KR20000058544A - 쐐기를 이용한 철재체결장치 및 체결방법 - Google Patents

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Abstract

볼트 체결법은 체결공 주위에 노치(notch)나 응력집중현상이 발생하여 기계적강도, 에너지흡수율, 피로강도가 저하되므로 이를 보완하기 위한 많은 방법들이 시도되었으나 근본적인 해결책을 제시하지 못하였다.
본 발명은 쐐기를 이용한 철재체결장치 및 체결방법에 관한 것으로서, 접합부재 상·하부에 탄성편으로 연결한 쐐기를 부착하고 체결케이스를 삽입하는 한편 쐐기의 상면(上面)은 작은 마찰계수를 갖도록 가공하고, 반면에 쐐기의 하면(下面)은 큰 마찰계수를 갖도록 가공하여 접합부재에 인장, 압축, 전단력이 작용하였을 때 그 힘들의 수직성분에 의해 쐐기작용이 발생하도록 하여 접합부재를 강하게 결합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 체결장치를 사용하면 접합하고자 하는 부재에 체결공을 형성할 필요가 없으므로 체결공 주위의 단면결손에 의해 부재에 발생하는 기계적강도 저하, 에너지흡수능력 저하, 반복하중에 의한 피로강도 저하 등과 같은 문제점을 일소할 수 있을 뿐만 아니라 체결에 드는 시간, 인원, 비용을 절감할 수 있으며, 체결장치의 결합강도가 체결케이스의 강도에 좌우되므로 체결케이스의 형상 및 크기를 조절하면 요구되는 체결력을 발휘할 수 있다.

Description

쐐기를 이용한 철재체결장치 및 체결방법{A steel beam coupling device which uses the wedge and method thereof}
본 발명은 쐐기를 이용한 철재체결장치 및 체결방법에 관한 것으로, 두 개의 쐐기를 접합부재 상·하면에 부착한 후 체결케이스 내에 삽입하여 부재에 작용하는 외력을 견딜 수 있도록 구성한 체결장치 및 체결방법에 관한 것이다.
일반적으로 건설·토목현장에서는 공장에서 제작한 철골부재를 결합하여 시공물의 골격을 형성하는데, 여기에 가장 일반적으로 사용되는 체결방법은 볼트 체결법으로서 도 1과 같이 체결하고자 하는 두 개의 철골부재(1a)(1b) 상·하면에 덧댐판(4a)(4b)을 대고 볼트(2a)(2b)와 너트(3a)(3b)를 이용해 체결하는 방법으로 이러한 볼트 체결법은 볼트의 최대전단응력 범위 내에서 부재를 결합하도록 한다.
그러나 볼트 체결법은 부재의 체결부에 많은 수의 체결공을 천공하여야 하는데 이 때 체결공 주위에 발생하는 노치(notch)나 응력집중현상, 현대 구조물의 대형화에 따라 요구되는 기계적강도나 피로강도, 에너지흡수율 등을 만족하기 위해서는 체결해야 할 체결공의 개수를 계속 증가시켜야 하므로 볼트 체결법에 의한 부재접합에는 어느 정도 한계가 존재하였다.
