KR100334237B1 - 온도응력을이용하여제작된연속강합성형교및그의시공방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

온도응력을 이용하여 제작된 연속 강합성형교 및 그의 시공방법

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 요지

본 발명은 바닥판 타설전후에 강재보에 온도구배를 부여하여 바닥판에 압축응력을 발생시킴으로써 연속합성형교의 설계·시공시에 발생하던 부모멘트부의 콘크리트 바닥판의 인장응력을 상쇄시켜 바닥판의 휨균열을 방지하는 것에 그 목적이 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 연속된 강재보를 설치하는 단계; 상기 강재보 상하부에 걸쳐 온도구배를 가지도록 열원을 제공하는 단계; 상기 제공된 열원에 의해 온도구배를 발생시키는 상기 강재보 상에 바닥판 콘크리트을 타설하여 양생하고, 합성하는 단계; 및 상기 인위적 온도구배를 제거하여 상기 합성된 강재보 상단부와 콘크리트 바닥판에 동시에 발생되는 압축응력으로 추가 사하중 및 활하중에 의해 콘크리트 바닥판에 발생하는 인장응력을 상쇄시키는 단계를 포함한다.

4. 발명의 중요한 용도

부모멘트부 바닥판에 발생하는 인장응력을 온도응력을 이용한 압축응력으로 상쇄시켜 바닥판의 균열을 방지하고 교축방향의 보강 철근량 및 강재보를 감소한 것임.

Description

온도응력을 이용하여 제작된 연속 강합성형교 및 그의 시공방법{CONTINOUS COMPOSITE STEEL GIRDER BRIDGES AND CONSTRUCTION METHOD USING THEMPERATURE GRADIENT}

본 발명은 온도응력을 이응하여 연속강합성형 교량 단면에 작용하는 부의 휨모멘트를 개선한 연속강합성형교 및 그의 시공방법에 관한 것으로, 특히 합성형 교량용 강재보 단면에 바닥판 타설시부터 합성완료시까지 한시적으로 인위적인 온도 구배를 부여하고, 합성후 제거하여 활하중 및 추가사하중에 의한 부모멘트에 의해 발생하는 콘크리트 바닥판의 인장응력을 인위적 온도응력에 의한 압축응력으로 상쇄시켜 균열을 방지하고, 바닥판 철근량을 감소시키고, 강재보 하부플랜지에는 인위적 온도인장응력을 도입하여 활하중 및 사하중에 의한 압축응력을 상쇄시켜 강재보 단면을 감소시킨 인위적 온도응력을 이용하여 제작된 연속 강합성형교 및 그의 시공방법에 관한 것이다.

일반적으로, 강교량에서의 합성형은 도1a 및 도1b에 도시된 바와 같이 일정한 유효폭을 가진 철근 콘크리트 바닥판(1)과, 상기 바닥판(1)을 지지하는 강재보(2) 및 상기 강재보(2)의 전장에 걸쳐서 그와 상기 바닥판(1)을 결합하기 위한 전단연결재(3)로 구성되어 합성형 교량으로 작용하는 것이다. 이와 같은 합성형 교량에서는 정해진 하중상태하에서 강재보 및 콘크리트에 생기는 응력이 반드시 허용응력 이하 이어야 하는 조건을 만족시켜야 한다. 이 경우에 단순보에서는 문제가 없지만, 연속보에서의 지점부에는 사하중이나 활하중에 의한 부(-)의 휨모멘트가 작용하여 인장응력이 발생하게 된다. 이러한 상기 바닥판 콘크리트에 발생하는 인장응력을 처리하기 위해서는 지점부의 상승 또는 강하공법, PC강봉의 긴장등에 의한 프리스트레스의 도입이 필요하며, 이에따라 설계 및 시공이 복잡하게 되는 경향이 있다.

도2a 및 도2b는 일반적인 경우의 2경간 연속교와 3경간 연속교의 휨모멘트를 나타낸 것이며, 이와 같은 연속 합성형교의 설계는 (+)의 휨모멘트 범위에서는 합성형으로 간주하고, (-)의 휨모멘트 범위에서는 비합성형으로 간주하여 설계하고 있다. 이때, (-)의 휨모멘트 부분의 콘크리트 바닥판에는 인장응력이 생기고 이는 콘크리트 바닥판에 균열을 발생시킨다. 이를 방지하고자 상기와 같은 종래의 합성형 교량 설계·시공에서는 균열진행을 억제하기 위하여 콘크리트 바닥판 지점부에 교축방향의 보강철근을 추가로 배치함으로써 상기 콘크리트 바닥판에 작용하는 인장응력을 상기 보강철근이 전부 부담하도록 하고 있다.

