KR100406931B1 - 교각의 내진 보강구조 및 그 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교각이 지진과 같은 급격한 대변위에 견디도록 설계되는 교각의 내진 보강구조에 관한 것으로, 특히 교각의 하부 외주에 고성능 팽창재를 충진시켜 구속링에 케미컬 프리스트레스(Chemical prestress)를 도입하고 기저부를 보강한 교각의 내진 보강구조 및 그 시공방법에 관한 것이다.

이같은 본 발명은, 교각(3)의 하부 외면에 지지판(1)을 부착하고, 그 외부에는 강판과 섬유강화플라스틱 소재 중에서 선택되는 구속링(4)을 지지판(1)과 이격된 상태로 설치하되 지지판(1)과 구속링(4) 사이에 그 하단이 풋(2)에 고정되도록 철근보강재(5 및 10)을 배설하는 한편, 상기 구속링(4)의 하부에는 다수개의 앵커볼트(9)를 사용하여 교각 아래의 풋(2)에 지지되는 L형판(8)을 설치한 다음, 상기 지지판(1)과 구속링(4) 사이에 팽창콘크리트(7)를 타설하여 줌으로서 교각 하부에 프리스트레스가 가하여 지도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

교각의 내진 보강구조 및 그 시공방법 {Earthquake-resistant forced constitution of bridge pier}

본 발명은 교량의 기둥이 되는 교각이 지진과 같은 급격한 대변위가 발생하더라도 교각이 지지되도록 할 수 있는 교각의 내진 보강구조에 관한 것으로, 특히 교각의 하부 외주에 고성능의 팽창콘크리트를 충진시켜 구속링에 케미컬 프리스트레스(Chemical prestress)를 도입하고 기저부를 보강한 교각의 내진 보강구조 및 그 시공방법에 관한 것이다.

일반적으로 지진과 같이 일시에 큰 하중이 작용하여 대변위가 발생하게 되면대형의 구축물들은 이러한 변위가 팽창 확대되므로 큰 손상을 받게 되며 심지어 전복 파괴되는 경우까지도 발생될 수 있다. 따라서 기존의 대형 교량에는 교각과 상판 간에 설치되는 내진용 교좌장치나 상판의 낙교방지장치 등을 설치하고 있다.

그러나, 지면에 직립되는 교각에 있어서는 정적 설계하중에 예상 추가하중을 받아줄 수 있도록 내진 설계하는 정도에 그치고 있는 것인데, 특허공개공보 제99-78977호 내지 제99-78979호에서는 그 대표적인 구조의 내진 보강기구가 개시되어 있다. 하지만 이들은 목조건물에 적용되는 내진용 금구에 불과하여 콘크리트 교각에는 적용할 수 없는 문제점을 가지고 있다.

콘크리트 교각에 적용되는 내진 보강장치는 실용신안등록 제0205092호에 개시되어 있다. 이 장치는 상판을 적의 지지하도록 지면에 직립되어 설치되는 교각의 하단 외주에 부착되는 박판상의 지지판과, 상기 지지판의 상단부에 다수 부착되는 브래킷에 삽입되어 상기 교각에 형성되는 풋에 형성한 소정 깊이의 요홈에 삽입되는 다수의 보강철근, 상기 교각의 외주에 설치된 상기 보강철근들은 그 안에 수용되도록 등거리 이격되어 상기 풋의 위에 상기 보강철근의 높이와 일치되게 설치되는 외피, 상기 외피의 내부에 타설되어 양생되는 콘크리트로 이루어진 것이다.

그러나 위와같은 선행기술에서는 지지판과 외피가 교각의 외주에 씌워지고 그 사이에 보강철근과 콘크리트가 채워진 것으로서, 지지판과 콘크리트 및 외피가 외기에 따라 수축 및 팽창하기 때문에 지진 발생시에 교각의 하부에 작용하는 약간의 휨저항만을 보강할 뿐 그 인장강도가 약해 균열이 발생하기 쉽다.

즉, 지지판과 외피 사이에는 콘크리트로 채워져 있다. 그러나, 콘크리트의 특성은 건조수축 등으로 인해 그 체적이 수축한다. 이러한 콘크리트의 자체 특성에 의해 지지판과 외피 사이에는 어느정도 틈이 생기게 되어 구조물 자체의 완벽한 일체화를 도모하기는 어려울 것으로 판단된다.

