KR100718231B1 - 프리스트레싱 강판을 이용한 ｐｓｃ거더교의 시공방법 및이를 위한 ｐｓｃ거더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 PSC 거더(prestressed concrete girder) 교량이 사하중 및 활하중에 의하여 발생하는 휨모멘트로 인하여 거더의 하면에서 발생하는 인장응력에 의한 균열발생의 문제를 해결하기 위하여 쉬스(sheath)관을 콘크리트 거더 내부에 매입한 후, 긴장재(tendon)를 긴장하여 미리 압축응력을 도입하는 시공방법을 대체하거나, 종래의 PSC 거더에서 장지간 및 형고변화에 따라 증가할 수 있는 긴장재의 사용량을 줄이거나 기존 PSC 거더에 있어서 긴장재 사용량을 줄일 수 있도록 하기 위하여 교대 또는 교각에 PSC 거더를 거치하기 전에 미리 거더의 성형과정에서 프리스트레싱 강판을 도입함으로써 시공작업의 효율성을 높이고 긴장재 절감 등에 의한 경제성을 높일 수 있도록 한 프리스트레싱 강판을 이용한 PSC 거더교의 시공방법과 이를 위한 PSC 거더에 관한 것이다.

본 발명에 따른 프리스트레싱 강판을 이용한 ＰＳＣ거더교의 시공방법은 성형될 PSC 거더의 거푸집을 조립하는 단계, 프리스트레싱 강판의 고정을 위한 고정수단의 도입단계, 조립된 거푸집에 콘크리트를 부어 양생하는 단계, 양생된 거더의 상기 고정수단에 프리스트레스를 가한 강판을 체결한 다음 프리스트레싱 도입원을 제거하는 단계 통하여 PSC 거더를 제조한 다음, 상기 PSC 거더를 교대 또는 교각에 거치하여 이루어진다.

프리스트레스, 교량, PSC, 거더, 강판, 고정수단, 단경간, 장경간, 연속교

Description

프리스트레싱 강판을 이용한 ＰＳＣ거더교의 시공방법 및 이를 위한 ＰＳＣ거더 {PSC GIRDER BRIDGE USING PRESTRESSING STEEL PLATE AND PSC GIRDER FOR THE SAME}

도 1은 단경간을 위한 본 발명의 PSC 거더에 대한 측면도와 저면도를 각각 상하에 배치하고, 측단면도를 우측에 배치한 개략도,

도 2는 장경간 또는 연속교를 위한 본 발명의 PSC 거더에 대한 측면도와 저면도를 각각 상하에 배치하고, 측단면도를 우측에 배치한 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

G1,G2: PSC 거더 10: 프리스트레싱 강판

20: 고정수단 30: 긴장재

31: 쉬스관

본 발명은 PSC 거더(prestressed concrete girder)를 이용한 교량의 시공방법에 관한 것으로,

보다 상세하게는 종래의 PSC 거더 교량이 사하중 및 활하중에 의하여 발생하는 휨모멘트로 인하여 거더의 하면에서 발생하는 인장응력에 의한 균열발생의 문제를 해결하기 위하여 쉬스(sheath)관을 콘크리트 거더 내부에 매입한 후, 긴장재(tendon)를 긴장하여 미리 압축응력을 도입하는 시공방법을 대체하거나, 종래의 PSC 거더에서 장지간 및 형고변화에 따라 증가할 수 있는 긴장재의 사용량을 줄이거나 기존 PSC 거더에 있어서 긴장재 사용량을 줄일 수 있도록 하기 위하여 교대 또는 교각에 PSC 거더를 거치하기 전에 미리 거더의 성형과정에서 프리스트레싱 강판을 도입함으로써 시공작업의 효율성을 높이고 긴장재 절감 등에 의한 경제성을 높일 수 있도록 한 프리스트레싱 강판을 이용한 PSC 거더교의 시공방법과 이를 위한 PSC 거더에 관한 것이다.

