KR100770023B1 - 전단머리를 이용한 콘크리트충전 강관기둥과 철근콘크리트무량판의 접합구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트충전 강관기둥("CFT기둥")과 철근콘크리트 무량판("RC무량판")이 접합되는 부분에서, RC무량판의 슬래브 내에 매립되도록 소정 길이의 빔으로 이루어진 전단머리를 CFT기둥에 용접함으로써, CFT기둥과 RC무량판의 접합부에서의 펀칭전단에 대한 위험단면을 외측으로 더 밀어내어 펀칭전단의 주장을 확대시킴으로써 펀칭전단 강도를 증대시킴과 동시에 시공성 향상 및 공기 단축을 도모할 수 있는 새로운 형식의 콘크리트충전 강관기둥과 철근콘크리트 무량판의 접합구조에 관한 것이다.

CFT, 콘크리트 충전 강관, 무량판, 펀칭, 전단, 파괴, 기둥

Description

전단머리를 이용한 콘크리트충전 강관기둥과 철근콘크리트 무량판의 접합구조{Connecting Structure between CFT Column and RC Slab Using Shear Head}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CFT기둥의 개략적인 사시도이다.

도 2a 및 도 2b는 각각 도 1에 도시된 CFT기둥의 개략적인 측면도 및 평면도이다.

도 3a는 복수의 층에 전단머리가 각각 구비된 본 발명에 따른 CFT기둥이 수직하게 세워져있는 상태의 측면도이다.

도 3b는 도 3a에서 횡지지부재가 설치된 상태에서 최상부층을 개략적으로 도시한 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

1 : 콘크리트

10 : 콘크리트충전 강관기둥

20 : 전단머리

30 : 횡지지부재

50 : 탭

55 : 볼트

55a : 너트

100 : 철근콘크리트 무량판

본 발명은 전단머리를 이용한 콘크리트충전 강관기둥과 철근콘크리트 무량판의 접합구조에 관한 것으로서, 콘크리트충전 강관기둥(Concrete Filled Steel Tubular Column)(이하 "CFT기둥"이라고 약칭함)과 철근콘크리트 무량판을 접합하는 구조를 형성함에 있어서, CFT기둥과 철근콘크리트 무량판(이하, "RC무량판"라고 약칭함)이 접합되는 부분에서 RC무량판의 슬래브 내에 매립되도록 소정 길이의 빔으로 이루어진 전단머리를 CFT기둥에 설치함으로써, CFT기둥과 RC무량판의 접합부에서의 펀칭전단(punching shear)에 대한 위험단면을 외측으로 더 밀어내어 펀칭전단의 주장을 확대시키고, 펀칭전단 강도를 증대시킴과 동시에 시공성 향상 및 공기 단축을 도모할 수 있는 새로운 형식의 콘크리트충전 강관기둥과 철근콘크리트 무량판의 접합구조에 관한 것이다.

복수의 층으로 건축되는 건축물의 기둥으로서 중공의 각형 강관 내에 콘크리트를 타설하여 형성되는 CFT기둥을 이용하는 것이 주목을 받고 있다. CFT기둥을 이용하게 되면 철근조립 및 거푸집 공사를 생략할 수 있고, 시공 현장에서 해야 하 는 작업을 최소화할 수 있으며, 콘크리트와 강관의 합성작용이 발휘됨에 따라 강재량을 절감할 수 있어, 시공성의 향상, 공기단축, 기둥 크기 축소에 따른 공간활용도 증대, 내진/내풍성능 및 내화성능 등의 향상, 그리고 고층 건축물에 대한 우수한 적용성 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

한편, 기둥과 바닥판 슬래브를 연결함에 있어서, 시공성 향상 및 비용절감의 효과를 발휘하는 무량판 접합구조 즉, 보가 없이 바닥판 슬래브가 하중을 직접 기둥으로 전달하는 무량판 접합구조의 사용이 주목을 받고 있다.

따라서 위와 같은 CFT기둥과 무량판 접합구조를 결합하면 두 기술의 장점을 극대화시킬 수 있다. 그런데 이 경우, CFT기둥과 바닥판 슬래브 사이에서, 슬래브에 가해지는 하중에 의한 전단력이 확실하게 CFT기둥으로 전달하도록 함과 동시에 펀칭전단에 대해서도 안전성을 확보할 수 있도록 하여야만 한다.

특히, 일반적인 무량판 접합구조에 있어서는 무량판의 슬래브 내에 배근되는 휨철근이 우선적으로 항복하게 되는 것으로 설계를 하게 되는데, 이러한 휨철근의 항복하중 이상이 작용할 경우에는 압축대의 압괴에 의해 결국 기둥 주변으로 무량판의 슬래브에 펀칭전단에 의한 펀칭파괴가 발생하게 된다. 따라서 CFT기둥과 무량판 접합구조를 결합함에 있어서, 이러한 압축대의 압괴를 지연시키는 것이 바람직하다.

