KR100631363B1 - 고력 인장볼트로 보강한 y형띠기둥 패널존 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 y형띠기둥의 패널존에서 기둥 좌우 보의 휨모멘트로 인한 인장응력을 반대편 보에 원활히 전달하는 공법으로 y형띠기둥(1) 내부에 콘크리트를 부어넣기 전 준비 작업을 원활하게 하고 기둥 속에 들어간 오물 청소와 콘크리트를 부어넣는 작업을 편하게 하여 공사의 질을 향상시키고 궁극적으로는 공사비와 공기를 대폭 절감시키는 것을 목적으로 한다.

철골 철근콘크리트 개념의 기둥에는 도 5와 같이 H형강 외곽을 철근콘크리트로 둘러싸는 것과 CFT가 있다. 전자는 H형강에 보를 접합한 후 철근배근, 거푸집, 콘크리트치기 및 거푸집을 제거하는데 상기 작업공종이 복잡하고 콘크리트를 부어넣는데 필요한 최소 크기의 콘크리트투입구(15, 16) 확보를 위하여 기둥 외곽 크기가 커진다. 이는 기둥 양 쪽 보의 연속성 때문에 H형강(12) 기둥에 용접하는 다이아프램(14) 때문이다. 반면 도 8의 CFT는 강관 외곽 면에 보를 접합하고 내부에 콘크리트(10)를 부어 넣는 것으로 기둥의 공장 제작 길이를 3개 층으로 할 때 패널존 주변에 측면 작업구(18)를 뚫어도 강관 내부에 다이아프램을 부착할 수 없으며, 도 1과 같은 인장볼트(7)를 끼우기도 쉽지 않아 층마다 강관을 잘랐다가 현장에서 잇는 방법을 쓰고 때로는 공사비 추가를 감수하여 외부에 다이아프램을 설치하기도 한다.

TSC나 BN보는 철골 철근콘크리트 기둥(11)이나 CFT(17)에 접합하는 것이 적합하나 값이 비싸 TSC나 BN보의 장점이 반감되므로 대신 y형띠기둥을 개발하였고 패널존에서 다이아프램 대신 보의 연속성을 확보하는 적절한 방법을 모색하는 것이 본 발명의 목적이다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 값싼 CFT 개념의 새로운 기둥 공법을 찾아내고, 작업구의 번잡성을 해소하고, CFT의 패널존에 고력 인장볼트(7)를 설치하기 위하여 기둥을 층마다 잘라 잇는 방법에서 탈피하고, 외부 다이아프램이 아니고도 기둥 좌우 보가 연속성을 이루는 방편을 마련하는 것이다.

본 발명은 도 3과 같이 패널존 직상부에 y형강판(5a)을 부착하지 않은 미완의 y형띠기둥(1)에 TSC보 또는 BN보(4)를 접합하고 고력 인장볼트를 조립한 후 콘크리트를 붓고 상부기둥에 들어간 오물은 상부 콘크리트 시공 직전에 청소한 후 y형강판(5a)을 용접하는 고력인장볼트로 보강한 y형 띠기둥 패널존 공법이다.

Description

고력 인장볼트로 보강한 y형띠기둥 패널존 공법{Panel zone system of y shape tied column reinforced with high tension bolts}

철골 철근콘크리트 기둥(11)에서 대표적인 것은 도 5와 같이 단면 중앙 부위에 H형강을 세우고 그 외곽을 철근콘크리트로 둘러싸는 것인데, 최근에는 간혹 강관 내부에 콘크리트를 채우는 CFT도 활용한다. 위 철골 철근콘크리트 기둥은 공사 공정상 중앙의 H형강 기둥에 보를 접합한 후에야 기둥철근을 배근하고 거푸집을 댄 다음 콘크리트를 부어 넣어 양생 후 거푸집을 제거하지만 상기 작업 공정이 복잡할 뿐만 아니라 기둥 콘크리트를 부어넣는데 필요한 최소 크기의 콘크리트투입구(15, 16) 확보 때문에 기둥 외곽 크기가 커질 수밖에 없는 실정에 있다.

