KR101064731B1 - 포물선 형상의 웨브와 거푸집형 플랜지를 가지는 강재 빔과 콘크리트로 이루어진 강합성 거더 및 그 제작방법 - Google Patents

포물선 형상의 웨브와 거푸집형 플랜지를 가지는 강재 빔과 콘크리트로 이루어진 강합성 거더 및 그 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 강재 빔(10)이 콘크리트 패널(20)의 거푸집으로서 기능하도록, 상부 플랜지(11), 웨브(12), 및 하부 플랜지(13)로 이루어진 강재 빔(10)의 하부 플랜지(13)는, 그 외측 양단이 상향으로 구부러진 후 다시 웨브(12) 방향으로 평평한 상태로 구부러져 종결되는 형상을 가지고 있어, 구부러진 양단에 의하여 웨브(12)를 사이에 두고 콘크리트를 타설할 수 있는 공간이 형성되며; 상기 하부 플랜지(13)의 양단에 의해 형성된 공간 내에 콘크리트 타설되어 콘크리트 패널(20)이 상기 하부 플랜지(13)와 일체로 형성됨으로써 콘크리트 패널(20)과 강재 빔(10)이 합성되어 있는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 강합성 거더, 및 그 제작방법이 제공된다.

Description

포물선 형상의 웨브와 거푸집형 플랜지를 가지는 강재 빔과 콘크리트로 이루어진 강합성 거더 및 그 제작방법{Steel-Concrete Composite Girder and Constructing Method thereof}
본 발명은 강재 빔과 콘크리트가 일체로 합성되어 형성되는 강합성 거더와, 이러한 강합성 거더를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 하중재하에 따른 발생응력에 최적의 상태로 저항력을 발휘할 수 있도록 단면을 최적화하기 위하여 강재 빔의 웨브(web) 높이를 거더의 종방향으로 가면서 포물선이 되도록 변화시키고, 강재 빔의 하부 플랜지가 콘크리트 패널의 타설을 위한 거푸집으로서의 기능과 하중저항 구조체로서의 기능을 수행하도록 구성함으로써, 강합성 거더가 가지는 응력을 최대한 발휘할 수 있도록 함과 동시에, 강합성 거더의 제작과정에서 불필요한 응력이 강합성 거더에 잔류하지 아니하는 방식으로 제작될 수 있도록 한 새로운 형태의 강합성 거더 및 그 제작방법에 관한 것이다.
상부 플랜지와 하부 플랜지, 그리고 웨브를 가지는 I형 강재 빔에 콘크리트 패널이 일체로 합성되어 있는 종래의 강합성 거더는, 강재 빔의 하부 플랜지가 콘크리트 패널의 내부에 위치하는 구조를 가지고 있다. 따라서 이러한 종래의 강합성 거더를 제작하기 위해서는, 강합성 거더를 사용하게 될 현장에서, 콘크리트 패널의 형상에 맞게 거푸집을 제작한 후, 거푸집의 내부에 강재 빔의 하부 플랜지를 위치시키고 거푸집에 콘크리트를 타설하여 강재 빔의 하부 플랜지가 콘크리트 패널에 완전히 매립되도록 하는 방법을 이용하였다. 이러한 종래의 방법에서는 현장에서 거푸집을 제작하여야 하는데, 강합성 거더가 교량 등과 같이 높은 위치에 설치되는 경우, 거푸집도 고공에서 조립, 설치하여야 하므로, 그 만큼 작업의 난이도가 높이지고 번거롭게 되어, 제작비용 및 제작기간이 증가되는 문제가 있다. 만일 거푸집을 지면에 설치할 경우, 콘크리트 패널의 하면을 평평하게 제작하기 위해서는, 거푸집이 놓일 지면을 평평하게 고르는 작업을 반드시 수행하여야 하므로, 이 역시 제작비용 및 제작기간을 증가시키는 요인이 된다. 물론 거푸집을 공중에 매다는 형태로 설치할 수도 있지만, 이를 위해서는 거푸집을 매달기 위한 프레임 등을 설치하여야 하므로, 이러한 방법 역시 상당한 강합성 거더 제작비용과 기간이 필요하다는 단점이 있다.
한편, 이를 개선한 방법으로서, 강재 빔의 하부 플랜지가 위치하게 될 오목부를 가지도록 콘크리트 패널을 미리 제작하고, 이렇게 프리캐스트로 제작된 콘크리트 패널의 오목부에 하부 플랜지를 위치한 상태에서 오목부에 무수축 콘크리트를 타설하여 프리캐스트 콘크리트 패널을 제작함으로써, 강재 빔의 하부 플랜지가 무수축 콘크리트에 매립되어 콘크리트 패널과 합성되도록 하는 방법이 제안되었다. 그러나 이와 같이 프리캐스트 콘크리트 패널을 이용한 강합성 거더의 제작방법에서도, 프리캐스트 콘크리트 패널의 제작을 위한 거푸집 설치가 반드시 필요하고, 거푸집 설치를 위해서는 지면을 평평하게 고르는 작업이나, 거푸집을 공중에 매달기 위한 별도의 프레임 설치 작업 등이 수반되어야 하므로, 앞서 살펴본 현장 타설에 의하여 콘크리트 패널을 제작하는 종래의 방법과 마찬가지의 단점을 여전히 가지고 있다.
