KR100879305B1 - 교량시공용 합성거어더 - Google Patents

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KR100879305B1
KR100879305B1 KR1020080093711A KR20080093711A KR100879305B1 KR 100879305 B1 KR100879305 B1 KR 100879305B1 KR 1020080093711 A KR1020080093711 A KR 1020080093711A KR 20080093711 A KR20080093711 A KR 20080093711A KR 100879305 B1 KR100879305 B1 KR 100879305B1
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원용석
최민희
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원용석
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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    • E01D2101/26Concrete reinforced
    • E01D2101/28Concrete reinforced prestressed
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Abstract

본 발명은 교량시공용 합성거어더에 관한 것으로, 그 구성은 일측이 개방된 장방형 용기형상의 단면을 유지한 채 수평방향으로 신장되어 이루어진 강재(鋼材) 구조물 내에, 콘크리트가 충전되어 강재와 콘크리트가 상호 일체로 합성된 압축부와, 상기 압축부의 개방측과 대향되는 면의 외측에 입설되어 상기 압축부의 전체 길이에 걸쳐 일체로 형성된 강재의 웨브와, 상기 웨브와 직교하며 상기 웨브의 전체 길이에 걸쳐 일체로 형성된 강재의 인장부를 포함하여 이루어지고, 상기 압축부와 웨브 및 인장부는 수평방향을 따라 신장되어지되 상기 압축부와 웨브간 접합 경계면이 거어더의 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭의 위로 볼록한 곡면을 형성하도록 상기 압축부와 웨브의 높이 비율이 상호 반비례적으로 점진 가변되어 형성된 것을 특징으로 하며, 이러한 본 발명에 의하면, 단면강성이 증대되어 기존의 거어더에 비해 현저히 큰 장경간에도 설치 가능하고, 고가의 강 보강재 사용을 최소화함으로써 제작원가가 저렴하며, 자체 중량이 작으면서도 충분한 강도특성을 발휘할 수 있는 효과가 있다.
교량, 합성거어더, 장경간 거어더, 아치, 압축부, 웨브, 인장부

Description

교량시공용 합성거어더{Composite girder for constructing bridge}
본 발명은 강재와 콘크리트를 합성하여 생성되는 합성거어더에 관한 것으로, 단면강성이 증대되어 기존의 거어더에 비해 현저히 큰 장경간에도 설치 가능하고, 고가의 강 보강재 사용을 최소화함으로써 제작원가가 저렴하며, 자체 중량이 작으면서도 충분한 강도특성을 발휘할 수 있는 교량시공용 합성거어더에 관한 것이다.
일반적으로 교량에 적용되는 강재 거어더로는, 스틸박스 거어더와, 개구제형 거어더 및 I-Beam 거어더 등이 있으며, 이중에서 스틸박스 거어더가 강도 및 중량 면에서 가장 크다.
상기 스틸박스 거어더는, 최대 70m 경간까지 시공될 수 있는 주형공법용 거어더로서, 비틀림 강도(Torsional Strength)가 커서 곡선교 적용이 가능하며, 공정이 단순하고 공사기간이 짧으며 강성이 우수한 반면, 강성을 향상시키기 위하여 내부에 강 보강재를 다량 적용하여야 하므로 공사비가 상승하고, 중량이 크며, 강재의 특성상 진동 및 처짐에 취약하다.
도 1을 참조하여 그 구조를 간단히 살펴보면, 상부플랜지(11)와 하부플랜지(12)를 포함하는 사각박스 형태의 스틸박스 거어더(10)는, 그 내부에 강 보강 재(13)가 가로 및 세로방향과 내측면 둘레를 따라 다수 배치되어 있고, 그 외부가 크로스빔(14)으로 보강된 구조를 이루며, 교각(1)상에 거치되어 상부 구조물인 슬래브(2)를 지지한다.
상기 개구제형 거어더(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 'U'자형의 거어더 본체(21) 내부에 다수의 강 보강재(23)가 가로 및 세로방향과 내측면 둘레를 따라 다수 배치되어 있고, 그 외부가 크로스빔(24)으로 보강된 구조를 이루며, 교각(1)상에 거치되어 상부 구조물인 슬래브(2)를 지지한다.
상기 I-Beam 거어더(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, I-Beam(31)의 측벽에 다수의 크로스빔(34)이 보강된 구조를 이루며, 교각(1)상에 거치되어 상부 구조물인 슬래브(2)를 지지한다.
