시킨 제2실시예를 도시하고 있다. 중심축부(121)의 길이(k)가 길어지거나 오목부(122)와 볼록부(123)가 차지하는 면적에 비하여 중심축부(121)가 차지하는 면적의 비율이 증가할수록 아코디언 효과에 의한 변형은 감소시킬 수 있으나, 전단응력에는 취약해져 웨브 내에서 국부좌굴의 발생원인이 될 수도 있다. 이와 반대로 중심축부(121)의 길이(k)가 짧아지거나 오목부(122)와 볼록부(123)가 차지하는 면적의 비율이 증가할수록 상기의 국부좌굴 등에 대한 저항력은 증가되나 휨변형에 취약해질 수 있는 문제점이 있다. 따라서 제2실시예와 같이 응력의 종류 및 분포상태에 따라 중심축부(121)의 길이(k) 내지는 면적의 비율을 변화시키는 것은 용접빔의 사용 강재량을 최소화시키면서 용접빔에 발생되는 모든 응력에 대하여 효율적으로 대처하게 할 수 있다는 큰 효과를 발휘하게 한다. 상기 중심축부(121)의 길이 또는 면적의 비율 변화는 응력분포에 비례하여 변화시킬 수도 있을 것이며, 이 경우 강재사용량에 대한 효율성은 더 한층 극대화될 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이 공고번호 특1984-0000199호의 I-빔구조의 파형 웨브는 프레스 작업에 의한 제작이 불가능하고 롤링 작업에 의해서만 가능하기 때문에 규격 및 형상을 다양하게 제작하기 위해서는 많은 경제적 비용이 요구된다. 그러나 본 발명의 오목부(122)와 볼록부(123)의 사이에 형성되는 중심축부(121)는 프레스에 의한 제작을 가능하게 하고, 오목부(122)와 볼록부(123)의 규격에 따라 프레스의 몰드만을 변경시키거나 프레스 간격을 조절함으로써 경제적인 비용으로 다양한 규격 및 형상의 요철형 웨브(100)를 간단하게 제작할 수 있게 한다. 이러한 프레스에 의한 본 발명의 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔의 구체적인 제작방법에 관하여는 뒤에서 따로 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명의 용접빔을 구성하는 오목부(122)와 볼록부(123)에 대한 여러가지 실시예를 도시하고 있다. 오목부(122)와 볼록부(123)는 사다리꼴, 곡면으로 이루어진 파형, 직사각형, 정사각형의 어느 하나의 형태로 구성할 수 있다. 상기와 같이 다양한 형상으로 이루어지는 오목부와 볼록부는 스티프너의 기능을 발휘하여 웨브의 전단좌굴에 저항하게 되나, 이러한 스티프너의 기능을 강화하기 위하여 도 10에 도시한 바와 같이 오목부와 볼록부에 보강리브(124)를 더 설치할 수도 있다.

본 발명의 용접빔은 체결의 구조형식, 즉 핀결합(Pin), 반강접(Semi-Fix), 강접(Fix)의 어느 구조형식에 의할 것인지에 따라 각기 다른 체결수단이 더 부가된다. 도 11 내지 13은 체결의 구조형식에 따른 각 결합구조를 나타내고 있다.

도 11은 반강접의 구조형식에서 적용되는 결합구조로서 주로 경량지붕구조물에서 사용된다. 도 11에 의하면, 본 발명의 용접빔에는 빔의 양 단부에 기둥 등의 다른 구조부재와의 결합을 위한 체결판(300)이 더 부가된다. 상기 체결판(300)은 상,하부 플랜지(200,200')의 상하좌우로 더 돌출된 돌출부가 형성되며, 용접빔을 다른 구조부재에 결합시키기 위한 체결공(310)이 구비된다. 상기 체결판(300)에 구비되는 체결공(310)은 상기 돌출부와 상,하부 플랜지(200,200')가 위치한 내부에 함께 형성되며, 돌출부에 형성된 체결공은 강접(Fix)의 효과를 발휘하게 하고 내부에 형성된 체결공은 핀결합(Pin)의 효과를 발휘하게 한다.

