KR100465350B1 - 편심거리가 연장된 피에스씨 합성빔을 이용한 교량시공방법 - Google Patents

편심거리가 연장된 피에스씨 합성빔을 이용한 교량시공방법 Download PDF

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박상현
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Abstract

본 발명은 합성빔의 단면위치에 따라 압축플랜지 쪽으로 빔 단면의 중립축을 편중시켜 인장플랜지의 PSC 긴강재에 의한 휨 모멘트를 효율적으로 증대될 수 있도록, 인장플랜지에 형성된 PSC 긴장재로부터 중립축까지의 편심거리 연장을 위하여 인장플랜지 단면적보다 압축플랜지 단면적을 확장시키고, 상기 연장된 편심거리로 인한 압축플랜지의 증가된 압축응력에 저항하도록 압축플랜지 내부에 압축응력보강재를 형성시킨 PSC 합성빔에 관한 것으로써, 합성빔의 단면을 최적화할 수 있어 장지간의 교량을 경제적으로 시공할 수 있는 PSC 합성빔을 이용한 단경간 또는 다경간 교량시공방법에 관한 것이다.

Description

편심거리가 연장된 피에스씨 합성빔을 이용한 교량시공방법{Bridge construction method using prestressed concrete composite beam with extended distance of eccentricity}
본 발명은 피에스씨 합성빔에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 합성빔의 단면위치에 따라 압축플랜지 쪽으로 빔 단면의 중립축을 편중시켜 인장플랜지의 PSC 긴강재에 의한 휨 모멘트를 효율적으로 증대시킴으로써, 보다 적은 강재량으로 소요의 압축응력이 빔 단면에 도입되도록 함과 더불어, 상기 휨 모멘트에 의하여 빔 단면에 도입되는 압축응력에 대응하는 압축응력보강재를 압축플랜지에 보강시킴으로써 합성빔의 단면을 최적화할 수 있어 장기간의 교량을 경제적으로 시공 가능한 PSC 합성빔을 이용한 단경간 또는 다경간 교량시공방법에 관한 것이다.
본 발명과 관련된 종래의 PSC 빔(10,Prestressed Concrete Beam)은 도 1a와 같이 통상의 I형 단면의 빔 콘크리트(1) 하부에 PSC 긴강재(20)를 U자 형상으로 빔의 복부를 경유하여 단부에 긴장 후 정착시켜, 빔 자중을 포함한 설계하중에 의한 휨 모멘트에 의하여 발생되는 인장응력을 상쇄시킬 수 있는 압축응력이 미리 빔 단면에 도입되도록 제작된 구조용 빔이라고 할 수 있다. 이러한 PSC 빔은 교량용 거더(Girder)로 이용되며, 교대 또는 교각에 설치되고 그 위에 슬래브가 형성되도록 하여 주로 30 내지 40m 지간의 교량시공에 이용된다.
이러한 PSC 빔은 빔 형고를 보다 낮게 하면서도 장지간의 교량시공이 가능하도록 도 1b와 같이 내부에 강재(31)를 형성시킨 PSC 합성빔(30)으로 제작하기도 하는데, 상기 강재는 통상 I형 강재(상부플랜지, 복부 및 하부플랜지로 구성된 I형강)를 이용하고, 상기 I형 강재를 감싸도록 형성된 빔 콘크리트 및 PSC 긴강재(20)는 통상의 PSC 빔과 동일하게 설치된다.
이러한 PSC 빔 또는 PSC 합성빔은 I형 단면으로 제작되는 것이 일반적이며, 도 1a와 같이 상부 및 하부플랜지 폭(W1)이 동일하거나, 도 1b와 같이 상부플랜지 폭(W2)이 하부플랜지 폭(W3)보다 크게 제작된다.
상기 PSC 빔 또는 PSC 합성빔은 빔의 자중을 포함한 설계하중에 의하여 빔 단면의 중심축을 기준으로 빔 하부는 인장응력이 상부는 압축응력이 발생된다. 상기 인장응력은 빔 하부에 형성되는 PSC 긴강재가 주로 저항할 수 있도록 하고, 상기 압축응력은 상부 빔 콘크리트가 주로 저항할 수 있도록 하기 위하여, 통상은 빔 하부의 PSC 긴강재량을 크게 하거나 상부 빔 콘크리트 단면적을 크게 함으로써 보다 효율적인 빔 단면을 구성할 수 있는 설계방식을 따르고 있다. 하지만 PSC 긴강재는 고가이므로 다른 제한적 요건이 없다면 상부플랜지를 크게 하고, 허용되는 범위 안에서 PSC 긴강재는 최소한으로 하는 것이 경제적인 PSC 빔 또는 PSC 합성빔을 제작하는 방법이 된다.
이에 도 1b와 같이 상부플랜지 폭이 하부플랜지 폭보다 120 내지 250% 크게 제작된 단면구성의 PSC 빔(10) 또는 PSC 합성빔(30)이 이용되는 것이 일반적이다.
도 1c는 PSC 빔(10)을 교각 및 교대 사이에 전도(Over Turning)되지 않도록 빔 지지용 와이어(41, PSC 긴강재 등을 이용한다) 및 연결철근(42)과 같은 전도방지수단(40)을 이용하는 경우를 도시한 것인데, 상부플랜지 폭이 하부플랜지 폭보다 크게 제작된 PSC 빔의 경우 상부플랜지보다 작은 하부플랜지 폭으로 인해, 빔 설치 시 전도의 위험성이 있으므로 이를 방지하기 위한 상기 빔 전도방지수단을 이용함으로써 불필요한 공사비의 증대 및 공기지연이 발생할 수 있다는 문제점이 지적되었다.
도 1d, 도 1e 및 도 1f는 다경간 연속교로써 시공되는 임의의 PSC 빔에 작용하는 빔 자중을 포함하는 설계하중에 의하여, 지간중앙부(도 1e) 및 지점부(도 1f)에서의 단면력 중 특히 휨 모멘트도를 도시한 것이다.
