KR100631760B1 - 금속판아치형구조물용복합콘크리트금속내장형스티프너 - Google Patents

Abstract

복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물은: ⅰ) 파형주름이 아치의 세로길이를 횡단하여 뻗어있는 상태로 베이스 아치 구조물을 형성하는 방식으로 상호연결된 파형금속판의 제1 세트(18)로 구성되고; ⅱ) 베이스 아치의 상호연결된 판의 제1 세트에 중첩되는 방식으로 서로 연결되는 파형금속판의 제2 세트(24)로 더 구성되며, 적어도 1개의 파형주름을 가지고 있는 판의 제2 세트는 판의 제2 세트의 파형주름의 골부가 판의 제1 세트의 산부에 고정되는 상태로 아치의 세로길이를 횡단하여 뻗어있고; ⅲ) 판의 제2 세트의 서로 연결된 세트 및 판의 제1 세트는 제1 세트의 골부와 제2 세트의 산부의 금속 내부표면에 의하여 둘러싸인 콘크리트의 경계면을 형성하기 위해서 콘크리트(86)로 충전된 개별적인, 횡단방향으로 뻗어있는, 둘러싸인 연속 공동(80)을 형성하고; ⅳ) 각각의 판의 제1 세트 및 판의 제2 세트에 대한 공동의 내부표면은 아치를 횡단하는 개별적인 굴곡 빔을 제공하도록 콘크리트-금속 경계면에 시어 본드를 제공하기 위한 수단(96)을 가지고 있으며 이에 따라 구조물은 부과되는 하중에 대한 복합 굽힘 및 축방향 하중저항 및 양 및 음의 굽힘저항을 제공한다.

Description

금속판 아치형 구조물용 복합 콘크리트 금속 내장형 스티프너{COMPOSITE CONCRETE METAL ENCASED STIFFENERS FOR METAL PLATE ARCH-TYPE STRUCTURES}

본 발명은, 얕은 커버 하에서 무거운 차량의 통행과 같은 큰 하중을 지지할 수 있는, 오버패스 다리, 워터 콘딧, 또는 지하도 등에서 사용되는 콘크리트 보강 파형금속판 아치형 구조물에 관한 것이며, 보다 상세하게는 표준 콘크리트 또는 강철 빔 구조물을 대신할 수 있는 구조물에 관한 것이다.

몇해에 걸쳐서, 파형금속시트 또는 판은 내구적이고 경제적인 다용도 토목공사 재료임이 증명되었다. 파형금속판으로 제조된 가요성의 아치형 구조물은, 고속도로, 철도, 공항, 지방자치체, 레크리에이션 영역, 공장, 홍수 및 하천관리 프로젝트, 수질오염 감소 그리고 다른 많은 프로그램 용의 암거, 하수도, 배수로, 방수로, 지하도, 컨베이어 콘딧 및 서비스 터널의 건설에 있어서 중요한 역할을 수행해 왔다.

매립식 파형금속 아치형 구조물에서 주요한 설계상의 관점 중 하나는, 비교적 얇은 금속셸이 구조물 상의 동하중 및/또는 정하중 뿐만 아니라 측방향 지압, 지하수압, 오버버든(overburden) 압력과 같은 구조물 주위의 비교적 큰 하중에 저항할 필요가 있다는 것이다. 그러한 구조물의 주위하중에 저항하는 능력은, 주위를 둘러싸고 있는 흙의 힘의 작용은 별개로 하고, 파형의 형상 및 셸의 두께에 직접적으로 관련된다. 지압 또는 수압과 같은 균등분포된 주위하중은 일반적으로 설치된 구조물에 불안정성을 야기시키지 않지만, 이 구조물은 팠던 구멍을 되메우는 동안의 불균일 지압분포 또는 설치된 구조물 상의 차량통행으로 인한 동하중과 같은 불균일한 또는 국지적인 하중을 받을 가능성이 보다 많다. 팠던 구멍을 되메우는 동안의 아치형 구조물 상의 불균일한 지압분포는 이 구조물을 비틀리게 하거나 뾰족해지게 하여, 최종 구조물의 형상이 의도된 가장 구조적인 사운드 형상과는 다른 것이 되게 한다. 한편, 구조물의 상단에서의 동하중은 구조물의 지붕부위에서의 파괴를 초래하는 국지적인 하중 조건을 야기시킨다.

아치형 구조물 상에 걸리는 차량 동하중과 같은 국지적인 수직하중은 구조물에 있어서 굽힘응력과 축방향응력 양자 모두를 야기시킨다. 굽힘응력은 지붕의 하향 변형에 의하여 야기되어 구조물의 상단부위에 플러스 굽힘모멘트를 그리고 구조물의 히프부위에 마이너스 굽힘모멘트를 발생시킨다. 축방향응력은 아치구조물의 횡단파이버를 따라서 작용하는 동하중의 구성요소에 의하여 야기되는 압축응력이다. 매립된 금속 아치구조물 설계에 있어서, 특정 수직하중 하에서 경험되는 축방향응력에 대한 굽힘응력의 비율은 오버버든의 두께에 따라서 변하게 된다. 오버버든이 두꺼워질수록, 수직하중이 아치구조물에 도달될 때 이 수직하중은 보다 분포되어 이 구조물은 덜 구부러진다. 그러므로 두꺼운 오버버든 하의 아치구조물에 있어서의 응력은 주로 축방향응력이다.

파형금속시트는 축방향 압축 하에서보다 굽힘 하에서 쉽게 파괴되는 경향이 있다. 종래의 파형금속 아치 설계는 오버버든 두께를 증가시키므로써 동하중에 의하여 야기되는 굽힘응력을 처리하며, 이에 따라 오버버든의 두께 상의 그리고 아치의 보다 넓은 표면 상의 국지적인 동하중을 덜어내어, 아치 상의 굽힘응력은 최소화되고 대부분의 하중은 축방향 힘으로 전환된다. 그렇지만, 오버버든 두께를 증가시키므로써, 구조물 상의 지압이 증가되고 따라서 보다 강한 금속판이 요구된다. 두꺼운 오버버든에 대한 요구는 구조물 아래의 클리어런스 인벨롭의 크기에 있어서의 제한 또는 구조물 상의 차도 접근각도와 같은 몇가지의 설계시의 제한점을 또한 야기시킨다. 오버버든 두께가 제한되어 얇은 경우에 있어서, 동하중 문제는 전통적으로, 얕게 되메워진 영역 상에 뻗어있는 차도 가까이 또는 바로 아래에, 통상 보강 콘크리트로 만들어지는 기다란 응력 경감슬래브를 위치시키므로써 해결된다. 이 기다란 슬래브는 국지적인 차량하중이 금속 아치표면 상의 보다 넓은 영역에 걸쳐 분산되도록 하는 하중분산장치로서 작용한다. 응력 경감슬래브의 문제점은 이 슬래브가 건설현장 바로 위에 요구되므로 제작시간과 노동력 및 재료에 있어서의 비용을 추가시킨다는 것이다. 게다가, 콘크리트가 사용될 수 없는 영역에 있어서, 응력 경감슬래브는 선택될 수 없다.

보강리브를 사용하므로써 파형금속 아치구조물을 강화시키려는 시도가 이루어져왔다. 미국특허 제 4,141,666호에 있어서, 하중 지탱능력을 증가시키기 위해서 박스 암거의 외측에 보강부재가 사용된다. 이 발명의 문제점은 보강리브 사이에서의 구조물의 부분이 보강리브에서보다 상당히 약화되어, 하중이 걸릴 때, 구조물의 길이를 따라서 상이한 변형 또는 파동효과가 생긴다는 것이다. 이러한 문제를 감소시키기 위해서, 특히 상단 및 베이스부위를 따라서, 암거의 내측에 세로부재가 고정되어 파동을 감소시킨다. 그렇지만, 이들 구조물이 하천의 바닥 위에서 사용될 때, 어떤 부착물이 구조물 내측에 포함되는 것은 유빙의 유동 및 홍수에 의하여 파괴되기 쉽기 때문에 바람직하지 않다.