본 발명의 발명자인 김상효는 학교법인 연세대학교 사회환경시스템공학부 교수로 재직 중에 있으며,

특허공개 제2000-0013197호(2000.03.06) 『온도응력을 이용하여 제작된 연속강합성교 및 그의 시공방법』(최종처분: 등록),

특허공개 제2002-0017114호(2002.03.07) 『가지점과 온도응력을 이용하여 제작된 연속 강합성교 및 그의 시공방법』(최종처분: 거절),

특허공개 제2002-0026775호(2002.04.12) 『온도프리스트레싱을 이용하여 제 작된 강뼈대 구조물 및 그의 시공방법』(최종처분: 거절),

특허공개 제2002-0041719호(2002.06.03) 『온도프리스트레싱을 이용한 교량의 보강공법』(최종처분: 등록),

특허공개 제2002-0071272호(2002.09.12) 『온도프리스트레싱 보강재 접합방식을 이용한 교량의 보강공법』(최종처분: 등록),

특허공개 제2003-0055061호(2003.07.02) 『다단계 온도프리스트레싱 공법을 이용한 PSC빔교의 연속화공법』(최종처분: 등록)

특허공개 제2004-0097591호(2004.11.18) 『교량보호장치 및 이에 사용되는 희생부재, 희생부재구속기구, 이를 이용한 교량보강공법』(최종처분: 등록), 및

특허출원 제2006-0007423호(2006.01.24) 『반력 모멘트 도입을 이용한 라멘식 구조물의 시공방법』(최종처분: 우선심사신청에 이은특허결정)과 같은 프리스트레싱 등을 이용한 교량 또는 건축물과 관련된 연구성과물을 출원한 바 있으며,

본 발명 또한 이러한 지속적인 연구의 결과물이다.

합성형 교량에서 사하중 및 활하중에 의한 휨모멘트로 인한 인장응력이 특히 거더 상부에 발생하는 것을 방지하기 위하여 지점부의 상승 또는 강하공법이나 PC강봉의 긴장과 같은 다양한 프리스트레스 도입을 통한 시공법이 제시되어 왔다.

또 2경간 연속교 또는 3경간 연속교와 같은 연속 합성형교의 설계시에는 특히 (-)의 휨모멘트가 작용하는 지점부의 거더 상부가 인장응력으로 인하여 균열되는 것을 억제하기 위하여 교축방향에 긴장재에 의한 프리스트레싱을 추가함으로써 지점부에 작용하는 인장응력을 허용응력 이내로 제어할 수 있도록 하고 있다.

이러한 프리스트레싱 도입과 관련하여 거더 성형시 쉬스(sheath)관을 매립한 다음 긴장재를 설치하는 방식이 있는데,

그 예로는 특허공개 제2003-0069766호(2003.08.27) 『연속 절곡 긴장재를 이용한 프리스트레스트 거더』가 있고,

상기 공개특허를 비롯한 종래 쉬스관 매립 긴장재 설치 방법의 경우에

단경간 교량에서는 쉬스관 설치의 번거로움, 긴장재와 쉬스관 과의 마찰에 의한 프리스트레싱력 손실, 현장작업의 어려움, 고가의 긴장재를 장경간으로 갈수록 많이 도입해야 하므로 경제적으로 불리, 그리고 긴장력 도입으로 정착부에 응력집중 발생 등의 문제점이 지적되었고,

연속교에서는 연속긴장재를 연속화 구간에 설치해야 하므로 연속화 구간이 많을수록 시공성이 현저히 떨어지고, 역시 단경간 교량에서와 마찬가지로 경제성 문제와 긴장력 도입으로 정착부에 응력집중이 발생하는 문제가 지적되고 있다.

본 발명은 본 발명자가 다년간 연구하여 온 프리스트레싱, 특히 온도 프리스트레싱 공법을 PSC 거더교에 도입하기 위하여 제안된 것이다.