그 뿐만 아니라, 오목부에 강재 빔의 하부 플랜지가 위치한 상태에서 무수축 콘크리트가 타설되므로, 새로 타설되는 무수축 콘크리트와 이미 제작된 프리캐스트 콘크리트 패널 간의 일체화를 위한 대책도 더 마련해야 하는 추가적인 불편함도 가지고 있다. 특히, 새로 타설되는 무수축 콘크리트와 이미 제작된 프리캐스트 콘크리트 패널 간의 일체화 대책을 마련하더라도 완벽한 대책이 되지는 못하므로 결국 신/구 콘크리트간의 접합부분은 장기적인 하중에 의한 피로파괴에 취약한 부분이 되며, 그에 따라 안정성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 교량의 경우와 같이, 강합성 거더가 길이 방향으로 양단에 위치한 지점에 의해 지지될 때, 강합성 거더에는 중앙 지점부에서 최대 휨모멘트가 작용하고 양 단으로 갈수록 휨모멘트가 줄어들게 된다. 그럼에도 불구하고 종래의 강합성 거더에서는 강재 빔의 높이가 전체 길이에 걸쳐 일정하였고, 그에 따라 양단부에서는 강재 빔의 단면이 필요한 것 이상으로 과대한 결과를 가져왔다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 강재 빔과 콘크리트 패널이 합성된 강합성 거더를 제작함에 있어서, 지반을 평평하게 고르는 작업, 거푸집을 조립하는 작업, 거푸집을 분해하는 작업 등과 같은 콘크리트 패널을 제작하기 위한 거푸집을 설치하는데 수반되는 여러 가지 작업이 필요하지 않도록 하고, 강재 빔의 하부 플랜지 매립을 위한 별도의 추가적인 무수축 콘크리트의 타설 작업이나, 콘크리트 패널에서의 신/구 콘크리트 일체화를 위한 추가조치를 하지 않도록 함과 동시에 신/구 콘크리트 접합으로 인한 구조적 취약성을 극복할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 거더의 길이 방향 양단부에서는 작용하는 휨응력이 감소하는 것에 맞추어서 강합성 거더가 최적의 단면 형상을 가지도록 함으로써, 강합성 거더에 사용되는 강재량을 줄여 제작원가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 강합성 거더의 경량화를 도모할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 강재 빔이 콘크리트 패널의 거푸집으로서 기능함과 동시에 콘크리트 패널(20)의 외면을 피복하여 보호하고 구속하도록, 상부 플랜지, 웨브 및 하부 플랜지로 이루어진 강재 빔의 하부 플랜지는, 그 외측 양단이 상향으로 구부러진 후 다시 웨브 방향으로 평평한 상태로 구부러져 종결되는 형상을 가지고 있어, 구부러진 양단에 의하여 웨브를 사이에 두고 콘크리트를 타설할 수 있는 공간이 형성되며; 상기 하부 플랜지의 양단에 의해 형성된 공간 내에 콘크리트 타설되어 콘크리트 패널이 상기 하부 플랜지와 일체로 형성됨으로써 콘크리트 패널과 강재 빔이 합성되어 있는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 강합성 거더가 제공된다.
이러한 본 발명의 강합성 거더는, 상기 구부러진 하부 플랜지의 외측 양단의 내면에는, 콘크리트에 매립되는 전단연결재가 돌출되어 일체로 구비되어 있고; 상기 웨브에는 콘크리트가 채워지는 높이 내에서 굳지 않은 콘크리트가 웨브의 양측으로 소통할 수 있게 하는 관통공이 형성되어 있는 구성을 가질 수도 있다.
또한 상기한 본 발명의 강합성 거더는, 상기 강재 빔은 길이 방향으로의 양단부에서 중앙부로 갈수록 웨브의 높이가 증가되는 형상을 가질 수도 있다.
또한 상기한 본 발명의 강합성 거더는, 상기 콘크리트 패널에 긴장재가 배치되어 있고, 상기 긴장재는 단계적으로 긴장되어 강합성 거더에 프리스트레스가 가해지는 구성을 가질 수도 있고, 더 나아가, 상기 콘크리트 패널 내에 보강철근이 배근되어 있되, 상기 보강철근의 상단부는 콘크리트 패널 외부로 돌출되어 상기 웨브와 나란하게 연장된 상태로 배치되는 구성을 가질 수도 있다.
또한 상기한 본 발명의 강합성 거더는, 콘크리트가 통과하게 되는 관통 구멍이 형성되어 있는 판부재의 형태로 전단연결재가 구성되어 하부 플랜지의 외측 양단 내면에 구비되며; 상기 웨브를 관통하여 봉형태의 연결재가 배치되고, 연결재의 양단이 하부 플랜지의 외측 양단 내면에 결합되도록 배치되어, 하부 플랜지의 마주하는 양단부가 벌어지는 것을 방지하고, 콘크리트 패널과 하부 플랜지의 일체 결합 및 콘크리트 패널 자체의 강성을 보강하는 기능을 수행하게 되는 구성을 가질 수도 있다.
한편, 본 발명에서는 이러한 강합성 거더를 제작하는 방법으로서, 상기 강재 빔이 콘크리트 패널의 거푸집으로서 기능함과 동시에 콘크리트 패널(20)의 외면을 피복하여 보호하고 구속하도록, 상기 하부 플랜지는, 그 외측 양단이 상향으로 구부러진 후 다시 웨브 방향으로 평평한 상태로 구부러져 종결되는 형상을 가지고 있어, 구부러진 양단에 의하여 웨브를 사이에 두고 콘크리트를 타설할 수 있는 공간이 형성되어 있는 형상을 가지며; 상기 강재 빔의 지간 중간에서 복수개의 위치에 높이를 가지는 지지부재를 설치하고, 상기 지지부재 위에 강재 빔을 올려놓는 단계; 상기 하부 플랜지의 양단에 의해 형성된 공간 내에 콘크리트 패널용 보강철근과 긴장재를 배치하는 단계; 상기 하부 플랜지의 양단에 의해 형성되는 공간 내에 콘크리트를 타설하여 콘크리트 패널이 하부 플랜지와 일체로 제작되도록 하는 단계; 상기 긴장재의 일부를 긴장하여 1차 프리스트레스를 도입하는 단계; 및 지지부재에 의한 지지 상태를 해제하여 강재 빔이 양단부에서의 지지에 의해 단순보 형태로 지지되도록 하고, 나머지 긴장재를 긴장하여 2차 프리스트레스를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강합성 거더의 제작방법이 제공된다.