그 외에 피에프빔 거어더(PF Beam Girder)가 있다. 상기 피에프빔 거어더는, 스틸박스 거어더에 미리 허용응력의 10∼20%를 추가 고려한 프리플렉션 하중(Preflexion Load)을 재하시킨 후 고강도 콘크리트를 타설하여 콘크리트 부위에 압축 프리스트레스(Prestress)를 도입하는 강합성 거어더로서, 곡선교 적용에 불리할 뿐만 아니라 자중의 문제로 인해 최대 50m 경간까지의 직선교량이나 도심지 및 하천 등 낮은 형고를 요하는 곳에 주로 사용되며, 형고가 낮아 형하공간 확보가 용이하고 본선종단 계획에 유리한 반면, 공사비가 상승하고, 균열 발생시 보수 및 보강이 어렵다.
상기한 바와 같은 종래의 거어더들의 문제점들을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 즉, 상기 스틸박스 거어더 및 개구제형 거어더는, 자체 규모가 대형·대중량체이고, 인장부재로서의 강도특성을 발휘하는 고가의 강재를 거어더 상부 쪽의 압축부재로도 사용하므로 비효율적이며, 압축강도 면에서 취약성을 갖는 강재의 특성을 감안할 때 거어더 상부의 압축강도를 확보하기 위해서는 강 보강재를 과도하게 사용할 수밖에 없고 비틀림 강도가 취약하므로 강재 중량이 40% 이상 증대됨은 물론이고 제작원가의 상승을 초래하게 되며, 공사비와 직결되는 강성대비 강재의 중량과다로 최대 70m 이상의 장경간(長徑間) 거어더로서의 적용이 곤란하다.
또한, I-Beam 거어더는, 강성 확보를 위해서는 형고(주형 높이)를 크게 할 수밖에 없고 비틀림 강도가 취약하므로 구조적으로 불안정할 수 있고, 단면 자체의 특성상으로는 효율성이 있으나, 이 역시 장경간 거어더로의 적용이 곤란하다.
특히, 이러한 기존의 거어더들에 있어서 그 거어더의 압축부와 인장부 간을 연결하는 복부(웨브)가 큰 전단력을 전달하기 위해서는, 다량의 강 보강재가 사용되어야 하므로, 구조물 자중의 증가와 함께 자재의 과다사용에 따른 경제성 저하의 요인을 가질 수밖에 없는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은, 기존의 거어더에 비해 현저히 큰 장경간에도 설치 가능하고, 고가의 강 보강재 사용을 최소화함으로써 제작원가가 저렴하며, 자체 중량이 작으 면서도 충분한 강도특성을 발휘할 수 있도록 된 교량시공용 합성거어더를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교량시공용 합성거어더는, 일측이 개방된 장방형 용기형상의 단면을 유지한 채 수평방향으로 신장되어 이루어진 강재(鋼材) 구조물 내에, 콘크리트가 충전되어 강재와 콘크리트가 상호 일체로 합성된 압축부와, 상기 압축부의 개방측과 대향되는 면의 외측에 입설되어 상기 압축부의 전체 길이에 걸쳐 일체로 형성된 강재의 웨브와, 상기 웨브와 직교하며 상기 웨브의 전체 길이에 걸쳐 일체로 형성된 강재의 인장부를 포함하여 이루어지고, 상기 압축부와 웨브 및 인장부는 수평방향을 따라 신장되어지되 상기 압축부와 웨브간 접합 경계면이 거어더의 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭의 위로 볼록한 곡면을 형성하도록 상기 압축부와 웨브의 높이 비율이 상호 반비례적으로 점진 가변되어 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압축부는 가로 폭에 비해 높이 폭이 상대적으로 큰 종장형(縱長形)의 강재 구조물에 의해 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 압축부는 높이 폭에 비해 가로 폭이 상대적으로 큰 횡장형(橫長形)의 강재 구조물에 의해 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 압축부의 강재 구조물 내측면 상에는 콘크리트와의 결합력을 높이기 위한 다수의 전단연결재가 돌출 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 웨브는, 시공 단계별 하중 상쇄효과를 도모하기 위한 프리스트레스를 가할 수 있도록 그 양측면 상에 장력조절용의 강연선이 장착된 것이 바람직하다.
