KR100908921B1 - 프리컬럼을 사용한 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트기둥부재의 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박판의 강관(200)과 이를 피복하는 비폭렬형 시멘트복합체(100)로 이루어진 프리컬럼(Pre-Column)(300)을 공장에서 미리 제작한 후, 이를 현장에 설치하고 그 내부에 고강도 콘크리트(404)를 충전 시공함으로서, 공기단축 및 내구성 향상이 가능할 뿐만 아니라, 화재 발생시 급격한 온도상승에 의한 폭렬현상 및 이에 의한 내력저하를 방지할 수 있는 프리컬럼을 사용한 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 제작방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명에 의한 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 단면은 비폭렬형 시멘트복합체부(100), 강관부(200), 고강도 콘크리트부(404)로 이루어진다. 여기서, 비폭렬형 시멘트복합체(100)는 프리컬럼(300) 내부에 충전되는 고강도 콘크리트(404) 보다 높은 압축강도를 발현하면서 화재시 폭렬저항성이 우수하며, 기존의 고강도 철근콘크리트 기둥부재(400)에 있어서 피복콘크리트(403)의 역할을 담당하는 것으로 기둥의 유효단면적에 포함되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 강관(200)은 기존 기둥부재(400)에 있어서 주근(401) 및 띠철근(402)의 역할을 동시에 담당하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 있어서 비폭렬형 시멘트복합체(100)로는 휨하중 또는 직접인장하중 하에서 초기균열이 발생한 후에도 응력의 저하 없이 변형의 증대와 함께 응력이 다시 증대되는 변형경화거동(Strain-hardening behavior)을 보이면서, 더욱이 이 과정에서 복수의 미세균열인 멀티플크랙(Multiple crack)이 발생되는 고인성 모르타르가 사용되거나, 또는 섬유용적혼입율(Vf)이 0.25 ~ 1.00용적부가 되도록 유기섬유가 혼입된 섬유보강 고강도 콘크리트가 사용되는 것을 특징으로 한다.

고강도콘크리트, 기둥, 폭렬, 내화성능, 화재

Description

프리컬럼을 사용한 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 제작방법 {Manufacturing methods of high strength RC column of anti-spalling type using pre-column}

도 1은 기존의 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 단면을 나타낸 단면도이다.

도 2는 본 발명의 프리컬럼을 사용한 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 단면 일례를 나타낸 단면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 프리컬럼의 단면 일례를 나타낸 단면도이다.

도 4는 본 발명에 의한 프리컬럼의 제작 및 이를 사용한 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 제작순서를 나타낸 순서도이다.

도 5는 본 발명에 의한 프리컬럼의 설치순서를 나타낸 개념도이다.

도 6은 본 발명에 의한 프리컬럼과 접합부의 단면상세의 일례를 나타낸 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 비폭렬형 시멘트복합체200 : 강관

201 : 외부 요철202 : 내부 요철

203 : L형강300 : 프리컬럼

400 : 기존의 고강도 철근콘크리트기둥401 : 주철근

402 : 띠철근403 : 피복콘크리트

404 : 고강도 콘크리트501 : 강관제작

502 : 외부형틀 설치

503 : 비폭렬형 시멘트복합체 성형 및 양생

504 : 프리컬럼 운반 및 설치505 : 고강도 콘크리트 충전

601 : 매립 철근602 : 연결부

603 : 와이어로프604 : 지지대

605 : 고정대700 : 접합부재

701 : 돌출강판702 : 끼움강판

800 : 보부재

본 발명은 박판의 강관(200)과 이를 피복하는 비폭렬형 시멘트복합체(100)로 이루어진 프리컬럼(300)을 공장에서 미리 제작한 후, 현장에서는 상기의 프리컬럼(300) 내부에 고강도 콘크리트(404)를 충전하여 완성되는 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 제작방법에 관한 것이다.

