KR100804548B1 - Repair and strengthening method of steel bridge - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강교량 보수보강공법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 강교량 보수보강공법은 강재(鋼材)로 이루어진 거더를 포함하여 이루어진 강교량을 보수보강하는 것으로서, 상기 거더의 손상부를 일정한 형상으로 절단하여 절단부를 형성하는 절단단계; 강재(鋼材)로 이루어진 보수보강재를 상기 절단부와 동일한 형상으로 제조하는 보강재마련단계; 상기 보수보강재를 상기 거더의 절단부에 배치시켰을 때 상기 거더의 절단면과 보수보강재의 단면이 상호 접하는 부분에 용접을 위한 용접홈을 형성하되 상기 용접홈은 보수보강재와 거더 중 적어도 어느 하나에 형성하는 용접홈형성단계; 및 상기 보수보강재를 상기 거더의 절단된 부분에 배치시킨 후 상기 용접홈을 따라 보수보강재를 거더에 용접시키는 용접단계;를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.The present invention relates to a steel bridge repair reinforcement method. Steel bridge repair reinforcement method according to the present invention is to reinforce the steel bridge including a girder made of steel (절단), cutting step of forming a cut by cutting the damaged portion of the girder in a predetermined shape; Reinforcing material preparation step of manufacturing a reinforcing reinforcement made of steel (鋼材) to the same shape as the cut portion; When the reinforcing reinforcement is placed in the cutting section of the girder, the welding groove for welding is formed in a portion where the cut surface of the girder and the cross section of the reinforcing reinforcement are in contact with each other, but the welding groove is formed in at least one of the reinforcing reinforcement and the girder. Groove forming step; And a welding step of placing the repair stiffener on the cut portion of the girder and welding the repair stiffener to the girder along the welding groove.
거더, 강교량 Girder, steel bridge
Description
도 1은 'I'형 거더가 채용된 강교량의 개략적 사시도이다. 1 is a schematic perspective view of a steel bridge in which an 'I' type girder is employed.
도 2는 손상된 강교량의 일예를 나타낸 사진이다. 2 is a photograph showing an example of a damaged steel bridge.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수보강공법을 설명하기 위한 흐름도이다. Figure 3 is a flow chart for explaining the steel bridge repair reinforcement method according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4는 도 3에 도시된 강교량 보수보강공법을 시행하고자 하는 강교량의 개략적 사시도이다. 4 is a schematic perspective view of a steel bridge to implement the steel bridge repair reinforcement method shown in FIG.
도 5는 도 3에 도시된 강교량 보수보강공법을 설명하기 위한 개략적 사시도로서, 도 5a는 절단단계를 설명하기 위한 도면이며, 도 5b는 보강재마련단계와 용접홈형성단계를 설명하기 위한 도면이며, 도 5c는 용접단계를 설명하기 위한 도면이다. Figure 5 is a schematic perspective view for explaining the steel bridge repair and reinforcement method shown in Figure 3, Figure 5a is a view for explaining the cutting step, Figure 5b is a view for explaining the reinforcing material preparation step and the welding groove forming step, 5C is a view for explaining a welding step.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수보강공법의 적용성 및 실효성 실험을 위하여 설치한 모형 교량의 개략적 사시도이다.Figure 6 is a schematic perspective view of a model bridge installed for the applicability and effectiveness of the steel bridge repair reinforcement method according to a preferred embodiment of the present invention.
도 7은 도 6의 모형 교량의 실제 설치장면을 보여주는 사진이다.7 is a photograph showing an actual installation scene of the model bridge of FIG.
도 8은 도 6의 실험에서 나타난 강교량의 거동특성을 나타낸 그래프로서, 도 8a는 절단에 따른 강교량의 절단변형양을 나타낸 그래프이며, 도 8b는 용접에 따른 강교량의 용접변형양을 나타낸 그래프이고, 도 8c는 절단에 따른 강교량의 절단응 력을 나타낸 그래프이다. 8 is a graph showing the behavior characteristics of the steel bridge shown in the experiment of Figure 6, Figure 8a is a graph showing the deformation amount of the steel bridge with the cutting, Figure 8b is a graph showing the welding deformation amount of the steel bridge by welding, 8c is a graph showing the cutting stress of the steel bridge according to the cutting.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수보강공법의 현장 실험이 시행된 폐교예정의 실교량인 서화천교의 전경이 나타나 있는 사진이다.FIG. 9 is a photograph showing a panoramic view of Seohwacheon Bridge, which is the actual bridge of the closed bridge where the field test of the steel bridge repair and reinforcement method according to the preferred embodiment of the present invention was performed.
도 10은 도 9의 서화천교의 종단면도이다. 10 is a longitudinal sectional view of the Seohwacheon bridge of FIG.
도 11은 도 9의 서화천교의 보수보강공법의 시행부분을 나타낸 개략적 사시도이다. FIG. 11 is a schematic perspective view showing an implementation part of a repair reinforcement method of Seohwacheon Bridge of FIG. 9.
도 12는 강교량 14m 지점의 응력거동을 측정하기 위하여 설치한 스트레인 게이지의 배치를 나타내는 도면이다. FIG. 12 is a diagram showing an arrangement of strain gauges provided for measuring the stress behavior at a steel bridge 14m point.
도 13은 도 9의 현장실험에서 나타난 강교량의 거동특성을 나타낸 그래프로서, 도 13a는 강교량 7m 지점의 처짐변형양을 나타낸 그래프이며, 도 13b는 교량 14m 지점의 처짐변형양을 나타낸 그래프이고, 도 13c는 14m 지점 웹의 교축방향 응력거동을 나타낸 그래프이며, 도 13d는 14m 지점 하부플랜지의 교축방향 응력거동을 나타낸 그래프이고, 도 13e는 14m 지점 웹의 교장방향 응력거동을 나타낸 그래프이고, 도 13f는 14m 지점 하부플랜지의 교장방향 응력거동을 나타낸 그래프이다. 13 is a graph showing the behavior characteristics of the steel bridge shown in the field experiment of Figure 9, Figure 13a is a graph showing the amount of deflection strain at the bridge 7m point, Figure 13b is a graph showing the amount of deflection strain at the bridge 14m point, 13c is a graph showing the axial stress behavior of the 14m point web, Figure 13d is a graph showing the axial stress behavior of the 14m lower flange, Figure 13e is a graph showing the principal direction stress behavior of the 14m point web, Figure 13f Is the graph showing the principal stress behavior of the lower flange at 14m.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 ... 강교량 M100 ... 강교량 보수보강공법100 ... steel bridge M100 ... steel bridge repair reinforcement method
M10 ... 안전평가단계 M20 ... 절단단계M10 ... safety assessment step M20 ... cutting stage
M30 ... 보강재마련단계 M40 ... 용접홈 형성단계M30 ... reinforcement stage M40 ... weld groove formation stage
M50 ... 가용접단계 M60 ... 용접단계M50 ... welding step M60 ... welding step
M70 ... 검사단계 g ... 거더M70 ... inspection step g ... girder
f ... 플랜지 w ... 웹f ... flange w ... web
d ... 손상부 10 ... 절단부
11w ... 웹절단면 11f ... 플랜지 절단면11w ...
30 ... 보수보강재 31 ... 플랜지 보강재30
32... 웹보강재 200 ... 모형 교량32 ...
300 ... 서화천교300 ... Seohwacheon Bridge
본 발명은 'I'형 강거더교, 박스형 강거더교 등과 같은 강교량의 일부가 부식, 충격에 의한 훼손 등에 의하여 손상되었을 때 이 손상부를 보수 및 보강하기 위한 강교량 보수보강공법이다.The present invention is a steel bridge repair and reinforcement method for repairing and reinforcing a damaged part when a portion of a steel bridge such as an 'I' type girder bridge, a box type girder bridge, or the like is damaged by corrosion or damage caused by an impact.
강재(鋼材)는 내하력, 내진 및 피로에 대하여 타재료에 비하여 우수하기 때문에 최근 강재를 사용한 구조물이 증가하고 있다. 이러한 강재를 교량에 적용시 교량의 내구성 증강의 효과가 뛰어나기 때문에 교량에서도 강재를 이용한 'I'형 거더교, 박스형 거더교 등과 같은 강교량의 설치가 증대되고 있는 추세이다. Since steel is superior to other materials in terms of load capacity, earthquake resistance and fatigue, structures using steel have been increasing in recent years. When the steel is applied to the bridge, because the durability of the bridge is excellent, the installation of steel bridges such as 'I' type girder bridge, box-type girder bridge, etc. using the steel is also increasing.
