KR101921024B1 - 전단연결재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강재와 콘크리트의 합성구조에 필수적인 전단연결재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 퍼포본드 홀에 보강부재를 삽입 설치하여 추가적인 전단저항력을 용이하게 제공할 수 있는 전단연결재에 관한 것이다.
본 발명은, 강재와 콘크리트의 합성구조에 사용되는 전단연결재에 있어서, 일방향으로 긴 강판인 본체; 상기 본체에 형성된 홀(hole)인 퍼포본드 홀; 및, 상기 퍼포본드 홀에 삽입되어 고정되며 상기 퍼포본드 홀의 외부로 노출되는 길이는 홀의 양쪽으로 동일한 강관인 보강부재;를 포함하여 구성되며, 상기 본체의 적어도 일부와 퍼포본드 홀 및 보강부재는 콘크리트에 수용되는 상태로 결합하는 것을 특징으로 하는 전단연결재를 제공한다.

Description

전단연결재 {Perfobond Rib Supplemented with Steel Tube}

본 발명은 강재와 콘크리트의 합성구조에 필수적인 전단연결재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 퍼포본드 홀에 보강부재를 삽입 설치하여 추가적인 전단저항력을 용이하게 제공할 수 있는 전단연결재에 관한 것이다.

강재 거더와 콘크리트 슬래브를 결합한 합성거더는 구조적으로 매우 효율적인 대표적인 합성구조이다. 강재와 콘크리트의 합성을 위해서는 전단연결재가 필요하기 때문에 다양한 형태의 전단연결재가 개발되어 왔다. 이러한 전단연결재 중의 하나가 도 1a에 도시된 퍼포본드 리브(Perfobond Rib) 전단연결재이다. 퍼포본드 리브 전단연결재는 스터드의 피로문제를 해결하고자 Leonhardt가 고안하여 베네수엘라의 Third Caroni Bridge에 적용한 전단연결재로서 4개의 구멍이 배치된 강판을 거더 길이방향으로 소정의 간격으로 강거더의 상부플랜지 위에 설치하였다. 도 1b는 도 1a와 같은 퍼포본드 리브의 전단저항력 작동기구를 설명하는 그림으로, 전단저항력은 ①수평전단(horizontal shear) 저항, ②수직전단(vertical shear) 저항, ③퍼포본드 홀(hole)을 통과하는 철근에 의한 전단저항, ④리브 단부의 지압작용에 의한 전단저항 등으로 구성된다. 도 1b의 ①과 ②는 각각 퍼포본드 홀을 통과하는 콘크리트의 다웰(dowel) 작용에 의한 전단저항력의 수평 및 수직 성분이다. 퍼포본드 리브는 강성 전단연결재로 연성이 부족한데 도 1b의 ③퍼포본드 홀을 통과하는 철근을 사용하면 상당한 연성을 얻을 수 있으므로 관통 철근은 사실상 필수적인 요소이다. 도 1b의 ④리브 단부의 지압작용에 의한 전단저항력은 상당히 커서 일반적으로 리브 내의 퍼포본드 홀들(3~4개)의 ①수평전단저항력의 합과 거의 비슷한 정도이다.

도 2는 퍼포본드 리브를 연속화시킨 형태로서, 간격을 두고 설치되어 기계에 의한 자동용접을 적용하기 어려웠던 도 1a와 같은 퍼포본드 리브의 문제점을 해결하고, 퍼포본드 리브를 거더의 구조요소로도 활용할 수 있도록 개선한 것이다.

도 3은 일반적으로 단순보 합성거더 설계에서 고려하는 설계 전단력의 크기로 지점부에서 크고 중앙부에서는 일정한 값을 갖는다. 분포하중에 의한 전단력은 지점이 있는 단부에서 가장 크고 중앙에서는 0이 되지만, 이동하는 집중하중에 의한 전단력은 전구간에 걸쳐 일정한 크기이다. 또한 강재과 콘크리트의 온도차, 콘크리트의 수축, 최소 설계 전단력 등을 고려하면, 설계 전단력의 크기는 통상 도 3의 아래쪽의 선도와 같은 형태가 된다. 도시하지는 않았지만 연속보 구조의 경우에도 설계 전단력이 지점에서 크고 경간 중앙부에서 작다는 점은 단순보와 같다.

