KR101337001B1 - 강관 버팀보의 이음장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 띠장-버팀보 공사에 사용되는 강관버팀보와 강관버팀보를 서로 연결하기 위한 강관버팀보 이음장치는, 상부 반고리형 플레이트; 상기 상부 반고리형 플레이트와 대응되게 형성되는 하부 반고리형 플레이트; 상기 상부 및 하부 반고리형 플레이트의 양단에서 각각 연장되어 형성되는 결합편; 상부 반고리형 플레이트의 결합편과 하부 반고리형 플레이트의 결합편을 체결하기 위한 볼트체결부, 및; 상기 상부 및 하부 반고리형 플레이트의 사이의 응력분산판으로 구성된다.

Description

강관 버팀보의 이음장치{Connector Assembly for Steel Pipe Strut}

본 발명은 지하구조물의 띠장-버팀보 공사에 사용되는 강관버팀보와 강관버팀보의 이음장치에 대한 것이다.

최근 사회 간접시설에 대한 확충의 필요성이 증대됨에 따라 도심 내에 많은 지하 굴착공사가 진행되고 있다. 이러한 지하 굴착공사의 특징은 지하철, 고가도로, 지하구조물, 사무공간 및 주거공간을 위한 지상구조물 등이 근접하여 있는 근접시공과 제한된 지하공간을 최대한으로 활용하기 위한 최대공간 굴착 및 대심도 굴착이라 할 수 있다.

특히 도심지의 제한된 공간에서 대형 건축 지하구조물을 축조하기 위한 지하굴토공사는 주변지반의 안정이 최우선되어야 하므로, 주변지반 안정유지에 필요한 흙막이 공사가 필수적으로 검토되어야 하며, 공사계획에서도 흙막이 공법선정이 상당히 중요한 부분을 차지하고 있다. 흙막이 공법은 가설 흙막이 구조를 활용하는 방법과 본 구조체가 토압, 수압에 대응하여 흙막이벽 역할을 하며 굴토공사와 병행하여 지하구조물을 축조하는 방법으로 크게 2가지 방법으로 구분할 수 있다. 가설 흙막이 구조는 민원유발의 가능성과 주변 지반의 안정성 문제에 따른 흙막이 구조의 붕괴 위험이 있으며, 실제로 붕괴된 사례도 상당수 있다. 또한, 주변 지반의 변위로 인하여 민원이 발생되어 공사중단 또는 민원보상을 하는 사례도 다수 있다.

현행 토공사에 흙막이를 위해 사용되는 가시설은, 강재 파일과 토류판을 사용하거나, CIP(Cast in Place Wall), SCW(Soil Cement Wall) 등이 사용되며, 흙막이를 지지하는 형식은 재래의 가설 Strut로 지지하는 방식과 Earth Anchor, Soil Nailing, Rock Bolt 그리고 Top-Down 공법으로 지지하는 방식 등이 있다.

이중에서 가설 Strut를 사용하는 경우는 가설재의 설치 및 해체 공정에 따른 공기의 증대와 해체시 주변지반의 변경을 유발할 가능성이 높으나 상대적으로 Top-Down 공법에 비하여 지하공사시의 작업환경이 양호하고, 슬래브의 단면을 감소시킬 수 있는 장점이 있어 현재 널리 사용되고 있다.

또한, 버팀보로서, 최근에는 약축과 강축이 존재하여 토벽으로부터 띠장을 통해서 전달되는 압축하중에 대한 좌굴 설계시 약축에 대한 보강의 필요성이 있는 H-Pile 대신에, 대칭 단면을 가지고 있는 원형 강관 또는 정사각형 단면의 각형관이 널리 사용되고 있다.

위와 같은 원형 강관 또는 각형관을 버팀보로 사용하는 경우에는 상기 원형 강관 또는 각형관을 띠장, 즉 띠장의 플랜지에 용접 또는 볼트체결하게 된다. 물론, 띠장과 버팀보 사이에 별도의 연결재 내지는 보강재를 두고서 상기 연결재 내지는 보강재와 띠장을 용접 또는 볼트 체결할 수 있다. 그리고, 상기 띠장이나 버팀보는 영구 구조물이 아닌 가시설재이기 때문에 지하 흙막기 공사가 종료된 후에는 해체되어 재활용될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

그런데, 띠장과 버팀보 사이를 용접 및 볼트 방식으로 체결한 후 공사 종료 후 이를 해체하는 과정을 반복하게 되면 띠장과 버팀보가 변형되어 유효단면적, 특히 상기 띠장으로 사용되는 H-형강의 플랜지의 유효단면적이 감소하는 결과가 유발되며, 궁극적으로는 띠장의 회수율이 저하되는 경제적 손실을 가져온다.

