KR100316518B1 - 조립식 장력강재보 - Google Patents

Abstract

도로교나 보도육교 등의 교량빔으로 적합하고 기타 건축물의 보나 지붕도리 그리고 각종 기계의 골격을 형성하는 형강이나 강판 또는 그 구조물로 이용될 수 있는 것으로, 부피와 무게를 줄이고 특히 슬림화가 가능하도록 외력에 대한 굽힘강도가 향상된 프리스트레싱(prestressing)을 이용한 조립식 장력강재보(ATOM; assembly tensioning steel girder beam)가 개시되어 있다. 개시된 조립식 장력강재보는 구조재 본체인 T형강인 제작빔(10)의 웨브(11) 양측면에 강현부재(14,14')를 긴장시켜서 그 양단부를 고정구(15,15')로 각각 고정시키고 중간부분에는 지지부재(16)를 설치하여 그 긴장된 강현부재(14,14')를 활모양으로 지탱시키며. 활모양으로 지탱된 채 긴장된 강현부재(14,14')는 구조재 본체의 양단부를 상호 안쪽으로 당겨 압축 및 인장응력을 작용시킨다. 제작빔(10)은 강현부재(14,14')의 장력에 따라 작용되는 압축 및 인장응력에 상당하여 보강된 굽힘강도를 보유하게 되며, 이로써 재료 자체의 두께나 높이를 대폭 축소시킬 수 있게 된다. 따라서 재료비의 절감과 함께 부피와 무게의 감소로 그 운반 및 시공상의 취급이 매우 용이해지며 장 스팬을 확보할 수 있다.

Description

조립식 장력강재보{ASSEMBLY TENSIONING STEEL GIRDER BEAM}

본 발명은 도로교나 보도육교 등의 교량용 빔(beam)으로 적합하며 기타 건축물의 보나 지붕도리 그리고 각종 기계의 골격을 형성하는 강재나 강판 또는 그 구조물(framework)로 이용될 수 있는 조립식 장력강재보(ATOM; assembly tensioning steel girder beam)에 관한 것으로서, 특히 외력에 대한 굽힘강도가 향상되도록 압축응력과 인장응력이 작용되어 있는 프리스트레싱(prestressing)을 이용한 조립식 장력강재보에 관한 것이다.

도로교나 보도육교 등의 교량용 빔에는 일정 형상의 단면을 가진 압연 철강재인 형강이나, 그 형강 및/또는 강판을 이음재료로 조립한 조립빔(built-up beam) 또는 조립상자형빔(built-up box beam)이 사용된다.

이러한 교량용 빔은 간격을 두고 시공되는 교각이나 교대 위에 가설되어 그 위에 타설되는 콘크리트구조물과 콘크리트구조물 상에 포장되는 도로구조물의 총 중량에 상당하는 고정적인 사하중을 지지하면서 도로 위를 이동하는 차량이나 보행자 등의 활하중을 지탱하는 역할을 한다. 따라서 교량용 빔은 그 위에 작용하는 사하중 및 활하중을 고려하여야 하며, 특히 교각과 교각 사이의 중앙부분이 수직하중에 의해 아래로 휘는 변형이 발생되면 교량전체가 붕괴될 소지가 있으므로 그 수직하중에 대한 충분한 굽힘강도를 보유하도록 설계될 필요가 있는 것이다.

이러한 교량 빔의 강도를 높이기 위해 종래에는 재료 자체의 두께나 수직하중이 작용하는 방향으로 그 높이를 증가시켜 왔으며, 또는 하중이 집중하는 부분에 보강리브를 용접하여 보강하여 왔다.

상기와 같이 재료 자체의 두께나 높이를 증가시키는 방법 또는 보강리브를 용접하는 방법에 의하면, 재료비가 증가할 뿐 아니라 무게와 부피가 증가하여 운반 및 시공시의 취급이 어려워 물류비 및 시공비를 증가시키는 주된 요인이 된다.

또한 재료 자체의 두께나 높이를 증가시키거나 보강리브를 용접하여 높일 수 있는 강도에는 한계가 있으므로, 큰 하중을 감당하여야 하는 경우에 빔의 길이를 짧게 하거나 별도의 구조물을 시공하여야 한다. 따라서 이 경우에 교각의 수를 늘려야 하고 별도의 구조물을 추가시공하여야 하므로 건설비가 크게 증가하는 문제가 발생한다.