또한, 상기 인장부는 평판이나 I-Beam 또는 원형 파이프 등으로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 인장부는, 시공 단계별 하중 상쇄효과를 도모할 수 있도록 웨브와의 결합 전에 원호형으로 만곡시켜두는 소성가공 과정을 통한 프리스트레스 처리 후, 그 양단부에 강제적인 힘을 가하여 상기 웨브와 일체로 형성하여서 된 것이 바람직하다.
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또한, 상기 압축부의 콘크리트는 상기 압축부와 웨브간 접합 경계면을 따라 일정 두께로 형성된 아치형 구조를 이루는 것이 바람직하다.
또한, 상기 웨브는 거어더의 전체 신장길이에 걸쳐 위로 볼록한 중앙대칭의 곡면을 이루는 압축부 하단을 따라 그 저면에 초승달 형상으로 형성되고, 상기 인장부는 상기 웨브의 하단 곡면을 따라 그 저면에 일체로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 단일 경간의 단순교에 적용되는 것으로서, 상기 압축부와 웨브간 접합 경계면은 거어더의 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭의 위로 볼록한 단일곡면을 이루도록 가변 형성된 것이 바람직하다.
또한, 2경간 이상의 연속교에 적용되는 것으로서, 상기 압축부와 웨브간 접 합 경계면은 거어더 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭을 이룸과 동시에 그 경간 개수와 동일 개수의 위로 볼록한 곡면을 이루도록 가변 형성된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 교량시공용 합성거어더에 의하면, 강재 및 콘크리트 부재의 적소배치 및 합성에 의해, 거어더 상부에 형성되는 압축응력과 거어더 하부에 형성되는 인장응력에 각각 효율적으로 대처할 수 있는 최적화된 구조를 구현함으로써, 단면강성이 증대되어 기존의 거어더에 비해 현저히 큰 장경간에도 설치 가능하고, 고가의 강 보강재 사용을 최소화하여 제작원가가 저렴하며, 자체 중량이 작으면서도 충분한 강도특성을 발휘할 수 있게 되는 효과가 있다.
본 발명의 합성거어더는, 압축강도에 효과적인 콘크리트를 거어더 상부의 압축부에 배치하여 강재와 콘크리트의 합성구조에 의해 압축응력을 지지하고, 거어더 하부의 인장부에는 균열에 취약한 콘크리트를 배제하고 인장강도에 효과적인 강재만을 배치하여 인장응력을 지지토록 한 가장 경제적이고도 효율적인 단면구조로 최적화된 신개념의 거어더로서, 램프교 및 장경간 곡선교에 적용 가능하고, 강성이 우수하여 계곡 및 하천 통과부 등과 같은 120m 이상의 장대 경간에도 적용할 수 있으며, 형고 조정이 용이하고, 단면구조가 단순하고 자중이 경감됨에 따라 가설 등 시공이 용이하며, 기존의 스틸박스 거어더 등에 비해 강재 사용량을 30% 이상 절감할 수 있으므로 공사비가 저렴하고, 외부 강재로 압축부의 콘크리트를 구속하는 컨파인 효과(Confine Effect)에 의하여 좌굴, 처짐 및 진동에 대한 영향을 효율적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
특히, 압축부와 웨브간 접합 경계면이 거어더의 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭의 위로 볼록한 곡면을 형성하도록 상기 압축부와 웨브의 높이 비율이 상호 반비례적으로 점진 가변되어 형성하며 압축부의 콘크리트가 상기 압축부와 웨브간 접합 경계면을 따라 일정 두께로 형성된 아치형 구조를 이룰 경우, 압축부의 콘크리트가 교축방향으로 일정한 압축응력에 저항하게 되므로 축력의 변화가 없어 전단연결재가 필요 없을 뿐만 아니라 복부(웨브)에 전단력이 작용하지 않아 복부(웨브)의 전단보강을 하지 않아도 되는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교량시공용 합성거어더를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4 내지 도 20은 본 발명에 따른 합성거어더의 다양한 구성들을 도시한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 강재-콘크리트 합성거어더(40)의 구조를 도시한 사시도 및 그 인장부(44)의 다양한 적용 예들을 도시한 부분확대 측면도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 종장형(縱長形) 합성거어더(40)의 내부구조를 