강교량 중 박스형 강거더교가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1은 박스형 강거더가 채용된 강교량의 개략적 사시도이며, 도 2는 손상된 강교량의 일예를 나타낸 사진이다. 도 1을 참조하면, 강거더교(9)는 지면에 지지되어 수직하게 배치되는 복수의 교각(1)을 구비한다. 이 교각(1)의 상부에는 좌우측으로 일정간격을 두고 박스형 강거더(2)가 설치된다. 또한, 이 강거더(2)의 상부에는 슬래브(3)가 평행하게 배치된다. 상기 강거더(2)는 교량 상부의 하중을 교각(1)으로 전달하는 작용을 하는데, 강재로 이루어진 거더의 경우 장기간 사용되는 경우 여러 종류의 손상이 올 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 거더의 웹, 플랜지, 스플라이스부의 부식 등에 의한 단면적 감소, 설계상 예측하지 못한 하중의 작용에 따른 수직보강재와 거더의 변형, 용접누락, 외부의 원치 않는 충격에 의한 파손과 같은 손상이 발생할 수 있다. 이렇게 거더에 손상이 발생한 경우 교량의 내하력이 감소되어 안전에 심각한 영향을 미칠 수 있으므로 교량의 보수, 보강이 반드시 필요하다. Box-shaped girder bridges among the steel bridges are shown in FIGS. 1 and 2. 1 is a schematic perspective view of a steel bridge employing a box-shaped steel girder, Figure 2 is a photograph showing an example of a damaged steel bridge. Referring to FIG. 1, the
강교량이 손상된 경우 강교량을 보수,보강하기 위한 종래의 공법은 크게 보수공법과 보강공법으로 분류될 수 있다. 보수공법으로는 교정공법, 스톱홀 설치공법, 등이 있으며, 보강공법으로는 교체공법, 보강재공법, 거더증설공법, 컬럼증설공법, 보강판 고력볼트체결공법 등이 있다. 그러나, 이러한 공법들은 비교적 손상 정도가 적은 경우에 적용될 수 있지만 비교적 손상 정도가 큰 경우에는 그 적용에 명확한 한계가 있었다. 이에 손상 정도가 큰 강교량의 경우, 상기한 종래의 보수,보강공법을 적용하지 못하고, 손상이 있는 경간 자체를 완전히 새롭게 교체하거나 교량 전체를 다시 시공하여야 하므로 매우 비경제적이라는 문제점이 있었다. 또한, 위와 같이 교량의 경간이나 교량 전체를 교체하는 경우 및 상기 종래의 보수보강공법 중 특정한 공법을 시행하고자 하는 경우에는 교량의 교통을 통제하여야 하므로 교통체증 등 많은 문제점이 발생하였다. 한편, 콘크리트 구조물에 비하여 강교량의 경우 보수보강시 그 작업상의 안전성이나 보수,보강후의 신뢰성에 대한 이 론적, 실험적 검증이나 규준이 아직 미비한 상태로서, 강교량의 공용중에 보수보강공법을 행할 때 있어서 안전성과 신뢰성에 대한 평가규준이 시급히 요구되고 있다. When steel bridges are damaged, conventional methods for repairing and reinforcing steel bridges can be largely classified into repairing and reinforcing methods. Repair methods include calibration method, stop hole installation method, and reinforcement methods include replacement method, reinforcement method, girder extension method, column extension method, and reinforcement plate fastening method. However, these methods can be applied in the case of relatively small damage, but in the case of relatively large damage, there was a clear limitation in its application. In the case of steel bridges with a large degree of damage, the conventional repair and reinforcement methods cannot be applied, and thus, the damaged bridge itself must be completely replaced or the entire bridge must be rebuilt, thereby causing a very uneconomic problem. In addition, when replacing the span of the bridge or the entire bridge as described above, and if you want to implement a specific construction method of the conventional reinforcement reinforcement method, it is necessary to control the traffic of the bridge has caused a lot of problems, such as traffic jams. On the other hand, the theoretical and experimental verifications and norms on the safety, repair and reliability of steel bridges are still insufficient in the case of steel bridges compared to concrete structures. There is an urgent need for evaluation criteria for reliability.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 노후화되었거나 손상정도가 큰 강교량의 내구성을 증진시키면서도 공기나 공사비용에 있어서 매우 경제적인 강교량 보수보강공법을 제공하는데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서는 손상된 강교량의 교통을 통제하지 않는 공용상태에서 보수보강할 수 있으면서도, 공용중에 공사를 진행하는 동안은 물론 공사시행후에도 교량의 안정성을 확보할 수 있는 강교량 보수보강공법을 제공하는데 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a steel bridge repair and reinforcing method which is very economical in terms of air or construction cost while improving durability of an aging or large damage steel bridge. In addition, in one embodiment of the present invention, the steel bridge repair and reinforcement method that can secure the stability of the bridge during construction as well as during the construction of the public while not being able to repair and repair in the public state that does not control the traffic of the damaged steel bridge The purpose is to provide.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강교량 보수보강공법은, 강재(鋼材)로 이루어진 거더를 포함하여 이루어진 강교량을 보수보강하기 위한 것으로서, 상기 거더의 손상부를 일정한 형상으로 절단하여 절단부를 형성하는 절단단계; 강재(鋼材)로 이루어진 보수보강재를 상기 절단부와 동일한 형상으로 제조하는 보강재마련단계; 상기 보수보강재를 상기 거더의 절단부에 배치시켰을 때 상기 거더의 절단면과 보수보강재의 단면이 상호 접하는 부분에 용접을 위한 용접홈을 형성하되 상기 용접홈은 보수보강재와 거더 중 적어도 어느 하나에 형성하는 용접홈형성단계; 및 상기 보수보강재를 상기 거더의 절단된 부분에 배치시킨 후 상기 용접홈을 따라 보수보강재를 거더에 용접시키는 용접단계;를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있으며, 상기 절단단계 및 용접단계는 교량의 공용(共用)중에 행해지는 것이 바람 직하다. Steel bridge repair and reinforcing method according to the present invention for achieving the above object is to repair and reinforce the steel bridge including a girder made of steel, cutting to form a cut by cutting the damaged portion of the girder in a certain shape step; Reinforcing material preparation step of manufacturing a reinforcing reinforcement made of steel (鋼材) to the same shape as the cut portion; When the reinforcing reinforcement is placed in the cutting section of the girder, the welding groove for welding is formed in a portion where the cut surface of the girder and the cross section of the reinforcing reinforcement are in contact with each other, but the welding groove is formed in at least one of the reinforcement and the girder Groove forming step; And a welding step of arranging the repair stiffener in the cut portion of the girder and welding the repair stiffener to the girder along the welding groove, wherein the cutting step and the welding step are common to the bridge. It is desirable to be done during 共用).
