KR101001443B1 - 탈부착 가능한 정착장치를 이용한 합성거더교량의 주거더 연속화 공법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강재 주거더 또는 콘크리트 주거더를 사용하는 합성거더교의 연속화 공법에 관한 것으로, 주거더를 단순보 상태로 교각에 거치한 다음 프리스트레싱 강재를 이용해 구조적으로 연속시켜 바닥판 시공시의 자중에 대해 주거더가 효율적으로 저항할 수 있도록 하는 것을 주요해결과제로 한다.
본 발명에 따른 합성거더교의 연속화 공법은 탈부착이 용이하고 재사용할 수 있는 정착장치를 구비하고, 주거더 연속에 필요한 프리스트레싱 강재를 주거더의 외부에 배치하여 편심거리를 증대시키고, 프리스트레싱 강재로써 다수의 강연선을 사용함으로써 바닥판 콘크리트 속에 상기 강연선이 직접 매입되도록 하여 바닥판 콘크리트와의 부착을 통해 프리스트레싱 강재의 긴장력이 합성거더 단면에 영구적으로 가해질 수 있도록 하는 것을 주요 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연속화 공법을 적용하면 바닥판 시공시의 주거더의 휨모멘트를 크게 개선할 수 있어 프리스트레싱 강재량과 주거더 강재량을 절감시킬 수 있고, 정착장치를 재활용할 수 있어 보다 경제적인 합성거더교량의 건설이 가능하다.
합성거더교, 연속화 공법, 정착장치, 프리스트레싱 강재, 강봉, 고장력 볼트

Description

탈부착 가능한 정착장치를 이용한 합성거더교량의 주거더 연속화 공법{A continuity method of the composite bridges using reusable anchorage devices}
본 발명은 탈부착이 가능한 정착장치를 이용하여 합성거더교량의 주거더를 연속하는 공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비합성 연속보 구조상태에 있는 주거더의 중간지점 부근에 정착장치를 부착하고, 상기 정착장치에 프리스트레싱 강재를 설치한 다음 긴장력을 가해 주거더에 선행압축력을 도입하여 바닥판 콘크리트 시공으로 인해 생기는 부모멘트로 인한 인장력에 저항하도록 하고, 바닥판의 시공이 완료되면 상기 정착장치에 고정되어 있던 프리스트레싱 강재를 절단하고, 절단되는 프리스트레싱 강재에 가해진 선행 긴장력이 바닥판 콘크리트와의 부착력으로 통해 주거더에 영구적으로 가해질 수 있도록 함으로써 바닥판 콘크리트 시공 후에는 정착장치를 제거할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 합성거더교량의 연속화 공법개발에 있다.
본 발명에서 대상으로 하는 합성거더교는 콘크리트 또는 강재로 만들어진 주거더를 지상에서 제작하여 교각 위에 거치한 다음, 바닥판 콘크리트를 시공하여 주거더와 바닥판 콘크리트를 합성시키는 것을 특징으로 하는 교량형식이다.
일반적으로 합성거더교는 주거더와 바닥판의 자중으로 인한 단면력에 대해서는 비합성 단면인 주거더로만 저항하고, 합성 후 고정하중과 활하중으로 인한 단면력에 대해서는 주거더와 바닥판으로 이루어진 합성단면으로 저항한다.
교량 경간장이 30미터 이상이 되면 주거더를 단순보 구조로 둔 채로 바닥판 콘크리트 시공하는 경우와 주거더를 연속보 구조로 만든 다음에 바닥판 콘크리트를 시공하는 경우의 단면력은 매우 큰 차이를 나타내는데, 일반적으로 연속보 구조일 때가 단순보 구조에 비해 단면력의 크기가 줄일 수 있어 구조효율성은 훨씬 뛰어난 것으로 평가되고 있다.
상기의 이유로 강재 주거더를 사용하는 경우에는 자중과 바닥판 콘크리트로 인한 단면력을 연속보 구조상태에서 저항하는 것으로 설계하고 있는데, 강재 주거더는 고장력볼트를 이용하여 휨모멘트 변곡점 위치에서 서로 연결하는 것이 용이할 뿐 아니라 인장응력과 압축응력에 대한 저항성능이 거의 같기에 연속보에 적합한 재료특성을 지니고 있기 때문이다.