뿐만 아니라, 장스팬을 형성하는 버팀보를 형성하기 위하여는 제작 및 운송 편의성을 고려하여 적절한 길이로 절단된 버팀보를 현장에 반입하여 이를 연결하여 시공하기 때문에, 강관버팀보와 강관버팀보를 연결하기 위하여 별도의 이음장치를 사용하게된다. 통상적으로 강관버팀보와 강관버팀보 사이의 연결부의 강성저하가 우려된다. 연결부의 강성이 저하되는 경우 궁극적으로 강관의 단면손상으로 이어지게 되므로 강관의 회수율을 높이기 위하여 연결부의 강성을 향상시키는 것 역시 중요하다. 일반적으로 강관버팀보의 연결부는 휨강도와 전단강도를 모두 고려하여 설계한다.

이러한 이음장치와 강관버팀보는 도 1a에서 볼 수 있는 바와 같이 강관버팀보(1)의 이음장치는 연결장치를 상부와 하부의 두 개의 반고리형 플레이트(2, 3)로 형성한 후 두 플레이트(2, 3)의 각각의 양단에서 반경방향으로 연장하고 서로 대향하는 결합편(9)을 형성한 후 그 결합편(9)을 고장력 볼트와 같은 연결볼트(6)를 사용하여 반고리형 플레이트(2, 3)를 결합하게 된다. 또한, 결합편(9)의 휨강도 보강을 위하여 결합편과 반고리형 플레이트 사이에 다소의 리브(8)을 형성하고 있다. 이 때 반고리형 플레이트(2, 3)와 강관버팀보(1)는 서로 접촉접합을 하고 있는데 그 접촉면에 유격이 발생되기 때문에 엄밀한 의미에서 순전한 마찰접합이 되지 못한다. 그렇기 때문에 강관버팀보(1)와 반고리형 플레이트(2, 3) 사이에 미끄러짐이 발생되는 등 결합력 저하의 문제가 대두된다.

위 유격을 감소시키기 위하여, 반고리형 플레이트(2, 3)의 결합편(9)에 다수의 고력 볼트(6)를 체결하는 경우, 지레 반력 작용(prying action)에 의하여 좌우의 볼트를 지점으로 결합편(통상적으로 결합편의 중심부)이 들리게 될 수 있다. 따라서 가운데 볼트(6)의 설계강도, 즉 인장강도를 증가시킬 필요가 있거나 또는 좌우 볼트의 지점의 반력(Q)을 감소시키거나 분산시키는 것이 필요하게 된다.

[지레 반력의 개념도]

본건 발명에서는 두 개의 반고리형 플레이트에 의하여 형성되는 강관버팀보의 이음장치의 결합력을 강화하여 강관버팀보와 이음장치의 유격을 감소시키면서도 결합편과 결합편 사이에서의 지레 반력을 감소시켜 결합부의 강성을 더욱 증가시킬 수 있는 이음장치를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 띠장-버팀보 공사에 사용되는 강관버팀보와 강관버팀보를 서로 연결하기 위한 강관버팀보 이음장치는, 상부 반고리형 플레이트; 상기 상부 반고리형 플레이트와 대응되게 형성되는 하부 반고리형 플레이트; 상기 상부 및 하부 반고리형 플레이트의 양단에서 각각 연장되어 형성되는 결합편; 상부 반고리형 플레이트의 결합편과 하부 반고리형 플레이트의 결합편을 체결하기 위한 볼트체결부, 및; 상기 상부 및 하부 반고리형 플레이트의 사이의 응력분산판으로 구성된다.

상기 이음장치에서 상기 응력분산판은 상기 결합편에 있어서 강관버팀보의 길이방향의 양단에 위치하고, 상기 응력분산판은 볼트체결부의 인장강도, 결합편의 두께, 및 지레 작용에 의하여 발생하는 반력의 크기에 따라서 그 형상 및 모양이 결정되여 결합편의 들림을 방지하도록 형성될 수 있다.

상기 이음장치에서 상기 볼트체결부의 볼트체결구멍은 볼트 직경의 2배이상일 수 있다.

