KR100379152B1 - 콘크리트 충전강관을 이용한 복합프리스트레스 합성빔의 제조방법 및 그 제조방법에 따라 제조된 합성빔 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합프리스트레스 합성빔의 제조방법에 관한 것으로, I형강빔의 하부플랜지를 관으로 형성시키는 단계; 형강빔의 최대휨응력이 탄성한계응력(σ_p) 이하인 값이 되도록 결정된 1차프리플렉션 하중(P₂)을 작용시킨 상태에서 잔류응력에 의한 잔류변형을 유발시킨 후 하중을 제거하는 단계; 상기 하부플랜지의 관 내부에 텐던을 삽입한 쉬스파이프를 설치하는 단계; 상기 I형강빔을 양끝에서 받쳐놓고서 상부의 소정위치에 상기 1차 프리플렉션 하중과 동일한 2차 프리플렉션 하중(P₂)을 가한 상태에서 상기 하부플랜지의 관에 유동성 콘크리트를 압입하여 타설, 양생하는 단계; 상기 2차 프리플렉션 하중을 제거하는 단계; 및 상기 쉬스파이프 내에 삽입된 텐던을 양쪽에서 잡아당겨 형강빔의 양쪽 끝에 고정설치되는 앵커에 고정시켜 상기 2차프리플렉션(P₂)과 합해져 형강빔의 휨모멘트가 설계최대휨모멘트보다 10 ~ 20% 정도 커지도록 하는 3차프리플렉션하중(P₃)을 가하는 단계;를 포함하여 이루어지는 콘크리트 충전강관을 이용한 복합프리스트레스 합성빔의 제조방법을 나타낸다.

Description

콘크리트 충전강관을 이용한 복합프리스트레스 합성빔의 제조방법 및 그 제조방법에 따라 제조된 합성빔{Method for Making Prestressed Composite Beam Using Concrete-filled Steel Tube, Prestressed Composite Beam Using the Method}

본 발명은 교량을 건설하는 데 사용되는 빔에 관한 것으로, 특히 콘크리트 충전강관을 이용한 복합 프리스트레스(prestress) 합성빔에 관한 것이다. 또 본 발명은 상기 합성빔을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 강교는 재료의 강도가 높고 탄성계수가 높은 재료로서 비교적 경간이 긴 교량에 널리 사용되고 있다. 그런데 교량의 건설에 있어서 빔의 처짐 제한을 규정한 처짐기준을 만족시켜야 하므로, 이를 위하여는 빔의 높이를 크게 하여 강성을 증대시키게 된다. 따라서, 판형빔의 설계내용에서 주부재나 부속재 및 보강재가 복잡하게 배치되고, 이차부재도 다양하게 배치돼야 하므로 사용강재가 증가하는 결과를 초래하게 된다. 따라서 이런 결점을 보완하기 위하여 고장력강재와 콘크리트의 합성구조로 함으로써 빔의 높이를 증가시키지 않고도 큰 강성을 갖는 합성빔을 제조하는 기술이 개발되어 왔다.

이러한 합성빔을 제조하기 위해서는 흔히 다음과 같은 제조과정을 거치게 되는데, 먼저 도 1a에 도시된 것과 같이, 전체가 한쪽으로 만곡되어 소정의 컴버(δ₀)를 갖도록 압연 또는 용접에 의해 제작된 I형강빔(11)의 빔이 단순 지지된 상태에서, 도 1b에 도시된 것과 같이, 양단에서 전체길이(ℓ)의 거의 1/4정도 떨어진 2지점에 탄성한계내의 제1차 프리플렉션(preflection) 하중(P₁)을 설계최대 휨모멘트보다 약간 큰 휨모멘트가 부여되도록, 예컨대 약 60분간에 걸쳐 소정의 캠버(δ₁)를 갖도록 가한 다음 제거하면, I형강빔(11)은 제조시에 생성된 내부잔류응력으로 인한 영구변형으로 도 1c에 도시된 바와같이 최초의 캠버(δ₀)보다 다소 작은 캠버(δ₂)를 갖는 상태로 탄성복귀하게 된다.

이어서 도 1d에 도시된 것과 같이, 상기 제1차 프리플렉션(P₁)을 가했을 때와 같은 크기의 제2차 프리플렉션하중(P₂)을 상기와 같은 위치에 가한 상태에서, 도 1e에 도시된 것과 같이, I형강빔(11)의 한쪽 플랜지(13)에 콘크리트(15)를 타설하여 양생한 다음 상기 제2차 프리플렉션하중(P₂)을 제거하면, I형강빔(11)은 탄성복귀되면서 상기 콘크리트(15)에 프리스트레스가 부여되어, 도 1f에 도시된 것과 같은 소정의 캠버(δ_f)를 가진 형상의 프리스트레스합성빔이 만들어지게 된다.