이러한 본 발명의 제작방법에서, 상기 지지부재에 의한 지지 상태 해제 단계 및 2차 프리스트레스 도입 단계는, 강합성 거더를 실제 가설 현장에 사용하기 전에 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 강합성 거더를 이루는 강재 빔의 하부 플랜지가 콘크리트 패널의 제작을 위해 콘크리트 타설용 거푸집이 되므로, 종래의 강합성 거더와 같이 콘크리트 패널용 별도의 거푸집을 조립 설치할 필요가 전혀 없다. 따라서 지반을 평평하게 고르는 작업, 거푸집을 조립하는 작업, 거푸집을 분해하는 작업 등과 같은 콘크리트 패널을 제작하기 위한 거푸집을 설치하는데 수반되는 여러 가지 번거로운 작업이 필요하지 않게 되며, 강재 빔의 하부 플랜지 매립을 위한 별도의 추가적인 무수축 콘크리트의 타설 작업이나, 콘크리트 패널에서의 신/구 콘크리트 일체화를 위한 추가조치를 하지 않게 될 뿐만 아니라, 신/구 콘크리트 접합으로 인한 구조적 취약성도 극복하게 되는 효과가 발휘된다.
특히, 강합성 거더를 교량 등과 같이 높은 위치에 설치하는 경우에도, 종래의 방법과 달리, 고공에서 거푸집을 조립, 설치하는 작업이 전혀 필요 없으므로, 강합성 거더의 제작 및 설치를 위한 작업이 용이하게 이루어질 수 있게 되어, 제작비용 및 제작기간을 종래 기술에 비하여 현저하게 감소시킬 수 있는 효과가 발휘된다.
지반을 평평하게 고르는 작업, 거푸집을 조립하는 작업, 거푸집을 분해하는 작업 등과 같은 콘크리트 패널을 제작하기 위한 거푸집을 설치하는데 수반되는 여러 가지 작업이 필요하지 않도록 하고, 강재 빔의 하부 플랜지 매립을 위한 별도의 추가적인 무수축 콘크리트의 타설 작업이나, 콘크리트 패널에서의 신/구 콘크리트 일체화를 위한 추가조치를 하지 않도록 함과 동시에 신/구 콘크리트 접합으로 인한 구조적 취약성을 극복할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에 의하면, 강합성 거더가 길이 방향으로 양단에서 지지될 때, 중앙부에서는 모멘트가 최대로 되고 양단으로 갈수록 줄어들게 되는 휨모멘트의 변화에 맞추어 웨브의 높이가 변화되므로, 강합성 거더의 길이 방향으로 각각의 위치에 맞는 최적의 단면 크기를 가지게 된다. 따라서 본 발명에서는 작은 휨모멘트가 작용하는 위치에서는 그에 맞게 강재 빔의 단면이 작아지게 되어, 필요한 것 이상으로 강재 빔의 단면이 과대해지는 것을 방지하게 되며, 그에 따라 불필요한 강재의 낭비 발생 및 비용 증가, 더 나아가 자중의 증가도 피할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
또한 본 발명의 제작방법에 의하면, 강합성 거더의 제작과정에서, 미리 강재 빔의 상현에는 인장응력이, 그리고 하현에는 압축응력이 각각 도입되며, 그에 따라 실제 자중 작용 상태 및 활하중 작용 상태에서 강재 빔의 상현에 작용하는 압축응력은 제작과정에서 강재 빔에 이미 도입되어 있던 인장응력과 상쇄되며, 하현에 작용하는 인장응력은 제작과정에서 강재 빔에 이미 도입되어 있던 압축응력과 상쇄되므로, 결국 활하중 상태에서 강재 빔에 작용하는 압축응력과 인장응력은 줄어들게 되며, 따라서 그 만큼 강재 빔의 단면 크기나 강성을 줄일 수 있게 되고, 그에 따라 비용을 줄일 수 있게 되어 경제성이 향상되는 효과가 발휘된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 거더의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 선 A-A에 따른 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 강합성 거더를 이루는 강재 빔(10)의 일 실시예에 대한 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3의 선 B-B에 따른 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 3의 선 C-C에 따른 개략적인 측단면도이다.
도 6은 전단연결재가 판부재로 이루어져 있는 실시예에 대한 도 4에 대응되는 단면도이다.
도 7은 웨브를 관통하여 봉형태의 연결재가 강재 빔에 배치된 본 발명의 또다른 실시예에 대한 도 4에 대응되는 단면도이다.
도 8 내지 도 13은 각각 본 발명에 따른 강합성 거더를 제작하는 단계를 순차적으로 보여주는 개략적인 측단면도((a)로 표시된 도면)와 화살표로 도시된 가상 절단선에 따른 개략적인 단면도((b)로 표시된 도면)이다.
도 14는 본 발명의 강합성 거더의 제작과정에서 강재 빔에 작용하는 휨모멘트에 대한 휨모멘트도이다.
도 15는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 강합성 거더에서 강재 빔에 철근이 배근된 상태를 보여주는 길이 방향의 단면도이다.
도 16은 도 15에 도시된 강합성 거더의 웨브 및 상부 플랜지가 콘크리트가 매립되어 교량의 상부구조물을 이루는 형태로 사용되는 예를 보여주는 길이 방향의 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 거더(1)의 개략적인 사시도가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1의 선 A-A에 따른 개략적인 단면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 예시된 것처럼, 본 발명에 따른 강합성 거더(1)는, 강재 빔(10)과 콘크리트 패널(20)이 일체로 합성되어 있는 구성을 가지는데, 상기 강재 빔(10)은 상부 플랜지(11)와 웨브(12), 그리고 하부 플랜지(13)로 이루어지며, 상기 하부 플랜지(13)는 콘크리트 패널(20)을 타설할 수 있는 거푸집으로서 기능하도록 구성되어 있고, 상기 하부 플랜지(13)에 의해 형성된 콘크리트 타설 공간 내에 콘크리트가 타설되어 상기 하부 플랜지(13)와 일체로 콘크리트 패널(20)이 형성되어 있다.