도시한 도 4의 V-V선 단면도, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 횡장형(橫長形) 합성거어더(40)의 내부구조를 도시한 횡단면도, 도 7은 본 발명에 따른 합성거어더(40)의 인장부(44)의 형성을 위한 부분 제조공정을 정면측에서 예시한 개념도, 도 8은 본 발명에 적용될 수 있는 인장부(44)의 보강 구조의 일례를 도시한 개략도, 도 9는 단순교에 적용되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 아치형 강재-콘크리트 합성거어더(50)의 구조를 도시한 사시도, 도 10은 도 9의 아치형 합성거어 더(50)에 대한 좌측면도, 도 11은 도 9의 XI-XI선 단면도, 도 12는 도 9의 XII-XII선 단면도, 도 13은 단순교에 적용되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 아치형 강재-콘크리트 합성거어더(60)의 구조를 도시한 사시도, 도 14는 도 13의 아치형 합성거어더(60)에 대한 좌측면도, 도 15는 도 13의 XV-XV선 단면도, 도 16은 도 13의 XVI-XVI선 단면도, 도 17은 도 13의 아치형 합성거어더(60)에 등분포하중이 재하될 때 콘크리트(62)를 따라 압축력이 분산되어 작용하게 되는 원리를 보여주는 개념도, 도 18은 단순교에 적용되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 아치형 강재-콘크리트 합성거어더(60)의 구조를 도시한 정면도, 도 19는 연속교에 적용되는 본 발명에 따른 반복 아치형 강재-콘크리트 합성거어더(60)의 구조를 도시한 정면도, 도 20은 일반 거어더와 본 발명에 따른 아치형 합성거어더에 각각 작용하는 응력 및 모멘트 분포를 비교 도시한 도표이다.
본 발명은 교량이나 건축물 등에 사용되는 휨에 저항하는 강재와 콘크리트가 합성된 거어더에 관한 것으로서, 휨에 저항하는 능력을 경제적으로 향상시키기 위하여 인장력을 받는 거어더의 하부 플랜지부(인장부)는 강재를 사용하고, 압축력을 받는 상부 플랜지부(압축부)는 가격대비 압축강도 성능이 우수한 콘크리트를 사용한 형태로 구성되며, 등분포 하중을 받는 거어더에 있어서 압축력이 작용하는 방향과 일치하도록 강재-콘크리트 합성의 압축부를 형성함으로써 복부(腹部), 즉 웨브와 압축부 사이에 전달되는 전단력을 최소화하여 콘크리트의 종방향 철근을 제거 또는 감소시킬 수 있음은 물론이고, 전단연결재 및 웨브의 보강용 강재를 획기적으로 절감할 수 있게 됨으로써 거어더의 경제성 있는 설계를 가능케 하는 구체적인 구조들을 제시하고자 한다.
또한, 본 발명의 합성거어더 구조에 의하면, 그 상부에 시공되는 슬래브뿐만 아니라 거어더의 자중에 대해서도 콘크리트 합성의 압축부가 길이방향으로 일정한 힘을 받을 수 있도록 함으로써 전체 중량을 대폭 감소시킬 수 있고, 거푸집 기능을 겸하는 콘크리트 외측의 강재 부분에 의해 콘크리트를 X-, Y-, Z-축 방향에 대한 3축 압축상태로 유지시켜줌으로써 압축강도 및 구조적 효율성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 인장력 및 전단력에 약하지만 압축력에 강한 콘크리트의 특성을 최대한 활용할 수 있는 거어더의 구조를 본 발명에서 제공함으로써 강도가 우수하면서도 경제적 이점을 갖는 합성거어더를 구현할 수 있게 되는 것이다.
이와 같은 이점을 갖기 위한 본 발명에 따른 교량시공용 합성거어더는, 강재와 콘크리트의 합성구조로 된 압축부와, 상기 압축부의 일측에 일체로 형성된 강재 웨브와, 상기 웨브의 일측에 일체로 형성된 강재 인장부로 구성된다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량시공 합성거어더(40)를 나타내고 있다(이하, 정모멘트가 작용하는 경우를 기준 하여 설명함).
본 실시예에 의한 합성거어더(40)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상부가 개방된 장방형 용기형상의 단면을 유지한 채 수평방향으로 신장되어 이루어진 강재(鋼材) 구조물(스틸박스) 내에, 콘크리트(42)가 충전되어 강재와 콘크리트가 상호 일체로 합성된 압축부(41)와, 상기 압축부(41)의 개방측과 대향되는 하부 외측면에 하향 입설되어 상기 압축부(41)의 전체 길이에 걸쳐 일체로 형성된 강재의 웨브(43)와, 상기 웨브(43)와 직교하며 상기 웨브(43)의 전체 길이에 걸쳐 일체로 형 성된 강재의 인장부(44)를 포함하여 이루어진다.
