KR100589289B1

KR100589289B1 - 환봉을 이용한 교량용 내진보강장치 및 이를 이용한내진보강공법

Info

Publication number: KR100589289B1
Application number: KR1020060001536A
Authority: KR
Inventors: 송병표
Original assignee: 우경건설 주식회사
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2006-06-14

Abstract

본 발명은 특정위치에 단면감소부를 형성시킨 환봉의 소성이력거동에 의하여 지진에너지를 효과적으로 감소시켜 내진설계 도입 이전에 기 시공된 교량 및 내진성능이 부족한 교량 구조물에 대한 내진보강장치 및 이를 이용한 보강공법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치는 거더의 측면에 앵커볼트를 매개로 하여 고정 설치되는 상부브라켓과 상기 상부브라켓에 일측이 관통 삽입되며, 너트로 고정 체결되는 환봉과; 교량상부구조물의 신축거동여유량 이상의 변위발생으로 인한 이력거동량 확보를 위한 패드; 상기 환봉의 타측이 관통 삽입되며, 너트로 고정됨과 동시에 교각의 측면에 앵커볼트를 매개로 하여 고정 설치되는 하부브라켓으로 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치를 이용한 보강공법은 교량용 내진 보강장치를 설치할 대상 교량의 거더와 교각 면을 치핑하는 단계; 상부브라켓과 환봉 및 하부브라켓으로 구성되는 교량용 내진 장치를 조립하는 단계; 상기 교량용 내진 보강장치의 상부브라켓을 거더 측면에 앵커볼트를 매개로 하여 부착하고, 하부브라켓을 교각 측면에 앵커볼트를 매개로 하여 부착 설치하는 단계; 상기 상부브라켓의 측면을 마감브라켓를 매개로 하여 용접 접합하여 마감하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

교량용 내진보강장치, 보강공법, 상부브라켓, 하부브라켓, 환봉

Description

환봉을 이용한 교량용 내진보강장치 및 이를 이용한 내진보강공법{Improvement of seismic performance of bridges using the circular steel members, and a seismic retrofit method of bridges}

도 1은 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치를 도시한 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치를 도시한 분리 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치의 상부브라켓을 도시한 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치의 하부브라켓을 도시한 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치의 환봉을 도시한 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치가 거더와 교각에 설치된 상태를 도시한 사시도.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

10: 상부브라켓 11: 앵커볼트

12: 수직재 13: 경사재

13a: 경사면 14: 지지부

15: 수평재 15a: 장공

20: 환봉 22: 너트

24: 나사산 26: 단면감소부

30: 하부브라켓 31: 앵커볼트

32: 수직재 33: 경사재

33a: 경사면 34: 수평재

34a: 구멍 40: 마감브라켓

42: 사각형 판상체 44: 사재

50: 패드 52: 중공

A: 교량용 내진 보강장치 B: 교량

G: 거더 P: 교각

본 발명은 환봉을 이용한 교량용 내진보강장치 및 이를 이용한 내진보강공법에 관한 것으로, 특히 지진발생시 교량구조물에 발생되는 수평력 등의 외력을 강재형 환봉 감쇠기의 에너지 소산에 의하여 구조물의 감쇠력을 증가시킴으로써 구조물의 내진안전성을 효율적으로 확보하는 장치로, 이력 거동이 발생되는 강재 환봉은 지진발생시 수평방향에 대한 충분한 연성을 보유하고 지진에너지 발생시 감소효과를 명확하게 나타낼 수 있도록 특정위치에 단면감소부가 형성되어 환봉의 이력 거동에 의한 지진에너지를 소산시켜 하부구조에 전달되는 수평력을 효과적으로 감소 시킴으로써 지진피해를 사전에 예방할 수 있으며, 기존 교량의 면진 보강을 위한 교량받침의 교체시 필수적으로 수반되는 상부구조물의 인상 또는 하부구조의 추가적인 보강이 필요없이 본 장치의 설치만으로 구조물의 안전성 확보와 더불어 공사비 절감을 통한 경제성을 동시에 추구하고자 하는 교량용 내진보강장치 및 이를 이용한 보강공법에 관한 것이다.

일반적으로 교량은 그 특성상 지진에 취약한 구조물로서 지진에 의한 교량의 피해는 교대, 교각, 기초 등의 하부구조에 손상이 발생하거나 상부구조가 하부구조로부터 이탈하여 결국, 상부구조물의 붕괴를 초래한다.