미국특허 제 4,318,635호에 있어서, 측부, 상단부 및 중간의 허리 또는 히프부위에서 복합 아치형상 보강리브가 보강을 위하여 암거의 내부/외부에 제공된다. 그러한 멀리 이격된 보강리브가 구조물의 강도를 강화시켜 하중에 저항하지만, 이 보강리브는 구조물의 파동문제를 극복하지 못하며 추가 보강에 의해서 구조물에 불필요한 무게를 부가시킨다. 상기 단점에 더하여, 이러한 타입의 구조물에 있어서 보강리브는 종종 시간을 소비하게 하고 그리고 설치를 복잡하게 하여 건설비용을 증가시킨다. 더욱이, 비교적 넓게 이격된 리브 스티프너가 사용되어, 이들 구조물에 대한 구조적인 설계해석이 어려워진다. 보강의 불연속성 및 이에 따른 구조물의 세로길이를 따르는 강도의 변화는 이 부분의 전체 플라스틱 모멘트 수용량을 발전시키기 어렵게 해서, 불필요하게 보수적이고 비경제적인 설계를 하게 한다.

피셔(Fisher)에 의한 미국특허 제 3,508,406호에는 구조물의 양측부 상에서 세로로 뻗어있는 콘크리트 부벽(buttress)을 갖춘 가요성 파형금속셸을 가지는 복합 아치구조물이 개시되어 있다. 와이드 스패닝 아치구조물의 경우에, 콘크리트 부벽은 구조물의 상단부위 상에 뻗어있는 추가 보강부재와 연결될 수 있다. 마찬가지로, 동일한 발명자에 의한 미국특허 제 4,390,306호에서, 보강 및 하중분산부재는 구조물의 길이 대부분에 대하여 세로로 뻗어있는 아치의 상단부위에 구조적으로 고정된다. 아치구조물의 양측에 세로로 뻗어있는 하중분산 부벽이 바람직하게 포함되는 복합 아치구조물이 또한 제공된다. 이 세로로 뻗어있는 상단 스티프너 및 부벽은 콘크리트 또는 금속으로 만들어질 수 있고, 그리고 암거의 길이방향으로 뻗어있는 리지를 가지는 파형 판의 일부로 구성될 수도 있다.

피셔의 특허에서, 연속적인 보강은 상단 스티프너 즉 부벽에 의하여 구조물을 따라서 제공된다. 부벽은 설치단계 동안에, 즉 구조물이 되메움에 의하여 완전하게 매립되어 지지되기 전에 가요성 구조물에 대하여 안정성을 제공하기 위해서 설계된다. 이 부벽은 압밀 및 되메움 기구가 사용될 때 비틀림에 저항하기 위한 위치에서 강화재료의 길이를 제공하며, 되메움 공정이 구조물의 형상을 혼란시키지 않으면서 계속될 수 있게 한다. 내부 강철 보강 바를 갖춘 이 상단 스티프너는 되메움 및 압밀의 초기 단계 동안 구조물이 뾰족해지지 않게 막기 위해서 구조물의 상단부분을 내리누르도록 작용하고 그리고 구조물 상의 수직하중을 분산시키도록 도움을 주는 하중분산장치로서 작용하며, 따라서 최소 오버버든 요구를 감소시킨다. 구조물의 길이방향에 있어서의 이 상단 스티프너는 시어 스터드를 사용하므로써 아치의 상단부위를 단단하게 하여 아치 상단에서의 플러스 굽힘저항에 대하여 제공되도록 강철 아치에 콘크리트 빔을 구조적으로 연결시킨다. 이러한 다중 구성요소 스티프너는 구조물을 향하여 이동하며 이것은 감소된 오버버든의 이용을 허용하지만 아치설계시 매우 큰 스팬을 위하여 또는 오버버든 두께의 큰 감소를 위하여 제공될 수 없다. 그 주요한 이유는 피셔의 상단 스티프너가 와이드 스패닝 아치 및 얕은 커버 아치의 히프부위에서 전형적으로 발견되는 마이너스 굽힘모멘트에 저항하도록 설계되지 않았다는 것이다. 상단 스티프너와 측부 부벽 사이의 멀리 이격된 횡단부재의 목적은 구조물에 일정한 강성을 제공하여 되메움 단계 동안에 비틀림을 방지한다는 것이다. 이들 횡단부재는 마이너스 모멘트에 저항하기 위해서 설계된 부재가 아니다. 또, 설치된 가요성 아치구조물은 동하중 조건 하에 상단에서 플러스 굽힘모멘트에 영향받기 쉬운 반면, 되메우는 동안 측부로부터 가압될 때 동일한 위치에서 마이너스 굽힘모멘트에 영향받기 쉬워 상단은 뾰족해지므로써 왜곡된다. 피셔의 상단 스티프너는, 아치의 상단부위에서의 플러스 굽힘모멘트에 저항하기 위해서 콘크리트와 강철 사이의 시어-본드 연결의 장점을 취하도록 설계된 반면, 되메움 동안 동일한 구역에서의 마이너스 굽힘모멘트는 콘크리트 슬래브의 상부부분에서 보강 바의 설비에 의하여 단순히 저항하여, 원위치에 형성될 것과 건설비용을 증가시키는 보강 바 작업을 필요로 한다. 또한, 상단 스티프너 및 측부 부벽이 상당한 크기이므로, 완성된 구조물의 무게는 실질적으로 증가된다.

시바첸코(Sivachenko)의 미국특허 제 4,186,541호에는, 건설, 특히 금속 아치구조물에 있어서의 용도를 위하여 평평한 판재로 파형 강철판을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 2중 파형판 형상의 추가적인 강도 장점에 대하여 특별한 언급이 이루어지는데, 여기에서 판은 판 사이에 스페이서를 가지는 상태로 또는 직접적으로 대향 홈을 따라서 함께 결합된다. 2중 판 조립체는 중공으로 남겨질 수도 있고 또는 콘크리트 등으로 충전될 수도 있다. 판 사이의 콘크리트는 판의 물결주름에 평행한 방향 또는 횡단방향으로 향하는 종래의 보강 강철 바에 의해 보강될 수 있다. 콘크리트가 보강없이 판 사이에 위치되는 경우에는, 충전재로서만 작용하고 그리고 조립체의 강도 특성을 강화시키지는 못한다. 콘크리트가 보강 바를 구비하는 경우에도, 이 보강 바는 콘크리트와 파형 강철판 사이에서 시어-본드 연결을 위하여 설계되지 않아서 조립체가 굽힘작용을 받는 경우, 콘크리트와 강철판은 서로 독립적으로 기능한다. 그러한 시스템은 샌드위치형 지지 구조물의 전형적인 콘크리트 충전식 중심을 갖춘 2중 판 조립체의 사용으로 파형금속판 구조물을 보강하는 방법을 향하여 나아간다. 다중곡선을 갖춘 매립식 아치구조물의 경우에, 시바첸코에 따른 보강 바의 설치는 보다 어려운 일이 된다.

미국특허 제 5,326,191호에서, 연속적인 파형금속시트 보강재는 적어도 암거의 상단부에 고정되며 암거의 길이에 걸쳐 연속적으로 뻗어있다. 이러한 암거 설계는 종래 기술의 멀리 이격된 횡단 보강재와 연합하여 문제를 해결하고 그리고 플러스 및 마이너스 굽힘모멘트 양자 모두에 저항할 수 있다. 그렇지만, 넓은 스팬의 구조물에서의 연속적인 보강은 비용이 많이 들고 설치하기 어렵다.

도 1은 본 발명에 따른 요각 아치구조물의 사시도,

도 2는 도 1의 다리 구조물의 끝면도,

도 3은 도 1의 3-3선 단면도,

도 4는 도 1의 4-4선 단면도,

도 5는 도 3의 시어 커넥터에 대한 변형 실시예를 도시하는 도면,

도 6은 파형판 중 하나의 내부에 고정된 시어 커넥터의 확대도,

도 7은 공동에 콘크리트를 도입시키기 위한 그라우트 플러그를 도시하는 도 3과 유사한 단면도,

도 8은 시어 본드장치에 대한 변경 실시예를 가지고 있는 파형판의 일부를 도시하는 도면,

도 9는 시어 본드장치에 대한 또 다른 변경 실시예를 가지고 있는 파형판의 일부를 도시하는 도면,

도 10, 11, 12, 13, 14, 15 및 16은 제1 세트에 관한 판의 제2 세트에 대한 변경 실시예를 도시하는 제1 및 제2 파형판의 단면도,

도 17은 경감슬래브를 가지고 있는 종래 기술의 구조물의 단면도,

도 18은 상단 보강재 및 부벽 보강재를 가지고 있는 종래 기술의 구조물의 단면도이다.

