KR100581224B1 - X형 까치발 기둥머리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건물의 층고를 일반 철골조보다 줄이면서도 골조공사비를 철근콘크리트 정도로 낮추는 핵심 기술인 X형 까치발 기둥머리에 관한 것이다.

건물의 보 밑면과 천장 사이에는 설비 덕트 등을 위한 여유 공간이 필요한데 X형 까치발 기둥머리를 사용하면 기둥 주위만 보 높이가 높으므로 나머지 천장 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있다. 일반 구조는 가로보와 세로보를 도 2와 같이 기둥에 접합하며, 강접보와 단순보의 휨모멘트는 스팬의 제곱에 비례하므로 기둥스팬이 길면 보의 높이가 커져서 층고도 높여야 한다.

도 3에서 기둥 스팬 1/3에서 1/2 범위의 기둥 주변에 대각선 방향으로 까치발을 배열하여 가로, 세로 보들의 힘을 받아 기둥에 전달하는 것이다. 까치발의 모멘트는 M=P*L 이므로 단부로 갈수록 줄어들게 되어 전단내력을 확보하는 범위 내에서 변단면재로 설계한다. 또한 도 4a에서 바닥보의 휨모멘트는 고정단에서 최대이고 이를 벗어나면 그 값이 급격히 줄어들게 되므로 기둥머리만을 특별 보강하면 나머지 구간의 모든 보는 보다 적은 내력만 확보해도 안전하다. 도 2a에서 보 4a의 단부 휨모멘트는 (L₁)²/12이고 도 3a에서 보 4d는 단순보로 설계해도 중앙최대 휨모멘트 값이 (2L₁/3)²/8이어서 보 4a의 2/3이다. 또한 보 4d는 단순보이므로 합성보로 설계하면 철골 단면을 30% 정도 절감할 수 있어서 보 4a의 1/2정도의 휨모멘트를 받는 철골보로도 설계가 가능하다.

까치발의 고정단 모멘트는 도 3a에서 L₂가 L₁의 1/2일 경우 ((L_3/4*(L1/6)²)^1/2)*(L1/2)=1.25L₁이어서 보 4d 고정단 모멘트의 1.25배이기는 하나 변단면으로 하면 별 부담이 없다. 도 1에서 기둥의 층마다 8각형 강판에 구멍을 낸 상하 플랜지를 맞추고 4장의 웨브 플레이트를 대각선 방향으로 끼워 용접한다. 2개의 변단면재 까치발 끝단을 빔(4c)의 양단과 각도를 이룬 채 강접하여 기둥에 조립한다. 그 후 세로보(5a)와 가로보(4d)들을 접합하면 골조 공사가 완료된다. 도 3a에서 가로보, 세로보는 TSC보이고 이는 일반 H형 보 단면의 2/3 정도로 가능하다.

Description

X형 까치발 기둥머리 {X shape cantilever column capital}

건축구조물에서 기둥 스팬을 늘리면서도 보의 높이와 공사비를 줄이는 시도가 계속되고 있다. 일반적으로 보 밑에는 천장을 달고 그 사이에 각종 설비 덕트나 조명을 위한 배관을 하는 여유 공간을 필요로 하기 때문에 건물의 층고가 높아져서 건축법상 허용하는 용적률 내에서의 층수에 제한을 받고 또한 공사비가 증가하는 폐단이 있다. 그러나 보 높이를 무리하게 줄이면 보 단면의 구조상 효율이 급격히 떨어져서 비경제적일 뿐만 아니라 바닥의 과도한 처짐과 진동 장애를 감수하여야 한다. 그러므로 본 발명에서는 구조역학상의 원리에 순응하는 새로운 개념의 구조방식 중 도 6과 같은 X형 까치발 기둥머리(1)를 제시하여 값싸고 안전하면서도 천장 내부를 효율적으로 활용할 수 있도록 함을 목적으로 한다.

철골구조는 철근콘크리트구조에 비하여 시공이 간편하고 공사기간이 단축되지만 공사비가 20% 정도 비싸므로 사용 확산이 늦어지고 있다. 또한 건물의 제한 높이 내에 많은 층수를 수용하기 위해서 철근콘크리트 내력벽(대부분의 아파트처럼 벽체를 기둥과 보로 삼아 그 위에 바닥판을 시공하는 공법)구조나 플래트 슬래브가 많이 적용되고 있는데 전자는 준공 후 평면변경이 불가능하고 후자는 시공품질이 저하될 경우 처짐 량이 커지고 구조 안전상 위험정도가 심하여 안전사고로 이어지는 사례가 있다(예: 삼풍백화점).