본 발명에 따르면, 상기 강교량의 공용(共用)중 상기 절단단계와 용접단계를 수행할 경우 이 강교량의 안전여부를 공용내하력 식에 의하여 상기 절단단계 전에 판단하는 안전평가단계를 더 구비하며, 상기 공용내하력 판정식 P' = P × Ks × Kr × Kt × Ko × KH이며, 여기서 P는 기본내하력으로 P = 24×(σa - σd)/σ24이며, σa는 허용응력, σd는 사하중 응력, σ24는 DB-24 하중에 의한 응력이고, Ks는 응력에 대한 보정계수, Kr은 노면상태에 따른 보정계수, Kt는 교통상태에 따른 보정계수, Ko 는 기타 조건에 대한 보정계수, KH는 입열에 따른 보정계수이며, 상기 공용내하력식에 의하여 구해진 공용중 강교량의 공용내하력이 표준시방서상의 소정의 안전기준값 이상인 경우 상기 강교량의 보수보강을 시행하는 것이 바람직하다.According to the present invention, when performing the cutting step and the welding step of the common use of the steel bridge further comprises a safety evaluation step of determining whether the safety of the steel bridge before the cutting step by the common load capacity formula, the common Load capacity determination formula P '= P × K s × K r × K t × K o × K H , where P is the basic load capacity, P = 24 × (σ a -σ d ) / σ 24 , and σ a is allowed Stress, σ d is dead load stress, σ 24 is stress due to DB-24 load, K s is correction factor for stress, K r is correction factor for road condition, K t is correction factor for traffic condition, K o is the correction factor for other conditions, K H is the correction factor according to the heat input, and if the common load capacity of the steel bridges in common use obtained by the common load capacity formula is more than the specified safety standard value in the standard specification, It is preferable.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수보강공법을 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a steel bridge repair reinforcing method according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수보강공법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 4는 도 3에 도시된 강교량 보수보강공법을 시행하고자 하는 강교량의 개략적 사시도이고, 도 5는 도 3에 도시된 강교량 보수보강공법을 설명하기 위한 개략적 사시도로서, 도 5a는 절단단계를 설명하기 위한 도면이며, 도 5b는 보강재마련단계와 용접홈형성단계를 설명하기 위한 도면이며, 도 5c는 용접단계를 설명하기 위한 도면이다. 3 is a flowchart illustrating a steel bridge repair reinforcement method according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 4 is a schematic perspective view of the steel bridge to implement the steel bridge repair reinforcement method shown in Figure 3, Figure 5 is a 5A is a schematic perspective view for explaining the steel bridge repair and reinforcement method shown, Figure 5a is a view for explaining the cutting step, Figure 5b is a view for explaining the reinforcing material preparation step and the welding groove forming step, Figure 5c is a welding step It is a figure for demonstrating.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수보강공법(M100)을 시행하기 앞서 우선 강교량의 손상부(d)를 명확히 파악한다. 강교량(100)의 손상원인은 대략 설계상 예측하지 못했던 하중의 작용에 의한 손상, 부식에 의한 단면적 감소, 원치 않는 외력 등에 의한 예측하지 못한 손상, 용접누락 등 제작 및 시공상의 원인에 의한 손상으로 분류될 수 있다. 강교량(100)의 손상부(d)의 손상원인을 정확히 파악하기 위해서는 설계계산서, 설계도, 준공도를 포함하는 대상 강교량(100)의 설계도, 대상 강교량(100)의 실작용하중(과거와 현재의 교통량조사, 대형차 진입률 계산), 대상 강교량(100) 건설 및 보수시의 시공기록 및 점검기록 등이 필요하며, 손상부(d)의 응력검사와 손상부(d)의 용접부 및 모재의 사용강재 파악, 유사 손상의 예 및 유사 보수 공사의 자료를 참조한다. 강교량(100)의 사용재료 또는 용접재료가 불분명한 경우에는 응력집중이 발생하지 않는 부분을 천공을 하여 별도로 분석을 실시하는 것이 바람직하다. 상기 자료들을 참조하여 손상부(d)의 손상원인을 파악한 후에는 이 손상부(d)의 손상정도를 파악한다. 이를 위해서는 육안뿐만이 아닌 손상의 종류에 따라 비파괴검사 등을 수행해야한다. 예컨대 부식에 의한 단면 감소는 초음파 검사를 사용하여 두께 측정을 할 필요가 있으며 크랙조사에는 침투탐상, 초음파 탐상 등의 비파괴 검사를 실시할 필요가 있다. 상기한 과정을 거쳐 손상부(d)와, 손상원인 및 손상정도를 파악한 후 그 손상정도가 큰 경우 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수보강공법(M100)의 시행을 결정하며, 후술하겠지만 상기 강교량 보수보강공법(M100)은 교량의 공용중에 시행하는 것이므로 강교량(100)의 공용중 내하력 판단을 선행하여 작업중의 안전성을 사전 검토하게 된다.Prior to implementing the steel bridge repair reinforcement method (M100) according to a preferred embodiment of the present invention, the damaged portion (d) of the steel bridge is clearly identified. The damage causes of the
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수보강공법(M100)은 손상된 강교량(100)의 교통을 통제하고 시행할 수도 있지만, 공용중에 시행하는 것이 바람직하다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 강교량 보수보강공법(M100)은 절단단계(M20), 보강재마련단계(M30), 용접홈형성단계(M40) 및 용접단계(M60)의 순서로 행해진다. Steel bridge repair and reinforcement method (M100) according to a preferred embodiment of the present invention may control and enforce the traffic of the damaged steel bridge (100), but is preferably carried out in common. 3 to 5, the steel bridge repair reinforcing method (M100) is performed in the order of cutting step (M20), reinforcing material preparation step (M30), welding groove forming step (M40) and welding step (M60).
상기 절단단계(M20)에서는 강교량(100)의 손상부(d)를 절단한다. 절단범위는 손상이 발생한 최소 영역으로 하며, 절단 형상에 있어서 특별히 제한은 없지만, 도 5a의 (a)에 도시된 바와 같이, 절단작업과 후술할 용접작업의 용이성을 위하여 사각형상으로 절단한다. 손상부(d)의 절단은 가스절단을 이용하며, 가스절단에 앞서 약 10초간 850∼900℃로 절단시작부를 예열하고, 절단속도 대략 200 ~ 300 mm/min 정도로 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 한편, 강교량(100)의 손상은 대부분 거더(g)에서 발생하게 되는데, 이 거더(g, girdir)는 웹(w, web)과, 이 웹(w)과 직교하는 방향으로 이 웹(w)의 상하부에 각각 배치되는 플랜지(f, flange)로 이루어져 있다. 상거 거더(g)의 손상부(d)가 웹(w) 또는 플랜지(f) 중 어느 한쪽에만 있는 경우 그 부분만 절단하면 되지만, 웹(w)과 플랜지(f)에 함께 존재하는 경우, 도 5a의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 거더(g)의 절단순서는 웹(w)을 먼저 절단한 후 플랜지(f)를 절단한다.In the cutting step (M20) to cut the damaged portion (d) of the steel bridge (100). The cutting range is a minimum area where damage has occurred, and there is no particular limitation on the cutting shape, but as shown in FIG. 5A (a), the cutting range is cut into a rectangular shape for ease of cutting and welding operations to be described later. The cutting of the damaged part (d) uses gas cutting, and preheats the cutting start at 850 to 900 ° C. for about 10 seconds prior to gas cutting, and preferably maintains the cutting speed at about 200 to 300 mm / min. On the other hand, most of the damage of the
