KR100691744B1 - 바닥판에 연장된 긴장재에 의한 연속 ps 콘크리트 합성거더의 강화공법 - Google Patents

Abstract

단순 PS(prestressed) 콘크리트 거더(girder)는 일반적으로 중소형 도로교에 많이 사용되는 형태이나 지점부의 불연속으로 사용에 많은 문제점을 보여주며, 이를 해결하기 위해 여러 연속화공법이 제안되고 있다. 그러나 PS 콘크리트 거더가 연속화 되고 합성단면에 추가하중이 작용하면, 내부지점부에 발생되는 부모멘트는 바닥판 콘크리트 균열의 원인이 된다. 본 공법은 이러한 문제를 해결하기 위해 연속화 된 PS 콘크리트 거더에 설치된 덕트의 일부를 바닥판(slab)까지 연장한 후 바닥판이 타설되고, 바닥판이 충분히 경화되면 합성단면에 추가긴장력이 도입되는 것이다. 바닥판까지 연장된 추가긴장재의 편심거리는 연속보에 도입되는 긴장력에 의해 발생되는 솟음(camber)을 억제하기 위해 발생되는 내부지점의 이차반력(secondary recation force)에 의한 이차모멘트(secondary moment)를 감소시킨다. 합성단면에 도입된 추가긴장력은 재료적인 불연속이 상존하는 연결부의 강제적인 안정 그리고 바닥판 균열의 제어뿐만 아니라 저항모멘트를 효과적으로 증가시킬 수 있다.

PS 콘크리트, 합성거더, 연속화, 추가긴장력, 바닥판 균열제어, 이차모멘트

Description

바닥판에 연장된 긴장재에 의한 연속 PS 콘크리트 합성거더의 강화공법 {Strengthening Method of Continued PS Concrete Composite Girder by Extending Tendon to Slab}

[도 1] 긴장력과 하중에 의한 PS 콘크리트 합성거더의 휨모멘트 분포도

(a) 단순지지된 PS 콘크리트 거더의 긴장력과 하중에 의한 휨모멘트

(b) 연속된 PS 콘크리트 합성거더의 추가하중에 의한 휨모멘트

(c) 연속된 합성단면의 거더에 배치된 추가긴장력에 의한 휨모멘트

(d) 연속된 합성단면의 바닥판에 배치된 추가긴장력에 의한 휨모멘트

[도 2] 본 공법에 의한 연속 PS 콘크리트 합성거더의 시공 과정도

(1) 정착단부 보강판, 일차 및 추가 긴장재를 위한 덕트, 보강철근 조립

(2) PS 콘크리트 거더 제작 및 일차긴장력 도입

(3) PS 콘크리트 거더 설치 및 내부지점에서 연속화

(4) 가로보 설치, 추가긴장재용 덕트 연결, 바닥판 보강철근 배근

(5) 바닥판 타설 및 추가긴장력 도입

[도 3] 연속 PS 콘크리트 합성거더의 시공과정 연결부 상세도

11. 일차긴장재와 덕트(duct)12. 이차긴장재와 덕트

13. 추가긴장재용 덕트 연결부

14. PS 콘크리트 거더의 보강철근15. 바닥판의 보강철근

21. PS 콘크리트 거더(girder)22. 바닥판(slab)

23. PS 콘크리트 거더 정착단부 보강판(국내출원 10-2004-0017706, 10-2004-0009282)

24. PS 콘크리트 거더의 단부 연결 강판

25. 교좌장치(support)26. 가로보(cross beam)

27. 외측 PS 콘크리트 거더28. 내측 PS 콘크리트 거더

31. 단순지지된 거더에 작용하는 하중32. 연속 거더에 작용하는 하중

33. 연속거더의 솟음(camber)을 구속하기 위한 이차반력

41. 일차긴장력에 의한 휨모멘트

42. 단순지지된 거더의 하중에 의한 휨모멘트

43. 연속된 거더에 작용하는 하중에 의한 휨모멘트

44. 연속 합성단면의 거더에 배치된 추가긴장력의 의한 휨모멘트

45. 내부지점의 이차반력에 의한 이차휨모멘트(secondary moment)

46. 연속 합성단면에 도입된 휨모멘트

47. 연속 합성단면의 바닥판에 도입된 추가긴장력으로 이차반력이 최소화된 경우의 휨모멘트

교량에서 프리캐스트(precast)로 제작된 PS(prestressed) 콘크리트 거더(girder)는 현장에서 도 1(a)와 같이 단순보의 형태로 설치된다. 일반적으로 2경간 이상의 교량에서 단순지지된 거더의 사용은 상대적으로 큰 단면과 지점에서 신축이음장치의 사용 그리고 좋지 않은 승차감으로 설계기술이 향상된 현재에는 가능한 피하고 있다. 단순지지된 거더의 문제점들을 해결하기 위해 PS 콘크리트 거더에 대한 여러 연속화 공법이 제안되고 있다. 이러한 공법으로는 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 이들 연결부는 재료의 불연속으로 연결부에서 쉽게 균열이 발생되는 단점이 있으며, 이러한 문제점의 해결에는 강제적으로 연결부에 압축응력을 도입하는 외부긴장 보강재(국내출원 20-2003-0014875, 10-2001-0060681, 10-2001-0036273, 10-2000-0067723)가 적용되기도 한다.