상기 지간중앙부 단면(A)은 설계하중에 의한 정 모멘트(M+)로 인해 빔 상부는 압축응력, 하부는 인장응력을 받게 되며, 지점부 단면(B)은 부 모멘트(M-)로 인해 빔 상부는 인장응력, 하부는 압축응력이 발생되므로, 상기 정 모멘트 및 부 모멘트에 대응하는 저항 모멘트가 지간중앙부(M1) 및 지점부(M2)의 빔 단면에 각각 발생하도록 PSC 긴강재(20)가 인장플랜지측에 설치된다.
상기 저항 모멘트(M1 또는 M2)를 증대시키기 위해서는 PSC 빔의 중립축이 지간중앙부(A)에서는 압축플랜지 즉 상부플랜지 쪽으로 편중되도록 하고(상향이동), 지점부(B)에서는 압축플랜지 즉 하부플랜지 쪽으로 편중되도록 하여(하향이동), 편심효과를 크게 하는 것이 (e1 및 e2를 크게 하여 결과적으로 저항모멘트 M1, M2를 크게 하는 것)요구되지만, 종래의 빔 단면구성은 지간중앙부 및 지점부가 동일하게 도 1b와 같이 상부플랜지 폭이 하부플랜지 폭 보다 크도록 제작되었기에, 특히 연속교 가설 시 지점부에서 발생하는 부 모멘트에 의한 편심효과가 크게 감소될 수밖에 없다는 문제점이 지적되었다. 이러한 문제점은 결국 PSC 빔에 있어 많은 양의 PSC 긴강재량을 요구하거나 빔 단면의 형고를 증대시켜야 하는 결과로 이어지는데, 그 이유는 연속교에서는 지점부 부 모멘트의 크기가 지간중앙부 정 모멘트의 크기보다 상당히 크기 때문에 부 모멘트를 기준으로 PSC 빔을 제작하면 PSC 빔 단면의 크기가 증가(형고의 증가)될 수밖에 없고, 이로 인한 빔 자중의 증가로 고가의 소요 PSC 긴강재량이 증가될 수밖에 없기 때문이다.
또한 관련 종래기술로써, 본 발명의 출원인은 PSC 긴강재의 긴장, 정착에 의하여 빔 상부플랜지에 발생하는 균열의 발생 때문에 일정한 PSC 긴강재량을 기준으로 최대한의 긴장력을 도입하지 못하는 문제점을 해결하기 위하여 도 1g와 같이 상부, 하부플랜지에 T형 강판(50)을 설치하여 특히 상부플랜지에 PSC 긴장재의 긴장, 정착에 따른 균열을 상기 상부플랜지의 T형 강판에 의하여 방지할 수 있도록 하고, 하부플랜지 중앙부에 안내관(60)을 설치하여 PSC 긴강재(20)가 상기 안내관을 경유하며 PSC 긴강재의 단부를 빔 단부 중앙에 위치하도록 하여 PSC 긴강재에 최대의 긴장력을 도입할 수 있도록 한, 상하부 플랜지에 강판을 사용한 프리스트레스트 스틸 철근 콘크리트(PSRC 빔, 등록실용신안 제 20-2003-0308515호)빔을 소개하였다. 하지만 이러한 PSRC 빔도 특히 도 1d, 도 1e 및 도 1f와 같이 연속교에 이용되는 경우, 지간중앙부 및 지점부에 따라 발생하는 압축응력 및 인장응력의 발생부위가 빔 상부 또는 하부로 구분됨에도 불구하고 이를 고려함이 없이 상부플랜지 및 하부플랜지에 빔 전체길이에 걸쳐 T형 강판을 설치함에 따라 과도한 강판의 설치에 의한 빔 제작비용을 증가시킬 수 있어 개선의 여지가 존재하였다.
또한 다른 종래의 기술로써 일본공개특허(특2003-0052239) 거더브리지가 소개되어 있는데, 형고의 높이를 낮추면서 장지간의 교량을 설치할 수 있도록 특히 빔 상부를 포함하여 일체로 형성된 철골(70)이 빔 전체 길이에 걸쳐 형성되도록 하되, 상기 철골의 양 단부에 형성된 정착플레이트 및 접합플레이트를 이용하여 케이블(80)로 철골에 긴장력(초기응력)을 도입시키는 기술이 소개되어 있다. 이러한 거더브리지의 경우에도 상기 PSRC 빔과 같이 연속교에 이용되는 경우 지간중앙부 및 지점부에 따라 발생하는 압축응력 및 인장응력의 발생부위가 빔 상부 또는 하부로 소정의 구간으로 구분됨에도 불구하고, 이를 고려함이 없이 상부플랜지 등에 빔 전체길이에 걸쳐 철골을 설치함에 따라 과도한 철골 및 케이블 설치에 의하여 빔 제작공정이 복잡하고 고가의 케이블설치가 요구되어 특정 목적을 위한 교량건설에는 이용될 수 있을지라도 경제적인 교량건설에 이용되기에는 무리가 있다는 문제점이 지적되었다.
또한 PSC 빔 또는 PSC 합성빔에 있어서, PSC 긴강재의 배치의 경우 도 1i와 같이, 빔의 복부(D)를 경유하여 빔 단부에 정착되는 것이 일반적이므로 시공성 및 단면의 역학적인 효율을 감소시키고 있다.
즉, 복부두께(d)에 복부철근과 PSC 긴강재(20) 등이 배치되며 콘크리트 다짐을 위해 필요한 진동방지공 간격 등을 충분히 확보하기 위해서 복부두께가 일정두께 이상으로 확보될 필요가 있으나, 통상 PSC 빔의 복부 단면은 빔 단면설계에 있어 거의 무시되기 때문에 최소한 두께로 형성되도록 하는 것이 일반적이다. 따라서 빔 제작 시 복부두께가 협소하여 PSC 긴강재(20)의 시공이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 복부두께를 크게 하는 경우에는 빔에서 상부 및 하부플랜지가 발휘하는 역학적인 성질에 비해서 복부가 발휘하는 역학적 성질은 단면 2차 모멘트 효과보다는 빔 자중 증가라는 불리한 역학적 효과가 크므로 종래기술의 PSC 긴강재의 정착방식은 비효율적이라는 문제점이 있으며, 나아가 빔 단부에서 PSC 긴강재를 모두 정착하는 것은 빔 단부에 과도한 압축응력이 작용하여 정착부 압축파괴와 후면부 인장균열이라는 문제를 발생시키고 있으며, 빔 거치 후 지점연결부 콘크리트를 타설 하게 되면 정착부가 모두 콘크리트 속에 매입되거나 공간이 협소하여 추후 정착부의 유지 및 보수가 매우 어렵다는 문제점이 지적되었다.
