KR100985181B1 - 단위 에프알피를 이용한 거더 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단위 FRP를 이용한 거더에 관한 것으로서, 산업 현장에서 활용시 하중에 의한 처짐현상을 감소시킬 수 있는 구조를 가지며, 각각의 조립을 통해 산업용 크기의 거더를 제작할 수 있는 단위 FRP를 이용한 거더에 관한 것이다.
본 발명의 콘크리트가 충진된 단위 FRP 거더는 FRP의 성형으로 제작되는 틀에 콘크리트를 충진하여 활용하는 콘크리트가 충진된 하나의 단위 FRP 거더에 있어서, 상기 단위 FRP 거더의 내부에 상기 단위 FRP 거더의 길이방향으로 관통되어 형성되는 적어도 두 개 이상의 관; 및 상기 적어도 두 개 이상의 관 중 상기 단위 FRP 거더에 가해지는 하중에 의해 압축력이 가해지는 관에 충진되는 콘크리트를 포함한다.
FRP, 거더, 콘크리트, 처짐

Description

단위 에프알피를 이용한 거더{Gider using FRP unit}
본 발명은 단위 FRP를 이용한 거더에 관한 것으로서, 산업 현장에서 활용시 하중에 의한 처짐현상을 감소시킬 수 있는 구조를 가지며, 각각의 조립을 통해 산업용 크기의 거더를 제작할 수 있는 단위 FRP를 이용한 거더에 관한 것이다.
교량 등에 있어 거더의 역할은 상부에서 작용하는 고정하중 및 차량하중 등의 작용하중을 거더를 통해 교량의 교각 또는 교대로 전달하는 역할을 하는 교량요소이다.
기존 거더 교량의 형식은 크게 강재 거더, 철근콘크리트 거더 및 충전강관 거더 교량으로 분류할 수 있다. 그 중 강재 거더 교량은 많은 수의 강재를 사용하여 용접 조립하므로 경제적인 측면에서 비싸고, 압축하중 작용시 압축하중에 의한 좌굴에 손상되기 쉬우므로 별도의 보강재가 필요하며, 제작 및 시공이 복잡하고, 강성이 작아 처짐 및 진동 등에 문제가 있으며, 유지관리시 꾸준히 강재 표면에 도장을 해야 하는 단점이 있다.
또한, 콘크리트 거더 교량의 경우에는 콘크리트 자체의 무게가 무거워져 교량 전체에 작용하는 무게가 커져 교량 설계시 비경제적이며, 현장에서 모든 공정이 이루어짐으로 시공이 복잡하며, 콘크리트의 특성상 균열 등이 문제되고 있다.
마지막으로, 콘크리트 충전강관 거더는 장경간구조나 고하중에 저항할 수 있도록 사용되나 길이가 12m를 넘는 경우 운반 문제로 현장에서 용접접합이 이루어져야 하며, 극후대단면을 사용함에 따라 설치시 대형 양중기가 필요하여 현장에서 제작 및 설치작업의 번잡함과 많은 현장 용접작업으로 결함 발생 위험도가 높다. 특히, 전단연결재의 용접량이 많아 강관의 국부 변형을 발생시키고 용접 입열량에 의한 표면 경화로 취성화의 위험성에 노출된다.
한편, 일반적으로 콘크리트는 압축에는 강하나 인장에는 약한 특성이 있어, 대부분의 콘크리트 구조물은 보강 철근을 사용하여 인장 하중에 대한 보강을 실시하고 있다. 그러나 보강 철근은 시간이 지남에 따라 부식이 일어나기 때문에, 특히 해양 구조물과 토목의 철근 콘크리트 구조물과 같은 사회 간접시설 및 건축의 철근 콘크리트 건물 등에서 보강 철근의 부식으로 인한 구조 성능과 내구 성능 저하가 큰 문제로 대두되고 있다.
이에, 철근에 비해 강도가 우수하고, 부식에 대한 우려가 거의 없으며, 철근보다 가벼워 콘크리트 구조물의 자중을 감소시킬 수 있는 섬유강화물(FRP; Fiber Reinforced Plastic)이 활용되고 있는 실정이다.
