KR101141685B1 - 프리스트레스 강관 구조재와, 이를 제작하는 방법 및 이를 이용한 프리스트레스 변단면 강관 거더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량의 거더 등 휨하중을 받는 수평부재에 관한 것으로서, 특히 중공형 강관에 프리스트레스를 도입함으로써 강성을 높이면서도 충분한 형하공간을 확보할 수 있는 프리스트레스 강관 구조재에 관한 것으로서, 중공형 강관 내면에 캠버를 형성한 프리스트레싱용 강재를 면접합시키되, 상기 프리스트레싱용 강재에 하중을 가하여 평편한 상태에서 면접합되도록 설치한 후 상기 하중을 제거함으로써 상기 중공형 강관에 프리스트레스가 도입되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

프리스트레스 강관 구조재와, 이를 제작하는 방법 및 이를 이용한 프리스트레스 변단면 강관 거더{structural frame of pre-stressed steel pipe and it's manufacturing methode and non-uniformly crosssectional pre-stressed steel pipe girder by using it}

본 발명은 교량의 거더 등 휨하중을 받는 수평부재에 관한 것으로서, 특히 중공형 강관에 프리스트레스를 도입함으로써 강성을 높이면서도 충분한 형하공간을 확보할 수 있는 프리스트레스 강관 구조재에 관한 것이다.

축하중에 대응하도록 처음 개발된 수직부재용 콘크리트 충전 강관구조재는 자중을 감소시키면서도 우수한 내력, 탁월한 변형능력, 소음 및 진동억제 효과 등의 탁월한 효과를 발휘할 뿐 아니라, 구조가 단순하면서도 외관이 콘크리트 구조재에 비하여 미려하다는 이유로 최근에는 교량의 거더 등 수평부재로 많이 사용되고 있다.

한편 강관을 교량의 거더 등 휨하중을 받는 수평부재로 사용되기 위해서는 그 강관이 충분한 휨강성을 가져야 하는데, 이를 위하여 단순히 강판의 두께를 두껍게 하거나 강관의 직경을 크게 하는 방법들이 통상적으로 이용되어 왔다. 그런데 이러한 방법들은 구조적으로 필요하지 아니한 부분까지도 두께나 직경의 크기를 과도하게 크게 하는 결과를 초래하여 재료의 낭비, 자중의 증가, 형하공간의 감소 등의 문제가 발생하게 된다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 강관에 프리스트레스를 도입하는 방안들이 제안되고 있다. 이러한 예로 2008. 12. 26. 출원된 출원번호 10-2008-0134057호의 '프리스트레스를 도입한 강관 거더 및 그 제조방법'이라는 명칭의 발명이 제안된 바 있다. 도 1에 도시된 상기의 선행기술은, 반원통형 강관(100)에 전단연결재(102)를 용접하고, 다수의 PS강재(103)를 길이방향으로 배치하며, 상기 반원통형 강관(100)의 양 측면에 형성된 원형강판(104)의 중심부에 강봉(105)을 거치하는 준비단계와; 외부에서 상기 강봉(105)을 잡아당겨 원형강판(104)을 통하여 상기 PS강재(103)를 긴장시키는 프리텐션 단계와; 상기 PS강재(103)를 긴장시킨 상태에서 상기 반원통형 강관(100)을 거푸집으로 이용하여 콘크리트를 타설하고, 상기 반원통형 강관에 나머지 반원통형 강관(100)을 용접하여 원통형 강관(101)을 형성시키고, 상기 원통형 강관(101)을 고정장치에 고정시킨 채 구동모터에 의해 원심성형으로 양생시켜 상기 원통형 강관 내부에 중공부를 갖는 콘크리트층을 형성시키는 단계와; 외부에서 가해진 힘을 풀어 원통형 강관과 콘크리트층에 압축력을 도입하는 프리스트레스 단계에 의하여 프리스트레스가 도입된 강관 거더를 제작하게 된다.

이와 같이 PS강재의 긴장력을 이용하여 콘크리트층에 압축응력을 도입함으로써 강관에 프리스트레스를 도입하는 선행기술의 방법은 비록 강관 전체에는 힘에 대한 강성이 다소 증대하기는 하나, PS강재의 긴장과 이완을 반복시켜야 하는 등 공정상의 번잡함을 초래할 뿐 아니라, 반드시 콘크리트를 타설함을 전제로 하고 있다는 점에서 활용의 범위가 제한될 수 있는 문제가 있다.