현재까지의 연구에 의하면 바닥콘크리트 단면적의 2%이상의 교축방향 철근을 배근하도록 하고, 교축방향 철근의 총주변장과 바닥판 콘크리트의 단면적에 대한비, 즉 주장율을 0.045cm/㎠ 이상으로 배근하면 콘크리트 바닥판의 인장균열을 허용균열폭 이내로 제한할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이때, 부의 휨모멘트가 작용하는 지점부인 콘크리트 바닥판의 교축방향 철근의 길이는 사하중(dead load)에 의한 휨모멘트가 변하는 점을 지나서 바닥판 콘크리트의 압축측에 정착시켜야만 한다. 일본의 경우는 각 지간의 30% 정도의 길이를 배근하고 있으며, 국내에서도 이를 준용하는 추세에 있다.

이에따라, 부모멘트부의 콘크리트 바닥판에 배근되는 교축방향의 보강철근이 과다하게 배근되어 철근량이 많아지고, 철근간격이 조밀해짐으로써 작업성이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 제반문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 바닥판 타설전후 즉, 바닥판과 강재보의 합성작용 발생 전후에 강재보에 한시적인 온도구배를 부여하여 콘크리트 바닥판에 압축응력을 발생시킴으로써 합성형을 소정 경간으로 연속시킨 연속합성형교의 설계·시공시에 발생하던 사하중(dead load)이나 활하중(live load)에 의한 부모멘트부의 콘크리트 바닥판의 인장응력을 인위적인 온도하중에 의한 압축응력으로 상쇄시켜 바닥판의 휨균열을 방지하는 인위적인 온도응력을 이용하여 제작된 연속 강합성형교 및 그의 시공방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 합성전 강재보의 하부에서 열원을 제공하여 강재보의 상하측의 온도차만큼 한시적인 온도구배를 부여하여 콘크리트 바닥판에 압축응력을 도입함으로써, 콘크리트 바닥판과 강재보의 합성후에 콘크리트 바닥판 지점부에 발생되는 압축응력으로 지점부의 추가 사하중 및 활하중에 의해 발생하는 부모멘트에 의한 콘크리트 바닥판의 인장응력을 상쇄시켜 상기 바닥판의 인장응력을 부담하기 위해 배근해야만 했던 교축방향 보강철근을 대폭 감소시킬 수 있으며, 또한 동일한 방법으로 강재보 하단부에 도입된 인위적인 인장응력으로 사하중 및 활하중에 의한 압축응력을 상쇄시켜 강재보의 단면을 감소시킬 수 있는 온도응력을 이용하여 제작된 연속 강합성형교 및 그의 시공방법을 제공함에 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 간단한 장비구성으로 강재보의 설계시 요구되는 온도응력을 부여할 수 있는 온도구배를 이용하여 제작된 연속 강합성형교 및 그의 시공방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

도1a 및 도1b은 일반적인 합성형 교량의 형태를 나타낸 개략적인 구성도.

도2a 및 도2b는 일반적인 연속교의 휨모멘트도.

도3은 본 발명의 연속강합성형교의 합성전 단면에 인위적으로 도입한 온도구배 및 그에 따른 온도응력을 나타낸 모식도.

도4는 본 발명의 연속강합성형교의 합성후에 인위적으로 도입한 온도구배를 제거함으로써 발생하는 단면의 온도구배 및 그에 따른 온도응력을 나타낸 모식도.

도5는 본 발명의 연속강합성형교의 합성형 단면의 합성전과 합성후의 단계별 응력 분포를 나타낸 모식도.

도6a 내지 도6e는 본 발명에 의한 연속강합성형교의 적용이 가능한 합성형 교량단면을 나타낸 예시도.

도7a 내지 도7d는 도6a 내지 도6e에 도시된 합성형 교량단면에 온도구배의 적용에 따른 형태를 나타낸 모식도.

도8은 본 발명에 의한 연속 강합성형교의 온도응력 발생장치의 일실시예시도.

도9는 본 발명에 의한 연속 강합성형교의 온도응력 발생장치의 다른 실시예시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 콘크리트 바닥판 2 : 강재보