본 발명의 콘크리트 보강식 파형금속 아치형 구조물은 대다수의 상기 문제점을 극복한다. 본 발명에 의하여 제공된 바와 같은 복합 콘크리트 금속빔은 무거운 동하중의 차량통행을 지지하는 얕은 오버버든 또는 아치형 구조물의 되메움에 의해서 구조물 내에 야기되는 플러스 및 마이너스 굽힘모멘트 양자 모두에 대한 구조물의 저항을 강화시킨다. 본 발명의 상부판 및 하부 파형판을 상호연결하므로써 형성된 각각의 연속적인 콘크리트 충전 공동은, 얕은 오버버든으로 아치구조물을 제공함에 있어서 보다 큰 설계 융통성을 위하여 제공되도록 굽힘모멘트 및 축방향 하중 수용량을 갖춘 굴곡 빔 칼럼 스티프너로서 기능하는 복합 금속 내장형 콘크리트 빔으로서 작용한다.

본 발명의 특징에 따른 복합 콘크리트 보강 파형 금속 아치형 구조물은:

ⅰ) 소정의 스팬 단면, 높이 및 세로길이의 베이스 아치구조물을 형성하도록 서로 연결되는 파형금속판의 제1 세트;

ⅱ) 상기 베이스 아치의 서로 연결된 판의 제1 세트에 중첩되고 접촉하도록 서로 연결되는 금속판의 제2 세트;

ⅲ) 복수의 개별적이고, 횡단하도록 뻗어있으며, 둘러싸인 연속적인 공동을 형성하는 상기 서로 연결된 판의 제2 세트 및 제1 세트;

ⅳ) 상기 공동의 단부로부터 상기 판의 제2 세트의 횡단범위에 의하여 정하여 지는 단부까지 상기 연속적인 공동을 충전하는 콘크리트;

ⅴ) 상기 공동의 내부표면이 각각의 상기 제1세트 및 제2세트를 위하여 상기 둘러싸인 콘크리트-금속 경계면에 구비하는 시어 본드 커넥터;를 포함하고,

상기 베이스 아치는 상기 스팬 단면을 위하여 크라운부와 이에 인접한 히프부를 가지고 있고, 소정의 두께를 가지는 상기 파형 금속판은 상기 베이스 아치 내에 복수의 굴곡된 빔 칼럼을 제공하기 위하여 상기 아치의 세로길이를 횡단하여 뻗어있는 파형주름을 가지고,

상기 서로 연결된 금속판의 제2 세트는 적어도 상기 아치 크라운부를 포함하기 위해서 횡단방향으로 연속적으로 뻗어있고, 상기 서로 연결된 판의 제1세트에 직접 고정되고,

상기 공동은 상기 판의 제1 세트의 내부표면과 이에 마주보는 상기 판의 제2 세트의 내부표면에 의하여 형성되고,

상기 콘크리트로 충전된 공동은 상기 서로 연결된 판의 제1 세트와 제2 세트의 금속 내부표면에 의하여 포위된 콘크리트의 경계면을 형성하고,

상기 시어 본드 커넥터는 하중이 아치 구조물에 가해지는 때에 콘크리트와 금속이 함께 작용하는 것을 보장하기 위하여 판의 제1세트 및 제2세트의 일부분인 강체이고, 상기 시어 본드 커넥터는 상기 베이스 아치 구조물의 복합적인 양 및 음의 굽힘 저항 및 축방향 하중저항을 강화하기 위하여 복수의 골곡된 빔 칼럼 스티프너를 제공하고, 상기 구조물 상에 가해지는 예상 하중을 지지하기 위하여 충분한 개수의 상기 골곡된 빔 칼럼 스티프너를 제공하도록 충분한 개수의 상기 판의 제2 세트가 구비되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예가 도면을 참조하여 설명된다.

본 발명에 따라서, 큰 스팬의 아치형 구조물이 제공되며 이 구조물은 파형 강철판으로 구성된다. 바람직한 실시예에 따라서, 큰 스팬은 15m 이상의 그리고 가장 바람직하게는 20m 이상의 아치스팬을 포함한다. 이러한 범위의 스팬을 가진 본 발명의 구조물은 무거운 차량의 통행 하중과 같은 큰 하중을 최소한의 오버버든 범위(overburden coverage)로 지지할 수 있고 그리고 아치구조물 상에 콘크리트 경감슬래브 또는 다른 어떤 타입의 응력 경감 또는 분산장치도 필요로 하지 않는다. 본 발명의 아치구조물은 물론 특정 명세서에 언급된 보다 작은 스팬에 대해서도 채용될 수 있으며, 또는 본 발명의 구조물의 특징의 장점을 취함에 있어서, 보다 얇은 강철판이 사용될 수 있다. 변경예에서, 다른 낮은 강도의 금속은 바람직한 구조물의 강화 부하 지지 특성으로 인하여 알루미늄 합금과 같은 강철로 대체될 수 있다.

도 1에서, 본 발명의 일면이, 요각 아치로 통상 언급되는 아치형 구조물에서 사용되므로써 설명된다. 본 발명의 구조물은 물론 계란형상, 박스형 암거, 둥근 암거, 타원형 암거 등을 포함하는 다양한 파형 아치형 설계로 사용될 수 있다. 이 구조물(10)은 선 12로 나타낸 스팬과, 선 14로 나타낸 높이를 가진다. 높이 치수 및 스팬 치수와 함께 아치의 단면형상은 보행인, 승용차, 트럭, 기차 등의 그 아래로의 통행(under pass)을 수용하도록 설계된 아치구조물을 위한 클리어런스 인벨롭을 형성한다. 변경적으로, 아치(10)는 하천 또는 다른 타입의 수로에 다리를 놓는데 사용될 수 있다. 이 아치의 베이스부(16)는 표준의 아치 건설기술에 따라서 적절한 기초 상에 설치된다. 이 아치(10)는 18로 전체적으로 지시된 파형 강철판의 제1 세트를 상호연결함으로써 건설되며 그 접합은 점선 20에 의하여 한정된다. 상호연결된 판의 제1 세트는 소정의 단면 스팬(12)과 높이(14)를 제공하는 베이스 아치구조물을 형성한다. 아치의 세로 길이방향은 선 22로 나타내며, 소정의 아치길이를 제공하기 위해서 필요한 상호연결 판의 개수를 결정한다. 이 아치의 길이는 오버패스의 폭에 의하여 주로 결정된다. 개별적인 파형주름을 가지는 상호연결된 파형 판의 제1 세트는 복수의 상응하는 굴곡 빔 칼럼을 제공한다. 각각의 파형주름이 아치를 횡단하므로 이 각각의 파형주름(21)은 베이스 아치의 구조물에서 플러스 및 마이너스 굽힘모멘트와 축방향 하중에 저항하는 굴곡된 빔 칼럼(curved beam column)으로서 기능한다.

도 3에 보다 상세하게 도시된 바와 같이, 이 판은 아치의 세로길이(22)를 가로질러 뻗어있는 산부와 골부를 가지고 있는 한정된 두께의 파형금속, 바람직하게는 강철로 이루어진다. 바람직한 실시예에서는, 이 파형 금속판은 25mm 내지 150mm 의 선택된 길이와 125mm 내지 450mm의 선택된 피치의 사인곡선 파형 형상을 가진다. 본 발명에 다양한 일면에 따라서, 금속 내장형 콘크리트 스티프너는 판의 제1 세트의 상부에 판의 제2 세트의 세트를 위치시킴으로써 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 본 발명의 장점을 실현하기 위해서, 복합 콘크리트/금속 스티프너는 판의 제1 세트와 판의 제2 세트 사이에 콘크리트를 내재시킴으로써 형성되어야만 한다. 판의 제2 세트의 세트에 대한 다양한 변경 형상이 도면에 도시된다.

제1 실시예에서, 판의 세트는 아치의 횡단방향 및 길이방향 양자 모두에 있어서 연속적으로 뻗어있는 파형 판의 제2 세트로서 제공된다. 파형 강철판의 제2 세트(24)는 판의 제1 세트(18)를 덮는 방식으로 서로 연결된다. 판의 제2 세트는 아치의 세로길이(22)를 가로질러 뻗어있는 산부 및 골부를 갖춘 한정된 두께를 각각 가지고 있다. 판의 제2 세트의 골부는 판의 제1 세트의 산부에 고정된다. 본 특정 실시예에 따라서, 판의 제2 세트는 26에서 종결되며 선 28은 상호연결된 판의 제2 세트의 접합을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 판의 제2 세트는 베이스 구조물의 굴곡 빔 칼럼을 위한 적절한 스티프너를 제공함에 있어서 아치 설계 요구에 따라 아치의 전체 횡단면 또는 아치의 주요부위에 걸쳐서 뻗어있다. 판의 제2 세트는 하중을 지지하기 위한 유효 아치길이에 걸쳐서 뻗어있다. 오버버든을 제공함에 있어서, 오버버든의 측부의 형상 또는 정지각도에 따라서, 베이스 아치의 일부는 오버버든을 넘어서 뻗어있을 수 있어서 어떠한 하중도 지지하지 않기 때문에 베이스 아치의 크라운부 및/또는 히프부의 구역에서 판의 제2 세트를 필요로 하지 않는다.