도 3에는 본 발명의 강합성 거더(1)를 이루는 강재 빔(10)의 일 실시예에 대한 개략적인 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 선 B-B에 따른 단면도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 3의 선 C-C에 따른 개략적인 측단면도가 도시되어 있다.
도 3 내지 도 5에 도시된 것처럼, 강재 빔(10)의 하부 플랜지(13)는 콘크리트 패널(20)을 형성하기 위한 거푸집으로서 기능할 수 있도록, 하부 플랜지(13)의 외측 양단은 상향으로 구부러진 후 다시 웨브(12) 방향으로 평평한 상태로 구부러져 종결된다. 즉, 하부 플랜지(13)의 중앙 부분은 평평한 판형태로 이루어져서 중앙 부분의 정 중앙에 웨브(12)의 하단이 수직하게 일체 결합되어 있지만, 하부 플랜지(13)의 외측 양단 즉, 상기 평평한 판의 양단은 위쪽을 향하도록 구부러지고, 그 구부러진 단부는 다시 웨브 방향으로 구부러져 평평한 위치에서 종결되는 형상을 가지는 것이다. 따라서 하부 플랜지(13)의 구부러진 양단에 의하여 웨브(12)를 사이에 두고 하부 플랜지(13)에 의해 빈 공간이 확보되며, 상기 빈 공간에 콘크리트가 타설되어 콘크리트 패널(20)이 제작된다. 즉, 하부 플랜지(13)는 강재 빔(10)의 구성요소이면서 동시에 콘크리트 패널(20)의 제작을 위한 콘크리트 타설용 거푸집이 되는 것이다. 특히, 하부 플랜지(13)의 양단을 절곡하는 형태로 만들게 되므로, 콘크리트 패널(20)의 측면이나 상면을 형성하기 위한 별도의 판을 용접할 필요가 없으며, 그 만큼 제작이 용이하며 신속하고 저렴하게 이루어질 수 있다. 더 나아가, 이와 같이 양단이 절곡되어 공간을 형성하는 하부 플랜지(13)는 내부에 채워져 형성되는 콘크리트 패널(20)을 구속하여 이탈을 방지함과 동시에 표면을 보호하게 되므로, 콘크리트 패널(20)의 구속에 의한 강성 증가는 물론이고 충격 등에 의해 콘크리트 패널(20)의 파손되는 것을 방지하는 효과를 발휘하게 된다. 본 발명에 있어서 하부 플랜지(13)의 양단을 절곡할 때 도면에 예시된 것처럼, 원호를 이루도록 곡선 형태로 절곡할 수도 있지만, 다각형 형태의 단면을 가지는 콘크리트 패널(20)을 형성할 수 있도록 하부 플랜지(13)의 양단이 각진 형태로 절곡될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 강합성 거더(1)에서는 강재 빔(10)의 하부 플랜지(13)가 콘크리트 패널(20)의 제작을 위해 콘크리트 타설용 거푸집이 되므로, 종래의 강합성 거더와 같이 콘크리트 패널(20)용 별도의 거푸집을 조립 설치할 필요가 전혀 없다. 따라서 강합성 거더를 교량 등과 같이 높은 위치에 설치하는 경우에도, 종래의 방법과 달리, 고공에서 거푸집을 조립, 설치하는 작업이 전혀 필요 없으므로, 강합성 거더의 제작 및 설치를 위한 작업이 용이하게 이루어질 수 있게 되어, 제작비용 및 제작기간을 종래 기술에 비하여 현저하게 감소시킬 수 있는 효과가 발휘된다.
특히, 하부 플랜지(13)의 외측 양단이 위쪽을 향하도록 구부러진 후, 다시 웨브 방향으로 구부러져 평평한 위치에서 종결되어, 콘크리트 패널(20)의 하면과 측면 그리고 상면의 일부 내지 전부가 하부 플랜지(13)에 의해 감싸진 형태가 되므로, 강재 빔(10)을 인양하였을 때, 강재 빔(10)이 콘크리트 패널(20)과 분리되는 현상이 절대로 발생하지 않게 된다. 또한, 콘크리트 패널(20)의 외면 대부분이 하부 플랜지(13)라는 강재에 의해 피복되는 형태이므로, 외부 충격 등으로 인하여 콘크리트 패널(20)의 콘크리트가 파손되는 것도 방지할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
한편, 위와 같이 하부 플랜지(13)가 거푸집으로서 기능하게 만들 때, 도면에 도시된 것처럼, 구부러진 하부 플랜지(13)의 외측 양단에서, 그 내면(웨브와 마주하게 되는 방향의 면)에는, 타설되는 콘크리트에 매립되는 전단연결재(130)가 돌출되어 일체로 구비될 수 있다. 상기 전단연결재(130)는 도 4에 도시된 것처럼, 스터드나 돌출철근 등으로 이루어질 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 6은 도 4에 대응되는 단면도인데, 전단연결재(130)가 판부재로 이루어져 있는 실시예에 대한 것이다. 즉, 도 6에 도시된 것처럼, 콘크리트가 통과하게 되는 관통 구멍(133)이 형성되어 있는 판부재의 형태로 전단연결재(130)가 구성되어 하부 플랜지(13)의 곡선진 외측 양단 내면에 구비될 수 있다. 이와 같이 하부 플랜지(13)의 구부러진 외측 양단 내면에 전단연결재(130)가 일체로 구비되고, 이러한 전단연결재(130)가 하부 플랜지(13)의 내부 공간에 타설되는 콘크리트 내에 매립됨으로써, 콘크리트 패널(20)과 하부 플랜지(13)가 서로 견고하게 전단연결되어 일체화된다.