본 발명은 콘크리트나 강재를 이용하여 만들어지는 기존의 거더를 FRP를 이용하여 제작하고, 제작된 FRP 거더에 가해지는 하중으로 인해 발생되는 처짐에 대한 사용성 평가 기준에 준하도록 하는 구조의 단위 FRP 거더를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 단위 거더들의 조립을 통해 하나의 산업용 크기 거더를 제작할 수 있도록 하는 조립구조의 단위 FRP 거더를 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 FRP의 성형으로 제작되는 틀에 콘크리트를 충진하여 활용하는 콘크리트가 충진된 하나의 단위 FRP 거더에 있어서, 상기 단위 FRP 거더의 내부에 상기 단위 FRP 거더의 길이방향으로 관통되어 형성되는 적어도 두 개 이상의 관; 및 상기 적어도 두 개 이상의 관 중 상기 단위 FRP 거더에 가해지는 하중에 의해 압축력이 가해지는 관에 충진되는 콘크리트를 포함하는 콘크리트가 충진된 단위 FRP 거더에 의해 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 FRP의 성형으로 제작되는 하나의 단위 FRP 거더에 있어서, 상기 단위 FRP 거더의 내부에 상기 단위 FRP 거더의 길이방향으로 관통되어 형성되는 두 개의 관을 포함하며, 상기 두 개의 관 중 상측 관은 상기 단위 FRP 거더에 가해지는 하중에 의해 압축되며, 상기 두 개의 관 중 하측 관은 상기 하중에 의해 인장되는 것인 단위 FRP 거더에 의해 달성된다.
본 발명은 FRP 거더 내부에 두 개 이상의 관을 구비시킴으로써 거더 자체가 가지는 자중을 줄일 수 있어 거더 단면의 효율적 설계가 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 산업용 크기의 거더를 조립 제작하기 위한 단위 FRP 거더를 제공함으로써 조립된 하나의 산업용 크기의 거더에 발생되는 처짐을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 기존 거더에서 발생되는 부식 등의 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 단위 FRP 거더의 일실시예를 나타내는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP(Fiber Reinforced Plastic, 섬유강화물) 거더(girder)는 인발성형 공법을 통해 하나의 구조물로서 제작되는 것으로 토목 건축 분야에 다양하게 활용될 수 있다.
이러한 단위 FRP 거더(100)는 내부에 단위 FRP 거더(100)의 길이방향으로 관통되어 구비되는 두 개의 관을 포함한다.
단위 FRP 거더(100) 내부에 구비되는 두 개의 관은 그 단면을 원형, 마름모형 또는 사각형 등 다양하게 구현할 수 있으나, 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더(100)는 내부 관의 단면을 사각형 형태로 구성한다.
한편, 단위 FRP 거더(100) 내부의 관은 세로 축의 웹(web, 101)과 가로 축의 플랜지(flange, 102)로 형성되는 것으로서, 내부의 두 개의 관을 구비하는 단위 FRP 거더(100)는 두 개의 웹 부분과 세 개의 플랜지 부분으로 구분할 수 있다.
웹(101)과 플랜지(102)가 만나는 접합부는 웹(101)의 단면에서 플랜지(102)의 단면으로 이어지는 접합부로서, 단위 FRP 거더(100)에 하중이 가해질 경우, 접합부에서는 응력집중이 발생하게 된다. 이러한 응력집중을 분산시키기 위해 접합부에 헌치(haunch, 130)를 형성한다. 즉, 접합부에 헌치를 형성함으로써 단위 FRP 거더(100)의 단면적을 높이고, 응력집중을 분산시켜 단위 FRP 거더(100)의 강성을 확보한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더(100)는 섬유의 배열시 단일 섬유로 배열되도록 제작할 수 있으며, 상기와 같이 헌치(130) 구성을 단위 FRP 거더(100)에 포함시킴으로써 단일 섬유 배열을 보다 용이하게 실시할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더의 제1실시도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시도는 두 개의 내부 관통 관을 갖는 단위 FRP 거더(100)에 있어서, 상측 관(110)에 콘크리트(200)를 충진한 단위 FRP 거더(100)를 나타낸다.
