KR200477104Y1 - 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 외측 다이어프램 방식으로 접합부를 보강하여 강관 기둥 접합부의 강도와 강성을 향상시키고, 강관 외측으로 돌출되는 다이어프램의 길이를 최소화하며, 강관 기둥 내부에 콘크리트 충진시 콘크리트가 밀실하게 충진될 수 있는 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조에 관한 것이다.
본 고안의 적절한 실시형태에 의한 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조는 중공형 강관 기둥과, 중공형 강관 기둥의 제1축 양면에 접합되는 제1축 접합부재와, 중공형 강관 기둥의 제1축에 직교하는 제2축 양면에 접합되는 제2축 접합부재와, 제1축 접합부재와 제2축 접합부재를 매개로 중공형 강관 기둥에 접합되는 강재 보를 포함하여 구성되며, 제1축 접합부재는, 폭방향의 양단이 중공형 강관 기둥으로부터 소정 길이 돌출되도록 연장되는 사각형 단면으로 구성되어 중공형 강관 기둥에 접합되는 기둥 접합판, 기둥 접합판의 중앙부에서 수직하게 돌출되어 강재 보의 웨브와 결합되는 보 접합판을 포함하여 T자 형상으로 구성되고, 제2축 접합부재는, 기둥 접합판의 높이 내에서 중공형 강관 기둥의 길이방향으로 이격되어 양단이 기둥 접합판의 돌출되어 연장된 부분에 접합되고, 기둥접합판 및 강관 기둥과 접합되는 내측 모서리는 부채꼴 형상으로 절단되며 강재 보의 상하부 플랜지가 각각 접합되는 한 쌍의 수평 스티프너로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조{Joint Structure of Steel Tube Column and Steel Beam}

본 고안은 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 외측 다이어프램 방식으로 접합부를 보강하여 강관 기둥 접합부의 강도와 강성을 향상시키고, 강관 기둥 내부에 콘크리트 충진시 콘크리트가 밀실하게 충진될 수 있는 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조에 관한 것이다.

중공형 강관 기둥이 강재 보와 접합되어 골조를 구성할 때 보의 하중은 기둥으로 전달되고 기둥의 접합부는 큰 내력을 받게 되어 면외 변형을 일으키기 쉽다. 따라서 기둥의 접합부에는 충분한 강성 및 내력을 갖도록 적절한 보강을 하는 것이 필수적이라고 할 수 있다.

일반적으로 기둥 접합부를 보강하기 위한 방법으로 다이어프램 방식이 사용되고 있다. 다이어프램 방식은 관통 다이어프램 방식과 내측 다이어프램 방식 및 외측 다이어프램 방식이 있다. 관통 다이어프램 방식은 강관 기둥을 각 층마다 절단하여야하는 문제점이 있고, 내측 다이어프램 방식은 강관 내부에 콘크리트 타설 시공시 콘크리트의 충진 문제가 있으며, 외측 다이어프램 방식은 다이어프램 제작비용과 마감재 처리의 문제가 있다.

강관 기둥을 이용하여 합리적인 구조설계를 도모하는 방식으로 콘크리트 충전 강관이 있다.

콘크리트 충전 강관이란(Concrete Filled steel Tube, 이하 CFT로 약칭함) 원형 또는 사각형상의 강관에 콘크리트를 충전한 콘크리트 충전강관을 말하며, CFT를 골조의 주요 구성부재 중 기둥부재에 채용하여 고축력에 저항하도록 한 구조를 CFT구조라 한다. CFT구조는 강관이 콘크리트를 구속함으로써 강성, 내력, 변형 등의 구조적인 면뿐만 아니라 내화 및 시공 등 다방면에서 우수한 성능을 발휘하고 내화피복의 감소에 의해 기둥의 치수를 작게 할 수 있다는 장점이 있어서, 기존의 철골구조(S조), 철근콘크리트구조(RC조), 철골 철근 콘크리트구조(SRC조)에 이은 제4의 구조로서 최근 각광을 받고 있다. 이러한 CFT구조는 최근 들어 개발된 새로운 구조 시스템으로서, 미국, 일본 등에서는 비교적 많은 연구가 진행되었고 현장에 원활하게 적용되고 있으며 최근에는 국내에서도 이에 대한 다양한 연구 및 시공 사례가 증가하고 있는 추세에 있다.

