KR101020765B1 - 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브 및 이의 시공방법 - Google Patents

포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브 및 이의 시공방법 Download PDF

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(주)홍지디씨에스
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    • E21D9/14—Layout of tunnels or galleries; Constructional features of tunnels or galleries, not otherwise provided for, e.g. portals, day-light attenuation at tunnel openings

Abstract

본 발명은 반횡류식 또는 횡류식 터널 환기 시스템의 풍도에 관한 것으로, 보다 구체적으로 풍도의 바닥을 구성하는 풍도 슬래브를 위로 볼록한 아치형으로 구성하여 압축 거동이 일어나도록 하고 비부착 긴장재를 통해 편심거리를 최대한 활용하여 긴장력을 도입함으로써, 단면두께를 줄이면서 긴장력의 효율을 높일 수 있고, 하중에 대한 안정성이 확보되며, 단면 감소로 재료비 절감과 운전자의 시야성이 확장되는 포스트텐션 방식의 아치형의 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브 및 이의 시공방법에 관한 것이다.
본 발명의 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 적절한 실시 형태에 따르면, 장대 터널 또는 지하차도의 횡류식 환기방식에서 환기 및 제연을 위한 덕트를 형성하는 풍도 슬래브에 있어서, 길이(L)에 대한 두께(t)의 비(t/L)가 1/30 이하를 이루고, 100m 이하의 곡률반경을 갖고 상향으로 볼록한 아치형 콘크리트 판형을 이루는 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)와; 상기 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202) 내에 압축력을 도입하기 위해 폭 방향으로 서로 일정 간격을 두고 상기 곡률 반경을 따라 길이방향으로 배치되며 전체 길이가 상기 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)에 부착되지 않도록 설치된 다수 개의 비부착 긴장재(50)와; 상기 비부착 긴장재(50)에 소요 인장력을 도입하기 위해 상기 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 양단에 배치되어 비부착 긴장재(50)의 양단부가 고정되는 긴장재 정착장치(220)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브 및 이의 시공방법{Post-tensioning arch-shaped precast concrete wind duct slab and construction method thereof}
본 발명은 반횡류식 또는 횡류식 터널 환기 시스템의 풍도에 관한 것으로, 보다 구체적으로 풍도의 바닥을 구성하는 풍도 슬래브를 위로 볼록한 아치형으로 구성하여 압축 거동이 일어나도록 하고 비부착 긴장재를 통해 편심거리를 최대한 활용하여 긴장력을 도입함으로써, 단면두께를 줄이면서 긴장력의 효율을 높일 수 있고, 하중에 대한 안정성이 확보되며, 단면 감소로 재료비 절감과 운전자의 시야성이 확장되는 포스트텐션 방식의 아치형의 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브 및 이의 시공방법에 관한 것이다.
현재 대도시를 중심으로 한 교통량의 급속한 증가로 기존의 도로망이 이를 감당하기에는 포화상태에 이르렀으며, 기존 도로망의 확장이나 신설에 의한 교통망의 확충에는 많은 비용이 소요된다. 그러므로 국가나 대도시의 지방자치단체에서는 교통망 확충을 위한 비용 절감을 위하여 대심도의 장대 도로터널의 건설을 증가하고 있다.
실제로 서울시에서는 강변북로 지하도로화 사업, 신림~봉천 제2 남부순환도로, 올림픽대로 지하화 사업, 유-스마트웨이 사업(서울시를 동서 3축, 남북 3축의 격자형 도로망으로 연결하는 총 149 km의 대심도 지하도로 사업) 등에 이르는 광대한 지하도로망을 계획, 시공 예정에 있다. 또한, 부산광역시 및 인천광역시, 대전광역시에서도 지하도로화 사업을 계획하고 있으며, 설계 및 시공을 위한 시기를 내다보고 있는 상황이다.
지하도로화 사업은 도로 건너편으로 이동하는 접근성의 제약을 극복할 수 있는 부가적인 이점도 얻을 수 있다. 그러나, 이들 대부분의 사업계획은 지하 심도가 깊고 길며, 도심지 교통 흐름의 정체나 차량화재의 발생가능성이 매우 높다는 단점이 있다.
또한, 교통 흐름의 정체시 지하도로 내 오염물질의 축적으로 자연환기에 의해 터널 내 운전 환경의 대기 오염도를 허용치 이하로 유지하는 것이 불가능하다.
이를 위해 주위 지형과 터널 내 기류의 유동현상을 해석하고, 현장실측 결과 등을 종합적으로 판단하여 지하도로의 설계시에 자연환기 성능이 극대화될 수 있도록 해야 하며, 자연환기에 의해 대기오염물질을 허용 농도치 이하로 유지하기 어려울 때에는 강제적 환기설비를 설치 운용해야 한다.
