KR101011866B1 - 트러스가 결합된 강관거더 - Google Patents

트러스가 결합된 강관거더 Download PDF

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KR101011866B1
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Abstract

이 발명은 트러스를 내재시켜 하중 응력을 증강시킨 트러스 결합 강관거더이다. 이 발명에 의하면 이 발명은 강관과 트러스를 응력 협동체로 결합한 거더를 제공하고, 강관을 길이 방향으로 반분한 두 개의 반쪽 강관을 먼저 제작하고 트러스를 반쪽 강관에 내재시킨 다음 두 개의 반쪽 강관을 접합하여 제조되는 강관거더를 제공하고, 굽은 경간에 설치되는 굽은 거더에서 굽은 거더의 응력 방향으로 트러스의 상하 삼각점을 잇는 축을 일치시켜 굽은 거더의 유효한 하중 응력을 최대화시킨 강관거더를 제공한다.

Description

트러스가 결합된 강관거더 {The truss combinations in the steel pipe girder}
이 발명은 교량용 강관거더(다른 이름으로 'TC 거더'라 한다) 또는 도시 구조물 설치용 강관거더에 관한 것이다. 이 발명은 강관 내부에 트러스 구조물을 짜 넣으므로 강관거더의 응력을 증대시킨다. 이 발명은 트러스를 내재시킨 강관거더에 콘크리트를 충전하므로 다양한 도시 구축물에서 응용이 가능한 복합 강관거더를 제공할 수 있게 하고, 좌우 반쪽 나누어진 파이프에 트러스 구조물을 설치한 다음 파이프를 접합하므로 제작이 용이한 복합 강관거더를 제공한다.
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지난 십 수년간 교량 또는 도시 구조물 설계에서 많은 시도와 의욕들이 목격이 되고 있다. 주목이 되는 변화는 거더의 길이가 30m 내지 50m 경간으로 길어졌으며 거더의 높이는 슬림화 된 점이다. 또한 도시에 설치되는 지상 램프나 지상 교차로 구조물로서 굽은 경간에 굽은 거더가 설치되고 있다. 굽은 거더는 비틀린 응력 축을 배려한 구조 설계와 도시 미관을 고려한 디자인 설계를 동시에 만족시켜야 하는 중복된 과제를 부담하고 있는 것이다.
특허공보에 기재된 강관거더들을 찾아 보면 특허공보 제0564351호 강관을 주형으로 사용한 스틸 프리스트레스트 콘크리트 거더, 특허공보 제0766661호 콘크리트 충전 강관거더, 특허공보 제0499019호 콘크리트 충전강관거더, 특허공보 제0933265호 철근콘크리트 보강형 강관거더교, 특허공보 제0682629호 강관거더, 특허공보 제0864220호 교량용 강관거더, 특허공보 제0499020호 고분자 복합재료를 이용한 충전 복합관 거더, 특허공보 제0945050호 강관 합성 거더 등이 있다.
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이 발명은 강관과 트러스(트러스는 강관에 결합되므로 트러스로서 동작이 된다)를 결합하여 거더의 응력을 증대시킨 강관거더를 제공하려는 것이다. 이 발명은 강관을 길이 방향으로 반분한 두 개의 반쪽 강관을 먼저 제작하고 트러스를 반쪽 강관에 내재시킨 다음 두 개의 반쪽 강관을 이어 붙인 강관거더를 제공하려는 것이다. 이 발명은 굽은 경간에 설치되는 굽은 거더에서 비틀린 거더의 전단 응력 축을 따라 비틀린 트러스를 배열한 복합 강관거더를 제공하려는 것이다. 이 발명은 하나의 강관에 하나 이상의 트러스를 겹합시킨 강관거더를 제공하려는 것이다. 이 발명은 강관과 트러스의 연결부분을 용접으로 이어 붙이거나 또는 리벳팅으로 연결한 강관거더를 제공하려는 것이다. 이 발명은 강관의 상부 부분이 강관에 내재시킨 트러스의 상현재로 겸용이 되는 강관거더를 제공하려는 것이다. 이 발명은 하나 이상의 트러스를 내재시킨 강관에 콘크리트를 충전한 복합 강관거더를 제공하려는 것이다. 이 발명은 콘크리트 충전 강관거더에서 트러스가 전단 연결재로 공용이 되는 강관거더를 제공하려는 것이다.