하지만 콘크리트 주거더를 사용하는 경우에는 자중과 바닥판 콘크리트의 자중으로 인한 단면력을 단순보 구조상태에서 저항하도록 주로 설계되고 있는데, 콘크리트 주거더는 휨모멘트 변곡점 위치에서의 부재연결이 용이하지 않고, 콘크리트는 인장응력에 대해 매우 취약한 저항성능을 나타내므로 연속보가 되면 중간지점에 생기는 부의 휨모멘트에 저항하기 위한 별도의 프리스트레싱 강재가 필요하기 때문이다.
앞서 기술한 바와 같이. 강재 주거더를 사용하는 종래의 연속 합성거더교는 연속구조가 갖는 구조효율성을 최대한 활용하기 위하여 거더자중에 대해서도 연속보 구조가 저항하는 것으로 설계되고 있지만, 실제 시공에서는 주거더 자중에 대해서는 설계시와는 다른 구조 거동을 나타내는 경우가 자주 발생한다.
즉, 설계시에는 전체 구조계가 일시에 형성되는 것으로 간주하여 주거더의 자중이 시공 완료상태의 연속보에 외력으로 가해지는 것으로 가정하고 있지만, 실제 시공에서는 주거더를 휨 모멘트 변곡점 부근에서 순차적으로 연결하면서 가설해가는 방법을 사용하고 있어 주거더 자중으로 단면력의 크기 및 분포는 설계상의 가정과 많은 차이를 나타내게 된다.
이처럼 설계와 실제 시공상의 구조 거동의 상이성을 해소하는 가장 좋은 방법으로는 주거더를 단경간 구조상태로 교각에 거치한 다음, 중간지점 위치에서 주거더를 서로 연결하는 것을 들 수 있지만, 바닥판 타설시의 고정하중과 활하중으로 인한 단면력이 최대가 되는 중간지점에서 이음이 생기게 되어 고장력 볼트 사용시에는 볼트직경 만큼의 저항단면 감소로 인해 주거더의 강재량이 늘어나게 되고, 용접 이음시에는 피로하중에 대한 내구성이 저하되는 문제가 발생한다.
한편 콘크리트 주거더를 사용한 합성거더교를 연속시키는 대부분의 종래기술에서는 주거더를 단경간 구조상태로 교각에 거치한 다음, 바닥판 콘크리트 시공과 함께 주거더를 연속시키도록 하고 있어, 주요 고정하중인 거더자중과 바닥판 자중 에 대해 단순보 구조계로 저항하여야 함으로써 주거더에 배치되는 프리스트레싱 강재량과 주거더 높이가 단순 합성거더교와 동일하게 되어, 연속화에 따른 차량의 주행성능만 향상될 뿐 경제성 측면에는 그다지 두드러진 효과를 기대하기 어려웠다.
콘크리트 주거더를 사용한 합성거더교에서 바닥판 자중에 대해서도 연속보 구조계로 저항하도록 하는 종래기술도 있지만, 상기 기술에서는 중간지점 위치에서 주거더를 두께 1미터 내외의 콘크리트 격벽을 통해 연속시키고, 연속보 구조상태에서 요구되는 긴강재를 주거더 내부에 추가로 배치하도록 하고 있다.
상기의 종래기술의 경우, 현장에서 제작되는 격벽구간에서 연속 프리스트레싱 강재의 삽입과 보호를 위한 쉬스관 설치작업이 필요하고, 고공에서 프리스트레싱 강재를 삽입하여야 하고, 주거더 단부면 또는 측면에 프리스트레싱 강재의 정착장치를 별도로 구비하여야 하고, 연속 프리스트레싱 강재를 긴장하고 난 후에 쉬스관 내부를 고강도 시멘트 풀로 채워야 하는 등의 여러 가지 현장작업이 수반되어야 한다.
