KR20240035060A - 프리스트레싱 철골 시스템 - Google Patents

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KR20240035060A
KR20240035060A KR1020220114048A KR20220114048A KR20240035060A KR 20240035060 A KR20240035060 A KR 20240035060A KR 1020220114048 A KR1020220114048 A KR 1020220114048A KR 20220114048 A KR20220114048 A KR 20220114048A KR 20240035060 A KR20240035060 A KR 20240035060A
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조태준
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대진대학교 산학협력단
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    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/18—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons
    • E04B1/24—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons the supporting parts consisting of metal
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
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    • E04C3/02—Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces
    • E04C3/04—Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces of metal
    • E04C3/10—Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces of metal prestressed

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템은, 하중을 가하는 구조물; 상기 구조물과 체결되어 상기 구조물의 양단을 지지하는 지지부재; 및 상기 구조물의 양단에 연결되어 상기 구조물과 상기 지지부재의 접합점간의 긴장력을 제공하는 프리스트레싱 부재;를 포함하며, 상기 프리스트레싱 부재의 길이 방향 양단에는 단차부가 형성되고, 상기 단차부에 상기 구조물 및 상기 지지부재가 연결될 수 있다.

Description

프리스트레싱 철골 시스템{STEEL FRAMEWORK SYSTEM BY USING PRESTRESSING-COMPONENTS}
본 발명은 프리스트레싱 철골 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프리텐션(pre-tension) 또는 포스트텐션(post-tension)의 추가 시공이 불필요하고 시공 경제성을 향상시킬 수 있는 프리스트레싱 철골 시스템에 관한 것이다.
철골 구조물은 형강, 강판, 강관 등과 같은 강재를 사용하여 리벳이나 볼트, 용접 등으로 접합하여 조립한 것을 주요한 뼈대로 한 구조이다. 강재의 대표적인 재료 특성은 다른 재료에 비해 강도가 월등히 뛰어나고 압축과 인장 응력에 대해 높은 강도와 신뢰성이 확보되어 중요한 구조물 제작에 많이 이용되고 있으나, 세장한 특성으로 좌굴에 대한 보강이 충분하게 이루어져야 하며 생산 단가가 높다는 단점을 가지고 있다.
종래의 조립 경량 철골 시스템(Lightweight pre-Engineered Building System)은 철골 시스템의 최첨단, 최경량 조립식 시스템으로, 자동 롤 포밍(roll forming)에 의해 생산된 부재와 각종 브라켓을 이용하여 현장에서 조립 도면에 따라 볼트 체결만으로 손쉽게 조립 및 시공하는 하이테크 구조 시스템으로 알려져 있다.
종래의 조립 경량 철골 시스템은 내부에 중간 기둥이 없이 최대 18m까지 건축할 수 있으며, 높이에 있어서도 약 6m까지 가능하다. 이러한, 조립 경량 철골 시스템의 구조설계가 다른 일반 철골 구조의 구조 계산과 다른 점은 자재적인 측면에 있으며, 조립 경량 철골 시스템의 경우에 모든 자재는 박판의 강판을 활용함에 따라 국부 좌굴 빛 부재 좌굴 검정이 반드시 이루어져야 한다.
그러나, 종래의 조립 경량 철골 시스템은 지붕의 역할을 하는 구조물의 무게인 고정하중뿐만 아니라 적설, 지진 및 태풍 등의 재해성의 과도한 하중이 발생함에 따라 철골 시스템의 안전을 설계만으로 확인하기 어려우며 특히, 건축법 제59조의 2 및 동법시행령 제91조의 3 규정에 의하면 "기둥과 기둥 사이의 거리가 30m 이상인 건축물"에 대해서만 건축구조기술자의 협력을 받도록 정하고 있어 스팬이 30m미만인 건축물의 경우에는 구조기술자 등 전문가의 협력 없이 시공이 이루어지고 있는 문제점을 가지고 있다.