상기 보강재마련단계(M30)는 절단단계(M20) 완료 후에 시행한다. 상기 보강재마련단계(M30)에서는 상기 절단단계(M20)에서 절단된 손상부(d)와 동일한 형상과 규격을 가진 보수보강재(30)를 제조한다. 이 보수보강재(30)는 절단된 손상 부(d)의 재료와 동일한 재료를 선택하여 제조한다. 상기 절단단계(M20)에서 거더(g)의 플랜지(f)와 웹(w)을 모두 절단함으로써 절단된 손상부(d)의 단면이 'ㅗ'자 형인 경우, 플랜지부와 웹부를 일체로 형성된 보수보강재를 제조하여 보수보강재의 단면을 절단된 손상부(d)와 동일하게 'ㅗ'자 형상으로 형성할 수도 있으나, 도 5b에 도시된 바와 같이, 판 형상의 플랜지보강재(31)와 웹보강재(32)를 각각 제조할 수도 있다. 이와 같이, 플랜지보강재(31)와 웹보강재(32)를 별도로 제조하는 경우 후술할 용접단계(M60)에서 이 플랜지보강재(31)와 웹보강재(32)를 상호 용접한다.The reinforcing material preparation step (M30) is carried out after completion of the cutting step (M20). In the reinforcing material preparation step (M30) to prepare a reinforcing
상기 용접홈형성단계(M40)는 상기 보강재마련단계(M30) 완료 후에 시행한다. 이 용접홈형성단계(M40)에서는, 보강재마련단계(M30)에서 제조된 보수보강재(30)를 손상부(d)가 절단된 거더(g)의 절단부(10)에 배치시켰을 때, 이 거더(g)의 절단면(11w, 11f)과 보수보강재(30)의 단면이 상호 접하는 부분에 후술할 용접을 위한 용접홈(33)을 형성하는 단계이다. 상기 용접홈(33)을 형성하기 위해서는 보수보강재(30)의 단면들 중 상기 거더(g)의 절단면(11w, 11f)과 접하는 단면을 소정의 경사각(α)으로 커팅한다. 즉, 플랜지보강재(31)의 경우 길이방향 양측 단면을 지면에 수직한 방향에 대하여 소정의 경사각(α)으로 커팅하고, 웹보강재(32)의 경우 길이방향의 양측 단면을 지면에 수직한 방향에 대하여 소정의 경사각(α)으로 커팅하고 폭방향의 양측 단면을 지면에 대하여 소정의 경사각(α)으로 커팅한다. 이렇게 단면을 커팅한 보수보강재(30)를 거더(g)의 절단부(10)에 배치시키면, 거더(g)의 절단면(11w, 11f)과 보수보강재(30)의 커팅된 단면 사이에는 삼각 형상으로 된 용접홈(33)이 형성된다. 또한, 웹보강재(32)의 상면과 플랜지보강재(31)의 하면 사이에도 삼각 형상의 용접홈(33)이 형성된다. 한편, 용접홈(33)을 형성하기 위하여 반드시 보수보강재(30)의 단면을 커팅해야 되는 것은 아니며 보수보강재(30)는 커팅하지 아니하고 역으로 거더(g)의 절단면(11w, 11f)을 소정의 경사각(α)으로 커팅해도 된다. 또한, 보수보강재(30)와 거더(g)의 절단면(11w, 11f)을 함께 커팅해도 된다. 이렇게 보수보강재(30)의 단면과 거더(g)의 절단면(11w, 11f)을 동시에 커팅하는 경우, 보수보강재(30)의 커팅된 단면과 거더(g)의 커팅된 절단면(11w, 11f)을 상호 접하게 배치시켰을 때 이 단면들 사이에 이루는 각이 상기 소정의 경사각(α)이 되도록 한다. 상기 소정의 경사각(α)은 용접조건에 따라 다양하게 설정될 수 있다.The welding groove forming step (M40) is carried out after completion of the reinforcing material preparation step (M30). In the welding groove forming step M40, when the repairing
상기 용접홈형성단계(M40)가 마무리되면 가용접단계(M50)를 시행한다. 상기 가용접단계(M50)는 후술할 용접단계(M60) 전에 행하는 것으로서, 상기 보수보강재(30)를 거더(g)의 절단부(10)에 가용접(tack welding)한다. 즉, 보수보강재(30)를 절단부(10)에 배치시킨 후 상기 용접홈(30)을 따라 일정 간격으로 보수보강재(30)와 거더(g)를 상호 용접함으로써 보수보강재(30)를 거더(g)에 고정시킨다. 가용접은 그 용접지점(t)당 대략 10 ~ 20 mm 정도를 용접한다. 본 발명에 따른 강교량 보수보강공법(M100)은 공용중의 교량을 대상으로 행하는 것이므로, 후술할 용접단계(M60)에서 보수보강재(30)와 거더(g)를 용접할 때 차량의 진행에 따른 교량과 작업대의 진동, 바람의 영향으로 인한 진동 등으로 인하여 용접환경이 유리하지 못하다. 이에 따라, 상기 가용접을 통해 보수보강재(30)를 거더(g)에 일단 고정시 켜 본 용접을 용이하게 하는 것이 바람직하다.When the welding groove forming step (M40) is finished, the weld welding step (M50) is performed. The welding step M50 is performed before the welding step M60, which will be described later, and tack welding the
상기 가용접단계(M50)가 완료되면, 용접단계(M60)를 행한다. 용접단계(M60)에서는 보수보강재(30)의 단면과 거더(g) 절단부(10)의 절단면(11w, 11f) 사이의 용접홈(33)을 따라 거더(g)와 보수보강재(30)를 상호 용접한다. 상기 보강재마련단계(M30)에서 플랜지보강재(31)와 웹보강재(32)를 별도로 제조한 경우, 도 5c에 도시된 바와 같이, 플랜지보강재(31)를 먼저 용접한 후 웹보강재(32)를 나중에 용접하는 것이 바람직하다. 또한, 용접 전에 용접부위에 잔류하는 수분을 예컨대 산소프레임으로 인한 열 건조 등을 통해 제거하는 것이 좋다. 수분은 산소와 수소로 이루어져 있으므로, 용접부에 수소가 기공의 형태로 존재하게 되면 이 수소 기공은 용접 직후에 불안정한 상태로 있다가 열이나 외부 응력 피로 등의 외적 요인이 주어지면 기공의 부피변화 등으로 인하여 균열과 같은 심각한 용접 문제를 발생시킨다. 이를 방지하기 위해서는 용접 전 토우치로 용접부위를 예열하여 수분을 제거한다. 또한, 용접재료를 저수소계 용접봉을 사용하여 상기한 바와 같이 상기 거더(g)와 보수보강재(30)를 상호 용접할 때 발생할 수 있는 용접균열을 저감시킬 수 있다. 한편, 고장력강의 용접에는 인성을 확보하기 위해 입열제한이 이루어지지만 강교량(100)의 공용중 용접에는 다음 이유로부터 입열을 낮게 억제하는 것이 좋다. 즉, 용접시에는 주변 부재의 온도도 상승하고, 내하력이 저하하기 때문에 정적응력하에서는 좌굴 및 변형이 생길 우려가 있다. 입열이 과대한 경우에는 온도상승으로부터 내하력이 저하되는 영역이 크게 되기 때문에 입열을 제한하는 것이 좋다. 또한 패스간 온도가 높은 경우에도 내하력이 저하하는 온도역에 달하는 영역이 크 게 된다. 따라서, 패스간 온도도 저온 균열의 방지에 필요한 한계온도이상 낮게 유지하는 것이 좋다. 용접시 예열(予熱) 및 패스간 온도 요구조건은 예컨대 도로교시방서와 같은 교량 시방서의 규정에 따라 예열하는 것을 원칙으로 한다. 예를 들어 SM520, SM570의 탄소 해당량이 0.3~0.47 범위 정도로 낮은 경우에는 예열을 생략해도 되지만, 탄소 해당량이 높은 강재에 대해 예열을 생략하면 용접 저온균열의 위험성이 높아진다. 이러한 조건을 고려할 때, 용접시 과대한 입열이 발생하는 것을 방지하도록 용접의 목 두께가 5mm 이상 되는 경우는 적층용접을 하는 것이 바람직하며, 이 경우 1층당 비드(bead) 두께가 3mm를 넘지 않게 하고 패스(pass)간 온도는 150℃를 넘지 않게 하며, 용접봉의 두께는 4mm가 넘지 않게 하는 것이 좋다. 그러나 구속도의 증가, 수소량 증가, 낮은 용접입력열 또는 도로교시방서의 상한에 있는 강재조성에 대한 상황에서는 예열온도를 증가시킬 필요가 있다. 이와 반대로 구속도 및 수소레벨, 실제 강재조성 또는 높은 용접 입열에 따르는 균열을 예방하기 위해서는 예열온도를 감소시키는 것이 적절하다. When the temporary welding step M50 is completed, the welding step M60 is performed. In the welding step M60, the girder g and the
상기한 방식으로 보수보강재(30)와 거더(g)의 용접이 완료되면 용접부의 용접결함을 검사하는 검사단계(M70)를 행하며, 용접결함의 검사는 비파괴검사를 통해 시행한다. 용접부의 결함은 재료에 노치(Notch)부를 형성함으로써 국부적인 응력의 집중을 발생한다. 또한 용접결함은 전체 강구조물의 좌굴강도, 피로강도 저하의 원인이 된다. 이러한 이유로 용접의 검사 및 보수를 완전하게 실시하는 것이 중요하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수보강공법(M100)에 있어서 용접부의 비파괴검사로는 방사선 투과시험과 초음파 탐상시험을 채택할 수 있다. 방 사선 투과시험은 X-선이나 감마선을 대상물에 투과시킨 후 결함의 존재 유무를 필름 등의 이미지로 판단하는 비파괴시험 방법이다. 현장용접에 방사선 투과시험을 적용시키기 위해서는 휴대용 X-선 발생장치를 이용하거나, 이동성이 좋은 감마선을 이용한다. 투과도계(IQI : Image quality indicator)는 KS B 0848에 규정되어 있는 IQI를 이용한다. 계조계의 구조 및 크기는 KS B 0845를 따른다. 방사선 투과시험으로 검출될 수 있는 용접부 결함에는 여러 가지가 있으며, 대표적인 것으로는 균열, 언더컷, 용입불량, 크레이터, 용입과잉, 기공, 슬래그, 용입불량, 오버랩 등이 있고, 이러한 결함은 도로교시방서의 용접규정에 따라서 검사 결과를 판정한다. 방사선 기술을 적용하는데 있어서 가장 중요한 것은 조사선원의 방향과 시험물과의 배치관계이다. 모서리 접합부를 촬영 할 경우는 필름 상에 가장 유리하게 나타내기 위해 모든 용접구조를 포함시킬 수 있어야 하며 이 기준을 결정짓는 요인은 용접 기준, 접합부의 구성 및 설계응력에 따르는 것이다. 열영향부(HAZ)의 촬영법은 열영향부에 대해 2개의 초점이 90˚ 의 입사각을 갖는 위치에 설정하여야 한다. 상기 투과시험의 규격은 강용접부의 방사선 투과시험방법 및 투과사진의 등급분류 방법인 KS B 0845-1976을 사용한다. 초음파탐상시험은 초음파가 가지고 있는 물리적 성질을 이용하여 금속 등의 재료 및 그 접합부재 중에 존재하는 결함을 검출하고, 검출한 결함의 성질과 상태를 조사하는 비파괴시험의 한 가지이다. 초음파 탐촉자의 종류는 수직용과 사각용으로 구분하는데, KS B 0817에 근거한다. 초음파 탐상시험으로 검출될 수 있는 용접부 결함에는 층간 융합불량, 내부 용입불량, 루트부 용입불량, 균열 등이 있다. 검사의 특성상 결함의 위치는 알 수 있지만, 형상은 정확하게 구현하기 힘들기 때문에 방사선 투과시험과의 병용이 필요하다. 초음파 탐상시험의 규격은 강 용접부의 초음파 탐상시험 방법 및 시험결과의 등급 분류 방법인 KS B 0896-1977에 근거한다. 상기한 검사단계(M70)에서 용접부위의 결함이 검출되면 보수를 행함으로써 용접부의 품질을 확보할 수 있다.When the welding of the reinforcing
