KR101381115B1

KR101381115B1 - 곡률반경 조정효과를 이용한 각형강관 버팀보

Info

Publication number: KR101381115B1
Application number: KR1020120051893A
Authority: KR
Inventors: 황문삼
Original assignee: (주)피에스테크
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2014-04-04
Also published as: KR20130128106A

Abstract

본 발명은 모서리 라운딩부의 곡률반경을 변화시켜 버팀보로서의 성능을 향상시킨 각형강관 버팀보에 관한 것이다. 본 발명 곡률반경 조정효과를 이용한 각형강관 버팀보는 정사각형의 단면을 가지며 모서리가 라운딩된 사각강관이며, 모서리 라운딩부의 곡률반경(R)이 8~20t이다. 본 발명 곡률반경 조정효과를 이용한 각형강관 버팀보에 따르면, 규격화된 각형강관과 동일한 중량을 기준으로 각형강관의 모서리 라운딩부 곡률반경(R)을 변화시킴으로써 전체좌굴 및 국부좌굴에 대한 각형강관의 압축 저항성능을 향상시킬 수 있다. 각형강관의 압축 저항성능을 향상시킴으로써 강재의 사용중량을 줄여 경제적 효과까지 얻을 수 있다.

Description

곡률반경 조정효과를 이용한 각형강관 버팀보{STEEL PIPE STRUT}

본 발명은 각형강관 버팀보에 관한 것으로, 모서리 라운딩부의 곡률반경을 변화시켜 버팀보로서의 성능을 향상시킨 각형강관 버팀보에 관한 것이다.

버팀보(Strut)란 흙막이벽을 지지하는 지보공 중의 하나로써 벽체에 작용하는 하중을 반대편 벽체로 전달하여 흙막이벽을 지지하는 구조물이다. 다양한 흙막이 벽체를 사용하더라도 버팀보를 지보공으로 사용할 경우에는 벽체에 띠장을 설치하고 띠장에 버팀보를 설치하여 반대편 벽체와 동일한 방법으로 연결을 하는 구조를 갖고 있다.

버팀보의 중간에는 중간말뚝을 설치하며 이는 버팀보의 좌굴길이를 조절하는 기능과 흙막이벽 상부에 도로통행, 사무실, 장비이동통로 등의 하중을 지지할 주형보를 받쳐주는 기능을 갖고 있다.

지보공의 종류에는 크게 버팀보(Strut), 레이커(raker), 타이로드(tie-rod), 어스앵커(earth anchor), 쏘일네일(soil nail)이 있다.

버팀보는 레이커에 비해 굴착심도에 제한을 받지 않으며 굴착면 안에 설치함으로써 재료의 응력 및 변형 등의 확인이 쉬우므로 안전관리가 용이한 공법에 속한다. 비교적 시공이 간편하고 지반조건에 크게 구애를 받지 않으므로 가장 광범위하게 사용되는 공법이다. 그러나 굴착폭이 50m 이상으로 클 경우에는 사용하기 부적합하며 지반굴착에 여러 장애물들이 발생하는 단점을 갖고 있다.

H형강의 특성상 강축과 약축을 갖게 되는데, 버팀보와 같은 압축부재로 사용할 경우에는 약축방향으로 좌굴에 대해서 불리하게 되며 이를 위해 브레이싱과 같은 보강재를 병행해서 설계되어야 한다. 이러한 보강재는 모든 버팀보들을 상호 연결해 주는 장점도 있으나, 버팀보 위에 작업자가 올라가서 직접 설치하는 위험한 작업이 발생되고 갑작스러운 약축방향 파괴에 의해 타 버팀보까지 그 영향을 미치게 되는 단점을 갖고 있다. 더불어 보강재는 지반굴착 및 본 구조물 시공시에 작업에 대한 장애물로 작용했으며 다양한 작업량에 의해 가설공사의 공사비를 높이는 원인이 되었다.

이에 비해 강관 버팀보는 강축, 약축의 구분이 없어 좌굴 및 비틀림에 유리한 구조단면을 갖고 있고 수평, 수직 브레이싱이 필요없어 공사비, 공사기간, 시공성(버팀보 설치/해체, 지반굴착, 본 구조물 시공) 등이 H형강 보다 상대적으로 유리함으로써 해외에서 대부분의 버팀보 형식으로 사용되고 있다.

종래에 흙막이 가시설에서 버팀보로 주로 사용되는 강관 버팀보 중 각형강관 버팀보(10)의 모서리 라운딩부(11) 곡률반경은 도 1에 도시된 바와 같이 2~3t이다(t는 각형강관 버팀보의 일측변의 두께). 이러한 라운딩부 곡률반경은 최적의 압축저항성능을 고려하지 않은 것이며, 최적의 압축저항성능을 발휘하도록 함으로써 강재의 사용량을 줄이고 경제적 효과를 얻기 위해서는 각형강관 버팀보의 라운딩부 곡률반경이 최적화될 필요성이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 버팀보로서 최적의 압축저항성능을 발휘하도록 모서리 라운딩부 곡률반경을 최적화하는 곡률반경조정효과를 이용한 각형강관 버팀보를 제공하는데 있다.