이와 같은 지진에 대하여 구조물이 성능을 만족하도록 설계 또는 보강하기 위해서는 구조물 자체의 강성이나 연성능력을 조정하는 방법과, 구조물에 부가적으로 감쇠기 혹은 진동제어장치를 설치하여 구조물에 미치는 외력의 영향을 감쇠기의 에너지 소산으로 변화시켜 구조물의 성능을 확보하는 방법 등 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

특히, 기존에 기 시공된 내진설계 도입 이전의 일점 고정 연속교의 경우 평상시에는 상부구조물의 온도신축에 따른 하중을 고정단을 중심으로 가동단에서 수용하여 하부구조로 하중이 전달되지 않는 구조이지만 지진시에는 온도신축에 대한 중심점으로의 역할을 수행하던 고정단이 모든 수평하중을 수용해야 하는 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서는 내진, 면진, 제진의 개념을 이용한 공법들이 주로 적용되고 있다.

첫 번째로, 내진장치의 경우 고정단 교각에서의 과도한 수평력을 해결하기 위한 방법으로, 온도하중과 지진하중이 작용하는 시간적인 차이를 이용하여 지진발생시에는 모든 교각이 고정단 역할을 수행할 수 있도록 하는 장치(충격전달장치: Shock Transmit Unit)를 설치하여 다점고정방식을 채용한 것이 있다.

그러나 이때는 모든 교각이 강성으로 작용하기 때문에 고유주가 짧게 되어 큰 지진력이 유발되는 단점이 있다.

또 다른 방법으로 하부구조인 교각을 보강하는 것으로서 단면을 증설하거나 강판 등에 의한 기둥 피복 등을 통하여 지진 수평력에 대하여 저항하는 개념이다.

이 경우 기존 구체의 열화 혹은 내구성이 저하되었을 경우 보강시공시의 가장 중요한 개념인 신구 구조물 간의 일체 거동을 확보하기 어려우며, 수평력이 과도할 경우 단면 강도만으로 하중을 부담하기 때문에 경제적 비용이 증가되는 단점이 있다.

두 번째로, 면진장치는 지진파에는 장주기 성분을 많이 내포하지 않는 주기특성을 이용하여 구조물의 고유주기를 인위적으로 길게 하여 지진력의 유발을 적게 하는 것이다.

면진장치의 대표적인 경우는 기존 교량받침을 탄성받침이나 면진 받침으로 교체하여 상부구조의 주기를 장주기화 시키는 방법이 있다.

그러나 받침교체의 경우 상부구조의 장주기화에 의한 교각 전달 수평력은 어느 정도 감소하지만 이와 상대적으로 교각의 상대변위도 동시에 증가하기 때문에 교각의 연성이 확보되어 있지 못할 경우 교각의 수평변위에 대한 추가적인 검토가 필요하다.

결국, 하중의 측면에서는 면진장치가 유리하며, 변위의 측면에서는 내진장치가 유리하다.

세 번째로, 제진장치는 구조물에 소성 감쇠기와 같은 제어장치를 설치하여 에너지의 소산작용에 의해 구조물에 유입되는 에너지를 흡수하여 구조물의 감쇠 능력을 인위적으로 향상시킴으로써 수평력뿐만 아니라 변위감소의 효과를 얻고자 하는 개념이다.

소성 감쇠기는 소성 거동하는 부재의 하중-변위 이력에 따른 에너지 소산 능력을 이용하여 구조물에 전달되는 에너지를 소산시키는 장치로서 지진 등의 동적 하중에 대한 구조물의 응답을 개선하고 구조물이 항복하기 전에 감쇠기가 먼저 항복 및 소성 거동을 함으로써 에너지 소산을 감쇠기에 집중시켜 구조물의 피해를 줄이고 구조 부재들에 요구되는 에너지 소산 요구량을 감소시킨다.