한편, 도 7에는 또다른 실시예에 대한 도 4에 대응되는 단면도가 도시되어 있는데, 웨브(12)를 관통하여 봉형태의 연결재(131)가 배치되고, 연결재(131)의 양단이 하부 플랜지(13)의 곡선진 외측 양단 내면에 결합되도록 배치될 수 있다. 이러한 연결재(131)는 콘크리트가 타설될 때 타설 압력으로 인하여 하부 플랜지(13)의 마주하는 양단부가 벌어지거나 또는 프리스트레스 도입할 때나 사용하중이 재하될 때 하부 플랜지(13)의 마주하는 양단부가 벌어지는 것을 방지하는 기능을 수행함은 물론 콘크리트 패널(20) 내에 매립됨으로써 콘크리트 패널(20)과 하부 플랜지(13)의 일체 결합과, 콘크리트 패널(20) 자체의 강성을 보강하는 기능도 수행하게 된다. 이러한 연결재(131)는 앞서 설명한 전단연결재(130)의 설치와 병행하여 동시에 설치될 수 있다.
상기 하부 플랜지(13)의 곡선진 외측 양단에 의해 형성되는 내부 공간에 콘크리트가 타설될 때, 웨브(12)로 인하여 콘크리트가 완전히 분할되는 것을 방지하기 위하여, 도 5에 도시된 것처럼 콘크리트가 채워지는 높이 내에서 웨브(12)에 관통공(120)을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 웨브(12)에 관통공(120)이 형성되어 있게 되면, 상기 하부 플랜지(13)의 곡선진 외측 양단에 의해 형성되는 내부 공간에 콘크리트가 타설되었을 때, 굳지 않은 콘크리트가 웨브(12)에 의해 분할된 양측 공간 사이를 서로 소통하여 채워지게 되고, 이러한 구성에 의해 콘크리트 패널(20)과 강재 빔(10) 사이에 더욱 견고한 일체화가 이루어지게 되는 효과가 발휘된다.
한편, 본 발명에 있어서 상기 강재 빔(10)은 길이 방향으로 웨브(12)의 높이가 변화된 형상을 가지게 된다. 즉, 도 5에 도시된 것처럼, 강재 빔(10)은 길이 방향으로의 양단부에서 중앙부로 갈수록 웨브(12)의 높이가 증가되는 형상을 가지는 것이다. 물론 도면에 도시된 것처럼, 강재 빔(10)의 중앙부에서 소정 길이의 구간에서는 웨브(12)의 높이가 일정하고, 이와 같이 웨브(12)의 높이가 일정한 구간 즉, 일정 높이 구간의 양쪽 끝에서부터 강재 빔(10)의 각 단부까지는 웨브(12)의 높이가 점차로 줄어드는 형상을 가질 수 있다. 웨브(12)의 높이가 이와 같이 변화되고 그에 따라 상부 플랜지(11)가 위치하는 높이도 동일하게 변화되므로, 전체적으로 본 발명에 따른 강재 빔(10)은 측면 방향 즉, 횡방향에서 볼 때, 상부의 높이는 중앙부가 솟아있는 곡선 형태를 이루게 된다.
앞서 언급한 것처럼, 강합성 거더가 길이 방향으로 양단에서 지지될 때, 중앙부에서는 모멘트가 최대로 되고 양단으로 갈수록 줄어들게 된다. 본 발명에서는 이러한 휨모멘트의 변화에 맞추어 웨브(12)의 높이가 변화되므로, 강합성 거더의 길이 방향으로 각각의 위치에 맞는 최적의 단면 크기를 가지게 된다. 종래의 강합성 거더에서는 강재 빔의 단면크기 즉, 웨브의 높이가 전체 길이 방향으로 일정하였고 그에 따라 작은 휨모멘트가 작용하는 양단부에서는 강재 빔의 단면이 불필요하게 과대했으나, 본 발명에서는 위와 같이 작은 휨모멘트가 작용하는 위치에서는 그에 맞게 강재 빔의 단면이 작아지게 되어, 필요한 것 이상으로 강재 빔의 단면이 과대해지는 것을 방지하게 되며, 그에 따라 불필요한 강재의 낭비 발생 및 비용 증가, 더 나아가 자중의 증가도 피할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
다음에서는 이와 같은 구성의 본 발명에 따른 강합성 거더(1)를 효율적으로 그리고 신속하게 제작할 수 있는 본 발명에 따른 제작방법을 도 8 내지 도 13을 참조하여 상세히 설명한다. 도 8 내지 도 13의 각각에서 (a)는 측면도이고, (b)는 (a)에 화살표로 도시된 가상 절단선에 따른 개략적인 단면도이다. 특히, 도 8 내지 도 13의 각각에서 (a)에 도시된 도면은, 편의상 하부 플랜지(13)의 구부러진 일단부를 절단하여 웨브(12)가 전체적으로 다 보이도록 도시한 것이다.
본 발명에서는, 콘크리트 패널(20)의 제작을 위한 거푸집으로서 기능하는 하부 플랜지(13)를 가지는 강재 빔(10)은 큰 강성을 가지므로, 도 8에 도시된 것처럼, 강재 빔(10)의 지간 중간에서 복수개의 위치에 소정 높이의 지지부재(30)를 설치하고, 지지부재(30) 위에 강재 빔(10)을 올려놓는다. 이와 같이 강재 빔(10)의 양단은 지지되지 않고, 지간의 중간이 지지부재(30)에 의해 지지되므로, 강재 빔(10)의 자중에 의해 강재 빔(10)의 지간 중간에서는 상부 플랜지(11)를 포함한 강재 빔(10)의 상현에는 인장응력이 작용하고 하부 플랜지(13)를 포함한 강재 빔(10)의 하현에는 압축응력이 작용한 상태가 된다.