자연환기는 터널 내 환기설비를 설치하지 않고 자연환기력(굴뚝효과와 기압배치에 따른 환기력)과 자동차의 주행으로 인한 피스톤 작용력에 의존하는 환기방식으로 길이 250m이하의 도시터널과 길이 450m이하의 교통량이 작은 산악터널에서 주로 사용한다(자연환기력 = 자연풍 + 교통풍(자동차의 영향)).
이에 비해 강제환기는 터널의 연장이 길고 교통량이 많은 터널들에서 강제환기시설이나 집진시설과 같은 오염물질제어 설비를 터널 내부에 설치하여 터널 내부의 오염물질제어와 환기를 시키는 방식이다. 강제환기방식은 장대터널의 경우에서 자연환기력만으로 터널 내부공기를 충분히 희석시킬 수 없으므로 주로 사용되며, 대표적인 방식은 종류식, 반횡류식, 횡류식의 3가지 방식으로 크게 구분되고, 그 중에서도 반횡류식(Semi-transverse ventilation)과 횡류식(Transverse ventilation)은 환기와 제연을 위한 풍도(덕트)의 공간이 필요하다.
위의 터널 내 풍도는 라이닝 콘크리트를 형성시킨 후에 풍도 슬래브를 현장타설하거나 격벽을 추가로 현장타설하여 형성된다. 이 풍도 슬래브와 격벽은 1단계로 터널 내에서 강재 동바리와 거푸집을 설치하여 현장타설 방식으로 라이닝을 형성시키고, 2단계로 추가적으로 강재 동바리와 거푸집을 설치하여 풍도 슬래브를 타설하여 환기와 제연을 위한 덕트가 형성되는 것이다.
이때, 풍도 슬래브와 격벽을 형성하기 위해서는 라이닝을 형성하는 1단계에서, 라이닝과 슬래브의 연결부에 이음철근을 노출시키게 된다. 그리고, 1단계의 라이닝 콘크리트가 타설되어 양생되면, 앞으로 전진하고, 뒤이어 풍도 슬래브 형성을 위해 터널 내에 강재 동바리와 거푸집을 추가 설치하여 현장타설 방식으로 풍도 슬래브를 형성시킨다.
그런데 이러한 현장타설 방식에 의한 풍도 슬래브와 격벽의 시공방법은 아래와 같은 단점을 가진다.
첫째, 슬래브 철근 또는 격벽 철근을 옆에서 뽑아놓고, 약 20m 정도의 라이닝 콘크리트를 타설하고 양생이 되면 거푸집을 탈형하여 터널 진행방향으로 전진해 나가기 때문에 그 진행이 매우 어려우며, 공사기간이 길어지고,인력에 의한 작업이 크게 늘어나는 단점이 있다. 또한, 강재 동바리와 거푸집이 라이닝 콘크리트 형성을 위한 1세트와 풍도 슬래브와 격벽 설치를 위한 1세트가 별도로 구비되어야 하기 때문에 공사비가 크게 증가하는 요인이 된다.
둘째, 풍도 슬래브를 현장타설 콘크리트로 형성시키게 되면 그 두께가 커지며, 이에 따라 터널의 내공 단면이 커지게 되고, 이로 인해 공사비가 상승하게 된다.
셋째, 현장타설 풍도 슬래브는 콘크리트의 장기거동에 따라 크리프와 건조수축에 의한 변형이 발생하게 되는데, 자중에 의해 하향의 처짐이 발생한다. 이 처짐은 풍도 슬래브 및 라이닝 콘크리트와 풍도 슬래브의 연결부 주위의 라이닝 콘크리트에서 발생하는 균열의 원인이 된다.
넷째, 현장타설에 의한 풍도 슬래브 형성은 동바리에 의한 안전사고의 위험성이 크다.
한편, 풍도 슬래브가 상향의 곡선으로 형성되어 있다면 도로에서 운전자의 시야 확보가 크게 향상되고, 교통사고 발생을 크게 줄일 수 있고, 풍도 슬래브의 두께를 줄여 터널의 내공 단면을 작게 만들어 공사비를 크게 감소시킬 수 있을 것이다. 그러나, 기존의 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브는 프리텐션 방식이기 때문에 직선형태의 평평한 구조로만 적용될 수 있어서, 터널 내 단면에 대한 상향의 곡선효과를 얻을 수 없는 문제를 가지고 있다.
이같이 상향 곡선을 갖는 아치형 구조물에서 곡률을 점점 상향으로 일으키게 되면 작용하는 휨모멘트는 줄어들고, 아칭효과에 의해 압축력은 증가하게 된다. 이런 아치 형상의 구조물은 양단부의 경계조건이 양단힌지 또는 양단고정으로 하향으로 작용하는 하중에 대해 지지점의 수평방향 변위를 구속하는 형태가 되어야 한다. 만약, 수평방향 변위가 구속되지 않으면 아치형 구조물의 특성을 잃어버리고 휨부재로 거동하게 되며, 단면에 균열을 일으키게 되어 결국에는 파괴에 이르게 된다.
