KR100580327B1

KR100580327B1 - 하부플랜지를 선 긴장시킨 psc빔 및 그 시공방법

Info

Publication number: KR100580327B1
Application number: KR1020040002844A
Authority: KR
Inventors: 정지승; 윤용석
Original assignee: 정지승
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2006-05-15
Also published as: KR20050075072A

Abstract

본 발명은 교량의 보로 널리 사용되는 기존의 프리스트레스트 콘크리트 빔(이하 'PSC빔'이라 한다)의 역학적 한계를 극복한 것으로 구조적 안전성을 확보한 상태에서 기존의 PSC빔교에 비해 형고를 낮게 제작하여 형고의 높이에 의해 제한적으로 사용되었던 기존의 PSC빔을 대체할 경제성 있는 새로운 PSC빔의 개발에 관한 것으로, 기존 PSC빔처럼 빔 전체를 제작한 후 PC강선으로서 PSC빔 전면에 대해 긴장시키는 대신 자중이나 활하중과 같은 외부하중의 작용에 의해 인장응력이 크게 발생되는 하부플랜지에만 압축응력이 도입될 수 있게 하부플랜지를 분리하여 긴장시키는 제작방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 PSC빔 하부플랜지를 선 긴장시킨 PSC빔은 시공성이 단순하면서도 구조적 효율성이 우수한 공법으로서 기존의 25m와 30m로서 제한된 PSC빔을 40m까지 장대화 할 수 있으며, 단순교 및 지간이 상이한 연속교에서도 표준적으로 적용할 수 있으므로 설계지간이 30m 내지 40m 사이에서 적절한 대안이 될 것으로 예상되며, 동일한 지간에 대해서는 기존의 PSC빔 표준단면 높이보다 거의 30%정도까지 줄일 수 있어 시공비용의 절감뿐만 아니라 형고의 제약을 받는 지역에 대해서도 사용할 수 있는 효과가 있다.

프리스트레스트 콘크리트 빔, PC강선, 프리캐스트, 2차 PC강선

Description

하부플랜지를 선 긴장시킨 PSC빔 및 그 시공방법{Prestressed Concrete Beam with Pre-tensioned Lower Flange and Constructing Method thereof}

도 1은 본 발명에서 프리캐스트로 제작되는 PSC빔 하부 플랜지에 대한 사시도

도 2는 프리캐스트 하부플랜지에 2차 콘크리트가 타설되었을 때의 단면도

도 3은 프리캐스트 하부플랜지와 2차 콘크리트가 타설된 합성 PSC빔을 가지점에 올린 상태의 사시도

도 4는 본 발명에 따른 단계적 PSC빔 제작방법에 대한 순서도를 보여주는 도면이다.

도 5a 내지 도 5d는 상기한 PSC빔에서의 프리스트레스 도입단계를 설명하기 위한 제작방법에 대한 개략적인 단면도와, 각 단계에서 프리캐스트 하부 플랜지에 발생하게 되는 개략적인 응력분포도를 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 도 4와 다른 단계적 PSC빔 제작방법에 대한 순서도를 보여주는 도면이다.

도 7a 내지 도 7e는 도6의 순서도를 추가 설명하기 위한 개략적인 단면도와, 각 단계에서 프리캐스트 하부 플랜지에 발생하게 되는 개략적인 응력분포도를 나타낸 도면이다.

도 8은 종래에 발명된 다단계 긴장식 프리스트레스트 콘크리트거더의 정면도

도 9는 종래에 발명된 또 다른 프리스트레스드 콘크리트 빔의 정면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : PSC빔 하부플랜지 12 : 1차 PC강선