본 발명 곡률반경 조정효과를 이용한 각형강관 버팀보는 사각형의 단면을 가지며 모서리가 라운딩된 사각강관이며, 모서리 라운딩부의 곡률반경(R)이 8~20t이다. 여기서, t는 한 변의 두께(mm)이고 R은 곡률반경(mm)이다

사각강관 버팀보의 바람직한 라운딩부 곡률반경(R)은 8~15t이다.

본 발명 곡률반경 조정효과를 이용한 각형강관 버팀보에 따르면, 규격화된 각형강관과 동일한 중량을 기준으로 각형강관의 라운딩부 곡률반경(R)을 변화시킴으로써 전체좌굴 및 국부좌굴에 대한 각형강관의 압축 저항성능을 향상시킬 수 있다. 각형강관의 압축 저항성능을 향상시킴으로써 강재의 사용중량을 줄여 경제적 효과까지 얻을 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 각형강관 버팀보의 단면도.
도 2는 본 발명 곡률반경조정효과를 이용한 각형강관 버팀보의 단면도.
도 3은 버팀보의 길이가 5m일 때 곡률반경에 따른 축력을 나타낸 그래프.
도 4는 버팀보의 길이가 6m일 때 곡률반경에 따른 축력을 나타낸 그래프.
도 5는 버팀보의 길이가 7m일 때 곡률반경에 따른 축력을 나타낸 그래프.
도 6은 버팀보의 길이가 8m일 때 곡률반경에 따른 축력을 나타낸 그래프.
도 7은 버팀보의 길이가 9m일 때 곡률반경에 따른 축력을 나타낸 그래프.
도 8은 버팀보의 길이가 10m일 때 곡률반경에 따른 축력을 나타낸 그래프.
도 9는 버팀보의 길이가 11m일 때 곡률반경에 따른 축력을 나타낸 그래프.

이하에서는 본 발명 곡률반경조정효과를 이용한 각형강관 버팀보를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명하기로 한다.

본 발명 곡률반경조정효과를 이용한 각형강관 버팀보(100)는 정사각형의 단면을 가지는 사각강관으로 형성된다. 이 때, 사각강관의 네 모서리는 라운딩되며, 각 라운딩부(110)가 갖는 곡률반경(R)은 8~20t일 때 전체좌굴 및 국부좌굴에 대한 각형강관의 압축 저항성능을 향상시킬 수 있다. 여기서, t는 사각강관의 한 변이 갖는 두께(mm)이다.

본 발명 각형강관 버팀보(100)의 설계과정은 굴착지역의 지반조사 자료, 지장물 등을 확인하는 과정을 거치고 단계별 굴착에 따른 벽체의 변형 및 부재의 축력 및 모멘트를 계산하는 가시설 프로그램을 적용하여 가정한 단면에 대한 안정성 여부를 검토한다.

버팀보는 띠장에서부터 전달되는 축력과 자중 및 경우에 따라서는 적재하중에 의한 모멘트를 갖는 휨압축부재로서 검토하여야 한다.

각형강관 버팀보의 단면을 검토하는 과정을 살펴보면, ① 단면력 산정, ② 작용응력 산정, ③ 허용응력 산정, ④ 응력검토의 순으로 이루어진다.

① 단면력 산정

설계압축력(P_max)은 토압에 의한 축력(R_max)과 온도하중(T)을 합한 값이다.

즉, P_max = R_max + T ……………… 식1

설계휨모멘트(M_max)는 버팀보와 간격재 등의 자중과 작업하중을 합한 값(W)과 버팀보의 길이(L)를 통해 계산된다.

즉, M_max = W × L² / 8 ……………… 식2

② 작용응력 산정

흼응력(f_b)는 설계휨모멘트(M_max)를 단면계수(Z_x)로 나눈 값이다.

즉, f_b= M_max/ Z_x ……………… 식3

압축응력(f_c)는 설계압축력(P_max)를 단면적(A)으로 나눈 값이다.

즉, f_C= P_max/ A ……………… 식4

③ 허용응력 산정

허용응력 산정은 각형강관 버팀보의 한변을 이루는 판의 두께가 40mm 이하일 경우 적용한다. 가시설구조물의 허용응력 증가계수는 1.5이며(가설 흙막이 구조물에서는 일반 시방서에서 규정하고 있는 허용응력에 50% 할증을 적용), 강재의 허용응력 보정계수는 0.9이다(강재의 재사용 및 부식을 고려한 허용응력 저감계수 적용).

허용축방향압축응력(f_ca)은 국부좌굴을 고려하지 않은 허용축방향압축응력(f_cag)과 국부좌굴에 대한 허용응력(f_cal)을 곱한 값에서 국부좌굴을 고려하지 않은 허용축방향압축응력의 상한값(f_cao)을 나눈 것이다.

즉, f_ca= f_cag·f_{cal /}f_cao……………… 식5

허용휨압축응력(f_ba)은 국부좌굴에 대한 허용응력(f_cal)과 허용휨압축응력의 상한값(f_bao)의 관계로부터 도출된다. 상자형 단면과 같이 횡자굴이 일어나기 어려운 경우 허용휨압축응력은 국부좌굴에 대한 허용응력 값보다 클 수 없다.