아치에 의한 효과는 양단이 구속되거나 또는 힌지상태로 수평방향의 변위를 구속해야 한다. 즉, 풍도 슬래브는 제작 후 거푸집이 아래에서 콘크리트 자중을 지탱할 때 그리고, 풍도 슬래브가 터널 내에서 완성되어 수평방향의 변위가 구속될 경우에는 구조물의 안전성 확보가 가능하다.
그러므로, 풍도 슬래브의 수평방향의 변위를 구속하지 않으면 아치형태의 구조물도 휨부재와 동일한 거동을 하여 제작한 풍도 슬래브는 중앙부에서 균열이 발생하거나, 파괴되어 그 기능을 상실할 것은 자명하다.
만약, 풍도 슬래브의 제작 및 운반단계에서 아치형 풍도 슬래브의 자중에 의한 휨거동에 대해 구조적인 안전성을 확보할 수 있고, 터널 내 단면에 미리 형성된 브라켓 위에 아치형 프리캐스트 풍도 슬래브가 설치되고 힌지구조 또는 강결구조에 의해 그 지지점의 수평방향 변위를 고정할 수 있다면 매우 안전한 구조물이 될 것이다.
즉, 풍도 슬래브의 제작 및 운반단계에서는 아치형 풍도 슬래브에 비부착긴장재를 이용하여 프리스트레스트 콘크리트 구조물로 제작하여 휨거동에 대해 저항하고, 터널 내 단면에 미리 형성된 브라켓 위에 아치형 프리캐스트 풍도 슬래브가 설치된 후에는 추가로 작용하는 하중이 아칭효과에 의해 그 단면 전체에 압축력으로 작용하기 때문에 인장력이 발생하지 않아 안정한 구조물이 된다.
특히, 아치형 프리캐스트 풍도 슬래브 내부에 매입된 긴장재의 부식에 의한 파단이나 장기거동에 의한 프리스트레스력을 손실하더라도 풍도 슬래브 자중에 의해 발생하는 하중은 아칭효과에 의해 압축부재로 변환되기 때문에 더욱 안정한 구조물로 변할 수 있다.
한편, 포스트텐션방식의 프리스트레스를 도입하는 콘크리트 부재는 거더와 같은 휨부재 또는 인장을 받는 구조물에 적용되어 왔으며, 아치형상의 구조물에는 프리스트레스를 도입할 필요가 없었다, 그 이유는 아치부재는 콘크리트 자체가 압축에 저항하는 압축부재이기 때문에 프리스트레스를 도입할 이유가 없었던 것이다.
예를 들어, 프리캐스트 콘크리트 형식의 대표적인 아치부재는 터널의 라이닝 등에 사용되는 세그멘트 방식의 아치형 철근콘크리트 부재이며, 프리스트레스를 도입하지 않는다. 이 부재는 프리캐스트방식으로 공장에서 만들어지지만, 세그멘트 자체가 운반시나 가설시에 작용하는 자중이나 외부하중에 의해 작용하는 휨거동에 대해 안전한 단면을 갖도록 그 단면이 두껍다. 그리고, 분할된 다수개의 철근콘크리트 구조물의 세그멘트를 현장에서 조립하는 방법으로 터널 단면의 아치형식을 구현한다.
그러나, 공장에서 제작하는 풍도 슬래브와 같은 아치부재는 터널 단면에 설치된 후의 추가하중에 의해 아치에 의한 효과를 얻을 수 있기 때문에 제작 및 가설단계 중에 발생하는 휨응력에 저항할 수 있는 프리스트레스의 도입이 필요하다.
본 발명은 이러한 종래의 현장타설 방식의 풍도 슬래브 및 격벽 시공에 따른 단점 및 하면이 평평한 형태의 프리텐션 방식의 프리캐스트 풍도 슬래브가 가지는 단점을 해소하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.