이러한 문제점들은 비단 교량용 빔에서 뿐만 아니라 각종 건축물이나 기계의 골격을 이루는 철골구조물에 있는 슬래브용 보에서도 마찬가지일 것이며, 또한 일방향의 횡하중이나 전단력이 작용하는 기둥이나 벽체의 경우에도 유사하게 나타나고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 재료 자체의 두께나 높이를 증가시키거나 보강리브를 용접하는 종래의 방법에 의한 보강의 한계점을 넘어서 한층더 강도를 높일 수 있으며 구조물 사양에 따라 강도의 조절 및 설계가 용이하도록, 외부에서 압축응력을 미리 작용시키는 프리스트레싱(prestressing)의 방법으로 외력에 대한 굽힘강도를 향상시킨 프리스트레싱을 이용한 조립식 장력강재보를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 충분한 강도를 보유하면서도 부피가 작고 가벼우며 특히 슬림화(slim)되거나 장스팬을 갖는 프리스트레싱을 이용한 조립식 장력강재보를 제공하려는 것이다.

도 1은 본 발명을 T형강의 제작빔(built-up beam)에 적용하여 되는 조립식 장력강재보를 보인 사시도.

도 2는 본 발명을 H형강이나 I형강에 적용하여 되는 조립식 장력강재보를 보인 사시도.

도 3은 본 발명을 H형강이나 I형강에 도 2와는 다른 구조로 적용하여 되는 조립식 장력강재보를 보인 사시도.

도 4는 본 발명을 강판구조재에 적용하여 되는 조립식 장력강재보를 보인 사시도.

도 5는 본 발명을 교량용 조립상자형보에 적용하여 되는 조립식 장력강재보를 부분 분리한 사시도.

도 6은 도 5에 도시된 교량용 조립상자형보의 설치상태를 보인 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : T형강의 제작빔 11 : 웨브

14,14' : 강현부재 15,15' : 고정구

16 : 지지부재 20,30 : H형강이나 I형강재

40 : 강판구조재 50 : 조립상자형빔

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 교량용 빔이나 건축물 또는 각종 기계의 철골구조물로 사용되는 각종 철골구조재의 본체에 강선, 강봉, 와이어로프, 앵글 등의 강현재(鋼弦材)를 사용하여 외부하중에 의한 휨의 변형방향에 대항할 수 있도록 압축응력 및 인장응력을 작용시켜 그 굽힘강도를 높일 수 있다는데 착안, 구조재 본체와, 이 구조재 본체의 길이방향에 있는 양단부 측에 고정연결되어 그 양단측이 상호 안쪽으로 잡아당겨지도록 긴장된 적어도 하나의 강현부재와, 이 적어도 하나의 강현부재를 그 긴장된 상태에서 활모양으로 지탱하는 지지수단을 포함하여, 그 양단부 사이의 일측면에 가해지는 외력에 대한 굽힘강도를 높이기 위한 압축응력 및 인장응력이 미리 작용되어 있는 프리스트레싱을 이용한 조립식 장력강재보를 구성하였다.

상기한 구조재 본체는 기존의 T형강 H형강 I형강 등의 형강재나 강판재를 그대로 또는 변형된 제작빔(built-up beam)을 사용할 수 있으며, 또한 그 형강재나 강판재 또는 제작빔을 이음재료로 조립한 조립빔이나 조립상자형빔을 사용할 수 있다.

상기한 지지수단으로서는 별도의 지지부재를 구조재 본체에 고정시켜 그 지지부재에 강현부재를 활모양으로 지탱시키거나 또는 강현부재의 양단과 마찬가지방법으로 구조재 본체에 직접 고정하는 방법으로도 가능하다.

본 발명에 따른 프리스트레싱을 이용한 조립식 장력강재보는 강현부재에 의한 압축 및 인장응력이 작용되어 있으므로, 그 강현부재의 긴장력(Tension)에 상응하여 보강된 굽힘강도를 보유한다. 즉, 재료(구조재 본체) 자체의 두께나 높이에 비하여 훨씬 증대된 강도를 보유할 수 있게 되므로, 동일 하중을 기준으로 할 때 그 부피와 무게를 줄일 수 있고 특히 슬림화와 장(長) 스팬(span)이 가능해진다.

이와같은 본 발명에 따른 프리스트레싱을 이용한 조립식 장력강재보에 관하여 도면을 참조하면서 그 바람직한 실시예들을 설명하면 다음과 같다. 첨부된 도면중 도 1 내지 도 4는 구조재 본체로서 여러 가지 형강재를 사용한 프리스트레싱을 이용한 조립식 장력강재보를 구성하기 위해 각 형강재에 압축 및 인장응력을 작용시키는 프리스트레싱 구조의 여러 가지 형태를 보인다.