11 : 온수순환파이프 12 : 온도조절센서

13 : 콘트롤러 14 : 보온 단열재

15 : 차양막 17 : 전열판

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 소정 경간마다 연속된 강재보를 설치하는 제1 단계; 상기 연속하는 강재보 하부에서 소정구간만큼 소정 온도의 열원을 가하여 열전달에 의해 강재보의 상부와 하부에 걸쳐 인위적인 온도구배가 형성되도록 하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 제공된 열원에 의해 온도구배를 가지는 연속한 상기 강재보 상에 바닥판 콘크리트를 타설·양생하여 합성하는 제3 단계; 및 상기 제3 단계 수행후 상기 인위적 온도구배를 제거함으로써 상기 합성된 강재보 상단부 및 콘크리트 바닥판에 동시에 발생되는 압축응력으로 추가 사하중 및 활하중에 의해 콘크리트 바닥판에 발생하는 인장응력을 상쇄시키는 제4 단계를 포함하는 연속 강합성형교의 시공방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 연속 강합성교의 시공방법에서의 강재보에 온도응력을 발생시키는 장치는, 상기 강재보에 설치되며 상기 강재보와 콘크리트 바닥판의 합성전부터 합성될 때까지 인위적인 온도구배를 부여하도록 열원을 제공하는 수단; 상기 강재보에 장착되며 상기 열원제공수단으로부터 설정된 온도구배가 유지되도록 제공되는 열원에 의해 변화되는 온도를 감지하여 출력하는 온도감지수단; 및 상기 온도감지수단의 신호를 인가받도륵 연결되어 있으며 상기 콘크리트 바닥판과 강재보의 합성전부터 합성될 때까지 상기 강재보의 소정 크기의 인위적 온도구배를 유지하도록 제어하는 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 콘크리트 바닥판과 상기 콘크리트 바닥판의 하부를 소정 경간마다 연속시켜 지지하는 강재보를 합성하여 이루어진 연속 강합성형교에 있어서,

상기 콘크리트 바닥판과 강재보와 합성전에, 상기 강재보 하부에서 소정구간만큼 소정 온도의 열원을 가하여 열전달에 의해 강재보의 상부와 하부에 걸쳐 인위적으로 한시적인 온도구배를 부여하고, 콘크리트 바닥판을 타설 및 양생하는 과정을 거쳐 합성한 후에 열원을 제거하여 상기 온도구배에 의해 발생된 콘크리트 바닥판의 압축응력으로 부모멘트 지점부의 콘크리트 바닥판에 발생하는 인장응력을 상쇄시켜 형성된 것을 특징으로 하는 연속 강합성형교를 제공한다.

이하, 첨부된 도3 이하의 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 온도응력을 이용하여 제작된 연속 강합성형교 및 그의 시공방법은 강재보에 인적적인 한시적 온도구배를 부여하여 얻은 콘크리트 바닥판의 압축응력으로 부모멘트지점부의 콘크리트 바닥판에 발생하는 인장응력을 상쇄시키기 위해 구현한 것으로, 본 발명에 의한 연속 강합성형교는 콘크리트 바닥판과 강재보가 열전도율이나 비열등 물리적 성질이 현저히 다른 2개의 재료에 의해 구성되었으므로 합성형교 내부의 온도분포가 다르도록 인위적으로 유도하고, 이로인해 온도응력이 발생하게 되는 점을 이용하여 사하중 및 활하중에 의한 부모멘트 지점부의 콘크리트 바닥판에 발생하는 인장응력을 상쇄하여 압축응력 또는 허용인장응력 이내로 작용하도록 한 것이다.

즉, 본 발명에서는 인장응력이 작용하는 부모멘트 지점부 콘크리트 바닥판에 인위적인 방법을 통하여 압축응력(또는 허용인장응력 이내)이 작용하도록 하여 보강철근을 추가 사용하지 않고서도 연속지점부의 콘크리트 바닥판에 발생하는 휨균열을 방지하는 것이며, 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 인장응력을 압축응력으로 변환시키기 위한 인위적인 방법으로 한시적인 온도구배(Temperature Gradient)를 이용한 예를 제시하고 있다.

이와 같은 개념에 의한 본 발명의 연속 강합성형교는 콘크리트 바닥판과 상기 콘크리트 바닥판의 하부를 소정 경간마다 연속시켜 지지하는 강재보를 결합한 연속 강합성형 교량구조체에 있어서, 상기 콘크리트 바닥판과 강재의 합성전에 상기 강재보 하부의 소정구간에 소정온도의 열원을 가하여 열전달에 의해 상기 강재보의 상부측과 하부측의 온도차에 의한 인위적인 온도구배를 부여하고, 콘크리트 바닥판의 타설 및 양생과정을 거쳐 합성한 후에 가열되고 있던 열원을 제거함으로써 상기 온도구배에 의하여 합성후의 콘크리트 바닥판에 발생되는 압축응력으로 부모멘트 지점부의 콘크리트 바닥판에 발생하는 인장응력을 상쇄시켜 형성한 구조로 이루어진다.