또한 볼트 체결법은 볼트의 지름이 체결공의 지름보다 작기 때문에 필연적으로 도 2와 같은 밀림현상이 발생하게 되는데, 이를 보완하기 위해 볼트에 큰 축력을 도입하여 접합면의 마찰력이 하중을 저항하도록 함으로써 밀림현상과 응력집중현상을 어느 정도 감소시킨 '고장력볼트를 이용한 마찰접합법'이 시도되었으나, 실제 작업현장에 있어서 큰 축력을 발생시키는 것이 어렵고 축력이 도입되었는지를 육안으로 확인하기 어려울 뿐만 아니라 도입될 수 있는 축력의 크기나 마찰면의 마찰계수의 크기를 키우는 데에도 어느 정도 한계가 있기 때문에 더욱 많은 수의 볼트를 체결해야 한다는 문제점을 가지고 있었다. 이를 보완하기 위해 접합면에 요철을 형성하여 마찰력을 증가시킨 볼트 체결법이 시도되었으나 부재에 특수한 접합면을 가공하기 위한 장치를 별도로 구비하여야 하므로 완전한 해결책이라고 볼 수 없었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 연결부에 노치(notch)나 응력집중현상이 발생하는 체결공을 천공하지 않으면서도 강한 체결력을 얻을 수 있고, 연결부의 기계적강도와 에너지흡수능력 및 피로강도를 증가시키는 것은 물론 체결작업이 용이하여 비용과 노동력을 절약하고 공기를 단축하며 구조물의 신뢰도를 높이는 철제체결장치와 체결방법을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
본 발명은 이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 2개의 접합부재를 체결함에 있어서 각 접합부재의 상·하면에 탄성편이 부착된 두 개의 쐐기를 물린 후 체결케이스를 삽입하여 접합부재에 인장, 압축, 전단응력이 작용하였을 때 외력의 수직성분에 의한 쐐기 작용을 발생시킴으로써 부재를 강하게 고정하도록 하며, 접합부재 간의 결합력은 체결케이스의 강도에 좌우되므로 체결케이스의 크기와 형상만을 조절하면 원하는 결합강도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종전의 볼트 체결법에 의한 결합상태를 도시한 사용상태도
도 2는 종전의 볼트 체결법에서 발생하는 밀림현상을 도시한 사용상태도
도 3은 본 고안의 작용원리를 설명하기 위한 개략도
도 4는 인장압축용 쐐기, 탄성편, 접합부재 및 인장압축용 체결케이스의 조립과정을 나타낸 분해도
도 5는 인장압축용 체결장치의 조립도
도 6은 분리형 체결케이스의 조립과정을 나타낸 분해도
도 7은 분리형 체결케이스의 조립도
도 8은 전단용 쐐기, 탄성편, 접합부재 및 전단용 체결케이스의 조립과정을 나타낸 분해도
도 9는 전단용 체결장치의 조립도
도 10은 H빔에 인장압축용 쐐기와 전단용 쐐기를 부착하는 과정을 도시한 사용상태도
도 11은 H빔의 단면도
도 12는 역쐐기, 삼각형 쐐기, 인장압축용 다단쐐기, 전단용 다단쐐기를 나타낸 사시도
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1a, 1b : 접합부재 2a, 2b : 볼트
3a, 3b : 너트 4a, 4b : 덧댐판
5a, 5b, 5c, 5d : 인장압축용 쐐기 6a, 6b : 인장압축용 탄성편
7a, 7b : 인장압축용 체결케이스 8a, 8b : 체결공
8c, 8d : 체결공 9a, 9b, 9c, 9d : 전단용 쐐기
10a, 10b : 전단용 탄성편 11 : 전단용 체결케이스
12a, 12b : 분리형 체결케이스 13 : 볼트
14a, 14b : 체결케이스 고정편 15a, 15b : 고정편 삽입공
16 : 역쐐기 17 : 삼각형 쐐기
18 : 인장압축용 다단쐐기 19 : 전단용 다단쐐기
20 : 웨브 21a, 21b, 21c, 21d : 플랜지
22a, 22b : H빔 23a, 23b : 쐐기
24 : 탄성편 25 : 체결케이스
26a, 26b, 26c, 26d : 접합부재
이하 본 발명의 작동원리를 쐐기(23a)(23b)의 상면과 체결케이스(25), 쐐기(23a)(23b)의 하면과 접합부재(26) 사이에 작용하는 힘의 상관관계를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 3에서 쐐기(23a)(23b)의 상면이 갖는 경사각을, 쐐기(23a)(23b)의 상면과 체결케이스(25) 사이의 마찰계수를, 접합부재(26)에 작용하는 외력을 P' 라고 하고, 쐐기(23a)(23b)의 하면과 접합부재(26) 사이의 마찰계수를, 체결케이스(25)에 의해 쐐기(23a)(23b)에 작용하는 수직 외력을 P (P'가 증가함에 따라 증가하는 인수)라고 하면, 쐐기 경사면을 따라 올라가려는 힘과 내려가려는 힘 사이의 평행방정식은
········(1)
으로 표현되는데 여기서는 올라가려는 힘을 방해하려는 마찰력을 나타낸 항이고는 쐐기 경사면을 올라가려는 힘을 나타내는 항이며,는 쐐기경사면을 내려가려는 힘을 나타낸 항이다. (1)식을 정리하면
········(2)
의 관계가 성립하고 쐐기(23a)(23b)의 하면과 접합부재(26) 사이의 마찰면이 밀리지 않기 위한 조건은이므로 식(2)에서
∴········(3)
의 관계를 얻을 수 있다. 따라서와의 관계에 의해 임계각를 구한 후 구조물의 안전율을 고려하여보다 작은 값으로 쐐기(23a)(23b)의 형상을 결정한다.
