KR100569226B1 - 경사진 긴장재에 의한 연속교의 바닥판 보강공법 - Google Patents

Abstract

연속된 합성교의 내부지점부에서 콘크리트 바닥판(slab)에는 외부하중에 위한 부모멘트로 인해 인장응력이 발생하기 때문에 교량에서 가장 취약한 부분이다. 본 공법은 이 내부지점부의 조립식(precast) 또는 현장타설 바닥판을 보강하기 위한 것으로, 긴장재(tendon)는 바닥판의 중심높이 평면에 교축방향과 횡방향 모두에 경사지도록 배치되고 바닥판의 측면에서 정착된다. 바닥판에 경사진 긴장력이 도입되면 바닥판에는 횡방향으로 일정한 압축단면력이 발생되며, 교축방향으로는 횡단면을 가로지르는 긴장재의 수에 비례하여 선형으로 증가하고 내부지점에서 최대인 압축단면력이 발생한다.

거더(girder)와 바닥판이 합성단면을 형성한 이후에 경사진 긴장력이 바닥판의 중심높이에 도입되면 합성단면의 중심에 대한 긴장력의 모멘트는 삼각형으로 분포한다. 연속거더의 내부지점에서 변위구속으로 발생되는 이차반력이 고려된 모멘트 분포는 연속보의 외부하중에 의한 모멘트와 분포 형태는 같으나 반대 방향이다. 이 공법이 사용되는 경우 바닥판의 측면에서 긴장재가 정착되기 때문에 시공이 용이할 뿐만 아니라 재긴장 또한 가능하다. 특히 보수 또는 보강을 위해 사용 중인 교량의 바닥판을 교체하는 경우에는 합성단면 형성 이후 바닥판에 경사진 긴장력을 도입하여 거더의 보강효과도 얻을 수 있다.

콘크리트 바닥판, 보강, 경사진 긴장재, 연속교량, 부모멘트, 이차모멘트

Description

경사진 긴장재에 의한 연속교의 바닥판 보강공법 {Strengthening Method of Slab of Continuous Bridge by Inclining Tendons}

[도 1] 연속 PS 콘크리트 합성거더 교량의 사시도

[도 2] 연속 PS 콘크리트 합성거더 교량의 시공과정도

(a) PS 콘크리트 거더 설치 (b) 중간가로보와 중간바닥판 타설

(c) 지점가로보와 지점바닥판 타설

[도 3] 연속거더에 작용하는 외부하중에 의한 모멘트 분포도

[도 4] 합성단면에 도입된 교축방향 바닥판 긴장력에 의한 모멘트

(a) 교축방향 바닥판 긴장재가 배치된 연속교의 평면도

(b) 교축방향 바닥판 긴장재가 배치된 연속교의 정면도

(c) 교축방향 긴장력에 의한 모멘트 분포도

(d) 내부지점이 없는 경우 긴장력과 이차반력에 의한 처짐

(e) 내부지점의 변위구속에 요구되는 이차반력과 이차모멘트

(f) 교축방향 긴장재에 의해 연속 합성거더에 발생되는 모멘트 분포도

[도 5] 본 공법의 경사진 긴장재가 배치된 연속교의 사시도

[도 6] 본 공법에 의한 바닥판 긴장재의 배치도 및 도입된 교축방향 긴장력

[도 7] 합성단면에 도입된 경사진 바닥판 긴장력에 의한 모멘트

(a) 경사진 바닥판 긴장재가 배치된 연속교의 평면도

(b) 경사진 바닥판 긴장재가 배치된 연속교의 정면도

(c) 경사진 긴장력에 의한 평균모멘트 분포도

(d) 내부지점의 변위구속에 요구되는 이차반력과 이차모멘트

(e) 경사진 긴장재에 의해 연속 합성거더에 발생되는 모멘트 분포도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10. 교축(27)과 경사진 방향으로 배치된 바닥판의 긴장재