연속보 구조상태에서 바닥판 하중으로 인해 부(-)의 휨모멘트가 발생하는 영역 내의 주거더 상연 쪽에 프리스트레싱 강재를 이용하여 압축력을 가하면 해당영역에는 정(+)의 휨모멘트와 압축력이 발생하여 주거더의 상연에는 상대적으로 큰 선행 압축응력, 하연에는 작은 크기의 선행 압축응력을 각각 유발시킬 수 있고, 바닥판 하중으로 인해 정(+)의 휨모멘트가 발생하는 영역에는 부(-)의 휨모멘트를 유발시킬 수 있어 대상교량 전체에 걸쳐 바닥판 하중으로 인해서 주거더에 생기는 응 력을 상쇄시키는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 상기 프리스트레싱 강재의 긴장으로 인해 생기는 주거더의 응력경감 효과는 프리스트레싱 강재의 위치가 주거더의 도심으로부터 멀어질수록 현저해지므로, 본 발명에 따른 연속화 공법에서는 외부 정착장치를 사용하여 프리스트레싱 강재를 주거더의 상연보다 위쪽에 놓이도록 함으로써 보다 큰 선행압축응력이 중간지점 부근의 주거더 상연에 가해질 수 있도록 한다.
이때 본 발명에 따른 주거더 상연 측에 배치하는 프리스트레싱 강재는 주거더로부터 노출되는 다수의 강연선으로 구성되도록 하여 바닥판 콘크리트 속에 완전히 매설되도록 하고, 바닥판 콘크리트의 양생이 완료되면 상기 강연선을 정착장치의 후면에서 절단시켜 바닥판 콘크리트와의 부착응력을 통해 미리 도입된 강연선의 긴장력이 주거더에 영구적으로 가해질 수 있도록 한다.
또한 바닥판 콘크리트에 직접 매설된 상기 강연선들은 바닥판 합성 후의 고정하중과 활하중으로 인해 바닥판에 생기는 인장응력에 저항하는 교축방향 부착철근의 기능도 겸비하도록 한다.
본 발명에 따른 합성거더교의 연속화 공법을 적용하면 종래의 연속화 기술에 비교할 때 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫 번째로, 중간지점부근의 주거더에 선행압축력을 도입하기 위한 프리스트레싱 강재를 주거더 외부에 배치함으로써 프리스트레싱 강재의 사용효율을 증대시킬 수 있고, 프리스트레싱 강재를 고정하는데 필요한 정착장치를 반복사용할 수 있 어 긴장력 도입에 따른 비용을 절감시킬 수 있다.
두 번째로, 주거더의 연속화를 위해 현장에서 배치하는 프리스트레싱 강재를 주거더 상연에서 콘크리트 바닥판에 직접 매설시킴으로써 쉬스관의 사용과 그라우탕 작업이 필요치 않으며, 바닥판에 매설된 프리스트레싱 장재는 바닥판 합성 후에부착철근과 동일한 기능을 수행하므로 균열제어를 위해 중간지점부 바닥판에 배치되는 종방향 철근량을 감소시킬 수 있다.
셋 번째로, 강재 주거더에 사용되는 구조용 강판보다 허용응력이 훨씬 더 큰 고강도의 프리스트에싱 강재를 사용하여 바닥판의 자중, 합성 후 고정하중 그리고 차량하중으로 인한 주거더에 생기는 응력을 상쇄시키는 선행응력을 주거더 단면에 도입시켜 주거더의 제작에 소요되는 강재량을 절감시킬 수 있다.
네 번째로, 강재 주거더의 이음 위치를 휨모멘트의 변곡점이 아닌 중간지점으로 변경시키는 것을 통해 고소에서의 주거더 이음작업에 수반되는 위험요인을 대폭 제거할 수 있고, 설계와 실제 시공상의 구조계를 일치시킬 수 있어 더욱 정확한 구조거동의 예측과 시공관리가 가능해진다.
본 발명에 따른 프리스트레싱 강재의 긴장력을 이용한 합성거더교의 연속화 공법은 도 1에 나타낸 것과 같이, 먼저 주거더를 단순구조 상태로 교각 위에 거치한 다음 교각에서 구조적으로 연속시키는 단계(S100), 바닥판 하중으로 인해 부(-)의 휨모멘트가 생기는 영역 내에 주거더의 상연에 정착장치를 부착하는 단계(S211), 상기 정착장치를 이용하여 프리스트레싱 강재를 설치하고 긴장력을 가하 는 단계(S212), 정착장치가 설치된 곳을 제외한 구간의 콘크리트 바닥판을 시공하여 주거더와 합성시키는 단계(S300), 바닥판 콘크리트의 양생이 완료되면 주거더 상연 측에 배치한 프리스트레싱 강재를 정착장치 후면에서 절단하여 바닥판 콘크리트와의 부착을 이용하여 상기 프리스트레싱 강재를 정착시키는 단계(S411), 주거더로부터 정착장치를 해체하고 정착장치 주변의 바닥판 콘크리트를 시공하는 단계(S412)로 구분되는 것을 특징으로 하고 있다.