이와 같이 상기 강합성형 연속교에 강재보와 콘크리트 바닥판의 합성전·후 에 온도구배를 적용함으로서 콘크리트 바닥판에는 압축응력이 도입된다. 이때 도입된 온도응력이 추가 사하중 및 활하중 등에 의한 인장응력을 상쇄시키도록 하여 부모멘트 지점부의 콘크리트 바닥판도 압축응력하에 있도록 함으로써 균열발생을 방지하게 되는 것이다. 또한, 상기 콘크리트 바닥판이 압축응력하에 있도록 함으로써 부모멘트 지점부의 상기 콘크리트 바닥판도 합성형 단면의 일부로 유효하게 되어 합성형 단면의 강성을 증대시키는 효과도 얻을 수 있다.

여기서, 상기 콘크리트 바닥판과의 합성전에 강재보에 도입되는 온도구배는 강재보 상단부가 상온을 가지며, 하단부로 내려갈수록 높은 온도를 가지도록 형성한다. 즉, 상기 강재보의 하부에서 소정온도의 열원을 가하여 열전달에 의해 강재보 상부측과의 온도차를 발생시켜 인위적인 온도구배를 갖도록 한 것이다. 이와 같은 온도구배와 그에 의해 발생하는 온도응력은 도3에 도시된 바와 같다.

도3은 I형강 단면의 강재보에서 그의 하부에만 소정온도(T°C)의 열원을 가하였을 때, 열전달에 의해 상기 강재보의 상부와 하부사이에 온도구배가 형성된 상태를 보여주고 있다.

본 실시예에서는 상기 강재보가 10℃ ∼ 100℃의 온도구배를 가지도록 조절한 예를 제시하고 있다. 이때, 상기 강재보의 상단부가 가지는 상온은 대기온도에 의해 콘크리트 바닥판 및 강재보의 상부플랜지가 유지하는 온도를 의미하며, 도3에예시된 상기 강재보의 온도구배는 상기 강재보의 상단부와 하단부의 온도차이만을 나타내는 온도구배이다.

또, 상기 강재보에 온도구배가 주어진 상태에서 바닥판 콘크리트를 타설하고, 양생되는 과정을 거쳐 합성된 후에 가열온도를 제거하여 상기 강재보의 단면에 인위적으로 도입하였던 온도구배를 제거하게 되면, 도4에 도시된 바와 같이 도3에 도시된 온도구배와 반대의 온도구배를 주는 효과가 발생하게 되고, 이때는 합성형에서의 온도구배에 의한 온도응력분포가 도4에 도시된 바와 같이 발생하게 된다.

이에 따라, 도5에 도시된 합성형단면의 단계별 응력분포를 나타낸 모식도에서 보인 바와 같이, 상기 강재보의 하부에는 인장응력이 분포하게 되고, 상부 콘크리트 바닥판에는 반대응력인 압축응력이 분포되어 부모멘트 지점부의 콘크리트 바닥판에 작용하는 인장응력에 의한 콘크리트 바닥판의 균열 발생을 방지하게 되는 것이다. 또한, 반대로 상기 강재보의 하부플랜지에는 온도응력에 의해 인장응력이 발생되므로 작용하중에 의한 압축응력을 상쇄시키는 효과를 줄 수 있으므로 강재보 단면을 감소할 수 있는 것이다.

즉, 콘크리트 바닥판을 타설하기 전 인위적인 열원을 가하는 상태에서 내부 지점부에 발생하는 응력은 상면이 인장응력, 하면에서는 압축응력이 발생하게 된다. 이때, 상·하면에서의 응력의 크기는 합성전 강형의 중립축이 단면의 중심부근에 위치하기 때문에 압축응력과 인장응력의 크기가 비슷하다.

그리고, 콘크리트 바닥판을 타설하고 인위적인 열원을 제거하게 되면, 바닥판에는 압축응력이 발생하고, 또 강형의 상부플랜지에도 압축응력이 작용하게 되며, 하부플랜지에는 인장응력이 작용하게 된다. 콘크리트 바닥판이 양생되어 합성작용이 발생하는 시점에서의 단면을 합성단면이라 하는데, 합성단면에서는 합성전 강형의 중립축보다 상당히 위쪽에 위치하기 때문에, 상기 하부플랜지에 작용하는 인장응력의 크기는 합성전 단면에서 발생하는 응력의 크기보다 커지게 된다.

최종단계에서는 합성전 단계인 인위적인 열원을 가하는 경우에 발생하는 응력과 합성후 단계인 인위적인 열원을 제거하는 경우에 발생하는 응력을 서로 더해주게 되는데, 이때 바닥판에는 압축응력이 남게 되고(합성전 단계에서 바닥판에 작용하는 응력이 없으므로), 강형에는 인장응력만 남게 되는 것이다. 여기서, 상기 합성전 단면의 중립축이 단면의 중심부근에 위치하지만 합성후 단면의 중립축은 바닥판 콘트리트에 근접한 부근에 형성되기 때문에, 강형에 인장응력만 남게 되는 것이다.