14 : 오목부 16 : 연결철근

20 : 합성된 PSC빔 22 : 2차 PC강선

26 : 복부 및 슬래브

본 발명은 교량의 보로 널리 사용되는 기존의 프리스트레스트 콘크리트 빔(이하 'PSC빔'이라 한다)의 역학적 한계를 극복한 것으로 구조적 안전성을 확보한 상태에서 기존의 PSC빔교에 비해 형고를 낮게 제작하여 형고의 높이에 의해 제한적으로 사용되었던 기존의 PSC빔을 대체할 경제성 있는 새로운 PSC빔의 개발에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 기존 PSC빔처럼 빔 전체를 제작한 후 PC강선으로서 PSC빔 전면에 대해 긴장시키는 대신 자중이나 활하중과 같은 외부하중의 작용에 의해 인장응력이 크게 발생되는 하부플랜지에만 압축응력이 도입될 수 있게 하부플랜지를 분리 제작하여 긴장시키는 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로 프리스트레스트 콘크리트 빔은 자중이나 활하중의 작용에 의하여 생기는 응력을 소멸시키고 역방향의 응력을 미리 가하는 소위 프리스트레싱(Prestressing) 원리를 응용한 것으로 빔속에 배치된 PC강선(Prestressed Concrete 강선)을 통해서 빔에 긴장력을 도입하면 빔의 상면에는 인장응력이 발생되고 빔의 하면에는 압축응력이 발생된다. 이러한 PSC빔을 교량에 적용할 때에는 PSC빔의 자중, PSC빔 위에 설치되는 슬래브, 방호벽, 난간, 포장과 같은 사하중 및 주행 차량에 의한 활하중에 의해 PSC빔 하면에 인장응력을 발생시키므로 이러한 인장응력이 허용인장응력이내가 되도록 하기 위해 최대한 긴장력을 많이 도입하여 빔의 하면에 압축응력을 크게 하여서 하중에 의한 인장응력을 상쇄시켜주어야 한다.

그러나 이러한 긴장력을 크게 하면 슬래브가 설치되기 전인 PSC빔 단계에서 상면에 과도한 인장응력이 발생하여 허용인장응력을 초과하는 문제점이 발생할 수 있다. 이런 문제점으로 인해 기존의 PSC빔은 상면의 인장응력이 허용인장응력이 되도록 PC강선의 긴장력을 조정하였고, 외부의 하중에 의해 발생되는 하면의 인장응력이 허용인장응력 이내가 되도록 하기 위해 빔의 크기를 크게 제작하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 도 8에 도시된 바와 같이 대한민국 특허 공개번호 제 2001-0000430호로 알려진 바 있는 다단계 긴장식 프리스트레스트 콘크리트거더(이하 PSC거더)를 들 수 있다. 이 PSC거더(50)는 PSC거더(50)내부에서 하향곡선을 갖도록 배치된 여러개의 PC강선(51), (52)들에 시공단계별로 긴장력을 도입하는 것이다. 즉 PSC거더(50) 상태에서 긴장력의 일부를 1차 PC강선(51)을 통해 일부 도입시키고, 슬래브 시공후 발생되는 PSC거더 하면의 추가의 인장응력을 상쇄시키기 위해 2차 PC강선(52)을 통해 PSC거더 하면에 추가의 압축응력을 도입하는 것이다. 이 경우 PSC거더 하면에 기존의 PSC빔보다 더욱 큰 압축응력을 효과적으로 도입할 수 있다.

그러나 이와 같은 다단계 긴장식 PSC거더는 추가 긴장력을 도입하기 위해서 유압잭과 같이 중량물인 PC강선의 긴장용 장비를 교각위로 이동시켜서 작업해야만 하는 번거로움과 각종 안전사고의 위험성이 있는 문제점이 있다.

본 기술분야에 대한 또 다른 종래기술로서 도 9에 도시된 바와 같이 대한민국 특허 공개번호 제 2003-0063071호로 알려진 바 있는 프리스트레스드 콘크리트 빔을 들 수 있다. 이 빔(60)은 빔의 하부에 최대의 압축력을 도입할 때 발생되는 상부의 인장응력을 상쇄하기 위해 PC강선(62)을 이용하여 상부에 먼저 압축응력을 도입하는 것이다. 후속하여 PC강선(64)를 이용하여 빔 하면에 보다 큰 압축응력을 도입하는 것이다. 이러한 압축응력을 도입하는 상부의 PC강선(62)을 슬래브(66)에 모든 고정하중이 실린 시점에서 제거하는 것이다.

그러나 이와 같은 프리스트레스드 콘크리트 빔은 하부에 최대의 압축력을 도입하기 위해 PSC빔 상부에 추가의 PC강선 긴장 및 해체라는 추가의 작업을 실시하는 것은 경제성에서 불리하며, 작업성에 있어서도 번거롭다고 판단된다.