기둥 양 쪽 보의 연속성 확보를 위한 수단으로 H형강(12) 기둥에 다이아프램 (14)을 용접하는데, 이것이 차지하는 면적을 뺀 나머지가 콘크리트투입구(15, 16)로 활용되기 때문이다. 반면 도 8의 CFT는 보를 직접 강관 외곽 면에 접합하고 강관을 거푸집으로 삼아 내부 빈 공간에 콘크리트를 부어 넣으면 되므로 일견 간단하면서도 합리적이라고 생각할 수 있으나, 기둥의 공장 제작 길이를 3개 층으로 하는 설계 관행에 따르면 보를 접합하는 패널존 주변에다 측면 작업구(18)를 뚫는다 해도 그 구멍을 통해 강관 내부에 손을 넣어 다이아프램을 부착하는 현장 작업은 거의 불가능하며, 도 1과 같은 인장볼트(7)를 현장에서 끼워 조립하는 것도 좁은 구멍에 손을 넣고 볼트 구멍을 찾아 볼트를 끼워 맞추는 작업을 기피하여 이를 포기하고, 층마다 강관을 잘랐다가 현장에서 다시 잇는 비용과 번거로움을 감수하고 있다, 또한 최후 수단으로는 강관 외부에 다이아프램을 설치하는 방법도 활용하고 있으나 공사비용이 추가되는 단점이 있다.

3개 층 높이의 강관기둥 꼭대기에서 콘크리트를 부어 넣는 공법은 작업 여건상 거의 불가능할 뿐만 아니라 혹시 강행한다 해도 고공에서 낙하하는 콘크리트의 분리 현상 때문에 품질 보장이 어렵다. 위 설명에서 층마다 가설로 측면 작업구 (18)를 뚫는 경우는 콘크리트를 부은 후 원상으로 용접 복구하여야 하는데 그 이유는 CFT의 속성상 강관을 구성하는 외곽 강판이 강관 몸체 그 자체여서 주 응력을 받기 때문이다. 또한 특별한 경우에는 기둥 하부에 구멍을 뚫고 그 구멍을 통해 콘크리트를 고압으로 밀어 올리는 상향압입공법도 시도하지만 콘크리트의 측압이 크게 증가하여 얇은 강판으로 제작한 CFT에는 사용할 수 없다.

철골 철근콘크리트 기둥은 중앙의 H형강보다 외곽의 철근콘크리트가 구조상 더 큰 내력을 받는 경향이 있으며, 필요에 의하여 콘크리트의 외곽크기를 최소한으로 줄일 경우는 콘크리트의 품질 보장이 어려우므로 외곽 콘크리트를 내화피복 개념으로만 취급하고 구조재로는 활용하지 못하고 있다. 한편 CFT는 강관의 단위단가가 높기 때문에 외곽 크기를 될 수록 줄이는 경향이 있으므로 인하여 그 내부에 채우는 염가의 콘크리트 단면이 자동적으로 줄어들고 따라서 하중 부담 비율도 상대적으로 미미하여 공사비 절감 효과가 별로 없으므로 CFT 공법을 포기한 채 속 빈 강관만으로 전체 내력을 받도록 설계한다.

철골 철근콘크리트 기둥이나 CFT 기둥이 많이 활용되지 않는 이유도 상기한바 대로 철근콘크리트 기둥이나 철골기둥 보다 너무 비싼 구조이기 때문이며 따라서 축 하중이 큰 특수 대형 구조물에서나 궁여지책으로 사용하는 것이다. 그럼에도 불구하고 TSC나 BN보 등 강콘크리트 보가 접합되는 기둥으로 적합한 것은 철근콘크리트 기둥이나 철골기둥보다는 오히려 철골 철근콘크리트 기둥 또는 CFT인데 어려움이 있다. TSC나 BN보가 일반 다른 보(철근콘크리트보 또는 H형강보)에 비하여 월등한 경제성을 확보하고 있지만 이들이 접합되는 기둥 공사비가 상승함으로 인하여 경제성의 일부가 소진되고 있는 실정이다. 따라서 이를 해소하기 위한 수단으로 최근 4 구석에 L형강(2)을 세우고 그들 사이에 y형강판을 점용접(19)으로 부착하여 내부에 콘크리트를 부어넣는 y형띠기둥(1)을 개발하였으나 패널존에서 보의 연속성을 확보하기 위한 적절한 재래식 방법이 없다.