도 1은 구조재 본체로서 T형강의 제작빔(10)을 사용한 실시예이다. T형강은 원래 웨브(web; 11)와 이 웨브(11) 상단에 연속된 상부플랜지(12)로 이루어진다. 본 발명에서는 T형강의 웨브(11) 상단의 상부플랜지(12)와 대응하여 그 양측 하단에 예를 들면 교각 등에 안착 연결하기 위한 플랜지형 안착부(13,13')를 형성하고, 양측 플랜지형 안착부(13,13')의 각 안쪽 단부와 근접하는 웨브(11)의 전후 양면에 두가닥의 강현부재(14,14')를 각각 동일하게 긴장시킨 상태로 하여 그 양단에 고정구(15,15')를 체결 또는 용접하여 고정한다. 그리고 웨브(11)의 중앙부에는 판자형 지지부재(16)에 절결부(부호 생략)를 형성하여 그 절결부를 끼워맞춘 후 용접등의 방법으로 고정하여 그 단부에 강현부재(14,14')를 지탱시킨다.

상기한 강현부재(14,14')로는 강선이나 다수의 강선을 꼰 와이어로프, 또는 강봉이나 앵글 등의 긴 형강재를 사용한다. 이 강현부재(14,14')는 구조재 본체인 제작빔(10)에 작용하는 사하중 및 활하중을 감안한 굽힘강도를 보상하는 압축응력 및 인장응력을 작용시킬 수 있는 장력으로 긴장된 것이다. 즉, 구조재 본체인 제작빔(10)은 긴장된 강현부재(14,14')의 장력에 의해 프리스트레싱되어 그 강현부재(14,14')의 장력에 의한 압축응력 및 인장응력이 작용되어 있고, 그 작용되어 있는 압축응력 및 인장응력에 상당하여 보강된 굽힘강도를 보유한다. 굽힘강도는 강현부재(14,14')의 장력에 따라, 예를 들면 지지부재(16)의 높이에 따라 조절가능하다. 지지부재(16)는 제작빔(10)의 길이에 따라 2개소 이상 설치할 수 있다.

도 2는 H형강이나 I형강빔(20)을 사용한 실시예를 보인다. H형강이나 I형강(20)은 T형강과 달리 웨브(21)의 상하단에 연속형성된 상하부플랜지(22,23)를 가진다. 이러한 H형강이나 I형강(20)의 상하부플랜지(22,23)중 하부플랜지(23) 밑 양측 단부에 강현부재(24,24')의 고정구(25,25')를 각각 고정하고, 하부플랜지(23)의 중앙부에는 판자형 지지부재(26)를 설치하여 강현부재(24,24')를 지탱시킨다. 지지부재(26)는 H형강이나 I형강(20)의 길이에 따라 2개소 이상 설치할 수 있다.

도 3은 H형강이나 I형강(30)에 대한 또다른 형태의 프리스트레싱 구조를 보인 실시예로서, 강현부재(34,34') 양단의 고정구(35,35')를 웨브(31)의 상하부플랜지(32,33)중 상부플랜지(32)와 근접한 위치에 편위시켜서 고정하고, 웨브(31) 및 하부플랜지(33)의 중앙부에는 별도의 지지부재 대신 2개의 보조고정구(36,36')를하부플랜지(33)와 근접한 위치에 편위시켜서 고정하여 강현부재(34,34')를 그 보조고정구(36,36')에 체결하여 지탱될 수 있게 한다. 보조고정구(36,36')는 H형강이나 I형강(30)의 길이에 따라 그 설치개소를 늘릴 수 있다.

다음, 도 4는 일정한 두께와 폭으로 연속한 강판구조재(40)를 사용한 실시예를 보인다. 강판구조재(40)에는 폭방향에 대응한 측면부(41)의 양측 단부에 강현부재(44) 양단의 고정구(45,45')를 그 측면부(41)의 상면부(42)와 근접한 부분에 고정하고, 그 측면부(41)의 중앙부에는 별도의 지지부재 대신 보조고정구(46,46')를 하면부(43)와 근접한 부분에 고정시켜 강현부재(44)를 지탱시킨다. 보조고정구(46,46')는 강판구조재(40)의 길이에 따라 그 설치개소를 늘릴 수 있다.