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수보강공법(M100)은 강교량(100)의 공용중에 거더(g)의 손상부(d)를 절단 및 용접하는 것이므로, 상기 절단단계(M20) 전에 안전평가단계(M10)를 시행함으로써, 공용중 교량의 내하력을 평가 및 예측하는 단계를 수행한다. 이 안전평가단계(M10)의 결과에 따라 강교량의 보수,보강에 있어서 본 발명에 따른 공법의 시행여부를 결정하게 된다. 강교량(100)은 설계 당시의 다양한 설계 기준에 의해서 건설되었기 때문에 활하중 수행능력에 있어서 많은 변동 가능성을 가지고 있다. 또한, 통행 차량의 형상 및 중량, 강교량의 노후화 및 손상정도, 통행량 등 다양한 인자에 의해 교량에 대한 구조적 조건이 변화게 된다. 이와 같이 활하중 효과와 구조부재의 저항능력은 불확실한 특성을 가지는 여러 요인들에 의해 구성된 변수들이기 때문에 손상 교량의 안전평가를 위해서 이들의 정확한 평가가 선행되어야 한다. On the other hand, the steel bridge repair reinforcement method (M100) according to a preferred embodiment of the present invention is to cut and weld the damaged portion (d) of the girder (g) during the common use of the
교량의 내하력을 평가하는 방법은 크게 3가지 방법 즉, 허용응력 이론에 의한 방법, 하중-저항계수법에 의한 방법, 신뢰성지수에 의한 방법으로 분류될 수 있다. 근래에는 내하력 평가에 있어서 특히 콘크리트 교량을 중심으로 극한강도 이론에 의한 평가를 많이 하고 있으나 강교량(100)에 있어서는 허용응력법에 의한 평가방법도 좋은 결과를 산출하므로 본 발명의 바람직한 실시예에서는 강교량(100)에 주로 사용되는 허용응력 이론에 근거한 내하력 평가를 한다. 허용 응력 이론에 의한 교량 부재의 내하력 평가는 사용재료의 허용응력을 기준으로 하게 된다. 또한, 이 때 사하중과 활하중에 의한 응력은 대상 부재단면에 있어서 손상에 따른 단면손실 등을 고려하여 계산하여야 한다. 기본내하력이란 강교량을 현 시방서(도로교 시방서 등)의 기준에 따라 해석했을 때 교량이 지지할 수 있는 활하중의 크기인 설계하중을 기준으로 하여 비례적으로 나타낸 일종의 비례값이다. 즉, 교량이 안전하게 부담할 수 있는 활하중에 의한 응력의 최대값은 부재 재료의 허용응력에서 사하중에 의한 응력값을 뺀 값으로 일등교인 경우 공용내하력 판정식은 다음과 같다. 공용내하력 판정식 P″ = P × Ks × Kr × Kt × Ko 이며, 여기서 P는 기본내하력으로 P = 24×(σa - σd)/σ24이며, σa는 허용응력, σd는 사하중 응력, σ24는 도로교 시방서 상의 DB-24 하중에 의한 응력이고, Ks는 응력에 대한 보정계수, Kr은 노면상태에 따른 보정계수, Kt는 교통상태에 따른 보정계수, Ko 는 기타 조건에 대한 보정계수이다. 그러나, 위 공용내하력 판정식은 단순히 노후화에 의해 손상된 교량의 상태 평가를 목적으로 하는 것으로, 보수·보강을 목적으로 강교량(100)에 용접, 절단 등의 조치가 취해지는 경우에 대한 평가를 위한 방법으로서는 다소 부적합한 면이 있다. 이에 본 발명에서는 절단 및 용접에 의한 입열의 영향을 고려하여 일정한 비례계수를 위 공용내하력 판정식에 곱해 주어 보정된 내하력 판정식을 제공한다. 공용중 강교량의 절단, 용접시 이 강교량의 공용내하력 판정식은 다음과 같다. The method of evaluating the load capacity of a bridge can be largely classified into three methods, namely, the method of allowable stress theory, the method of load-resistance coefficient method, and the method of reliability index. In recent years, the evaluation of the load-bearing capacity, in particular, the concrete bridges in the evaluation of the ultimate strength theory, but a lot of the evaluation method by the allowable stress method in the steel bridge (100), so the good results in the preferred embodiment of the present invention Load capacity evaluation based on the allowable stress theory commonly used in 100). The evaluation of the load capacity of a bridge member based on the allowable stress theory is based on the allowable stress of the material used. At this time, stress due to dead load and live load should be calculated in consideration of sectional loss due to damage in the target member section. The basic load capacity is a proportional value that is proportionally expressed based on the design load, which is the magnitude of the live load that the bridge can support when the steel bridge is analyzed according to the current specification (road bridge specification, etc.). That is, the maximum value of the stress due to live load that the bridge can safely bear is the value obtained by subtracting the stress value due to dead load from the allowable stress of the member material. Common load capacity determination formula P ″ = P × K s × K r × K t × K o , where P is the basic load capacity, P = 24 × (σ a -σ d ) / σ 24 , σ a is the allowable stress, σ d is the dead load stress, σ 24 is the stress due to the DB-24 load on the road bridge specification, K s is the correction factor for the stress, K r is the correction factor for road conditions, K t is the correction factor for traffic conditions, K o is the correction factor for other conditions. However, the above-mentioned common load capacity determination formula is merely for evaluating the condition of a bridge damaged by aging, and as a method for evaluating a case where welding, cutting or the like is taken to the
P' = P × Ks × Kr × Kt × Ko × KH여기서, KH 는 절단 및 용접에 의한 입열을 고려한 보정계수이며, 나머지 계수들은 상기 일반 내하력 판정식과 동일하다. 위 내하력 판정식은 강교량(100)이 도로교인 경우에 적용되는 식이며, 철도교나 인도교 등 다른 용도의 교량에서는 상기 기본내하력(P) 값이 그 교량의 시방서에 따라 조정된다. P '= P × K s × K r × K t × K o × K H where K H Is a correction factor in consideration of heat input by cutting and welding, and the remaining coefficients are the same as the general load capacity determination formula. The above load capacity determination formula is applied when the