본 발명의 목적은 PSC 긴장재의 편심효과가 최대로 발휘되어 PSC 합성 빔의 제작 및 가설과정에서 발생하는 구조계 거동특성에 적합하며 내구성이 우수하고 경제적인 PSC 합성 빔을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 별도의 전도방지수단 없이도 PSC 빔 설치 시 전도가 방지될 수 있는 PSC 합성빔을 제공하는 것이다..
본 발명의 또 다른 목적은 PSC 합성빔에 설치되는 PSC 긴강재를 복부를 경유하지 않도록 위치시킴으로써 시공성이 뛰어나고, 양 단부에 PSC 정착부를 집중시키지 않아 단부의 내구성 및 정착부의 유지관리가 용이한 PSC 합성빔을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연속교 시공에 있어 내측지점부의 빔 단부의 내구성향상과 시공성이 개선되고 형고가 낮으면서도 장지간 시공이 가능한 연속교용 PSC 합성빔 및 단,다경간 교량시공방법을 제공하는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 PSC 빔 및 PSC 합성빔을 도시한 것이며,
도 1c는 종래의 PSC 빔 거치 시 이용되는 전도방지수단을 도시한 것이며,
도 1d는 종래의 단면위치(지간중앙부 및 지점부)를 구분시킨 PSC 빔을 이용한 다경간 연속교를 개략적으로 도시한 것이고,
도 1e 및 도 1f는 상기 도 1d의 PSC 빔의 단면위치 별 단면구성형태를 도시한 것이고,
도 1g는 종래의 PSRC 빔의 단면도를 도시한 것이고,
도 1h는 종래의 거더브리지의 단면도를 도시한 것이고,
도 1i는 종래의 PSC 빔의 복부에 PSC 긴강재가 집중 설치된 상태를 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 PSC 합성빔의 역학적특성을 도시하기 위하여 지간중앙부, 지점부 및 그 경계부를 구분하여 도시한 것이고,
도 2b, 도 2c 및 도 2d는 본 발명의 단면위치 별 PSC 합성빔의 단면구성 및 그 역학적특성을 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 PSC 합성빔의 단부에 설치되는 단부응력보강재의 설치사시도 및 빔 단부의 설치단면도를 도시한 것이다.
도 4a,도 4b,도 4c 및 도 4d는 본 발명의 PSC 합성빔의 단면구성 형태를 도시한 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 PSC 합성빔의 연결장치를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 PSC 합성빔을 다경간 연속교방식으로 서로 연결시킨 설치상세도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 정착블록 및 상기 정착블록에 정착되는 PSC 긴강재를 함께 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100:본 발명의 PSC 합성빔 120:PSC 합성빔용 강재(T형 강판 등)
130:PSC 긴강재 140:압축응력보강재
300:단부응력보강재 400:PSC 합성빔의 연결장치
500a,500b:정착블록
본 발명은 상기 기술적과제를 달성하기 위해 PSC 합성빔을 구성하는 빔 콘크리트, 강재 및 PSC 긴강재를 빔 단면구성으로 하되,,
첫째, 빔 단부의 PSC 콘크리트 단면형상의 경우, 하부플랜지 면적을 상부플랜지 면적보다 크게 확장시켜 전도에 대한 안전율을 향상시키고,
둘째, 지간중앙부 및 지점부 모두 PSC 긴강재의 편심효과가 향상될 수 있도록 빔 콘크리트 및 보강재를 이용하여 빔의 인장플랜지 면적보다 압축플랜지 면적이 더 커지도록 최적화하고,
셋째, 상기 편심효과에 의한 빔 상부의 인장응력에 효과적으로 저항하도록 빔의 압축플랜지에 상기 보강재로써 압축응력보강재를 구비시키고,
넷째, PSC 합성 빔 제작 시 단부 일정길이를 PSC 빔과 일체거동을 할 수 있도록 단부거푸집을 부착시켜 빔 단부용 단부거푸집으로 기본적인 기능을 구비하면서 마치 외부강재를 인위적으로 설치한 보강효과가 발휘되도록 하여 다경간 연속교에 있어 내측지점부의 빔 연결부에 있어 PSC 긴장재의 편심효과가 최대로 발휘되도록 하고,
다섯째, PSC 합성빔의 단부로부터 소정의 간격을 두고 빔 복부 또는 하부플랜지 상부에 PSC 긴장재용 정착블록을 형성시키고, PSC 긴강재를 하부플랜지 내부로부터 상기 정착블럭으로 연장되어 설치되도록 함과 동시에, 연속교의 지점연결부를 경유하는 PSC 긴강재도 빔의 단부로부터 이격된 위치에 정착블럭을 빔의 복부 또는 상부플랜지 하부에 설치된 정착블럭에 의하여 정착되도록 하는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명을 보다 명확하고 용이하게 설명하기 위해서 이하 본 발명의 최선의 실시예를 첨부도면에 의하여 상세하게 설명하며, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 PSC 합성빔(100)은 콘크리트(110), 강재(120) 및 PSC 긴장재(130)를 포함하는 합성빔에서, 인장플랜지에 형성된 PSC 긴장재로부터 중립축까지의 편심거리 연장을 위하여 인장플랜지(TF) 단면적(At)보다 압축플랜지(CF) 단면적(Ac)을 확장시키고, 상기 연장된 편심거리(e)로 인한 압축플랜지의 증가된 압축응력에 저항하도록 압축플랜지 내부에 압축응력보강재(140)가 형성된다.
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 본 발명의 구조적 기능을 설명하기 위한 PSC 합성빔의 단면 위치(지간중앙부는 A로 표시하고, 지점부(내측)는 B로 , 상기 지간중앙부와 지점부의 경계부는 C로 표시되어 있다.)를 표시하고, 상기 A, B 및 C에서의 본 발명의 PSC 합성빔(100)의 단면도를 도시한 것이다.