상기된 도 1 내지 도 4에 의한 단일 형강재 또는 제작빔를 사용하여 되는 프리스트레싱 조립식 장력강재보들은 교량빔에는 물론, 기타 건축구조물이나 각종 기계의 골격을 이루는 철골구조물에 적합할 것이다.

다음, 도 5 및 도 6은 구조재 본체로서 조립상자형 교량빔에 적용한 실시예를 보인다. 이들 도면에 있어서 부호 50은 구조재 본체인 조립상자형빔을 가리킨다. 조립상자형빔(50)은 강판재를 사용하여 일정한 폭으로 연속한 강판재로 되는 하부지지판(51)과, 이 하부지지판(51) 주위를 일정높이로 둘러싸도록 용접된 웨브판(web plate; 52)과, 이 웨브판(52) 내의 하부지지판(51) 상에 길이방향으로 일정간격을 두고 용접된 복수의 격판(53), 그리고 웨브판(52)과 격판(53)으로 구획된 각 격실의 개구를 덮도록 용접되는 복수의 상부덮개판(57)으로 이루어진다. 여기서, 복수의 상부덮개판(57)은 하부지지판(51)과 같이 연속한 강판재로 되는 단일체로 제공될 수 있으며, 또한 하나의 상부덮개판(57)이 2개 이상의 격실을 점유하는 크기로 될 수도 있다.

이러한 조립상자형빔(50)의 강도를 높이기 위해 본 발명에서는 앞의 실시예들과 마찬가지의 강선이나 다수의 강선을 꼰 와이어로프, 또는 강봉이나 앵글 등의 긴 형강재로 되는 강현부재(54)를 긴장시켜서 그 양단을 하부지지판(51)의 저면부 양측 단부에 고정구(55,55')로 각각 고정하고, 그 하부지지판(51)의 중간지점에서는 막대형 지지부재(56)를 직하방으로 세워서 강현부재(54)의 중앙부를 그 지지부재(56)의 단부에 걸친 형태로 지탱시킴으로써 강현부재(54)를 긴장된 상태로 설치하였다. 강현부재(54)는 조립상자형빔(50) 위에 타설되는 콘크리트구조물과 도로포장물의 사하중과 그 위를 이동하게 될 차량이나 보행자에 의한 이동하중을 감안한 굽힘강도를 보상하는 압축응력 및 인장응력을 작용시킬 수 있는 장력으로 긴장된 것이다. 즉, 조립상자형빔(50)은 그 하부지지판(51) 밑에 설치된 강현부재(54)의 장력에 의해 압축응력 및 인장응력이 작용되어 그 작용되는 압축응력 및 인장응력에 상당하여 보강된 굽힘강도를 보유한다. 굽힘강도는 강현부재(54)의 장력에 따라, 예를 들면 지지부재(56)의 높이에 따라 조절가능하다.

상기와 같이 보강된 조립상자형빔(50)은 동일 강도를 기준으로 할 때 기존 조립상자형빔에 사용된 강판재의 두께에 비하여 얇게 하거나 그 높이를 대폭 축소시킨 슬림화 또는 장 스팬을 갖도록 하는 것이 가능하다. 여기서 강현부재(54)는 조립상자형빔(50)의 폭에 따라 하나 또는 둘 이상 설치할 수 있다. 또한 지지부재(56)도 조립상자형빔(50)의 길이에 따라 2개소 이상 설치할 수 있다.

본 실시예는 슬림화된 조립상자형빔(50)의 조립작업성을 감안한 구조를 보인 것이다. 즉, 하부지지판(51) 밑의 강현부재(54) 및 지지부재(56)와 함께 웨브판(52) 및 격판(53)은 공장에서 조립하게 하며, 그 1차 조립된 하부지지판(51) 구조물을 현장으로 운반한 후 크레인 등을 이용, 교각(58,58')에 가설토록 한 것이다. 가설된 하부지지판(51)의 양단부는 통상적인 교좌장치 등을 사용하여 교각에 고정하면 된다. 그리고 상부덮개판(57)들은 하부지지판(51) 운반시 함께 운반하여 현장에서, 즉 교각(58,58')에 가설된 하부지지판(51) 구조물 위에 얹어서 외부에서 용접하여 조립하도록 배려한 것이다.