보구조체 단부에서의 부모멘트를 무시하는 핀결합의 구조형식에 적용되는 결합구조를 나타내는 12는 본 발명의 용접빔을 연결플레이트(350)로 기둥(400)에 연결시키는 결합관계를 도시하고 있다. 도 12에 의하면, 본 발명의 용접빔의 양단에 위치한 요철형 웨브에는 체결공이 더 구비되어, 기둥(400)에 설치된 연결플레이트(350)와 볼트체결됨으로써 용접빔이 기둥에 핀결합으로 연결된다.

도 13은 본 발명의 용접빔이 기둥에 강접되는 구조를 나타내고 있다. 도 13에 의하면, 본 발명의 용접빔의 양단에 위치한 요철형 웨브와 상,하부 플랜지의 각각에는 체결공이 더 구비되고, 상기 본 발명의 웨브 및 상,하부 플랜지는 기둥에 미리 부착된 브라켓(450)의 웨브 및 상, 하부 플랜지와 연결플레이트(350)를 통해 결합된다.

상기와 같은 체결수단을 위한 본 발명의 용접빔 웨브의 단부는 중심축부(121)가 위치하도록 하는 것이 바람직하다. 용접빔 웨브의 단부에 위치한 중심축부는 체결판(300) 또는 연결플레이트 등과의 결합을 용이하게 할 뿐 아니라 용접빔의 단부에서 발생하는 휨응력에 효과적으로 대응할 수 있게 한다. 도 12, 13에서의 연결플레이트(350) 역시 본 발명의 용접빔 단부의 웨브 두께를 결과적으로 더 크게 하는 것이 되므로 상기 연결플레이트(350)에 의한 결합의 구성 역시 고유의 연결기능 외의 용접빔의 단부를 보강한다는 부가적인 효과를 기대할 수 있다.

도 14는 본 발명의 중간부 요철형 웨브(100)를 가진 용접빔을 제작하는 과정을 설명하고 있다. 본 발명의 중간부 요철형은 a) 여유폭을 가진 웨브용 강판을 준비하는 단계, b) 상기 웨브용 강판을 중간부에 요철부(120)가 형성되도록 프레스하면서 웨브의 설계된 높이로 재단하는 단계, c) 재단된 웨브의 상,하단에 상,하부 플랜지(200,200')를 용접하는 단계를 포함하여 이루어지며, 여기에 d) 상기 웨브 및 상, 하부 플랜지(200, 200') 또는 이들이 접합된 용접빔의 양 단부에 체결수단을 부가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이하에서는 상기한 각 단계를 구체적으로 설명한다.

a) 여유폭을 가진 웨브용 강판을 준비하는 단계

용접빔의 제작을 위해 설계된 요철형 웨브(100)의 높이(h)에 여유폭(s)이 더해진 폭(h+s)을 가진 강판을 준비하는 단계이다. 상기 여유폭(s)은 다음 단계의 프레스 작업시 발생될 수 있는 제작상의 아코디언 효과에 의한 웨브 높이의 불균일성을 제거하는 효과를 가지게 한다. 강판에 연속되는 요철을 형성시키기 위하여 순차적으로 프레스할 때 압입되는 하중의 차이 등 제작상의 오차에 의해 요철의 좌우에 미세한 차이가 발생할 수 있는데, 이러한 차이는 프레스를 통과한 강판을 평면상의 좌우로 변형시키게 되는데, 이를 제작상의 아코디언 효과라고 한다. 도 15는 상기와 같은 제작상의 아코디언 효과에 의하여 강판이 변형되는 상태를 개념적으로 설명하고 있다. 이와 같이 변형된 강판을 그대로 플랜지와 용접시킬 경우에는 웨브용 강판이 플랜지의 수평면에 전체적으로 밀착될 수 없기 때문에 용접빔에 불량이 발생하게 된다. 설계된 요철형 웨브(100)의 높이(h)에 더해지는 여유폭(s)은 전체적인 강판의 전체 폭을 증가시킴으로써 상기 제작상의 아코디언효과에 의한 변형을 억제시키면서도, 후술하는 웨브를 재단하는 단계에 의해 웨브가 설계치의 높이로 일정하게 형성될 수 있도록 하는 기능을 하게 된다.