보수보강하고자 하는 강교량의 내하력을 위 판정식에 의하여 측정한 값이 도로교시방서 상의 기준 내하력보다 큰 경우 본 발명에 따른 보수보강공법을 시행하게 된다. 위 입열에 따른 보정계수는 입열하 응력분포의 일반적인 경향을 토대로 강교량(100)의 절단 및 용접에 의한 보수중 발생할 수 있는 응력의 영향도를 고려하여 산정한다. 입열에 따라 구조물에 미치는 응력의 영향은 열원으로부터의 거리에 비례하여 그 크기가 규정되고 있으며, 그 정도에 차이는 있으나 대략 200mm 이내의 범위까지 영향이 미치는 것으로 판단할 수 있다. 그러나, 궁극적으로는 내하력의 평가는 가장 위험한 위치 및 상태를 판단하는 것이 목적이므로 최대 인장 및 압축응력이 발생하는 위치 및 그 크기를 판단함으로 입열에 의한 응력의 영향도에 근거한 보정계수를 얻을 수 있다. 하중 작용하 보수용접 즉, 절단 및 용접중 얻어질 수 있는 최대 인장 및 압축 과도응력은 용접을 수행하는 경우보다 절단을 수행하는 경우 구조물에 지배적인 영향을 주는 것으로 판단되며, 보수용접후 얻어질 수 있는 최대 인장 및 압축 잔류응력의 경우는 이와 반대로 용접과정에 의한 영향이 지배적인 것으로 판단할 수 있다. 거더교와 같은 강교량(100)은 부식등에 의한 대 단위 손상의 경우 그 발생위치가 구조물의 중립축보다 하부에 발생하는 것이 일반적이라 할 수 있다. 따라서, 부모멘트가 발생되는 연속교의 중앙지점부가 아닌 일반적인 손상부위라면 휨에 의한 인장응력이 주요 작용력으로 존재하는 위치에서 손상에 따른 보수·보강이 이루어지게 된다. 이는 추가적으로 발생되는 인장응력이 구조물의 안전에 큰 영향을 줄 수 있음을 의미한다. 과도상태 즉, 하중작용하 보수용접중 구조물의 안전과 관련하여 전절의 이상화된 응력 분포도로부터, 절단 및 용접에 의한 압축과도응력은 재료의 항복응력의 약 45%정도, 용접에 의한 인장과도응력은 재료의 항복응력의 약 25%정도 나타냄을 알 수 있다. 따라서, 보수·보강 작업중 절단 혹은 용접과 같은 입열에 의해 구조물에 미치는 영향은 25%로 제안할 수 있을 것으로 판단되며, 위 보정계수는 바람직하게는 0.75로 제안할 수 있으며, 보정계수의 범위는 0.65 ≤ KH ≤ 0.75 로 설정할 수 있다. 보정계수가 0.75를 초과하면 입열에 따른 영향을 너무 작게 상정하여 내하력을 높게 보는 것이므로 안전성에 위험이 있으며, 0.65 미만이면 필요 이상으로 내하력을 작게 보는 것이므로 바람직하지 않다. 이상에서 설명한 바와 같이, 상기한 공용중 강교량의 공용내하력 판정식에 의하여 본 발명에 따른 보수보강공법의 시행여부를 판단함으로써 작업중 안전성을 확보할 수 있다. When the value of the load capacity of the steel bridge to be repaired and strengthened by the above determination formula is greater than the standard load capacity on the road bridge specification, the repair and strengthening method according to the present invention is performed. The correction coefficient according to the heat input is calculated by considering the influence of stress that may occur during repair by cutting and welding the
이하, 본 발명에 따른 강교량 보수보강공법의 실효성 및 현장 적용성을 알아 보기 위하여, 모형 강교량을 제조하여 테스트와 폐교예정의 강교량인 서화천교를 대상으로 테스트를 시행하였다. 모형 강교량을 통한 테스트와 결과에 대하여 상세 히 설명한 후 서화천교를 대상으로 한 테스트와 그 결과에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, in order to find out the effectiveness and field applicability of the steel bridge repair reinforcement method according to the present invention, a model steel bridge was manufactured and a test was performed on the Seohwacheon bridge, which is a steel bridge to be closed. The test and results of the model steel bridge will be described in detail, and then the test and results of the Seohwacheon bridge will be described.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수보강공법의 적용성 및 실효성 실험을 위하여 설치한 모형 교량의 개략적 사시도이며, 도 7은 도 6의 모형 교량의 실제 설치장면을 보여주는 사진이다. FIG. 6 is a schematic perspective view of a model bridge installed for an applicability and effectiveness test of a steel bridge reinforcement method according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a photograph showing an actual installation scene of the model bridge of FIG. 6.
본 실험은 강교량의 거더 하부에 손상부를 절단하고 보수보강재를 용접하여 강교량을 보수보강한다는 가정하에 실험을 수행하였다. 도 6에는 모형 교량의 형상 및 치수가 나타나 있으며, 도 7은 설치된 모형 교량의 사진이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 모형 교량(200)은 총연장 20m이며 2경간 연속 I-거더교로 상부 플랜지(210)는 16mm, 하부 플랜지(220)는 22mm, 웹(230)은 12mm 두께의 SM490 강재를 사용하였다. 상부구조(270)는 300kgf/㎠ 강도의 철근콘크리트로 제작되었다. 6톤 규모의 골재 및 콘크리트 블록(280)을 상재하중으로 재하하여 교량 전체에 총 12톤의 하중을 재하하였다. 위 모형 교량(200)과 동일한 규격으로 실교량을 설치한다고 가정하였을 때, 교통량 등을 고려하면 이 실교량에 재하되는 각종 하중은 대략 12톤 정도인 점을 감안하여 본 실험에서는 12톤의 하중을 재하하였다. This experiment was carried out on the assumption that the damaged part was cut in the lower part of the girder of the steel bridge and the reinforcement was welded to repair the steel bridge. Figure 6 shows the shape and dimensions of the model bridge, Figure 7 is a photograph of the installed model bridge. 6 and 7, the
절단은 가스절단을 사용하였으며, 도 6에 도시된 바와 같이, 웹(230)을 절단한 후 하부 플랜지(220)를 절단하는 순서로 손상부를 절단하였다. 현장용접에 있어서 용접 및 절단 속도, 입열량 등을 정확하게 설정하고 일정하게 수행한다는 것은 현실적으로 불가능하다. 그러므로 본 실험에서는 가능한 일정한 절단 및 용접 속도를 유지하고자 하였으며 절단은 다음과 같은 조건에서 이루어졌다. 웹(230) 및 하부 플랜지(220)는 절단에 앞서 약 10초간 850∼900℃로 절단시작부를 예열한 후 아래의 표 1과 같은 속도와 폭으로 절단을 수행하였다. Cutting was used for gas cutting, and as shown in Figure 6, after cutting the
표 1 절단조건 Table 1 Cutting Conditions
보수보강재(미도시)는 상기 절단된 손상부와 동일한 재질과 형상으로 제조하였으며, 이 보수보강재에는 용접홈을 형성하였다. Repair reinforcement (not shown) was made of the same material and shape as the cut damage, the repair reinforcement was formed with a welding groove.
용접은 F.C.A.W(Flux Cored Arc Welding)를 사용하였으며 먼저 절단된 하부 플랜지를 플랜지보수보강재(미도시)로 용접한 후 절단된 웹을 웹보강재(미도시)로 용접하였다. 절단의 경우와 동일하게 가능한 일정한 용접속도 및 입열량을 유지하고자 하였으며 용접은 다음 조건하에서 수행되었다. 본 실험에서는 하부플랜지 및 웹을 입열량 Q = 2800(J/mm2), 용접속도 v = 3(mm/sec)로 3패스(pass)에 용접하였다. 또한, 용접은 이른바 일면 베벨 맞대기 및 T 이음으로 보수용접을 하였다. 자세한 용접조건은 이하의 표 2와 같다. Welding was performed using FCAW (Flux Cored Arc Welding), and the first lower flange was welded with a flange repair reinforcement (not shown), and the cut web was welded with a web reinforcement (not shown). As in the case of cutting, the welding speed and heat input were maintained as much as possible, and the welding was performed under the following conditions. In this experiment, the lower flange and the web were welded in three passes with heat input Q = 2800 (J / mm 2 ) and welding speed v = 3 (mm / sec). In addition, welding was repaired by what is called one side bevel butt and T joint. Detailed welding conditions are shown in Table 2 below.
표 2 용접조건 Table 2 Welding Conditions
실험결과가 도 8에 도시되어 있다. 도 8은 도 6의 실험에서 나타난 강교량(모형 교량)의 거동특성을 나타낸 그래프로서, 도 8a는 절단에 따른 강교량(모형 교량)의 절단변형양을 나타낸 그래프이며, 도 8b는 용접에 따른 강교량(모형 교량)의 용접변형양을 나타낸 그래프이고, 도 8c는 절단에 따른 강교량(모형 교량)의 절단응력을 나타낸 그래프이다.The experimental results are shown in FIG. 8 is a graph showing the behavior characteristics of the steel bridge (model bridge) shown in the experiment of Figure 6, Figure 8a is a graph showing the deformation amount of the steel bridge (model bridge) according to the cutting, Figure 8b is a steel bridge (by welding) 8) is a graph showing the cutting stress of the steel bridge (model bridge) according to the cutting.