본 실시예에 있어서, 상기 압축부(41)와 웨브(43) 및 인장부(44)는 각각 일정 비율의 높이 폭을 유지한 채 그 높이 합의 변화 없이 전체 길이에 걸쳐 균일하게 수평방향으로 신장 형성된 구조이다.
강재와 콘크리트를 합성시킨 상기 압축부(41)는, 도 5에 도시된 바와 같이 가로 폭에 비해 높이 폭이 상대적으로 큰 종장형(縱長形)의 스틸박스이거나, 도 6에 도시된 바와 같이 높이 폭에 비해 가로 폭이 상대적으로 큰 횡장형(橫長形)의 스틸박스일 수 있는 바, 이는 경간 및 현장 환경 등의 설계조건에 따라 그 단면형상의 가로 대 세로의 폭 비를 달리하여 다양하게 선택 적용할 수 있으며, 상기 스틸박스에 의해 내부 콘크리트(42)의 외기 차단으로 열화(노후화)를 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 압축부(41)는, 기존의 일반 스틸박스 구조에 비해 강성이 우수하며, 콘크리트(42)를 상기 압축부(41) 쪽에만 최대한 배치함으로써 비틀림이나 처짐 등의 변형을 방지할 수 있다.
상기 압축부(41)의 스틸박스 내측면 상에는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 콘크리트(42)와의 결합력을 높이기 위한 다수의 전단연결재(45)가 돌출 형성되어 있다. 이러한 본 발명에 따른 콘크리트(42)를 이용한 결합구조는, 강 보강재에 의해서만 이루어졌던 기존의 보강구조에 비해 콘크리트에 의한 보강의 연속성을 확보할 수 있음은 물론이고, 강재에 비해 상대적으로 가격이 저렴한 콘크리트를 사용하여 합성 보강함으로써 제작원가를 낮출 수 있으면서도 더욱 견고한 지지구조물을 형성할 수 있게 된다.
이때, 콘크리트(42)의 충전과 전단연결재(45)의 규격 및 종횡간격 등과 같은 압축부(41)의 내부 형상은, 경간 및 현장 환경 등의 설계조건에 따라 다양하게 가변적으로 적용할 수 있다. 또한, 경우에 따라서는 상기 압축부(41) 내에 철근(미도시)을 배근할 수도 있다.
상기 웨브(Web)(43)는 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 다른 부분에 비해 상대적으로 응력이 작게 발생하는 부위로서, 단면의 효율성을 위해 작은 두께의 강판이 적용되고, 거어더의 변형 발생시 전단면이 일체로 거동하도록 하는 조건을 만족시키도록 형성된다.
상기 웨브(43)는 도 8에 도시된 바와 같이, 시공 단계별 하중 상쇄효과를 도모하기 위한 프리스트레스(Prestress)를 가할 수 있도록 그 양측면 상에 장력조절용의 강연선(46)이 장착될 수 있다.
상기 인장부(44)는, 인장부재로서의 강도특성이 취약한 콘크리트를 배제하고 그 성질이 우수한 강재만으로 구성하되, 발생하는 인장응력 정도에 따라 다양한 형태의 단면형상으로 설계하여 적용할 수 있다.
본 발명에서는, 앞서도 언급한 바와 같이 시공 단계별 하중 상쇄효과를 도모하기 위하여, 예컨대 상기 인장부(44)에 원호형의 인장판(도 7 참조)이나, 상기의 강연선(46)을 이용한 긴장 구조(도 8 참조) 등을 적용하여 프리스트레스가 도입되도록 할 수 있다. 즉, 상기 인장부(44)를, 웨브(43)와의 결합 전에 도 7에서와 같이 원호형으로 만곡시켜두는 소성가공 후, 그 양단부에 강제적인 힘을 가하여 상기 웨브(43)와 일체로 형성되도록 함으로써 프리스트레스의 도입이 가능하다.
또한, 상기 인장부(44)는 도 4의 부분확대 측면도들에서 보는 바와 같이, 평판(44)이나 I-Beam(44a) 또는 원형 파이프(44b) 등과 같은 다양한 구조가 적용될 수 있다.
한편, 도 9 내지 도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 교량시공 합성거어더(50)(60)의 다양한 형태를 나타내고 있다.