철근콘크리트 또는 철골 철근콘크리트 기둥에는 콘크리트를 부어넣기 전 상층부 보와 데크플레이트를 설치하는 과정에서 오물이 들어가는 경우가 많으나 이를 제거하는 작업구 마련에 어려움이 있다. 특히 CFT에서는 거의 불가능한 일이다.

강관 내부에 콘크리트를 채운 CFT(17)는 외부 강관이 구조재이면서도 시공 중에는 일시 거푸집 역할을 겸하는 합리적인 공법이다. 그러나 기둥 외곽 크기가 커지면 콘크리트를 부어 넣을 때 콘크리트의 측압으로 인한 강관 외벽의 휨 변형을 방지하기 위하여서는 강관 벽의 두께를 줄이는 데 한계가 있어서 하중이 경미한 상층부에서는 비경제적이므로 이를 해결하는 것이 첫 번째 기술적 과제이다.

둘째 과제는 CFT일 경우 각 층 보를 연결하는 패널존 직상에 콘크리트를 부어넣기 위하여 측면 작업구(18)를 뚫었다가 콘크리트를 부어넣은 후 다시 원상으로 용접 복구하는 번거로움을 해소하는 것이다.

셋째는 CFT의 패널존에 고력 인장볼트(7)를 설치하고자 시도하였으나 콘크리트를 부어넣기 위한 측면 작업구 만으로는 작업이 거의 불가능하여 기둥을 층마다 잘라 잇는 어려움을 감수하고 있으므로 이를 해소하는 방법이 필요하며, CFT의 패널존에 외부 다이아프램(14)을 설치하는 값비싼 방법을 활용하지 않고서도 기둥 좌우의 보가 연속성을 이룰 수 있는 방편을 마련하는 것도 기술적 과제이다.

넷째는 기둥 공사비를 줄여서 TSC나 BN보(4)와 같이 사용함으로 인한 전체 골조 공사비와 공기가 철근콘크리트나 철골구조에 비하여 절감되도록 하는 것이다.

다섯째로는 철근콘크리트나 철골 철근콘크리트 기둥은 상부층 보와 바닥 데크플레이트를 조립하는 과정에서 각종 오물이 기둥 속으로 들어가면 이를 제거하는 것이 어려우므로 이를 해소하는 방법이 필요하다.

도 3과 같이 공장에서 y형띠기둥(1)을 제작할 때 패널존 직상부에는 일부 y형강판(5a)을 부착하지 않은 미완상태에서 현장에 반입한다. 구석의 L형강(2)을 제외한 4면이 전부 개방된 위 미완상태의 부분은 그 바로 아래에 위치한 y형띠기둥의 패널존에 BN보(4) 또는 TSC보를 접합하고 고력 인장볼트(7)를 조립한 후 콘크리트를 부어넣는 작업에 활용하고 나서 상층부 보와 바닥 데크를 설치하는 과정에서 기둥에 들어간 각종 오물을 상부 콘크리트를 부어넣기 직전에 청소한 후 y형강판(5a)을 현장에서 용접한다.

TSC 보 또는 BN보(4)를 패널존에 부착하는 방법은 공장에서 하부강판과 접합용강판(9, 9a)을 L형강(2)과 주두강판에 용접하고 TSC 보 또는 BN보에는 접합용강판만 볼트 접합한 상태에서 현장반입한다. 현장에서는 TSC 보 또는 BN보를 하부강판(6)에 올려놓고 접합용강판과 볼트접합을 하거나 접합용강판의 주두강판(3)과 용접을 시행한다.