본 발명의 실시예에서, 교량에 작용하는 사하중 및 활하중에 의해 인장응력을 받는 합성형 바닥판 부분이 허용인장응력 또는 압축응력 상태에 놓이게 하기 위해 필요한 온도프리스트레싱을 가하여 얻어진 효과에 의한 인위적인 압축응력은 교량형식 (단면, 지긴장, 경간수등)에 따라 차이가 있으므로 일반적 인 응력증가량을 명시하는 것은 곤란하며, 특정 대상교량에 대해 제한적으로 명시하는 것도 큰 의미가 없지만, 강재보와 콘크리트 바닥판의 합성 전후에 온도구배를 적용하여 콘크리트 바닥판에 압축응력을 도입하기 위한 온도구배(변화)에 따른 응력증가량에 대해서 2연속 강합성형교를 예로들어 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 2경간 연속 강합성형교(2@30 = 60m)의 단면 형상 및 제원은 하기의 <그림 1>과 <그림2>와 같으며, 범용 구조해석 프로그램인 LUSAS를 사용하여 해석하였다.

대기온도보다 60℃ 높은 가열장치를 사용하여 온도 프리스트레싱 공법을 적용하였을 경우에 발생하는 내부지점부 단면의 응력은 하기의 <그림 3>과 같다.

상기<그림3>의 실선은 온도 프리스트레싱 공법에 의 한 시공이 완료되었을 경우에 단면에 가해지는 응력으로서 통상적으로 인장력을 받게되는 내부지점부 단면의 콘크리트 상연 및 하연에 각각 23.9kg/㎠, 9.39kg/㎠의 압축응력이 도입되며, 상부플랜지와 하부플랜지에는 각각 297.08kg/㎠, 174.06kg/㎠의 인장응력이 도입되는 것을 확인할 수 있다. 하기의 <표1>은 교량의 설계에 통상적으로 사용되는 하중조합에 온도 프리스트레싱 효과를 첨가한 하중 조합이다. 이와 같은 하중조합을 가했을 때 , 온도 프리스트레싱 공법을 적용한 상기 2경간 강합성형교의 내부지점부 단면에 발생하는 하중조합별 응력은 <표2>와 같다.

[표1] 하중조합

[표2] 내부지점부 단면의 응력 비교(2경간 연속교)

(a)온도 프리스트레싱 공법 (단위:kgf/㎠)

(b) 기존공법

* 괄호안은 합성후 사하중을 고려한 상태의 응력

* 콘크리트의 허용인장응력(f_ck= 270kgf/㎠)

case 2 ∼ 3 : f_ta= 0.07f_ck= 18.9kgf/㎠

case 4 ∼ 7 : f_ta= 1.15 × 0.07f_ck= 21.7kgf/㎠

* 강재의 허용응력 : f_sa= 1900kgf/㎠(압축 ·인장 동일)

* f_cu: 콘크리트 바닥판 상연의 응력

f_cl: 콘크리트 바닥판 하연의 응력

f_su: 강판형 상부플랜지의 응력

f_st: 강판형 하부플랜지의 응력

f_ru: 바닥판 보강철근(상부)에 발생하는 응력

f_rl: 바닥판 보강철근(하부)에 발생하는 응력

[표2]에서 볼수 있듯이 교량의 완공후 교량에 가해지는 가장 불리한 하중조합을 고려하더라도 내부지점부의 바닥판에 작용하는 인장력은 콘크리트의 허용인장응력보다 작은 범주에 들어 인장균열이 발생하지 않음을 알 수 있다. 따라서, 온도 프리스트레싱 공법을 적용하여 연속 강합성형교를 시공한 경우, 지점부에 추가적인 교축방향 보강철근을 배치하지 않더라도 본원의 목적을 충분히 달성할 수 있는 것이다. 물론, 필요시 가열온도를 높이거나 가열구간을 넓히면 이보다 훨씬 큰 온도 프리스트레싱 효과를 얻을 수도 있다.