즉, f_ba = min.(f_cal, f_bao) ……………… 식6

오일러(Euler)의 좌굴응력(f_ea)은 장주와 같이 긴 버팀보에서 작용한다.

f_ea= 1.5 × 0.9 × 1,2000,000 ÷(L/R)²……………… 식7

여기서, L은 유효좌굴장(㎝)이고 R은 부재의 총단면 2차 반경(㎝)이다.

④ 응력검토

압축응력을 검토하여 허용축방향 압축응력(f_ca)이 축방향 압축응력보다 크면 설계기준에 적합하며, 허용휨압축응력(f_ba)이 휨압축응력보다 크면 설계기준에 적합하다.

축방향과 휨모멘트를 동시에 받는 버팀보의 조합응력을 검토하여 1보다 작거나 같으면 설계기준에 적합하다.

즉, 조합응력 = f_ba/ f_ba+f_ba/(f_ba×(1-(f_ba/f_ba))) ≤ 1.0 ……………… 식8

[실시예]

동일한 하중과 단면적을 갖으며 각 변의 단면두께가 9mm인 정사각형 단면을 갖는 사각강관 STKT590의 모서리 라운딩부 곡률반경(R)과 버팀보의 길이를 변화시키면서 설계축력을 계산하여 아래의 [표 1]에 나타내었다. 설계축력은 조합응력을 1.0이라고 설정할 때 상기 식1 내지 식8을 이용하여 계산하였다. 이 때, 버팀보의 간격은 5.5m로 하였다.

R	W	A	B×H×t	압축저항성능(STKT590)
R	W	A	B×H×t	5m	6m	7m	8m	9m	10m	11m
2t	94.7	120.67	350×350×9	214.9	192.1	168.8	145.3	122.3	98.0	78.1
5t	94.7	120.67	361.59×361.59×9	297.5	268.6	238.6	208.0	177.8	145.5	118.9
8t	94.7	120.67	373.18×373.18×9	337.0	305.3	272.2	238.3	204.4	168.7	138.5
9t	94.7	120.67	377.04×377.04×9	337.8	306.3	273.5	239.7	205.9	170.3	140.0
10t	94.7	120.67	380.90×380.90×9	337.7	306.2	273.3	239.5	205.6	170.0	139.7
11t	94.7	120.67	384.77×384.77×9	337.7	306.2	273.3	239.5	205.6	170.0	139.7
12t	94.7	120.67	388.63×388.63×9	337.5	305.8	272.8	238.9	204.9	169.3	139.0
15t	94.7	120.67	400.22×400.22×9	337.0	305.2	271.9	237.8	203.6	167.9	137.6
20t	94.7	120.67	419.53×419.53×9	332.8	299.9	265.4	230.1	195.0	158.8	129.0

R : 각부곡률반지름(mm)

W : 중량(㎏/m)

A : 단면적(㎠)

B×H×t : 사각강관 제원(mm)

이와 같은 결과를 나타내는 [표 1]을 참조로 버팀보의 길이별로 곡률반경에 따른 설계축력값을 도 3 내지 도 9에 그래프 형태로 나타내었다.

각 그래프의 X축은 버팀보의 곡률반경 R(mm)을 나타내며, Y축은 버팀보의 축력(ton)을 나타낸다. 여기서, t는 버팀보의 각 변의 두께로 9mm이다.

각 그래프에서 보는 바와 같이 최대설계축력값과 최소설계축력값의 차를 1로 보았을 때 곡률반경 R이 8~20t의 범위일 때 버팀보가 가지는 설계축력의 백분율은 85% 이상이며, 곡률반경 R이 8~15t일 때 버팀보가 가지는 설계축력의 백분율은 95% 이상이다.

곡률반경 R이 5t 이하인 경우, 버팀보의 각 길이별로 나타난 설계축력의 백분율은 각각 67%, 66.9%, 66.6%, 66.4%, 66.3%, 65.6%, 65.9% 이내이다. 따라서, 곡률반경 R이 8~20t일 때와 비교하여 설계축력값이 18% 이상 차이가 난다.

이러한 차이는 구조물의 안정성에 있어서 큰 차이를 초래한다. 따라서, 최적의 버팀보로서의 기능을 발휘하기 위해서는 곡률반경(R)이 8~20t인 사각강관 버팀보를 사용하는 것이 바람직하며, 곡률반경(R)이 8~15t인 사각강관 버팀보를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

이러한 기술적 특징은 고강도 강재를 각형강관 버팀보로 이용할 경우 두드러지게 나타난다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나, 본 발명은 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 해당분야 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 변경할 수 있다.

10, 110 : 각형강관 버팀보 11, 110 : 모서리 라운딩부

Claims

사각형의 단면을 가지며 모서리가 라운딩된 사각강관이며, 모서리 라운딩부의 곡률반경(R)이 8~20t인 것을 특징으로 하는 곡률반경 조정효과를 이용한 각형강관 버팀보.
여기서, t는 한 변의 두께(mm), R은 곡률반경(mm)
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