또한, 종래의 조립 경량 철골 시스템은 구조물에 의해 처짐이 발생하고 이에 따라 구조물과 지지부재의 접합점에는 좌굴 변형이 발생된다. 구체적으로, 구조물의 자중에 의한 처짐이 발생함에 따라, 압축력이 작용하는 지지부재에서는 좌굴이라는 불안정현상이 일어날 수 있다. 종래의 조립 경량 철골 시스템에서의 좌굴은 부재 전체 길이에 걸쳐서 휨 좌굴하는 일반적인 좌굴 외에도 비틀림 좌굴과 국부 좌굴이 발발하게 된다. 이러한 현상은 실제로 서로의 영향이 합산되어 발생하는 것으로서 어느 쪽의 좌굴이 발생하여도 압축재로써의 기능을 상실할 수 있다.
보통 이러한 좌굴 현상을 막기 위해 세장비 또는 단면 형상, 소재의 성질 등을 변화시키는 방법을 이용하였다.
이러한 기존 철골 시스템에 강재의 비율을 높여 사용하게 될 경우, 많은 사람들을 수용하지 못하는 등의 비효율적인 단면을 구성하게 되며 높은 생산 단가가 소요되는 문제가 있다. 이와 달리, 기존 철골 시스템에 강재의 비율을 낮춰 사용하게 될 경우, 지붕을 포함하는 철골 주자재의 자중에 의한 처짐이 발생하고, 이와 같은 처짐에 의한 강재의 구조적 거동은 좌굴이라는 불안정현상을 야기할 수 있다.
그러므로, 종래의 철골 시스템의 장스팬화를 위해서는 전단력, 압축력 및 휨응력의 증가에 따른 처짐 및 좌굴에 대한 대책 마련이 시급하다. 구체적으로, 모멘트가 지배적으로 발생되는 지붕의 중앙부에서는 휨 강성의 확보가 요구되며, 전단력 및 압축력이 지배적으로 발생되는 지붕과 기둥의 접점부에서는 압축 및 전단 저항에 대한 성능 확보가 요구된다.
따라서, 종래의 철골 시스템의 장스팬화를 위해 보다 안정성을 증대시키고 구조물의 붕괴를 방지할 수 있는 시스템이 필요하다.
따라서, 본 출원인은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명을 제안하게 되었다.
한국공개특허 제10-2010-0126526호 (2010.12.01. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 프리스트레싱 부재를 도입하여 최종적으로 철골 시스템이 받는 응력을 감소시켜 철골 구조물의 처짐 및 좌굴 변형에 대한 안정성을 높임과 동시에 장스팬화를 가능하도록 하는 프리스트레싱 철골 시스템을 제공한다.
본 발명은 프리스트레싱 부재의 단부에 복잡한 구조를 형성할 필요가 없고, 프리스트레싱 부재를 설치하기 위해 프리텐션과 포스트텐션의 추가 시공이 필요 없고 시공시의 경제성을 개선할 수 있는 프리스트레싱 철골 시스템을 제공한다.
상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템은, 하중을 가하는 구조물; 상기 구조물과 체결되어 상기 구조물의 양단을 지지하는 지지부재; 및 상기 구조물의 양단에 연결되어 상기 구조물과 상기 지지부재의 접합점간의 긴장력을 제공하는 프리스트레싱 부재;를 포함하며, 상기 프리스트레싱 부재의 길이 방향 양단에는 단차부가 형성되고, 상기 단차부에 상기 구조물 및 상기 지지부재가 연결될 수 있다.
상기 단차부는 상기 프리스트레싱 부재의 하면 쪽에 형성될 수 있다.
상기 구조물 및 상기 지지부재에 연결되지 않은 상태에서 상기 프리스트레싱 부재는, 상기 구조물과 접하는 상부의 길이가 상기 지지부재와 접하는 하부의 길이 보다 짧게 형성될 수 있다.
상기 프리스트레싱 부재는, 상기 지지부재와 접하는 하부에 인장력이 가해지거나 상기 지지부재와 접하는 하부가 당겨진 상태에서 양단이 상기 구조물 및 상기 지지부재에 연결될 수 있다.
상기 프리스트레싱 부재는, 상기 단차부가 없어지거나 최소화 된 상태에서 양단이 상기 구조물 및 상기 지지부재에 연결될 수 있다.