단위 FRP 거더(100)의 상측으로부터 하중이 가해질 경우, 단위 FRP 거더(100)에는 처짐 현상이 발생하게 된다. 이러한 단위 FRP 거더(100)의 강성 부족으로 발생하는 처짐 현상에 대응하기 위해 단위 FRP 거더(100)의 내부 관에 콘크리트(200)를 충진한다.
이때, 단위 FRP 거더(100)의 상측으로부터 하중이 가해지면, 단위 FRP 거더(100)의 상측 관(110)에는 압축력이 발생하고, 하측 관(120)에는 인장력이 발생한다.
따라서, 압축력이 작용하는 상측 관(110)에 콘크리트(200)를 충진하여 단위 FRP 거더(100)의 처짐 현상을 감소시킨다. 즉, 상측 관(110)에 콘크리트(200)를 충진하여 상측 관(110)에 가해지는 압축력에 대항함으로써 단위 FRP 거더(100)의 처짐 현상에 대처할 수 있게 된다.
한편, 하측 관(120)은 인장력이 작용함으로써 콘크리트를 충진할 경우, 가해지는 인장력으로 인해 콘크리트를 충진한 효력을 충분히 발휘할 수 없게 되고, 단 위 FRP 거더(100)의 전체적인 무게만 높이게 되어 그 효용성이 떨어지게 된다. 콘크리트가 압축력에는 강하나 인장력에는 약한 특성이 있기 때문이다. 따라서, 하측 관(120)에는 콘크리트를 타설하지 않는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더(100)는 상하측 관(110, 120)을 통해 단위 FRP 거더(100)에 가해지는 하중을 압축력과 인장력으로 구분하고, 압축력이 가해지는 상측 관(110)에만 콘크리트(200)를 충진함으로써, 단위 FRP 거더(100)의 강성을 보다 효율적으로 확보할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더의 제2실시도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시도는 두 개의 내부 관통 관을 갖는 단위 FRP 거더(100)에 있어서, 콘크리트(200)가 충진되는 상측 관(110)의 내부에 콘크리트(200)의 계면부착력을 보강하기 위한 스터드(stud, 300)가 구비된 단위 FRP 거더(100)를 나타낸다.
스터드(300)는 관의 내면이 직선이나 곡선 등 매끄러움으로 인해 충진되는 콘크리트(200)의 계면부착력이 다소 불완전할 수 있는 점을 보완하기 위한 것으로서, 콘크리트(200)가 충진되는 상측 관(110) 내부에 관의 길이방향으로 구비되어 상기 콘크리트(200)의 계면부착력을 보강시킴으로써 콘크리트(200)가 단위 FRP 거더(100)와 일체적으로 거동될 수 있도록 지원한다.
여기서, 스터드(300)의 단면은 도면상 사각형 형상으로 나타나고 있으나, 이에 제한되지 않고, 콘크리트(200)와 접하는 관의 내부면이 굴곡 등 불규칙적인 내부면을 갖도록 하는 것이면 어떠한 형상이든 가능하다. 즉, 스터드(300)는 관의 내 부면에 접하여 형성됨이 바람직하고, 충진된 콘크리트(200)의 계면이 최초 제작된 관의 계면과 일치하지 않도록 하는 형상이면 어떠한 형상이든 가능하다. 일예로, 스터드(300)가 구비된 관에 충진된 콘크리트(200)의 단면을 이루는 외부면 수가 최초 제작된 관의 단면을 이루는 내부면 수보다 많도록 하는 스터드(300)의 단면 형상이면 어떠한 형상이든 가능하다.
또한, 스터드(300)는 관의 길이방향으로 관 길이만큼의 길이로 구비될 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 관의 내부면에 접하는 부분이면 어느 위치든 어떠한 길이로든 구비될 수 있다.