즉, 접합부재(26)에 인장력, 압축력 또는 전단력과 같은 외력이 작용하면 쐐기(23a)(23b)의 상면과 체결케이스(25) 사이의 마찰계수와 쐐기(23a)(23b)의 하면과 접합부재(26) 사이의 마찰계수 차이로 인해 외력이 증가할수록 쐐기(23a)(23b)가 접합부재(26)에 가하는 수직력이 증가하게 되므로 쐐기(23a)(23b)가 접합부재(26)와 체결케이스(25) 사이에서 쐐기작용을 하게 되어 결국 쐐기(23a)(23b)에 의한 접합부재(26)간의 결합력은 체결케이스(25)가 수직 방향(Mode I)으로 견딜 수 있는 최대내력에 의해 좌우된다.
상기한 이론을 바탕으로 하는 본 발명에 의한 철재체결장치를 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
체결장치는 쐐기부와 체결케이스(25)로 구성되는데, 쐐기부는 상하 두 개의 쐐기(23a)(23b)와 탄성편(24)으로 구성된다.
쐐기는 크게 인장압축용 쐐기(5a)(5b)(5c)(5d)와 전단용 쐐기(9a)(9b)(9c)(9d)로 분류되는데, 부착될 접합부재의 형상이나 작용하는 외력의 종류에 따라 도 12와 같이 다단쐐기(18)(19)나 한쪽 측면에만 탄성편을 부착할 수 있도록 소폭의 면을 형성한 삼각형 쐐기(17) 또는 역쐐기(16) 등의 여러 가지 형상으로 제작될 수 있다. 일반적인 쐐기의 형상은 납작한 오각형으로, 인장력 및 압축력을 받는 인장압축용 쐐기(5a)(5b)(5c)(5d)는 도 4와 같이 상면(上面)은 이등변으로 제작하고 인장압축용 탄성편(6a)(6b)을 측면에 부착할 수 있도록 하면(下面)과 직각으로 소폭의 측면을 형성하며, 전단만을 받는 전단용 쐐기(9a)(9b)(9c)(9d)는 도 8과 같이 인장압축용 쐐기(5a)(5b)(5c)(5d)와 동일한 형상을 갖지만 육각형의 전단용 탄성편(10a)(10b)을 후면에 부착하는 점만이 상이하다.
한편 쐐기(23a)(23b)의 상면(上面)은 접합부재(26)에 작용하는 인장력과 압축력을 동시에 받을 수 있도록 이등변삼각형 형상으로 제작하는데, 표 1의 상단에 나타낸 것과 같이 광명단 마감, 아연도금과 같은 기계적인 마무리작업이나 윤활제를 도포하는 방법 등으로 가공하여 마찰계수를 감소시킨다. 또한 쐐기(23a)(23b)의 하면(下面)은 표 1의 하단에 나타낸 것과 같이 산화염 뿌리기, 녹을 제거한 붉은 녹면, 쇼트브러스트면, 샌드브러스트면 등의 화학적 처리나 혹은 여러가지 형상의 돌기물을 형성하는 등의 기계적인 가공방법으로 마찰계수를 증가시킨다. 한편 쐐기(23a)(23b)의 크기, 재질 등은 쐐기(23a)(23b)가 사용될 접합부재(26)의 크기나 재질, 작용하는 하중에 따라 표준화하여 제작한다.