도 2와 같은 연속 퍼포본드 리브는 도 1b의 ④리브 단부의 지압에 의한 전단저항력을 얻을 수 없어서 단속적으로 설치되는 퍼포본드 리브에 비하여 전단저항성능이 떨어진다. 퍼포본드 홀을 통과하는 철근의 직경을 키우면 전단저항력을 증가시킬 수 있지만, 퍼포본드 홀에 설치되는 철근은 별도의 철근으로 구성되는 것이 아니라 슬래브 하단에 배근되는 횡방향 철근을 이용하기 때문에 철근의 직경을 변화시키는 것은 사실상 어렵다. 슬래브의 횡방향 철근은 항상 일정한 간격으로 배치되기 때문에 퍼포본드 홀은 여기에 맞추어 배치된다(일반적으로 횡방향 철근 간격은 넓은 편이기 때문에 퍼포본드 홀을 하나씩 걸러서 철근이 설치된다). 따라서 도 2와 같은 연속 퍼포본드 리브의 경우에는 퍼포본드 홀의 크기를 바꾸는 방법으로만 전단저항력을 변화시킬 수 있다. 그러나 홀의 크기를 키우려면 리브의 높이를 키워야 하는데 퍼포본드 리브의 위를 통과하는 슬래브 상단 횡방향 철근과의 간섭을 피해야 하므로 리브의 높이를 높이는 것도 사실상 불가능하다. 이상과 같이 이유로 도 2와 같은 연속 퍼포본드 리브 전단연결재는 전 구간에서 거의 같은 크기의 전단저항력을 제공하기 때문에 도 3과 같이 구간에 따라 변화하는 설계 전단력에 효율적으로 대처하기가 어렵다. 사실 단속적으로 설치되는 퍼포본드 리브도 연속 퍼포본드 리브에 비하여 다소 큰 전단저항력을 제공할 수는 있지만 변화하는 전단력에 따라 전단저항력을 대폭 증가시키기는 어렵다.

일반적으로 합성거더에 작용하는 전단력은 거더 길이에 비례한다. 따라서 도 2와 같은 연속 퍼포본드 리브 전단연결재를 단경간의 합성거더에 적용하는 경우에는 문제가 없으나, 장경간의 합성거더의 경우에는 지점 부근에서의 설계 전단력이 상당히 크기 때문에 일정한 간격으로 배치되는 퍼포본드 홀과 관통 철근만으로는 충분한 전단저항력을 제공하기가 어렵다.

본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 콘크리트 슬래브의 횡방향 철근을 관통철근으로 이용하기 위해 일정한 간격으로 설치되는 퍼포본드 홀을 갖고 퍼포본드 홀에 의한 전단저항 외에 추가적인 전단저항성능을 가지는 전단연결재를 제공하는 것이다.

전술한 과제의 해결 수단으로서 본 발명은,

강재와 콘크리트의 합성구조에 사용되는 전단연결재에 있어서,

일방향으로 긴 강판인 본체;

상기 본체에 형성된 홀(hole)인 퍼포본드 홀; 및,

상기 퍼포본드 홀에 삽입되어 고정되며 상기 퍼포본드 홀의 외부로 노출되는 길이는 홀의 양쪽으로 동일한 강관인 보강부재;를 포함하여 구성되며,

상기 본체의 적어도 일부와 퍼포본드 홀 및 보강부재는 콘크리트에 수용되는 상태로 결합하는 것을 특징으로 하는 전단연결재를 제공한다.

상기 보강부재 중 상기 퍼포본드 홀로부터 노출된 부분의 길이는 요구되는 전단저항력에 따라 결정되는 것이 바람직하다.

상기 보강부재는 상기 퍼포본드 홀에 택(tack) 용접에 의해 결합하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 퍼포본드 홀을 갖는 판형 전단연결재의 홀에 강관을 삽입 설치하여 홀의 양쪽으로 돌출된 강관의 지압작용에 의한 전단저항을 추가함으로써 경제적이며 구조적으로도 효율적인 전단연결재를 제공할 수 있다.