본 발명은 긴장재를 이용하여 얇은 단면의 아치형 풍도 슬래브에 프리스트레스를 도입하여 풍도 슬래브의 단면 축소가 가능하여 터널 내공 단면의 축소가 가능하며, 동바리와 거푸집 등 가설 자재의 사용을 생략할 수 있는 프리캐스트 콘크리트 부재를 이용한 풍도 슬래브를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브를 시공하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 적절한 실시 형태에 따르면, 장대 터널 또는 지하차도의 횡류식 환기방식에서 환기 및 제연을 위한 덕트를 형성하는 풍도 슬래브에 있어서, 길이(L)에 대한 두께(t)의 비(t/L)가 1/30 이하를 이루고, 100m 이하의 곡률반경을 갖고 상향으로 볼록한 아치형 콘크리트 판형을 이루는 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)와; 상기 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202) 내에 압축력을 도입하기 위해 폭 방향으로 서로 일정 간격을 두고 상기 곡률 반경을 따라 길이방향으로 배치되며 전체 길이가 상기 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)에 부착되지 않도록 설치된 다수 개의 비부착 긴장재(50)와; 상기 비부착 긴장재(50)에 소요 인장력을 도입하기 위해 상기 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 양단에 배치되어 비부착 긴장재(50)의 양단부가 고정되는 긴장재 정착장치(220)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 콘크리트 풍도 슬래브 몸체의 양쪽 단부는 일정 구간의 평탄면과, 중앙부 단면 두께에 비해 커진 확대 단면을 모두 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 비부착 긴장재는 콘크리트 풍도 슬래브 몸체의 양단부에서 수평 직선으로 배치되기 위해 편향장치에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 콘크리트 풍도 슬래브 몸체의 단부가 터널 또는 지하차도 벽체에 미리 형성된 브라켓에 지지되어 수평방향의 변위가 생기지 않도록 앵커나 암수블록을 매개로 고정된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 콘크리트 풍도 슬래브 몸체의 밑면에 내화성능을 확보하기 위해 내화패널이 더 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 시공방법에 따르면, 길이에 대한 두께의 비가 1/30 이하를 이루고, 양단부는 일정 구간 평탄하고 나머지 중앙부 구간은 100m 이하의 곡률반경을 갖도록 거푸집을 설치하는 공정과; 상기 거푸집의 상면에 곡률반경을 따라 일정 간격마다 간격재를 설치하고, 거푸집의 양단부에 모두 편향장치 및 긴장재 정착장치를 설치하는 공정과; 비부착 긴장재를 상기 간격재를 따라 배치한 후 편향장치를 거쳐 긴장재 정착장치에 가고정시키는 공정과; 상기 거푸집에 콘크리트를 타설 후 양생을 거쳐 상기 비부착 긴장재에 유압잭을 이용하여 소요 긴장력을 도입시킨 후 비부착 긴장재를 긴장재 정착장치에 고정시켜서 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브를 제작하는 공정과; 상기 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브를 터널 라이닝의 측벽에 설치된 브라켓에 설치하는 공정; 및 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 양단부에 채움 콘크리트를 타설하는 공정을 포함하여 시공되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 양단부는 직선구간의 평탄면과, 중앙부 단면 두께에 비해 커진 확대 단면을 갖고 시공될 수 있다.
본 발명에 따른 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브는 얇은 단면의 아치형 부재에 긴장재을 이용하여 미리 압축력을 부재단면에 도입하기 때문에 공기를 단축시킬 수 있으며, 프리스트레스의 도입으로 가설시의 휨모멘트에 저항을 하고, 풍도 슬래브의 설치후 아치효과에 의한 압축거동을 하기 때문에 현장타설 콘크리트 방식의 평평한 슬래브에 비해 터널의 내공 단면을 축소시킬 수 있어 공사비가 절감되고, 동바리가 불필요하여 안전사고의 위험이 없다.
또한, 풍도 슬래브 및 라이닝 콘크리트와 풍도 슬래브의 연결부 주위의 균열을 방지할 수 있고, 휨에 의해 발생하는 장기 처짐이 거의 발생하지 않는다.
또한, 아치형 구조물은 그 형상이 갖는 구조적인 장점뿐만 아니라, 운전자의 시야 확보가 크기 때문에 교통사고의 확률을 줄일 수 있으며, 곡선형태가 주는 안정감과 미관이 수려한 장점이 있다.
또한, 풍도 슬래브가 설치된 후에 작용하는 하중이나 풍압에 의한 처짐이 직선으로 형성된 부재의 휨거동에 비해 그 처짐량이 훨씬 작은 장점이 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1a는 본 발명에 따른 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 평면도.
도 1b는 도 1a의 A-A선 단면도.
도 1c는 본 발명에 따른 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브에 적용되는 긴장재 정착장치의 구성도.
도 1d는 도 1b에 내화패널이 설치된 단면도.
도 2는 본 발명의 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브에 적용된 편향장치의 다양한 실시예의 도면.
도 3의 (가)는 본 발명의 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브에 적용된 긴장재의 배치 상태도.
도 3의 (나)는 쉬스관을 이용하였을 경우의 긴장재의 배치 상태도.
도 4는 본 발명에 따른 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 제작 공정도.
도 5는 본 발명에 따른 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 시공 상태도.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1a는 본 발명에 따른 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A선 단면도이며, 도 1c는 본 발명에 따른 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브에 적용되는 긴장재 정착장치의 구성도이고, 도 1d는 도 1b에 내화패널이 설치된 단면도이다.
도 1a 내지 도 1d에서와 같이 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브(이하, '풍도 슬래브'라 함)(200)는 길이(L)에 대한 두께(t)의 비(t/L)가 1/30 이하를 이루고, 100m 이하의 곡률반경(R)을 갖고 상향으로 볼록한 아치형 콘크리트 판형을 이루는 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)와; 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202) 내에 압축력을 도입하기 위해 너비(W) 방향으로 서로 일정 간격을 두고 상기 곡률 반경을 따라 길이방향으로 배치되는 다수 개의 비부착 긴장재(50)와; 비부착 긴장재(50)에 소요 인장력을 도입하기 위해 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 양단에 배치되어 비부착 긴장재(50)의 양단부가 고정되는 긴장재 정착장치(220)를 포함하고 있다. 이때 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 양쪽 단부는 직선구간을 이루는 평탄면(202a)과, 중앙부 단면 두께에 비해 상대적으로 커진 확대 단면(202b)을 갖는다.
콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 양쪽단에는 편향장치(230)가 설치되고, 비부착 긴장재(50)가 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브(200)의 양단부에서 편향장치(230)에 유도되어 수평직선으로 배치되어 있다. 이때 편향장치(230)는 비부착 긴장재(50)가 정착지점에서 상향으로 이동되는 것을 방지한다. 편향장치(230)는 예로서 도 2와 같이 구성될 수 있다. 도 2는 본 발명의 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브에 적용된 편향장치의 다양한 실시예의 도면이다. 즉, 편향장치(230)는 바닥판(231), 목부(232) 및 원통부(233)를 가지고 있다. 이때 도 2의 (가)와 같이 원통부(233)는 상부에 닫힌 원통형을 구성하거나 (나)와 같이 열린 원통형으로 구성될 수 있다. 원통부(233)의 내경은 비부착 긴장재(50)의 외경과 대략 동일하게 구성된다. 편향장치(230)는 비부착 긴장재(50)가 이동하지 않도록 고정하는 역할을 하는 것으로 강재 재질 또는 플라스틱 등의 재질로 제작된 것이 될 수 있다. 본 발명에서 편향장치(230)의 구조는 도면이나 설명에 기재된 것에 특별히 한정되는 것은 아니다.
따라서 편향장치(230)를 통과하게 되는 비부착 긴장재(50)는 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 아치 곡선부에서 곡선형을 따르다가 편향장치(230)의 단부로부터 직선부로 유도되어 평탄면(202a)과 평행하게 설치된다. 비부착 긴장재(50)는, 일예로 피복된 PS강선이 될 수 있다.
이때 비부착 긴장재(50)는 도 3의 (가)에 도시된 바와 같이 편심값(e1)을 충분히 활용하기 위해서는 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 중립축(X) 아래로 피복규정을 고려하여 단면의 중립축(X)에서 최대한 그 하방에 배치됨이 바람직하다. 그 이유는 다음의 콘크리트 하연에 도입되는 압축응력의 계산식에서 알 수 있다.
Figure 112010067254335-pat00001
여기서,
fb: 콘크리트 단면의 하연에 작용하는 응력
P: PS강선에 의한 도입되는 프리스트레스력
A: 프리스트레스가 도입되는 콘크리트 단면
e: 단면의 중립축에서 긴장재의 도심까지의 거리
I: 단면2차 모멘트
yb: 중립축에서 단면 하연 연단까지의 거리
상기 식에서 알 수 있듯이, 콘크리트 하연에 도입되는 압축응력은 중립축(X)에서 비부착 긴장재(50) 사이의 편심거리(e)에 비례함을 알 수 있다.
즉 비부착 긴장재(50)는 그의 중심선에서 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 중립축(X)까지 편심거리(e1)를 갖도록 설치된다. 본 실시예에서 비부착 긴장재(50)는 하나의 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)에 5개로 배치하였으나 본 발명은 그 개수에 특별히 제한되는 것은 아니다.
이와 같이 본 발명에서 비부착 긴장재(50)의 설치시 도 3의 (나)와 같이 쉬스관(51)을 사용하지 않는 이유는 중립축(X)에서 쉬스관(51)의 도심까지의 거리로 편심값(e2)이 계산되는데, 쉬스관(51)의 직경 때문에 손실거리(ed2=dc/2)가 발생하기 때문이다. 또한 쉬스관(51)에 의해 콘크리트(200) 단면에 손실이 발생하여 손실거리(ed2)가 발생하기 때문이다.
즉, e1 = e2 + ed1 + ed2 에서 알 수 있듯이, 비부착 긴장재(50)를 사용하면 편심거리(e1)를 최대한 크게 하여 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 단면두께(t)를 줄이고 긴장력의 효율을 높일 수 있기 때문이다.
다시 말해서, 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 단면의 두께를 크게 하여 쉬스관(51)을 배치하고, PS강선(52)을 다발로 삽입하여 긴장하는 것이 가능하지만, 풍도 슬래브(200)의 단면 두께가 커지게 되며, 이로 인해 터널의 전체 단면이 커지기 때문에 공사비가 증가하는 중요한 요인이 된다. 그러므로, 풍도 슬래브(200)의 두께를 최대한 얇게 해야 전체 터널 단면의 크기를 줄여 공사비를 절감할 수 있다.