상기 지간중앙부(A)에는 설계하중에 의하여 정 모멘트가 발생하는 부위로써 정 모멘트에 의하여 중심축을 기준으로 빔 상부에는 압축응력이 하부에는 인장응력이 발생한다.
하부의 인장응력을 미리 압축응력으로 상쇄시키기 위하여 빔 하부 정확하게는 인장플랜지(TF) 내부에만 도 2b와 같이 PSC 긴강재(130)가 설치된다. 즉 PSC 긴강재(130)를 긴장 후 정착시킴으로서 빔 하부에 압축응력이 미리 도입되도록 하는 것이다.
PSC 긴강재에 의한 압축응력은 결국 지간중앙부에 정 모멘트에 대응하는 부 모멘트를 발생시키는 것이 되므로 이러한 부 모멘트(M3)는 빔 단면의 중립축으로부터 PSC 긴강재의 도심까지의 거리(e1)에 PSC 긴강재에 가해지는 긴장력(P,인장력)을 곱한 값(M3=P*e1)으로 정량적인 수치로써 표시할 수 있는데,
동일한 긴장력(P)을 기준으로 한다면 e1 값이 더 커지면 커질수록 상기 부 모멘트 값은 커지게 되고, 보다 큰 부 모멘트는 결국 동일한 빔 단면 및 PSC 긴강재량에 의해서 보다 큰 설계하중의 도입이 가능하다는 것이기 때문에, 결국은 PSC 합성빔의 단면의 크기 및 지간길이를 보다 효율적으로 설계할 수 있다는 의미가 된다.
이에 본 발명에서는 상기 e1 값을 크게 하기 위하여 도 2b와 같이 PSC 긴강재의 설치 위치를 기준으로 빔 단면의 중립축이 빔의 압축플랜지(CF) 쪽으로 이동되도록 즉, 중립축의 압축플랜지로의 편중에 의한 편심효과를 달성하기 위하여,
첫째, 압축플랜지(CF,상부플랜지)의 면적을 인장플랜지(TF,하부플랜지)보다 더 크게 구성되도록 한다(CF>>TF). 이로서 압축플랜지의 면적이 더 커짐으로서 중립축은 압축플랜지 쪽으로 이동할 수 있게 된다. 이는 종래의 PSC 빔에서 인장플랜지 쪽으로 중립축이 형성되는 것과 비교하여 편심효과의 증대라는 중요한 구조적 특징이 발생하게 된다. 이때 압축플랜지의 면적을 크게 하는 방법은 압축플랜지의 폭 또는 높이를 크게 하는 방법이 있을 수 있으며, 양자 모두를 크게 할 수도 있다. 형고가 제한되는 경우와 같이 압축플랜지의 두께를 조정하기 어려운 경우에는 폭을 크게 하는 것이 바람직하고, 양자 모두를 모두 크게 함으로써 어느 한 쪽의 크기만 증대되지 않도록 할 수 있다. 지간중앙부의 경우에는 압축플랜지가 빔의 상부플랜지에 해당하기 때문에 굳이 압축플랜지의 폭을 크게 할 필요는 없고, 형고가 제한되지 않는다면 압축플랜지의 높이를 크게 하거나, 후술되는 압축응력보강재(140)를 더 보강하는 방식으로 압축플랜지의 면적이 커지도록 한다. 이에 도 2b의 경우 압축플랜지의 폭은 인장플랜지의 폭과 비교하여 그리 크지 않은 형상으로 도시되어 있다.
둘째, 압축플랜지 및 인장플랜지에는 각각 PSC 합성빔의 강재가 설치되는데 압축플랜지의 경우 강재(120,T형 강판 등)에 의하여 빔 단면에 발생하는 압축응력을 상쇄시키는 기능을 가지게 된다. 강재로써 T형, ㄷ형, L형 등의 다양한 형상의 강판을 사용할 수 있다.
본 발명에서는 이러한 강재(120)를 압축플랜지에 부가하여 사용함으로써 콘크리트 부재의 압축응력에 대한 여유를 증대시켜 동일한 PSC 긴강재량 이라 하더라도 편심효과에 의하여 더 큰 휨 응력을 유발할 수 있는 것이다.
상기 압축응력보강재(140)의 경우 미리 설치되는 강재의 단면의 크기를 증대시키는 방식을 선택할 수도 있지만 단면위치별로 빔의 압축플랜지 부분이 변경될 수 있으므로 강재의 단면을 일률적으로 크게 하는 것은 비효율적일 수 있다. 따라서 빔 상부의 강재에 추가적인 압축응력보강재를 형성시키는 것이 바람직하다. 이때 압축응력보강재는 도 2a의 강재 위에 부착되는 방식으로 형성될 수 있지만 부착되지 않고 강재와 별도로 비부착형태로 형성될 수 도 있으며, 본 발명의 압축응력보강재 기능을 가지는 것이라면 설치형태, 추가 응력도입과 같은 부가적인 수단에 관계없이 모두 본 발명의 기술적 범위에 속한다.
본 발명의 편심효과는 결국 압축플랜지의 면적을 인장플랜지의 면적과 비교하여 더 크게 하는 것과 같이, 중립축을 압축플랜지 쪽으로 이동시키는 편심효과를 증진시키기 위하여 빔 제작비용을 포함한 경제적인 요건 등을 고려하여 어느 정도의 한계를 설정할 필요가 있다.
본 발명에서는 피에스씨 합성 빔에서 합리적인 피에스씨 긴장재의 편심효과를 발휘할 수 있도록 하기 위해서는 빔 형고(H)를 기준으로 중립축으로부터 PSC 긴강재의 중립축 위치의 높이비인 편심비( e / H )가 최적화 되도록 압축플랜지의 면적을 인장플랜지의 면적보다 크게 하거나 압축응력보강재를 형성시키도록 한다. 상기 편심비는 본 발명의 편심효과의 최적의 범위를 구조적 실험에 의하여 다른 변수의 영향을 받지 않도록 하기 위한 기준으로써, 다른 표현에 의해서라도 본 발명의 기본적인 기술사상을 표현하는 것이라면 본 발명의 기술적 범위에 속하며, 구체적으로는 상기 편심비( e / H )에 의하면 압축플랜지 폭이 인장플랜지 폭에 비해 개략 120%정도 커지는 효과로 표현될 수 있다.