또한, 스터드(300)는 도 3에서와 같이, 웹(101)과 플랜지(102) 부분에 각각 하나씩 구비되어 있으나, 이에 제한되지 않고, 적어도 하나 이상이면 가능하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더의 조립도이다. 도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더(100)는 산업 현장에서 사용하기 위한 크기의 거더를 이루기 위한 하나의 단위 셀이다.
본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더(100)는 다수의 단위 FRP 거더(100)의 조립을 통해 산업용 크기의 거더를 형성하기 위해 외부면에 단위 FRP 거더 조립용 요철부(140)를 구비한다.
즉, 요철부(140)는 단위 FRP 거더(100)의 길이방향으로 외부면에 형성되어 단위 FRP 거더(100)간 조립될 수 있도록 한다.
한편, 조립된 산업용 크기의 거더는 다수의 단위 FRP 거더(100)간 조립으로 형성됨으로써 내부 관 또한 조립되는 단위 FRP 거더(100)의 수에 따라 늘어나게 된 다. 이때, 산업용 크기의 거더 상부에 하중이 가해질 경우, 다수의 관에는 단위 FRP 거더(100)의 경우와 마찬가지로 압축력과 인장력이 함께 작용하게 된다. 즉, 다수의 관들 중 조립된 산업용 크기의 거더 상측 부분의 관들에는 압축력이 작용하고, 하측 부분의 관들에는 인장력이 작용하게 된다.
따라서, 산업용 크기의 거더 내부 관들 중 압축력이 가해지는 상측 부분의 관들에는 콘크리트(200)를 충진하여 거더의 강성을 높임이 바람직하다.
이렇게 단위 FRP 거더(100)들의 조립을 통해 하나의 산업용 크기의 거더를 형성하는 것은 산업용 크기의 거더를 두 개의 관을 갖는 거더로 형성하는 것에 비해 다수의 관을 포함하는 거더로 형성하게 되는 것으로서, 하중에 의한 처짐 현장에 대해 보다 정밀하게 대응할 수 있기 때문이다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더의 활용도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더(100)가 산업현장 즉, 교량에 활용되고 있는 일예를 나타내고 있다.
단위 FRP 거더(100)는 다수의 단위 FRP 거더(100)간 조립을 통해 하나의 산업용 크기의 거더로 조립제작되고, 조립제작된 산업용 크기의 거더는 교량의 콘크리트 바닥 하부에 구비되어 교량에 가해지는 하중을 교량의 교각이나 교대로 전달한다.
도 1은 본 발명에 따른 단위 FRP 거더의 일실시예를 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더의 제1실시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더의 제2실시도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더의 조립도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 FRP 거더의 활용도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 단위 FRP 거더 101: 웹 102: 플랜지
110: 상측 관 120: 하측 관 130: 헌치
140: 요철부 200: 콘크리트 300: 스터드

Claims (8)

  1. 인발성형 공법을 통해 하나의 구조물로 두 개의 웹 부분과 세 개의 플랜지 부분으로 제작되어 길이 방향으로 상.하측 두 개의 관이 형성되고, 상기 상측 관은 상부에서 가해지는 하중에 의해 압축되면서 하측 관은 하중에 의해 인장되도록 형성하는 FRP 거더와;
    상기 웹 부분과 플랜지 부분이 만나는 접합부에 하중에 의한 응력집중을 분산시키기 위해 형성되는 헌치와;
    상기 FRP 거더의 관의 웹과 플랜지 부분에 접합고정되어 콘크리트의 계면부착을 보강하도록 하는 하나 이상의 스터드와;
    상기 FRP 거더에 가해지는 하중에 의한 FRP 거더의 처침 현상을 방지하기 위해 압축력이 가해지도록 FRP 거더의 상측 관에 충진되는 콘크리트와;
    상기 FRP 거더간 조립을 위해 FRP 거더 외부면에 길이 방향으로 돌출되어 형성되는 요철부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단위 에프알피를 이용한 거더.
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