본 고안의 배경이 되는 기술로는 실용실안등록 10-0716453 ‘콘크리트 충전강관 기둥과 철골보의 접합부 보강 구조'(실용실안문헌1)가 있다. 이 실용실안은 소정의 길이를 가지면서 콘크리트 충전강관 기둥의 중심부를 가로질러 관통하도록 수평으로 설치된 관통플레이트 및 관통플레이트의 양 측면 중앙으로부터 돌출되어 콘크리트 충전강관 기둥의 내측면에 접하도록 설치된 한 쌍의 내측플레이트를 포함하여 구성되는 콘크리트 충전강관 기둥과 철골보의 접합부 보강 구조를 제안한다. 이 실용실안이 제안하는 접합부 보강 구조는 관통플레이트가 결합되는 철골보의 플랜지와 단부끼리 서로 연결되어짐으로써 강관 기둥 및 철골보의 접합부를 보강한다는 장점이 있으나 기둥내에 관통하는 부재가 존재하여 콘크리트의 밀실한 충전을 확신할 수 없고 빌트업(Built-up) 강관 형식이 아닌 기존의 냉간성형 각형 강관을 사용할 경우 내측 다이어프램을 삽입하기가 어려워 시공이 복잡하다는 문제점을 가진다.

(실용실안문헌 1) 실용실안등록 제10-0716453호 '콘크리트 충전강관 기둥과 철골보의 접합부 보강 구조'

본 고안은 상술한 종래기술이 가지는 문제점을 해결하기 위한 것으로 외측 다이어프램 방식으로 접합부를 보강하여 강관 기둥 접합부의 강도와 강성을 향상시키고, 강관 기둥 내부에 콘크리트 충진시 콘크리트가 밀실하게 충진될 수 있는 접합부 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 고안의 다른 과제는 외관이 복잡하지 않아 다이어프램의 제작 및 설치가 간편하여 마감 공사 등의 후속작업이 용이한 접합부 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 고안의 또 다른 과제는 기둥 외측으로 돌출된 다이어프램의 길이를 작게 할 수 있어 탑다운 방식에 의해 지하구조물을 구축할 때 기둥 설치를 위한 천공경을 작게 할 수 있는 접합부 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 고안의 적절한 실시형태에 의한 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조는 중공형 강관 기둥과, 중공형 강관 기둥의 제1축 양면에 접합되는 제1축 접합부재와, 중공형 강관 기둥의 제1축에 직교하는 제2축 양면에 접합되는 제2축 접합부재와, 제1축 접합부재와 제2축 접합부재를 매개로 중공형 강관 기둥에 접합되는 강재 보를 포함하여 구성되며, 제1축 접합부재는, 폭방향의 양단이 중공형 강관 기둥으로부터 소정 길이 돌출되도록 연장되는 사각형 단면으로 구성되어 중공형 강관 기둥에 접합되는 기둥 접합판, 기둥 접합판의 중앙부에서 수직하게 돌출되어 강재 보의 웨브와 결합되는 보 접합판을 포함하여 T자 형상으로 구성되고, 제2축 접합부재는, 기둥 접합판의 높이 내에서 중공형 강관 기둥의 길이방향으로 이격되어 양단이 기둥 접합판의 돌출되어 연장된 부분에 접합되고, 기둥접합판 및 강관 기둥과 접합되는 내측 모서리는 부채꼴 형상으로 절단되며 강재 보의 상하부 플랜지가 각각 접합되는 한 쌍의 수평 스티프너로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 중공형 강관 기둥은 사각형 단면을 갖는 강관 단일부재로 구성될 수 있다.

한편, 중공형 강관 기둥은 립달린 채널부재를 맞대어 구성될 수 있다.

또한, 중공형 강관 기둥은 복수의 강판으로 제작되어 ㅍ자 단면으로 구성될 수 있다.

이때, 중공형 강관 기둥은 중공에 콘크리트가 충전되어 콘크리트 충전 강관으로 구성될 수 있다.

본 고안에 따르면, 강관 기둥의 접합부에 철판 보강 및 스티프너가 설치되어 강관 기둥 접합부가 충분한 강성 및 내력을 갖도록 보강되는 동시에 기둥과 보의 접합을 간단하게 하여 시공성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 강관 기둥의 임의의 위치에 간편한 방법으로 보를 설치할 수 있으며 접합부 상세가 간단하여 시공성이 향상되고 접합부 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한, 기둥 외측으로 돌출된 다이어프램의 길이를 작게 할 수 있어 탑다운 방식에 의해 지하구조물을 구축할 때 기둥 설치를 위한 천공경을 작게 할 수 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 고안의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 고안의 상세한 설명과 함께 본 고안의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 고안은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 고안의 일실시예에 따른 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조의 사시도이다.
도 2는 본 고안의 다른 실시예에 따른 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조의 사시도이다.
도 3은 본 고안의 또 다른 실시예에 따른 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조의 사시도이다.

아래에서 본 고안은 첨부된 도면에 제시된 실시예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시예는 본 고안의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 고안은 이에 제한되지 않는다.

도 1은 본 고안에 따른 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조의 사시도이다.