또한, CFT기둥의 경우에는 통상 3개의 층을 하나의 단위로 시공을 하게 되는데, CFT기둥 세우기 작업 후의 시공과정에서 CFT기둥이 틀어지는 등의 안정성에 문제가 발생할 소지가 많으며 그에 따라 시공이 어려워진다. 따라서 이러한 CFT기둥 의 시공상 발생할 수 있는 문제점을 해결할 수 있는 방안을 마련하는 것이 매우 중요하다.

본 발명은 위와 같은 개념과 문제점의 인식에 기초하여 개발된 것으로서, 본 발명은 CFT기둥을 이용하여 건축물을 시공함에 있어서, 기둥-슬래브의 무량판 접합구조를 형성함으로써 CFT기둥이 가지는 장점과 무량판 접합구조가 가지는 장점을 극대화시킴과 동시에, CFT기둥과 무량판의 접합구조를 형성함에 있어서 CFT기둥과 바닥판 슬래브 사이에서 슬래브에 가하지는 하중에 의한 전단력이 확실하게 CFT기둥으로 전달하도록 하고 펀칭전단에 대해서도 충분한 안전성을 확보할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

특히, 압축대를 더욱 보강함으로써 압축대의 압괴를 지연시켜 펀칭전단 강도를 향상시키고 변형능력을 효과적으로 증진시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, CFT기둥을 이용하여 복층의 건축물을 시공함에 있어서 CFT기둥이 틀어지는 등의 불안정성이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 중공을 갖는 강관으로 이 루어지며 상기 중공 내에는 콘크리트가 타설되어 채워진 콘크리트충전 강관기둥과, 철근콘크리트 슬래브로 이루어진 철근콘크리트 무량판이 일체로 접합되는 접합구조로서, 상기 콘크리트충전 강관기둥과 상기 철근콘크리트 무량판이 접합되는 부분에서, 상기 콘크리트충전 강관기둥의 측면에는 상기 철근콘크리트 무량판내에 매립되도록 빔 부재로 이루어진 전단머리가 상기 콘크리트충전 강관기둥에 일체로 구비되는 것을 특징으로 하는 콘크리트충전 강관기둥과 철근콘크리트 무량판의 접합구조가 제공된다.

또한, 본 발명에서는 구체적인 실시예로서, 상기한 구조에 더하여 복수 개의 전단머리가 상기 CFT기둥의 길이 방향을 따라 층고 간격으로 이격되어 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 콘크리트충전 강관기둥과 철근콘크리트 무량판의 접합구조가 제공된다.

이러한 본 발명에 있어서, 서로 이웃하게 설치된 상기 콘크리트충진 강관기둥들을 서로 지지할 수 있도록 하기 위하여, 상기 이웃하게 설치된 콘크리트충진 강관기둥의 전단머리간에는 빔으로 이루어진 횡지지부재가 일체로 조립 연결되어 상기 철근콘크리트 무량판 내에 매립되어 구비되며, 더 나아가, 상기 전단머리의 자유단부에는 상기 횡지지부재와의 조립 연결을 위하여, 일측은 전단머리의 단부에 고정되고, 타측은 상기 횡지지부재와 조립 결합되는 탭이 구비되는 것을 특징으로 하는 콘크리트충전 강관기둥과 철근콘크리트 무량판의 접합구조가 제공된다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 CFT기둥과 무량판의 접합구조를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CFT기둥(10)의 개략적인 사시도이다. 도 2a 및 도 2b는 각각 도 1에 도시된 CFT기둥(10)의 개략적인 측면도 및 평면도이다. 도 2a에서 편의상 CFT기둥(10)과 접합되는 RC무량판(100)은 일점쇄선으로 도시하였으며, RC무량판(100) 내에 배근되는 철근은 도시를 생략하였다.

본 발명에서는 도면에 도시된 것처럼, CFT기둥(10)과 RC무량판(100)이 접합되는 부분에서, CFT기둥(10)의 측면에는 철근콘크리트 슬래브로 이루어지는 RC무량판(100)내에 매립되도록 소정 길이의 빔으로 이루어진 전단머리(20)가 일체로 설치된다.

구체적으로 본 발명의 일실시예에 따른 CFT기둥(10)은 중공(12)을 갖는 강관으로 이루어지며 하부의 형성된 개구를 통해 콘크리트(1)가 상향으로 가압 타설되어 채워진다. 도면에 도시된 실시예에서 상기 CFT기둥(10)은 4각형의 강관으로 이루어져 있으나, CFT기둥(10)의 단면형상은 단지 사각형에만 한정되지 않으며, 원형기둥 등 다양한 단면형상이 될 수도 있다.