그런데 상기 제1차 및 제2차 프리플렉션 하중(P₁, P₂)에 의한 I형강빔의 휨모멘트(M)가 설계최대휨모멘트값보다 10 ~ 20% 큰값이 I형강빔에 작용하여도 I형강빔에 작용하는 휨응력이 탄성한계 응력(σ_p)이하가 되는 I형강단면이 되어야 하므로 설계최대 휨모멘트값보다 10 ~ 20% 큰 저항모멘트를 갖는 I형 단면이 되는 것이다. 이럴 경우 I형 단면은 플랜지가 커지게 되고 결국에는 강재소요량이 많아지는 비경제적인 결점이 있어 왔다. 이러한 비경제성을 어느 정도 개선하기 위하여 기존 프리플렉스 빔의 설계시방서에서는 활하중의 경우에는 어느 정도는 인장플랜지에 인장응력을 허용하여 I형강의 단면을 어느정도 축소시켰다.

이렇게 함으로써 인장부 플랜지의 균열이 발생하여 합성단면의 안정성에 부정적인 영향을 초래하였다.

경제성을 위하여 I형강빔의 인장플랜지의 콘크리트 타설부위의 소요강재량을 줄이는 반면 콘크리트의 단면적을 증대시킴으로써 강재량의 절감으로 제조비용이 절감될 뿐만 아니라 역학적 특성이 뛰어난 복합프리스트레스 합성빔의 제조방법이 개발되어 왔다.

그 대표적인 구조는 프리플렉스 합성빔이라 할 수 있는데, 이를 더욱 보강한 것이 복합 프리스트레스 합성빔이다. 일반적으로 복합 프리스트레스 합성빔이란 프리플렉스 합성빔에 Tendon에 의한 프리스트레스를 복합적으로 사용하여 구조상의 효율을 증대시키고 경제적이고 안정성 높은 합성빔이다.

이러한 합성빔의 특성이나 제조방법에 대해서는 특허공고 제95-1975호의 복합 프리스트레스 합성빔의 제조방법에 잘 나타나 있다.

즉, 하부클랜지쪽에 길이방향으로 보강부재가 설치되어 최소한의 유효단면적을 갖도록 형상화된 형강빔의 양쪽끝이 단순지지된 상태에서, 탄성한계응력 이하의 휨응력을 받도록 제1차프리플렉션 하중을 가하여 내부잔류응력을 영구변형으로 유도한 다음, 상기 제1차프리플렉션 하중과 같은 지점에 같은 크기의 제2차프리플렉션 하중을 가한 상태에서, 상기 보강부재에 의해 형성된 수용공간에 텐던(tendon)을 넣고, 하부플랜지에 콘크리트를 타설하여 양생시킨 후에, 상기 텐던을 양쪽에서 반대방향으로 잡아 당김으로써, 제3차프리플렉션 하중을 형강빔에 직접 가하되, 이제3차프리플렉션 하중과 상기 제2차프리플렉션 하중에 의한 형강빔의 휨모멘트가 설계최대휨모멘트보다 10 ~ 20% 정도 크도록 가하여 합성빔을 제조하게 되어 있다.

본 발명은, 상기와 같은 종래의 복합 프리스트레스 합성빔 제조방법을 활용하면서도 더욱 개선한 방법으로서, 시공의 간편성과 경제성 및 빔의 단순성 등과 유지관리의 편의성 등의 장점을 고려하여 빔의 인장플랜지를 사각형관이나 원형관으로 하여 강관에 콘크리트를 압입하여 양생한후, 합성구조로 작용토록 함으로서 외적으로는 강교이면서 합성작용토록 한 복합 프리스트레스 합성빔의 제조방법 및 그 제조방법에 따라 제조된 합성빔을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일정 캠버를 갖도록 위쪽으로 만곡된 I형강빔의 내부잔류응력을 제거하고 나서 윗쪽에서 하중을 가한 상태에서 하부플랜지 주위에 콘크리트를 타설하여 양생함으로써 프리스트레스 합성빔을 제조하는 방법에 있어서,

상기 I형강빔의 하부플랜지를 관으로 형성시키는 단계;

형강빔의 최대휨응력이 탄성한계응력(σ_p) 이하인 값이 되도록 결정된 1차프리플렉션 하중(P₂)을 작용시킨 상태에서 잔류응력에 의한 잔류변형을 유발시킨 후 하중을 제거하는 단계;

상기 하부플랜지의 관 내부에 텐던을 삽입한 쉬스파이프를 설치하는 단계;

상기 I형강빔을 양끝에서 받쳐놓고서 상부의 소정위치에 상기 1차 프리플렉션 하중과 동일한 2차 프리플렉션 하중(P₂)을 가한 상태에서 상기 하부플랜지의 관에 유동성 콘크리트를 압입하여 타설, 양생하는 단계;