이하 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 첨부도면을 인용하여 설명한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 연속화 공법으로 2경간 연속 합성거더교를 시공할 때의 구조계와 단면력의 변화를 주요 시공단계에 따라 도시한 것이다.
도 2a에 나타낸 것과 같이, 먼저 경간장에 맞추어 제작된 주거더(10)를 교각 또는 교대 위에 거치한 다음, 중간교각(11) 위치에서 양쪽 주거더를 연결(12)하여 비합성 연속보 구조가 되도록 한다. 이 단계에서는 주거더의 자중으로 인해 단순보와 같은 휨모멘트(13)가 생긴다.
다음으로, 상기의 비합성 연속보에 바닥판 하중을 작용시킬 때 생기는 휨모멘트의 변곡점 내에 본 발명에 따른 정착장치(20)를 도 2b에 나타낸 것과 같이 주거더(10)의 상연에 부착시킨 다음, 상기 정착장치(20)에 프리스트레싱 강재(21)를 설치하여 긴장력(P1)을 도입한다.
이때 상기 프리스트레싱 강재(21)로는 낱개로 분산된 다수의 강연선을 사용하고, 도입하는 긴장력의 크기는 주거더의 구성재료, 주거더와 바닥판 콘크리트의 자중으로 인한 휨 모멘트의 크기 그리고 경간구성 등을 고려한 상세구조해석을 통 해 결정한다.
상기의 시공단계를 통해 중간교각 부근의 주거더에는 정(+)의 휨모멘트(22)와 압축력(23)이 각각 도입되는데, 이러한 결과로써 주거더 상연에는 비교적 큰 크기의 압축응력이, 하연에는 미소한 크기의 압축응력이 각각 도입되어 바닥판 콘크리트 시공시에 발생하는 중간지점부 부근에 위치한 주거더 상연의 인장응력을 경감시키는 효과를 얻게 된다.
다음으로, 도 2c에 나타낸 것과 같이 바닥판 콘크리트(30)를 시공하여 주거더(10)와 합성상태를 형성하도록 하는데, 이때 정착장치(20) 주변의 일정 구간(31)은 바닥판 콘크리트를 시공하지 않도록 하여 나중에 상기 정착장치(20)의 해체가 가능토록 한다. 이 단계에서는 바닥판의 자중으로 인해 연속보로서의 휨모멘트 분포(32)가 발생한다.
끝으로, 도 2d에 나타낸 것 같이 바닥판 콘크리트(30)의 양생이 완료되고 나면 다수의 낱개의 강연선으로 구성된 주거더 상연 측의 프리스트레싱 강재(21)를 가스불 또는 그라인더로 절단하여 정착장치에 가해졌던 긴장력이 바닥판 콘크리트(30)와의 부착력을 통해 주거더에 전달되도록 하여 더 이상 주거더 상연 측의 정착장치의 역할이 필요치 않도록 한다. 그런 다음 정착장치 주변의 빈 곳(31)을 콘크리트로 채운다.