도 8a를 참조하면, 웹(230)만을 절단하였을 경우, 절단면 하단( x=600mm)에서 최대 처짐이 약 1mm 를 나타냈으며, 하부 플랜지(220)까지 절단을 수행한 경우, 절단면 근방(x=200, 800mm)에서 최대 약 3.3mm의 처짐을 나타내었다. 또한, 절단이 완료된 후 잔류 처짐변위는 절단과정에서 나타난 처짐변위와 유사한 분포를 나타냈으나 최대 처짐변위는 입열후 냉각과정에서의 열수축으로 인한 수축변위로 다소 감소되는 것을 알 수 있다. 그리고 웹(230)만을 절단한 경우에 비해 하부 플랜지(220)까지 절단한 경우 변위량이 현저히 커짐을 알 수 있다. Referring to FIG. 8A, when only the
도 8b를 참조하면, 하부 플랜지(20)만을 용접하였을 경우, 최대 솟음이 0.1mm를 나타냈으며, 이후 웹(230)의 용접 및 용접이 모두 완료된 후 그 잔류 솟음의 양은 크게 증가하고 있다는 것을 알 수 있다. 이는 하부 플랜지(220)의 냉각으로 인한 열수축으로 플랜지 하단의 각 변형량이 증가한 것으로 사료된다. Referring to FIG. 8B, when only the
또한, 도 8c를 참조하면, 웹(230) 및 하부 플랜지(2320)를 절단하였을 경우, 입열에 따른 열팽창으로 인하여 압축응력이 나타나고 있으며, 잔류상태에서는 입열 후 냉각에 따른 열수축으로 인하여 인장응력이 나타나고 있는 것을 알 수 있다. In addition, referring to Figure 8c, when the
위의 결과로부터 하중재하 상태에서 절단 및 용접시에 위 모형 교량(200)에서 발생하는 처짐량은 도로교 시방서에서 제안하고 있는 허용 처짐값을 만족하고 있는 것을 알 수 있다. 도로교 시방서 상의 허용처짐값은 아래의 표 3에 나타나 있다. From the above results, it can be seen that the amount of deflection generated in the
표 3 허용처짐값(도로교 시방서) Table 3 Permissible Deflection Value (Road Bridge Specification)
한편, 본 발명에 따른 강교량 보수보강공법을 폐교예정인 실교량을 대상으로 실효성과 현장적용성을 실험하였다. 이하, 도면을 참조하여 본 실험 및 그 결과에 대해서 상세히 설명한다. 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수 보강공법의 현장 실험이 시행된 폐교예정의 실교량인 서화천교의 전경이 나타나 있는 사진이며, 도 10은 도 9의 서화천교의 종단면도이고, 도 11은 도 9의 서화천교의 보수보강공법의 시행부분을 나타낸 개략적 사시도이며, 도 12는 14m 지점의 응력거동을 측정하기 위하여 설치한 스트레인 게이지(strain guage)의 배치를 나타내는 도면이다. Meanwhile, the effectiveness and field applicability of the steel bridge repair reinforcement method according to the present invention were tested on actual bridges which are to be closed. Hereinafter, the present experiment and its results will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 9 is a photograph showing a panoramic view of Seohwacheon Bridge, the actual bridge of the closed bridge, in which the field test of the steel bridge repair reinforcement method according to the preferred embodiment of the present invention is performed. FIG. 10 is a longitudinal cross-sectional view of Seohwacheon Bridge of FIG. 9 is a schematic perspective view showing an implementation of the repair and reinforcement method of Seohwacheon bridge of Figure 9, Figure 12 is a view showing the arrangement of the strain gauge (strain guage) installed to measure the stress behavior of the 14m point.
본 실험의 대상이된 실교량은 폐교 예정인 서화천교(300)로서 행정구역상 충청북도 옥천군에 속하며 경부고속도로 내 옥천 IC 부근에 위치하였다. 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 서화천교(300)는 총연장 190m 6경간 왕복2차선으로 이루어져있으며 스틸박스거더(Steel Box Girder, 390)와 피씨빔(PC Beam, 380)으로 구성된 복합교이다. 이 중 스틸박스거더(390) 구간은 총연장 100m 3경간이며 피씨빔(380)구간은 총연장 90m 3경간으로 나누어져 있다. 본 실험은 스틸박스거더(390) 구간에서 수행되었고 스틸박스의 웹(330), 상부플랜지(310) 및 하부플랜지(320) 등 모든 강재는 10mm의 두께를 가진 SWS41(SM400) 강재가 사용되었다. 공용중 상태를 재현하기 위해서 실험이 진행되는 동안 차량을 운행하면서 총연장 190m 1경간 스틸박스 구간의 1/2 지점 웹(330h)과 하부 플랜지(320h)를 1000×300mm 크기로 절단 후 용접홈이 형성된 보수보강재(미도시)를 이 절단부에 용접하였으며 또한 1/4지점에서도 1/2지점에서와 같이 웹(330q)을 1000×300mm 크기로 절단 후 보수보강재(미도시)로 용접하여 보수하였다. 보수보강재는 SM490 강재를 사용하였으며 두께는 절단부와 동일하게 10mm 로 하였다. The actual bridge for this experiment was Seohwacheon Bridge (300), which is scheduled to be closed, belongs to Okcheon-gun, Chungcheongbuk-do, and was located near the Okcheon IC in Gyeongbu Expressway. As shown in FIGS. 9 and 10, the
절단은 가스절단을 사용하였으며, 도 11에 도시된 바와 같이, 1경간 1/2지점 의 웹(330h)을 절단한 후 하부 플랜지(320h)를 절단하고 일련의 보수용접 작업이 종료된 후 1경간 1/4지점의 웹(330q)을 절단하는 순서로 손상부를 절단하였다. 본 실험에서는 가능한 일정한 절단 및 용접 속도를 유지하고자 하였으며 절단은 다음과 같은 조건에서 이루어졌다. 웹 및 하부 플랜지는 절단에 앞서 약 10초간 850∼900℃로 절단시작부를 예열한 후 표 4와 같은 속도와 폭으로 절단을 수행하였다. Cutting was performed using gas cutting, and as shown in FIG. 11, after cutting the
표 4. 절단조건 Table 4. Cutting Conditions
용접은 F.C.A.W(Flux Cored Arc Welding)를 사용하였으며 보수보강재를 이용하여 1경간 1/2지점의 하부 플랜지(320h) 절단부를 용접한 후 웹(330h) 절단부를 용접하였다. 또한 1경간 1/4지점에서는 1경간 1/2지점 웹의 경우와 동일한 방법으로 보수보강재를 이용하여 보수 용접하였다. 그리고 절단의 경우와 동일하게 가능한 일정한 용접속도 및 입열량을 유지하고자 하였으며 용접은 이하의 표 5의 조건하에서 수행되었다. 본 실험에서는 하부플랜지 및 웹을 대략 입열량 Q = 2800(J/mm2) , 용접속도 v = (1mm/sec)로 3패스(Pass)에 용접하였다. 그리고 용접 홈의 각도는 30˚로 형성하였으며 맞대기 보수용접을 하였다. 자세한 용접조건은 다음의 표 5와 같다. Welding was performed using FCAW (Flux Cored Arc Welding) and welded the cut portion of the lower flange (320h) of 1/2 point of the interval using a repair reinforcement and then the cut portion of the web (330h). In addition, in the
표 5. 용접조건 Table 5. Welding Conditions
본 실험은 정하중재하실험과 활하중재하실험으로 나누어 수행하였다. 정하중재하실험에서 정하중은 트럭을 이용하여 43.2tf를 재하하였고 각각 1경간 1차선 및 2차선의 1/2지점(14m 지점)과 1/4지점(7m 지점)에 재하하였고, 활하중재하실험에서의 하중재하 형태는 1경간 2차선 구간에 정하중과 마찬가지로 43.2tf를 재하하였다. 좀 더 구체적으로 설명하면 실험 수행 중에 활하중을 재하하여 공용중 상태를 구현하기 위해 덤프트럭을 운행하였으며 이 결과와 정적하중재하상태에서의 응력 및 변위 특성과 비교하기 위하여 정하중(덤프트럭)을 재하하고 그에 따른 응력 및 변형을 측정하였다.This experiment was divided into static load test and live load test. In the static load test, 43.2 tf was loaded by truck and loaded at 1/2 (14m) and 1/4 (7m) of one and two lanes, respectively. As for the load type, 43.2tf was loaded like the static load in the one-lane two-lane section. To be more specific, the dump truck was operated to implement the live load by carrying the live load during the experiment, and the static load (dump truck) was loaded to compare the results with the stress and displacement characteristics under the static load. The resulting stress and strain were measured.