상기 예에서 제시한 2경간 연속 강합성형교 이외에 3경간 이상의 연속 강합성형교나 기타 단면(예를들어, 강박스교, U-형 강박스교, 제형 강박스교, 제형 U-타입 강박스교 등)의 연속 강합성형교에도 이와 유사한 조건(가열온도 및 가열구간)으로 충분한 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 상기 합성형단면이 도6a에 도시된 바와 같이 I형 강판형교로 한정한 예를 제시하고 있지만, 이에 국한하는 것은 아니고, 도6b 내지 도 6e에 도시된 바와 같이 강박스교, U-형 강박스교, 제형 강박스교, 제형 U-타입 강박스교등의 합성형단면에 적용할 수 있음은 주지의 사실이다. 그리고, 이러한 합성형 단면들은 실제 교량에서 여러개가 병렬로 배치되어 교량의 단면을 구성할 수 있으며, 이러한 형식에서도 동일한 방법으로 적용될 수 있다. 상기 도6a 내지 도6e에 도시된 각각의 합성형 단면은 필요에 따라 도7a 내지 도7d에 도시된 바와 같은 온도구배를 가질 수 있다.

한편, 상기 강재보의 합성전·후의 온도구배를 부여하기 위한 본 발명의 연속 강합성형교의 온도응력 발생장치는 도8 및 도9에 도시된 바와 같다.

도8은 파이프라인을 통해 온수를 순환시켜 강재보에 온도구배를 부여하는 장치를 나타낸 것으로, 도면에 도시된 바와 같이 상기 강재보(2)에 부착 설치되어 상기 콘크리트 바닥판(1)과의 합성전부터 합성될 때까지 온도구배를 부여하도록 온수를 제공하는 온수순환파이프(11)와, 상기 강재보(2)에 장착되며 온수순환파이프(11)로부터 제공되는 열원의 온도가 설정된 온도구배가 되도록 조절하는 온도조절센서(12)와, 상기 온도조절센서(12)의 신호를 인가받을 수 있도륵 연결되어 있으며 상기 콘크리트 바닥판(1)과 강재보(2)의 합성전부터 합성될 때까지상기 강재보(2)가 소정 온도구배를 유지하도록 제어하는 콘트롤러(13)로 구성된다.

여기서, 상기 온수순환파이프(11)는 강재보(2)의 하부측 플랜지와 복부판중 적어도 한 부위를 가열점으로 하여 간격을 조밀하게 배치하고, 상부측으로 갈수록 간격이 벌어지도록 배치한다. 또한, 필요에 따라 상기 온수순환파이프(11)에서 강재보(2)에 제공되는 온도가 외부 대기온도로부터 영향을 받지 않도록 상기 강재보(2)의 둘레에 보온단열재(14)를 설치할 수 있다.

또한, 외측거더와 내측거더가 동일한 온도하에 있지 않으면 거동이 달라지기 때문에, 날씨환경에 따라 차양막(15)의 상단부를 교량의 외측 거더나, 바닥판 상부 양측에 걸쳐지도록 설치하여 바닥면을 향하여 펼쳐지도록 하여 태양복사열에 의해 외측 거더와 내측 거더가 다른 온도분포를 갖지 않도록 한다. 여기서, 본 실시예의 차양막은 그의 상단부가 콘크리트 바닥판의 양측부에 걸쳐지도록 한 예를 보여주고 있으며, 또 상기 차양막은 햇빛이 없거나, 상기 바닥판이 캔틸레버(cantilever)보다 길어 햇빛을 가릴 경우에는 설치할 필요가 없다.

도9는 강판형교에 차양막을 설치하고 가열원으로 전열판(17)을 사용한 예를 보여주고 있으며, 상기 전열판(17)을 제외한 나머지 구성은 도8에 도시된 구성과 동일하다.

상기와 같은 가열장치를 이용하여 강재보에 온도구배를 부여함으로써 부모멘트 지점부의 콘크리트 바닥판에 압축응력을 도입하기 위한 연속강합성형교의 시공방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 소정 경간으로 연속되게 강재보(2)를 설치하고, 또 상기 강재보(2)의전장에 걸쳐 상기 콘크리트 바닥판(1)과 합성시키기 위한 전단연결재를 설치한다.

그리고, 상기 연속하는 강재보(2)에 파이프라인(11) 또는 전열판(17)을 필요한 온도구배 형태에 따라 설치한 후 열원을 제공하되, 도3에 도시된 예시와 같이 필요한 온도분포를 가지도록 온도조절센서(12)를 이용하여 열원온도를 조절하면서 상기 강재보(2)에 온도구배를 부여한다. 여기서, 상기 강재보(2)에 설치되는 온수순환파이프(11) 또는 전열판(17)의 위치에 따라 도7a 내지 도7d에 도시된 바와 같은 형태의 온도구배를 얻을 수 있다. 즉, 도76에 도시된 온도구배는 강재보(2)의 하부플랜지에 온도순환파이프(11) 또는 전열판(17)을 조밀하게 배치하여 얻을 수 있으며, 도7b에 도시된 온도구배는 강재보(2)의 하부플랜지에서 상부측으로 갈수록 점점 넓은 간격으로 배열하므로서 얻을 수 있다. 마찬가지로 상기 도7c 및 도7d에 도시된 온도구배 또한 강재보(2)에 배치되는 온도순환파이프(11) 또는 전열판(17)의 간격을 조절하여 얻을 수 있다.