상기 지점부(B)의 경우에는 설계하중에 의하여 부 모멘트가 발생하는 부위로써 부 모멘트에 의하여 중심축을 기준으로 빔 상부에는 인장응력이 하부에는 압축응력이 발생한다.
역시 상부의 인장응력을 미리 압축응력으로 상쇄시키기 위하여 빔 상부에 도 2c와 같이 PSC 긴강재(130)가 설치된다. 즉 PSC 긴강재를 긴장 후 정착시킴으로써 빔 상부에 압축응력이 미리 도입되도록 하는 것이다.
PSC 긴강재(130)에 의한 압축응력은 결국 지점부에 부 모멘트에 대응하는 정모멘트(M4=P*e2)를 발생시키는 것이 되므로 이러한 정 모멘트는 빔 단면의 중립축으로부터 PSC 긴강재의 도심까지의 거리(e2)에 PSC 긴강재에 가해지는 긴장력(P,인장력)을 곱한 값(M4=P*e2)으로 정량적인 수치로써 표시할 수 있는데,
동일한 긴장력(P)을 기준으로 한다면 e2 값이 더 커지면 커질수록 상기 정 모멘트 값은 커지게 되고, 보다 큰 정 모멘트는 결국 동일한 빔 단면 및 PSC 긴강재량에 의해서 보다 큰 설계하중의 도입이 가능하다는 것이기 때문에 결국은 PSC 합성빔의 단면의 크기 및 지간길이를 보다 효율적으로 설계할 수 있다는 의미가 된다.
이에 본 발명에서는 상기 e2 값을 크게 하기 위하여 도 2c와 같이 PSC 긴강재의 설치 위치를 기준으로 빔 단면의 중립축이 빔의 압축플랜지(CF) 쪽으로 이동되도록 즉, 중립축의 압축플랜지로의 편중에 의한 편심효과를 달성하고자,
첫째, 압축플랜지(CF, 하부플랜지)의 면적(Ac)을 인장플랜지(TF, 상부플랜지)의 면적(At)보다 더 크게 구성되도록 한다. 이로서 압축플랜지의 면적이 더 커짐으로서 중립축은 압축플랜지 쪽으로 이동할 수 있게 된다. 이는 종래의 PSC 빔에서 인장플랜지 쪽으로 중립축이 형성되는 것과 비교하여 편심효과의 증대라는 역시 중요한 구조적 특징이 발생하게 된다. 상기 지간중앙부와 달리, 빔 설치 시 전도방지효과를 위해 지점부에서는 특히 압축플랜지인 하부플랜지의 폭을 증대시킨다. 즉 빔 단부의 하부플랜지의 폭을 보다 크게 하여, 편심효과를 증대시킬 수 있을뿐더러 빔 설치 시 전도방지의 효과를 가지게 된다.
둘째, 압축플랜지 및 인장플랜지에 역시 각각 PSC 합성빔의 강재(120)가 설치되는데 압축플랜지(CF, 하부플랜지)의 경우 강재(120,T형 강판 등)에 의하여 빔 단면에 발생하는 압축응력을 상쇄시키는 기능을 가지게 된다. 역시 강재로써 T형, ㄷ형, L형 등의 다양한 형상의 강판을 사용할 수 있다.
압축응력보강재(140)의 경우 위에서 살펴본 지간중앙부의 압축응력보강재와 동일하게 적용될 수 있다.
하지만 지점부의 경우에는 발생하는 부모멘트의 크기가 연속교에 있어 정 모멘트 보다 크기 때문에 빔 상부에 형성되는 PSC 긴강재량 및 강재가 더 커질 수밖에 없으므로, 압축플랜지인 하부플랜지에 압축응력보강재(140)를 형성시키되 지점부의 경우 연속교로써 서로 연결되는 부분이므로 추가적으로 빔 단부에 후술 되는바와 같이 단부거푸집 및 압축응력보강재의 역할을 하는 단부응력보강재(200)가 더 설치되도록 할 수 있다.상기 지간중앙부(A)와 지점부(B) 사이 경계부를 도시한 도 2d에서와 같이 본 발명의 압축응력보강재(140)는 지간중앙부에 설치된 압축응력보강재가 지점부 부위에서 절곡되어 지점부까지 연속으로 설치되는 것은 아니고, 지간중앙부에서 지점부 부근까지만 소정의 길이로 설치되고, 단속되어 지점부에서는 별도의 압축응력보강재가 설치된다.
결국 본 발명의 PSC 합성빔은 중립축의 압축플랜지의 편중에 의한 편심효과를 달성하기 위하여 압축플랜지의 면적을 인장플랜지의 면적보다 크게 구성되도록 하는데, 이러한 구성을 합성빔에 적용할 경우, 특히 합성빔을 다경간으로 설치하는 경우에 본 발명의 합성빔의 길이에 걸쳐 지간중앙부에서는 상부플랜지가 압축플랜지가 되는 반면, 합성빔 연결부인 양 단부에서는 상부플랜지가 압축플랜지가 된다.말하자면 1본 합성빔의 압축플랜지의 위치가 서로 상이하게 형성되어 압축플랜지의 면적을 확장시킨다는 구성을 적용시키는 경우 본 발명의 합성빔은 하부플랜지의 면적이 빔 전체 길이에 걸쳐 일정하게 유지시키는 것이 아니라, 합성빔의 일부는 압측플랜지인 상부플랜지의 면적이 크게 형성되고, 다른 일부는 압축플랜지인 하부플랜의 면적이 크게 형성될 수 있게 된다. 이러한 압축플랜지의 면적이 부위를 달리하여 형성될 수 있다는 점에서 본 발명의 합성빔을 변단면 형태의 합성빔으로 제작할 수 있게 된다.이러한 변단면 형태의 합성빔은 단부 하부플랜지와 단부 이외의 지간중앙부를 포함한 하부플랜지는 서로 연속되어 형성되면서, 단부 하부플랜지의 폭이 단부 이외의 지간중앙부를 포함한 하부플랜지의 폭 보다 더 크게 형성된 변단면 하부플랜지 형태로 제작될 수 있다.결국, 도 3a와 같이 합성빔의 양 단부는 단부를 제외한 지간중앙부의 하부플랜지를 포함하는 하부플랜지의 폭보다 크게 형성되도록 할 수 있는데 이러한 형태의 변단면 합성빔은 양 단부의 하부플랜지의 폭이 넓게 형성되어 빔 설치 시 전도현상의 방지가 가능하게 된다. 도 4a, 도 4b,도 4c,도 4d 는 본 발명의 변단면 PSC 합성빔(100)의 여러 단부 단면형태를 도시한 것으로써 다양한 형태의 변단면 PSC 합성빔 단면을 구성할 수 있음을 도시한 것이다.