최근, 국내에서도 건축물이 초고층화, 대형화, 장대화 됨에 따라 고강도 콘크리트의 사용량이 지속적으로 증대되고 있으며, 특히 이러한 고강도 콘크리트는 작은 단면적으로 높은 압축력을 견딜 수 있어 건축물의 기둥부재에 주로 활용되고 있다. 이와 같은 고강도 콘크리트 기둥부재의 제작방법으로는 a) 철근을 배근하고 거푸집을 설치하여 고강도 콘크리트를 타설하는 공법(이하, 기존 RC공법); b) 기둥의 최외각부에 강관을 설치하고 그 내부에 고강도 콘크리트를 충전하는 공법(이하, CFT공법); 등이 현재 사용되고 있다.

이들 중에서 상기 a)의 기존 RC공법은 현재까지 가장 대표적으로 사용되고 있는 공법으로 경제적 측면에서는 장점이 있으나, 공정이 복잡하고, 많은 노동인력이 필요할 뿐만 아리나 공기단축 및 안정적인 품질확보가 곤란하다는 등의 여러 가지 문제점이 지적되고 있으며, 특히 고강도 콘크리트를 사용할 경우에는 화재발생시 급격한 온도상승에 의한 폭렬(피복콘크리트 부분이 심하게 박락되는 현상)발생 및 이로 인한 급격한 내력저하로 심지어 구조물이 붕괴될 우려도 있다.

최근, 이와 같은 고강도 콘크리트 기둥부재의 화재에 대한 취약성을 개선하기 위해 a) 고강도 콘크리트 제조시 합성섬유를 혼입하는 방법(일례로서, 특허등록 제0592043호 등); b) 완성된 기둥의 표면에 내화패널을 부착하는 방법(일례로서, 특허등록 제0693859호 등); 등이 개발되었으나, 상기 a)의 합성섬유 혼입방법은 비빔 후 섬유에 의해 유동성이 급격히 저하되어 타설 및 충전작업이 어려울 뿐만 아니라 안정적인 품질확보가 곤란하며, 또한 상기 b)의 내화패널 부착공법은 기둥 단면적의 증대로 인해 렌탈비가 저하되고 설계자유도가 떨어지는 등의 문제점이 있다.

한편, 상기의 CFT공법은 강성, 내력, 변형 등의 구조적 성능이 매우 우수하고 시공이 간편하다는 장점이 있으나, 강재가 외부(외기)에 노출되어 있어 내화성능을 확보하기 위해서는 별도의 내화피복이 반드시 필요하며, 또한 소재인 강관이 특별한 제작설비를 갖춘 대형공장에서 주문 생산되므로 제작비용이 매우 고가이고, 시공 및 운반시 강관의 변형이나 손상을 방지하기 위해 필요 이상의 두께를 가진 강관이 필요하게 되어 비경제적으로 된다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하고자 고안된 것으로, 박판의 강관(200)과 이를 피복하는 비폭렬형 시멘트복합체(100)로 이루어진 프리컬럼(300)을 공장에서 미리 제작하고, 현장에서는 이를 설치한 후 내부에 고강도 콘크리트(404)를 충전하여 시공함으로서, 시공이 용이하고 공기단축이 가능하며, 더욱이 화재 발생시 급격한 온도상승에 의한 폭렬발생 및 이로 인한 내력저하를 방지할 수 있는 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 박판의 강관(200)과 이를 피복하는 비폭렬형 시멘트복합체(100)로 이루어진 프리컬럼(300)의 내부에 고강도 콘크리트(404)를 현장에서 충전하여 완성되는 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트 기둥부재를 제작함에 있어서,

a) 내외측의 표면에 요철이 형성된 강관을 제작하는 단계 (강관제작단계);

b) 상기의 강관(200)을 감싸도록 외부형틀(500)을 설치하는 단계 (외부형틀 설치단계);

c) 상기의 강관(200)과 외부형틀(500) 사이에 비폭렬형 시멘트복합체(100)를 타설 성형하여 프리컬럼(300)을 완성하는 단계 (비폭렬형 시멘트복합체 성형단계);

d) 상기와 같이 완성된 프리컬럼(300)을 현장으로 운반하여 설치하는 단계 (프리컬럼 설치단계);

e) 설치 완료된 상기의 프리컬럼(300) 내부에 고강도 콘크리트(404)를 충전하여 기둥부재를 완성하는 단계 (고강도 콘크리트 충전단계); 를 포함하여 이루어지는 프리컬럼을 사용한 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 제작방법을 제공한다.