이 발명에서 응력은 응력, 비틀림응력, 인장 및 압축응력 중의 하나이다.
트러스 결합 강관거더는, 거더가 담당하는 하중에서 트러스가 분담하는 하중 외의 하중을 분담하도록 거더의 전단 응력 축을 따라 강관에 트러스를 내재시킨 거더용 강관(110); 결합 트러스의 삼각 연결재와, 트러스의 상현재로 공유되는 강관 상부에 거더의 전단 응력 축을 따라 배열된 트러스의 상현 결합부와, 트러스의 하현재로 공유되는 강관 하부에 거더의 전단 응력 축을 따라 배열된 트러스의 하현 결합부로 조립되어 거더가 담당하는 하중에서 강관 분담 하중 외의 하중을 담당하도록 강관 안에 결합시킨 트러스(210); 및 강관(110)의 단면 계수가 강관의 분담 하중에서 산출한 단면계수인 트러스 결합 강관거더이다.
트러스 결합 강관거더는 강관(110)의 내부에 트러스(210)를 결합하므로 강관(110)의 응력에 트러스(210)의 전단 응력이 부가되었다. 강관(110, 120, 130)의 내부에 트러스(210, 220, 230)를 조립하면 강관의 상부(111)의 영역은 트러스의 상현재로 공유된다. 강관(110, 120, 130)에 결합 되는 트러스(210, 220, 230)는 삼각 연결재(215), 상현 결합부(213) 및 하현 결합부(214)를 포함한다.
트러스 결합 강관거더의 트러스(210, 220, 230)에서 삼각 트러스에서 볼 수 있는 수직 연결재는 생략되었다. 이와 같이 트러스 결합 강관거더는 강관의 일부를 트러스 상현재로 공유하고 강관의 구조에 의존하여 수직 연결재가 생략이 되므로 거더제품은 경량화 되고 강재의 사용량은 감소된다.
트러스 결합 강관거더의 결합 트러스는 삼각 트러스의 구성 일부가 생략된 모습이므로 독립하여 전단 응력을 나타내지는 못하지만 트러스 결합 강관거더의 전단 응력은 결합 협동체인 트러스(210, 220, 230)의 전단 응력과 강관(110)의 전단 응력의 합이 트러스 결합 강관거더의 전단 응력이 나타나므로 강관 거더의 전단 응력이 결합된 트러스에 의하여 증대되는 것이다. 자세히 트러스 결합 강관거더에서 강관의 상부(111) 부분은 트러스의 상현재로 결합이되고, 삼각 트러스의 수직 연결재는 강관의 구조에 의존하여 생략이 되므로 트러스 결합 거더의 무게와 강재의 사용량을 줄일 수 있을 뿐 아니라 트러스의 조립 과정이 감소한다. 내부에 트러스가 결합된 강관거더는 강관의 크기에 비교하여 응력이 강화된 복합 거더이다. 도4 에서 트러스 결합 강관거더의 강관(110) 하부(112)는 트러스(210)의 하현재(222)로 동작 된다. 도5 거더에서 트러스(220)의 하현재(222)를 강관의 하부(112)에 용접하여 연결을 하였다. 도5 거더에서 하현재(222)가 강관의 하부(112)와 함께 거더의 인장재로 동작이 되어 거더의 응력이 증대된다. 트러스 결합 강관거더는 강관에 인장재가 부가되고 또는 강관에 전단 응력이 증대된 결과로 거더의 길이를 길게 설계할 수 있고, 슬림한 거더를 설계 할수 있어 거더의 디자인 요소를 충족시킨다.