특히 압축플랜지인 빔 단부의 하부플랜지 폭만을 크게 하는 경우, 빔 제작을 위한 거푸집 제작비용이 동일한 크기의 하부플랜지 폭을 기준으로 제작하는 경우보다 고가일 수 있는데, 본 발명에서는 단부거푸집 역할을 하되 빔 단부의 압축플랜지의 보강에 의한 편심효과 증대를 위한 기능을 겸하게 하여 보다 효율적인 빔 제작이 가능하도록 하고 있다. 즉, 단부응력보강재(200)를 빔 단부에 설치하고 상기 단부응력보강재는 빔 내부에 형성되는 압축응력보강재와 유사한 기능을 가지는 일종의 외부에 형성되는 압축응력보강재 기능을 하면서 내부에 콘크리트가 타설 될 수 있는 거푸집의 기능을 가질 수 있도록 하고 있다.
이러한 단부응력보강재(200)는 도 3a 및 도 3b와 같이 하부플랜지, 복부 와 상부플랜지를 감싸도록 형성된 보강판(210); 및 상기 보강판 내부에 형성된 전단재(220);를 포함한다.
상기 보강판(210)은 빔 단부의 양 측면 및 하부를 감싸도록 형성되는 강판으로 제작될 수 있으며 전체적으로 빔 단부의 형상에 대응하여 빔의 측면부를 포함하여 도 3b와 같이 부착된다. 빔 단부에 형성되는 콘크리트와의 일체성을 확보하기 위하여 보강판의 내부에 스터드 볼트와 같은 전단재(220)를 다수 형성될 수 있도록 할 수 있으며 타이로드를 이용하여 양 단부응력보강재를 서로 결속시킬 수 있다.
상기 보강판 외부에도 연결되는 다른 PSC 합성빔과의 연결을 위하여 보강판 표면으로부터 돌출된 스터드볼트(230)를 더 형성시킬 수 있다.
상부플랜지의 일부를 감싸는 보강판의 상부면에는 슬래브와의 일체성을 확보하기 위한 전단재(240)도 형성될 수 있도록 한다.
결국, 보강판은 강판으로 빔 단부를 감싸고 있어 외부에 설치된 압축응력보강재의 기능을 가지면서, 둘러싸여진 빔 단부에 콘크리트가 형성됨으로써 빔 단부 거푸집의 역할을 한다.
위에서 살펴본 본 발명의 PSC 합성빔을 연속교로서 다경간에 걸쳐 설치하기 위해서는 내측지점부에 서로 마주보는 PSC 합성빔(100)을 서로 연결시키고 내측지점부의 연결부콘크리트를 형성시킬 필요가 있는데 이러한 PSC 합성빔의 연결장치(400)는 연결되는 PSC 합성빔의 단부로부터 이격되어 빔의 외부측면에 형성된 정착블럭(500a, 도 7참조) 사이에 설치된 연결부 PSC 긴강재(410); 임시 교량받침(420)에 의하여 지지되는 PSC 합성빔의 강재를 서로 연결하는 연결구(430); 상기 연결구 하부에 적어도 1개가 형성된 교량받침(440); 상기 연결부 PSC 긴강재 및 연결수단이 내부에 포함되도록 형성된 연결부콘크리트(450);를 포함한다.
서로 연결되는 PSC 합성빔 단부에는 부 모멘트에 의한 인장응력이 발생하므로 도 5b와 같이 이에 대응할 수 있는 압축응력을 미리 도입시키기 위하여 빔 단부의 연결부를 경유하면서 양 빔의 단부 외부 측면에 설치된 정착블록(500a, 도 7참조) 사이에 연결부 PSC 긴강재(410)를 설치하게 된다.
또한 양 PSC 합성빔 단부에 돌출된 강재를 서로 연결시켜 주기 위한 연결구(430)를 설치하게 되는데, 상기 연결구는 적어도 강재의 상부 및 하부플랜지 단부 사이에 설치된 연속화 강재(431); 및 상기 상부 및 하부플랜지와 연속화강재를 연결하는 체결수단(432);을 포함한다.
연속화 강재(431)는 도 5a와 같이 빔 단부에 돌출된 강재와 동일한 형상을 가지도록 제작하되 강재의 상부 및 하부플랜지를 연결플레이트 및 볼트를 포함하는 체결수단(432)을 이용하여 연결시키고, 상기 강재가 복부를 포함하고 있는 경우에는 복부연결용 연속화강재를 추가로 구비시키면 된다.
지점부에서 양 PSC 합성빔의 단부의 축이 서로 일치하도록 하기 위하여 PSC 합성빔은 임시 교량받침(420)에 의하여 교각 또는 교대와 같은 교량하부구조물에 지지되도록 하고 1개의 교량받침(440)에 의하여 연속화강재가 최종적으로 지지된 이후에는 해체시키게 된다.
이로서 본 발명의 PSC 합성빔은 1개의 교량받침에 의하여 서로 기계적으로 연결시키고, 연결부를 무수축 모르타르와 같은 연결부콘크리트(450)를 이용하여 충진시킴으로써, PSC 합성빔을 연속교로써 기능할 수 있도록 하여 구조적으로 유리한 빔 단면설계가 가능하도록 한다.
본 발명의 PSC 합성빔을 이용한 단경간의 교량시공방법은 교대를 포함하는 교량하부구조물을 설치하고, 본 발명의 합성빔을 상기 교량하부구조물에 사이에 설치하고, 상기 합성빔 상부에 슬래브를 형성시키는 단계를 포함한다.