이하에, 첨부한 도면과 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따라 완성된 프리컬럼(300)을 사용한 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 단면 일례를 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따라 완성된 프리컬럼(300)의 단면 일례를 나타낸 단면도이다. 이와 같이, 본 발명에 있어서는 박판의 강관(200)과 이를 피복하는 비폭렬형 시멘트복합체(100)로 이루어진 프리컬럼(300)의 내부에 고강도 콘크리트(404)를 충전하여 고강도 철근콘크리트 기둥부재를 완성함으로서, 상기의 강관(200)이 기존 철근콘크리트 기둥(400)에 있어서 주철근(401) 및 띠철근(402)의 역할을 동시에 담당하게 되며, 상기의 비폭렬형 시멘트복합체(100)가 피복콘크리트(403)의 역할을 담당하게 된다. 이를 통해 본 발명에 있어서는 박판의 강관이 사용되더라도 외부의 비폭렬형 시멘트복합체의 구속에 의해 고강도 콘크리트(404) 충전시 높은 측압에 의한 변형이나 배부림 등의 하자가 발생되지 않게 된다. 더욱이, 화재발생시에는 외부의 온도가 급격히 상승하더라도 상기의 비폭렬형 시멘트복합체(100)가 폭렬하지 않고 기둥 내부로의 열전달을 차단하여 강관(200) 및 고강도 콘크리트(404)의 온도상승을 억제함으로서 화열에 의한 손상을 방지할 수 있으며, 내부의 고강도 콘크리트(404)에 폭렬이 발생하더라도 강관(200)이 폭렬압을 구속함으로서 기둥의 급격한 내력저하를 억제할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명에 의한 프리컬럼(300) 및 이를 사용한 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 제작순서를 나타낸 순서도이며, 이를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

(a) 강관(200)제작단계

본 발명의 프리컬럼(300)에 사용되는 강관(200)은 기둥부재에 있어서 주철근(401)과 띠철근(402)의 역할을 동시에 담당하는 것으로, 본 발명에 사용되는 강관(200)의 두께(즉, 단면적)는 기존 고강도 RC기둥(400)에 있어서 주철근(401)과 띠철근(402)의 합계량을 강관으로 환산하였을 때의 두께보다 크게 되도록 선정하며, 약 3 ~ 30mm의 것이 바람직하다. 또한, 강관(200)이 기존 고강도 RC기둥(400)에 있어서 철근의 위치에 올 수 있도록 강관(200)의 외경(즉, 강판과 강판 사이의 외부거리)은 기존 고강도 RC기둥(400)에 있어서 피복콘크리트(403)의 두께만큼을 공제한 크기로 선정하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 강관(200)의 제작방법에는 별도의 제한이 없으나, a) 강판이 서로 접하는 네 모서리를 용접 접합하는 방법(강판간 접합방법); b) 강판이 서로 접하는 네 모서리의 안쪽 또는 바깥쪽에 L형강을 설치하고 이를 용접 접합하는 방법(강판-L형강 접합방법); 등이 바람직하다.

상기 a)의 강판간 접합방법은 소요의 두께를 가진 강판을 기둥 일면 크기로 절단하고, 양쪽 표면에 요철을 형성시켜 각각의 강판을 제작한 후, 이들 강판을 강관 형태로 가조립하고 나서 강판과 강판이 겹치는 부분을 용접 접합하여 강관(200)을 완성시키게 된다.