상기 2차 프리플렉션 하중을 제거하는 단계;

상기 쉬스파이프 내에 삽입된 텐던을 양쪽에서 잡아당겨 형강빔의 양쪽 끝에 고정설치되는 앵커에 고정시켜 상기 2차프리플렉션(P₂)과 합해진 형강빔의 저항 휨모멘트갑이 설계최대 휨모멘트보다 10 ~ 20% 정도 커지도록 하는 3차프리플렉션하중(P₃)을 가하는 단계;를 포함하여 이루어지는 콘크리트 충전강관을 이용한 복합프리스트레스 합성빔의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 콘크리트 충전강관을 이용한 복합프리스트레스 합성빔의 제조방법이다.

또 본 발명의 다른 실시예는 상기 제조방법에 따라 제조된 콘크리트 충전강관을 이용한 복합프리스트레스 합성빔이다.

이러한 콘크리트 충전강관을 이용한 복합프리스트레스 합성빔을 이용함으로서, 콘크리트가 외부로 노출되지 않아 표면손상을 원천방지하고 콘크리트의 강도를 증가시키는 역학적인 장점을 최대로 활용할 수 있게 된다. 또한 철근이나 배력근 등의 보강재를 현저히 절감할 수 있고, 제작에 있어서도 거푸집이 필요없는 등 시공의 간편성도 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f는 종래의 합성빔을 제조하는 공정을 개략적으로 나타낸 도면,

도 2a, 2b는 본 발명의 실시예를 나타내는 개념적인 정면도 및 측면도

도 3a, 3b는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 개념적인 정면도 및 측면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명*

20 : I형강빔 21 : 하부 플랜지

22 : 관 23 : 수직보강재

24 : 격벽 25 : 쉬스파이프

26 : 유입구 27 : 보강재

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도2a, 도2b는 본 발명의 하나의 실시예를 나타내는 개념적인 정면도 및 측면도이다. I형강빔(20)의 하부 플랜지(21)에 사각형 단면의 관(22)이 형성되어 있고, I형강빔의 단부 수직보강재(23) 하부의 상기 사각단면 관(22)에 격벽(24)이 형성되어 있으며, 이 격벽(24)에는 텐던(도시하지 않음)을 설치할 쉬스파이프(sheath pipe, 25)를 유입시키고, 또한 상기 관(22) 내부로 콘크리트를 유입시키는 유입구(26)가 형성되어 있다. 상기 사각단면 관(22)은 각종 보강재(27)로 보강될 수도 있다.

이러한 빔은 압연 또는 용접에 의해 소정의 캠버를 갖도록 위로 만곡지게 형성되며, 내부응력을 제거하여 영구변형으로 유도하기 위해 1차 프리플렉스 하중(P1)을 가하였다가 제거한다. 그 후 상기 관(22) 내에 텐던을 삽입한 쉬스파이프(25)를 설치하며, 2차 프리플렉스 하중(P2)을 가한 상태에서 상기 사각단면 관(22) 내부로 유동성이 양호한 콘크리트를 채워넣는다. 콘크리트가 양생된 후 상기 2차 프리플렉스 하중을 제거하고, 상기 쉬스파이프(25)에 삽입되어 있는 텐던을 소정의 하중으로 양단에서 잡아당겨 제3차 프리플렉션 하중을 가하면서 고정시키는 공정을 거치게 된다. 이때 제3차 프리플렉션 하중은, 제2차프리플렉션하중(P₂)에 의한 휨모멘트와 제3차프리플렉션하중(P₃)의 합모멘트가, 요구되는 설계최대휨모멘트보다 10 ~ 20% 이상인 저항모멘트값이 되도록 제3차프리플렉션하중(P₃)의 크기를 설정하게 된다.

한편 상기 1,2차프리플렉션하중을 가하는 방법으로서, 크기가 다른 하중을 소정부위에 순차적으로 각각 가하거나 동시에 가하여 형강빔의 내부잔류응력을 영구변형으로 유도하여도 된다.

도3a, 3b는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 개념적인 정면도 및 측면도이다. I형강빔(30)의 하부 플랜지 부분에 원형 단면의 관(32)이 형성되어 있고, I형강빔의 단부 수직보강재(33) 하부의 상기 원형단면 관(32)에 격벽(34)이 형성되어 있으며, 이 격벽(34)에는 텐던(도시하지 않음)을 설치할 쉬스파이프(35)를 유입시키고, 또한 상기 관(32) 내부로 콘크리트를 유입시키는 유입구(36)가 형성되어 있다. 상기 원형단면 관(32)은 각종 보강재(37)로 보강될 수도 있다. I형강빔(30)의 저면인 상기 원형단면 관(32)의 하부에는 설치할 때 필요한 편평한 바닥 플랜지(38)가 부착되어 있다.