본 발명은 상기의 종래기술들이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 중공형 강관에 대한 프리스트레스의 도입을 보다 단순화시킴으로써, 강관 구조재의 제작이 용이하고, 휨에 대한 강성을 크게 증대시켜 장경간에의 적용이 가능하며 형하공간을 충분히 확보할 수 있는 프리스트레스 강관 구조재 및, 이의 제작방법과 이를 이용한 프리스트레스 변단면 강관 거더를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 따르면, 중공형 강관 내면에 캠버를 형성한 프리스트레싱용 강재를 면접합시키되, 상기 프리스트레싱용 강재에 하중을 가하여 평편한 상태에서 면접합되도록 설치한 후 상기 하중을 제거함으로써 상기 중공형 강관에 프리스트레스가 도입되도록 하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 프리스트레싱용 강재는 그 단면이 중공형 강관 단면의 내면과 동일한 곡률의 단면을 가지는 판상 또는

형상이거나, T자형인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 중공형 강관 내면과 프리스트레싱용 강재의 사이에 보강용 플레이트가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 중공형 강관의 내면에는 일정한 간격으로 다이어프램이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, a) 구조용 강재를 롤밴딩하여 중공형의 강관을 제작하는 단계와, b) 프리스트레싱용 강재를 고주파 밴딩으로 캠버를 형성시키는 단계와, c) 프리스트레싱용 강재에 하중을 가하여 평편한 상태에서 상기 중공형 강관의 내면에 면접합시키는 단계와, d) 상기 프리스트레싱용 강재에 가한 하중을 제거하여 중공형 강관에 프리트스레스를 도입하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재의 제작방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 프리스트레스 강관 구조재 하부에 변단면의 지지부를 형성시킨 것을 특징으로 하는 프리스트레스 변단면 강관 거더가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 변단면의 지지부는 다수의 수직 플레이트와, 상기 수직 플레이트의 하단부에 부착되는 수평 플레이트로 이루어지되, 상기 수평 플레이트의 폭은 적어도 상기 다수의 수직플레이트에 의해 형성되는 폭 이상인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 변단면 강관 거더가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 변단면의 지지부는 프리스트레스 강관 구조재의 중앙부에서 양단부로 갈수록 단면의 높이가 증가하는 아치형상인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 변단면 강관 거더가 제공된다.

본 발명은 프리스트레싱용 강재를 이용하여 강관 구조재에 상향력을 발생시키기 때문에 하중으로 인한 모멘트의 발생시 응력을 감소시키는 효과를 발휘한다. 또한, 본 발명은 인장력이 발생하는 구간에 대하여만 강관 내면에 보강용 플레이트를 사용하고 그 두께도 조절할 수 있기 때문에 형하고를 증가시키지 않고서도 강관 구조재의 강성을 증가시킬 수 있다. 아울러, 강관 구조재의 지지부가 아치형상의 변단면으로 이루어져 있어 수직하중의 일부를 축하중으로 지지하게 되므로 구조적으로 유리할 뿐 아니라, 부모멘트가 작용하는 지점부에서의 강성이 크게 증대되고, 외관이 미려하게 형성된다는 효과가 발휘된다.

도 1은 종래 기술에서 강관 거더에 프리스트레스를 도입하는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 보강용 플레이트를 부착한 본 발명의 프리스트레스 강관 구조재에 대한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 프리스트레싱용 강재에 캠버를 준 상태의 일 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 프리스트레스를 도입하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 중 보강용 플레이트와 T자형 프리스트레싱용 강재를 함께 설치한 프리스트레스 강관 구조재의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 프리스트레스 강관 구조재를 이용한 프리스트레스 변단면 강관 거더의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 프리스트레스 강관 구조재를 이용한 프리스트레스 변단면 강관 거더의 지점부와 중앙부에 대한 단면도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명을 설명함에 있어 공지의 구성을 구체적으로 설명함으로 인하여 본 발명의 기술적 사상을 흐리게 하거나 불명료하게 하는 경우에는 위 공지의 구성에 관하여는 그 설명을 생략하기로 한다.

본 발명의 프리스트레스 강관 구조재는 중공형의 강관 내면에 캠버를 형성한 프리스트레싱용 강재를 면접합시키되, 상기 프리스트레싱용 강재에 하중을 가하여 평편한 상태로 형성시킨 상태에서 면접합되도록 한 후, 상기 하중을 제거함으로써 상기 중공형의 강관에 프리스트레스가 도입되는 것을 특징으로 하고 있다.

강관 구조재의 몸통을 형성하는 중공형 강관(10)은 구조용 강재를 롤밴딩하여 제작한다. 상기 구조용 강재는 용접성이 좋은 SM490의 두께 12mm의 것을 사용하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 국한시킬 필요는 없다.