도6, 도7에 인용된 트러스 결합 강관거더는 거더가 담당하는 하중에서 트러스가 분담하는 하중 외의 하중을 분담하기 위한 강관으로 거더의 전단 응력 축을 따라 좌우 두 쪽으로 반분된 하나의 반쪽 강관(121); 거더가 담당하는 하중에서 트러스가 분담하는 하중 외의 하중을 분담하기 위한 강관으로 거더의 전단 응력 축을 따라 좌우 두 쪽으로 반분된 다른 하나의 반쪽 강관(121); 결합 트러스의 삼각 연결재와, 트러스의 상현재로 공유되는 분할 강관을 하나로 모은 강관 상부에 거더의 전단 응력 축을 따라 배열된 트러스의 상현 결합부와, 트러스의 하현재로 공유되는 분할 강관을 하나로 모은 강관 하부에 거더의 전단 응력 축을 따라 배열된 트러스의 하현 결합부로 조립되어 거더가 담당하는 하중에서 강관 분담 하중 외의 하중을 담당하도록 강관 안에 결합시킨 트러스(220); 두 개의 분할 된 반쪽 강관(121, 121)을 하나의 강관거더로 모으기 위하여 반쪽 강관을 연결한 접합부(320)를 포함하는 강관거더이다.
도6, 도7에서 응력 방향 축을 따라 반분 된 두 개의 반쪽 강관(121, 121)과, 두 개의 반쪽 강관 중 하나 이상에 트러스(220)를 내재시켰다. 결합 트러스(220)는 강관(120) 내면에 연결되는 삼각 연결재의 상현 연결부 및 하현 연결부가 거더의 응력 축을 따라 배열이 되었다. 접합부(320)는 두 개의 반쪽 강관(121, 121)을 강관거더로 모으기 위한 것이다. 하나의 트러스를 내재시킨 접합 강관(120)에서 트러스(220)는 접합된 강관의 중심(122)에 있고, 접합부(320)를 기준으로 반쪽 강관(121, 121)은 비대칭으로 제조되었다. 접합부(320)의 연결 수단으로는 용접에 의한 강관의 연결이다.
트러스 결합 강관거더의 전단 응력은 트러스(220)의 응력과 강관의 응력의 합으로 나타난다. 강관의 상부 부분을 트러스의 상현재로 겸용되므로 트러스 결합 복합 거더의 무게와 강재의 사용량을 줄일 수 있다. 강관의 하부 부분은 트러스의 하현재와 거더의 인장부재로 결합이 되어 전단 응력을 증대하므로 이 결과 거더의 길이를 길게 설계 할수 있고, 슬림한 거더를 제공하게 되어 거더의 디자인 요소를 충족시킬 수 있다. 접합부(320)의 구성은 반쪽 강관에 트러스를 내재시킨 다음 반쪽 강관 두 쪽을 접합하는 제조 과정을 유도 하므로 강관에 트러스를 내재하는 제작 공정이 안전하고 용이한 트러스 결합 강관거더를 제공하는 것이다.
도8에 인용된 트러스 결합 굽은 강관거더는, 교량이나 램프의 굽은 경간에 설치되고, 트러스를 내재시켜 거더가 담당하는 하중에서 트러스가 분담하는 하중을 제외한 하중을 분담하기 위한 굽은 거더용 굽은 강관(130);
결합 트러스의 삼각 연결재와, 트러스의 상현재로 공유되는 굽은 강관 상부에 굽은 거더의 비틀림 전단 응력 축을 따라 배열된 트러스의 상현 결합부와, 트러스의 하현재로 공유되게 굽은 강관 하부에 굽은 거더의 비틀림 전단 응력 축을 따라 배열된 트러스의 하현 결합부로 조립되어 굽은 거더가 담당하는 하중에서 굽은 강관 분담 하중 외의 하중을 담당하도록 굽은 강관 안에 결합시킨 비틀린 트러스(230); 강관에 연결되는 트러스(230)의 삼각 연결재 및 굽은 강관(110)의 단면 계수가 굽은 강관의 분담 하중에서 산출한 단면계수인 트러스 결합 강관거더이다.
도8의 트러스 결합 굽은 강관거더에서 굽은 강관(130)은 굽은 경간에 설치되고 트러스를 내재시켜 내 하중 응력을 증대시킨다. 비틀린 트러스(230)는 굽은 강관(130)의 중심 축(211)을 기준으로 비틀린 전단 응력 축(t211, t211)을 따라 강관의 내부에 조립이 된다. 굽은 거더로 설치되는 굽은 강관은 비틀린 트러스(230)와 설계 하중을 분담한다.