도 1a는 퍼포본드 리브(perfobond rib) 전단연결재.
도 1b는 퍼포본드 리브(perfobond rib) 전단연결재의 전단저항력 작동기구.
도 2는 종래의 연속 퍼포본드 리브의 적용사례.
도 3은 단순보 합성거더의 전단연결재 설계에 사용되는 전단력의 크기 분포도.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전단연결재를 설명하기 위한 도면.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 전단연결재의 다른 실시예를 도시한 도면.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명함으로써 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 제공하기로 한다.

도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전단연결재를 설명하기 위한 도면이다.

본 실시예에 따른 전단연결재는 강재와 콘크리트의 합성구조에 사용되는 것으로서 통상 강재에 용접 등의 방법으로 결합한 형태로 사용된다.

본 실시예의 전단연결재는 본체(10), 퍼포본드 홀(20) 및 보강부재(30)를 포함하여 구성된다.

상기 본체(10)는 도 4의 아래에 도시된 바와 같이 일방향으로 긴 강판이다.

상기 퍼포본드 홀(20)은 상기 본체(10)의 길이 방향을 따라 형성되는 홀(hole)이다.

상기 보강부재(30)는 상기 퍼포본드 홀(20)에 삽입되어 고정되며 상기 퍼포본드 홀(20)의 외부로 노출되는 길이를 가지는 강관으로서 전단저항력을 증대시키는 구성이다.

상기 퍼포본드 홀(20)의 외부로 노출되는 길이는 퍼포본드(20) 홀의 양쪽으로 동일하게 대칭으로 설치된다.

상기 보강부재(30)는 콘크리트와의 합성 시에 콘크리트에 내설되어 콘크리트가 양생된 후에는 경화된 콘크리트에 의해서 고정된다.

합성거더의 전단력은 퍼포본드 홀(20)과 보강부재(30) 사이에 작용하는 접촉(contact)작용과 보강부재(30)와 콘크리트 사이의 지압작용, 그리고 보강부재(30) 단부에서의 콘크리트 다웰(dowel)작용에 의해 지지되는 구조로 구성할 수 있기 때문에 보강부재(30)를 콘크리트 타설 시에 움직이지 않을 정도로만 고정하면 된다. 즉, 본 발명에서는 퍼포본드 홀(20)에 강결된 보강부재(30)와 콘크리트 사이의 지압 및 보강부재(30) 속에 타설된 콘크리트의 다웰작용에 의해 전단연결재와 콘크리트 사이의 슬립(slip)이 방지되는 것이 아니라, 콘크리트에 의해 고정된 보강부재(30)가 퍼포본드 홀(20)에 삽입 설치되어 전단 슬립을 방지하는 구조로 구성할 수도 있기 때문에 반드시 보강부재(30)를 퍼포본드 홀(20)에 강결할 필요가 없다.

이러한 이유로 본 실시예에서 상기 보강부재(30)는 상기 퍼포본드 홀(20)에 택(tack) 용접으로 고정된다. 택 용접이란 연결부위 중 일부에 용접봉으로 점 형태로 용접하는 방식을 말하며 통상적으로 전면을 용접하기 전에 용접할 두 개의 부재를 임시 고정할 때 사용되는 용접 방법이다. 택 용접 외에도 접착제를 사용하거나 쐐기를 사용하여 보강부재(30)를 퍼포본드 홀(20)에 고정할 수도 있다.

상기 보강부재(30)는 속이 비어있기 때문에 퍼포본드 홀(20)에 보강부재(30)를 설치해도 여전히 철근을 관통시켜 설치할 수 있고, 콘크리트 다웰(dowel) 작용에 의한 퍼포본드 홀(20)의 전단저항력은 보강부재(30)의 노출된 양단부로 옮겨 갈 뿐 여전히 작동된다. 본원 발명에서와 같이 보강부재(30)에 의해 보강된 퍼포본드 홀(20)은 종래의 퍼포본드 홀(20)의 전단저항력에 더하여 보강부재(30) 중 퍼포본드 홀(20)의 외부로 노출되는 보강부재(30)의 지압작용에 의한 추가적인 전단저항력을 갖게 된다.