또한, 상기 b)의 강판-L형강 접합방법은 소요의 두께를 가진 강판을 기둥 일면 크기로 절단하고, 양쪽 표면에 요철을 형성시켜 각각의 강판을 제작한 후, 이들 강판을 강관 형태로 가조립하고 나서 강판과 강판이 접하는 네 모서리의 안쪽 또는 바깥쪽에 L형강을 덮붙여 이들 강판과 L형강을 용접 접합하여 강관(200)을 완성시키게 된다.

상기에 있어서 강판의 표면에 요철은 형성시키는 것은 강관(200)과 비폭렬형 시멘트복합체(100) 또는 강관(200)과 고강도 콘크리트(404)와의 부착력을 증대시켜 일체화 하기 위한 것으로, 본 발명에 있어서 강판에 요철을 형성시키는 방법으로는 a) 제작공정에서 요철이 이미 형성된 강판(요철강판)을 사용하는 방법; b) 평판의 강판 표면에 스터드볼트 등의 요철부를 용접 접합하는 방법; c) 강관 형성 후 강관의 표면에 띠철근이나 나선철근 등을 용접 접합하는 방법; 등이 있으나 별도의 제한은 없다.

(b) 외부형틀 설치단계

상기와 같이 완성된 강관(200)을 성형틀에 고정한 후, 그 강관(200)이 감싸지도록 외부형틀을 설치함으로서 상기의 강관(200)이 내부형틀로 작용하도록 한다. 또한, 상기 강관(200)과 외부형틀 사이에는 소요의 피복두께(약 10 ~ 100mm 정도)가 확보될 수 있도록 간격을 두어 설치하며, 외부형틀의 내표면에는 탈형을 용이하게 하기 위해 박리제를 도포하는 것이 좋다.

(c) 비폭렬형 시멘트복합체(100) 성형 및 양생단계

상기와 같이 완성된 강관(200)과 외부형틀 사이에 비빔 완료된 비폭렬형 시멘트복합체(100)를 충전한 후, 원심성형 또는 진동성형에 의해 이를 성형하고, 고온 양생하여 프리컬럼(300)을 완성하게 된다.

본 발명에 있어서, 상기의 비폭렬형 시멘트복합체(100)는 피복콘크리트(403)의 역할을 담당하면서 기둥부재의 유효단면적에 포함될 수 있도록 프리컬럼(300) 내부에 충전되는 고강도 콘크리트(404)와 동등 이상의 압축강도를 발현하는 고인성 모르타르나 섬유보강 고강도 콘크리트가 사용되며, 이를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기의 고인성 모르타르는 휨하중 또는 직접인장하중 작용하에서 초기균열이 발생한 후에도 응력의 저하 없이 변형의 증대와 함께 응력이 다시 증대되는 변형경화거동(Strain-hardening behavior)을 보이고, 이 과정에서 복수의 미세균열(평균 균열폭 100㎛ 이하)인 멀티플크랙(Multiple crack)이 발생되는 특징을 가지고 있다. 이러한 특징에 의해 상기의 고인성 모르타르는 균열제어성능, 에너지흡수능력, 변형성능, 충격저항성 등이 매우 탁월하며, 더욱이 화재시 급격한 고온에 노출되어도 내부에 함유된 다량(섬유용적혼입율(V_f)이 1.5 ~ 2.5용적부 정도)의 합성섬유(특히, 고장력 폴리비닐알콜(PVA)섬유)가 용융하여 수증기압을 배출함으로서 고강도임에도 불구하고 폭렬현상이 전혀 발생하지 않을 뿐만 아니라, 내부 미세공극의 증가에 의해 열전도율이 낮아져 강관(200) 및 고강도 콘크리트(404)로의 열전도를 억제함으로서 화열에 의한 기둥부재의 손상을 최소화 할 수 있게 된다.