도 3은 종래기술에 의한 연속화 공법과 본 발명에 따른 연속화 공법적용시 주거더에 생기는 휨모멘트의 분포도를 나타낸 것이다. 도 3의 실선(40)은 본 발명에 따른 연속화 공법적용시의 휨모멘트 분포도이고, 점선(41)은 종래의 강재 주거 더를 연속화할 때처럼 주거더와 바닥판 자중에 대해 연속보로 저항하도록 설계할 때의 휨모멘트 분포도, 일점쇄선(42)은 종래의 콘크리트 주거더를 연속화할 때처럼 주거더 자중과 바닥판 자중에 대해 단순보로 저항하도록 설계할 때의 휨모멘트 분포도, 파선(43)은 주거더 자중에 대해서는 단순보로 저항하고 바닥판 자중에 대해서는 연속보로 저항하도록 할 때의 휨모멘트 분포도를 각각 나타낸 것이다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 연속화 공법을 적용하면 종래기술에 비해 최대 정(+)모멘트와 최대 부(-)모멘트를 크게 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프리스트레싱 강재의 정착장치구조를 나타낸 사시도이다. 본 발명에 따른 정착장치(20)는 다수의 구멍이 설치된 전면지압판(201), 전면지압판(201)을 보강하기 위해 다수의 수직보강판(202)을 구비하고, 전면지압판(201)과 수직보강판(202)에 용착된 저면수평판(203)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 정착장치를 콘크리트 주거더에 고정하기 위한 구조상세도이다. 상기 정착장치(20)에 설치된 프리스트레싱 강재(21)를 긴장하면 수평력과 편심으로 인한 모멘트가 콘크리트 주거더(101)에 가해지게 되는데, 수평력은 정착장치(20)의 저면수평판(203)과 주거더(101)와의 접합면에서의 마찰저항력을 통해 전달되는데 충분한 마찰저항력 확보를 위해 고강도 강봉(50)으로 접합면의 연직방향으로 압축력을 가하고, 주거더의 파손을 방지하고 마찰계수를 증대시키기 위해 강판이 보강된 네오프레인판(51)을 접합면에 삽입한다. 그리고 편심 모멘트로 인해서는 정착장치 전면에는 인장력이 발생하고, 후면에는 압축력이 각각 발생하는데, 전면에 발생하는 인장력은 강봉(50)에 의해 지지하고, 후면의 압축력은 주거더 상연의 지압으로 지지한다.
도 6은 본 발명에 따른 정착장치를 강재 주거더에 고정하기 위한 구조상세도이다. 상기 정착장치(20)로부터 가해지는 수평력과 모멘트를 주거더에 전달하기 위해 정착장치(20)의 저면수평판(203)과 강재 주거더(102)의 상부플랜지를 고장력 볼트(52)를 이용하여 체결하고, 정착장치(20)가 설치된 영역의 주거더(102) 플랜지를 보강하기 위하여 정착장치의 전면 및 후면 위치에 다수의 수직보강판(103)을 구비한다.
이상에서 기술한 바와 같이 본 발명은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능하므로, 본 발명의 범위가 상기한 실시예에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 합성거더교의 연속화 공정을 나타낸 순서도,
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 연속화 공법으로 2경간 연속 합성거더교를 시공할 때의 시공순서도,
도 3은 종래기술과 본 발명에 따른 연속화 공법적용시 주거더에 생기는 휨모멘트 비교도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프리스트레싱 강재의 정착장치구조를 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 정착장치를 콘크리트 주거더에 고정하기 위한 구조상세도,
도 6은 본 발명에 따른 정착장치를 강재 주거더에 고정하기 위한 구조상세도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10: 합성거더교의 주거더 11: 중간지점 교각
12: 주거더 연결부 20: 정착장치
21: 프리스트레싱 강재 30: 콘크리트 바닥판
50: 고강도 강봉 51: 네오프레인판

Claims (3)

  1. 주거더를 단순보 상태로 거치한 다음 교각 위에서 주거더를 연속시키고, 바닥판 하중으로 인한 휨 모멘트 변곡점 위치 안쪽에 위치한 주거더의 상연에 정착장치를 설치하고, 상기 정착장치에 설치된 프리스트레싱 강재를 긴장하여 주거더에 압축력을 도입하고, 상기 정착장치가 설치된 곳을 제외한 구간의 콘크리트 바닥판을 시공하고, 바닥판 콘크리트의 양생이 끝난 다음 프리스트레싱 강재를 정착장치 후면에서 절단하여 바닥판 콘크리트와의 부착을 이용하여 프리스트레싱 강재를 정착시키도록 하는 것을 특징으로 하는 합성거더교의 연속화 공법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 정착장치를 고강도 강봉 또는 고장력 볼트를 이용하여 주거더의 상연에 탈부착하도록 함으로써 반복사용이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 합성거더교의 연속화 공법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 프리스트레싱 강재로 다수의 낱개로 된 강연선을 사용하여 바닥판 콘크리트에 직접 매입되도록 함으로써 매입된 강연선이 종방향 주철근의 역할을 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 합성거더교의 연속화 공법.
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