도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 전단연결재의 경우 도 1a에 도시된 전단연결재와는 달리 일방향으로 긴 연속적인 형태이므로 도 1b에 ④로 표시된 단부의 지압작용에 의한 전단저항력이 없는데, 보강부재(30)에 의해 전단저항력을 보강한 것으로 볼 수 있다.

상기 보강부재(30)의 길이가 상당히 길지 않는 한 콘크리트로 꽉 차있는 보강부재(30)의 강도는 매우 크기 때문에 최종 전단파괴는 보강부재(30) 외측 콘크리트의 지압 파괴와 보강부재(30) 내측 콘크리트의 다웰 파괴에 의해 지배된다.

상기 보강부재(30) 중 상기 퍼포본드 홀(20)로부터 노출된 부분의 길이는 요구되는 전단저항력에 따라 결정된다. 상대적으로 큰 전단저항이 필요한 부분에는 노출된 부분의 길이를 길게 하고, 상대적으로 작은 전단저항이 필요한 부분에는 노출된 부분의 길이를 짧게 한다.

상기 보강부재(30)의 길이가 그리 길지는 않으므로 슬래브 철근과의 간섭 없이 보강부재(30)의 길이를 변화시킴으로써 전단저항력을 쉽게 변화시킬 수 있는 장점이 있다.

도 4의 아래쪽 도면에는 전단력이 크게 작용하는 단부쪽에는 상대적으로 긴 보강부재(30a)가 설치되고, 그 다음 구간에는 상대적으로 짧은 보강부재(30b)가 설치되며 전단력이 가장 작게 작용하는 중앙부(도면상에는 오른쪽 단부)에는 보강부재가 설치되지 않도록 구성된 상태가 도시되어 있는데, 구간에 따라 변화하는 합성거더의 설계 전단력에 효율적으로 대처할 수 있게 설계된 것이다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전단연결재에 대하여 설명하기로 한다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 전단연결재의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 5a 내지 도 5c에 도시된 전단연결재의 경우에도 본체(10), 퍼포본드 홀(20) 및 보강부재(30)를 포함하여 구성되는데 이러한 구성은 앞서 설명된 실시예의 구성과 실질적으로 동일하므로 설명을 생략하기로 하며 차이점에 대해서만 간략히 설명한다.

도 5a에 도시된 실시예는 T형 보강재의 복부를 본체(10)로 사용한 실시예인데, 본체(10)로서 도 4에 도시된 일자형 리브를 사용하는 것보다 도 5a에 도시된 바와 같이 T형 단면의 리브를 본체(10)로 사용하는 것이 주형의 구조요소로서는 효율적이다. 도 5a와 같은 T형 단면 리브의 복부를 본체(10)로 사용하는 전단연결재는 합성거더의 형고를 조금이나마 낮추기 위해서 사용될 수 있다. 도 5a에 표시된 도면부호 1,2,3은 각각 상부플랜지, 복부, 하부플랜지이다.

도 5b에 도시된 전단연결재는 역 T형 강거더의 복부 일부를 본체(10)로 사용하고 그 본체(10)에 퍼포본드 홀(20)과 보강부재(30)를 설치하여 전단연결재 역할을 하도록 구성한 예이다. 강거더의 상부플랜지와 콘크리트 슬래브가 합성 후에는 구조적으로 같은 역할을 하기 때문에 강거더의 상부플랜지를 없앤 거더 형식으로 주로 거더 거치 전에 합성하는 경우에 사용된다. 도 5b에 도시된 전단연결재의 실시예는 콘크리트에 파묻히는 강거더의 복부를 본체(10)로 사용하고 그 본체(10)에 퍼포본드 홀(20)과 보강부재(30)를 설치하여 전단연결재 역할을 하도록 함으로써 종래와 같이 별도의 전단연결재를 사용하지 않을 수 있고 이로 인하여 강거더와 전단연결재 사이의 용접이음을 생략할 수 있는 장점이 있다. 도 5b의 도면부호 2와 3은 각각 복부와 하부플랜지이다.

이처럼 도 5b에 도시된 실시예에서와 같이 합성 과정에서 콘크리트에 파묻히는 강거더의 모든 판형 구성요소를 본체(10)로 사용하고 그 본체(10)에 퍼포본드 홀(20)과 보강부재(30)를 형성하여 전단연결재로 사용할 수 있다.