상기 이음장치에서 상기 볼트체결부에서 결합편의 강관버팀보 길이방향으로 나열된 다수의 볼트중에서 중심부의 볼트는 고장력볼트이고 단부의 볼트는 스터드 볼트일 수 있다.

상기 이음장치에서 상기 결합편의 길이방향의 연장방향과 직교하는 방향으로 강관버팀보의 직경방향으로 관통볼트를 체결한 후 관통볼트의 상단과 하단에 너트가 체결될 수 있다.

상기 이음장치에서 상기 결합편의 길이방향의 연장방향과 직교하는 방향으로 강관버팀보의 직경방향으로 상기 상부반고리형 플레이트와 하부반고리형 플레이트에 각각 절단관통볼트를 체결하되, 상기 절단관통볼트의 두께는 강관버팀보와 반고리형 플레이트의 체결을 위하여 요구되는 길이에 대응되게 결정되며, 상부와 하부의 절단관통볼트를 각각 상부반고리형 플레이트 및 하부반고리형 플레이트에 용접할 수 있다.

상기 이음장치에서 상기 응력분산판은 돌출부가 형성된 돌기부와 상기 돌기부를 수용하는 오목부가 형성된 수용판을 포함하도록 형성될 수 있다.

상기 이음장치에서 상기 돌기부와 수용판은 상부반고리형 플레이트와 하부반고리형 플레이트의 좌측과 우측에 엇갈리게 형성될 수 있다.

본건 발명에 따르면 두 개의 반고리형 플레이트와 강관버팀보 사이의 유격이 감소되어 마찰접합에 의한 결합력이 강화되고, 또한 반고리형 플레이트의 결합편과 결합편 사이에서 지레 작용을 감소시켜 결합부의 강성을 더욱 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 강관버팀보와 강관버팀보 연결부의 휨성능과 전단성능도 향상될 수 있다.

도 1a 내지 도 1e는 본건발명의 제1실시예를 보여주는 도면.
도 2a 내지 도 2e는 본건발명의 제2실시예를 보여주는 도면.
도 3a 내지 도 3d는 본건발명의 제3실시예를 보여주는 도면.
도 4a 내지 도 4e는 본건발명의 제4실시예를 보여주는 도면.
도 5a 내지 도 5f는 본건발명의 제5실시예를 보여주는 도면.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다.

본건발명의 제1실시예를 나타내는 도 1a 내지 도 1e를 참조하여 설명한다. 위와 같은 지레 반력의 문제점은 앞서 설명한 바와 같이 지레 지점의 반력을 분산시키는 경우 해소될 수 있다. 이를 위하여 상부반고리형 플레이트(예를 들어, 2)와 하부반고리형 플레이트(예를 들어, 3) 사이에 응력분산판(4)을 삽입한다. 상기 응력분산판(4)은 결합편(9)의 전체 스팬의 양단부쪽에 배열하는 것이 일반적인데, 그 이유는 통상적인 응력상태는 결합편(9)의 양지점이 지레 지점의 역할을 하기 때문이다. 상기 응력분산판은 고력 볼트(6)의 인장강도와 결합편(9)의 두께를 고려하여 지레 지점에서의 반력의 크기에 따라서 그 형상 및 모양을 결정하게 된다. 한편, 결합편(9)에 볼트(6) 체결을 위하여 천공을 하게 되는데 이 천공 구멍의 직경은 볼트 직경의 2배이상으로 하여야 응력집중에 따른 체결력 향상효과를 기대할 수 있게 된다.

상기 응력분산판(4)의 좌우양측으로 반고리형 플레이트(2, 3) 사이에 설치되므로 일반적으로 이음장치당 4개를 배열할 수 있다. 상기 응력분산판(4)을 설치하게 되면 지점에서의 응력이 응력분산판(4)의 넓은 표면적에 분산되므로 지레 반력의 문제를 해결할 수 있는 한편, 고력볼트(6)를 강하게 조여도 결합편(9)의 들림현상이 줄어들기 때문에 궁극에는 이음장치와 강관버팀보 사이의 유격을 감소시켜 이음장치의 결합력 향상의 효과를 기대할 수 있게 되는 것이다.