상기 프리스트레싱 부재의 양단이 상기 구조물 및 상기 지지부재에 연결된 상태에서 상기 프리스트레싱 부재의 양단에는 압축력이 작용할 수 있다.
상기 프리스트레싱 부재의 양단이 상기 구조물 및 상기 지지부재에 연결된 상태에서 상기 프리스트레싱 부재의 양단 중 상기 지지부재와 접하는 하부의 양단에는 압축력이 작용할 수 있다.
상기 프리스트레싱 부재는 인장 변형된 상태로 상기 구조물 및 상기 지지부재와 연결되어, 상기 구조물의 하중으로 인한 처짐 또는 굽힘 모멘트가 상기 프리스트레싱 부재에 의해 상쇄될 수 있다.
상기 구조물 및 상기 지지부재와 연결된 상태에서 상기 프리스트레싱 부재의 양단에는 상기 지지부재를 향하는 굽힘 모멘트가 작용할 수 있다.
본 발명에 따른 프리스트레싱 철골 시스템은, 하중을 가지는 구조물의 자중을 프리스트레싱 부재를 이용하여 상쇄시키도록 함으로써 처짐 및 좌굴에 대한 저항 성능을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 프리스트레싱 철골 시스템은, 종래의 조립 경량 철골 시스템과 달리 프리스트레싱 방식을 통해 별도의 브레이싱이 필요 없고 장스팬화가 가능함에 따라 구조적으로 공간 활용도를 높일 수 있다.
본 발명에 따른 프리스트레싱 철골 시스템은, 종래의 철골 시스템에 쉽게 적용되어 시공이 가능함에 따라 경제성 및 효율성을 극대화할 수 있다.
본 발명에 따른 프리스트레싱 철골 시스템은, 프리스트레싱 부재의 설계 시공 및 유지 관리 편의성을 개선할 수 있고, 프리스트레싱 부재의 단부에 복잡한 구조를 형성할 필요가 없으며, 프리스트레싱 부재를 설치하기 위해 프리텐션과 포스트텐션의 추가 시공이 필요 없기 때문에 시공 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템의 구조물 및 프리스트레싱 부재를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템의 프리스트레싱 부재를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템에 적용된 프리스트레싱 부재에 작용하는 힘과 모멘트를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템에 적용된 프리스트레싱 부재에 대한 응력-변형률선도를 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템과 종래 철골 시스템의 모멘트를 비교한 그래프이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 이하 실시되는 본 발명의 바람직한 실시예는 본 발명을 이루는 기술적 구성요소를 효율적으로 설명하기 위해 각각의 시스템 기능 구성에 기 구비되어 있거나, 또는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 구비되는 시스템 기능 구성은 가능한 생략하고, 본 발명을 위해 추가적으로 구비되어야 하는 기능 구성을 위주로 설명한다. 만약 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 하기에 도시하지 않고 생략된 기능 구성 중에서 종래에 기 사용되고 있는 구성요소의 기능을 용이하게 이해할 수 있을 것이며, 또한 상기와 같이 생략된 구성 요소와 본 발명을 위해 추가된 구성 요소 사이의 관계도 명백하게 이해할 수 있을 것이다.