일반적으로 가로보(4a)와 세로보(5)는 도 2와 같이 기둥(2)에 직접 접합하는 것이 정상이다. 등분포 하중을 받는 강접보와 단순보의 휨모멘트는 보 길이(기둥 스팬)의 제곱에 비례하므로 기둥스팬을 멀게 하려면 보의 높이가 늘어나서 건물의 층고도 높여야 한다.

도 4a는 도 2에 표시된 강접 가로보 4a의 휨모멘트도이다. Me는 고정단 휨모멘트 값이고 Mc는 중앙부의 휨모멘트인데 Me는 Mc의 2배이다. 그러므로 가로보 4a는 Me값을 설계 값으로 취급하여 설계하는 것이 보통이다. 또한 도 4b에서 단순(핀접합) 가로보 4b의 휨모멘트값 최고치가 M₀이며 이는 앞의 Mc 값의 3배, Me의 1.5배에 달한다.

따라서 보의 길이와 작용 하중이 같은데도 불구하고 빔 4a처럼 기둥에 고정된 것에 비하여 세로보에 핀접합된 4b의 단면이 더 커지는 경우도 있다.

보와 천장 사이의 빈 공간을 각종 설비 덕트와 전기 조명배관이 차지하지만 기둥을 피해서 가로 세로 방향으로 통과할 수 있는 여유 통로가 필요한 것이고 전 면적을 활용하지는 않는다. 그러므로 구조 응력상 필수적으로 높이를 확보하여야 할 기둥 주변 일부분의 보 높이만을 특별한 방법으로 키우고 나머지 부분의 보 높이를 최소화하여 설비나 조명을 위한 공간으로 활용하는 것이 기술적 과제이다. 또한 아파트의 거실 같은 경우는 천장 일부만이라도 우물천장으로 높이는 것이 바람직하므로 보의 기둥 주변 일부분만 높다면 층고 전체를 효율적으로 활용하는 데 도움이 된다. 플래트 슬래브는 위 목적을 달성하는데 합리적인 대표적 구조지만 기둥 스팬이 큰 평면에서는 적용이 불가능하고 또한 거푸집을 필요로 하는 철근콘크리트 구조이므로 철골조로 설계하는 큰 스팬에서도 동등한 효과를 얻을 수 있는 방법이 필요하다.

가로, 세로 기둥 스팬이 짧아서 기둥과 기둥 사이에만 보를 건너질러도 되는 경우라면 기둥 주변만 변단면재인 헌치(Haunch)로 설계해도 플래트 슬래브처럼 위 목적을 달성할 수 있으나 대부분의 구조 평면은 도 2a처럼 단순보(4b)를 세로보(5)에 걸어야 하므로 설사 기둥과 직접 만나는 가로보(4a)와 세로보(5)의 단부에만 헌치를 두고 나머지 중앙 부분의 단면을 줄인다 해도 단순보(4b)는 전 길이를 통하여 단면이 줄어지지 않아 천장 속을 활용하지 못하게 되므로 이를 해소하는 것이 기술적 과제이다.

도 3과 6에서 기둥 스팬 1/3에서 1/2 범위의 기둥 주변 보 높이를 경사지게 키워주는 것이 본 발명의 X형 까치발 기둥머리이며 구체적으로는 도 1에서 설명한다.

X형 까치발 기둥머리는 도2와 같은 일반 구조와 달라 가로, 세로보가 기둥과 직접 만나지 않으므로 기둥과 가로, 세로 보들과의 사이에 대각선 방향으로 까치발을 배열하여 힘을 전달하는 것이다. 까치발 끝을 연결하는 선은 규격이 큰 가상기둥의 외곽선으로 간주한다. 까치발은 내민보(cantilever)여서 기둥 주변의 휨모멘트 값이 최대이고 단부로 갈수록 적어진다(M=P*L). 그러므로 전단내력을 확보하는 범위 내에서 단부 단면을 점차적으로 감소시키는 변단면재로 설계하는 것이 자연스럽다. 또한 도 4a에서 보는 바와 같이 바닥보의 휨모멘트는 기둥과의 접합부인 고정단에서 최대이고 이를 벗어나면 그 값이 급격히 줄어들게 되므로 기둥머리만을 특별 보강하면 나머지 구간의 모든 보는 보다 적은 내력만 확보해도 안전하다.