본 발명은 외부하중에 의한 PSC빔 하부에 발생한 인장응력을 상쇄시키기 위해 PSC빔 하부플랜지만 콘크리트 타설 후 1차 PC강선을 이용하여 압축응력을 도입시킨 후, PSC빔의 복부 및 상부를 제작하여 가지점이 놓여졌을 때 2차 PC강선을 이용한 추가의 압축응력이 도입되는 기존의 PSC빔보다 구조적으로 유리한 새로운 합성 PSC빔 제작방법 등을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 PSC빔 하부에 빔 길이방향으로 1개 이상의 1차 PC강선을 포함한 하부플랜지를 프리캐스트(precast)방식으로 먼저 제작한 후 이러한 1차 PC강선을 긴장시키고, 후속하여 2차 PC강선이 포함된 PSC빔의 복부 및 상부플랜지를 추가로 제작하여 합성된 PSC빔을 가지점에 올린 후 복부에 설치되어있는 2차 PC강선을 추가로 긴장시켜 PSC빔 하부에 최소의 PC강선으로 최대의 압축응력이 도입되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서의 또 다른 실시 예로서, 하부플랜지를 프리캐스트(precast)방식으로 먼저 제작한 후 이러한 1차 PC강선을 일부에 대해서만 긴장시키고, 후속하여 2차 PC강선이 포함된 PSC빔의 복부 및 상부플랜지를 추가로 제작하여 합성된 PSC빔에 대해 1차 PC강선을 추가로 긴장시킨 후, 합성 PSC빔을 가지점에 올린 후 복부에 설치되어있는 2차 PC강선을 긴장시켜 PSC빔 하부에 최소의 PC강선으로 최대의 압축응력이 도입되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서의 또 다른 실시 예로서, 하부플랜지를 프리캐스트(precast)방식으로 먼저 제작한 후 이러한 1차 PC강선을 일부에 대해서만 긴장시키고, 후속하여 2차 PC강선이 포함된 PSC빔의 복부 및 상부플랜지를 추가로 제작하여 합성된 PSC빔을 가지점에 올린 후 1차 PC강선을 추가로 긴장시킨 후, 후속하여 복부에 설치되어있는 2차 PC강선을 긴장시켜 PSC빔 하부에 최소의 PC강선으로 최대의 압축응력이 도입되는 것을 특징으로 한다.

이때 1차 PC강선 및 2차 PC강선의 형상은 직선과 포물선 형상을 모두 사용할 수 있으나, 실시 예 에서는 편의상 PC강선 형상을 직선형상으로 나타내었다.

본 제작방법의 장점은 압축응력이 필요한 PSC빔 하부 플랜지에 대해서만 우선적으로 별도 제작하여 PC강선을 긴장시키므로 긴장면적의 감소로 인해 적은 양의 PC강선으로도 충분한 압축응력을 도입시킬 수 있다. 또한 기존의 PSC빔처럼 하부플랜지에 충분한 압축응력을 도입시 상부플랜지에 발생되는 과도한 인장응력을 원천적으로 방지할수 있다.

한편, 상기의 PSC빔 하부플랜지에 PC강선을 긴장시키는 방법은 포스트텐션 방식(post-tensioning system)과 프리텐션 방식(pre-tensioning system)을 모두 사용할 수 있으며, 하부플랜지를 프리캐스트로 제작할 경우 PSC빔의 복부타설을 위한 2차 콘크리트와의 연속성을 위해 연결철근이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 PSC빔은 교량에 적용하는 경우에 대한 실시예를 제공하였으나, 빌딩구조물과 같은 건축구조물에서 적용하는 것도 가능하다.

본 발명은 I형 거더나, 벌브T형 거더, 또는 더블T형 거더등 거더나 빔 단면의 형태에 무관하게 어떤 형태의 거더나 빔에서도 적용이 가능하지만, 실시 예로서 이하 벌브 T형 빔을 기준으로 설명한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에서 프리캐스트로 제작되는 PSC빔 하부 플랜지에 대한 개략적인 사시도이다. PSC빔 하부플랜지(10)에는 빔의 길이방향으로 내설되는 적어도 하나 이상의 PC강선(12)을 포함하고 있으며, PSC빔 하부플랜지(10)와 복부의 2차 콘크리트와의 연결을 용이하게 하기 위해서 연결철근(16)을 구비한다. 이 연결철근(16)은 복부 및 상부슬래브 시공시 배근되는 철근(24)과 연결된다. 또한 2차 콘크리트(26)와 프리캐스트 하부플랜지(10)와의 일체화를 용이하게 하기 위해서 프리캐스트 하부플랜지(10)의 길이방향으로 오목부(14)를 설치하여 신, 구 콘크리트간에 전단작용을 하도록 한다. 본 발명에 있어서 상기 연결철근(16) 및 오목부(14)형상은 반드시 위와 같은 구성에 한정된 것이 아니며, 프리캐스트 하부플랜지(10)와 복부 및 상부슬래브(26)에 걸쳐서 배근되어 상호 연결시켜 주는 기능을 하는 구성이면 어떠한 구성이든 연결철근 및 오목부 형상으로 사용할 수 있다.