그리고, 상기 온도구배는 소요되는 온도응력에 따라 강재보(2)의 하부와 상부의 온도차가 10℃ ∼ 100℃정도가 되도록 열원을 제공하며, 이때 현장의 자연대기 상태를 고려하여 열원온도를 결정한다. 예를들어 강재보(2) 상단의 온도가 20℃일 경우에 온도구배를 50℃로 설정하였다면, 강재보 하단의 온도는 70℃가 되는 것이며, 바닥판 콘크리트 타설후 양생기간동안에도 강재보(2) 상단부의 온도변화에 따라 하단부의 온도가 적절히 변화되도록 온도조절센서(12) 및 콘트롤러(13)를 이용하여 온도구배를 유지한다.

상기와 같이 연속한 강재보상에 상하편차를 가지는 온도구배를 부여한 후에콘크리트 바닥판을 타설하여 양생하면, 전단연결재에 의해 강재보와 콘크리트 바닥판이 합성된다.

여기서, 상기 강재보에 상,하 온도편차를 가지는 온도구배를 부여함에 따라 두 지점부 사이의 바닥판은 소정 크기의 처짐(δ)이 발생하고, 콘크리트 바닥판의 타설 및 양생과정을 거쳐 콘크리트 바닥판이 합성되고 난 후에 상기 강재보에 인위적으로 제공하였던 열원을 제거하면, 바닥판에는 압축응력이 발생하게 된다. 이에 따라 합성단면에서 온도구배가 역으로 형성되는 효과가 나타나고, 합성된 강재보 상단부와 콘크리트 바닥판에 발생되는 압축응력은 부모멘트 지점부에 발생하는 콘크리트 바닥판의 인장응력을 상쇄시킬 수 있게 된다.

여기서, 상기 강재보와 콘크리트 바닥판 합성후의 열원제거시기는 상기 콘크리트 바닥판의 타설후 양생하되, 소요되는 콘크리트 강도가 발현되는 시점으로 정하여 행한다. 통상 콘크리트가 타설후 5일정도 양생을 하면 설계강도의 80%이상을 발현하므로, 이때를 기준으로 열원의 제거시기를 결정하도록 한다.

상기와 같이 시공을 완료함으로써 연속 강합성형교의 부모멘트 지점부의 콘크리트 바닥판을 압축응력하(또는 허용인장응력 이내)로 유지하게 함으로써 콘크리트 바닥판에 균열이 발생하는 것을 방지하게 되는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 강합성형 연속교에 강재보와 콘크리트 바닥판을 합성하기 전에, 강재보에 인위적인 온도구배를 부여하였다가 합성후에 제거하여 콘크리트 바닥판에 압축응력이 도입되도륵 함으로써, 상기 내부지점부 콘크리트 바닥판에 작용하는 추가 사하중 및 활하중등에 의한 인장응력을 허용인장 응력 이내 또는 압축응력상태로 상쇄시켜 균열발생을 방지하며, 상기 부모멘트부 강재보의 하부플랜지는 온도응력에 의해 인장응력을 발생시켜 작용하중에 의한 압축하중을 상쇄시킴으로써 강형단면을 감소할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 부모멘트 지점부의 콘크리트 바닥판의 인장응력이 인위적인 온도구배의 유도 및 제거에 따른 압축응력으로 상쇄됨으로써 상기 지점부에 추가적인 교축방향 보강철근을 배근할 필요없이 일반적인 배력근만 설치하면 되므로 배근철근량을 감소시키고, 그 작업공정을 단순화시키는 효과가 있다.

Claims (13)

1. 소정 경간마다 연속된 강재보를 설치하는 제1 단계;

   상기 연속하는 강재보 하부에서 소정구간만큼 소정 온도의 열원을 가하여 열전달에 의해 강재보의 상부와 하부에 걸쳐 인위적인 온도구배가 형성되도록 하는 제2 단계;

   상기 제2 단계에서 제공된 열원에 의해 온도구배를 가지는 연속한 상기 강재보 상에 바닥판 콘크리트을 타설·양생하여 합성하는 제3 단계; 및

   상기 제3 단계 수행후 상기 강재보에 형성된 인위적 온도구배를 제거함으로써 상기 합성된 강재보 상단부 및 콘크리트 바닥판에 동시에 발생되는 압축응력으로 추가 사하중 및 활하중에 의해 콘크리트 바닥판에 발생하는 인장응력을 상쇄시키는 제4 단계를 포함하는 연속 강합성형교의 시공방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   제1 단계에서의 강재보 단면이