도 2a에서 가로보 4a의 단부 휨모멘트는 (L₁)²/12이고 도 3a에서 가로보 4d는 단순보로 설계해도 중앙최대 휨모멘트 값이 (2L₁/3)²/8이어서 위 가로보 4a의 2/3이다. 또한 가로보 4d는 단순보이므로 바닥슬래브와 합성보로 설계하면 철골 단면을 30% 정도 절감할 수 있으므로 결국 위 가로보 4a의 절반 정도의 휨모멘트를 받는 철골보로도 설계가 가능하다. 물론 까치발의 배열 방향이 대각선이라 길이가 길어져서 고정단 모멘트의 값이 커진다. 즉 도 3a에서 L₂가 L₁의 1/2일 경우 까치발의 고정단 휨모멘트는 (L_3/4*(L1/6)²)^1/2)*(L1/2)=1.25L₁이어서 가로보 4d 고정단 모멘트 값의 1.25배이기는 하나 기둥 주변 일부분의 쓸모없는 공간에서만 보의 높이를 변단면으로 키워주면 별 부담없는 경제적인 설계가 가능하다. 이는 휨모멘트에 대응하는 보의 단면계수는 보 높이의 제곱에 비례하기 때문이다. 바닥슬래브를 가로보에 데크 플레이트를 얹고 콘크리트를 치는 세로 1방향 슬래브일 경우 도 2의 세로보(5)는 가로보(4b)를 지지하는 주요 보이지만 도 3의 세로보 5a는 하중을 받지 않는 타이빔에 불과하므로 최소 단면으로도 충분하다.

도 1에서 기둥의 층마다 8각형 강판에 기둥 단면 외형과 일치하는 구멍을 낸 상하 플랜지를 까치발 상하 플랜지 높이에 맞추고 4장의 웨브(7) 플레이트를 상하 플랜지와 기둥 외면에 맞게 대각선 방향으로 끼워 서로 만나는 면을 공장 용접한다. 까치발은 상하 플랜지와 웨브를 도 1과 같이 사다리꼴로 재단하여 용접한 변단면재이며, 2개의 까치발 끝단을 빔(4c)의 양단과 각도를 이룬 채 강접하고 후에 현장에서 세로보(5a)와 접합할 볼트구멍 뚫은 철판을 부착해 둔다. 현장에서는 먼저 세운 기둥에 2개의 까치발과 1개의 가로보(4c)가 3각형으로 조립된 것을 기둥의 세로방향 축을 중심으로 하여 상하 플랜지와 웨브 플레이트에 접합 플레이트와 볼트로 조립한다. 그 후 세로보(5a) 측면을 까치발 단부에 볼트로 접합하고 나머지 가로보(4d)들을 세로보(5a)에 접합하는 것으로 골조 공사가 완료된다.

도 3a에서 까치발을 제외한 가로보, 세로보는 새로 개발한 TSC합성보를 사용한 것이고 이는 일반 H형 보 단면의 2/3 정도로 가능하다. 기둥은 도 5와 같이 원형강관뿐만 아니라 H형강, 4개의 ㄱ형강을 조립한 기둥 또는 각관을 사용해도 된다.

보를 기둥에 직접 접합하는 일반 골조와 달리 X형 까치발 기둥머리(1)를 마련하여 이를 가상 기둥으로 삼아 가로보, 세로보를 접합하면 보의 단면설계용 휨모멘트가 대폭 줄어들어 보 높이가 낮아져서 건물 층고가 줄어들고 다라서 공사비가 절감되는 효과가 있다.

도 1은 X형 까치발 기둥머리의 평면도와 단면도,

도 2는 일반 골조의 평면도와 단면도,

도 3은 X형 까치발 기둥머리를 사용한 골조의 평면도와 단면도,

도 4는 강접보와 단순보의 휨모멘트도,

도 5는 H형강과 4개의 ㄱ형강을 조립한 기둥, 강관 기둥의 예,

도 6은 X형 까치발 기둥머리의 사시도이다.

〈도면의 부호에 대한 간단한 설명〉

1 : X형 까치발 기둥머리 2 : 기둥

3 : 까치발 4 : 가로보

5 : 세로보 6 : 플랜지

7 : 웨브

L₁: 가로 방향 기둥스팬 L₂: 세로 방향 기둥스팬

Claims (1)

1. 기둥에 보를 연결함에 있어서 직접 부착하지 않고, 기둥(2)과 보(4, 5)를 까치발로 연결하도록 구성하며 ;

   상기 까치발(3)은 한쪽면의 경우 기둥에 부착된 플랜지에 연결하고 반대쪽은 보에 연결되도록 하며, 내력의 크기에 따라 변단면으로도 제작하고 ;

   상기 플랜지(6)는 기둥과 까치발을 연결함에 있어서 기둥에 용접으로 접합하고, 플랜지와 까치발의 접합은 볼트로 하도록 구성하며 ;

   상기 플랜지와 까치발의 접합은 용접접합도 가능하고, 까치발의 웨브와 기둥에 용접된 플랜지의 대각선방향 웨브(7)를 볼트접합 하고 ;

   상기 기둥(2)은 원형강관과 각형강관, H형강, 4개의 ㄱ형강을 조립하여 사용할 수 있도록 구성하여 보 단면 설계용 휨 모멘트 값을 줄이는 것을 특징으로 하는 X형 까치발 기둥머리.