또한 기존의 풋과의 일체성을 확보하기 위하여, 보강철근의 하단을 풋에 일정 깊이로 끼우기는 하였으나, 교량 교각에 지진력과 같은 수평력이 작용할 때에 강성에 비해 가장 큰 하중(모멘트)가 작용하는 곳은 기저부(풋과 교각이 만나는 곳)이며, 이곳이 가장 파괴되기 쉬운 곳이다.

이러한 점을 고려하여 기저부에 대한 충분한 보강이 필요하다. 그러나, 선행 기술에는 기저부의 보강이 충분치 않을 것으로 판단되며, 지진과 같은 수평력이 작용할 때에 외피가 기저부와 쉽게 분리되어 제 기능을 충분히 발휘하지 못할 것으로 판단된다. 이같은 전단력으로는 횡방향으로 작용하는 휨모멘트에 견딜 수 없다. 이는 지진 발생시 지지판과 콘크리트 및 외피(이하 구속링)의 기저부가 풋의 상면과 쉽게 분리될 수 있는 구조를 가지고 있기 때문이다.

본 발명의 목적은, 교각의 하단 외주에 강재 등을 이용하여 전단 보강을 실시하고, 그 외측에 강판 또는 섬유강화플라스틱(FRP)의 구속링을 설치하며, 이들로 인해 형성되는 이격된 공간에 고성능 팽창제를 충진시켜 구속링에 케미컬 프리스트레스(Chemical prestress)를 도입함으로써 내진 보강능력을 현저히 향상시키고자 하는데 있다.

도 1은 본 발명의 팽창콘크리트 타설 전의 부분 절결 사시도.

도 2는 본 발명의 단면구성도.

도 3은 도 2의 A-A선 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1:지지판, 2:풋(Foot), 3:교각, 4: 구속링, 5:보강철근, 7:팽창콘크리트, 8:L형판, 9:앵커볼트, 10:띠철근

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 교각의 하부 외면에 교각을 감싸며 부착되는 지지판과; 이 지지판과 이격된 상태로 그 외부에 설치되는 구속링과; 교각 아래의 풋에 돌출되는 다수개의 앵커볼트에 의해 지지된 체 상기 구속링의 하부에 씌워지는 L형판과; 상기 지지판과 구속링 사이에 위치하며 그 하단이 풋에 박히는 철근보강재; 그리고 상기 지지판과 구속링 사이에 타설되어 횡방향으로 프리스트레스를 가하는 팽창콘크리트; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 구속링은 강판 또는 섬유강화플라스틱을 소재로 하는 성형물로 제작된다.

본발명 교각 내진 보강구조의 시공방법에 따르면, 교량의 상판을 지지하도록 지면에 직립되어 설치되는 교각의 하부 외주면에 박판상의 지지판을 부착시키는 공정과; 상기 교각 아래에 형성되는 풋에 구멍을 뚫고, 이에 다수개의 보강철근을 삽입 고정시키며, 보강철근에는 다시 띠철근을 보강하는 공정과; 풋에 팔각형 모양의 L형판을 앵커볼트를 이용하여 부착하는 공정과; 상기 L형판 안에 구속링을 장착하는 공정과; 상기 구속링의 내부에 고성능 팽창콘크리트를 타설하여 양생하는 공정이 순차적으로 진행된다.

한편 본 발명에 따르면, 상기 L형판 내에 구속링을 설치하기에 앞서, 상기 L형판 내부의 콘크리트 표면을 푸칭에 따른 상면 처리하고, 이에 무수축 몰탈을 충진하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 구성을 첨부된 실시예 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 팽창콘크리트를 타설하기 전에 일부분을 절결해 나타낸 사시도이고, 도 2는 그단면(종단면) 구성을 나타낸 것이며, 도 3은 도 2의 A-A선 단면(횡단면)을 각각 나타낸 것이다.

지지판(1)은 비교적 얇은 강판으로서 풋(2)의 상면에서 교각(3)의 하부 외면에 감싸여져 부착된다. 교각(3)이 사각기둥 모양인 경우에는 지지판(1)이 사각통 모양을 이루며 그 양단부가 용접되고, 교각(3)이 원기둥 모양인 경우에는 지지판(1)도 원통 모양을 이루며 그 양단부가 용접된다.

이 지지판(1)은 기존 교각의 전단 보강, 휨 내력, 변형성능 개선을 위한 것이며, 지지판(1) 높이는 구조 해석을 결과로 결정된다. 지지판(1)의 상부 외주면에는 세로방향의 보강철근(5)을 잡아줄 수 있는 브래킷(미도시)을 설치할 수 있다. 이 경우에 브래킷은 통상적으로 H빔 형태를 취한다.