한편, 시행된 공법을 개략적으로 정리하면 다음과 같다. 절단시 단면손실에 의한 교량의 허용활하중의 안전성을 확인하기 위하여 손상된 단면 중 내하력에 있어 가장 취약되는 부분을 선택하였다. 선택한 부분의 웹(7m 지점, 330q)에 해당되는 단면을 절단한다. 절단시 절단성을 지배하는 요인으로 절단면에 투입되는 에너지량 또는 동일 에너지량일 경우 열원의 크기 즉, 노즐의 크기와 비교할 수 있는 절단폭을 가능한 최소화함으로써 보수보강재의 접합이 곤란할 정도로 스틸박스거더(390)의 과도한 변형이나 급격한 강성저하가 일어나는 것을 방지하였다. 또한, 웹(14m지점,330p)의 하부 플랜지(14m지점,320p)에 해당되는 단면을 절단한다. 이 경우 역시 앞의 경우와 동일한 사항에 주의하여 절단한다. 가우징이나 그라인딩을 통해 단면을 정리하고, 접합을 위해 보수보강재 및 기존 거더에 약 30˚의 용접홈을 형성한다. 이 경우 역시 추가적인 열의 작용에 의한 변형을 최대한 억제하도록 한다. 7m 지점과 14m 지점의 절단된 하부플랜지를 상기 동일한 형상의 보수보강재로 교체 용접한다. 이 경우 보수보강재와 기존 거더간에 원활한 용접 및 변형 방지를 위해 가용접(Tack Welding)을 수행한 후 용접하고 14m 지점의 웹(330p)을 보수보강재(미도시)로 교체 용접한다. 이 경우 완전 용입 및 작업의 용이성을 위해 접합면 하단에 가판을 가용접(Tack Welding)하여 사용한다. 이 경우, 용접되는 보수보강재의 교장직각방향으로의 과도한 변형이 생기지 않도록 주의한다. On the other hand, the construction method implemented is summarized as follows. In order to confirm the safety of the allowable live load of the bridge due to section loss during cutting, the most vulnerable part of the load capacity was selected. The cross section corresponding to the web (7 m point, 330q) of the selected portion is cut.
본 실험에서는 스틸박스거더(390)에 대한 공용중 상태에서의 절단 및 용접에 의한 응력 변화와 처짐을 중심으로 실험결과를 측정하였다. 도 12는 손상부의 응력거동을 측정하기 위하여 설치한 스트레인 게이지의 배치를 나타내는 도면이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 교량 1/4(7m)지점 및 1/2(14m)지점의 웹에 대한 보수보 강재 용접면의 절단선을 따라 교장 및 교장직각 방향응력을 측정하였고 보수보강재 보수용접면의 절단선으로부터 400mm 떨어진 위치에서의 응력을 측정하였다. 그리고 1/4(7m)지점 및 1/2(14m)지점의 하부플랜지의 응력은 각각 상부면과 하부면으로 나누어 교장방향 및 교장직각방향의 응력을 측정하였다. 또한 절단에 따른 절단면 부근의 급격한 변형 및 용접에 따른 구조물의 처짐에 미치는 영향을 파악하기 위하여 절단면 근방의 하부플랜지(320h,320q) 하단에 처짐량측정기(LVDT)를 설치하여 실시간 처짐량을 측정하였다. 실험 결과가 도 13에 도시되어 있다. 도 13은 도 9의 현장실험에서 나타난 강교량의 거동특성을 나타낸 그래프로서, 도 13a는 7m 지점의 처짐변형양을 나타낸 그래프이며, 도 13b는 14m 지점의 처짐변형양을 나타낸 그래프이고, 도 13c는 14m 지점 웹의 교축방향 응력거동을 나타낸 그래프이며, 도 13d는 14m 지점 하부플랜지의 교축방향 응력거동을 나타낸 그래프이고, 도 13e는 14m 지점 웹의 교장방향 응력거동을 나타낸 그래프이고, 도 13f는 14m 지점 하부플랜지의 교장방향 응력거동을 나타낸 그래프이다. In this experiment, the experimental results were measured mainly on the stress change and deflection by cutting and welding in the state of common use for the
실험 결과, 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 2차선 1/4(7m)지점에서 공용중 웹(330q) 절단시 최대 약 2.9mm까지 처짐변위가 발생하였으나 용접 작업이 완료된 후 그 잔류 솟음의 양이 크게 증가하고 있음을 알 수가 있었다. 또한 2차선 1/2(14m)지점에서도 웹(330h)과 하부 플랜지(320h) 절단시 최대 약 5.4mm의 처짐변위가 발생하였고 이 또한 이것은 2차선 1/4(7m)지점에서와 마찬가지로 용접 작업이 완료된 후 그 잔류 솟음의 양기 크게 증가하였다. 따라서 공용중 일련의 보수보강작업에 있어서의 도로교 시방서 상의 허용처짐(41.8mm)값을 만족함을 알 수 있었으며 공용중 신판교체에 의한 보수보강공법의 적용으로 인한 처짐변위의 안정성을 확보할 수 있었다.As a result of the experiment, as shown in FIGS. 13A and 13B, sagging displacement occurred up to about 2.9 mm when cutting the web 330q in common at the
도 13c 내지 도 13f에서는 2차선 1/2지점에서의 본 발명에 따른 공용중 강교량 보수보강공법에 의해 실험을 수행한 결과인 응력분포의 변화가 나타나 있다. 웹과 플랜지의 교축방향(x방향) 및 교장방향(y)의 응력 중, 플랜지 절단시 x방향으로 응력이 약 120MPa로 최대값을 나타내었으며 그 외 다른 부분에서는 평균적으로는 20~40MPa의 응력값을 나타냄을 알 수 있었다. 이와 같은 실험결과는 허용응력내(140MPa)의 응력분포로 본 발명에 따른 강교량 보수보강공법의 안전성 및 신뢰성을 검증하고 있다. 도로교 시방서 상의 용접부의 허용응력은 아래의 표 6에 나타나 있다. 13C to 13F show changes in stress distribution, which is a result of experiments performed by the steel bridge repair reinforcing method according to the present invention at the 1/2 point of the second lane. Among the stresses in the axial direction (x direction) and the principal direction (y) of the web and flange, the maximum stress was about 120 MPa in the x direction when cutting the flange, and the average stress value in other parts was 20-40 MPa. It could be seen that. These experimental results verify the safety and reliability of the steel bridge repair reinforcement method according to the present invention with the stress distribution within the allowable stress (140MPa). The allowable stresses of the welds on the road bridge specifications are shown in Table 6 below.
표 6. 용접부의 허용응력(MPa) Table 6. Allowable Stress in Weld (MPa)
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강교량 보수보강공법(M100)의 실효성과 현장적용성 및 안전성을 검증하기 위하여 상기한 바와 같이 모형교량과 실교량을 대상으로 실험을 수행한 결과, 공용중에 강교량의 손상부를 절단 및 용접하여 강교량을 보수,보강하는 것에 대한 안전성과 보수보강 후 교량의 안전성이 확인되었다.In order to verify the effectiveness, field applicability, and safety of the steel bridge repair reinforcement method (M100) according to the preferred embodiment of the present invention, as a result of experiments on the model bridge and the actual bridge, the damage of the steel bridge in common The safety of repairing and reinforcing steel bridges by cutting and welding parts and the safety of bridges after repairing and reinforcing were confirmed.
특히, 폐교예정인 서화천교를 대상으로 활하중을 재하한 상태에서 진행된 실험을 통해 본 발명에 따른 강교량 보수보강공법(M100)의 안전성과 신뢰성을 명백히 검증할 수 있었다. In particular, the safety and reliability of the steel bridge repair reinforcement method (M100) according to the present invention was clearly verified through experiments carried out under load conditions for Seohwacheon Bridge, which is scheduled to be closed.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 강교량 보수보강공법은 노후화되었거나 손상정도가 커서 폐기해야 하는 교량을 간단하면서도 짧은 시간내에 보수,보강할 수 있으므로 경제성이 매우 우수하다는 장점이 있다. As described above, the steel bridge repair reinforcing method according to the present invention has the advantage that it is very economical because it can be repaired and reinforced in a short time in a short time due to the aging or large damage degree.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 손상된 강교량의 교통을 통제하지 않는 공용상태에서 보수보강할 수 있어 교통과 경제에 있어 매우 유리할 뿐만 아니라, 공법을 진행하는 동안은 물론 보수보강후에도 교량의 안전성이 보장된다. In addition, in one embodiment of the present invention can be reinforcement in the common state that does not control the traffic of the damaged steel bridge is very advantageous in transportation and economic, and the safety of the bridge during the reinforcement as well as during the construction process is ensured .
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