도 2는 프리캐스트 하부플랜지(10)에 2차 콘크리트(26)가 타설되었을 때의 결합도이며 이때도 복부에 2차 긴장을 위한 1개 이상의 2차 PC강선(22)을 내설시킨다.

도 3은 프리캐스트 하부플랜지(10)와 2차 콘크리트(26)가 타설된 전체적인 PSC빔(20)을 가지점(28)에 올린 상태의 사시도이다.

한편 위의 실시예에서는 1차 및 2차 PC강선의 배치를 위해 쉬스관(11)을 설치하는 것으로 설명하였으나, 쉬스관을 설치하여 긴장재를 배치하는 대신에 일반적인 비부착식 스트랜드(unbonded PC strand)를 사용할 수도 있다. 또한 상기 1차 PC강선(12)을 통한 1차 프리스트레스 도입은 위에서 설명한 포스트텐션 방식뿐만 아니라 프리텐션 방식을 적용할 수도 있다.

도 5a 내지 도 5d는 상기한 PSC빔에서의 프리스트레스 도입단계를 설명하기 위한 개략적인 단면도와, 각 단계에서 프리캐스트 하부플랜지(10)에 발생하게 되는 개략적인 응력 분포도가 도시되어 있다.

더욱 상세하게 설명하면 도 5a는 하부플랜지(10)에 1차 PC강선(12)으로 긴장한 상태이며, 이때 하부플랜지(10)에는 fcd와 fl의 압축응력이 도입되게 된다.

후속하여, 도 5b에 도시된 것처럼 복부 및 상부플랜지(26)에 해당되는 2차 콘크리트를 타설한다.

후속하여, 도 5c에 나타낸 것처럼 합성된 PSC빔(20)을 가지점(28)에 설치하면 자중에 의한 응력이 발생하고, 이러한 응력은 fcd와 fl에 인장응력을 발생시켜 1차 PC강선(12)에 의해 도입된 하부플랜지의 압축응력을 감소시킨다.

후속하여, 도 5d에 나타낸 것처럼 합성된 PSC빔(20)의 복부에 2차 PC강선(22)을 긴장시키면 fcd와 fl에 추가의 압축응력이 도입된다. 편의상 패널에 배근되는 철근(16), 쉬스관(11)등의 구체적인 구성의 도시는 생략하였고, 단지 프리캐스트 하부플랜지(10), PC강선(12), 그리고 복부 및 상부플랜지(26)만을 간략하게 도시하였다.

한편 본 발명에서는 프리캐스트 하부플랜지(10)에 압축응력을 더욱 효과적으로 도입하기 위해 도 6에 나타낸 순서도 처럼 PSC빔 제작을 더 구비할 수 있다.

도 7a 내지 도 7e는 도 6의 순서도를 추가 설명하기 위한 개략적인 단면도와, 각 단계에서 프리캐스트 하부 플랜지(10)에 발생하게 되는 개략적인 응력 분포도가 도시되어 있다.

더욱 상세하게 설명하면 도 7a는 하부플랜지(10)에 1차 PC강선(12)으로 긴장한 상태이며, 이때 하부플랜지(10)에는 fcd와 fl의 압축응력이 도입되게 된다.

후속하여, 도 7b에 도시된 것처럼 복부 및 상부플랜지(26)에 해당되는 2차 콘크리트를 타설한다.

후속하여, 도 7c에 나타낸 것처럼 합성된 PSC빔(20)에 1차 PC강선(12)을 추가로 긴장시키면 fcd와 fl에 추가의 압축응력이 도입된다.