이에 본 발명은 PSC 거더의 성형 중에 프리스트레싱 강판을 위한 고정수단을 도입하고, 이후 거더에 프리스트레싱 강판을 도입하여 완성되므로 PSC 거더 하부의 강판으로 인하여 종래 긴장재 방식의 거더에 비하여 단경간 교량의 경우 경제적이며, 시공이 편리하고, 기존의 PSC 거더교량과 달리 마찰과 곡률 등에 의한 프리스트레싱력 손실이 거의 없고, 연속교의 경우에는 연속화 구간의 시공편리성이라는 장점이 추가될 수 있는 PSC 거더교의 시공방법과 이를 위한 PSC 거더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또 본 발명은 장경간 교량이나 연속교를 위하여 상기 프리스트레싱 강판에 의한 응력의 과도한 집중을 방지하기 위하여 긴장재, 특히 쉬스관 방식의 긴장재를 거더 상부에 도입하고, 교대와 교대 사이, 교대와 교각 사이 또는 교각과 교각 사이에 PSC 거더를 거치한 다음 거더 자중에 의하여 강판에 기인한 응력이 제거되어 거더 상부의 인장균열 위험이 제거될 경우 긴장재를 분리 제거하는 방식으로 이루어지는 PSC 거더교의 시공방법과 이를 위한 PSC 거더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 프리스트레싱 강판을 이용한 ＰＳＣ거더교의 시공방법은 성형될 PSC 거더의 거푸집을 조립하는 단계, 프리스트레싱 강판의 고정을 위한 고정수단의 도입단계, 조립된 거푸집에 콘크리트를 부어 양생하는 단계, 양생된 거더의 상기 고정수단에 프리스트레스를 가한 강판을 체결한 다음 프리스트레싱 도입원을 제거하는 단계 통하여 PSC 거더를 제조한 다음, 상기 PSC 거더를 교대 또는 교각에 거치하여 이루어진다.

또 본 발명에 따른 프리스트레싱 강판을 이용한 ＰＳＣ거더교의 시공방법은 상기 프리스트레싱 강판에 의한 응력집중 문제를 방지하기 위하여

상기 PSC 거더 제조를 위한 거푸집 조립단계에서는 성형될 PSC 거더의 상부에 긴장재(tendon)를 도입하기 위하여 쉬스(sheath)관이 배열되고, 상기 프리스트레싱 강판 도입 전후 또는 상기 프리스트레싱 강판 도입과 동시에 긴장재를 설치하고,

나아가 상기 PSC 거더는 장경간 교량 또는 연속교를 위한 것일 경우 상기 PSC 거더의 거치 후 교량의 시공 완료 전, 또는 교량의 시공 완료 후에 PSC 거더에서 상기 프리스트레싱 강판으로 인한 인장균열 발생 위험이 거더의 자중에 의하여 제거될 경우 상기 긴장재를 제거하는 방식으로 이루어진다.

이하 각각 본 발명의 PSC 거더에 대한 측면도와 저면도를 각각 상하에 배치하고, 측단면도를 우측에 배치한 개략도인 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 프리스트레싱 강판을 이용한 ＰＳＣ 거더교의 시공방법과 이를 위한 ＰＳＣ 거더는 도 1에 도시된 바와 같이 지간이 짧은 단경간을 위한 것과, 도 2에 도시된 바와 같이 지간이 긴 장경간 교량이나 연속교를 위한 것으로 나눌 수 있다.

먼저 도 1을 살펴보면, 일정 길이의 단경간을 위한 거더(G1)를 제조하기 위하여 먼저 합판을 이용한 전통적인 패널이나 유로폼 등과 같은 개량된 패널을 이용하여 거푸집을 조립하고,

거푸집 내에 일일이 이형봉강을 결속하여 골조를 형성하거나 외부에서 별도의 작업으로 미리 특정 PSC 거더에 맞게 조립된 골조체를 투입하고, 골재가 배합된 콘크리트를 투입하여 양생한다.