한편, 상기의 섬유보강 고강도 콘크리트는 폴리프로필렌(PP)섬유, 폴리에틸렌(PE)섬유, 폴리알콜(PVA)섬유 등의 합성섬유가 고강도 콘크리트 100용적부에 대하여 0.2 ~ 1.0용적부의 범위로 함유되는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 있어서 비폭렬형 시멘트복합체(100)로서 상기의 섬유보강 고강도 콘크리트가 사용됨으로서 성형 및 운반시 건조수축이나 충격에 의한 균열발생을 억제할 수 있으며, 더욱이 화재시에는 내부의 합성섬유가 고온에 의해 융용되어 폭렬압(즉, 수증기압)을 저감시켜 화재에 의한 피복콘크리트 부분의 폭렬현상을 방지할 수 있게 된다.

(d) 프리컬럼(300) 운반 및 설치단계

상기와 같이 공장에서 제작 완료된 프리컬럼(300)은 건설현장으로 운반되어 설치되며, 도 5는 프리컬럼(300)의 설치순서를 나타낸 개념도의 일례이다.

우선, 도 5(a)는 양중장비를 이용하여 프리컬럼(300)을 설치 위치까지 양중하는 단계로, 이 단계에서는 프리컬럼(300)에 설치된 연결부(602)와 와이어로프(603)를 연결하여 크레인에 의해 설치 위치까지 운반하여 설치된다. 특히, 최초층에 있어서는 프리컬럼(300) 내부에 충전되는 고강도 콘크리트(404)와 바닥(FL)이 일체화 될 수 있도록 바닥 콘크리트 타설 시 미리 철근(601)을 매립하여 두는 것이 바람직하며, 더욱이 상기의 철근(601)은 프리컬럼(300) 내부 공간에 위치하도록 설치하는 것이 바람직하다.

도 5(b)는 설치된 프리컬럼(300)을 고정 및 지지하는 단계로, 우선 프리컬럼(300)의 수직도를 맞춘 후 수직도가 변형되거나 넘어지지 않도록 지지대(604)를 이용하여 바닥면(FL)에 고정하고, 프리컬럼(300)과 바닥면(FL)이 접하는 부분에는 고강도 콘크리트(404) 충전시 페이스트나 물이 유실되지 않도록 목재 등을 이용하여 고정대(605)를 설치하는 것이 바람직하다.

도 5(c)는 상기와 같이 고정된 프리컬럼(300)의 상단부에 보(800) 및 상층부 프리컬럼(300)을 접합하기 위한 접합부(700)를 양중 및 설치하는 단계이며, 도 6은 접합부의 상세단면을 나타낸 일례이다. 우선, 접합부(700)는 도 6에 도시한 바와 같이 끼움강관(702)과 이를 피복하는 비폭렬형 시멘트복합체(100) 및 보(800)를 연결하기 위한 돌출강판(701)으로 구성되어 있으며, 상기 끼움강관(702)의 외부최대치수(외경)는 프리컬럼(300)의 내부치수(내경)보다 작게 되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 끼움강관(702)의 끼움길이는 프리컬럼(300)의 내부치수(내경)보다 크게 하여 접합부(700)가 프리컬럼(300)에 완전하게 고정되도록 설치하는 것이 바람직하다.

도 5(d)는 접합부(700)를 설치 완료하고 보(800)을 접합하는 단계로, 접합부(700)에 설치된 돌출강판(701)과 보(800)를 접합하여 완성된다. 한편, 도 5에 있어서는 보(800)로서 철골보를 사용한 경우만을 도시한 것이며, 본 발명에 있어서는 철골보(800) 뿐만 아니라 철근콘크리트보, 철골철근콘크리트보의 사용도 가능하다.