본 실시예에 의한 합성거어더(50)는 도 9에 도시된 바와 같이, 상부가 개방된 장방형 용기형상의 단면을 유지한 채 수평방향으로 신장되어 이루어진 강재(鋼材) 구조물(스틸박스) 내에, 콘크리트(52)가 충전되어 강재와 콘크리트가 상호 일체로 합성된 압축부(51)와, 상기 압축부(51)의 개방측과 대향되는 하부 외측면에 하향 입설되어 상기 압축부(51)의 전체 길이에 걸쳐 일체로 형성된 강재의 웨브(53)와, 상기 웨브(53)와 직교하며 상기 웨브(53)의 전체 길이에 걸쳐 일체로 형성된 강재의 인장부(54)를 포함하여 이루어진다.
본 실시예에 있어서, 상기 압축부(51)와 웨브(53) 및 인장부(54)는 전체 높이 합의 변화 없이 수평방향을 따라 일정한 외장 규격을 유지하며 신장되어지되, 상기 압축부(51)와 웨브(53)간 접합 경계면이 거어더의 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭의 위로 볼록한 곡면을 형성하도록 상기 압축부(51)와 웨브(53)의 높이 비율이 상호 반비례적으로 점진 가변되어 형성된 구조이다. 도 10 내지 도 12는 본 실시예에 의한 합성거어더(50)의 일단부와, 그 단부로부터 전체 길이의 1/4 지점, 그리고 중앙부 위치에서의 외측면 또는 단면의 형상을 각각 나타내고 있다.
본 실시예에 의한 합성거어더(50)가 도 9에서와 같이 단일 경간의 단순교에 적용되는 경우, 상기 압축부(51)와 웨브(53)간 접합 경계면은 거어더의 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭의 위로 볼록한 단일곡면을 이루도록 가변 형성된다.
또한, 상기 구조는 본 발명의 또 다른 실시예에 의해서도 구현 가능하다. 즉, 본 발명의 합성거어더(60)는 도 13 내지 도 16에 도시된 바와 같이, 상부가 개방된 장방형 용기형상의 단면을 유지한 채 수평방향으로 신장되어 이루어진 강재(鋼材) 구조물(스틸박스) 내에, 콘크리트(62)가 충전되어 강재와 콘크리트가 상호 일체로 합성된 압축부(61)와, 상기 압축부(61)의 개방측과 대향되는 하부 외측면에 하향 입설되어 상기 압축부(61)의 전체 길이에 걸쳐 일체로 형성된 강재의 웨브(63)와, 상기 웨브(63)와 직교하며 상기 웨브(653)의 전체 길이에 걸쳐 일체로 형성된 강재의 인장부(64)를 포함하여 이루어지되, 상기 압축부(61)와 웨브(63)간 접합 경계면이 거어더의 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭의 위로 볼록한 곡면을 형성하도록 상기 압축부(61)와 웨브(63)의 높이 비율이 상호 반비례적으로 점진 가변되어 형성되어 상기 압축부(61)와 웨브(63)간 접합 경계면이 거어더의 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭의 위로 볼록한 단일곡면을 이루도록 가변 형성되고, 상기 압축부(61)의 콘크리트(62)가 압축부(61)의 박스형 강재 내에서 일부만 충전 후 양생되어 합성된 구조를 이룸으로써, 상기 콘크리트(62) 자체가 아치형을 이루도록 구성할 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 콘크리트(62)가 어느 단면 위치에서든 항상 일정한 두께(a)를 유지하게 된다.
이러한 상기 압축부(61) 내에 형성된 아치형의 콘크리트(62) 구조에 의하면, 도 17에 도시된 바와 같이, 등분포 하중의 재하시 상기 콘크리트(62)의 형성방향을 따라 그 양쪽 단부를 향해 응력(압축력)이 분산됨으로써 보다 효율적이고도 안정적인 구조를 조성할 수 있다.
또한, 상기 실시예에 따른 합성거어더(60)의 구조에 더하여, 도 18에 도시된 바와 같이, 그 웨브(63) 및 인장부(64)가, 상기 압축부(61)와 웨브(63)간 접합 경계면의 형상과 같이 위로 볼록한 곡면을 형성하도록 구성할 수도 있다.
한편, 본 실시예에 의한 합성거어더(60)가 도 19에서와 같이 2경간 이상의 연속교에 적용되는 경우, 상기 압축부(61)와 웨브(63)간 접합 경계면은 거어더 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭을 이룸과 동시에 그 경간 개수와 동일 개수의 위로 볼록한 곡면을 이루도록 가변 형성된다. 도 19에 예시된 구조는 3지지점인 2경간의 경우에 해당한다.