이때 콘크리트의 투입 전에 이후 프리스트레싱 강판의 원활한 고정을 위한 고정수단을 도입하는 것이 바람직하다.

이러한 고정수단은 도시된 바와 같이 볼트, 특히 복수의 볼트가 돌설된 플레이트이거나,

볼트 형태 대신에 단순한 삽입공 형성을 위한 복수의 파이프이거나

도 1에서와 같이 용접을 위한 플레이트(20)일 수 있는데, 상기 플레이트(20)의 상부에는 저항돌기가 형성되어 있어 거더(G1)에 배열된 플레이트의 확고한 고정을 도울 수 있도록 되어 있다.

이때 양생된 거더의 하부에 상기 고정수단을 도입 및 프리스트레싱 도입의 편리를 위하여 거푸집은 제조될 거더를 뒤집은 상태로 성형되도록 조립하여 고정수단은 조립된 거푸집의 상부에 위치하게 하거나, 거푸집 하부에 임의의 지점부를 설치하고 거푸집을 임의의 지점부에 거치함으로써 고정수단을 거푸집의 하부에 정착할 수 있다.

다음으로 콘크리트를 거푸집에 투입하여 PSC 거더(G1)의 양생이 완료되면 프리스트레스를 가한 강판(10)을 거더(G1)에 체결하는데,

상기 강판(10)에 프리스트레스를 가하는 방식은 가열에 의한 온도변형이거나 경우에 따라 강판을 늘일 수 있는 유압잭과 같은 공구일 수 있으나,

앞서 언급한 본 발명자에 의한 특허공개 제2002-0041719호이나 특허공개 제2003-0055061호에서와 같이 비교적 정밀한 프리스트레싱 제어가 가능하고 다단계의 프리스트레스를 도입할 수 있는 온도 프리스트레싱인 것이 바람직하다.

이와 같이 온도 프리스트레싱을 가한 강판(10)을 상기 고정수단(20)에 체결한 다음 스트레스를 제거하여 결국 본 발명에 따른 거더(G1)를 교대와 교대 사이, 교대와 교각 사이, 또는 교각과 교각 사이에 거치할 경우 발생하는 사하중과 활하중에 의한 인장응력에 대비할 수 있게 된다.

이때 상기 강판(10)에는 상기 고정수단에 상응하는 대응수단이 있어야 하는데,

즉 상기 고정수단이 볼트일 경우에는 대응수단은 상기 볼트가 삽입될 수 있는 구멍이 형성되어 있고,

상기 고정수단이 파이프를 통하여 일정 거더의 일정 위치에 형성된 삽입공일 경우에는 대응수단은 강판에 형성된 돌기일 것이며,

또 상기 고정수단의 배열 위치는 상기 강판에 프리스트레스가 가해졌을 때 강판에 형성된 대응수단과 상기 고정수단이 결합될 수 있는 위치여야 하고,

상기 고정수단의 강도와 고정력 또한 상기 강판 자체의 스트레스와 강판에 가해지는 모멘트 등에 충분히 견딜 수 있는 것이어야 한다.

상기 강판의 규격은 설계된 거더 및 교량의 크기, 이에 따라 예상되는 사하중과 활하중, 강판의 소재, 거더가 거치될 교대 또는 교각의 간격 등의 인자에 따라 다르지만,

적어도 거더에 가해지는 인장응력에는 충분히 대응할 수 있어야 하므로 거더 하부 길이의 50~90%에 해당하는 길이를 갖고, 거더의 하부 폭의 50~100%에 해당하는 폭을 갖는 것이 바람직하다.

이러한 과정을 거쳐 PSC 거더(G1)가 완성되면 교대와 교대, 교대와 교각, 또는 교각과 교각 사이에 거치시켜 교량을 완성하게 된다.