〈표 1〉 마찰면의 상태와 미끄럼계수의 비교
마찰면의 상태 미끄럼계수
광명단 마감 0.05~0.20
아연도금판 0.10~0.30
흑피인 면 0.20~0.45
갈아낸 면 0.20~0.45
샌드페이퍼면 0.25~0.45
산화염 뿌리기 0.30~0.60
녹을 제거한 붉은 노면 0.45~0.75
쇼트브러스트면 0.40~0.75
샌드브러스트면 0.45~0.75
탄성편(24)은 쐐기(23a)(23b)를 접합부재(26)에 고정하고자 하는 목적에 더하여 탄성편(24)의 탄성력에 의해 쐐기(23a)(23b)가 접합부재(26)에 완전하게 밀착되어 고정되도록 함으로써 접합부재(26) 상에서의 쐐기작용이 더욱 원활하게 이루어지게 하는데 목적이 있는 것으로, 연강으로 제작하여 인장압축용 쐐기(5a)(5b)(5c)(5d)의 경우에는 측면에,(도 4) 전단용 쐐기(9a)(9b)(9c)(9d)의 경우에는 후면에 부착한다.(도 8) 한편 탄성편(6a)(6b)(10a)(10b)의 너비는 부착될 접합부재의 크기를 감안하여 부착할 쐐기의 크기와 함께 표준화한다.
인장압축용 체결케이스(7a)(7b)와 전단용 체결케이스(11a)(11b)에는 접합부재에 물린 쐐기와 쐐기에 부착한 탄성편이 삽입되는 체결공(8a)(8b)(8c)(8d)이 형성되어 있으며, 체결케이스의 크기와 체결공의 크기는 접합부재에 부착한 쐐기에 작용하는 인장력, 압축력 및 전단력의 크기와 방향에 따라 결정되는 쐐기의 형상과 크기에 의해 좌우된다.
이하 첨부된 도면에 의하여 본 발명에 의한 체결방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
인장력 및 압축력을 받는 두 개의 단순접합부재(26a)(26b)를 체결하는 경우에는 도 4와 같이인장압축용 쐐기(5a)(5b)(5c)(5d)의 측면에 인장압축용 탄성편(6a)(6b)을 부착하고 접합부재(26a)(26b) 일단의 상·하면에 물린 후 인장압축용 체결케이스(7a)(7b)에 형성된 체결공(8a)(8b)을 쐐기(5a)(5b)(5c)(5d)의 고정위치에 맞추어 삽입함으로써 체결장치를 설치한다.(도 5)
한편 전단력을 받는 두 개의 단순접합부재(26c)(26d)를 체결하는 경우에는 도 8과 같이 전단용 쐐기(9a)(9b)의 후면에 전단용 탄성편(10)을 부착하고 접합부재(26c)(26d) 일단의 양면에 물린 후 전단용 체결케이스(11a)(11b)에 형성된 체결공(8c)(8d)을 쐐기(9a)(9b)의 고정위치에 맞추어 삽입함으로써 체결장치를 설치한다.(도 9)
또한 인장압축용 체결케이스(7a)(7b)나 전단용 체결케이스(11a)(11b)를 쐐기에 삽입하기 곤란할 경우에는 도 6과 같이 분리형 체결케이스(12a)(12b)를 볼트(13)로 조립함으로써 접합부재(26a)(26b)를 체결할 수도 있다.
인장력, 압축력, 전단력을 동시에 받는 H빔(22a)(22b)을 체결하는 경우에는 도 10와 같이 인장, 압축응력을 받기 위한 인장압축용 체결장치와 전단을 받기 위한 전단용 체결장치를 복합적으로 부착한다. 체결순서는 우선 H빔(22a)(22b)의 웨브(web)(20) 양면에 전단용 쐐기(9a)(9b)(9c)(9d)를 각각 부착하고 전단용 체결케이스(11a)(11b)를 전단용 쐐기(9a)(9b)(9c)(9d)에 삽입한 후 H빔(22a)(22b)의 각 플랜지(Flange)(21a)(21b)(21c)(21d)에 인장압축용 쐐기(5a)(5b)(5c)(5d)를 물리고 그 중 1개소에는 분리형 체결케이스(12a)(12b)를 볼트(13)로 조립하여 부착함으로써 H빔(22a)(22b) 간의 거리를 일정하게 유지하여 플랜지(Flange)의 나머지 3개소에 인장압축용 케이스(7a)(7b)가 원활하게 삽입될 수 있도록 한다.