또한 지지판(1)에 스터트를 용접하여 사용할 수도 있다. 스터트가 부착되면, 기존 교각에 작용되는 전단력 및 휨모멘트가 보강장치에 확실하기 전달되기 때문에 더욱 효과적이다.

지지판(1)은 기존 교각(3)의 주위를 강판으로 감싼 형태로 설치되며, 용접후 수지 또는 무수축모르터르 등을 지지판(1)과 기존 교각(3) 사이를 충진시켜 일체화 시킨다.

그러므로 기존 교각(3) 내의 기초 철근이 손상되지 않아서 기본 설계하중을 손상시키지 않게 된다. 게다가, 다수의 보강철근(5)이 상기 지지판(1)의 상부에 다수 부착되는 브래킷에 삽입(고정)되면서 풋(2)의 구멍에 지지되는 것이므로 보강부의 뼈대를 이루는 보강철근(5)은 풋(2)에 심어져서 큰 지지력을 부여하게 된다.

풋(2)은 교각(3)의 하부에서 연약지반 등에 의해 교각(3)이 침하하지 않도록 설치되는 것이므로 어떠한 형상의 구조체라도 관계 없다. 다만 수면에 잠겨 있거나 너무 작아서 상술한 구조체로 취하기 곤란한 경우에는 별도의 구조체를 부설하여 시공할 수 있다.

구속링(4)은 상기 지지판(1)과 일정 간격으로 이격된 상태로 풋(2)의 위에 설치되는 통체를 말하는 것으로 비교적 두꺼운 강판이나 섬유강화플라스틱(FRP)을 그 주요 소재로 사용한다. 이는 팽창콘트리트(7)에 의해 받게 되는 프리스트레스인(Prestrain)에 충분히 견딜 수 있어야 하기 때문이다. 특히 섬유강화플라스틱이 절실히 필요한 곳은 해수(海水)의 영향을 받거나 부식 위험성이 높은 지역이다.

이 구속링(4)은 교각(3)이 단면구조에 상관없이 원통 모양을 이루며 그 양단부가 용접된다. 이것은 원형모양에서만 팽창콘크리트(7)에 의해 구속링(4)에 발생된 케미컬 프리스트레스를 구속링(4)의 전단면이 일정하게 받기 때문이다. 구속링(4)은 내부에 충진(타설)되는 팽창콘크리트(7)에 의해 프리스트레스인을 받게 되므로 구조물에 횡방향(수평방향)으로 프리스트레스를 가하게 되고 이로 인해 내구성을 향상시킨다.

L형판(8)은 구속링(4)의 하부 주위에 감싸는 형태로 씌워지는 L자형 단면으로서 제작할 때에는 예컨대 8개의 L형강을 8각형으로 용접하면 된다. 이 L형판(8)의 소재는 강재를 사용하며, 부식의 위험성이 있는 곳은 수지 또는 모르터르 등을 이용하여 시공 후에 방수처리한다.

앵커볼트(9)는 상기 L형판(8)을 풋(2)에 고정시키기 위해 사용하는 것이다. 앵커볼트(9)는 L형판(8)의 주위에 고르게 박아야 하므로 다수개가 필요하다. 앵커볼트(9)를 풋(2)에 박기 위해서는 풋(2)에 먼저 구멍을 뚫을 필요가 있다. 앵커볼트(9)에 의하여 L형판(8)이 풋(2)에 고정되면 구속링(4)이 견고하게 지지되며 이에 따라 휨에 대해 가장 취약한 기저부의 보강효과를 높이게 된다.

철근보강재는 팽창콘크리트(7)의 타설 전에 지지판(1)과 구속링(4)의 사이에 설치되는 것으로서, 이는 세로방향의 보강철근(5)과 가로방향의 띠철근(10)이 엮어져 있다. 띠철근(10)은 일반적으로 보강철근(5)을 감싸는 형태로 엮어져서 팽창콘크리트(7)의 양생 후에 교각(3)과 일체를 이루며 전단력을 보강하는 보강재 역할을 한다.

보강철근(5)과 띠철근(10)을 연결하는 방식으로는, 이들간에 서로 직교되는 위치를 태그웰딩(tag-welding)하거나 철사로 손쉽게 묶어 고정하는 방식이며, 팽창콘크리트(7)의 타설 후에 견고한 뼈대를 이루게 된다.

팽창콘크리트(7)는 콘크리트에 혼화재로서 고성능의 팽창제를 첨가한 것으로 재령 7일을 기준으로 200×10^-6이상, 700×10^-6∼1000×10^-6이하의 팽창률 범위 내에 있는 것이 적합하다. 이 팽창콘크리트(7)는 지지판(1)과 구속링(4)의 사이에서 철근보강재(5,10)가 매설되도록 타설되고 나서 양생된다.