또 다른 관점에서 보면, 위 지레 반력의 문제점은 결합편(9)과 결합편(9)을 연결하는 볼트(6)의 인장강도를 조정함으로써 해결될 수도 있다. 따라서, 결합편(9)에 강관버팀보(1)의 길이방향으로 나열되어 있는 다수의 고력볼트(6) 중에서 주로 들림이 발생하는 중심부의 볼트와 양단부의 볼트의 종류를 변경하면 지레 반력의 문제점이 개선될 수 있다. 본건발명의 제2 실시예를 나타내는 도 2a 내지 도 2e에서는 중심의 볼트(60)는 고장력볼트를 사용할 수 있고, 양단의 볼트(50)는 스터드 볼트를 사용할 수 있다. 그리고 중심의 고장력볼트는 양단의 스터드 볼트보다 인장강도가 커야한다.

한편 도 3a 내지 도 3d에서와 같은 본건발명의 제3 실시예에서는 응력분산판(4)과 함께 상기 결합편(9)의 길이방향의 연장방향과 직교하는 방향으로 강관버팀보(1)의 직경방향으로 관통볼트(10)를 체결한 후 너트(7)를 끼운다. 관통볼트(10)를 강관버팀보(1)에 체결하면 관통볼트(10)가 강관버팀보(1)의 전단파괴를 방지해줌과 아울러 연결부의 휨길이를 감소시켜서 휨성능까지 보강하는 효과를 얻을 수 있게 된다. 이를 위해서 관통볼트(10)는 반고리형 플레이트(2, 3)의 길이방향으로 대칭되게 2개 이상을 설치한다. 본건발명의 제4실시예에서는 강관버팀보(1)와 이음장치의 결합력 강화의 효과와 함께, 강관버팀보(1)와 강관버팀보(1) 사이의 휨강성 및 전단강성의 개선의 효과까지 함께 기대할 수 있게 된다.

그런데 관통볼트(10)의 위와 같은 휨성능 및 전단성능 향상효과는 어차피 강관버팀보의 내부는 중공단면이므로 도 3b 또는 도 3d에서와 같이 중공단면 전체에 걸쳐서 연장되지 않는다고 하여도 요구강도가 달성될 수 있게 설계할 수 있다.

그렇기 때문에 도 4a 내지 도 4e에 도시된 실시예서와 같이 관통볼트를 강관버팀보와 반고리형 플레이트의 체결을 위하여 요구되는 길이에 대응되게 형성할 수 있으며, 이 경우 재료효율성이 향상되면서도 강도보강성능을 달성할 수 있다.

하지만, 도 3a 내지 도 3d의 실시예의 경우에는 미리 강관버팀보(1)와 반고리형 플레이트(2, 3)에 관통구멍을 뚫어놓고 관통볼트(10)와 너트(7)를 체결하면 되지만, 도 4a 내지 도 4e에서와 같이 짧은 신장의 절단관통볼트(70)를 사용하게 되는 경우에는, 절단관통볼트(70)를 강관버팀보(1)의 외측뿐만 아니라 내측서도 고정을 시킬 필요가 있다. 그런데 강관버팀보(1)가 이음장치에 체결되게 되면 강관버팀보(1)가 폐단면이 되므로 공사인부들이 더 이상 강관버팀보(1) 내부에서는 작업을 할 수 없는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여 본건발명의 제3실시예에서는 위 절단관통볼트(70)를 반고리형 플레이트(2, 3)에 직접 용접, 예를 들어 강봉용접을 한다. 도면부호 80은 그러한 용접부위를 나타낸다.

또는 도시하지는 않았지만, 강관버팀보(1)를 반고리형 플레이트(2, 3)에 체결하기 전에 절단관통볼트(70)가 체결될 위치에 관통구멍을 천공한 후 관통구멍의 해당위치의 강관버팀보(1)의 내측에 미리 내부너트(도시되지 않음)를 용접 등의 방법으로 고정할 수 있다. 이후 강관버팀보(1)를 반고리형 플레이트(2, 3)에 체결한 후 해당 천공구멍에 절단관통볼트(70)를 체결하면 미리 용접해둔 내부너트에 절단관통볼트(70)가 결합되게 된다. 그 다음에 상부너트(도시되지 않음)를 체결하게 되면 절단관통볼트(70)을 강관버팀보(1)에 체결하는 것이 완성된다. 물론 절단관통볼트(70)에 상부너트를 사전에 용접하여 두는 것도 가능하다.