b) 상기 웨브용 강판을 중간부에 요철부(120)가 형성되도록 프레스하면서 양 단부에 대한 여유폭을 커팅함으로써 웨브의 설계된 높이로 재단하는 단계

여유폭(s)이 더해진 폭(h+s)을 가진 상기 강판의 길이방향 중심선 상에 중심축부(121)가 위치하도록 하면서, 상기 중심축부(121)를 사이에 두고 오목부(122)와 볼록부(123)가 형성되도록 프레스하면서 요철형 웨브의 설계된 높이와 일치하도록 상기 프레스된 강판의 여유폭을 절단하여 요철형 웨브를 재단하는 단계이다.

이때 강판의 중앙에 형성되는 오목부(122)와 볼록부(123)의 상하 길이는 요철형 웨브(100)의 높이(h)보다 작게 하여 요철형 웨브(100)의 상, 하단에 각각 상단 평탄부(110)와 하단 평탄부(110')가 형성되도록 하여야 한다. 아울러 상기 중심축부(121)의 길이(k)는 일정하게 형성시킬 수도 있으나, 응력의 종류 및 분포상태에 따라 중심축부(121)의 길이(k) 내지는 오목부(122)와 볼록부(123)가 차지하는 면적에 대한 비율을 변화시켜 형성시킬 수도 있을 것이다. 아울러 오목부와 볼록부에 보강리브(124)를 더 형성시킬 수 있을 것임은 앞서 설명한 바와 같다.

프레스에 의해 요철부가 형성된 부위에 대하여는 곧바로 커팅작업이 이루어진다. 상기 커팅작업은 프레스 작업시 제작상의 아코디언 효과에 의해 변형된 강판의 양 단부에서 부가된 여유폭(s)의 대략 절반에 해당하는 폭을 직선으로 각각 절단하는 과정으로 이루어지며, 이러한 여유폭에 대한 커팅작업은 본 발명의 용접빔을 구성하는 중간부 요철형 웨브가 동일한 높이를 가지면서 직선상태를 유지하게 되어 용접빔 제작의 정밀성을 도모할 수 있게 한다.

c) 재단된 웨브의 상,하단에 상,하부 플랜지(200,200')를 용접하는 단계

상기 b)단계에서 일직선으로 재단된 상기 웨브(100)의 상,하단에 상부 플랜지(200)와 하부 플랜지(200')를 각각 용접함으로써 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔이 완성된다.

d) 상기 웨브 및 상, 하부 플랜지(200, 200') 또는 이들이 접합된 양 단부에 체결수단을 부가하는 단계

a) 단계 내지 c) 단계에 의해 제작된 본 발명의 용접빔은 연결플레이트 또는 직접 용접을 통해 각 구조부재에 접합되어 사용될 수 있으나, 볼트체결을 위한 체결수단이 더 부가될 수 있으며, 상기 체결수단은 앞서 설명한 체결의 구조형식에 따라 달라진다.

먼저, 상기의 체결수단으로 웨브 또는 웨브와 상,하부 플랜지 모두에 핀결합 또는 강접합을 위한 체결공을 형성시킬 수 있다. 이러한 체결공의 형성은 웨브를 재단하는 b) 단계와 웨브와 상,하부 플랜지가 용접되는 c) 단계의 사이에서 이루어진다.

또 다른 체결수단으로 반강접을 위한 체결판(300)을 웨브와 상,하부 플랜지가 접합된 양 단부에 형성시킬 수 있다. 상기 체결판(300)은 상,하부 플랜지(200,200')의 상하좌우로 더 돌출된 돌출부가 형성되도록 하되, 강결합을 위한 체결공(310)은 상기 돌출부에 구비되도록 하고, 핀결합을 위한 체결공(310)은 돌출부의 내부, 즉 상,하부 플랜지(200,200')가 위치한 내부에 구비되도록 한다. 아울러 상기 체결판(300)은 중간부 요철형 웨브(100)의 중심축부(121)에 위치시키는 것이 바람직할 것임은 앞서 설명한 바와 같다.