팽창콘크리트(7)는 구속링(4)에 의해 구속됨으로서 구속링(4)에 케미컬 프리스트레스가 도입되어 교각(3)을 구속하면서 일체화되고 역학적으로 복합효과를 발휘하여 강도와 내구성 및 변형성능을 향상시킨다.다시말해, 콘크리트는 수화반응(水和反應)에 의해 경화(硬化)된다. 일반콘크리트는 수화반응과 양생과정중에 수화수축, 건조수축, 자기수축 등에 의해 수축한다. 이러한 수축은 콘크리트 부재에서 균열의 발생 원인이 되며, 내구성 저하의 중요한 원인이다. 콘크리트의 태생적인 수축을 보완하기 하기 위하여 팽창콘크리트가 개발되었다. 일반콘크리트에서는 수화반응에 의해 생성되는 생성물이 수축하지만, 팽창콘크리트는 수화반응에 의해 부피가 팽창함으로서 경화체가 팽창하는 것이다. 팽창콘크리트는 사용하는 팽창재의 양에 따라 팽창율을 증대시킬 수 있다.팽창콘크리트의 팽창은 콘크리트의 경화 후에도 지속적으로 일어나며, 부피가 팽창하는 현상이기 때문에 모든 방향으로 팽창한다.본원발명에 있어서 지지판과 구속링 사이의 상단이 개방되어 종방향으로만 팽창하는 것으로 생각하기 쉬우나, 부피의 팽창시 모든 방향으로 팽창이 일어나며, 횡방향으로는 구속링의 구속에 의해 팽창은 억제되지만 구속링의 강성에 관계되어 일정량의 팽창이 일어난다. 그러나 팽창량은 구속되지 않은 종방향에 비해서는 작다. 이러한 사실은 많은 연구결과 및 문헌에 의해서 명확히 밝혀진 바 있으며, 본원 발명자들의 실험결과에서도 명확히 나타나고 있다(표 1 참조). 더욱이 횡방향 팽창이 종방향 팽창에 비해 적게 일어나는 것은 구속링의 구속에 의한 것이며, 이 구속력이 구속링에 작용하는 프리스트레스이다. 이러한 프리스트레스은 충진 콘크리트를 구속함으로서 강도, 내구성 및 변형능력을 향상시키는 효과를 발휘한다.(표 1)은 본원 발명자들의 실험결과이며, 구속 링에 2축 변형 스트레인 게이지를 이용하여 타설 1일(경화된 후)을 기준으로 하여 4일간 변형율을 측정한 것이다. (표 1)에서 파선(Y축)으로 나타낸 것이 횡방향의 변형율이며, 실선(X축)으로 나타낸 것이 종방향의 변형율을 나타내고 있다. (표 1)에서 알 수 있듯이 종방향의 변형율 보다는 작지만 횡방향으로 변형율도 명확히 발생한다는 것을 알 수 있다.구속링(4)에 의해 케미컬 프리스트레스가 도입되면, 프리스트레스는 내부의 콘크리트를 구속하여 강도와 내구성 및 변형능력을 향상시킨다. 즉, 콘크리트의 교각은 연직하중과 수평하중을 받으며, 콘크리트 교각의 파괴는 교각내부의 철근의 항복과 콘크리트의 압괴에 의해 콘크리트가 체적이 증가하며, 콘크리트의 체적의 증가에 의해 종방향 주철근이 좌굴이 발생하여 철근의 외측부에 있는 콘크리트의 박락에 의해 파괴가 일어난다. 이때의 나선철근(또는 띠철근)이 내부 철근의 구속효과에 대해서는 많은 연구 결과가 보고되어 있으며, 선진국에서는 이러한 복합효과에 대해 시방서 등에 고려되어 있다. 국내에서도 이에 대한 효과를 시방서에 고려하고자 노력하고 있다.또한 지진과 같은 반복하중에 대해서 저항력이 급격히 저하되는 시점은 철근의 좌굴에 의해 철근 외부 콘크리트의 박락이 시작되는 시점이다. 그러므로 내구성 및 변형능력을 향상시키기 위해서는 철근의 좌굴을 억제하고, 외부 콘크리트의 박락을 억제할 수 있어야 한다.이러한 파괴 메카니즘을 고려하여 보면, 구속링에 의한 프리스트레스의 도입은 교각의 철근 내부 콘크리트 압괴시, 콘크리트의 부피 팽창을 억제하고, 교각 내부의 철근 좌굴을 억제하며, 철근 외부의 콘크리트의 박락을 방지할 수 있다.이상의 효과에 의해 일반콘크리트의 사용에 의한 단면적 확대 효과외에 구속링에 의한 케미컬 프리스트레스의 힘이 기존의 교각을 구속함으로서 교각의 강도와 내구성 및 변형능력을 향상시킨다.