연속화 된 합성거더에 추가로 작용하는 하중은 도 1(b)와 같이 내부지점부에서 바닥판(slab) 균열의 원인이 되는 부모멘트(43)를 발생시키는 취약성이 있다. 내부지점부의 부모멘트에 의한 바닥판의 균열은 연속화 된 프리캐스트 거더와 바닥판의 합성단면에 추가긴장력을 도입(국내출원 10-1999-0019658, 10-1999-0043513)하는 방법으로 억제할 수 있다. 그러나 연속 PS 콘크리트 거더에 긴장력이 도입되면, 거더의 솟음(camber)에 저항하는 내부지점에서 아래 방향으로 작용하는 이차반력(secondary recation force)(33)이 발생한다. 교량의 전체 구간에 대해 이 반력에 의한 모멘트를 이차모멘트(secondary moment)(45)라 하며, 이차모멘트는 경간 사이에서 외부하중에 의한 정모멘트에 저항하도록 도입된 긴장력에 의한 부모멘트(41, 44)를 도 1(c)와 같이 감소시킨다. 이러한 현장은 내부경간의 정모멘트 구간에서 심각한 영형을 준다. 특히 프리캐스트 거더와 현장타설 바닥판의 합성단면에서 중립축은 바닥판 쪽으로 상승하기 때문에 연속보의 합성단면에 추가긴장력이 도입되는 경우 정모멘트에 대한 저항력의 감소가 충분히 검토되어야 한다.

연속보에 도입되는 긴장력에 의한 이차모멘트의 발생을 제어하기 위한 방법으로 PS 콘크리트 상자형 교량와 사장교의 장점을 최대한 활용한 엑스트라도즈드(extradosed) 교량이 일본에서 개발되었으며, 우리나라에서도 시공되고 있다. 그러나 엑스트라도즈드 교량은 사장교와 유사한 주탑이 설치되고 거더의 연속화가 필요 없는 상자형 거더에 적용되기 때문에, 장대교량에는 효율적이나 연속화가 필요한 프리캐스트 콘크리트 거더와 합성단면에 추가긴장력을 도입하기 위한 중소형 교량에는 적절한 공법이 아니다. 본 공법은 도 1(d)와 같이 연속화 된 프리캐스트 PS 콘크리트 거더와 현장타설된 바닥판의 합성단면의 내부지점부에서 추가긴장재를 바닥판까지 연장하여 시공하고 추가긴장력을 도입하는 방법으로, 연속화에 따른 바닥판 균열과 이차모멘트의 제어 그리고 연결부의 안정화를 위해 고안되었다.

프리캐스트 PS 콘크리트 거더가 연속화 되는 연결부는 재료적인 불연속으로 균열이 발생될 수 있는 단점이 있으며, 연속화 된 거더에 작용하는 외부하중은 내부지점부의 바닥판에 균열을 발생시킨다. 이 균열을 제어하기 위해 연속보에 도입되는 추가긴장력은 외부하중으로 발생되는 정모멘트에 대한 저항모멘트를 감소시키는 이차모멘트를 발생시킨다. 특히 합성단면에 도입되는 추가긴장력에 의한 이차모멘트의 발생은 중심축의 상승으로 연속화 된 프리캐스트 거더에만 도입되는 경우보다 심각하다. 따라서 본 공법의 목적은 연속화 된 거더의 합성단면에 도입되는 추가긴장력에 의한 이차모멘트를 최소화하여 다음의 기능이 발휘하도록 하는 것이다.

1. 연속 PS 콘크리트 거더의 내부지점에 발생되는 부모멘트에 의한 바닥판의 균열제어

2. 연속 PS 콘크리트 합성거더에 도입되는 추가긴장력에 의한 이차모멘트의 감소

3. 내부지점에서 연속화 된 연결부의 안정화

본 공법은 연속화 된 PS 콘크리트 거더의 연결부를 추가긴장력으로 안정화하고, 연속화에 따라 발생되는 내부지점 부근의 부모멘트에 의해 발생되는 바닥판 콘크리트의 균열을 제어하기 위해 합성단면에 추가긴장력을 도입하면서도 이에 의한 이차모멘트의 발생을 최소화하는 것이다.