단경간의 교량시공은 교대 사이에 PSC 합성빔을 거치하는 방식으로 PSC 합성빔을 설치하게 된다. 상기 PSC 합성빔은 단부에 부모멘트가 발생하지 않으므로 도 3a 및 도 3b와 같은 단면으로 구성된 PSC 합성빔을 이용하거나, 빔 단부에 단부압축응력보강재가 더 설치된 PSC 합성빔을 설치할 수도 있다. 연속교로써 빔을 연결할 필요는 없으므로 연결부 PSC 긴강재를 설치할 필요가 없어 연결부용 PSC 긴강재의 정착블록은 PSC 합성빔에 설치하지 않으며, 하부플랜지의 폭이 넓게 형성될 수 있어 거치 시 전도방지가 가능하다.
PSC 합성빔을 설치한 이 후에는 PSC 합성빔 상부에 슬래브콘크리트를 타설하여 슬래브를 형성시킴으로서 단경간 교량을 완성하게 된다. 이때 PSC 합성빔 내부에 형성되는 PSC 긴강재의 경우 빔 제작 시 전부를 정착블록에 긴장 후 정착시킨 상태에서 거치시켜도 되지만 일부는 거치 후 슬래브콘크리트 타설 이전에 정착시키고, 나머지 일부를 슬래브콘크리트 타설 이후에 긴장 후 정착블록에 정착시켜 보다 효율적인 빔 단면설계가 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 PSC 합성빔을 이용한 다경간의 교량시공방법은 교대 및 교각을 포함하는 교량하부구조물을 설치하고, 합성빔 연결수단으로 PSC 합성빔을 교량하부구조물에 사이에 연속화시키고, 상기 PSC 합성빔 상부에 슬래브를 형성시키는 단계를 포함한다.
다경간의 경우에는 교대뿐만 아니라 교각을 함께 교대 사이에 설치하게 된다. PSC 합성빔은 교대와 교각사이 및 교각과 교각사이에 거치되는 방식으로 설치된다.
PSC 합성빔은 빔 단부의 하부플랜지의 폭이 확장되어 전도가 방지된 PSC 합성빔을 이용하되, 빔 단부에는 상술된 단부응력보강재(200)가 설치되도록 하고 지점부에는 지점부연결용 PSC 긴강재, 연속화강재 및 체결수단을 포함하는 연결구를 이용하여 도 6과 같이 서로 마주보도로 설치된 PSC 합성빔(100)을 서로 연결시킨 상태에서 연결부 콘크리트를 타설하여 지점부의 연결부를 완성하게 된다.
이로서 본 발명의 PSC 합성빔은 서로 기계적으로 연결된 상태가 되어 연속교로써 보다 효율적인 구조적 특성을 가지게 된다.
서로 연결된 PSC 합성빔 상부에는 슬래브콘크리트가 타설됨으로써 최종적인 다경간 교량시공이 완성된다.
PSC 합성빔의 전장에 걸쳐 연속적으로 설치되는 PSC 긴강재의 경우에도 빔 제작 시 전부를 정착블록에 긴장 후 정착시킨 상태에서 거치시켜도 되지만 일부는 거치 후 슬래브콘크리트 타설 이전에 정착블록에 정착시키고, 나머지 일부를 슬래브콘크리트 타설 이후에 긴장 후 정착블록에 정착시켜 보다 효율적인 빔 단면설계가 가능하도록 한다.
본 발명의 PSC 긴강재는 크게 PSC 합성빔 내부에 설치되는 정착블록(500b)에 의하여 설치되는 것과, 다경간 연속교로써 지점부에 이용되는 정착블록(500a)에 의하여 설치되는 것으로 나누어 볼 수 있다.
도 7은 상기 정착블록(500a,500b)이 설치된 PSC 합성빔(100)을 도시한 것이다.
상기 빔 내부에 형성되는 PSC 긴강재를 위한 정착블록(500b)은 본 발명의 PSC 합성빔(100)의 복부 또는 하부플랜지 외부 상부면에 위치하며, 빔 단부로부터 소정의 간격을 두고 이격되어 설치될 수 있다. 이로써 PSC 긴강재(130)가 양 단부에 집중되어 정착됨으로써 단부의 압축파괴와 후면부 인장균열이라는 문제를 해결할 수 있게 된다.
이러한 정착블럭(500b)은 빔 내부에 설치되는 PSC 긴장재가 빔의 복부를 경유하지 않고 하부플랜지만을 경유하도록 설치될 수 있는 위치로 빔 외부에 노출되어 있으므로, PSC 긴강재 설치 시 PSC 합성빔의 복부를 경유하지 않고 하부플랜지 내부를 경유하도록 설치될 수 있으며 PSC 긴장재는 빔 내부로부터 정착블럭이 위치한 빔 외부로 단부가 노출되면서 정착블럭(500b)에 긴장 후 정착된다. 이에 상기 종래의 기술에서 살펴본 PSC 합성빔의 시공상의 어려움을 극복할 수 있게 된다.
상기 지점부를 경유하여 빔 양 단부 사이에 형성되는 연결부 PSC 긴강재(510)를 위한 정착블록(500a)은 본 발명의 PSC 합성빔(100)의 단부 외부 상부면 또는 상부플랜지 외부 하부면에 역시 노출되어 있으므로 상기 정착블럭이 종래와는 달리 빔 거치 후 지점연결부 콘크리트를 타설할 경우 정착부가 모두 연결부콘크리트 속에 매입되는 현상을 방지할 수 있으며, 지점부와 같이 공간이 협소하여 추후 PSC 긴장재의 긴장위치에 따른 유지 및 보수가 매우 어렵다는 문제점이 해결될 수 있다. 이때 상기 PSC 긴장재(510)도 지점연결부 내부로부터 정착블럭이 위치한 빔 외부로 단부가 노출되면서 정착블럭(500a)에 긴장 후 정착된다.