본건발명의 제5실시예를 나타내는 도 5a 내지 도 5f에서는 제1실시예에서의 응력분산판을 돌출부가 형성된 돌기부(41)와 상기 돌기부(41)를 수용하는 오목부가 형성된 수용판(40)으로 형성한 것이 특징이다. 또한, 상기 돌기부와 수용판(40)은 결합편(9)의 양단에서 서로 엇갈리게 형성될 수 있는데, 즉 도 5e에서 볼 수 있는 바와 같이 예를 들어 좌측에서는 수용판(40)이 상부반고리형 플레이트(2)에 형성되고 돌기부(41)가 하부반고리형 플레이트(3)에 형성되고, 우측에서는 상부반고리형 플레이트(2)에 돌기부(41)가 형성되고 하부반고리형 플레이트(3)에는 수용판(40)이 형성될 수 있다. 위와 같이 응력분산판 자체를 돌기부(41)와 수용판(40)으로 분리하게 되면 응력분산판 자체가 체결부로서 작용하기 때문에 응력분산의 효과와 함께 체결력 향상의 효과를 모두 기대할 수 있게 된다. 도 5a 내지 도 5f의 실시예에서는 도 1a 내지 도 1e의 실시예에서와는 달리 응력분산판을 볼트(6) 체결위치가 아닌 볼트(6)와 볼트(6) 사이에 배열하였는데, 그 이유는 제 5실시예에서의 응력분산판은 그 자체가 체결부로서 역할할 수 있기 때문이다.

1: 강관버팀보
2, 3: 반고리형 플레이트
4:응력분산판
6, 50, 60: 볼트
9: 결합편
10: 관통볼트
40: 수용판
41: 돌기부
70: 절단관통볼트

Claims (8)

1. 띠장-버팀보 공사에 사용되는 강관버팀보와 강관버팀보를 서로 연결하기 위한 강관버팀보 이음장치로서,
   상부 반고리형 플레이트,
   상기 상부 반고리형 플레이트와 대응되게 형성되는 하부 반고리형 플레이트,
   상기 상부 및 하부 반고리형 플레이트의 양단에서 각각 연장되어 형성되는 결합편,
   상부 반고리형 플레이트의 결합편과 하부 반고리형 플레이트의 결합편을 체결하기 위한 볼트체결부, 및
   상기 상부 및 하부 반고리형 플레이트의 사이의 응력분산판으로 구성되며,
   상기 결합편의 길이방향의 연장방향과 직교하는 방향으로 강관버팀보의 직경방향으로 관통볼트를 체결한 후 관통볼트의 상단과 하단에 너트를 체결하는 것을 특징으로 하는 강관버팀보 이음장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 응력분산판은 상기 결합편에 있어서 강관버팀보의 길이방향의 양단에 위치하고,
   상기 응력분산판은 볼트체결부의 인장강도, 결합편의 두께, 및 지레 작용에 의하여 발생하는 반력의 크기에 따라서 그 형상 및 모양이 결정하여 결합편의 들림을 방지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 강관버팀보 이음장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 볼트체결부의 볼트체결구멍은 볼트 직경의 2배이상인 것을 특징으로 하는 강관버팀보 이음장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 볼트체결부에서 결합편의 강관버팀보 길이방향으로 나열된 다수의 볼트중에서 중심부의 볼트는 고장력볼트이고 단부의 볼트는 스터드 볼트인 것을 특징으로 하는 강관버팀보 이음장치.
5. 삭제
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 결합편의 길이방향의 연장방향과 직교하는 방향으로 강관버팀보의 직경방향으로 상기 상부반고리형 플레이트와 하부반고리형 플레이트에 각각 절단관통볼트를 체결하되,
   상기 절단관통볼트의 두께는 강관버팀보와 반고리형 플레이트의 체결을 위하여 요구되는 길이에 대응되게 결정되며,
   상부와 하부의 절단관통볼트를 각각 상부반고리형 플레이트 및 하부반고리형 플레이트에 용접하는 것을 특징으로 하는 강관버팀보 이음장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 응력분산판은 돌출부가 형성된 돌기부와 상기 돌기부를 수용하는 오목부가 형성된 수용판을 포함하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 강관버팀보의 이음장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 돌기부와 수용판은 상부반고리형 플레이트와 하부반고리형 플레이트의 좌측과 우측에 엇갈리게 형성되는 것을 특징으로 하는 강관버팀보의 이음장치.
   

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