이어지는 도면에 보다 상세하게 도시된 바와 같이, 아치의 각각의 히프구역에 대한 종결부분(26)으로부터 뻗어있는, 본 실시예에서 판의 제2 세트의 산부와 판의 제1 세트의 골부 사이에 형성되는 공동은 적절한 플러그(30)로 각각의 공동의 개방단부를 막음으로써 충전된다. 구멍(32)은 그 후 화살표 34로 나타낸 바와 같이 포위된 공동 내로 콘크리트의 주입을 허용하도록 상부판의 산부에 형성된다. 복수의 구멍(32)은 공동을 충전하여 공동 내의 어떤 공간의 형성을 방지하도록 콘크리트의 주입을 용이하게 하기 위해서 공동을 따라서 제공될 수 있어서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 콘크리트 강철 인터페이스가 제공된다. 일단 공동이 콘크리트로 충전되면, 개구(32)는 선택적으로 적절한 플러그(36)로 막히게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 아치(10)는 원호 38에 의하여 형성되는 크라운부 및 원호 40에 의하여 형성되는 서로 마주보는 히프부를 가지는 요각 아치 설계로 이루어진다. 판의 제1 세트(18)는 제1 단부(44)의 적절한 기초(42)로부터 기초(48)에 제공되는 제2 단부(46)까지 뻗어있는 베이스 아치를 형성한다. 판의 제2 세트(24)는 크라운부(38) 상에서 그리고 히프부분의 일부 상에서 연속적으로 뻗어있다. 본 실시예에서는, 판의 제2 세트(24)는 아래의 표면(50) 위의 히프부의 거의 대부분에 걸쳐서 뻗어있다. 그렇지만 판의 제2 세트는 아치의 베이스부위(44, 46)로 뻗어있을 수 있으며 또는 플러스 및 마이너스 굽힘모멘트와 축방향 하중에 저항하기 위한 설계 요구에 따라서 히프부 바로 안까지만 뻗어있을 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 선 20은 판의 제1 세트의 연결구역을 나타내고 그리고 선 28은 판의 제2 세트의 상호연결을 나타낸다.

차도가 아치구조물을 통하여 제공되는 경우, 이 차도(50)는 표준의 차도의 견적에 따라서 건설된다. 기초(42, 48)는 탄탄하게 돋운 흙(52) 위에 위치된다. 탄탄하게 돋운 흙 위에는 탄탄한 입상층(54)이 있다. 차도(50)는 보강 콘크리트 및/또는 탄탄한 아스팔트(56)의 층이다. 스팬(12) 및 높이(14)는 물론 지정된 차량 통행, 수로 등이 아치(10) 아래로 통과하기에 충분한 클리어런스 인벨롭을 형성하도록 선택된다.

아치(10)의 영역은 구역(60)에 비교적 작은 오버버든을 가지는 탄탄하게 돋운 흙(58)으로 되메워진다. 도 17에 대하여 설명되겠지만, 큰 스팬의 강철 구조물에는, 콘크리트 경감슬래브 등이 오버패스 표면(62) 상의 차량 통행과 같은 무거운 동하중을 강철 아치(10)와 함께 지지하도록 위치되는 것이 보통이다. 본 발명의 구조물에서는, 크라운부(38)의 상단에서의 그러한 경감슬래브 또는 콘크리트 보강재의 다른 형태는, 도 18에 도시된 바와 같이, 필요하지 않으며 여기에서 오버버든(60)의 최소량이 요구된다. 이것은 어프로치(64)의 경사도가 상당히 감소되기 때문에 오버패스 표면(62)을 설계함에 있어서 상당히 유익하다. 이 오버패스 표면(62)은 통상의 방식으로 건설되며 여기에서 부분(66)은 통상의 입상 재료의 탄탄한 층과 콘크리트 및/또는 아스팔트의 상부층을 가지고 있다. 본 발명에 따라서, 분리된 수용 공동에 의하여 형성되는, 원주방향으로 횡단하여 뻗어있는 연속 굴곡 스티프너를 제공하므로써, 그러한 구조물은 오버패스(62) 상의 무거운 차량 통행 동하중을 쉽게 지지하는 보강된 아치를 제공한다. 판의 제1 세트와 판의 제2 세트 사이에 형성되는 분리 공동 내의 금속 내재 콘크리트는 아치구조물 상에 부과되는 굽힘 및 축방향 하중에 저항하도록 통합된 설계의 복합 아치구조물을 제공한다.

본 발명의 복합 보강 스티프너는 중첩된 판의 제1 및 제2 세트(18, 24)에 의하여 형성되는 수용 공동 내에 제공된다. 도 3의 단면3-3에 도시된 바와 같이, 제1 세트의 파형 강철판은 판의 제2 세트의 산부(70)에 대항하여 골부(68)를 형성한다. 본 특정 실시예에 따라서, 제1 및 제2 파형판은 제1 및 판의 제2 세트(18, 24)에 대하여 동일한 사인곡선 형상의 파형을 가지고 있다. 제1 및 판의 제2 세트는 서로 연결되며 여기에서 판의 제1 세트의 산부(72)의 꼭지점은 판의 제2 세트의 골부(74)의 꼭지점과 접촉한다. 이 판은 다양한 타입의 파스너에 의하여 이 구역에 고정된다. 바람직하게 제1 및 판의 제2 세트의 정렬된 개구를 통하여 뻗어있는 볼트(76)는 적절한 너트(78)에 의하여 고정된다. 공동(80)은, 판의 제1 세트의 내부표면(82)과 판의 제2 세트의 내부표면(84)에 의하여 형성되며, 판의 제2 세트의 종결단부(26)로부터 아치를 횡단하여 연속적으로 뻗어있다. 콘크리트(86)는 각각의 판 벽(90, 92)의 내부표면(82, 84)과 콘트리트(86)의 접합부에서 복합 경계면(interface,88)를 형성하도록 공동(80)을 충전한다. 아치구조물에 하중이 걸릴 때, 금속판(90, 92)과 콘크리트(86) 사이에서, 금속/콘크리트 인터페이스는 인터페이스(88)에 시어 본드를 제공하는 제1 및 판의 제2 세트의 내부표면(82, 84) 상에 제공된 시어 본드 커넥터(94)로 인하여 복합 보강부재로 작용한다. 이 시어 본트 커넥터(94)의 전단 저항은 아치 다리(10)의 설계 요구에 따라서 선택된다. 시어 본트 커넥터(94)는 경계면(88)에서 전단력에 저항하기 위해서 판(90, 92)과 일체이거나 또는 판(90, 92)에 고정된다. 도 3의 특정 실시예에 따라서, 시어 본드 커넥터(94)는 내부표면(82, 84)에 고정된 각각의 시어 본드 커넥터(96)이다. 본 특정 실시예에서, 시어 본드 커넥터(96)는 판의 제2 세트의 산부(70)의 꼭지점(100)과 골부(68)의 꼭지점(98)에 고정된다. 시어 본드 커넥터의 그러한 위치는 전단응력이 굽힘시 최대가 되는 스티프너의 가장 바깥쪽과 가장 안쪽의 파이버에 시어 본드를 제공함으로써 굴곡된 빔의 강도를 강화시킨다.