   강판형교, 강박스교, U-형 강박스교, 제형 강박스교, 제형 U-타입 강박스교중 어느 하나의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 연속 강합성형교의 시공방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 단계는

   상기 강재보의 하단부에 설정온도를 유지시키고, 상단부로 갈수록 상기 설정 온도보다 작은 온도로 분포되도록 하여 소정크기의 온도구배를 형성하는 연속강합성형교의 시공방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 강재보의 상단부 온도는 자연대기상태하의 강재보의 온도인 것을 특징으로 하는 연속 강합성형교의 시공방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제2 단계에서 강재보에 형성되는 온도구배는 10℃ ∼ 100℃중 어느 한 온도인 것을 특징으로 하는 연속 강합성형교의 시공방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제4 단계에서 열원제거 시기는 상기 콘크리트 바닥판의 타설후 소요되는 콘크리트 강도가 발현되는 시점으로 정한 것을 특징으로 하는 연속 강합성형교의 시공방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 콘크리트 바닥판의 타설후 소요되는 콘크리트 강도가 발현되는 시점은 콘크리트 설계강도가 70%이상 발현되는 시점인 것을 특징으로 하는 연속 강합성형교의 시공방법.
8. 연속 강합성형교의 강재보에 온도응력을 발생시키는 장치에 있어서,

   상기 강재보의 하부에서 상부측으로 설치되며, 상기 강재보와 콘크리트 바닥판의 합성전부터 합성될 때까지 인위적인 온도구배를 부여하도륵 열원을 제공하는 수단,

   상기 강재보에 장착되며, 상기 열원제공수단으로부터 설정된 온도구배가 유지되도록 제공되는 열원에 의해 변화되는 온도를 감지하여 출력하는 온도감지수단; 및

   상기 온도감지수단의 신호를 인가받도록 연결되어 있으며, 상기 콘크리트 바닥판과 강재보의 합성전부터 합성될 때까지 상기 강재보의 소정 인위적 온도구배를 유지하도록 제어하는 콘트롤러를 포함하는 연속 강합성형교의 온도응력 발생장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 열원제공수단이

   온수순환파이프로 이루어지되 그의 가열점이 강재보의 하부플랜지 및 복부판중 적어도 한 곳에 설치되며,

   상기 온수순환파이프는 작용하중에 의해 부모멘트가 발생하는 내부지점부 근처의 강재보의 하부측에 조밀한 간격으로 배치하고, 상부측으로 갈수록 간격이 벌어지도륵 배치한 것을 특징으로 하는 연속 강합성형교의 온도응력 발생장치.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 열원제공수단이

    전열판으로 이루어지되, 그의 가열점이 강재보의 하부플랜지 및 복부판중 적어도 한 곳에 설치되며,

    상기 전열판은 작용하중에 의해 부모멘트가 발생하는 내부지점부 근처의 강재보의 하부측에 조밀한 간격으로 배치하고, 상부측으로 갈수록 간격이 벌어지도록 배치한 것을 특징으로 하는 연속 강합성형교의 온도응력 발생장치.
11. 제 8 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 열원제공수단에서 강재보에 제공되는 온도가 외부환경에 영향을 받지 않도록 상기 강재보의 둘레에 설치된 보온단열재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 강합성형교의 온도응력발생장치.
12. 제 8 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,

    교량의 외측 거더와, 콘크리트 바닥판의 상부중 어느 한곳에 그 일단부가 장착되며 타단부는 바닥을 향하여 펼쳐지도록 하여 상기 강재보의 내,외측 거더가 태양복사열에 의해 다른 온도분포를 갖지 않도록 차양하는 차양막을 더 포함하는 연속 강합성형교의 온도응력발생장치.
13. 콘크리트 바닥판과 상기 콘크리트 바닥판의 하부를 소정 경간마다 연속시켜 지지하는 강재보를 합성하여 이루어진 연속 강합성형교에 있어서,

    상기 콘크리트 바닥판과 강재보의 합성전에, 상기 강재보 하부에서 소정구간 만큼 소정 온도의 열원을 가하여 열전달에 의해 강재보의 상부와 하부에 걸쳐 인위적으로 한시적인 온도구배를 부여하고, 콘크리트 바닥판을 타설 및 양생하는 과정을 거쳐 합성한 후에 열원을 제거하여 상기 온도구배에 의해 발생된 콘크리트 바닥판의 압축응력으로 부모멘트 지점부의 콘크리트 바닥판에 발생하는 인장응력을 상쇄시켜 형성된 것을 특징으로 하는 연속 강합성형교.