후속하여 도 9에 도시된 것처럼, 하부 플랜지(13)의 곡선진 외측 양단에 의해 형성되는 내부 공간에 필요한 보강철근(41)과, 긴장재 배치를 위한 쉬스관(43)을 설치한다. 보강철근(41)과 쉬스관(43)을 배치한 후에는 도 10에 도시된 것처럼, 보강철근(41)과 쉬스관(43)이 매립되도록 하부 플랜지(13)의 곡선진 외측 양단에 의해 형성되는 내부 공간에 콘크리트를 타설하여 콘크리트 패널(20)을 하부 플랜지(13)와 일체로 제작한다. 도 10의 (a)에서도 편의상 콘크리트 패널(20)이 보이는 상태로 측면도를 도시하였다.
본 발명에서는 강합성 거더(1)를 제작할 때 콘크리트 패널(20)에 긴장재를 배치하고 2차에 걸쳐 단계적으로 긴장함으로써 콘크리트 패널(20) 및 강재 빔(10)에 단계적으로 프리스트레스가 도입되도록 한다.
앞서 도 10에서 살펴본 형태로 콘크리트 패널(20)이 제작되면 도 11에 도시된 것처럼, 쉬스관(43)의 일부에 1차 긴장재(42)를 배치하고 1차 긴장재(42)를 긴장하고 정착하여 1차 프리스트레스를 도입한다. 1차 프리스트레스가 도입되면 콘크리트 패널(20)에 압축응력이 도입되어, 가설시 자중 및 활하중에 의해 콘크리트 패널(20)에 가해지는 인장응력에 저항하게 된다.
1차 프리스트레스가 도입된 상태에서, 지지부재(30)에 의한 지지 상태를 해제하여 도 12에 도시된 것처럼, 강재 빔(20)이 양단부에서 단부지지재(32)에 의해 단순보 형태로 지지되도록 하고, 이러한 양단에서의 단순보 지지 상태에서 도 13에 도시된 것처럼, 나머지 쉬스관(43)에 2차 긴장재(42)를 배치하고 2차 긴장재(42)를 긴장 정착함으로써 2차 프리스트레스가 도입되도록 한다.
이러한 지지부재(30)에 의한 지지 상태 해제 및 2차 프리스트레스 도입은, 강합성 거더(1)를 교량 등과 같은 실제 가설 현장에 사용하기 전(약 1주일 전)에 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 강합성 거더(1)의 실제 현장 설치 일정과 연계하여 2차 프리스트레스를 도입하는 것이다. 이와 같이 1차 프리스트레스 도입 후, 가설 전에 추가적인 2차 프리스트레스를 도입함으로써, 콘크리트 패널(20)에 발생하는 크리프 및 건조수축에 의한 1차 프리스트레스의 손실, 지지 상태에 변화에 따른 사하중과 활하중, 그리고 장기적인 응력 손실을 충분히 보상할 수 있게 된다. 위에서는 쉬스관(43)을 설치하고 긴장재(42)를 배치하는 것으로 설명하였으나, 쉬스관(43) 설치와 동시에 긴장재(42)를 배치할 수도 있다. 다만, 긴장재(42)는 미리 설치되더라도 위와 같이 단계적으로 긴장된다. 더 나아가 언본디드 텐던 등을 이용하는 경우, 쉬스관(43)의 설치 작업을 언본디드 텐던 설치 작업으로 대체할 수도 있다.
도 14에는 이와 같은 본 발명의 강합성 거더(1)의 제작과정에서 강재 빔(10)에 작용하는 휨모멘트도가 도시되어 있는데, 도 14의 (a)는 강재 빔(10)의 지간 중간에서 지간 길이(L)의 1/4 위치 및 3/4위치의 지점에 각각 지지부재(30)가 위치하여 내민 보 형태로 지지되고 콘크리트 패널(20)이 일체 제작되어 있으며 콘크리트 패널(20)에 1차 프리스트레스가 도입된 상태에서, 강재 빔(10)의 자중과 콘크리트 패널(20)의 자중이 등분포 하중의 형태로 작용하는 것을 보여주는 도면이고, 도 14의 (b)는 이러한 강재 빔(10)과 콘크리트 패널(20)의 자중에 의하여 강재 빔(10)에 발생하는 휨모멘트를 보여주는 휨모멘트도이며, 도 14의 (c)는 1차 긴장재(42)가 곡선 형태로 배치되어 콘크리트 패널(20)에 1차 프리스트레스가 도입됨으로써, 강재 빔(10)에 발생하는 휨모멘트를 보여주는 휨모멘트도이다.
본 발명에 따른 강합성 거더(1)를 제작할 때에는, 강재 빔(10)의 양단을 지지한 상태로 배치한 상태에서 콘크리트 패널(20)용 콘크리트를 타설할 수도 있지만, 도면에 예시된 것처럼, 강재 빔(10)의 지간 중간을 지지한 상태에서 콘크리트 패널(20)용 콘크리트를 타설할 수도 있다. 즉, 도면에 예시된 것처럼, 강재 빔(10)의 지간 중간에서, 지간 길이(L)의 1/4 위치 및 3/4위치의 지점에 각각 지지부재(30)가 위치하여 내민 보 형태로 지지되고 콘크리트 패널(20)이 일체 제작되어 있는 상태에서는 도 14의 (b)와 같은 부(-)모멘트(M0)가 강재 빔(10)에 작용하여 강재 빔(10)의 상현에는 인장응력이 발생하고 하현에는 압축응력이 발생한 상태가 된다. 이러한 상태에서 콘크리트 패널(20)에 1차 프리스트레스가 도입되면 도 14의 (c)와 같은 부(-)모멘트(M1)가 강재 빔(10)에 추가로 더 발생하게 되어 강재 빔(10)의 상현에 작용하는 인장응력과 하현에 작용하는 압축응력은 1차 프리스트레스의 도입에 의해 더 증가하게 된다.