본 발명은 다음과 같은 시공의 절차를 거쳐 시공되는데, 이것은 본 발명의 실시형태를 나타내는 다양한 시공방법 중 하나의 예로서 본 발명의 시공법을 한정하는 것은 결코 아니다.

1. 교량의 상판을 지지하도록 지면에 직립되어 설치되는 교각(3)의 하부 외주면에 박판상의 지지판(1)을 부착시킨다.

2. 상기 지지판(1)의 상부에 다수개의 브래킷(미도시, 고리 모양)을 부착하고 이 브래킷에서 상기 교각(3) 아래에 형성되는 풋(2)에 구멍을 뚫어 여기에 다수개의 보강철근(5)을 삽입시키며 보강철근(5)에는 띠철근(10)을 교차되게 연결 설치하여 보강한다.

3. 풋(2)에 팔각형 모양의 L형판(8)을 앵커볼트(9)를 이용하여 부착한다.

4. L형판(8) 내부의 콘크리트 표면을 푸칭에 따른 상면처리를 하고, 무수축 몰탈을 충진한다.

5. 상기 L형판(8) 안에 구속링(4)을 장착한다. 잭 등을 이용하여 위치를 조정하고 용접하여 정착한다. 용접 후에 용접 부위를 검사한다.

6. 상기 구속링(4)의 내부에 고성능 팽창콘크리트(7)를 타설하여 양생한다.

이와 같은 본 발명은 무엇보다도 기존에 설치된 교각에 손상을 주지않고 시공이 간단하여 공기를 단축할 수 있기 때문에 유효하게 적용할 수 있다. 그리고 교각의 하부에 프리스트레스를 줌으로서 기존에 설치된 교각과 일체화가 강화되며, 기존에 설치된 교각이 구속링의 프리스트레스에 의해 구속되는 등 보강능력을 향상시키기 때문에 지진에 직면하는 교각의 내진 보강구조로서 적합하다.

또한 교각의 하부에서 풋과 접하는 기저부가 L형판과 앵커볼트 등에 의하여 그 접합력이 현저히 강화되기 때문에 지진 발생시에 분리나 휨균열이 쉽게 발생하지 않는다.

위와 같은 구조로 하였을 경우에는 그 강도나 내진 효과는 향상되는 반면 상대적으로 시공이 수월하고 저렴하다는 이점도 있다.

Claims (4)

1. 교각의 하부 외면에 교각을 감싸며 부착되는 지지판과;

   이 지지판과 이격된 상태로 그 외부에 설치되는 구속링과;

   교각 아래의 풋에 돌출되는 다수개의 앵커볼트에 의해 지지된 체 상기 구속링의 하부에 씌워지는 L형판과;

   상기 지지판과 구속링 사이에 위치하며 그 하단이 풋에 박히는 철근보강재; 그리고

   상기 지지판과 구속링 사이에 타설되어 횡방향으로 프리스트레스를 가하는 팽창콘크리트; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 교각의 내진 보강구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 구속링이, 강판 또는 섬유강화플라스틱을 소재로 하는 성형물임을 특징으로 하는 교각의 내진 보강구조.
3. 교량의 상판을 지지하도록 지면에 직립되어 설치되는 교각의 하부 외주면에 박판상의 지지판을 부착시키는 공정과;

   상기 교각 아래에 형성되는 풋에 구멍을 뚫고, 이에 다수개의 보강철근을 삽입 고정시키며, 보강철근에는 다시 띠철근을 보강하는 공정과;

   풋에 팔각형 모양의 L형판을 앵커볼트를 이용하여 부착하는 공정과;

   상기 L형판 안에 구속링을 장착하는 공정과;

   상기 구속링의 내부에 고성능 팽창콘크리트를 타설하여 양생하는 공정; 으로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 교각의 내진 보강구조 시공방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 L형판 내에 구속링을 설치하기에 앞서, 상기 L형판 내부의 콘크리트 표면을 푸칭에 따른 상면 처리하고, 이에 무수축 몰탈을 충진하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 교각의 내진 보강구조 시공방법.