상기 전단머리(20)는 강재 빔으로 이루어져 그 일단부가 CFT기둥(10) 측면의 접합부(15)에 일체로 고정되어 RC무량판(100) 방향으로 돌출된 형태로 구비된다. 상기 CFT기둥(10)에 설치되는 상기 전단머리(20)는 도 3a에 도시된 것처럼 CFT기둥(10)과 접합되는 RC무량판(100)내에 완전히 매립된다.

상기 전단머리(20)의 돌출길이는, 설계시 산정된 펀칭전단 강도에 따라 결정된다. 즉, 전단머리(20)를 구비하지 아니한 일반적인 보-기둥 접합구조에 대한 구조 해석 및 설계에 의하여 펀칭전단 강도 및 펀칭전단의 위험단면을 결정할 수 있 는데, 상기 전단머리(20)의 돌출길이를 CFT기둥(10)의 전면으로부터 상기 펀칭전단의 위험단면까지의 거리보다 더 크게 되도록 상기 전단머리(20)의 돌출길이를 정함으로써, 궁극적으로 본 발명의 CFT기둥(10)과 RC무량판(100) 접합구조에서의 펀칭전단 위험단면이 상기 전단머리(20)의 단부 외측에 위치하도록 하는 것이다.

이와 같이, 본 발명에서는 CFT기둥(10)에 돌출된 형태의 전단머리(20)를 설치하고 이를 RC무량판(100)내에 매립되도록 함으로써 펀칭전단의 위험단면을 더 외측으로 밀어낼 수 있고, 그만큼 펀칭전단의 주장이 확대됨으로 펀칭전단에 대한 안정성이 증대되는 효과가 발휘된다.

한편, 본 발명에 있어서, 이웃하는 CFT기둥(10)과의 사이에서 전단머리(20)간에 빔으로 이루어진 횡지지부재(30)를 연결 설치하여 각각을 지지하도록 함으로써, 각각의 CFT기둥(10)의 시공시 발생할 수 있는 시공시의 틀어짐 등의 불안정성을 해소할 수도 있다. 도 3a에는 복수의 층에 전단머리(20)가 각각 구비된 본 발명에 따른 CFT기둥(10)이 수직하게 세워져있는 상태의 측면도가 도시되어 있고, 도 3b에는 도 3a에서 횡지지부재(30)가 설치된 상태에서 최상부층을 개략적으로 도시한 사시도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼, 본 발명에서는 서로 이웃하는 CFT기둥(10)의 전단머리(20) 사이에 빔으로 이루어진 횡지지부재(30)를 일체로 조립 연결하여, CFT기둥(10) 간의 지지구조를 형성할 수 있다.

상기 횡지지부재(30)는 CFT기둥(10)들을 서로 연결하여 보강함으로써 CFT기둥(10) 세우기 작업 및 후속 시공 과정에서 CFT기둥(10)에 대한 안정성을 확보할 수 있도록 하는 기능뿐만 아니라, RC무량판(100)에 펀칭파괴가 발생하는 경우, 현 수부재로서도 기능하게 되어, 건축물의 연쇄 붕괴를 방지하게 되는 기능도 발휘하게 된다. 또한 상기 전단머리(20)와 마찬가지로 상기 횡지지부재(30)는 RC무량판(100)의 슬래브 내에 완전히 매립되어 RC무량판(100) 자체를 보강하는 기능도 발휘하게 된다.

상기 전단머리(20)와 횡지지부재(30)를 연결하기 위해서, 전단머리(20)에 결합수단이 구비된다. 도면에 도시된 실시예에서, 상기 결합수단은 일측에 구멍(51)이 형성된 탭(50) 형태로 이루어져, 타측이 전단머리(20)의 단부에 용접되어 고정된다. 한편, 상기 탭(50)의 구멍(51)에 대응되는 위치에서 횡지지부재(30)의 단부측에도 대응 구멍(31)이 형성되어 볼트(55)와 너트(55a)에 의해 전단머리(20)와 횡지지부재(30)가 결합되어 연결된다. 위와 같은 탭(50) 형태로 이루어진 결합수단은 빔으로 이루어진 전단머리(20)와 횡지지부재(30)를 일체로 결합하여 연결하는 하나의 실시예로서, 구체적으로는 싱글쉬어탭을 사용할 수 있다. 그러나 본 발명에 있어서 상기 전단머리(20)와 횡지지부재(30)는 위에 예시한 것과 같은 탭을 이용한 방식에 의해서만 결합 연결되는 것은 아니며, 다양한 방식의 빔 연결구조에 의하여 서로 결합 연결될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 CFT기둥(10)에 돌출된 형태의 전단머리(20)를 설치하고 이를 RC무량판(100) 슬래브 내에 매립되도록 함으로써 CFT기둥(10)과 RC무량판(100) 간의 견고하고 일체화된 접합구조를 이룰 수 있게 된다. 따라서 CFT기 둥(10)과 RC무량판(100) 사이에서 RC무량판(100)에 가하지는 하중에 의한 전단력이 확실하게 CFT기둥(10)으로 전달되도록 할 수 있으며, CFT기둥(10)이 가지고 있는 장점들과 RC무량판(100) 접합구조가 가지고 있는 장점들이 극대화된 보-기둥 접합구조를 이룰 수 있게 된다.