또한, 이하의 설명에 있어서, 신호 또는 정보의 "전송", "통신", "송신", "수신" 기타 이와 유사한 의미의 용어는 일 구성요소에서 다른 구성요소로 신호 또는 정보가 직접 전달되는 것뿐만이 아니라 다른 구성요소를 거쳐 전달되는 것도 포함한다. 특히 신호 또는 정보를 일 구성요소로 "전송" 또는 "송신"한다는 것은 그 신호 또는 정보의 최종 목적지를 지시하는 것이고 직접적인 목적지를 의미하는 것이 아니다. 이는 신호 또는 정보의 "수신"에 있어서도 동일하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템의 구조물 및 프리스트레싱 부재를 도시한 도면, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템의 프리스트레싱 부재를 도시한 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템을 도시한 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템에 적용된 프리스트레싱 부재에 작용하는 힘과 모멘트를 설명하기 위한 도면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템에 적용된 프리스트레싱 부재에 대한 응력-변형률선도를 나타낸 그래프, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템과 종래 철골 시스템의 모멘트를 비교한 그래프이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템(100)은, 하중을 가하는 구조물(110); 구조물(110)과 체결되어 구조물(110)의 양단을 지지하는 지지부재(120); 및 구조물(110)의 양단에 연결되어 구조물(110)과 지지부재(120)의 접합점간의 긴장력을 제공하는 프리스트레싱 부재(130);를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템(100)에서 구조물(110)은 프리스트레싱 부재(130)에 수직하중을 가하는 부분이며, 지붕 등의 형태로 마련될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 구조물(100)은 구조물(110)의 하부 양단에 연결되어 구조물(110)의 수직하중을 지지하는 프리스트레싱 부재(130)를 포함할 수 있다.
구조물(110)의 하부 양단의 길이(L1)는 프리스트레싱 부재(130)의 양단 중 일부의 길이(L2) 보다 짧게 형성될 수 있다. 이와 같이, 프리스트레싱 부재(130)는 구조물(110)의 하부 양단의 길이(L1) 보다 짧은 부분이 있기는 하지만 이러한 짧은 부분의 양단을 당겨서 늘인 상태에서 구조물(110)의 하부 양단에 프리스트레싱 부재(130)의 양단을 연결하게 된다. 즉, 프리스트레싱 부재(130)의 양단 중 구조물(110)의 하부 길이(L1) 보다 짧은 부분(L2)의 양단을 당겨서 인장 변형이 되도록 한 상태에서 구조물(110)의 하부 양단에 연결하게 된다.
도 1에 도시된 프리스트레싱 부재(130)의 형태는 실제 사용되는 프리스트레싱 부재(130)와 동일하게 도시한 것은 아니고, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 구조물(100)에 사용되는 프리스트레싱 부재(130)의 작용 또는 기능을 설명하기 위해 개념적으로 도시된 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 구조물(100)에 사용되는 프리스트레싱 부재(130)는 도 2에 도시된 바와 같은 형태를 가진다.
도 2를 참조하면, 프리스트레싱 부재(130)는 보 또는 빔(beam)의 기능을 하는 부재로서, 프리스트레싱 부재(130)의 길이 방향 양단(133)에는 단차부(134)가 형성될 수 있다. 즉, 프리스트레싱 부재(130)의 길이 방향(좌우 방향) 양단은 구조물(110)의 하부 양단 사이의 길이(L1)와 동일한 길이(L1)를 가지는 부분과, 구조물(110)의 하부 양단 사이의 길이(L1) 보다 짧은 길이(L2)를 가지는 부분을 포함할 수 있다. 이와 같이, 프리스트레싱 부재(130)의 길이 방향 양단(133)에는 길이가 동일하지 않은 단차부(134)가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 구조물(100)은, 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 형성된 단차부(134)에 구조물(110) 및 지지부재(120)가 연결될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 프리스트레싱 부재(130)의 단차부(134)는 프리스트레싱 부재(130)의 하면 쪽에 형성될 수 있다.
도 2에는, 구조물(110) 및 지지부재(120)과 연결되지 않은 상태의 프리스트레싱 부재(130)가 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 구조물(100)의 프리스트레싱 부재(130)에 있어서, 구조물(110) 및 지지부재(120)에 연결되지 않은 상태에서 프리스트레싱 부재(130)는, 구조물(110)과 접하는 상부(131)의 길이가 지지부재(120)와 접하는 하부(132)의 길이 보다 짧게 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 프리스트레싱 부재(130)는 길이 방향(좌우 방향)을 따라 상부(131) 및 하부(132)로 구분할 수 있다. 즉, 프리스트레싱 부재(130)는 양단(133)에 형성된 단차부(134)의 단차면을 연결한 면 또는 선(도 2의 점선 참조)을 기준으로 위쪽의 상부(131)와 아래쪽의 하부(132)로 구분할 수 있다.