참고로 기존의 조립상자형빔은 단일 형강재나 제작빔을 사용한 경우에 비하여 그 무게와 부피가 상당하므로 한꺼번에 운반 및 가설하기가 용이하지 않다. 대개 운반 및 인양가능한 무게와 부피를 감안, 길이방향으로 구분하여 2개 이상으로 분리제작되고 있으며, 그 분리제작된 빔들을 현장에서 볼트로 체결하여 조립하고 있다. 따라서 그 체결작업을 가능하게 하는 데는 빔의 상자 높이가 최소한 700mm 이상이어야 하므로 이때문에도 그 무게와 부피를 줄일 수 없었다.

이에 대하여 본발명은 도 1 및 2에 도시한 바와 같은 실시예를 통해 그 높이를 대폭 슬림화하였으므로 하부지지판(51)을 일체로 형성할 수 있게 되었으며, 이에 따라 운반 및 가설이 용이하고 또 구조적으로 안정되고 외관도 크게 향상시킬 수 있는 잇점을 가지게 되었다.

본 실시예에 있어서 복수의 상부덮개판(57)을 단일체로 할 수 있으며, 또 부피를 줄이고 상자 높이가 슬림화된 조립상자형빔(50)을 길이방향으로 분리제작하여볼트로 체결 조립한 후, 격판과 격판(53) 사이에 분리된 상부덮개판(57)을 삽입조립후 용접체결하여 그 무게와 부피를 더욱 최소화할 수 있다.

한편, 도면으로 예시하지는 않았으나 본 실시예의 구조재 본체인 조립상자형빔(50)에는 강현부재(54)를 하부지지판(51)에 긴장시키지 않고 도 4의 실시예와 같이 그 조립상자형빔(50)의 측면부측 웨브판(52)에 고정구와 보조고정구를 이용해서 직접 긴장시켜도 된다.

이상의 실시예에서 설명된 바와 같이 본 발명에 의하면, 교량빔이나 각종 구조물의 철골구조재에 대하여 강현재를 이용, 압축 및 인장응력을 작용시켜 외력에 대한 굽힘강도를 증가시키므로, 동일하중에 대하여 구조재 본체의 두께와 높이 등을 크게 줄일 수 있는 한편, 동일 두께와 높이로 할 때 훨씬 높은 강도를 보유하면서도 장스팬을 확보할 수 있는 구조재 또는 그 구조물을 제공할 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 의하면, 철골구조재의 재료비를 절감하는 동시에 부피와 무게의 감소를 통해 그 운반 및 시공을 위한 취급이 용이한 효과가 제공된다. 특히 본 발명은 슬림화된 교량빔을 제공함으로써 입체교차로 등의 높이를 낮출 수 있게 되므로 시공비를 크게 절감하는 효과가 제공되는 것이다.

한편, 동일 구조재 본체의 두께와 높이를 기준으로 하면 훨씬 높아진 강도를 보유하므로 구조물의 안정성을 높일 수 있게 되며, 뿐만 아니라 교량빔의 경우 그 길이를 더 연장시킬 수 있게 되므로 교각의 수를 줄일 수 있는 등 건설비를 획기적으로 절감할 수 있는 것이다.

Claims (7)

1. 상자형 빔으로 구성되는 구조재본체의 길이방향 양단부에 연결되어 상호 안쪽으로 잡아당겨지도록 긴장된 강현부재와, 상기 강현부재의 중앙부를 활모양으로 지탱하도록 구조재본체에 고정되는 지지부재를 포함하는 구성으로 구조재본체에 프리스트레싱에 의한 압축 및 인장응력이 작용토록 설치되는 장력강재보에 있어서,

   상기 강현부재가 고정되는 구조재 본체는, 일정한 폭으로 연속되는 하부지지판과, 상기 하부지지판 주위를 일정높이로 둘러싸도록 용접되는 웨브판과, 상기 웨브판내의 하부지지판상에 길이방향 일정간격으로 용접되는 복수의 격판및, 상기 웨브판과 격판의 상측에 용접되는 상부덮개판을 조립하여 구성되는 것을 특징으로 하는 조립식 장력강재보.
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4. 제1항에 있어서, 상기 구조재 본체의 하부지지판 하측에 강현부재가 설치되어 하부지지판에 압축 및 인장응력이 작용토록 되는 것을 특징으로 하는 조립식 장력강재보.
5. 제1항에 있어서, 상기 구조재 본체의 웨브판에 강현부재가 설치되어 웨브판에 압축 및 인장응력이 작용토록 되는 것을 특징으로 하는 조립식 장력강재보.
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