각각 인접한 굴곡된 스티프너의 보강 특성은 도 4에 상세하게 도시된다. 제1 및 판의 제2 세트(18, 20)은 시어 본드 커넥터(96)에 의하여 복합 콘크리트/강철 부재를 제공하도록 콘크리트(86)의 연속적인 둘러싸인 형상을 형성한다. 시어 본드 커넥터(96)는, 하중이 아치구조물에 적용될 때 콘크리트와 강철이 일체적으로 작용되는 복합 경계면(88)를 확보하게 한다. 이러한 설계로, 본 발명에 따라서, 아치의 보강 스티프너는 무거운 차량 통행 하중과 같이 위쪽의 하중을 이동시키므로써 야기되는 아치의 플러스 및 마이너스 굽힘모멘트 양자 모두에 저항할 수 있다. 다른 설계는 구조물에 상당한 플러스 및 마이너스 굽힘저항을 제공할 수 없다. 다른 설계는 플러스 및 마이너스 굽힘저항을 감소시키거나 또는 제공하도록 구조물 상에서 경감슬래브 또는 강철 보강 바를 사용할 필요가 있다. 본 발명에 따른 복합으로 인한 다른 이익은 제1 및 판의 제2 세트를 건설함에 있어서 사용되는 금속의 두께 또는 무게의 절감이 가능하다는 것이다. 강철 보다는 알루미늄 합금과 같은 금속이 판으로 사용될 수 있다. 수용된 인접 복합 강철 콘크리트 스티프너는 또한 상당히 큰 스팬을 수용할 수 있고 그리고 감소된 편차를 가지고 있으며, 가장 중요하게는, 이 스티프너는 아치 설계시 보다 적은 오버버든의 사용을 허용하여, 아치구조물의 되메움 작업시 보다 기술적일 필요가 없거나 또는 선택적으로 비교적 낮은 기울기의 되메움 재료를 수용할 수 있다. 콘크리트에 대하여 수용 공동을 형성하기 위한 방식으로 함께 연결되는 제1 및 판의 제2 세트의 설비는 구조물의 건설을 매우 용이하게 하는 한편, 건조물의 상대적인 강도를 해석함에 있어서 이어지는 예로 명백한 바와 같이, 구조물에 대한 크게 증가된 스팬을 제공한다. 공동(80) 내의 콘크리트가 복합 지지구조물로서 기능하는 것을 확실하게 하기 위해서, 도 4에 도시된 바와 같이, 이 시어 본드 커넥터가 각각 판의 제1 세트의 골부(68)와 판의 제2 세트의 산부(70)에 각각 부착됨에 따라 시어 본드 커넥터(96)는 서로로부터 멀리 이격된다. 더욱이, 시어 본드 커넥터의 대향 세트는 시어 본드를 최적화시키기 위해서 콘크리트 강철 경계면(88)에 서로 엇갈리게 배치된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 커넥터 시어 본드 커넥터(96)에 대한 변경 배열이 제공된다. 골부(68)는 아래쪽으로 경사진 측부(102)를 가지고 있고 그리고 산부(70)는 위쪽으로 경사진 측부(104)를 가지고 있다. 시어 본드 커넥터(96)는 그 후 공동(80) 내의 시어 본드 커넥터의 개수를 증가시키기 위해서 골부의 아래쪽으로 경사진 측부 및 산부의 위쪽으로 경사진 측부 상에 위치되는 한편 동시에 공동의 횡단하여 뻗어있는 방향으로 소정 간격을 제공한다.

도 6에서, 바람직하게 기둥부위(106) 및 원형 확대 머리부위(108)를 갖춘 시어 본드 커넥터(96)는 판의 제1 세트 강철벽(90)에 저항용접된 베이스부(110)를 가지고 있다. 본 발명에 따라서, 저항용접물(112)은 제 위치에 시어 본드 커넥터(96)를 연결함에 있어서 베이스 금속(113)의 일부를 소모한다.

도 7은 그라우트 노즐(114)을 통하여 콘크리트(86)로 충전되는 공동(80)을 도시한다. 이 그라우트 노즐은 판(24)의 벽(92)에 고정된 커플링(116)을 가지고 있다. 이 커플링은 개구(118)를 가지고 있으며 여기에서 콘크리트는 커플링(116)에 콘크리트 펌프라인을 연결시킴으로써 화살표(120)의 방향으로 공동(80) 내로 분사된다. 일단 콘크리트로 공동을 완전히 충전하면, 적절한 플러그(124)가 콘크리트의 설치를 완성하기 위해서 개구(118)를 폐쇄하도록 커플링에 나사결합된다. 충전의 목적으로 판 벽(92) 내의 개구에 잠시 연결되고 그 후 제거되는 해제가능한 커플링 및 판(92)의 개구에 고정된 마개 등을 갖춘 콘크리트 펌프라인의 단부를 개조한 것과 같은, 콘크리트로 공동을 충전시키기 위한 다른 기술이 물론 채용될 수 있다.

상기 설명된 바와 같이, 다양한 타입의 시어 본딩 장치가 제1 및 판의 제2 세트의 내부표면에 형성될 수 있다. 도8은 판의 제1 세트(18)의 판 벽(90) 내에 형성된 멀리 이격된 돌출 러그(126)를 도시한다. 이 내부의 수평방향의 돌출 러그는 바람직하게 골부(98)의 꼭지점을 따라서 형성된다. 이 수평방향의 돌출 러그(126)는 판 벽(90) 내에 스탬핑되어 소정의 피크(128)로 안쪽으로 돌출된다. 콘크리트가 공동 내에 설치됨에 따라 내측으로 돌출하는 일체로 형성된 피크(128)는 판의 내부표면(82)과 함께 필수적인 시어 본드를 제공한다. 마찬가지로, 도 9의 변경 실시예에 있어서, 판의 제1 세트(18)의 내부표면(82) 상에는 복수의 융기부(130)가 형성된다. 이 융기부(130)는 내부표면 내에 일체적으로 형성되어서 조립된 구조물의 공동 내로 콘크리트가 펌핑되어 세팅될 때 콘크리트와 함께 시어 본드를 제공하기에 충분한 높이이다.

도 10, 11 및 12는 아치의 길이방향에서 굴곡된 빔에 대한 다양한 간격을 제공하기 위한 제1 및 판의 제2 세트의 변경적인 배열을 도시한다. 도 10에서 아치의 베이스는 복수의 상호연결된 판(18)에 의해 제공된다. 아치의 베이스를 따른 선택된 위치에서, 판의 제2 세트(24)의 세트는 공동(80)을 형성함에 있어서 판의 제2 세트의 산부(70)의 맞은 편에 골부(68)가 위치되도록 연결된다. 판의 제2 세트(24)에서 하나 이상의 골부(68)를 건너뛰어 이에 따라 베이스 판(18)의 파형주름에 의하여 상호연결되는 멀리 이격된 아치 스티프너가 제공된다. 선택적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 판의 제2 세트(24)는 다중 산부(70)를 제공하는 다중 파형과 이에 따른 다중 공동(80)을 포함할 수 있다. 판의 제2 세트(24)의 세트의 각각에 있어서 하나 또는 양쪽의 다중 공동은 시어 본드 커넥터(96)와 함께 콘크리트로 충전된다. 도 10 및 도 11의 구조물로써, 굴곡된 스티프너는 하중을 받아내며 여기에서 베이스 판(18)의 파형주름은 하나의 구조물을 제공하도록 이들 빔을 상호연결한다. 그러므로, 예상 또는 설계된 하중에 따라서, 빔의 간격은 완성된 구조물에서의 필연적인 플러스 및 마이너스 굽힘저항 및 축방향 하중 저항을 제공하도록 결정될 수 있다. 또한, 판의 제2 세트(24)은 3개 이상의 파형주름을 가질 수 있다. 그렇지만, 두께가 대략 3 내지 7㎜이고 폭이 75㎝인 강철판에 대하여는, 충분한 깊이와 피치를 가지는 2개 이상의 파형주름을 형성하기 어렵다. 선택적으로, 알루미늄은 성형이 용이하므로, 폭이 120㎝인 알루미늄 판이 사용된다면, 적어도 3개 및 4개까지의 파형주름을 제공할 수 있다.

도 12의 실시예에 있어서, 판의 제2 세트(24)의 세트는 베이스 판(18)을 가로질러 연속적으로 제공된다. 판의 세트는 볼트(76)에 의하여 상호연결되며 일부 위치에서 4장까지의 판이 상호연결된다. 이것이 조립을 복잡하게 하긴 하지만, 되메움 동안 구조물을 지지하거나 또는 중첩하중을 지지할 때, 콘크리트로 충전된 대향하는 제1 및 제2 파형판의 모든 인접 공동을 가지는 최종적인 구조물은 아치의 플러스 및 마이너스 굽힘 및 축방향 하중에 대한 저항에 최적화된 매우 튼튼한 구조물을 제공한다. 도 10 및 도 11에 관하여 설명된 구조물에 있어서의 장점 중 하나는, 상호연결된 판의 제2 세트의 세트가 중첩되지 않아 도 12의 실시예와 같이 4장까지의 판이 상호연결되어야만 하는 상황을 회피할 수 있다는 것이다.