이중 금속항복형 소성 감쇠기(Metallic Yield Damper)는 재료구입의 용이성과 설치 공종상의 단순함으로 인해 비교적 널리 이용되고 있는 방법으로서 가장 대표적인 형태는 X형이나 역삼각형의 얇은 판들을 겹친 플레이트형(ADAS: Added Damping and Stiffness) 및 수평지진력 발생시 좌굴을 방지한 가새형(Unbond brace) 소성감쇠기 등이 건물구조물에 주로 쓰이고 있다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 교량의 특정위치에 단면감소부를 형성시킨 환봉을 이용한 소성이력거동에 의하 여 지진에너지를 효과적으로 감소시켜 내진설계 도입 이전에 기 시공된 교량 및 내진성능이 부족한 교량 구조물에 대한 내진보강방안으로서 다음과 같은 기술적 과제를 해결할 수 있는 교량용 내진보강장치 및 이를 이용한 보강공법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

첫 번째. 지진발생시 상부구조와 일체로 거동하는 강재환봉의 재료적인 소성 이력거동에 의하여 상부구조의 감쇠력을 증가시킴으로써 교각의 탄성적인 거동을 확보하고자 함이다.

둘째, 비지진 시에는 상부브라켓과 환봉과의 여유량만큼 자유롭게 거동을 수용 하다가 지진발생시에는 에너지 소산과 더불어 환봉의 인장 강도만큼 상부구조를 구속하여 낙교 위험성을 줄이고자 함이다.

셋째, 본 발명에 적용된 환봉을 이용한 내진장치는 장치가 단순하고 시공공사종류가 간단하여, 설치 후 특별한 유지관리가 거의 필요 없이 지속적인 내진성의 확보가 가능하다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치를 이용한 보강공법은 교량용 내진 보강장치를 설치할 대상 교량의 거더와 교각 표면을 치핑하는 단계; 상부브라켓과 환봉 및 하부브라켓으로 구성되는 교량용 내진 보강장치를 조립하는 단계; 상기 교량용 내진 보강장치의 상부브라켓을 거더 측면에 앵커볼트를 매개로 하여 부착하고, 하부브라켓을 교각 측면에 앵커볼트를 매개로 하여 부착 설치하는 단계; 상기 상부브라켓의 측면을 마감브라켓를 매개로 하여 용접 접합하여 마감하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치를 도시한 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치를 도시한 분리 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치의 상부브라켓을 도시한 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치의 하부브라켓을 도시한 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치의 환봉을 도시한 사시도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치는 거더(G)의 측면에 앵커볼트(11)를 매개로 하여 고정 설치되는 상부브라켓(10)과 상기 상부브라켓(10)에 일측이 관통 삽입되며, 너트(22)로 고정 체결되는 환봉(20)과; 상기 환봉(20)의 타측이 관통 삽입되며, 너트(22)로 고정됨과 동시에 교각(P)의 측면에 앵커볼트(31)를 매개로 하여 고정 설치되는 하부브라켓(30)으로 구성된다.

즉, 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치는 거더(G)의 수평적인 질량이동에 대한 일체 거동을 확보하기 위한 상,하부브라켓(10, 30)과 이들을 너트(22)로 연결 한 환봉(20) 및 비지진시의 이동여유량 확보로 인하여 지진이 발생되는 이력거동량의 확보를 위한 패드(50)가 일체로 결합되어 이루어진 장치이다.

여기서, 상기 상부브라켓(10)은 사각형 판상체로 이루어진 수직재(12)와; 상기 수직재(12)의 표면에 다수개가 일정한 간격을 두고 용접 설치되며, 일정한 경사면(13a)을 갖는 경사재(13)와; 상기 경사재(13)의 하부면을 지지하도록 사각형 판상체로 이루어짐과 동시에 양단부로부터 직각으로 연장되는 지지체로 이루어지는 지지부(14)와; 상기 지지부(14)의 하부와 수직재(12)에 직교방향으로 용접 결합되며, 사각형 판상체로 이루어지면서 가운데에 장공(15a)이 형성된 수평재(15)로 구성된다.

또한, 상기 상부브라켓(10)의 지지부(14) 정면를 외부와 차단시키도록 사각형 판상체(42)와 상기 사각형 판상체(42)의 일측에 용접 결합된 사재(44)가 부착된 마감브라켓(40)이 고정 설치된다.

그리고, 상기 환봉(20)은 상하단부 일정한 길이에 걸쳐 나사산(24)이 형성되고, 하단부 쪽에 폭이 감소되는 단면감소부(26)로 구성된다.

특히, 상기 환봉(20)에는 가운데에 중공(52)이 형성된 패드(50)가 고정 설치된다.