이상과 같은 단경간 교량에 본 발명에 따른 시공법을 도입할 경우에는 종래 긴장재를 도입하여 프리스트레스를 가한 PSC 거더교에서 지적된 쉬스관 도입의 번거로움이나 마찰에 의한 프리스트레싱력 손실 문제가 없고 경제성을 높일 수 있다는 장점을 갖는다.

또 프리스트레싱 강판으로 인하여 하중에 저항할 수 있는 단면적이 커지게 되므로 결국 거더의 형고를 줄일 수 있고,

나아가 기존 긴장재와 비교하여 프리스트레싱의 도입량이 많아지므로 하나의 강판으로 도입할 수 있는 프리스트레싱력이 커지게 되어 효율적인 프리스트레싱 제어가 가능하게 된다.

다음으로 도 2에 도시된 바와 같이, 장경간이나 연속교의 경우에는 본 발명에 따른 프리스트레싱 강판으로 인하여 거더 상부에 인장균열이 발생할 수 있으므로, PSC 거더(G2)의 상부에 긴장재를 도입하는 것이 바람직하다.

특히 긴장재(30)는 쉬스관(31) 방식의 것이 적합한데,

이를 위하여 본 발명에 따른 ＰＳＣ거더교의 시공방법과 이를 위한 ＰＳＣ 거더(G2)는 앞서 도 1과 관련하여 설명한 사항 외에,

상기 PSC 거더 제조를 위한 거푸집 조립단계에서 고정수단 외에 성형될 PSC 거더의 상부에 긴장재(tendon)(30)를 도입하기 위하여 쉬스(sheath)관(31)이 배열되고,

상기 프리스트레싱 강판(10) 도입 전후 또는 상기 프리스트레싱 강판 도입과 동시에 긴장재(30)를 설치한다.

상기 거더를 위한 거푸집의 조립과정에서는 상기 쉬스관에 콘크리트가 스며들지 않도록 양단이 완전히 밀봉되는 것이 바람작히며,

도입된 쉬스관은 거더의 교축방향을 기준으로 대칭된 형태여야 한다.

이어서 제조된 PSC 거더(G2)를 교대와 교대 사이, 교대와 교각 사이, 또는 교각과 교각 사이에 거치한 후

교량의 시공 완료 전, 또는 교량의 시공 완료 후에 PSC 거더에서 상기 프리스트레싱 강판으로 인한 인장균열 발생 위험이 거더의 자중에 의하여 보상되어 제거될 경우에는 상기 긴장재(31)를 분리 제거하는 것이 바람직하다.

즉 장경간 교량에서 모멘트 평형을 이용하여 교량을 거치한 후 사하중에 의하여 발생하는 응력을 긴장재를 분리하는 방식으로 제거할 수 있는 것이다.

또 연속교의 경우에는 단경간 형식의 거더를 연속화시킨 다음 역시 긴장재를 제거하여, 이로 인해 발생되는 상향 모멘트로 연속교 구간의 거동을 개선할 수 있다.

이러한 연속교에서 예상되는 본 발명의 장점은 연속화 방식이 기존 긴장재를 이용한 방법에 비하여 훨씬 간단하여 연속화 구간의 시공이 편리하고, 그 외 단경간 교량에서 언급한 장점 또한 갖게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 ＰＳＣ거더교의 시공방법 및 이를 위한 ＰＳＣ거더는 PSC 거더의 성형 중에 프리스트레싱 강판을 위한 고정수단을 도입하고 이후 거더에 프리스트레싱 강판을 도입하여 완성되므로, PSC 거더 하부의 강판으로 인하여 종래 긴장재 방식의 거더에 비하여 단경간 교량의 경우 경제적이며, 시공이 편리하고, 프리스트레싱력 손실이 거의 없고, 연속교의 경우에는 연속화 구간의 시공편리성이라는 장점이 갖게 되며,