특히, 본 발명에서는 CFT기둥(10)에 설치된 전단머리(20)에 의하여 펀칭전단의 위험단면을 더 외측으로 밀어낼 수 있고, 그만큼 펀칭전단의 주장이 확대됨으로 펀칭전단에 대한 안정성이 증대되는 효과가 발휘된다.

또한, CFT기둥의 내부에 콘크리트를 충전할 때, CFT기둥 내에 스티프너가 없어도 되므로 하부압입에 의한 타설뿐만 아니라 상부타설도 가능하여 시공성을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서, 이웃하는 CFT기둥(10)과의 사이에서 전단머리(20)간에 빔으로 이루어진 횡지지부재(30)를 연결 설치하여 각각을 지지하도록 함으로써, 각각의 CFT기둥(10)의 시공시 발생할 수 있는 시공시의 틀어짐 등의 불안정성을 해소할 수도 있다. 즉, 상기 횡지지부재(30)에 의하여 CFT기둥(10)들을 서로 연결하여 보강함으로써 CFT기둥(10) 세우기 작업 및 후속 시공 과정에서 CFT기둥(10)에 대한 안정성을 확보할 수 있게 될 뿐만 아니라, RC무량판(100)에 펀칭파괴가 발생하는 경우에도 건축물의 연쇄 붕괴를 방지할 수 있으며, 상기 횡지지부재(30)에 의하여 RC무량판(100) 자체를 더욱 견고하게 보강할 수도 있게 되는 효과도 발휘된다.

특히, 위와 같은 횡지지부재(30)를 사용하여 CFT기둥(10)의 시공 중 안정성 을 확보할 수 있게 되므로, 종래와 같은 버팀재, 가새 등의 추가적인 가설부재를 설치할 필요가 없으며 따라서 이러한 가설부재 설치에 따른 공사비를 절감할 수 있음은 물론 시공상의 장애도 없앨 수 있으며 현저한 공기단축효과를 달성할 수 있게 된다.

이러한 본 발명에 따른 접합구조는 초고층 주상복합 건물이나 아파트의 시공에서도 매우 유용하게 활용된다.

Claims (4)

1. 중공(12)을 갖는 강관으로 이루어지며 상기 중공(12) 내에는 콘크리트(1)가 타설되어 채워진 콘크리트충전 강관기둥(10)과, 철근콘크리트 슬래브로 이루어진 철근콘크리트 무량판(100)이 일체로 접합되는 접합구조로서,

   상기 콘크리트충전 강관기둥(10)과 상기 철근콘크리트 무량판(100)이 접합되는 부분에서, 상기 콘크리트충전 강관기둥(10)의 측면에는 상기 철근콘크리트 무량판(100)내에 매립되도록 빔 부재로 이루어진 전단머리(20)가 상기 콘크리트충전 강관기둥(10)에 일체로 구비되는 것을 특징으로 하는 콘크리트충전 강관기둥(10)과 철근콘크리트 무량판(100)의 접합구조.
2. 제1항에 있어서,

   복수 개의 전단머리(10)가 상기 CFT기둥(10)의 길이 방향을 따라 층고 간격으로 이격되어 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 콘크리트충전 강관기둥(10)과 철근콘크리트 무량판(100)의 접합구조.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   서로 이웃하게 설치된 상기 콘크리트충진 강관기둥(10)들을 서로 지지할 수 있도록 하기 위하여, 상기 이웃하게 설치된 콘크리트충진 강관기둥(10)의 전단머리(20)간에는 빔으로 이루어진 횡지지부재(30)가 일체로 조립 연결되어 상기 철근콘크리트 무량판(100) 내에 매립되어 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 콘크리트충전 강관기둥(10)과 철근콘크리트 무량판(100)의 접합구조.
4. 제3항에 있어서,

   상기 전단머리(20)의 자유단부에는 상기 횡지지부재(30)와의 조립 연결을 위하여, 일측은 전단머리(20)의 단부에 고정되고, 타측은 상기 횡지지부재(30)와 조립 결합되는 탭(50)이 구비되는 것을 특징으로 하는 콘크리트충전 강관기둥(10)과 철근콘크리트 무량판(100)의 접합구조.

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