도 14의 (d)는 도 13에서와 같이 강합성 거더(1)가 양단부에서 단부지지재(32)에 의해 단순보 형태로 지지되고 콘크리트 패널(20)에 2차 프리스트레스가 도입된 상태에서, 강재 빔(10)의 자중과 콘크리트 패널(20)의 자중이 등분포 하중의 형태로 작용하는 것을 보여주는 도면이고, 도 14의 (e)는 이러한 강재 빔(10)과 콘크리트 패널(20)의 자중에 의하여, 강재 빔(10)에 발생하는 휨모멘트를 보여주는 휨모멘트도이며, 도 14의 (f)는 2차 긴장재(42)가 곡선 형태로 배치되어 2차 프리스트레스가 도입됨으로써, 강재 빔(10)에 발생하는 휨모멘트를 보여주는 휨모멘트도이다. 참고로 도 13에서는 2차 긴장재(42)가 콘크리트 패널(20)의 양단까지 연장되지 않고 양단에 이르기 전에 종결되도록 배치되므로, 그에 맞추어 도 14의 (f)에서 2차 프리스트레스 도입에 의한 휨모멘트가 양단까지 연장되어 있지 아니하다.
2차 프리스트레스의 도입을 위하여, 강합성 거더(1)의 지지 형태를 도 13에 도시된 것처럼 양단부가 단부지지재(32)에 의해 단순보 형태로 지지되는 것으로 변경하게 되면, 도 14의 (d)와 같은 형태의 자중이 작용하게 되고, 그에 따라 도 14의 (e)와 같이 강재 빔(10)과 콘크리트 패널(20)의 자중에 의한 정(+)모멘트(M2)가 강재 빔(10)에 작용하게 되는데, 콘크리트 패널(20)에 2차 프리스트레스가 도입되면 강재 빔(10)은 도 14의 (f)와 같은 부(-)모멘트(M3)가 강재 빔(10)에 작용하게 된다. 교량 등에 강합성 거더(1)가 설치되어 차량 등의 통행에 의해 활하중이 작용하게 되면, 다시 도 14의 (e)와 같은 형태의 정(+)모멘트가 강재 빔(10)에 작용하게 된다. 이러한 정모멘트에 의해 강재 빔(10)의 상현에는 압축응력이 작용하고 하현에는 인장응력이 작용하게 되는데, 제작과정 중 앞서 도 14의 (a)에서와 같은 지지형태를 거치면서 미리 강재 빔(10)의 상현에는 인장응력이, 그리고 하현에는 압축응력이 각각 도입되어 있던 상태이므로, 도 14의 (d)와 같은 실제 자중 작용 상태 및 활하중 작용 상태에서 강재 빔(10)의 상현에 작용하는 압축응력은 제작과정에서 강재 빔에 이미 도입되어 있던 인장응력과 상쇄되며, 하현에 작용하는 인장응력은 제작과정에서 강재 빔에 이미 도입되어 있던 압축응력과 상쇄되므로, 결국 활하중 상태에서 강재 빔에 작용하는 압축응력과 인장응력은 줄어들게 된다. 즉, 강재 빔에 작용하는 단면력이 작아지는 것이다. 따라서 그 만큼 강재 빔의 단면 크기나 강성을 줄일 수 있게 되고, 그에 따라 비용을 줄일 수 있게 되어 경제성이 향상되는 효과가 발휘된다. 도 14에서는 본 발명의 강합성 거더(1)를 제작할 때, 강재 빔(10)의 지간 중간에서 지간 길이(L)의 1/4 위치 및 3/4위치의 지점에 각각 지지부재(30)가 위치하는 것으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것이며, 지지부재(30)의 위치는 필요에 따라 변경할 수 있으며, 지간 중간의 지지 형식도 변경할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 강합성 거더(1)는 웨브(12) 및 상부 플랜지(11)가 콘크리트가 매립되어 교량의 상부구조물을 이루는 형태로 사용될 수 있는데, 이를 위하여, 아래와 같이 콘크리트 패널(20)에 스터럽 형태의 보강철근이 배근될 수 있다. 도 15는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 강합성 거더(1)에서 강재 빔(10)에 보강철근이 배근된 상태를 보여주는 길이 방향의 단면도이다. 도 16은 도 15에 도시된 강합성 거더(1)의 웨브(12) 및 상부 플랜지(11)가 콘크리트가 매립되어 교량의 상부구조물을 이루는 형태로 사용되는 예를 보여주는 길이 방향의 단면도이다.
하부 플랜지(13)의 곡선진 외측 양단에 의해 형성되는 내부 공간에 필요한 스터럽 형태의 보강철근(41)과, 긴장재 배치를 위한 쉬스관(43)을 설치할 때, 도 15에 도시된 것처럼, 보강철근(41)을 웨브(12)와 나란하게 연장하여 배치할 수 있다. 이러한 상태에서 콘크리트가 타설되면 보강철근(41)의 상단부는 콘크리트 패널(20)의 외부로 돌출되어 웨브(12)와 나란한 형태로 위치하게 된다.
이와 같이 콘크리트 패널(20)에 매립되어 있는 보강철근(41)의 상단부가 콘크리트 패널(20)의 외부로 돌출되어 웨브(12)와 나란하게 배치되어 있는 구조의 강합성 거더(1)는 도 16에 도시된 것처럼, 웨브(12)와 상부 플랜지(11)가 콘크리트가 매립되어 교량의 상부구조물을 이루는 형태로 사용될 수 있다. 이 경우, 웨브(12)와 나란하게 배치된 보강철근(41)의 상단부는 웨브(12)의 외부에 타설되는 콘크리트에 매립되어 콘크리트와 일체화된다. 따라서 웨브(12)의 외부에 타설되는 콘크리트와, 이미 제작된 콘크리트 패널(20) 사이가 보강철근(41)에 의해 일체로 연결되는 효과가 발휘된다.