도 13 및 도 14는 서로에 대하여 제1 및 판의 제2 세트에서의 파형주름의 피치를 변화시킨 변경 실시예를 도시한다. 도 13에 있어서, 판의 제2 세트(24)은 사인곡선의 파형에 대한 피치를 가지며 여기에서 산부(70)는 판의 제1 세트(18)의 골부(68) 간격의 ½만큼 이격된다. 이러한 배열은, 단위폭 당 보다 많은 개수의 파형주름을 가지는 판의 제2 세트보다 두꺼운 재료로 이루어지는 판의 제1 세트에서의 보다 적은 개수의 파형주름을 위하여 제공된다. 시어 본드 커넥터(96)는 베이스 아치구조물을 보강하기 위하여 굴곡된 빔 스티프너를 형성하도록 도시된 방식으로 공동(80) 내에 제공된다.

선택적으로, 도 14에 도시된 바와 같이, 판의 제2 세트(24)은 판의 제1 세트(18)보다 적은 개수의 파형주름을 가진다. 본질적으로, 도 14는 볼트(76) 사이의 거리로 나타낸 바와 같이, 판의 제1 세트 및 판의 제2 세트 양쪽 모두에 대하여 피치만이 증가된, 도 13의 단면도를 역으로 도시한 것이다. 도 13의 실시예와 같이, 시어 본드 커넥터(96) 형상의 시어 본드 커넥터는 복합 콘크리트 금속 스티프너를 제공하도록 공동(80) 내에 제공된다.

도 13 및 도 14에서 명백한 바와 같이, 공동(80)은 복합 금속 내장형 콘크리트 스티프너를 형성함에 있어서 다양한 단면형상을 취할 수 있다. 판의 제2 세트(24)이 다각형상의 파형주름을 가지는 또 다른 변경예가 도 15에 도시되며, 판의 제2 세트(24)이 사다리꼴, 삼각형 등의 다른 다각형상을 가질 수 있지만, 본 실시예에 있어서는 사각형상을 가진다. 또 다른 실시예에서와 같이, 시어 본드 커넥터(96)는 베이스 아치 구조물을 보강함에 있어서 소정의 복합 콘크리트 금속 스티프너를 형성하도록 공동(80) 내에 제공된다. 도 15의 배열로써, 다각형상 파형주름을 가지는 판의 제2 세트(24)은 판의 제1 세트(18)의 산부 위에 보다 많은 양의 콘크리트가 있을 수 있게 한다.

도 16의 실시예는 판의 제1 세트(18)에 연결된 평평한 판의 제2 세트(24)를 구비하고 있다. 여기에서 평평한 판(24)은 판의 제1 세트의 산부(72)의 꼭지점에 의하여 형성된 평면에 놓여진다. 시어 본드 커넥터(96)는 도시된 방식으로 공동(80) 내에 제공되며 여기에서 각각의 공동(80)은 충전된다. 판의 제2 세트에 있어서 평평한 판의 제2 세트의 사용은, 예를 들어 곡률반경이 비교적 작은 아치의 구역에서 아치를 횡단함에 있어서 평평한 판의 제2 세트(24)은 판의 제1 세트(18)의 곡률에 맞춰지기 위해서 보다 손쉽게 굴곡될 수 있게 한다.

도 10 내지 도 16의 다양한 실시예로써, 공동 설계시의 단면형상은 매우 다양할 수 있다는 것이 명백하다. 굽힘모멘트에 저항하기 위한 복합 콘크리트 금속 스티프너의 가장 효과적인 형태를 제공함에 있어서 공동은 판의 제1 세트의 산부의 평면 위아래에서 뻗어있어 스티프너의 외부와 내부파이버 사이의 가능한 최대거리, 즉 스티프너에 대한 가장 큰 단면계수를 형성한다. 그러므로, 판의 제1 세트 및 판의 제2 세트에 대한 바람직한 형상은 도 10 내지 도 12에 도시된 것이며 여기에서 판의 제2 세트의 대향 산부는 판의 제1 세트의 대향 골부로부터 가장 멀리 이격되어 각각의 복합 콘크리트 금속 내장형 스티프너의 단면계수를 최소화한다.

스티프너를 제공함에 있어서 본 발명의 다양한 실시예로부터 놀랄만한 점은, 구조물의 스팬이 다른 타입의 스티프너를 가지는 전통적인 타입의 강철 아치구조물에 비하여 크게 증가될 수 있다는 것이다. 그 경계면에 시어 본드를 가지는 복합 콘크리트 및 금속재료의 독특한 굴곡 스티프너를 제공함에 의하여, 새로운 클리어런스 인벨롭을 제공하기 위하여 아치설계에 대하여 매우 중요한 변경이 이루어질 수 있다. 표준의 아치설계가 구조물의 굽힘모멘트에 저항하기 위한 유일한 형상이라고 여겨지는 제한된 형상을 가지기 때문에 종래 기술의 구조물 모두는 표준의 아치설계의 변경을 허용하지 않았다. 판의 제2 세트가 아치의 한 쪽 베이스로부터 아치의 다른 쪽 베이스까지 뻗어있는 경우, 복합적인 축방향 및 굽힘하중 용량에 의 증가는 전체 아치 구조물을 걸쳐 분포된다. 콘크리트가 금속 내에 싸여지는 독특한 복합 굴곡 빔 칼럼은, 설계 기술자가 상이한 타입의 클리어런스 인벨롭, 최소 오버버든 및 완만한 접근경사를 제공하도록 굴곡 구조물에 대하여 독특한 형상을 제공할 수 있게 한다. 통상, 그러한 변경적인 설계는 오직 크게 보강된 타설식 콘크리트 다리 구조물에서만 성취될 수 있었다. 그러므로 본 발명의 구조적인 특징은, 고가의 크게 보강된 표준 콘크리트 다리 설계에 대한 대안을 제공함에 있어서, 완전히 새로운 영역의 파형금속 구성요소에 대한 표준 타입의 아치설계를 취한다.

또 다른 장점은, 아치구조물에 대한 신규한 클리어런스 인벨롭이, 아치 아래이긴 하지만 클리어런스 인벨롭의 지하도 외측의 영역, 즉 보행자, 동물 및 자건거와 같은 소형 탈것의 운행을 위한 수로, 보도, 배수로, 보조통로로써 기능하는 영역을 제공한다는 것이다. 이들 추가적인 특징을 위한 공간이 보다 비싸게 형성된 콘크리트 다리에 제공될 수 있지만, 본 발명의 금속 아치형 구조물은 상당히 낮은 가격으로 이들 특징을 성취할 수 있다.

이들 표준 구조물의 이어지는 구조적인 해석과 관련하여 새로운 아치구조물에 대한 도 17 및 도 18의 종래 기술의 표준 구조물의 이어지는 설명은 새로운 설계의 많은 상당한 이점을 개시한다.

차량 동하중과 같은 국지적인 하중은 가요성 아치구조물 내에 2가지 종류의 응력을 발생시킨다. 도 18은 국지적인 하중 하에 미국특허 제 4,390,306호의 아치 구조물(146)에 의하여 취해지는 전형적인 변형(154)을 도시한다. 구조물의 상단부(150) 상의 하향의 하중(148)으로 인하여, 양의 굽힘모멘트(152)는 구조물의 크라운부에서 야기되고 음의 굽힘모멘트(154)는 히프부에서 유도된다. 본 특정 설계는 슬래브(155)를 제공함으로써 양의 굽힘모멘트를 취급하도록 시도된다. 그렇지만, 부벽(158)은 이 구조물이 그 방향으로 휘어질 수 있기 때문에 히프부의 음의 굽힘응력에 저항할 수 없다. 또한 수직 동하중은 수직 축방향 하중(159)을 구조물의 기초(156)로 전달하는 구조물의 횡단 파이버를 따라 전달된다. 한정된 수직하중에 대한 구조물에 있어서 수직응력에 대한 굽힘응력의 비율은 오버버든의 두께에 따라서 변화한다. 일반적으로, 오버버든이 얇아질수록 동하중이 아치구조물의 표면에 도달할 때 더욱더 국지적으로 되어, 지붕에서 야기되는 변형은 더욱더 커지고, 그리고 구조물 내의 굽힘응력은 더욱더 커진다.