프리스트레싱 부재(130)의 상부(131)의 길이(L1)는 구조물(110)의 하부 양단 사이의 길이(L1)와 동일한 반면, 프리스트레싱 부재(130)의 하부(131)의 길이(L2)는 구조물(110)의 하부 양단 사이의 길이(L1) 보다 짧다.
도 2에 도시된 바와 같이, 길이 방향의 양단(133)에 상부(131)와 하부(132)의 길이가 다른 단차부(134)가 형성된 상태에서, 프리스트레싱 부재(130)의 양단 상면에 구조물(110)의 양단이 연결될 수 있지만 프리스트레싱 부재(130)의 양단 하면에 지지부재(120)가 연결되는 것은 쉽지 않다. 왜냐하면, 프리스트레싱 부재(130)의 단차부(134)에는 지지부재(120)를 안정적으로 견고하게 연결할 수 없기 때문이다.
그런데, 도 2에 도시된 프리스트레싱 부재(130)는 다소 과장되게 표현한 것인데, 실제로는 프리스트레싱 부재(130)의 상부(131)와 하부(132)의 길이가 거의 동일하다. 실제로는, 하부(132)의 길이(L2)가 상부(131)의 길이(L1) 보다 아주 조금 짧게 형성된다. 이와 같이, 프리스트레싱 부재(130)의 단차부(134)의 길이(L3)는 육안으로 구별할 수 없을 정도로 짧은 것이 바람직하다. 즉, 프리스트레싱 부재(130)에 있어서, 구조물(110)의 하부 양단 사이의 길이(L1) 보다 짧은 길이를 가지는 하부(132)의 길이(L2)는 구조물(110)의 하부 양단 사이의 길이(L1)와 동일한 길이를 가지는 상부(131)의 길이(L1)와 거의 차이가 없을 정도로 L1 보다 조금 짧은 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 단차부(134)가 형성된 상태에서는 지지부재(120)를 프리스트레싱 부재(130)의 양단(130)에 견고하고 안정적으로 연결할 수 없다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 구조물(100)의 경우, 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)을 당긴 상태에서 프리스트레싱 부재(130)의 양단(130)에 지지부재(120)와 구조물(110)을 연결하게 된다.
즉, 프리스트레싱 부재(130)는, 지지부재(120)와 접하는 하부(132)에 인장력이 가해지거나 지지부재(120)와 접하는 하부(132)가 당겨진 상태에서 양단(133)이 구조물(110) 및 지지부재(120)에 연결될 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 형성된 단차부(134)로 인해서, 단차부(134)에 지지부재(120)를 연결하게 되면 프리스트레싱 부재(130)와 구조물(110) 및 지지부재(120)가 안정적으로 연결될 수 없다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 구조물(100)의 경우에는, 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)을 당겨서 단차부(134)가 거의 없어진 상태에서 지지부재(120) 및 구조물(110)을 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 연결하게 된다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 단차부(134)가 형성된 프리스트레싱 부재(130)의 하부(132)의 양단(133)에 인장력(PS1)을 가하여 잡아 당겨서, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 단차부(134)가 거의 없어진 상태를 만들고 도 3(b)에 도시된 바와 같은 상태에서 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 구조물(110) 및 지지부재(120)를 연결하게 된다.
도 3(b)에 도시된 바와 같이, 프리스트레싱 부재(130)의 하부(132)의 양단에 인장력(PS1)을 가해서 당겨서 하부(132)의 길이가 상부(131)의 길이와 거의 같게 된 상태를 만들고, 이 상태에서 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 구조물(110) 및 지지부재(120)를 연결하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 구조물(100)은 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 인장력(PS1)을 가한 상태에서 구조물(110) 및 지지부재(120)에 연결되는데, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 프리스트레싱 부재(130)는, 단차부(134)가 없어지거나 최소화 된 상태에서 양단(133)이 구조물(110) 및 지지부재(120)에 연결될 수 있다.
프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 인장력(PS1)을 가해 당겨서 단차부(134)가 거의 없어진 상태에서 구조물(110) 및 지지부재(120)를 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 연결하게 되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)이 구조물(110) 및 지지부재(120)에 연결된 상태에서 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에는 압축력(PS2)이 작용할 수 있다.