본 고안에 따른 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조는 중공형 강관 기둥(1)과, 중공형 강관 기둥(1)의 제1축 양면에 접합되는 제1축 접합부재(10)와, 중공형 강관 기둥(1)의 제1축에 직교하는 제2축 양면에 접합되는 제2축 접합부재(20)와, 제1축 접합부재(10)와 제2축 접합부재(20)를 매개로 중공형 강관 기둥(1)에 접합되는 강재 보(2)를 포함한다.

중공형 강관 기둥(1)은 단면 내에 길이방향으로 중공이 형성되는 것으로 단일부재로 구성될 수 있고 복수의 부재로 제작되는 빌트업 기둥이 될 수도 있다.

도 1a는 중공형 강관 기둥에 제1축 접합부재가 설치된 사시도이다.

제1축 접합부재(10)는 양단이 중공형 강관 기둥(1)의 폭방향으로 돌출되도록 접합되는 기둥 접합판(11), 기둥 접합판(11)의 중앙부에서 수직하게 돌출되도록 구성되어 강재 보(2)의 웨브에 접합되는 보 접합판(12)을 포함한다.

제1축 접합부재(10)의 기둥 접합판(11) 및 보 접합판(12)의 크기는 중공형 강관 기둥(1) 양면에 접합되는 강재 보(2) 단면을 수용할 수 있도록 설계된다. 기둥 접합판(11)과 기둥의 접합 및 보 접합판(12)과 보의 접합은 이 분야에서 공지된 임의의 방법이 적용될 수 있다. 바람직한 예로는 도 1c에 도시된 바와 같이 기둥 접합판(11)은 중공형 강관 기둥(1)에 용접 접합되고, 강재 보(2)의 상하부 플랜지는 기둥 접합판(11)에 용접 접합되며, 강재 보(2)의 웨브는 보 접합판(12)에 볼트 접합된다. 그러나, 본 고안은 이에 한정되지 않고, 강재 보(2)의 상하부 플랜지가 기둥 접합판(11)에 별도의 앵글 부재를 통해 볼트 접합될 수도 있다. 이와 같은 방법으로 강재 보(2)는 제1축 접합부재(10)를 매개로 중공형 강관 기둥(1)에 강접합, 단순접합 또는 반강접합된다.

도 1b는 중공형 강관 기둥에 제1,2축 접합부재가 설치된 사시도이다.

도 1a에 도시된 것처럼 중공형 강관 기둥(1)에 제1축 접합부재(10)가 설치되고나면, 도 1b에 도시된 것처럼 제2축 접합부재(20)가 설치된다.

제2축 접합부재(20)는 기둥 접합판(11)의 높이 내에서 중공형 강관 기둥(1)의 길이방향으로 이격되어 양단이 기둥 접합판(11)의 돌출되어 연장된 부분에 접합되는 한 쌍의 수평 스티프너(21,21)를 포함한다.

한 쌍의 수평 스티프너(21,21)의 내측 모서리, 즉 기둥접합판(11) 및 강관 기둥(1)과 접합되는 코너 부분은 응력집중을 피하기 위하여 부채꼴 형상으로 절단되는 것이 바람직하다.

한 쌍의 수평 스티프너(21,21)는 중공형 강관 기둥(1)의 좌굴을 방지하며 보를 기둥에 간편히 접합하기 위한 수단이다. 이를 위해 수평 스티프너(21)의 이격거리는 기둥 접합판(11)의 높이 내에서 기둥에 접합되는 보의 높이에 상응하도록 설계된다. 예를 들어, 수평 스티프너(21)의 이격 거리를 접합되는 강재 보(2)의 상하부 플랜지 사이의 거리보다 크게 형성되어 강재 보(2)가 수평 스티프너(21) 사이에 삽입될 수 있고(도 1c 참조), 수평 스티프너(21)의 이격 거리와 접합되는 강재 보(2)의 상하부 플랜지 사이의 거리를 같게 할 수도 있다.

기둥(1)의 제2축에 접합되는 강재 보(2)는 한 쌍의 수평 스티프너(21,21)와 볼트 또는 용접으로 강접합, 단순접합 또는 반강접합되도록 접합된다.

도 1c는 본 고안에 따른 보 접합부 구조를 통하여 보가 중공형 강관 기둥에 접합된 사시도이다.

중공형 강관 기둥을 사용하는 구조에서 보와 기둥은 변형을 초래하는 응력집중에 의해서 접합부가 조기에 파단하게 되면 하중 전달이 곤란한 문제점이 있다.

본 고안에 따른 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조는 중공형 강관 기둥(1)의 외측면에 기둥 접합판(11)을 덧대어 두께를 증가시켜 보강하고 또한 수평 스티프너(21)가 설치되어 좌굴을 방지하여 기둥의 접합부가 충분한 강성 및 내력을 갖도록 하면서 동시에 기둥과 보의 접합을 간단하게 하여 시공성을 향상시킨다.