상기 롤 밴딩에 의해 형성된 중공형 강관의 내면에는 강관과 동일한 재질의 보강용 플레이트(20)를 덧댈 수 있다. 보강용 플레이트(20)는 중공형 강관(10) 단면의 내면에 접하도록 동일한 곡률을 가진다. 보강용 플레이트(20)는 재료의 절감 및 자중의 감소를 위하여 중공형 강관(10)의 인장응력이 발생하는 부위에 대하여만 설치하는 것이 바람직하다. 또한 보강용 플레이트(20)의 두께 역시 설치되는 부위에 대한 응력의 크기에 따라 조절하여 설치될 수 있음은 물론이다. 보강용 플레이트(20) 폭은 중공형 강관(10)의 내단면 원주의 1/4(원주각 90°)의 폭으로 하는 것이 바람직하다.

상기 보강용 플레이트(20)는 그 외주면을 중공형 강관(10)의 내면에 용접함과 아울러 내측에도 다수의 용접용 슬롯을 형성시키고 이를 통해 중공형 강관(10)의 내면과 용접함으로써 강관 구조재에 작용하는 하중에 대하여 중공형 강관(10)과 함께 일체로 거동할 수 있도록 한다. 도 2는 보강용 플레이트(20)가 부착된 중공형 강관(10)을 도시하고 있다.

이와 같이 설치 위치 및 두께가 조절되어 설치되는 보강용 플레이트(20)는 형하고를 증가시키지 않고서도 경제적인 단면만으로 강관 구조재의 강성을 효율적으로 증대시킬 수 있는 장점을 부여한다.

또 상기 보강용 플레이트(20)와는 별도로, 중공형 강관(10)의 내면에는 일정한 간격으로 다이어프램(미도시)을 더 설치할 수 있다. 상기 다이어프램은 보강용 플레이트(20)의 전단강도를 향상시켜 휨하중에 의한 좌굴을 방지한다.

상기 롤 밴딩에 의해 형성된 중공형 강관(10)의 내면에는 강관보다 강성이 큰 재질의 프리스트레싱용 강재(30)가 설치된다. 예컨대 중공형 강관을 SM490으로 제작하는 경우 프리스트레싱용 강재는 SM570으로 제작할 수 있다. 이는 후술하게 되는 프리스트레싱용 강재(30)의 복원력에 의해 중공형 강관(10)의 내부에 상향력이 발생될 수 있도록 하기 위한 것이다.

도 3은 프리스트레싱용 강재에 캠버를 준 일 실시예를 도시하고 있다. 프리스트레싱용 강재(30)는 상기 도 3에서와 같이, 이를 T자형으로 형성시킬 수 있다. 이 경우 T자형 프리스트레싱용 강재(30)는 필요에 따라 충진될 수 있는 콘크리트에 대한 전단연결재의 역할을 겸하게 할 수 있다. 그러나 상기 프리스트레싱용 강재(30)는 상기 T자형상에 국한되지 않는다. 예컨대 보강용 플레이트(20)와 동일한 형상인 판상으로도 가능하고, 판상부재의 양 단부를 수직으로 절곡한

형상으로 형성시킴으로써 T자형과 마찬가지로 전단연결재의 기능을 더 부가시킬 수 있다.

상기 프리스트레싱용 강재(30)는 그 형상에 따라 중공형 강관(10)의 내면에 직접 접하도록 설치할 수도 있고, 앞에서 설명한 중공형 강관(10)의 내면에 보강용 플레이트(20)를 덧댄 면에 설치할 수도 있다. 예컨대, 프리스트레싱용 강재(30)를 판상의 부재로 하는 경우에는 보강용 플레이트(20)를 설치하지 않고 중공형 강관(10)의 내면에 직접 설치할 수 있으며, 프리스트레싱용 강재(30)의 단면 형상이 T자형인 경우에는 이를 보강용 플레이트(20)를 매개로 하여 중공형 강관(10)의 내면에 설치할 수도 있을 것이다. 도 5는 보강용 플레이트(20)와 T자형 프리스트레싱용 강재(30)를 함께 설치한 프리스트레스 강관 구조재를 나타내고 있다. 프리스트레싱용 강재(30)가 판상인 경우에는 그 단면은 중공형 강관(10)의 단면과 동일한 곡률을 가져야 한다.

도 4는 중공형 강관(10)에 프리스트레스를 도입하는 과정에 관하여 개념적으로 나타내고 있다.