한편, 도 3(a) 및 (b)를 참조하면, 프리스트레싱 부재(130)의 상부(131)의 양단에는 핀홀(135)이 형성될 수 있다. 핀홀(135)에는 구조물(110)의 양단과 연결을 위한 핀부재(미도시)가 삽입될 수 있다. 즉, 구조물(110)의 양단에도 핀홀(미도시)이 형성될 수 있고, 프리스트레싱 부재(130)의 양단에 형성된 핀홀(135)과 구조물(11)의 핀홀을 겹쳐 놓은 상태에서 핀홀에 핀부재를 삽입함으로써 프리스트레싱 부재(130)와 구조물(110)을 연결할 수 있다.
또한, 프리스트레싱 부재(130)의 하부(132)의 양단은 지지부재(120)와 용접에 의해서 서로 연결될 수 있다. 따라서, 지지부재(120)에 연결된 상태에서 프리스트레싱 부재(130)의 하부(132)의 양단에는 용접부(136)가 형성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)이 구조물(110) 및 지지부재(120)에 연결된 상태에서 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133) 중 지지부재(120)와 접하는 하부(132)의 양단(133)에는 압축력(PS2)이 작용할 수 있다.
이와 같이, 구조물(110) 및 지지부재(120)와 연결된 상태에서 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 압축력(PS2)이 작용하기 때문에 프리스트레싱 부재(130)는 구조물(110)의 수직하중을 받더라도 처짐이 발생하거나 좌굴이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 구조물(100)의 경우, 프리스트레싱 부재(130)는 도 3(b)에 도시된 바와 같이 양단이 인장 변형된 상태로 구조물(110) 및 지지부재(120)와 연결되기 때문에, 도 5에 도시된 바와 같이 구조물(110)의 하중(P1)으로 인한 처짐 또는 굽힘 모멘트(M)가 프리스트레싱 부재(130)에 의해 상쇄될 수 있다.
구조물(110) 및 지지부재(120)와 연결된 상태에서 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에는 압축력(PS2)이 작용하기 때문에 프리스트레싱 부재(130)에는 구조물(110)의 하중(P1)으로 인한 힘 또는 변형을 상쇄시킬 수 있는 굽힘 모멘트(M)가 작용하게 된다. 이때, 프리스트레싱 부재(130)에 작용하는 굽힙 모멘트(M)는 지지부재(120)를 향해서 작용할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 구조물(100)에 있어서, 프리스트레싱 부재(130)의 양단(130)에 단차부(134)를 형성하되 프리스트레싱 부재(130)의 상부(131) 양단 길이(L1) 보다 하부(132)의 양단 길이(L2)를 짧게 형성하고, 구조물(110) 및 지지부재(120)와 연결하기 전에 하부(132)의 양단(133)을 당겨서 상부(131)와 거의 동일한 길이로 만들고 이 상태에서 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 구조물(110) 및 지지부재(120)를 연결하는 것에 특징이 있다.
여기서, 단차부(134)의 길이(L3)는 프리스트레싱 부재(130)의 상부(131) 길이(L1)와 비교하여 매우 작은 것이 바람직하다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 구조물(100) 또는 프리스트레싱 부재(130)에 대한 응력(α)-변형률(ε) 선도가 도시되어 있다. 도 6에서 Proportional limit는 비례한계, Yield stress는 항복응력, Ultimate stress는극한응력을 의미하고, Linear region은 선형탄성영역, Perfect plasticity or yielding은 완전소성영역, Strain hardening은 변형률경화(가공경화), Necking은 극한응력을 지나 파단되기 전까지 시편의 단면적이 급격히 감소하는 네킹현상, Fracture는 파괴를 의미한다.
본 발명의 발명자들은 단차부(134)의 길이(L3)에 대한 값을 찾아내기 위해서 도 6에 따른 응력-변형률 선도를 기초로 하여 2가지 프리스트레싱 부재에 대해서 하중 시험을 하였다.