이를 위해 본 공법에서는 PS 콘크리트 거더(21)는 도 2의 시공단계에서 정착단부 보강판(23)(국내출원 10-2004-0017706, 10-2004-0009282) 및 일차긴장력과 추가긴장력을 위한 덕트(11, 12)가 도 2(1)과 같이 미리 설치된다. 도 2(2)의 일차긴장력이 도입된 PS 콘크리트 거더는 도2(3)과 같이 교각에 단순 거치되고, 연결 강판(24)을 볼팅스터드(국내출원 10-2003-0099610) 또는 용접으로 정착단부 보강판(23)에 고정하여 PS 콘크리트 거더(21)가 연속화된다. 바닥판(22)의 타설 전에 도 2(4)와 같이 가로보(26, cross beam)가 설치되며, 연결부의 바닥판(22)에 매입될 추가긴장재를 위한 덕트(12)를 연결하고, 바닥판 보강철근(15)을 배근한다. 최종적으로 도 2(5)와 같이 바닥판(22) 콘크리트를 연속적으로 타설하고, 바닥판(22)이 충분히 양생되면 연속화 된 프리캐스트 거더와 현장타설 바닥판의 합성단면에 추가긴장력을 도입한다. 도 2의 단계 (3)-(5)에 대한 상세도는 도 3과 같다.

1. PS 콘크리트 거더를 단순 거치시킨 후 연속부에 설치되는 보강재와 충진 콘크리트에 의한 연속화는 프리캐스트 거더와 현장타설된 연속부 콘크리트의 불연속성을 발생시키기 때문에 잠재적인 취약부로 관리되어야 한다. 그러나 프리캐스트 거더가 연속된 후 추가긴장력에 의해 도입되는 연속부의 압축응력은 재료의 불연속에 의한 균열발생을 강제적으로 억제하며, 균열이 발생된 경우에도 복원력을 발휘하기 때문에 연결부에서 안정적인 거동을 확보할 수 있다.

2. 사용하중(service load)에서 연속 PS 콘크리트 합성거더는 내부지점 부근의 부모멘트 구간에 타설된 바닥판에 균열을 발생되는 것이 일반적인 단점이다. 바닥판까지 연장된 긴장재에 의해 바닥판에 도입되는 압축응력은 이러한 균열의 발생을 억제할 수 있으며, 발생된 경우에도 균열성장을 제어 및 복원할 수 있다.

3. 바닥판까지 연장된 긴장재의 배치는 거더의 중심축에서 위쪽으로 편심거리를 증가시킨다. 위쪽으로 증가된 긴장재 편심거리에 의한 정모멘트와 처짐의 증가는 경간의 중심에서 합성거더 중심축의 아래쪽 배치로 발생되는 긴장재의 부모멘트에 의한 솟음을 감소시키는 역할을 한다. 이러한 작용은 연속보에 도입되는 긴장력에 의한 이차모멘트를 현저히 감소시켜서, 경간 중심부의 긴장재에 의한 부모멘트 감소를 줄일 수 있다.

4. PS 콘크리트 합성단면에 추가긴장력을 도입하는 것이 단순 거더에 도입하는 것보다 저항모멘트의 증가에 매우 효율적인 것으로 밝혀졌다.

Claims (1)

1) PS 콘크리트 거더용 보강철근(14)의 양단에 정착단부 보강판(23)을 설치하고, 상기 PS 콘크리트 거더용 보강철근(14)의 내측에는 아치형을 이루는 일차긴장력을 위한 덕트(11) 및 추가긴장력을 위한 덕트(12)를 그 가운데 부분이 오목하도록 설치하되, 상기 추가긴장력을 위한 덕트(12)는 상기 일차긴장력을 위한 덕트(11)의 상부에 위치하는 동시에 상기 정착단부 보강판(23)의 위쪽까지 연장되도록 PS 콘크리트 거더(21)를 제작하는 단계;

2) 상기 단계 1)에 따라 제작된 PS 콘크리트 거더(21)들을 각각 교각에 거치하는 단계;

3) 상기 단계 2)에 따라 각각 교각에 거치되어 서로 마주 보는 PS 콘크리트 거더(21)들의 정착단부 보강판(23)들을 연결 강판(24)으로 서로 연결하는 단계;

4) 상기 단계 3)에 따라 연속화된 PS 콘크리트 거더(21)에 가로보(26)를 설치하는 단계;

5) 바닥판(22)에 매입될 추가긴장력을 위한 덕트(12)를 추가긴장재용 덕트 연결부(13)에 연결하는 단계; 및

6) 바닥판 보강철근(15)을 배근하고, 바닥판(22) 콘크리트를 연속적으로 타설하는 단계;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바닥판에 연장된 긴장재에 의하여 연속 PS 콘크리트 합성거더를 강화하는 공법.

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