트러스 결합 굽은 강관거더의 응력은 트러스(230)의 응력과 강관(130)의 응력의 합으로 나타나므로 굽은 경간에 설치되는 굽은 거더의 응력을 증대시키고, 강관의 상부가 트러스의 상현재로 공유되고, 겹합 트러스는 삼각 트러스의 구성 일부를 생략한 모양이 되어 트러스 결합 굽은 강관거더의 자중과 거더의 강재 사용을 줄일 수 있고, 트러스 결합 굽은 강관거더의 전단 응력을 증대시킴에 따라 굽은 거더의 길이를 길게 설치 할수 있고, 심플한 거더를 제공을 할 수 있어 굽은 거더의 디자인 요소를 충족시킨다. 굽은 강관(130)에 내재된 트러스는 굽은 강관의 중심 축(211)에 대해서 거더의 비틀린 응력 중심 축(t211, t211)에 따라 비틀린 삼각 트러스(230)가 결합되므로 구조적으로 취약한 굽은 거더가 응력을 강화하는 것이다.
트러스를 제조하기 위한 강재로는 강관에 콘크리트를 채울 경우 전단 결합 요소를 포함하는 철근을 사용한다. 강관거더에 결합이 되는 트러스의 강재 재료는 철근, 철재 앵글, 환봉, 강 파이프, 강판 또는 강대를 사용할 수 있다. 콘크리트를 채우는 강관거더에서 트러스를 강관 내부에 조립하면 강관과 결합이 된 트러스는 트러스의 구조체로서 동작이 되며 동시에 결합 트러스는 복합 거더의 전단 연결재로서도 동작이 된다. 전단연결 리브가 주면에 배열이된 철근으로 트러스를 조립 하면 트러스의 연결재(215)는 트러스 구조재와 복합 거더의 전단 연결재로서 동작 된다. 철근을 겹합 트러스 재료로 사용하려면 철근을 결합 트러스의 삼각 연결재의 길이로 절단하고 삼각 연결재의 모습으로 밴딩 하고 철근 삼각 연결재의 상현 결합부(213)를 강관의 상부에 용접하고 하현 결합부(214)를 강관의 하부에 용접하여 연결한다. 앵글 트러스를 강관에 조립 하자면 철근 트러스의 예와 같이 결합 트러스의 삼각 연결재를 상현재로 공유되는 강관의 상부 및 하현재로 공유되는 강관의 하부에 용접하거나, 강관의 곡면과 부합이 되는 플랜지를 트러스에 설치하고 플랜지와 강관을 용접으로 이어 붙이거나 리벳팅을 하여 조립한다.
트러스를 내재시킨 강관거더들은 내재되는 트러스의 수에 따라 다양하게 제조가 될 수 있다. 도10에서 하나의 거더용 강관(110)에 이 이상의 트러스 곧 두 개의 트러스(220, 220)가 내재되어 있다. 도11에서 하나의 거더용 강관(110)에 내재된 두 개의 트러스(220, 220)는 상부가 한데 모아지고 하부를 좌우로 벌린 삼각 구도로 두 개의 트러스가 강관에 내재 되어 있다. 이와 같이 강관(110)에 결합 되는 삼각 트러스의 수를 선택할 수 있고, 결합 상태를 변형할 수 있어 강관거더의 응력의 설계가 쉬워진다.
강관거더를 제작할 때 트러스(210, 220, 230)와 강관(110, 120, 130)의 연결은 접합부를 용접하여 연결한다. 필요하면 플랜지(253)를 트러스에 설치하고 강관과 플랜지를 접합시킬 수 있다. 트러스의 상현 부분과 하현 부분을 강관(110, 120, 130)의 내면에 접합하는 수단은 대응된 두 재료를 용접을 하여 이어 붙이거나 또는 플랜지 접합으로 연결하는 것이다. 플랜지 접합은 강관의 내벽 곡면에 부합하는 플랜지를 트러스에 설치하고 플랜지와 강관을 용접하거나 플랜지와 강관에 관통하는 구멍을 뚫고 리벳으로 접합한다. 저 비용과 짧은 공기를 위해서는 용접에 의한 조립이 좋다. 그렇지만 거더의 크기가 대형 구조물인 때에는 플랜지 접합이 구조적 안전성의 확보에 바람직하다.