y형띠기둥은 일견 CFT(17)와 비슷한 것 같으면서도 그 구성 요소와 제작 방법, 구조 내력상 및 경제성에서 큰 차이를 보이고 있다. 도 1의 y형띠기둥(1) 패널존에 설치한 인장볼트(7)는 CFT의 패널존의 경우와는 달리 기둥을 층마다 절단하지 않고서도 현장에서 손쉽게 조립할 수 있다. 이는 y형띠기둥의 외벽이 균일한 두께의 강판으로 구성된 것이 아니라 도 7에서 보는 바와 같이 기둥, 보에 유발되는 휨모멘트가 큰 패널존만 CFT와 비슷한 단면이고 휨모멘트가 크지 않은 나머지 중간 부분은 4구석에만 L형강(2)이 있다. 나머지 부분은 얇은 강판으로 성형한 y형강판을 점용접(19)으로 L형강에 부착한 것이어서 굳지 않은 콘크리트의 큰 측압에 효과적으로 저항하여 경제적이다. 위 y형강판기둥은 패널존 상부 일정 구간을 공장에서 점용접하지 않은 미완상태에서 현장에 반입 후 미완 상태의 빈 구멍을 통해 보 접합과 고력 인장볼트를 자유롭게 체결하고 하층부 기둥 콘크리트를 부어 넣은 후 현장에서 나머지 y형강판(5a)을 부착하므로 작업 효율이 크게 향상되고 공사비와 공기가 대폭 절감되는 효과가 있다. 또한 y형띠기둥은 패널존 직상부의 y형강판(5a)은 상부 콘크리트를 부어넣기 직전 오물을 제거한 후에 부착해도 되므로 기둥의 품질저하를 사전에 막을 수 있다.

도 1은 y형띠기둥 패널존의 평면도,

도 2는 y형띠기둥의 입면도,

도 3은 y형띠기둥에 BN보를 접합한 사시도,

도 4는 BN보의 접합부 사시도,

도 5는 SRC 기둥의 패널존 상부 평단면도,

도 6은 SRC 기둥의 패널존 하부 평단면도,

도 7은 기둥과 보로 구성된 골조의 휨모멘트도,

도 8은 CFT 기둥에 BN보를 접합한 사시도이다.

〈도면의 부호에 대한 간단한 설명〉

1 : y형띠기둥 2 : L형강

3 : 주두강판 4 : BN보

5, 5a : y형강판 6 : 하부강판

7 : 인장볼트 8 : 전단볼트

9, 9a : 접합용 강판 10 : 콘크리트

11 : 철골 철근콘크리트 기둥(SRC 기둥) 12 : H형강

13 : 기둥철근 14 : 다이어프램

15, 16 : 콘크리트 투입구 17 : CFT

18 : 측면 작업구 19 : 점용접

*TSC보 : 1999년에 개발하여 특허신청 및 신기술(418호) 지정을 받아 사용중인 강콘크리트 보.

*BN보 : TSC보의 상부 플랜지를 병목형으로 변형하여 시어코넥터 용착 없이 구멍을 뚫어 볼트로 좌우 플랜지를 긴결하는 신형 강콘크리트 보.

*CFT : Concrete filled tube로 강관 내부 빈 공간에 콘크리트를 채운 기둥.

*패널존(Panel zone): 기둥에 보를 접합하는 부위로 응력이 집중됨.

*다이아프램(Diaphragm): 기둥 좌우 보의 플랜지 응력을 서로 연결해 주는 매개체로서 주로 강판을 용접함.

Claims (2)

1. y형띠기둥(1)과 BN보(4)를 연결하는 기둥 보 접합부의 패널존 ;

   상기 패널존 직상부 일부 구간은 4구석의 L형강(2)에 y형강판(5a)을 공장에서 부착하지 않은 채로 제작하여 현장반입 하고 ;

   상기 구간을 통해 보 접합과 고력 인장볼트(7)를 조립하여 보의 휨모멘트로 인한 인장력을 인접 보에 원활하게 전달시키도록 하며 ; 및

   해당 층의 콘크리트(10)를 부어 넣고 양생된 후, 상층부 콘크리트 타설 시 작업과정에서 들어간 오물을 제거하고 현장에서 y형강판(5a)을 부착하여 콘크리트 타설이 가능하도록 구성된 특징으로 하는 고력 인장볼트로 보강한 y형띠기둥 패널존 공법.
2. 제1항에 있어서 패널존은 BN보(4)를 설치 고정 시키는 하부강판(6)과 BN보의 측면 및 상부를 고정시키는 접합용 강판(9, 9a)으로 구성된 것을 특징으로 하는 고력 인장볼트로 보강한 y형띠기둥 패널존 공법.