후속하여, 도 7d에 나타낸 것처럼 합성된 PSC빔(20)을 가지점(28)에 설치하면 자중에 의한 응력이 발생하고, 이러한 응력은 fcd와 fl에 인장응력을 발생시켜 1차 PC강선(12)에 의해 도입된 하부플랜지(10)의 압축응력을 감소시킨다.

후속하여, 도 7e에 나타낸 것처럼 합성된 PSC빔(20)의 복부에 2차 PC강선(22)을 긴장시키면 fcd와 fl에 추가의 압축응력이 도입된다.

표1은 본 발명의 PSC빔을 40m지간을 갖는 교량에 적용하였을 경우 PSC빔의 형고 및 단계별 응력검토를 정리한 것이다. 이때 사용한 PSC빔의 형고는 1.8m이며, 제작방법은 도 6에 나타낸 방법으로 제작한 PSC빔을 적용한 것이다.

표1

삭제

이상 상술한바와 같이 본 발명에 의한 PSC빔 하부플랜지를 선 긴장시킨 PSC빔은 시공성이 단순하면서도 구조적 효율성이 우수한 공법으로서 기존의 25m와 30m로서 제한된 PSC빔을 40m까지 장대화 할 수 있으며, 단순교 및 지간이 상이한 연속교에서도 표준적으로 적용할 수 있으므로 설계지간이 30m 내지 40m 사이에서 적절한 대안이 될것으로 예상되는 효과가 있다.

또한 동일한 지간에 대해서는 기존의 PSC빔 표준단면 높이보다 거의 30%정도까지 줄일 수 있어 시공비용의 절감뿐만 아니라 형고의 제약을 받는 지역에 대해서도 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims

프리스트레스트 콘크리트 빔(20, 이하 'PSC빔'이라 한다)에 있어서,

하부플랜지(10)를 프리캐스트로 제작한 후 복부 및 상부플랜지(26)를 2차로 타설하여 합성되되,

상기 프리캐스트 하부플랜지(10)에는 하나 이상의 1차 PC강선(12)이 매립되고,

2차 콘크리트에 의해 합성되는 상기 복부 및 상부플랜지(26)에는 하나 이상의 2차 PC강선(22)이 매립되거나 PC강선이 없는 것을 특징으로 하는 PSC빔.
청구항 1에 있어서,

상기 1차 PC강선(12)은 2차 콘크리트 합성전에 긴장에 의해 1차 프리스트레스가 도입되며,

상기 2차 PC강선(22)은 상기 프리캐스트 하부플랜지(10)와 상기 복부 및 상부플랜지(26)가 합성된 후 상기 PSC빔(20) 합성체가 가지점(28)에 설치되면 긴장에 의해 2차 프리스트레스가 도입되는 것을 특징으로 하는 PSC빔.
청구항 1에 있어서,

상기 1차 PC강선(12)은 2차 콘크리트 합성전에 상기 1차 PC강선(12)의 일부에 대해서만 긴장을 실시하여 부분적으로 프리스트레스가 도입되고, 상기 프리캐스트 하부플랜지(10)와 상기 복부 및 상부플랜지(26)가 합성되면 상기 1차 PC강선(12)을 재차 긴장하여 추가로 프리스트레스가 도입되며;

상기 2차 PC강선(22)은 상기 프리캐스트 하부플랜지(10)와 상기 복부 및 상부플랜지(26)가 합성된 후 상기 PSC빔(20) 합성체가 가지점(20)에 설치되면 긴장하여 2차 프리스트레스가 도입되는 것을 특징으로 하는 PSC빔.
청구항 1에 있어서,

상기 1차 PC강선(12)은 2차 콘크리트 합성전에 상기 1차 PC강선(12)의 일부에 대해서만 긴장을 실시하여 부분적으로 프리스트레스가 도입되고, 상기 프리캐스트 하부플랜지(10)와 상기 복부 및 상부플랜지(26)가 합성된 후 상기 PSC빔(20) 합성체가 가지점(28)에 설치되면 상기 1차 PC강선(12)을 재차 긴장하여 추가로 프리스트레스가 도입되며;

상기 2차 PC강선(22)은 상기 프리캐스트 하부플랜지(10)와 상기 복부 및 상부플랜지(26)가 합성된 후 상기 PSC빔(20) 합성체가 가지점(28)에 설치되면 긴장하여 2차 프리스트레스가 도입되는 것을 특징으로 하는 PSC빔.