이를 좀더 고찰하면 쉬스관(51)을 이용한 포스트텐션 방식의 프리스트레스트 콘크리트 구조의 단면두께가 커지는 이유는 다음과 같다. 쉬스관(51)을 콘크리트 타설 전에 미리 배치하게 되는데, 쉬스관(51)은 공장에서 생산 가능한 최소 직경이 약 50mm이다. 얇은판을 원형 띠형태로 가공하기 때문에 더 이상 작게 가공할 수 없다. 그러므로, 도 3의 (나)에 나타낸 것처럼, 쉬스관(51)의 최소직경은 50mm가 되어 중립축(X)과 편심거리(e)의 차이가 dc/2= 25mm의 거리 손실을 가져오게 된다. 일반적으로 풍도 슬래브의 단면이 200~300mm의 두께를 갖는다고 가정할 경우 25mm의 편심거리 손실은 부재의 두께에 영향을 끼친다.
또한, 쉬스관(51) 내에 설치된 PS강선(52)의 부식을 막기 위해 그라우팅을 하여 부재를 완성하게 될 경우 공사비의 증가 요인이 된다. 또한, 풍도 슬래브에 설치되는 강연선은 그 양이 많지 않고, 풍도 슬래브(200) 부재가 폭방향으로 넓기 때문에 쉬스관(51)을 부재의 폭방향으로 필요 이상으로 분배하여 설치를 해야 하는 단점을 갖는다.
또한, 쉬스관(51)을 이용하여 정착할 경우에 다수개의 PS강연선(52)이 다발을 이루기 때문에 정착부 콘크리트 단면의 크기가 매우 커지게 된다. 그러므로, 재료비와 무게 상승에 의한 운반 및 가설에 대한 공사비 상승 요인이 된다.
도 1c와 같이 긴장재 정착장치(220)는 웨지 하우징(221)과 다수 개로 분할되어 있는 웨지(222)를 포함한다. 웨지(222)는 웨지 하우징(221)에 테이퍼 결합으로 조립되어 내경이 좁아지면서 인장력이 가해지는 긴장재(50)를 붙잡아 고정시킬 수 있게 되어 있다.
따라서 본 발명은 도시되지 않은 유압잭을 이용하여 비부착 긴장재(50)에 소요 인장력을 가한 후 긴장재 정착장치(220)에 의해 비부착 긴장재(50)의 양단을 고정시킴으로써 프리스트레스력이 부여되어 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)에 압축력을 가하게 된다.
한편, 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 밑면에는 내화성능을 확보하기 위해 도 1d와 같이 내화패널(300)이 더 설치될 수 있다.
표1은 풍도 슬래브(200)의 곡률반경(R)을 분석하기 위해 범용구조해석 프로그램인 MIDAS CIVIL 6.1을 이용한 도표로서, 풍도 슬래브(200)의 중앙부에서 나타난 결과를 정리하였다. 직선인 부재에서 곡률반경을 차츰 줄여 총 7가지의 경우인 R=∞, R=500m, R=100m, R=80m, R=60m, R=40m, R=20m에 대해서 검토하였다.
풍도 슬래브(200)는 단위 폭원 100cm, 두께는 20cm, 일반 콘크리트 27MPa을 적용하였으며, 그 지간은 10.0m, 경계조건은 양단 힌지로 적용하였다. 하중은 풍도 슬래브(200)에 타설된 콘크리트의 무게를 적용하였다. 부호의 경우 "+"는 인장을 그리고 "-"는 압축을 나타낸다.
반경
(mm)		 축력
(kN)		 모멘트
(kNm)		 응력(MPa)
상연
(압축)		 하연
(인장)
R=∞ 0.0 61.3 -9.194 9.194
R=500,000 -221.5 55.8 9.471 7.256
R=100,000 -351.5 17.6 -4.401 0.886
R=80,000 -313.8 12.6 -3.459 0.322
R=60,000 -258.6 7.8 -2.468 -0.233
R-40,000 -185.3 3.8 -1.497 -0.458
R=20,000 96.3 1.1 -0.651 -0.407
위 표1에서 알 수 있듯이 곡률반경이 약 100m이하의 경우에 있어서, 풍도 슬래브(200)의 상연에 작용하는 응력이 단순지지조건에 비해 약 50%미만의 압축응력으로 줄어들며, 풍도 슬래브(200)의 하연에는 매우 작은 인장응력이 발생하는 것을 알 수 있다. 또한, 곡률반경이 약 20m미만이 되면 풍도 슬래브(200)의 상하연에 발생하는 응력이 급격히 줄어들어 매우 작은 응력값이 발생하며 축력에 의한 압축응력이 지배함을 알 수 있다.
이러한 원리를 이용하여 풍도 슬래브(200)를 제작하면, 풍도 슬래브(200)에 전체에 걸쳐 압축력이 지배하거나 또는 작은 휨모멘트가 작용하도록 유도할 수 있다. 만약, 운반 및 가설단계에서만 풍도 슬래브(200)가 안전하다면 아주 얇은 두께를 가지면서 상향으로 볼록한 아치형태의 곡선으로 프리캐스트 부재를 제작하여 설치할 수 있다.