11. 횡방향(28)으로 배치된 바닥판의 긴장재

12. 바닥판 측면의 중심높이에 설치되는 긴장재의 정착구

13. 교축방향 긴장력이 도입되는 바닥판의 구간

14. 바닥판의 폭 15. 긴장재의 교축방향(27) 간격

16. 경사진 긴장재(10)의 교축방향(27) 경사길이

17. 횡방향(28)에 대한 경사긴 긴장재(10)의 경사각도

20. 경사진 긴장재(10)의 교축방향(27) 최대 압축단면력

21. 경사진 긴장재(10)의 교축방향(27) 평균 압축단면력의 분포

22. 평균 압축단면력(21)에 의한 합성단면에서 모멘트 분포

23. 삼각형 모멘트 분포(22)에 대한 등가 집중하중

24. 삼각형 모멘트 분포(22)에 의한 연속거더 내부지점의 이차반력

25. 이차반력(24)에 의한 이차모멘트의 분포

26. 합성단면의 경사진 긴장재(10)에 의한 연속거더의 모멘트 분포

27. 교축방향 28. 횡방향 29. 높이방향

31. PS(prestressed) 콘크리트 또는 강재(steel) 거더

32. 교각 33. 교좌장치

34. 지점바닥판 35. 중간바닥판

36. 지점가로보 37. 중간가로보

38. 외측지점 39. 내측지점

40. 연속거더에 작용하는 외부하중

41. 외부하중(40)에 의한 연속거더의 모멘트 분포

42. 외부하중(40)에 의한 연속거더의 부모멘트 구간

43. 거더-바닥판으로 된 합성단면의 중심축

50. 교축방향(27)으로 배치된 바닥판 긴장재

51. 교축방향 긴장재(50)에 의한 모멘트 분포

52. 교축방향 긴장재(50)에 의한 모멘트

53. 내부지점이 없는 경우 합성단면에 도입된 긴장재(10,50)에 의한 변위

54. 교축방향 긴장재(50)에 의해 발생되는 연속거더 내부지점의 이차반력

55. 이차반력(54)에 의한 이차모멘트의 분포

56. 내부지점이 없는 경우 이차반력(24,54)에 의한 변위

57. 합성단면의 교축방향 긴장재(50)에 의한 연속거더의 모멘트 분포

단순 지지된 거더(girder)의 다경간 교량은 상대적으로 큰 단면과 내부 지점에서 신축이음장치의 사용 그리고 좋지 않은 승차감으로 설계기술이 향상된 현재에는 가능한 피하고 있다. 도 1은 전형적인 PS(prestressed) 콘크리트 거더교로 단순 거치된 PS 콘크리트 거더는 일반적으로 도 2의 시공과정으로 연속화된다. 최근에는 단순 거더의 문제를 개선하기 위해 거더 윗면에 긴장된 탄소섬유를 부착(국내출원 20-2003-0040349)하거나 강재 가로보의 사용(국내출원 20-2003-0026137) 그리고 지점 상승하강(국내출원 10-1998-0001799)과 웨이트 이용(국내출원 10-1998-0000421) 등 다양한 방법이 시도되고 있다.

그러나 도 2와 같이 연속화된 거더에 추가로 외부하중(40)이 작용하면 도 3의 내부지점(39)을 중심으로 부모멘트 구간(42)이 형성되며, 이 구간의 바닥판(slab)에는 부모멘트에 의한 인장응력으로 균열이 발생되는 취약성이 있다. 내부지점부의 부모멘트에 의한 바닥판의 균열은 내부지점(39) 부근의 바닥판에 교축방향으로 배치된 외ㆍ내부 긴장재(50)(국내출원 10-2000-0067723, 10-2002-0031034, 20-2003-0040349)로 억제될 수 있다. 이 방법은 조립식(precast) 바닥판과 같이 바닥판에 긴장력을 도입(국내출원 10-1998-0043606, 10-1998-00343608)한 후 바닥판과 거더가 합성되는 경우 효율적이다. 그러나 긴장력이 도입된 후 거더와 합성되는 경우 바닥판 콘크리트의 장기변형은 상대적으로 강성이 큰 거더에 구속되기 때문에 긴장력이 도입된 이후 발생하는 잔류 인장응력에 대한 정확한 예측이 필요하다.