본 발명에 의한 PSC 합성빔을 사용한 효과는 첫째, 압축플랜지에 해당하는 합성빔의 단부에서 하부플랜지의 면적이 확장되어 시공 중 구조물의 전도에 대한 안전율이 136~144% 증가하였으며, 둘째, 빔 형고를 기준으로 한 중립축으로부터 PSC 긴강재의 도심까지의 높이(편심거리)의 비인 편심비( e / H )가 최적화 되도록 콘크리트와 강재 사용에 의한 압축플랜지 보강 결과, 단면2차 모멘트 값이 작아 오히려 불리한 가운데서도, 종래 빔의 상부플랜지 부위를 포함한 상연에서 발생하였던 인장응력을 압축으로 획기적으로 개선시켜 내구성 향상을 도모할 수 있으며 셋째, 단부응력보강재 사용으로 빔 단부 및 지점부 연결부 콘크리트 단면을 강재에 의한 탄성계수비(Es/Ec)만큼 휨 강성 증대효과를 가져왔으며, PSC 긴강재를 빔의 복부를 경유하지 않도록 하여 PSC 긴강재의 설치작업 시공성을 한층 높일 수 있었다. 따라서, 본 발명에 의한 PSC 합성빔 제작방식은 구조역학적인 성능개선 뿐만 아니라, 간편한 시공성을 함께 제공하므로서 합리적이고 조형미가 우수한 경제적인 교량건설을 이룰 수 있다.

Claims (15)

  1. 콘크리트, PSC 강재 및 상부플랜지, 복부, 하부플랜지를 포함하는 강형 또는 빔의 압축플랜지와 인장플랜지 중 어느 하나에 형성된 강재를 포함하는 합성빔에서, 인장플랜지에 형성된 PSC 긴장재로부터 중립축까지의 편심거리 연장을 위하여 적어도 인장플랜지 단면적보다 압축플랜지 단면적을 확장시키고, 상기 연장된 편심거리로 인한 압축플랜지의 증가된 압축응력에 저항하도록 압축플랜지 내부에 압축응력보강재를 형성시킨 합성빔으로써,
    상기 압축응력보강재는 압축플랜지에 형성된 강형에 추가로 형성되는 강판을 포함하는 부착 또는 비부착 보강재이거나, 압축플랜지에 형성된 강형자체의 단면을 증대시킨 것을 포함하며,
    상기 합성빔은 단부 하부플랜지와 단부 이외의 지간중앙부를 포함한 하부플랜지는 서로 연속되어 형성되면서, 단부 하부플랜지의 폭이 단부 이외의 지간중앙부를 포함한 하부플랜지의 폭 보다 더 크게 형성된 변단면 하부플랜지로 제작되는 것을 특징으로 하는 편심거리가 연장된 피에스씨 합성빔.
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  7. 제 1항에 있어서, 하부플랜지, 복부 와 상부플랜지를 감싸도록 형성된 보강판; 및 상기 보강판 내부에 형성된 전단재;를 포함하는 단부응력보강재를 빔 단부에 더 형성시키는 것을 특징으로 하는 편심거리가 연장된 피에스씨 합성빔.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 단부응력보강재가 빔 콘크리트를 타설하기 전에 설치되어 PSC 합성빔의 단부거푸집으로 이용되는 것을 특징으로 하는 편심거리가 연장된 피에스씨 합성빔.
  9. 제 1항에 있어서, 인장플랜지에 형성된 PSC 긴강재는 빔 단부로부터 소정의 간격을 가지고 이격되어 외부로 노출된 정착블럭에 긴장 후 정착되도록 인장플랜지 내부로부터 외부로 연장되어 설치되는 것을 특징으로 하는 편심거리가 연장된 피에스씨 합성빔.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 합성빔의 단부로부터 이격되어 빔의 외부측면에 형성된 정착블럭 사이에 설치된 연결부 PSC 긴강재; 임시 교량받침에 의하여 지지되는 합성빔의 강재를 서로 연결하는 연결구; 상기 연결구 하부에 적어도 1개가 형성된 교량받침; 및 상기 연결부 PSC 긴강재 및 연결수단이 내부에 포함되도록 형성된 연결부콘크리트;를 포함하는 연결장치가 더 설치되어 PSC 긴강재를 포함하는 피에스씨 합성빔이 다경간 연속교로써 시공될 수 있는 것을 특징으로 하는 편심거리가 연장된 피에스씨 합성빔.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 연결구는 적어도 강재의 상부 및 하부플랜지 단부 사이에 설치된 연속화 강재; 및 상기 상부 및 하부플랜지와 연속화강재를 연결하는 체결수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 편심거리가 연장된 피에스씨 합성빔.
  12. 교대를 포함하는 교량하부구조물을 설치하고, 제 1항의 PSC 합성빔을 상기 교량하부구조물에 사이에 설치하고, 상기 PSC 합성빔 상부에 슬래브를 형성시켜 단경간 교량을 시공하는 것을 특징으로 하는 교량시공방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 합성빔의 PSC 긴강재를 합성빔 제작 시, 슬래브 형성 이전 및 이후를 구분하여 단계적으로 긴장, 정착시키는 것을 특징으로 하는 교량시공방법.
  14. 교대 및 교각을 포함하는 교량하부구조물을 설치하고,
    제 1항의 편심거리가 연장된 PSC 합성빔을, 합성빔의 단부로부터 이격되어 빔의 외부측면에 형성된 정착블럭 사이에 설치된 연결부 PSC 긴강재; 임시 교량받침에 의하여 지지되는 합성빔의 강재를 서로 연결하는 연결구; 상기 연결구 하부에 적어도 1개가 형성된 교량받침; 및 상기 연결부 PSC 긴강재 및 연결수단이 내부에 포함되도록 형성된 연결부콘크리트;를 포함하는 연결장치를 이용하여 교량하부구조물에 사이에 연속화시키고,
    상기 PSC 합성빔 상부에 슬래브를 형성시켜 다경간 교량을 시공하는 것을 특징으로 하는 교량시공방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 합성빔의 PSC 긴강재를 합성빔 제작 시, 슬래브 형성 이전 및 이후를 구분하여 단계적으로 긴장, 정착시키는 것을 특징으로 하는 교량시공방법.
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KR101746547B1 (ko) * 2016-11-18 2017-06-27 주식회사 우솔 복합강관 거더구조 및 이를 이용한 교량

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