즉, 운반 및 가설단계에서만 풍도 슬래브(200)가 단순거더 형태의 휨거동에 대해 안전성을 확보한다면 가설후에 추가적으로 작용하는 하중에 대해서는 그 부재의 양단부가 채움 콘크리트(12)에 의해 수평방향의 변위가 구속되어 아치거동을 하게 된다. 그러므로 추가하중은 아치부재 전체에 걸쳐 압축력으로 작용하기 때문에 단순지간의 슬래브 자중에 의해 발생한 부재의 중립축 하연의 인장응력을 감소시키는 효과가 있어 더욱 안정한 구조물이 된다.
다음은 풍도 슬래브(200)를 제작하는 방법 및 그 시공방법을 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 제작 공정도이다.
먼저, 도 4의 (가)에서와 같이 길이(L)와 두께(t)의 비(t/L)가 1/30 이하를 이루고, 양단부는 일정 구간 평탄하고 나머지 구간은 100m 이하의 곡률반경(R)을 갖도록 거푸집(240)이 설치된다.
거푸집(240)의 상면에는 (나)와 같이 긴장재(50)가 최소두께를 확보할 수 있도록 곡률반경을 따라 일정 간격마다 간격재(210)가 설치된다. 간격재(210)는 긴장재(50)의 배치시 쉬스관이 없는 구조이기 때문에 곡률반경을 따라 설치된다.
또한, 거푸집(240)의 양단부에는 편향장치(230) 및 긴장재 정착장치(220)가 설치된다. 이때 편향장치(230)는 곡률반경(R)을 이루는 곡선구간에서 직선구간으로 변화되는 위치에 설치될 수 있다. 편향장치(230)는 상기한 바와 같이 비부착 긴장재(50)의 양단 구간이 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 양단측 평탄면(202a)과 나란하도록 하기 위함이다. 이때 편향장치(230)는 나사를 통해 거푸집(240)에 고정 설치될 수 있다.
다음, 비부착 긴장재(50)를 간격재(210)를 따라 배치하고 편향장치(230)를 통과시켜 그의 양단을 긴장재 정착장치(220)에 고정시킨다.
그 다음, 거푸집(240)에 콘크리트를 타설하고 양생을 거친 후 비부착 긴장재(50)에 유압잭을 이용하여 소요 긴장력을 도입시킨 후 긴장재 정착장치(220)에 고정시켜서 (다)와 같이 풍도 슬래브(200)가 하나의 모듈로 제작된다.
이와 같이 제작된 풍도 슬래브(200)는 다수 개가 차량에 적재되어 터널 또는 지하차도가 시공되는 현장에 운반된다. 이때 풍도 슬래브(200)는 양단에 평탄면(202a)이 형성되어 적재가 용이해진다.
그 다음, 풍도 슬래브(200)를 도 5와 같이 터널 라이닝(10)의 측벽에 설치된 브라켓(11)에 설치한다. 도 5는 본 발명에 따른 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 시공 상태도이다. 이때 풍도 슬래브(200)의 고정 방법은 이 분야에서 주지된 바와 같이 도시되지 않은 앵커나 암수 블럭을 이용할 수도 있다.
그 다음, 풍도 슬래브(200)의 양단부에 채움 콘크리트(12)를 타설하여 시공이 완료된다. 이후 풍도의 구조에 따라 풍도 슬래브(200)에 입설되는 격벽(250)이 더 설치될 수 있다.
이와 같이 터널(또는 지하차도)에 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브(200)가 시공되면, 터널의 폭 방향으로 압축력이 형성되어 단면을 매우 감소시키더라도 구조적인 안전성이 향상된다. 또한 단면 감소로 인해 재료비의 절감 및 시공이 매우 형상된다.
또한, 풍도 슬래브(200)는 피복된 비부착 긴장재(50)를 사용하기 때문에 긴장재(예로 PS강선)와 비부착을 형성하는 피복 사이에 그리스(오일)가 감싸지고, 이로 인해 부식에 대해 안전하며 추가적인 그라우팅이 필요 없어 공사비가 크게 절감된다.
또한, 풍도 슬래브(200)는 양단부의 상부면이 평탄면(202a)을 가지기 때문에 예를 들어, 중량을 약 8톤 이내로 제작하여 3개 이상의 풍도 슬래브를 고임목을 이용하여 차량에 적치하여 용이하게 운반할 수 있다.
또한, 풍도 슬래브(200)는 양단부의 상부면이 중앙 단면에 비해 평평하면서 단면이 확대되어 그의 양단부면에서 크게 발생하는 전단력에 대해 저항할 수 있는 장점을 가진다.
또한, 비부착 긴장재(50)의 절단이나 부식으로 인한 프리스트레스력의 손실이 일어나더라도 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브(200)는 아치형으로 양단 힌지 또는 고정의 경계조건을 갖는 구조계로 형성되어 있기 때문에 하중에 대해서 안전성을 확보할 수 있다. 즉, 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브(200)가 제작 및 가설 중에는 휨부재로 거동을 하지만, 터널 단면의 브라켓 위에 고정이 되면 그 이후에는 휨부재가 아닌 아치부재로 거동을 하기 때문에 안정성이 확보된다.