또는 웨브(web)(20)에 체결공을 형성하고 종전의 볼트 체결법에 의해 체결한 후 플랜지(flange)(21a)(21b)(21c)(21d)는 상기한 H빔 체결방법과 동일한 방법으로 체결할 수도 있다.
한편 H빔(22a)(22b)과 같은 복합부재에서 체결케이스가 쐐기로부터 이탈하는 것을 방지하기 위해서 체결케이스 상면에 고정편 삽입공(15a)(15b)을 형성하고 체결케이스 고정편(14a)(14b)을 끼워 체결케이스 간을 연결하는 등의 고정방법을 사용한다.
상기한 바와 같이 구성된 철제체결장치는 두 개의 쐐기에 탄성편을 부착한 후 접합부재의 양면에 부착하고 체결케이스를 쐐기의 길이방향으로 삽입하는 간단한 과정으로 체결을 완료할 수 있다. 따라서 연결부에 체결공을 천공할 필요가 없어 체결공에서 발생할 수 있는 노치나 응력집중현상이 발생하지 않기 때문에 연결부의 기계적 강도, 에너지흡수능력, 반복하중에 따른 피로강도가 저하되지 않는 것은 물론 체결케이스의 강도에 의해 결합력이 결정되므로 복잡한 구조해석이 필요하지 않을 뿐만 아니라 체결방법이 단순하므로 공기를 단축할 수 있고 공사비가 절감되며 신뢰도를 높일 수 있다.

Claims (3)

  1. 철재체결장치에 있어서, 상하 두 개의 쐐기(23a)(23b)와 탄성편(24) 및 체결케이스(25)로 구성되며, 쐐기(23a)(23b)의 상면(上面)은 낮은 마찰계수를 갖도록 가공하고, 하면(下面)은 높은 마찰계수를 갖도록 가공하는데, 인장압축용 쐐기(5a)(5b)(5c)(5d)의 경우에는 양 인장압축용 쐐기의 측면을 탄성편(6a)(6b)으로 결합하고 각 접합부재의 양면에 끼운 후 인장압축용 체결케이스(7a)(7b)(7c)(7d)의 체결공(8a)(8b)에 삽입하며(도 4), 전단용 쐐기(9a)(9b)(9c)(9d)의 경우에는 양 전단용 쐐기의 후면을 탄성편(10a)(10b)으로 결합하고 각 접합부재의 양면에 끼운 후 전단용 체결케이스(11a)(11b)의 체결공(8c)(8d)에 삽입함으로써(도 8) 접합부재(26a)(26b)를 체결하도록 구성한 체결장치
  2. 제 1항의 체결케이스에 있어서, 접합부재에 부착한 인장압축용 쐐기(5a)(5b)(5c)(5d) 또는 전단용 쐐기(9a)(9b)에 분리형 체결케이스(12a)(12b)를 볼트(13)로 조립함으로써(도 6) 접합부재(26a)(26b)를 체결하도록 구성한 체결장치.
  3. 철재체결방법에 있어서, 두 개의 쐐기(23a)(23b)에 탄성편(24)을 부착하여 결합하고 쐐기(23a)(23b)를 각 접합부재(26)의 양면에 물린 후, 체결공(8a)(8b)(8c)(8d)이 형성된 체결케이스(25)를 삽입하거나 또는 상하로 분리된 체결케이스(12a)(12b)를 볼트(13)로 조립하여 쐐기(23a)(23b)에 부착함으로써 구성된 체결장치를 사용하여 접합부재에 인장력, 압축력, 전단력이 작용하였을 때 작용력의 수직성분에 의해 쐐기가 접합부재에 수직력을 가하는 쐐기작용으로 부재를 체결하는 철재체결방법.
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