(e) 고강도 콘크리트(404) 충전단계

마지막으로는 상기와 같이 설치된 프리컬럼(300) 내부에 고강도 콘크리트(404)를 충전하여 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트 기둥부재를 완성하는 단계이며, 이 단계에서는 콘크리트 호퍼나 압송펌프 등에 의해 운반된 고강도 콘크리트(404)를 프리컬럼(300) 내부에 타설하면서 진동다짐을 실시하여 밀실하게 충전시킴으로서 완성된다.

한편, 본 발명은 상기 강관(200)의 단면적(양)을 증대시켜 프리컬럼(300)을 제작함으로서 프리컬럼(300) 내부에 콘크리트(404)를 충전하지 않고도 프리컬럼(300) 자체가 구조내력을 부담할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 기둥부재의 제작방법도 포함한다.

본 발명에 의하면, 강관과 비폭렬형 시멘트복합체로 이루어진 프리컬럼 내부에 고강도 콘크리트를 충전하여 기둥부재를 제작함으로서, 피복콘크리트의 역할을 하는 비폭렬형 시멘트복합체가 화재발생시 폭렬하지 않고 내부로의 열전달을 차단하며, 더욱이 보강재의 역할을 하는 강관이 내부의 고강도 콘크리트의 폭렬압을 구속하여 폭렬저항성 및 내화성능이 우수한 기둥부재를 제작할 수 있다.

한편, 본 발명의 프리컬럼은 공장에서 제작되는 것으로 기둥에 있어서 피복콘크리트 및 보강재의 역할을 담당하므로 현장에서의 거푸집 설치공정 및 철근조립공정이 생략되어 공기 및 공정의 단축이 가능하고, 이에 의해 공사비용을 절감시킬 수도 있다. 더욱이, 공장제품이므로 안정적인 품질확보가 가능하고, 표면마감 성능이 우수하여 현장에서 별도의 표면처리가 불필요하게 된다.

Claims (5)

1. 고강도 철근콘크리트 기둥부재를 제작함에 있어서, a) 내외측의 표면에 요철이 형성된 강관을 제작하는 단계(강관제작단계); b) 상기의 강관이 감싸도록 외부형틀을 설치하는 단계(외부형틀 설치단계); c) 상기의 강관과 외부형틀 사이에 비폭렬형 시멘트복합체를 타설 성형하여 프리컬럼을 완성하는 단계(비폭렬형 시멘트복합체 성형단계); d) 상기와 같이 완성된 프리컬럼을 현장으로 운반하여 설치하는 단계(프리컬럼 설치단계); e) 설치된 상기의 프리컬럼 내부에 고강도 콘크리트를 충전하여 기둥부재를 완성하는 단계(고강도 콘크리트 충전단계);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리컬럼을 사용한 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 제작방법
2. 제1항에 있어서, 상기의 강관은 양쪽 표면에 요철이 형성된 강판이 서로 접하는 네 모서리를 용접 접합하여 제작하는 것을 특징으로 하는 프리컬럼을 사용한 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 제작방법
3. 제1항 내지 제2항에 있어서, 상기의 강관은 양쪽 표면에 요철이 형성된 강판이 서로 접하는 네 모서리의 안쪽 내지 바깥쪽에 L형강을 설치하고 이를 서로 용접 접합하여 제작하는 것을 특징으로 하는 프리컬럼을 사용한 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트 기둥부재의 제작방법
4. 제1항에 있어서, 상기의 비폭렬형 시멘트복합체로는 휨하중 또는 직접인장하중 하에서 초기균열이 발생한 후에도 응력의 저하 없이 변형의 증대와 함께 응력이 다시 증대되는 변형경화거동을 나타낼 뿐만 아니라, 이 과정에서 복수의 미세균열인 멀티플크랙을 발현하는 고인성 모르타르가 사용되며, 당해 고인성 모르타르는 강관 내부에 충전되는 고강도 콘크리트보다 높은 압축강도를 발현하여 기둥의 유효단면적에 포함되는 것을 특징으로 하는 프리컬럼을 사용한 폭렬방지형 고강도 철근콘크리트 기둥의 제작방법
5. 삭제

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