먼저, 프리스트레싱용 강재(30)는 중공형 강관(10)의 내면에 부착시키기 전에 미리 캠버(솟음)를 형성시킨다(a). 프리스트레싱용 강재(30)에 캠버를 형성시키는 방법으로는 고주파 밴딩을 이용하는 것이 바람직 하나, 반드시 이에 국한될 필요는 없다. 예컨데 상부와 하부의 길이가 다르게 절단된 강재들을 용접함으로서 캠버를 형성시킬 수도 있을 것이다. 이와 같이 캠버가 형성된 프리스트레싱용 강재(30)는 중공형 강관(10)의 내면에 삽입된다(b).

상기 프리스트레싱용 강재(30)는 상부에서 하중이 가해져 길이방향으로 평탄해진 상태에서 중공형 강관(10)의 내면에 용접되어 면접합 설치된다(c). 다만 프리스트레싱용 강재(30)가 판상의 것인 경우에는 상기 판상의 프리스트레싱용 강재(30)와 중공형 강관(10)을 볼트로 체결할 수도 있다. 이 경우 상기 판상의 프리스트레싱용 강재(30)와 중공형 강관(10) 모두에 볼트공을 형성시켜 체결시킬 수도 있으나, 프리스트레싱용 강재(30)의 단면 결손을 없애기 위하여 나사산이 형성된 체결봉을 프리스트레싱용 강재(30)의 하면에 미리 용접으로 설치해 놓을 수도 있을 것이다.

이와 같이 프리스트레싱용 강재(30)가 중공형 강관(10)에 면접합 설치된 상태에서 상기 프리스트레싱용 강재에 가해진 하중을 제거하면, 프리스트레싱용 강재는 원래의 상태(캠버가 형성된 상태)로 복원하려 할 것이고, 상기 프리스트레싱용 강재(30)보다 강성이 낮은 중공형 강관(10)에는 프리스트레싱용 강재의 복원력에 의해 상향력이 발생하게 되어, 향후 상부 하중에 의해 발생되는 모멘트에 대한 응력의 감소효과를 발휘하게 된다(d). 이와 더불어 프리스트레싱용 강재(30)의 부가로 인하여 단면 2차 모멘트가 증가하게 되므로, 강관 구조재의 휨강성은 더 한층 증가하게 된다.

이러한 프리스트레싱용 강재(30)를 이용하여 강관 구조재에 프리스트레스를 도입하는 것은 인장력이 발생되는 부위에 대하여는 모두 적용되므로, 단경간의 경우에는 거더의 중앙부를 중심으로 프리스트레싱용 강재(30)가 설치되고, 연속교의 경우에는 정모멘트가 발생되는 중앙부에는 강관 구조재의 하면에, 부모멘트가 발생되는 지점부에 대하여 강관 구조재의 상면에 설치되어야 할 것이다.

도 6은 본 발명의 프리스트레스 강관 구조재를 이용한 거더의 전체적인 형상을 도시하고 있다. 본 발명의 거더는 상기의 프리스트레스 강관 구조재 하부에 변단면의 지지부(40)를 형성시키는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 변단면의 지지부(40)는 다수의 수직 플레이트(41)와 상기 수직 플레이트 하부에 부착되는 수평 플레이트(42)로 이루어지는데, 이는 지점부의 전단강도를 향상시키기 위한 목적으로 형성된다. 따라서 상기 변단면의 형상은 프리스트레스 강관 구조재의 중앙부에서 양단의 지점부로 향할수록 단면의 높이가 증가하는 아치 형태로 이루어진다. 도 7은 거더의 지점과 중앙에서의 본 발명 프리스트레스 변단면 강관 거더의 단면을 동시에 나타낸 도면이다. 부연 설명하면 도 7의 왼쪽 부분은 지점부의 것을, 오른쪽 부분은 중앙부의 것을 각 도시하고 있다.

상기와 같은 아치형상의 변단면은 외관을 미려하게 할 뿐 아니라, 수직하중의 일부를 지점부의 축하중으로 분산시키는 효과와 거더 중앙부의 형하공간을 크게 하고 자재를 절약할 수 있는 효과를 부여한다.