강재 보(2)는 중공형 강관 기둥(1)에 제1축 접합부재(10)와 제2축 접합부재(20)를 매개로 접합되며, 접합부재(10)와 제2축 접합부재(20)와 강재 보(20)의 접합은 이 분야에서 공지된 임의의 접합 구조로 즉, 강접합, 단순접합 및 반강접합으로 접합될 수 있고, 접합 방식은 볼트 또는 용접 접합 중에서 시공성, 작업성 등을 고려하여 선택될 수 있다.

도 2는 본 고안의 다른 실시예에 따른 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조의 사시도이고 도 3은 본 고안의 또 다른 실시예에 따른 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조의 사시도이다.

이상에서는 사각형 단면의 강관 단일부재로 구성되는 중공형 강관 기둥(1)에 대하여 도시 및 서술하였으나 본 고안은 이에 제한되지 않으며, 복수의 강판을 용접접합하여 사각단면을 구성할 수도 있다. 또한, 도 2에 도시된 립달린 채널부재를 맞대어 구성되는 중공형 강관 기둥(1a)이나 도 3에 도시된 복수의 강판으로 제작되어 ㅍ자 단면으로 구성되는 중공형 강관 기둥(1b) 등 여러가지 형상의 단면을 갖는 기둥에 응용될 수 있다. 또한 도시하지는 않았지만 중공형 강관 기둥(1,1a,1b)의 중공 내에는 콘크리트가 충진되어 CFT기둥 및 CFT구조로 응용될 수 있다.

이상과 같이 본 고안에 따르면, 기둥의 접합부에 철판 보강 및 스티프너가 설치되어 기둥 접합부가 충분한 강성 및 내력을 갖도록 보강되는 동시에 기둥과 보의 접합을 간단하게 하여 시공성을 향상시킨다.

또한, 기둥의 임의의 위치에 간편한 방법으로 보를 설치할 수 있으며 접합부 상세가 간단하여 시공성이 향상되고 접합부 단가를 낮출 수 있다.

또한, 기존의 외측 다이어프램과 비교할 때 기둥 외측으로 돌출된 다이어프램의 길이를 작게 할 수 있어 탑다운 방식에 의해 지하구조물을 구축할 때 기둥 설치를 위한 천공경을 작게 할 수 있다.

지금까지 본 고안은 제시된 실시예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시예를 참조하여 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 고안을 만들 수 있을 것이다. 본 고안은 이와 같은 변형 및 수정 고안에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

10: 제1축 접합부재 11: 기둥 접합판
12: 보 접합판 20: 제2축 접합부재
21: 수평 스티프너 1: 중공형 강관 기둥
2: 보

Claims (5)

1. 중공형 강관 기둥(1)과,
   중공형 강관 기둥(1)의 제1축 양면에 접합되는 제1축 접합부재(10)와,
   중공형 강관 기둥(1)의 제1축에 직교하는 제2축 양면에 접합되는 제2축 접합부재(20)와,
   제1축 접합부재(10)와 제2축 접합부재(20)를 매개로 중공형 강관 기둥(1)에 접합되는 강재 보(2)를 포함하여 구성되며,
   제1축 접합부재(10)는,
   폭방향의 양단이 중공형 강관 기둥(1)으로부터 소정 길이 돌출되도록 연장되는 사각형 단면으로 구성되어 강관 기둥(1)에 접합되는 기둥 접합판(11), 기둥 접합판(11)의 중앙부에서 수직하게 돌출되어 강재 보(2)의 웨브와 결합되는 보 접합판(12)을 포함하여 T자 형상으로 구성되고,
   제2축 접합부재(20)는,
   기둥 접합판(11)의 높이 내에서 중공형 강관 기둥(1)의 길이방향으로 이격되어 양단이 기둥 접합판(11)의 돌출되어 연장된 부분에 접합되고, 기둥접합판(11) 및 강관 기둥(1)과 접합되는 내측 모서리는 부채꼴 형상으로 절단되며, 강재 보(2)의 상하부 플랜지가 각각 접합되는 한 쌍의 수평 스티프너(21,21)로 구성되는 것을 특징으로 하는 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조.
2. 제1항에 있어서,
   중공형 강관 기둥(1)은,
   사각형 단면을 갖는 강관 단일부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조.
3. 제1항에 있어서,
   중공형 강관 기둥(1)은,
   립달린 채널부재를 맞대어 구성되는 것을 특징으로 하는 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조.
4. 제1항에 있어서,
   중공형 강관 기둥(1)은,
   복수의 강판을 용접접합하여 ㅍ자 단면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   중공형 강관 기둥(1)의 중공에는 콘크리트가 충전되는 것을 특징으로 하는 중공형 강관 기둥과 강재 보의 접합부 구조.

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