도 17의 표준 가요성 파형금속 아치(132)는 굽힘응력에 저항함에 있어서 특히 약하다. 전통적인 설계는 구조물 상의 국지적인 동하중(134)을 가능한 한 분산시키도록 노력함으로써 구조물 내의 굽힘의 양을 제한한다. 가장 분명한 방법은 오버버든 흙(136)의 두께를 증가시키는 것이다. 오버버든 흙에 작용하는 점하중은 도 13에 점으로 도시된 바와 같이 응력 분산 인벨롭(138)과 일치하여 흙의 두께에 걸쳐서 분산된다. 하중이 금속 아치 셸의 상단표면(140)에 도달할 때, 이것은 셸 표면의 넓은 영역에 걸쳐 작용되는 하중이 된다. 그러므로 구조물에서의 주응력은 굽힘응력보다는 축방향응력이 된다. 전통적인 매립식 가요성 아치 설계에 있어서는, 표준 최소 오버버든 커버가 제공되어야만 한다. 오버버든의 두께가 제한되어 최소 요구값보다 작은 경우에, 응력 경감슬래브(142)는 구조물의 위쪽과 바깥쪽에서 응력 분산 인벨롭(144)을 더 연장시키도록 제공되어야만 한다. 응력 경감슬래브(142)는 표면(135) 또는 표면과 아치 사이의 일정 위치에서 아치(132)의 상단에 위치될 수 있다. 슬래브(142)가 아치의 상단에 가깝게 위치됨에 따라, 응력 분산 인벨롭 형상은 물론 변화된다. 여하튼간에, 본 발명의 스티프너 설계에 사용되는 콘크리트의 양은 경감슬래브에 사용되어야만 하는 양보다 상당히 적다.

이어지는 토목공사 해석은 본 발명의 설계로부터 유도되는 놀랄만한 장점을 개시한다. 도 1 및 도 4에 도시된 타입의 복합 콘크리트 보강식 파형금속 아치형 구조물이 설계된다. 파형금속판의 제1 세트는 스팬이 19.185m이고 기초로부터의 높이가 8.708m인 요각 베이스 아치 외형을 갖춘 3ga(약 6.07 mm) 두께의 강철로 만들어진다. 3ga 두께의 강철로 만들어진 파형금속판의 제2 세트는 베이스 아치의 상호연결된 판의 제1 세트를 중첩시키는 방식으로 상호연결된다. 판의 제2 세트는 도 11에 도시된 바와 같이, 판의 제2 세트의 파형의 골부가 판의 제1 세트의 산부에 고정되는 상태로 아치의 세로길이를 가로질러 뻗어있는 2개의 파형을 갖춘 세그먼트로 설치된다.

아연 코팅 이전에, 도 6에 도시된 바와 같은 시어 본드 커넥터가 파형금속판의 제1 및 제2 세트에 저항용접으로 부착된다. 이 시어 본드 커넥터는 중심에서 800㎜ 이격되어 길이가 40㎜에 직경이 12㎜이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 시어 본드 커넥터는 판의 제1 세트와 판의 제2 세트 사이에서 엇갈리게 배치된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 그라우트 노즐은 판의 제2 세트의 상단에 제공된다. 콘크리트는 공동의 단부가 막힌 후에 그라우트 노즐을 통하여 공동 내로 도입되어 25MPa의 압축강도로 충전된다.

현장조건이 본 구조물에 대하여 1.13m의 커버높이를 요구하는 것에 반하여 현대의 다리 설계기준은 비-복합 급속 아치구조물로써 3.82m의 최소 커버높이를 요구한다. 1.13m의 커버높이를 성취하기 위해서, 비-복합 금속 아치구조물은 판의 제1 세트에 대하여 1ga 두께의 강철을, 그리고 보강판의 제2 세트에 대하여 1ga 두께의 강철을 사용할 것이 요구된다. 비-복합 금속아치는 콘크리트로 충전되는 공간을 가지고 있지 않으며 시어 본드 커넥터도 가지고 있지 않다. 그렇지만 이 비-복합 금속아치는 도로 표면에 설치된 구조물의 전체길이에 걸쳐 뻗어있는 폭이 20m에 두께가 300㎜인 콘크리트 경감슬래브를 필요로 한다. 본 발명의 복합 콘크리트 보강 구조물은 상기 종래기술의 구조물의 상기 문제점 없이 오버버든의 상대적으로 낮은 최소값에 대한 설계요구를 충족시킨다.

복합 콘크리트 보강 파형금속 아치구조물은 재료 및 설치비용 양자 모두에 있어서 상당한 절감을 가능하게 한다. 시어 본드 커넥터를 갖춘 3 ga 두께의 강철 가격은 시어 본드 커넥터를 제외한 1ga 두께의 강철가격보다 상당히 싸다. 더욱이, 공간을 충전하기 위한 콘크리트의 양은 경감슬래브를 건설하기 위해서 사용되는 콘크리트의 양보다 상당히 적다. 콘크리트 경감슬래브와 함께 비 보강식 파형금속 아치구조물의 가격은 본 발명의 복합 구조물의 가격보다 적어도 20% 많다.

본 발명은 상단 및 히프부위에서 아치구조물 자체의 굽힘모멘트 수용량을 증가시키므로써 얕은 커버를 갖춘 아치구조물 상의 동하중과 관련된 문제를 극복한다. 구조물에 걸쳐서 연속적인 굴곡 스티프너의 설비는 이 구조물이 양 및 음의 굽힘모멘트에 저항하도록 한다. 더욱이, 구조물의 설치단계 동안에, 측부에 작용하는 지압으로 인하여 크라운부가 뾰족해지는 것이 가능하다. 이러한 상황에서는, 본 발명의 복합 콘크리트/금속 아치구조물이 균일하게 저항할 수 있는 구조물의 크라운부에서 음의 굽힘이 발생된다. 이것은 주로 제한된 양의 모멘트 저항에 대하여만 설계되어 추가적인 정교한 보강수단이 없이는 음의 모멘트에 저항할 수 없는 종래기술에 비하여 상당한 장점을 나타낸다. 나아가서, 복합 굽힘 및 축방향 하중에 영향받는 굴곡된 빔 칼럼의 굽힘 모멘트 수용량을 증가시킴으로써, 칼럼의 복합 굽힘 및 축방향 하중 수용량도 또한 증가된다.

본 발명의 바람직한 실시예가 여기에 상세하게 설명되었지만, 본 발명의 사상 또는 첨부된 청구항의 범위로부터 벗어남 없이도 종래 기술의 기술자에 의하여 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (25)

1. 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물로서,

   ⅰ) 소정의 스팬 단면, 높이 및 세로길이의 베이스 아치구조물을 형성하도록 서로 연결되는 성형 파형금속판의 제1 세트를 포함하고, 상기 베이스 아치는 상기 스팬 단면을 위하여 크라운부와 이에 인접한 히프부를 가지고 있고, 소정의 두께를 가지는 상기 파형 금속판은 상기 베이스 아치 내에 복수의 굴곡된 빔 칼럼을 제공하기 위하여 상기 아치의 세로길이를 횡단하여 뻗어있는 파형주름을 가지고,

   ⅱ) 파형 금속판의 제2 세트의 곡부가 판의 제1 세트의 산부에 고정된 상태로 상기 베이스 아치의 서로 연결된 판의 제1 세트와 중첩되고 접촉하도록 서로 연결되는 1개 이상의 주름을 가진 파형 금속판의 제2 세트를 포함하고, 상기 서로 연결된 금속판의 제2 세트는 상기 히프부 중 어느 하나의 베이스부로부터 상기 크라운부를 거쳐 상기 히프부의 다른 한 쪽의 베이스부까지 횡단방향으로 연속적으로 뻗어있고,

   ⅲ) 상기 서로 연결된 판의 제2 세트 및 제1 세트는, 복수의 개별적으로 횡방향으로 뻗어있고 둘러싸인 연속적인 공동을 형성하고, 상기 공동은 상기 판의 제1 세트의 내부표면과 이와 마주보는 상기 판의 제2 세트의 내부표면에 의하여 각각 형성되고,

   ⅳ) 콘크리트가 상기 공동의 단부로부터 상기 판의 제2 세트의 횡단범위에 의하여 정하여지는 단부까지 상기 연속적인 공동을 충전하고, 상기 콘크리트로 충전된 공동은 상기 서로 연결된 판의 제1 세트와 제2 세트의 금속 내부표면에 의하여 둘러싸인 콘크리트의 경계면을 형성하고,