하중 시험에서, 항복응력(Yield stress)을 245 MPa로 가정하였고, 프리스트레싱 부재(130)의 재질은 철(Fe)이다. 철로 된 프리스트레싱 부재(130)의 영률(Young's Modulus, E)은 210 GPa로 가정하였다.
첫 번째 시험(Case 1)은 프리스트레싱 부재(130)의 상부(131)의 길이(L1)를 12 m(=12,000 mm)로 하고, 항복응력의 60%에서 파괴되는 것으로 가정하였다. 따라서, Case 1에서 프리스트레싱 부재(130)가 파괴(Fracture)되는 응력은 0.6 * 245 MPa = 147 MPa이다. 12 m 길이(L1)의 프리스트레싱 부재(130)에 147 MPa이 작용할 때 프리스트레싱 부재(130)의 변형률은 147 MPa / 210 GPa이 되므로 변형률은 0.0007이 된다.
변형률 0.0007을 프리스트레싱 부재(130)의 길이(L1)에 적용하면 프리스트레싱 부재(130)의 변형량을 구할 수 있는데, 변형량은 12,000 mm * 0.0007 = 8.4 mm 이다. 여기서, 8.4 mm는 단차부(134)의 길이(L3)이다.
또한, 단차부(134)의 양단을 8.4 mm 당긴 후 구조물(110) 및 지지부재(120)를 연결한 상태에서 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 작용하는 압축력(PS2) 즉 프리스트레싱 힘은 147 MPa * 3,006 = 442 kN이 된다. 이때, H*B=180*100 이다. 여기서, 프리스트레싱 부재(130)가 H형강으로 형성될 때, 3,006은 프리스트레싱 부재의 단면적(mm2)을 의미하고, H는 H형강의 높이(mm), B는 H형강 중 플랜지 부분의 폭(mm)을 의미한다.
첫 번째 시험(Case 1)의 경우, 상부(L1)의 길이가 12,000 mm인 프리스트레싱 부재(130)의 하부(132)의 양단(134)에 8.4 mm 길이의 단차부(134)를 형성하고, 단차부(134)를 8.4 mm 당긴 후 구조물(110) 및 지지부재(120)를 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 연결하게 되면, 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에는 442 kN의 프리스트레싱 힘이 작용하고, 이러한 상태에서 프리스트레싱 부재(130)는 147 MPa이 가해질 때까지 파괴되지 않는다는 것을 알 수 있다.
두 번째 시험(Case 2)은 프리스트레싱 부재(130)의 상부(131)의 길이(L1)를 12 m(=12,000 mm)로 하고, 항복응력의 80%에서 파괴되는 것으로 가정하였다. 따라서, Case 2에서 프리스트레싱 부재(130)가 파괴(Fracture)되는 응력은 0.8 * 245 MPa = 196 MPa이다. 12 m 길이(L1)의 프리스트레싱 부재(130)에 196 MPa이 작용할 때 프리스트레싱 부재(130)의 변형률은 196 MPa / 210 GPa이 되므로 변형률은 0.00093이 된다.
변형률 0.00093을 프리스트레싱 부재(130)의 길이(L1)에 적용하면 프리스트레싱 부재(130)의 변형량을 구할 수 있는데, 변형량은 12,000 mm * 0.00093 = 11.2 mm 이다. 여기서, 11.2 mm는 단차부(134)의 길이(L3)이다.
또한, 단차부(134)의 양단을 11.2 mm 당긴 후 구조물(110) 및 지지부재(120)를 연결한 상태에서 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 작용하는 압축력(PS2) 즉 프리스트레싱 힘은 196 MPa * 3,006 = 589 kN이 된다. 이때, H*B=180*100 이다.
두 번째 시험(Case 2)의 경우, 상부(L1)의 길이가 12,000 mm인 프리스트레싱 부재(130)의 하부(132)의 양단(134)에 11.2 mm 길이의 단차부(134)를 형성하고, 단차부(134)를 11.2 mm 당긴 후 구조물(110) 및 지지부재(120)를 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에 연결하게 되면, 프리스트레싱 부재(130)의 양단(133)에는 589 kN의 프리스트레싱 힘이 작용하고, 이러한 상태에서 프리스트레싱 부재(130)는 196 MPa이 가해질 때까지 파괴되지 않는다는 것을 알 수 있다.