도 5c에 도시된 실시예는 강박스 거더 하부플랜지의 종방향 보강재를 본체(10)로 사용하고 그 본체(10)에 퍼포본드 홀(20)과 보강부재(30)를 형성한 실시예이다. 이중합성 강박스 거더의 하부플랜지(3)는 콘크리트 하부 슬래브(S)와 합성되는데, 일반적으로 상기 하부플랜지(3)와 하부 슬래브(S) 사이의 전단연결재로 스터드를 사용하는데 본 실시예에서는 하부플랜지(3)에 설치되는 종방향 보강재를 본체(10)로 사용한 전단연결재를 일반적으로 사용되는 스터드 대용으로 사용하는 것이다.

연속교의 부모멘트 구간에서 좌굴방지를 위해 하부플랜지에 종방향 보강재가 설치되는 일반 강박스 거더와는 달리 이중합성 강박스 거더는 하부플랜지가 콘크리트 하부 슬래브와 합성되기 때문에 합성 후에는 종방향 보강재가 필요 없어진다. 그러나 일반적으로 이중합성 강박스 거더는 강박스 거더를 하부구조 위에 거치한 후에 하부 슬래브 콘크리트를 타설하기 때문에 시공 중에 발생하는 하부플랜지의 압축응력에 의한 좌굴에 대비하기 위해 최소한의 종방향 보강재가 필요하다. 이러한 이중합성 거더의 하부플랜지 종방향 보강재는 좌굴 방지 기능만 있는데, 도 5c에 도시된 바와 같이 종방향 보강재를 본체(10)로 사용하고 본체(10)에 퍼포본드 홀(20)과 보강부재(30)를 형성하면 좌굴 방지 기능 외에 전단연결재의 역할도 할 수 있어서 하부플랜지에 설치되는 스터드(미도시)의 개수를 상당히 많이 줄일 수 있다. 도 5c에 도시된 종방향 보강재와 겸용으로 사용되는 전단연결재는 보강재 복부(본체)에 퍼포본드 홀이 있어서 강성이 다소 작아지지만, 종방향 보강재의 강성은 단면 2차 모멘트로 평가되기 때문에 퍼포본드 홀을 중앙에 위치시키면 감소되는 강성은 크지 않으며, 하부플랜지(3)의 종방향 보강재는 하부 콘크리트 타설까지의 하중에 대해서만 좌굴 방지를 하면 되기 때문에 필요한 강성이 작아서 종방향 보강재(본체)에 퍼포본드 홀을 설치하는 것은 문제가 되지 않는다.

이상에서 본 발명의 바람직한 몇 가지 실시예에 따른 전단연결재에 대하여 설명함으로써 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 제공하였으나 본 발명의 기술적 사상이 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 사상에 어긋나지 않는 범위 안에서 다양한 형태의 전단연결재로 구체화될 수 있다.

10 : 본체 20 : 퍼포본드 홀
30 : 보강부재

Claims (3)

1. 강재와 콘크리트의 합성구조에 사용되는 전단연결재에 있어서,
   일방향으로 긴 강판인 본체;
   상기 본체에 형성된 홀(hole)인 퍼포본드 홀; 및,
   상기 퍼포본드 홀에 삽입되어 고정되며 상기 퍼포본드 홀의 외부로 노출되는 길이는 홀의 양쪽으로 동일한 강관인 보강부재;를 포함하여 구성되며,
   상기 본체의 적어도 일부와 퍼포본드 홀 및 보강부재는 콘크리트에 수용되는 상태로 결합하며,
   상기 보강부재 중 상기 퍼포본드 홀로부터 노출된 부분의 길이는 발생하는 전단파괴가 상기 보강부재의 외측 콘크리트의 지압파괴와 보강부재 내측 콘크리트의 다웰파괴에 의해 지배되는 것을 고려하여 요구되는 전단저항력에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 전단연결재.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 보강부재는 상기 퍼포본드 홀에 택(tack) 용접에 의해 결합하는 것을 특징으로 하는 전단연결재.
   

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