이상에서 본 발명의 구체적인 실시예를 참조하여 상세히 설명하였으나, 상기 실시 예는 본 발명을 이해하기 쉽도록 하기 위한 예시에 불과한 것이므로, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이를 다양하게 변형하여 실시할 수 있을 것임은 자명한 것이다. 따라서 그러한 변형 예들은 청구범위에 기재된 바에 의해 본 발명의 권리범위에 속한다고 할 것이다.

본 발명, 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔과 이를 제작하기 위한 방법은 건축공사나 토목공사시 구조부재로 사용되는 용접빔에 관한 것으로서 제작이 용이하면서도 좌굴 및 비틀림에 대해 큰 저항성을 가지므로 산업상 이용가능성이 있다.

Claims

상부 플랜지, 하부 플랜지 및 요철형 웨브로 이루어지고, 양 단부에는 다른 구조부재와의 접합을 위한 체결수단이 구비되는 용접빔에 있어서, 상기 요철형 웨브는, 상부 플랜지와 하부 플랜지가 각각 접합되는 상단 평탄부와 하단 평탄부 및, 상기 상단 평탄부와 하단 평탄부 사이의 중간부에 형성되는 요철부로 이루어지고, 상기 요철부는 웨브 평면에 대하여 수직하는 방향으로 돌출되는 오목부와 볼록부가 교대로 형성되되, 상기 오목부와 볼록부 사이에는 일정한 길이를 갖는 중심축부가 위치하도록 형성되며, 상기 중심축부는 상,하단 평탄부와 동일한 평면을 이루는 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔.
제1항에 있어서, 상기 중심축부의 길이 또는 오목부와 볼록부가 차지하는 면적에 대한 중심축부가 차지하는 면적의 비율을 용접빔에 작용하는 응력의 종류 및 분포에 따라 다르게 구성하는 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔.
제2항에 있어서, 상기 중심축부의 길이 또는 면적의 비율 변화는 용접빔에 작용하는 응력분포에 비례하여 점진적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔.
제1항에 있어서, 상기 체결수단은, 용접빔의 양 단부에 부착되는 것으로서, 상기 용접빔의 상,하부 플랜지에 대하여 상하좌우로 더 돌출된 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부와 상,하부 플랜지가 위치한 내부에는 각각 체결공이 구비되는 체결판인 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔.
제1항에 있어서, 상기 체결수단은, 용접빔의 단부에 위치한 웨브에 구비된 체결공이거나, 용접빔의 단부에 위치한 웨브 및 상,하부 플랜지에 함께 구비된 체결공인 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔.
용접빔을 제작하는 방법에 있어서,

a) 용접빔의 제작을 위해 설계된 요철형 웨브의 높이에 여유폭이 더해진 폭을 가진 강판을 준비하는 단계;

b) 상기 강판의 길이방향 중심선 상에 중심축부가 위치하도록 하면서, 상기 중심축부를 사이에 두고 오목부와 볼록부가 형성되도록 하되, 상기 오목부와 볼록부의 상하 길이는 요철형 웨브의 높이보다 작게 하여 요철형 웨브의 상, 하단에 각각 상단 평탄부와 하단 평탄부가 형성되도록 강판을 프레스하면서, 요철형 웨브의 설계된 높이와 일치하도록 상기 프레스된 강판의 여유폭을 절단하여 요철형 웨브를 재단하는 단계;

c) 상기 b)단계에서 재단된 요철형 웨브의 상단 평탄부 및 하단 평탄부의 각 단부에 상부 플랜지와 하부 플랜지를 각각 용접하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔의 제작방법.
제6항에 있어서, 상기 c) 단계가 완료된 후, 웨브 및 상,하부 플랜지가 접합된 용접빔의 양 단부에 체결공이 구비된 체결판을 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔의 제작방법.
제6항에 있어서, 상기 b) 단계와 c) 단계 사이에, 웨브의 단부에 체결공을 형성하거나, 또는 웨브와 상,하부 플랜지의 단부 모두에 체결공을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중간부 요철형 웨브를 가진 용접빔의 제작방법.