이상에서 살펴 본 각각의 실시예들은, 압축부와 웨브의 형상적 차이만 있을 뿐, 나머지 구조들은 상호 동일하게 적용되므로 각부에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
아울러, 본 발명의 합성거어더에 대한 상세한 설명 및 첨부도면들은 정모멘트 발생구간 내에 적용되는 경우를 기준 하여 그 구성 및 작용 등을 개시하고 있으나, 이와는 상반되는 형태로서 상부에 인장응력이 작용하고 하부에 압축응력이 작용하는 부모멘트 발생구간 내에 본 발명의 합성거어더를 적용하는 경우에는, 그 합성거어더의 구조가 상기 정모멘트용 합성거어더를 상하 반전시킨 형태로 구현되거나, 또는 상기 압축부 강재의 양 외측벽에 강연선이나 강봉 등을 장착하여 그 압축 부 쪽에 프리스트레스를 가할 수 있도록 보강시킨 형태로 구현될 수 있다.
특히, 상기 압축부를 아치형으로 유지하는 경우, 부재 내에 압축력만을 발생케 하는 아치구조의 성질(Arching Effect)에 의해, 압축응력에 대한 강성을 극대화할 수 있다.
여기서, 본 발명에 작용하는 거어더의 아칭효과에 대하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 20은 기존의 일반 거어더와 본 발명의 실시예에 따른 아치형 합성거어더(50)(60)에 작용하는 응력 및 모멘트 분포를 비교 도시한 도표이다.
상기 도 20에 도시된 도표1을 참조하면, 합성거어더에 등분포 하중이 작용할 경우 일반적인 거어더에서는 길이방향으로 일정한 단면을 형성하므로 거어더의 압축부 및 인장부 모두 포물선 형태의 부재력을 갖게 되고 부재력의 변화량을 전달하기 위해 복부(웨브)에는 전단력이 작용한다. 그러나, 본 발명의 아치형 거어더의 경우에는 등분포 하중에 대해 압축부와 인장부의 부재력은 길이방향으로 일정하게 되고 길이방향 부재력의 변화가 없으므로 복부(웨브)에는 전단력이 작용하지 않게 된다.
따라서, 본 발명의 합성거어더는, 거어더 상부의 압축응력과 거어더 하부의 인장응력에 각각 효율적으로 대처할 수 있는 강재 및 콘크리트의 합성구조를 제공함으로써, 기존의 거어더에 비해 현저히 큰 장경간에도 설치 가능한 충분한 강도특성을 발휘할 수 있게 된다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 기준하여 설명되어 있으나 이는 예시적인 것이라 할 수 있고, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로 부터 다양한 변형 및 균등한 실시예들을 생각해 낼 수 있으므로 이러한 균등한 실시예들 또한 본 발명의 특허청구범위 내에 포함되는 것으로 보아야 함은 극히 당연한 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 결정되어야 할 것이다.
도 1은 종래의 스틸박스 거어더를 도시한 개략적인 횡단면도이다.
도 2는 종래의 개구제형 거어더를 도시한 개략적인 횡단면도이다.
도 3은 종래의 I-Beam 거어더를 도시한 개략적인 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강재-콘크리트 합성거어더의 구조를 도시한 사시도 및 그 인장부의 다양한 적용 예들을 도시한 부분확대 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 종장형(縱長形) 합성거어더의 내부구조를 도시한 도 4의 V-V선 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 횡장형(橫長形) 합성거어더의 내부구조를 도시한 횡단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 합성거어더의 인장부 형성을 위한 부분 제조공정을 정면측에서 예시한 개념도이다.
도 8은 본 발명에 적용될 수 있는 인장부 보강 구조의 일례를 도시한 개략도이다.
도 9는 단순교에 적용되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 아치형 강재-콘크리트 합성거어더의 구조를 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9의 아치형 합성거어더에 대한 좌측면도이다.
도 11은 도 9의 XI-XI선 단면도이다.
도 12는 도 9의 XII-XII선 단면도이다.
도 13은 단순교에 적용되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 아치형 강재- 콘크리트 합성거어더의 구조를 도시한 사시도이다.
도 14는 도 13의 아치형 합성거어더에 대한 좌측면도이다.