또한 변단면 지지부의 상기 수평 플레이트(42)는 그 폭을 적어도 수직 플레이트(41)들로 형성되는 단면 폭 이상이 되도록 함으로써, 프리스트레스 변단면 강관 거더를 교각에 거치시킬 때 작업의 부주의로 인해 프리스트레스 변단면 강관 거더가 쉽게 전도되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 본 발명의 프리스트레스 강관 구조재 및 이를 이용한 프리스트레스 변단면 강관 거더는 프리스트레스 도입이 용이하고, 제작이 단순하면서도 강성이 크게 증가되어 100m 이상의 장경간에도 적용할 수 있어 경제적인 교량형식이라고 할 수 있을 것이며, 이러한 실시 예는 가장 바람직한 예를 기준으로 한 것이므로, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이를 다양하게 변형하여 실시할 수 있을 것임은 자명한 것이다. 따라서 그러한 변형 예들은 청구범위에 기재된 바에 의해 본 발명의 권리범위에 속한다고 할 것이다.

10: 중공형 강관 20: 보강용 플레이트
30: 프리스트레싱용 강재 40: 변단면의 지지부
41: 수직 플레이트 42: 수평 플레이트

Claims (14)

1. 중공형 강관(10) 내면에 캠버를 형성한 프리스트레싱용 강재(30)를 면접합시키되, 상기 프리스트레싱용 강재(30)는 상기 중공형 강관(10)보다 강성이 큰 재질로 이루어지고, 상기 프리스트레싱용 강재(30)에 하중을 가하여 평편한 상태에서 면접합되도록 설치한 후 상기 하중을 제거함으로써 상기 중공형 강관(10)과 프리스트레싱용 강재(30) 간의 강성의 차이에 의해 상기 중공형 강관(10)에 프리스트레스가 도입되도록 하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재
2. 제1항에 있어서, 상기 프리스트레싱용 강재(30)는 그 단면이 T자형인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재
3. 제1항에 있어서, 상기 프리스트레싱용 강재(30)는 그 단면이 중공형 강관(10) 단면의 내면과 동일한 곡률의 단면을 가지면서 양 단부가 수직으로 절곡한

   

   형상인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재
4. 제1항에 있어서, 상기 프리스트레싱용 강재(30)는 그 단면이 중공형 강관(10) 단면의 내면과 동일한 곡률의 단면을 가지는 판상인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재
5. 제2항에 있어서, 중공형 강관(10) 내면과 프리스트레싱용 강재(30)의 사이에는 보강용 플레이트(20)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재
6. 제1항에 있어서, 상기 중공형 강관(10)의 내면에는 일정한 간격으로 다이어프램이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재
7. 강관 구조재를 제작하는 방법에 있어서,
   a) 구조용 강재를 롤밴딩하여 중공형 강관(10)을 제작하는 단계와,
   b) 프리스트레싱용 강재(30)를 고주파 밴딩으로 캠버를 형성시키는 단계와,
   c) 프리스트레싱용 강재(30)에 하중을 가하여 평편한 상태에서 상기 중공형 강관(10)의 내면에 면접합시키는 단계와,
   d) 상기 프리스트레싱용 강재(30)에 가한 하중을 제거하여 중공형 강관(10)에 프리트스레스를 도입하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재의 제작방법
8. 제7항에 있어서, 상기 프리스트레싱용 강재(30)는 그 단면이 T자형인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재의 제작방법
9. 제7항에 있어서, 상기 프리스트레싱용 강재(30)는 그 단면이 중공형 강관(10) 단면의 내면과 동일한 곡률의 단면을 가지면서 양 단부가 수직으로 절곡한

   

   형상인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재의 제작방법
10. 제7항에 있어서, 상기 프리스트레싱용 강재(30)는 그 단면이 중공형 강관(10) 단면의 내면과 동일한 곡률의 단면을 가지는 판상인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재의 제작방법
11. 제8항에 있어서, 상기 c)단계의 프리스트레싱용 강재(30)를 중공형 강관(10)의 내면에 면접합시키기 전에 미리 보강용 플레이트(20)를 상기 중공형 강관(10)의 내면에 부착시키는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강관 구조재의 제작방법
12. 교량용 거더에 있어서, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 프리스트레스 강관 구조재 하부에 변단면의 지지부(40)를 형성시킨 것을 특징으로 하는 프리스트레스 변단면 강관 거더
13. 제12항에 있어서, 상기 변단면의 지지부(40)는 다수의 수직 플레이트(41)와, 상기 수직 플레이트의 하단부에 부착되는 수평 플레이트(42)로 이루어지되, 상기 수평 플레이트(42)의 폭은 적어도 상기 다수의 수직플레이트(41)에 의해 형성되는 폭 이상인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 변단면 강관 거더
14. 제12항에 있어서, 상기 변단면의 지지부(40)는 프리스트레스 강관 구조재의 중앙부에서 양단부로 갈수록 단면의 높이가 증가하는 아치형상인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 변단면 강관 거더

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