한편, 종래기술에 따른 기존의 철골 시스템과 비교해 보면, 기존의 철골 시스템에 있어서, 프리스트레싱 부재에 작용하는 구조물의 하중(P1)이 6 kN/m이고 프리스트레싱 부재의 길이가 12,000 mm일 때, 하중분배는 다음 [수학식 1]과 같다.
도 7 및 도 8은 기존의 철골 시스템과 본 발명에 따른 프리스트레싱 철골 시스템(Case 1 및 2)의 굽힘 모멘트를 비교한 그래프이다. Case 1 및 2도 기존 철골 시스템과 동일하게, 프리스트레싱 부재에 걸리는 구조물의 하중은 6 kN/m이고, 프리스트레싱 부재의 길이는 12,000 mm이다.
도 7 및 도 8에 의하면, 단순 프리스트레싱 효과를 가지는 기존 철골 시스템은 모멘트가 0.83% 정도 감소하는 것에 반하여, 본 발명에 따른 프리스트레싱 철골 시스템(Case 1 및 2)의 경우에는 모멘트를 12% 이상 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리스트레싱 철골 시스템(100)은 철골재료 즉 프리스트레싱 부재(130)의 하부(132)를 상부(131) 보다 짧게 제작하여 프리스트레싱 효과 재하를 할 수 있고, 2단 프리스트레싱 개념의 적용으로 인해 12% 이상의 모멘트 저감효과를 기대할 수 있으며, PSC구조와 비교하여 시공성, 경제성 및 내균열 안전성을 제고할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 프리스트레싱 철골 시스템
110: 구조물 120: 지지부재
130: 프리스트레싱 부재 131: 상부
132: 하부 133: 양단
134: 단차부

Claims (9)

  1. 하중을 가하는 구조물;
    상기 구조물과 체결되어 상기 구조물의 양단을 지지하는 지지부재; 및
    상기 구조물의 양단에 연결되어 상기 구조물과 상기 지지부재의 접합점간의 긴장력을 제공하는 프리스트레싱 부재;를 포함하며,
    상기 프리스트레싱 부재의 길이 방향 양단에는 단차부가 형성되고,
    상기 단차부에 상기 구조물 및 상기 지지부재가 연결되는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 철골 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단차부는 상기 프리스트레싱 부재의 하면 쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 철골 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구조물 및 상기 지지부재에 연결되지 않은 상태에서 상기 프리스트레싱 부재는, 상기 구조물과 접하는 상부의 길이가 상기 지지부재와 접하는 하부의 길이 보다 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 철골 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프리스트레싱 부재는,
    상기 지지부재와 접하는 하부에 인장력이 가해지거나 상기 지지부재와 접하는 하부가 당겨진 상태에서 양단이 상기 구조물 및 상기 지지부재에 연결되는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 철골 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 프리스트레싱 부재는,
    상기 단차부가 없어지거나 최소화 된 상태에서 양단이 상기 구조물 및 상기 지지부재에 연결되는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 철골 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 프리스트레싱 부재의 양단이 상기 구조물 및 상기 지지부재에 연결된 상태에서 상기 프리스트레싱 부재의 양단에는 압축력이 작용하는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 철골 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프리스트레싱 부재의 양단이 상기 구조물 및 상기 지지부재에 연결된 상태에서 상기 프리스트레싱 부재의 양단 중 상기 지지부재와 접하는 하부의 양단에는 압축력이 작용하는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 철골 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프리스트레싱 부재는 인장 변형된 상태로 상기 구조물 및 상기 지지부재와 연결되어, 상기 구조물의 하중으로 인한 처짐 또는 굽힘 모멘트가 상기 프리스트레싱 부재에 의해 상쇄되는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 철골 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 구조물 및 상기 지지부재와 연결된 상태에서 상기 프리스트레싱 부재의 양단에는 상기 지지부재를 향하는 굽힘 모멘트가 작용하는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 철골 시스템.
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