도 15는 도 13의 XV-XV선 단면도이다.
도 16은 도 13의 XVI-XVI선 단면도이다.
도 17은 도 13의 아치형 합성거어더에 등분포하중이 재하될 때 콘크리트를 따라 압축력이 분산되어 작용하게 되는 원리를 보여주는 개념도이다.
도 18은 단순교에 적용되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 아치형 강재-콘크리트 합성거어더의 구조를 도시한 정면도이다.
도 19는 연속교에 적용되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반복 아치형 강재-콘크리트 합성거어더의 구조를 도시한 정면도이다.
도 20은 일반 거어더와 본 발명에 따른 합성거어더에 각각 작용하는 응력 및 모멘트 분포를 비교 도시한 도표이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1 ; 교각 2 ; 슬래브
10 ; 스틸박스 거어더 11 ; 상부플랜지
12 ; 하부플랜지 13, 23 ; 강 보강재
14, 24, 34 ; 크로스빔 20 ; 개구제형 거어더
21 ; 거어더 본체 30 ; I-Beam 거어더
31 ; I-Beam 40 ; 합성거어더
41 ; 압축부 42, 52 ; 콘크리트
43, 53, 63 ; 웨브(Web) 44, 44a, 44b, 54, 64 ; 인장부
45 ; 전단연결재 46 ; 강연선
50, 60 ; (아치형) 합성거어더 51, 61 ; (아치형) 압축부
62 ; (아치형) 콘크리트 a ; 콘크리트 두께

Claims (15)

  1. 일측이 개방된 장방형 용기형상의 단면을 유지한 채 수평방향으로 신장되어 이루어진 강재(鋼材) 구조물 내에, 콘크리트가 충전되어 강재와 콘크리트가 상호 일체로 합성된 압축부;
    상기 압축부의 개방측과 대향되는 면의 외측에 입설되어 상기 압축부의 전체 길이에 걸쳐 일체로 형성된 강재의 웨브; 및
    상기 웨브와 직교하며 상기 웨브의 전체 길이에 걸쳐 일체로 형성된 강재의 인장부;를 포함하여 이루어지고,
    상기 압축부와 웨브 및 인장부는 수평방향을 따라 신장되어지되, 상기 압축부와 웨브간 접합 경계면이 거어더의 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭의 위로 볼록한 곡면을 형성하도록 상기 압축부와 웨브의 높이 비율이 상호 반비례적으로 점진 가변되어 형성된 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축부는 가로 폭에 비해 높이 폭이 상대적으로 큰 종장형(縱長形)의 강재 구조물에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축부는 높이 폭에 비해 가로 폭이 상대적으로 큰 횡장형(橫長形)의 강재 구조물에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축부의 강재 구조물 내측면 상에는 콘크리트와의 결합력을 높이기 위 한 다수의 전단연결재가 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨브는, 시공 단계별 하중 상쇄효과를 도모하기 위한 프리스트레스를 가할 수 있도록 그 양측면 상에 장력조절용의 강연선이 장착된 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 인장부는 평판인 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인장부는, I-Beam인 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 인장부는 원형 파이프인 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 인장부는, 시공 단계별 하중 상쇄효과를 도모할 수 있도록 웨브와의 결합 전에 원호형으로 만곡시켜두는 소성가공 과정을 통한 프리스트레스 처리 후, 그 양단부에 강제적인 힘을 가하여 상기 웨브와 일체로 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축부의 콘크리트는 상기 압축부와 웨브간 접합 경계면을 따라 일정 두께로 형성된 아치형 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
  13. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨브는 거어더의 전체 신장길이에 걸쳐 위로 볼록한 중앙대칭의 곡면을 이루는 압축부 하단을 따라 그 저면에 초승달 형상으로 형성되고,
    상기 인장부는 상기 웨브의 하단 곡면을 따라 그 저면에 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
  14. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단일 경간의 단순교에 적용되는 것으로서, 상기 압축부와 웨브간 접합 경계면은 거어더의 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭의 위로 볼록한 단일곡면을 이루도록 가변 형성된 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
  15. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2경간 이상의 연속교에 적용되는 것으로서, 상기 압축부와 웨브간 접합 경계면은 거어더 전체 신장길이에 걸쳐 중앙대칭을 이룸과 동시에 그 경간 개수와 동일 개수의 위로 볼록한 곡면을 이루도록 가변 형성된 것을 특징으로 하는 교량시공용 합성거어더.
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