최근에는 바닥판과 거더가 합성된 후 합성단면에 긴장력이 도입되는 것이 거더 또는 바닥판에 독립적으로 긴장력을 도입하는 것보다 효율적인 것이 밝혀지면서 합성단면이 형성된 후 긴장력을 거더(국내출원 10-1999-0019658, 10-1999-0043513, 20-2003-0031616) 또는 바닥판(국내출원 10-2004-0024800, 10-2004-0034741)에 도입하는 방법이 시도되고 있다. 바닥판과 연속거더가 합성된 후 바닥판에 교축방향으로 긴장력이 도입되면 도 4(d)의 단순 지지된 경우 긴장력에 의한 변위(53)을 구속하기 위해 내부지점에서 도 4(e)의 이차반력(54)과 이차모멘트(55)가 발생되며, 연속 합성거더의 모멘트 분포는 도 4(f)와 같이 된다. 이 경우 교축방향 긴장재의 정착위치에서 모멘트의 급격한 변화가 발생되기 때문에 외부하중에 의해 응력이 발생되지 않는 연속거더의 변곡점 주변에서 긴장재가 정착되면 오히려 긴장력에 의한 위험을 초래할 수 있다. 또한 도 2(b)와 (c) 같이 중간바닥판(35)이 타설되고 지점바닥판(34)을 설치 또는 타설하는 것이 일반적으로 유리하나 긴장재의 정착을 위해서는 지점바닥판(34)에 먼저 설치 또는 타설되어야 하기 때문에 중간가로보(35)의 자중을 지점바닥판(34)이 지지하여야 하는 불리함이 있다.

연속 합성거더 교량의 가장 취약한 부분은 내부지점부의 콘크리트 바닥판이며, 연속화된 이후 작용하는 외부하중에 의한 부모멘트를 지점바닥판이 충분히 지지할 수 있도록 하기 위해 다음의 보완이 필요하다.

1. 교축방향으로 도입된 긴장력 등으로 지점바닥판(34)이 보강될 수 있어야 한다.

2. 긴장력에 의해 도입된 연속거더의 모멘트 분포는 도 3의 외부하중에 의한 모멘트 분포와 모양은 같고 방향이 반대가 되어야 한다.

3. 바닥판에 도입되는 긴장력은 도 2의 시공과정에 방해가 되지 않고, 정착이 용이하여야 하며, 재긴장이 가능하여야 한다.

4. 거더와 바닥판이 합성을 구성한 이후에 긴장력이 도입이 가능하여야 한다.

바닥판에 경사진 방향으로 배치된 본 공법의 긴장재가 적용된 연속 PS 콘크리트 합성거더 교량의 예는 도 5와 같으며, 도 5의 내부지점부를 중심으로 위에서 본 평면도는 도 6과 같다. 도 5와 6에서 본 공법에 의한 경사진 긴장재(10)는 교축방향(27)과 횡방향(28) 모두에 경사지도록 배치되며, 긴장재의 경사방향에 따라 바닥판의 중심높이에서 긴장재 덕트(duct)의 직경만큼 위와 아래에 수평으로 위치하고, 바닥판의 측면에서 긴장재의 경사각도(17)로 정착(12)된다.

도 6의 교축방향 긴장력이 도입되는 바닥판의 구간(13)과 교축방향 간격(15)에 대해 긴장재의 경사길이(16)는 긴장력이 도입되는 구간(13)의 반보다는 크고 이에 긴장재의 간격(15)을 더한 값보다는 작도록 하여, 한 정착구에 둘 이상의 긴장재가 정착되지 않도록 한다. 횡방향(28)에 대한 긴장재의 경사각도(17)는 긴장재의 경사길이(16)와 바닥판의 폭(14)으로부터 결정된다. 교축방향 긴장력이 도입되는 구간(13)은 지점바닥판(34)과 일치될 필요는 없으며, 필요에 따라 경간중심부까지 확장될 수 있다.