강관에 내재시킨 트러스(210, 220, 230)는 트러스의 상현재로 공유되는 강관의 상부(111), 강관의 내부에 수용이 되고 강관의 하부에 접합이 되는 트러스의 하현재(222)를 포함한다. 강관의 단면계수가 거더의 설계 응력을 상회 한다면 강관의 하부 부분도 트러스의 하현재로 공유할 수 있다. 이러한 강관 결합 트러스는 삼각 연결재(215)와 공유되는 강관의 상부 및 하부로 이루어진다. 트러스 결합 강관거더에서 결합 트러스는 강관 내에서 거더의 응력을 분산시키므로 강관 거더의 응력을 강화하고 강관에 콘크리트(410)를 충전하면 삼각 연결재(213)는 응력의 분산 외에도 콘크리트와 강관의 전단 연결재 또는 전단 결합재로서 동작 된다.
하나 이상의 트러스를 하나의 강관에 내재시키고 결합시키므로 강관거더의 응력 배치와 분산을 다양하게 설계 할 수 있고, 또한 강관에 콘크리트(410)를 더 충전하므로 응력이 복합적으로 작용이 되는 복합 강관거더가 제공 되는 것이다.
이와 같은 트러스를 내재시킨 강관거더는 강관의 형태를 원형 강관, 사각형 강관, 사다리 꼴 강관, 역 사다리 꼴 강관에 확대 적용을 할 수 있다. 이러한 다양한 거더는 구축물의 여러 필요를 충족하는 것이다.
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이 발명은 강관과 트러스를 응력 협동체로 결합한 거더를 제공하고, 강관을 길이 방향으로 반분한 두 개의 반쪽 강관을 먼저 제작하고 트러스를 반쪽 강관에 내재시킨 다음 두 개의 반쪽 강관을 접합하여 제조되는 강관거더를 제공하고, 굽은 경간에 설치되는 굽은 거더에서 굽은 거더를 따라 비틀린 전단 응력 축을 따라 비틀린 트러스를 결합한 복합 강관거더를 제공하고, 거더용 강관에 하나 이상의 트러스를 내재시킨 강관거더를 제공하고, 강관과 트러스의 연결부분이 용접이 되거나 또는 리벳팅 접합을 이루는 강관거더를 제공하고, 강관의 상부 부분이 내재시킨 트러스의 상현재로 겸용이 되는 강관거더를 제공하고, 하나 이상의 트러스를 내재시킨 강관에 콘크리트를 충전한 복합 강관거더를 제공하고, 콘크리트 충전 강관거더에서 트러스가 전단 연결재로 겸용이 되는 강관거더를 제공한다.
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도1은 거더용 강관의 단면도
도2는 강관에 조립하기 위한 트러스의 예도
도3은 강관에 조립하기 위한 트러스의 다른 예도
도4은 삼각 트러스를 내재시킨 강관 거더의 단면도
도5은 삼각 트러스를 내재시킨 다른 강관 거더의 단면도
도6은 강관을 좌우 분할한 강관 거더의 측면 분해도
도7은 강관을 좌우 분할한 강관 거더의 측면도
도8은 굽은 강관 거더의 평면 예도
도9은 굽은 강관 거더의 측면 예도
도10은 복수의 트러스를 내재시킨 강관 거더의 측면도
도11은 복수의 트러스를 내재시킨 다른 강관 거더의 측면도
도12는 콘크리트를 채운 강관 거더의 단면도
도13는 다른 콘크리트를 채운 강관 거더의 단면도
도15는 트러스를 내재시킨 강관 거더의 부가변경 사용 예도
도16은 트러스를 내재시킨 강관 거더의 부가변경 사용 예도
도17은 트러스를 내재시킨 강관 거더교의 시공 예도
110은 강관, 121은 반쪽 강관, 130은 굽은 강관, 210, 220, 230은 삼각 트러스, 111은 상부, 112는 하부, 211은 수직 하중 중심축, t211은 비틀린 응력 중심 축, 213은 상현 결합부, 214는 하현 결합부, 215는 연결재, 222는 하현재, 320은 접합부, 400은 콘크리트, 700은 교각

Claims (9)

  1. 강관과 보강재를 구비하고 강관에 보강재를 내재시키고 강관과 보강재를 일체로 연결한 것에 있어서,
    거더가 담당하는 하중에서 트러스 분담 하중 외의 하중을 분담하도록 거더의 전단 응력 축을 따라 강관에 트러스를 내재시킨 거더용 강관(110);
    결합 트러스의 삼각 연결재와, 트러스의 상현재로 공유되는 강관 상부에 거더의 전단 응력 축을 따라 배열된 트러스의 상현 결합부와, 트러스의 하현재로 공유되는 강관 하부에 거더의 전단 응력 축을 따라 배열된 트러스의 하현 결합부로 조립되어 거더가 담당하는 하중에서 강관 분담 하중 외의 하중을 담당하도록 강관 안에 결합시킨 트러스(210);
    및 강관(110)의 단면 계수가 강관의 분담 하중에서 산출한 단면계수인 트러스 결합 강관거더.