또 장경간 교량이나 연속교를 위하여 상기 프리스트레싱 강판에 의한 응력의 과도한 집중을 방지하기 위하여 긴장재, 특히 쉬스관 방식의 긴장재를 거더 상부에 도입하고, 교대와 교대 사이, 교대와 교각 사이 또는 교각과 교각 사이에 PSC 거더 를 거치한 다음 거더 자중에 의하여 강판에 기인한 응력이 제거되어 거더 상부의 인장균열 위험이 제거될 경우 긴장재를 분리 제거하는 방식으로 이루어지게 되므로 압축력을 받는 콘크리트의 특성과 인장력을 받는 강재의 특성을 극대화하여 경제적인 시공과 합리적인 설계가 가능하게 된다.

이상의 설명에서 다양한 교량의 시공방법과 프리스트레싱, 특히 온도 프리스트레싱과 관련된 통상의 공지된 기술에 대한 구체적인 언급은 생략되어 있으나, 당업자라면 이를 당연히 추측 및 추론할 수 있을 것이다.

또 이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 개략적인 형상과 특정 공정에 따른 PSC 거더교를 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

1. 성형될 PSC 거더 거푸집을 조립하는 단계,

   프리스트레싱 강판의 고정을 위한 고정수단의 도입단계,

   조립된 거푸집에 콘크리트를 부어 양생하는 단계, 및

   양생된 거더의 상기 고정수단에 하부에 프리스트레스를 가한 강판을 체결한 다음 스트레스를 제거하는 단계를 통하여 PSC 거더를 제조한 다음,

   상기 PSC 거더를 교대 또는 교각에 거치하여 이루어지는 프리스트레싱 강판을 이용한 ＰＳＣ거더교의 시공방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 PSC 거더 제조를 위한 거푸집 조립단계에서는 성형될 PSC 거더의 상부에 긴장재(tendon)를 도입하기 위하여 쉬스(sheath)관이 배열되고,

   상기 프리스트레싱 강판 도입 전후 또는 상기 프리스트레싱 강판 도입과 동시에 긴장재를 설치하는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 강판을 이용한 ＰＳＣ거더교의 시공방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 PSC 거더는 장경간 교량 또는 연속교를 위한 것으로,

   상기 PSC 거더의 거치 후 교량의 시공 완료 전, 또는 교량의 시공 완료 후에

   PSC 거더에서 상기 프리스트레싱 강판으로 인한 인장균열 발생 위험이 거더의 자중에 의하여 제거될 경우

   상기 긴장재를 분리 제거하는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 강판을 이용한 ＰＳＣ거더교의 시공방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 프리스트레싱 강판의 스트레싱 방식은 가열에 의한 온도변형인 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 강판을 이용한 ＰＳＣ거더교의 시공방법.
5. 성형될 PSC 거더 거푸집을 조립하는 단계,

   프리스트레싱 강판의 고정을 위한 고정수단의 도입단계,

   조립된 거푸집에 콘크리트를 부어 양생한 다음,

   양생된 거더의 상기 고정수단에 하부에 프리스트레스를 가한 강판을 체결한 다음 스트레스를 제거하여 제조되어

   완성된 거더의 하부에 프리스트레싱 강판이 배열된 ＰＳＣ거더.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 거더 제조를 위한 거푸집 조립시에 성형될 PSC 거더의 상부에 긴장재(tendon)를 도입하기 위하여 쉬스(sheath)관을 배열하고,

   상기 프리스트레싱 강판 도입 전후 또는 상기 프리스트레싱 강판 도입과 동시에 긴장재를 설치하여 제조되어

   완성된 거더의 상부에 긴장재가 배열된 ＰＳＣ거더.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 프리스트레싱 강판의 스트레싱 방식은 가열에 의한 온도변형인 것을 특징으로 하는 ＰＳＣ거더.

Images