   ⅴ) 각각의 상기 제1 세트 및 제2세트의 상기 공동의 내부표면이, 상기 둘러싸인 콘크리트-금속 경계면에 시어 본드 커넥터를 구비하고, 상기 복합 시어 본드 커넥터는 하중이 아치 구조물에 가해지는 때에 콘크리트와 금속이 함께 작용하는 것을 보장하기 위하여 판의 제1세트 및 제2세트의 일부분인 강체이고, 상기 시어 본드 커넥터는 상기 베이스 아치 구조물의 복합적인 양 및 음의 굽힘저항 및 축방향 하중저항을 보강하기 위하여 복수의 골곡된 빔 칼럼 스티프너를 제공하고, 상기 구조물 상에 가해지는 예상 하중을 지지하기에 충분한 개수의 상기 골곡된 빔 칼럼 스티프너를 제공하도록 충분한 개수의 상기 판의 제2 세트가 구비되는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
2. 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물로서,

   ⅰ) 소정의 스팬 단면, 높이 및 세로길이의 베이스 아치구조물을 형성하도록 서로 연결되는 성형 파형금속판의 제1 세트를 포함하고, 상기 베이스 아치는 상기 스팬 단면을 위하여 크라운부와 이에 인접한 히프부를 가지고 있고, 소정의 두께를 가지는 상기 파형 금속판은 상기 베이스 아치 내에 복수의 굴곡된 빔 칼럼을 제공하기 위하여 상기 아치의 세로길이를 횡단하여 뻗어있는 파형주름을 가지고,

   ⅱ) 상기 베이스 아치의 서로 연결된 판의 제1 세트와 중첩되고 접촉하도록 서로 연결되는 성형 금속판의 제2 세트를 포함하고, 상기 서로 연결된 금속판의 제2 세트는 적어도 상기 아치 크라운부를 포함하기 위하여 횡단방향으로 연속적으로 뻗어있고, 상기 서로 연결된 판의 제1세트에 직접 고정되고,

   ⅲ) 상기 서로 연결된 판의 제2 세트 및 제1 세트는, 복수의 개별적으로 횡방향으로 뻗어있고 둘러싸인 연속적인 공동을 형성하고, 상기 공동은 상기 판의 제1 세트의 내부표면과 이와 마주보는 상기 판의 제2 세트의 내부표면에 의하여 각각 형성되고,

   ⅳ) 콘크리트가 상기 공동의 단부로부터 상기 판의 제2 세트의 횡단범위에 의하여 정하여지는 단부까지 상기 연속적인 공동을 충전하고, 상기 콘크리트로 충전된 공동은 상기 서로 연결된 판의 제1 세트와 제2 세트의 금속 내부표면에 의하여 둘러싸인 콘크리트의 경계면을 형성하고,

   ⅴ) 각각의 상기 제1 세트 및 제2세트의 상기 공동의 내부표면이, 상기 둘러싸인 콘크리트-금속 경계면에 시어 본드 커넥터를 구비하고, 상기 복합 시어 본드 커넥터는 하중이 아치 구조물에 가해지는 때에 콘크리트와 금속이 함께 작용하는 것을 보장하기 위하여 판의 제1세트 및 제2세트의 일부분인 강체이고, 상기 시어 본드 커넥터는 상기 베이스 아치 구조물의 복합적인 양 및 음의 굽힘저항 및 축방향 하중저항을 보강하기 위하여 복수의 골곡된 빔 칼럼 스티프너를 제공하고, 상기 구조물 상에 가해지는 예상 하중을 지지하기에 충분한 개수의 상기 골곡된 빔 칼럼 스티프너를 제공하도록 충분한 개수의 상기 판의 제2 세트가 구비되며, 상기 단면의 스팬은 15m를 초과하는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 스팬 아치 상에 최소의 오버버든을 가진 상태로 상기 굴곡된 빔 컬럼 스티프너는 소정의 하중을 지지하는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 최소의 오버버든은 상기 굴곡된 빔 컬럼 스티프너를 가지지 않은 보강된 베이스 아치형 구조물에 대하여 정하여지는 오버버든의 깊이보다 더 작은 오버버든 재료두께를 가지는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 판의 제2 세트는 하나 이상의 파형주름을 구비한 파형금속판이고, 상기 판의 제2 세트의 상기 파형주름은, 상기 파형의 판의 제2세트의 골부가 판의 제1 세트의 산부에 고정된 상태로 상기 아치의 세로길이를 횡단하여 뻗어있는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 판의 제2 세트는, 상기 하나의 히프부의 중간부로부터 상기 크라운부를 지나 다른 하나의 상기 히프부의 중간부까지 뻗어, 상기 구조물의 스팬의 주된 부분에 걸쳐 뻗는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
7. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 판의 제2 세트는 평평한 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
8. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 판의 제2 세트는, 상기 판의 제1세트의 단위폭 당 파형주름의 개수보다 큰 단위폭 당 파형주름의 개수를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
9. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 파형주름은 사인곡선형상 또는 다각형상의 단면형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
10. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 판의 제2 세트는, 상기 하나의 히프부의 베이스부로부터 상기 크라운부를 지나 다른 하나의 상기 히프부의 베이스부까지 뻗어, 상기 아치의 스팬을 걸쳐 뻗는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
11. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 복합 경계면의 시어 본드 커넥터는, 상기 콘크리트와 상기 금속판의 제1 및 제2 세트 사이의 상대운동에 저항하기 위하여 상기 판의 제1 세트 및 판의 제2 세트 내에 형성되는 복수의 일체적인 측방향으로 돌출된 러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
12. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 복합 경계면의 시어 본드 커넥터는, 상기 판의 제1 세트 및 상기 판의 제2 세트의 세트에 의하여 형성되는 상기 공동의 내부표면에 고정된 안쪽방향으로 돌출된 시어 본드 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
13. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 복합 경계면의 시어 본드 커넥터는, 상기 판의 제1 세트 및 제2세트의 내부표면 상에 형성된 융기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
14. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 각각의 판의 제2 세트는 단일 파형주름을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
15. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 각각의 판의 제2 세트는 복수의 인접한 횡단하여 뻗어있는 공동을 형성하기 위하여 다중 파형주름을 구비하고 있고, 상기 인접한 공동 중 하나 이상의 공동은 상기 시어 본드 커넥터를 구비하고, 상기 굴곡된 빔 칼럼 스티프너를 제공하기 위하여 콘크리트로 충전되는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
16. 제 15 항에 있어서, 각각의 상기 인접한 공동은 상기 시어 본드 커넥터를 구비하고 있고, 상기 굴곡된 빔 칼럼 스티프너의 인접한 그룹을 제공하기 위하여 콘크리트로 충전되는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
17. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 파형판의 제2 세트는 상기 판의 제1 세트와 중첩되며, 상기 판의 제2 세트는 세로길이방향으로 하중을 유효하게 지지하는 길이 동안 상기 판의 제1 세트와 연속적으로 중첩되며, 선택된 공동은 상기 시어 본드 커넥터를 구비하고 있고 충분한 개수의 상기 굴곡된 빔 칼럼 스티프너를 제공하기 위하여 콘크리트로 충전되는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
18. 제 17 항에 있어서, 인접한 공동은 상기 시어 본드 커넥터를 각각 구비하고 있고, 하중을 지지하는 상기 구조물의 상기 유효 세로 길이를 따라, 인접한 굴곡된 빔 칼럼 스티프너를 제공하기 위하여 콘크리트로 충전되는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
19. 제 17 항에 있어서, 각각의 상기 판의 제1 및 제2 세트의 파형판은 동일한 사인곡선의 형상을 가지고 있으며, 각각의 상기 공동은 상기 제2 세트의 인접한 골부와 정렬되도록 볼트체결된 상기 제1 세트의 인접한 산부에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 시어 본드 커넥터는 각각의 공동의 상기 내부표면에 고정된 안쪽방향으로 돌출된 시어 본드 커넥터를 포함하며, 상기 시어 본드 커넥터는 서로 마주보는 상기 판의 제1 및 제2 세트의 내부표면을 따라서 서로 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 파형판은 25㎜ 내지 150㎜의 선택된 깊이와 125㎜ 내지 450㎜의 선택된 피치의 사인곡선 파형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
22. 제 1 항에 있어서, 상기 스팬은 15m를 초과하는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
23. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 플러그는 상기 공동의 각각의 단부에 제공되는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
24. 제 23 항에 있어서, 상기 공동은 상기 판의 제2 세트 내의 복수의 구멍을 통하여 콘크리트로 충전되며, 각각의 구멍은 상기 각각의 개별적인 공동의 콘크리트 충전이 완료된 후에 막히는 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.
25. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항, 또는 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조물은 계란형 암거, 요각 아치, 박스형 암거, 둥근 암거 또는 타원형 암거인 것을 특징으로 하는 복합 콘크리트 보강 파형금속 아치형 구조물.