1 : 강합성 거더
10: 강재 빔
20: 콘크리트 패널

Claims (8)

  1. 강재 빔(10)이 콘크리트 패널(20)의 거푸집으로서 기능함과 동시에 콘크리트 패널(20)의 외면을 피복하여 보호하고 구속하도록, 상부 플랜지(11), 웨브(12), 및 하부 플랜지(13)로 이루어진 강재 빔(10)의 하부 플랜지(13)는, 그 외측 양단이 상향으로 구부러진 후 다시 웨브(12) 방향으로 평평한 상태로 구부러져 종결되는 형상을 가지고 있어, 구부러진 양단에 의하여 웨브(12)를 사이에 두고 콘크리트를 타설할 수 있는 공간이 형성되며;
    상기 하부 플랜지(13)의 양단에 의해 형성된 공간 내에 콘크리트 타설되어 콘크리트 패널(20)이 상기 하부 플랜지(13)와 일체로 형성됨으로써 콘크리트 패널(20)과 강재 빔(10)이 합성되어 있으며;
    상기 구부러진 하부 플랜지(13)의 외측 양단의 내면에는, 콘크리트가 통과하게 되는 관통 구멍(133)이 형성되어 있는 판부재의 형태로 제작되어 콘크리트에 매립되는 전단연결재(130)가 돌출되어 일체로 구비되어 있고;
    상기 웨브(12)에는 콘크리트가 채워지는 높이 내에서 굳지 않은 콘크리트가 웨브(12)의 양측으로 소통할 수 있게 하는 관통공(120)이 형성되어 있으며;
    하부 플랜지(13)의 마주하는 양단부가 벌어지는 것을 방지하고, 콘크리트 패널(20)과 하부 플랜지(13)의 일체 결합 및 콘크리트 패널(20) 자체의 강성을 보강하도록, 상기 웨브(12)를 관통하여 봉형태의 연결재(131)가 배치되고, 상기 연결재(131)의 양단이 하부 플랜지(13)의 외측 양단 내면에 결합되는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 강합성 거더
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강재 빔(10)은 길이 방향으로의 양단부에서 중앙부로 갈수록 웨브(12)의 높이가 증가되는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 콘크리트 패널(20)에는 긴장재(42)가 배치되어 있고, 상기 긴장재(42)는 단계적으로 긴장되어 강합성 거더에 프리스트레스가 가해지는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 콘크리트 패널(20) 내에는 보강철근(41)이 배근되는데, 상기 보강철근(41)의 상단부는 콘크리트 패널(20) 외부로 돌출되어 상기 웨브(12)와 나란하게 연장된 상태로 배치되는 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
  6. 삭제
  7. 상부 플랜지(11), 웨브(12), 및 하부 플랜지(13)로 이루어진 강재 빔(10)과, 콘크리트 패널(20)이 합성된 강합성 거더(1)의 제작방법으로서,
    상기 강재 빔(10)은, 콘크리트 패널(20)의 거푸집으로서 기능함과 동시에 콘크리트 패널(20)의 외면을 피복하여 보호하고 구속하도록, 상기 강재 빔(10)의 상기 하부 플랜지(13)는, 그 외측 양단이 상향으로 구부러진 후 다시 웨브(12) 방향으로 평평한 상태로 구부러져 종결되는 형상을 가지고 있어, 구부러진 양단에 의하여 웨브(12)를 사이에 두고 콘크리트를 타설할 수 있는 공간이 형성되어 있으며, 상기 구부러진 하부 플랜지(13)의 외측 양단의 내면에는, 콘크리트가 통과하게 되는 관통 구멍(133)이 형성되어 있는 판부재의 형태로 제작되어 콘크리트에 매립되는 전단연결재(130)가 돌출되어 일체로 구비되어 있고, 상기 웨브(12)에는 콘크리트가 채워지는 높이 내에서 굳지 않은 콘크리트가 웨브(12)의 양측으로 소통할 수 있게 하는 관통공(120)이 형성되어 있으며, 하부 플랜지(13)의 마주하는 양단부가 벌어지는 것을 방지하고 콘크리트 패널(20)과 하부 플랜지(13)의 일체 결합 및 콘크리트 패널(20) 자체의 강성을 보강하도록 상기 웨브(12)를 관통하여 봉형태의 연결재(131)가 배치되고, 상기 연결재(131)의 양단이 하부 플랜지(13)의 외측 양단 내면에 결합되는 구성을 가지고 있으며;
    상기 강재 빔(10)의 지간 중간에서 복수개의 위치에 높이를 가지는 지지부재(30)를 설치하고, 상기 지지부재(30) 위에 강재 빔(10)을 올려놓는 단계;
    상기 하부 플랜지(13)의 양단에 의해 형성된 공간 내에 콘크리트 패널(20)용 보강철근(41)과 긴장재(42)를 배치하는 단계;
    상기 하부 플랜지(13)의 양단에 의해 형성되는 공간 내에 콘크리트를 타설하여 콘크리트 패널(20)이 하부 플랜지(13)와 일체로 제작되도록 하는 단계;
    상기 긴장재(42)의 일부를 긴장하여 1차 프리스트레스를 도입하는 단계; 및
    지지부재(30)에 의한 지지 상태를 해제하여 강재 빔(20)이 양단부에서의 지지에 의해 단순보 형태로 지지되도록 하고, 나머지 긴장재(42)를 긴장하여 2차 프리스트레스를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강합성 거더의 제작방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지지부재(30)에 의한 지지 상태 해제 단계 및 2차 프리스트레스 도입 단계는, 강합성 거더(1)를 실제 가설 현장에 사용하기 전에 이루어지는 것을 특징으로 하는 강합성 거더의 제작방법.
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