다시 말해서, 프리스트레스가 도입된 아치형 풍도 슬래브는 구조물의 형상 자체가 터널 혹은 지하차도에 미리 설치된 브라켓에 가설되어 횡방향의 변위만 구속되면 아치거동을 하게 된다. 그러므로, 비부착 긴장재(50)에 의해 프리스트레스가 도입된 프리스트레스트 아치부재는 브라켓 위에 가설되고 난 다음 프리스트레스가 해제 또는 손실되더라도 그 부재의 안전성에는 전혀 문제가 발생하지 않는다. 오히려 그 부재의 프리스트레스가 손실되면 아치부재의 자중이 아칭효과에 의해서 압축력부재로 작용하여 풍도 슬래브 하연에 발생하는 인장응력이 압축응력으로 변환되기 때문에 더욱 안정한 구조물이 될 수 있는 기술적인 요소를 가지고 있다.
이와 달리, 직선부재의 풍도 슬래브의 경우는 터널 혹은 지하차도에 미리 설치된 브라켓에 가설된 후에 단순보 개념의 거동을 하기 때문에 PS강선(부착 긴장재)의 프리스트레스력이 손실되면 도입된 풍도 슬래브 콘크리트 하연의 압축응력이 인장응력으로 진행되어 구조물이 붕괴할 수 있다. 만약 화재열에 의해 PS강선이 고온의 열에 노출되어 그 PS강선이 항복하게 되더라도, 본 발명에 의한 프리캐스트 풍도 슬래브는 구조물의 안전성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으면 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
50: 비부착 긴장재
200: 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브
202: 콘크리트 풍도 슬래브 몸체
202a: 평탄면
202b: 확대단면
210: 간격재
220: 긴장재 정착장치
230: 편향장치

Claims (7)

  1. 장대 터널 또는 지하차도의 횡류식 환기방식에서 환기 및 제연을 위한 덕트를 형성하는 풍도 슬래브에 있어서,
    길이(L)에 대한 두께(t)의 비(t/L)가 1/30 이하를 이루고, 100m 이하의 곡률반경을 갖고 상향으로 볼록한 아치형 콘크리트 판형을 이루는 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)와;
    상기 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202) 내에 압축력을 도입하기 위해 폭 방향으로 서로 일정 간격을 두고 상기 곡률 반경을 따라 길이방향으로 배치되며 전체 길이가 상기 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)에 부착되지 않도록 설치된 다수 개의 비부착 긴장재(50)와;
    상기 비부착 긴장재(50)에 소요 인장력을 도입하기 위해 상기 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 양단에 배치되어 비부착 긴장재(50)의 양단부가 고정되는 긴장재 정착장치(220)를 포함하는 것을 특징으로 하는 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 양쪽 단부는 일정 구간의 평탄면(202a)과, 중앙부 단면 두께에 비해 커진 확대 단면(202b)을 모두 갖는 것을 특징으로 하는 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 비부착 긴장재(50)는 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 양단부에서 수평 직선으로 배치되기 위해 편향장치(230)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 단부가 터널 또는 지하차도 벽체에 미리 형성된 브라켓(11)에 지지되어 수평방향의 변위가 생기지 않도록 앵커나 암수블록을 매개로 고정된 것을 특징으로 하는 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 콘크리트 풍도 슬래브 몸체(202)의 밑면에 내화성능을 확보하기 위해 내화패널(300)이 더 설치된 것을 특징으로 하는 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브.
  6. 길이(L)에 대한 두께(t)의 비(t/L)가 1/30 이하를 이루고, 양단부는 일정 구간 평탄하고 나머지 중앙부 구간은 100m 이하의 곡률반경을 갖도록 거푸집(240)을 설치하는 공정과;
    상기 거푸집(240)의 상면에 곡률반경을 따라 일정 간격마다 간격재(210)를 설치하고, 거푸집(240)의 양단부에 모두 편향장치(230) 및 긴장재 정착장치(220)를 설치하는 공정과;
    비부착 긴장재(50)를 상기 간격재(210)를 따라 배치한 후 편향장치(230)를 거쳐 긴장재 정착장치(220)에 가고정시키는 공정과;
    상기 거푸집(240)에 콘크리트를 타설 후 양생을 거쳐 상기 비부착 긴장재(50)에 유압잭을 이용하여 소요 긴장력을 도입시킨 후 비부착 긴장재(50)을 긴장재 정착장치(220)에 고정시켜서 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브(200)를 제작하는 공정과;
    상기 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브(200)를 터널 라이닝의 측벽에 설치된 브라켓에 설치하는 공정; 및
    아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브(200)의 양단부에 채움 콘크리트를 타설하는 공정을 포함하여 시공되는 것을 특징으로 하는 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 시공방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브(200)의 양단부는 직선구간의 평탄면(202a)과, 중앙부 단면 두께에 비해 커진 확대 단면(202b)을 갖고 시공된 것을 특징으로 하는 포스트텐션 방식의 아치형 프리캐스트 콘크리트 풍도 슬래브의 시공방법.
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