이러한 원형단면의 하부 관(32)이 형성된 빔도 사각단면 관과 같은 공정을 거쳐서 완성하게 된다.

여기서 1차, 2차는 물론 3차 프리플렉션 하중을 가하는 단계마다 I형강빔의 플랜지의 휨응력과 인장부의 콘크리트의 휨응력도 모두 허용응력이내가 되도록 단면이 설계돼야 하고 콘크리트의 변형율도 탄성변형율 이하가 되도록 하여야 한다.

이 압축응력에 의하여 인장부 콘크리트의 파손을 방지하기 위하여 철근으로 보강하고 있으나 콘크리트는 압축응력에 의한 파괴보다는 전단응력에 의한 파손이 문제가 된다. 따라서 압축플랜지를 사각형 및 원형관으로 대체하고 관내부에 콘크리트로 충전하는 콘크리트 충전관으로 대체할 경우 휨압축응력방향에 직각방향으로 포아송(poisson)비 영향만큼 변형하게 된다. 이 변형을 강관이 구속시킴으로써 3축 응력상태가 되어 전단응력이 획기적으로 감소하여 관내부의 콘크리트의 강도를 증가시키는 작용을 하게 되어 인장부의 콘크리트의 파손을 원천적으로 방지하고, 콘크리트 표면의 노화를 방지할 수 있다.

충전강관의 구속효과는 원형관이 사각형관보다 우수하고 설계제작상 편의성을 고려할 때 사각형관이 편리하다. 따라서 인장플랜지를 원형 및 사각형강관으로 대체함으로써 빔의 높이를 같게 하더라도 복부판의 높이를 작게 할 수 있으며, 복부판의 두께도 아울러 얇게 할 수 있고 인장플랜지 강관의 두께도 필요이상으로 두껍게 할 필요가 없다. 인장플랜지 콘크리트 보강용 주철조 및 배철조, 보강철조 등이 전혀 불필요하고 현장에서 2차 프리플렉션상태에서 압입충전법으로 주입하여 충전효과를 양호하게 할 수 있다. 콘크리트 주입부는 빔의 단부 보강재 부위에 관내부에 격판을 설치하고 압입주입용 유입구를 설치하며 관의 다른 끝부분 격판에는작은 배기용 홀을 설치한다.

이러한 콘크리트 충전강관을 이용한 복합프리스트레스 합성빔을 이용함으로서, 콘크리트가 외부로 노출되지 않아 표면손상을 원천방지하고 콘크리트의 강도를 증가시키는 역학적인 장점을 최대로 활용할 수 있게 된다. 또한 철근이나 배력근 등의 보강재를 현저히 절감할 수 있고, 제작에 있어서도 거푸집이 필요없는 등 시공의 간편성도 확보할 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 일정 캠버를 갖도록 위쪽으로 만곡된 I형강빔의 내부잔류응력을 제거하고 나서 윗쪽에서 하중을 가한 상태에서 하부플랜지 주위에 콘크리트를 타설하여 양생함으로써 프리스트레스 합성빔을 제조하는 방법에 있어서,

   상기 I형강빔의 하부플랜지를 관으로 형성시키는 단계;

   형강빔의 최대휨응력이 탄성한계응력(σ_p) 이하인 값이 되도록 결정된 1차프리플렉션 하중(P₂)을 작용시킨 상태에서 잔류응력에 의한 잔류변형을 유발시킨 후 하중을 제거하는 단계;

   상기 하부플랜지의 관 내부에 텐던을 삽입한 쉬스파이프를 설치하는 단계;

   상기 I형강빔을 양끝에서 받쳐놓고서 상부의 소정위치에 상기 1차 프리플렉션 하중과 동일한 2차 프리플렉션 하중(P₂)을 가한 상태에서 상기 하부플랜지의 관에 유동성 콘크리트를 압입하여 타설, 양생하는 단계;

   상기 2차 프리플렉션 하중을 제거하는 단계; 및

   상기 쉬스파이프 내에 삽입된 텐던을 양쪽에서 잡아당겨 형강빔의 양쪽 끝에 고정설치되는 앵커에 고정시켜 상기 2차프리플렉션(P₂)과 합해져 형강빔의 휨모멘트가 설계최대휨모멘트보다 10 ~ 20% 정도 커지도록 하는 3차프리플렉션하중(P₃)을 가하는 단계;를 포함하여 이루어지는 콘크리트 충전강관을 이용한 복합프리스트레스합성빔의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 하부플랜지의 관은 사각형관 또는 원형관인 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관을 이용한 복합프리스트레스 합성빔의 제조방법.
3. 삭제
4. 제1항에 따른 방법으로 제조된 콘크리트 충전강관을 이용한 복합프리스트레스 합성빔.