  2. 강관과 보강재를 구비하고 강관에 보강재를 내재시키고 강관과 보강재를 일체로 연결한 것에 있어서,
    거더가 담당하는 하중에서 트러스가 분담하는 하중 외의 하중을 분담하기 위한 강관으로 거더의 전단 응력 축을 따라 좌우 두 쪽으로 반분된 하나의 반쪽 강관(121);
    거더가 담당하는 하중에서 트러스가 분담하는 하중 외의 하중을 분담하기 위한 강관으로 거더의 전단 응력 축을 따라 좌우 두 쪽으로 반분된 다른 하나의 반쪽 강관(121);
    결합 트러스의 삼각 연결재와, 트러스의 상현재로 공유되는 분할 강관을 하나로 모은 강관 상부에 거더의 전단 응력 축을 따라 배열된 트러스의 상현 결합부와, 트러스의 하현재로 공유되는 분할 강관을 하나로 모은 강관 하부에 거더의 전단 응력 축을 따라 배열된 트러스의 하현 결합부로 조립되어 거더가 담당하는 하중에서 강관 분담 하중 외의 하중을 담당하도록 강관 안에 결합시킨 트러스(220);
    및 두 개의 분할 된 반쪽 강관(121, 121)을 강관거더로 모으기 위하여 반쪽 강관을 연결한 접합부(320)를 포함하는 강관거더.
  3. 강관과 보강재를 구비하고 강관에 보강재를 내재시키고 강관과 보강재를 일체로 연결한 것에 있어서,
    굽은 경간에 설치되고 트러스를 내재시켜 거더가 담당하는 하중에서 트러스가 분담하는 하중을 제외한 하중을 분담하기 위한 굽은 거더용 굽은 강관(130);
    결합 트러스의 삼각 연결재와, 트러스의 상현재로 공유되는 굽은 강관 상부에 굽은 거더의 비틀림 전단 응력 축을 따라 배열된 트러스의 상현 결합부와, 트러스의 하현재로 공유되게 굽은 강관 하부에 굽은 거더의 비틀림 전단 응력 축을 따라 배열된 트러스의 하현 결합부로 조립되어 굽은 거더가 담당하는 하중에서 굽은 강관 분담 하중 외의 하중을 담당하도록 굽은 강관 안에 결합시킨 비틀린 트러스(230);
    및 굽은 강관(130)의 단면 계수가 굽은 강관의 분담 하중에서 산출한 단면계수인 트러스 결합 강관거더.
  4. 청구범위 제1항, 제2항 및 제3항 중 어느 하나의 청구 항에 있어서, 거더용 강관에 둘 이상의 트러스를 내재시킨 강관거더.
  5. 청구범위 제1항, 제2항 및 제3항 중 어느 하나의 청구 항에 있어서,
    강관에 트러스를 연결하기 위한 플랜지를 트러스에 설치하고 강관과 플랜지를 접합시킨 강관거더.
  6. 삭제
  7. 청구범위 제1항, 제2항 및 제3항 중 어느 하나의 청구 항에 있어서,
    하나 이상의 트러스를 내재시킨 강관에 콘크리트를 충전하여 콘크리트 충전 강관거더를 구성한 복합 강관거더.
  8. 청구범위 제1항, 제2항 및 제3항 중 어느 하나의 청구 항에 있어서,
    강관거더의 강관 모양은 원형 강관, 사각형 강관, 사다리 꼴 강관 중의 어느 하나의 강관인 강관거더.
  9. 청구범위 제 7항에 있어서, 콘크리트 충전 강관거더에서 트러스가 전단 연결재로 겸용이 되는 강관거더.
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