본 공법의 경사진 긴장력에 의해 도입되는 횡방향 압축단면력은 일정한 반면에, 교축방향 압축력은 도 6의 아래 그림과 같이 삼각형으로 분포한다. 각 횡단면에서 교축방향 압축력은 단면을 가로지르는 긴장력의 수와 긴장력 그리고 횡방향에 대한 경사각도(17)의 싸인(sine) 값에 비례하고, 교축방향 최대 압축력(20)은 도 6과 같이 내부지점에서 발생되도록 한다. 경사진 긴장재(10)에 의해 도입된 각 단면의 교축방향 평균 압축력(21)은 내부지점을 중심으로 대칭인 삼각형 분포가 되도록 한다.

도 7(a)의 경사진 긴장재(10)가 도 7(b)와 같이 바닥판의 중심높이에 배치되면 거더와 바닥판의 합성단면에 도입되는 모멘트의 분포(22)는 일정한 합성단면의 중심(43)에 대해 도 7(c)와 같이 내부지점에서 최대인 삼각형으로 분포한다. 삼각형의 모멘트 분포(22)는 교축방향 긴장력이 도입된 구간(13)이 지간인 단순보의 지간중심에 작용하는 집중하중과 지점반력(23)으로 대치될 수 있으며, 이에 의한 이차반력(24)과 이차모멘트(25)는 도 7(d)과 같고, 연속 합성거더에 도입되는 모멘트의 분포(26)는 도 7(e)로 나타낼 수 있다. 도 7(e)의 모멘트(26)는 전체 경간에 걸쳐 경사진 긴장재(10)가 배치된 경우 도 3의 모멘트(41)와 유사한 모양에 반대방향의 분포를 나타낸다.

연속거더의 내부지점 부근 바닥판에 긴장재를 교축과 경사진 방향으로 도입하는 본 공법이 적용되는 경우 기대되는 효과는 다음과 같다.

1. 교축방향(27)과 횡방향(28)으로 동시에 긴장력을 도입할 수 있다.

2. 긴장력이 도입되는 바닥판의 구간(13)과 폭(14) 그리고 긴장재의 간격(15)과 경사각(17) 및 긴장력의 크기 등의 조절이 자유롭기 때문에 원하는 위치에 원하는 교축방향 긴장력의 도입이 가능하다.

3. 거더와 바닥판이 합성단면을 형성한 이후에 긴장력이 도입되는 경우에는 경사진 긴장재가 배치되는 구간(13)을 조정하는 것으로 연속거더에 작용하는 외부하중의 모멘트를 상쇄하기 위한 모멘트의 도입이 가능하며, 바닥판에 긴장재가 배치되기 때문에 거더에 긴장재가 배치되는 경우보다 큰 편심거리를 확보할 수 있다.

4. 바닥판의 측면에서 긴장재가 정착(12)되기 때문에 작업이 용이하다.

5. 바닥판의 중심위치 수평단면에 긴장재가 직선으로 배치되기 때문에 마찰에 의한 손실이 없으면서도 연속거더의 포물선 배치와 같은 효과를 나타낼 수 있다. 특히 방청처리가 충분히 된 경우 그라우팅이 필요 없기 때문에 재긴장이 가능하다.

6. 보강의 목적으로 사용 중인 교량의 바닥판을 다시 시공하는 경우에 설치가 쉬우며, 거더와 바닥판이 합성된 이후 긴장력의 도입으로 바닥판뿐만 아니라 거더에 대한 보강효과도 얻을 수 있다.

Claims (1)

1. 연속교에 작용하는 외부하중의 부모멘트(42)에 의해 내부지점 구간의 바닥판에 발생되는 인장응력에 저항할 수 있도록,

   프리캐스트 또는 현장타설 바닥판의 교축방향(27)과 횡방향(28)으로 동시에 긴장력이 도입될 수 있도록 두 방향 모두에 경사지게 강봉(steel bar) 또는 강선(strand) 형태의 긴장재(10)를 바닥판의 중심높이에 배치하며, 긴장재는 바닥판의 측면에 정착되고,

   필요에 따라 거더와 바닥판이 합성단면을 구성하기 이전과 이후의 단계에서 긴장력이 도입될 수 있도록 한 공법.

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