한편, 상기 하부브라켓(30)은 사각형 판상체로 이루어진 수직재(32)와; 상기 수직재(32)의 표면에 일정한 간격을 두고 용접 설치되며, 일정한 경사면(33a)을 갖는 경사재(33)와; 상기 경사재(33)의 하부와 수직재(32)에 직교방향으로 용접 결합되며, 사각형 판상체로 이루어지면서 가운데에 구멍(34a)이 형성된 수평재(34)로 구성된다.

상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 교량용 내진 보강장치를 이용한 교량의 내진 보강에 대해서 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치가 거더와 교각에 설치된 상태를 도시한 사시도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 교량용 내진 보강장치를 이용한 보강공법은 교량용 내진 보강장치(A)를 설치할 대상 교량(B)의 거더(G)와 교각 (P) 표면을 치핑하는 단계; 상부브라켓(10)과 환봉(20) 및 하부브라켓(30)으로 구성되는 교량용 내진 보강장치(A)를 조립하는 단계; 상기 교량용 내진 보강장치(A)의 상부브라켓(10)을 거더(G) 측면에 앵커볼트(11)를 매개로 하여 부착하고, 하부브라켓(30)을 교각(P) 측면에 앵커볼트를 매개로 하여 부착 설치하는 단계; 상기 상부브라켓(10)의 측면을 마감브라켓(40)를 매개로 하여 용접 접합하여 마감하는 단계로 이루어진다.

즉, 상기 상부브라켓(10)은 기존 교량(B)의 거더(G) 표면을 치핑한 후 앵커볼트(11)로 고정 설치된다.

여기서, 상기 앵커볼트(11) 시공은 프리스트레스트 콘크리트 거더(G)일 경우 천공 및 볼트삽입으로 인한 내부 긴장재의 손상이 없고 소요의 내력을 부담할 수 있는 범위에서 앵커볼트(11) 길이 및 개수를 조절하여야 하며 강재 플레이트 거더교(G)의 경우 국부좌굴을 방지할 수 있는 보강판의 넓이를 고려하여 제작 및 부착되어야 한다.

특히, 상기 상부브라켓(10)의 앵커볼트(11) 시공시에는 프리스트레스트 콘크리트 빔 거더(G)일 경우 기존 내부 긴장재의 접촉 여부를 미리 고려하여야 하며, 철근콘크리트 거더교의 경우는 주철근의 손상이 발생하지 않도록 한다.

또한, 상기 하부브라켓(30)은 교각(P)의 측면에 앵커볼트(31)로 고정되며, 앵커볼트(31) 시공을 위한 천공시에는 앵커볼트(31)와 철근이 접촉되지 않도록 철근의 배근상태를 조사한 후 천공한다.

그리고, 상기 환봉(20)은 수평방향으로의 연성을 확보하여 교축방향 및 교축 직각방향뿐만 아니라 이상하중에 의한 교량(B) 거동의 비정형적인 거동에 대하여 환봉(20)의 인장력으로 충분한 구속력을 보유할 수 있다.

여기서, 상기 환봉(20)의 상부는 너트(24)와 체결될 수 있도록 나사산(24)이 형성되며 이 나사산(24)이 상부브라켓(10)의 지지부(14) 상부에만 적용되어 너트(22)와 체결되어야 한다.

만약 지지부(14)의 하부에 위치되는 환봉(20)에 나사산(24)이 형성되면 이 부분에서의 단면감소가 예상치 못한 또 다른 항복 거동을 보이게 되므로 피하여야 한다.

상기 환봉(20)과 너트(22)와의 체결시에는 상부구조의 온도변화 및 활하중에 의한 신축거동에 의한 환봉(20)의 수평 이격량을 확보하여야 하므로 환봉(20)의 이동을 구속할 수 있는 너트(22)의 완전 조임에 의한 일체 연결은 피하여야 한다.

또한, 상기 환봉(20)의 단면감소부(26)는 지진하중에 의한 거더(G)의 이동시 명확한 거동확보를 위하여 교각(P) 상면과 동일한 높이에 위치하는 것을 원칙으로 하며, 단면감소의 크기는 지진으로 인한 환봉(20)의 원활한 비탄성적인 거동을 확보하기 위하여 비 단면감소부(26)에 비하여 급격히 감소되면 안 되며, 그 단면크기는 설계응답스펙트럼에 부합될 수 있는 비선형시간 이력 해석에서 도출된 최적강성을 적용한다.

그리고, 상기 환봉(20)에 삽입 설치되는 패드(50)는 고무계열로서 비지진시의 거더(G)의 신축거동을 확보하기 위한 여유량 확보가 지진하중 시에는 여유량만큼의 이력거동이 확보되지 못하기 때문에 지진하중발생시 효율적인 에너지 소산을 위하여 거더(G)의 질량하중을 부담할 수 있는 충분한 강성을 확보하여야 한다.

한편, 상기한 교량용 내진보강장치(A) 설치후 상부브라켓(10)의 지지부(14)를 외측과 차단시키도록 별도의 마감브라켓(40)을 설치하여 마감 처리함이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 교량용 내진보강장치 및 이를 이용한 보강공법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 거더의 측면에 부착한 상부브라켓과 교각의 측면에 부착한 하부브라켓을 환봉과 일체형으로 설치하여 지진발생시 발생되는 에너지를 소산 시킴으로써, 기존 고정단 교각에서의 과도한 수평력 저감과 더불어 동시에 다 경간 교량에서의 경우 지진 수평력을 분산시키는 데 효과가 있다.

둘째, 본 발명은 내진보강을 위한 타 공법에 비하여 비교적 단순한 형태를 지니고 있으며 사용재료가 강재이고, 기존 구체의 손상을 최소화할 수 있는 시공의 편리함과 유지관리의 용이성뿐만 아니라 상부구조의 거동을 전달시키는 환봉의 단면형상이 원형이기 때문에 구조적인 거동이 명확하며 지진발생에 따른 지진수평력의 입사각에 대한 장애가 없는 장점이 있다.

셋째, 본 발명은 내진설계 도입 이전에 기 시공된 교량에 적용할 경우 면진 받침으로 교체를 위한 상부구조 인상, 교각 기둥부의 보강에 따른 소요경비를 절감시켜 경제성을 확보할 수 있을 것이며, 또한 환봉의 인장강도를 통해 강진발생시 상부구조물의 낙교를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

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거더(G)의 측면에 앵커볼트(11)를 매개로 하여 고정 설치되는 상부브라켓(10)과 상기 상부브라켓(10)에 일측이 관통 삽입되며, 너트(22)로 고정 체결되는 환봉(20)과; 상기 환봉(20)의 타측이 관통 삽입되며, 너트(22)로 고정됨과 동시에 교각(P)의 측면에 앵커볼트(31)를 매개로 하여 고정 설치되는 하부브라켓(30)으로 구성되는 교량용 내진보강장치에 있어서,

상기 환봉(20)은 상하단부 일정한 길이에 걸쳐 나사산(24)이 형성되고, 하단부 쪽에 폭이 감소되는 단면감소부(26)로 구성됨을 특징으로 하는 교량용 내진 보강장치.
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교량용 내진 보강장치(A)를 설치할 대상 교량(B)의 거더(G)와 교각 (P) 표면을 치핑하는 단계; 상부브라켓(10)과 환봉(20) 및 하부브라켓(30)으로 구성되는 교량용 내진 보강장치(A)를 조립하는 단계; 상기 교량용 내진 보강장치(A)의 상부브라켓(10)을 거더(G) 측면에 앵커볼트(11)를 매개로 하여 부착하고, 하부브라켓(30)을 교각(P) 측면에 앵커볼트를 매개로 하여 부착 설치하는 단계; 상기 상부브라켓(10)의 측면을 마감브라켓(40)를 매개로 하여 용접 접합하여 마감하는 단계로 이루어지며, 상기 교량용 내진 보강장치(A)는 거더의 측면에 앵커볼트(11)를 매개로 하여 고정 설치되는 상부브라켓(10)과 상기 상부브라켓(10)에 일측이 관통 삽입되며, 너트(22)로 고정 체결되는 환봉(20)과; 상기 환봉(20)의 타측이 관통 삽입되며, 너트(22)로 고정됨과 동시에 교각(P)의 측면에 앵커볼트(31)를 매개로 하여 고정 설치되는 하부브라켓(30)으로 이루어지는 교량용 내진보강장치를 이용한 보강공법에 있어서,

상기 환봉(20)은 상하단부 일정한 길이에 걸쳐 나사산(24)이 형성되고, 하단부 쪽에 폭이 감소되는 단면감소부(26)로 이루어짐을 특징으로 하는 교량용 내진 보강장치를 이용한 보강공법.
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