KR101179685B1 - 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브 모듈의 제조방법에 관한 것으로서, 중공부 중앙을 수직 분할하고 조립화한 슬래브 모듈의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 강합성 콘크리트 슬래브 모듈의 제조방법은 중공 슬래브를 형성하기 위한 강합성 콘크리트 슬래브 모듈을 제조하는 방법으로서, 각각의 강합성 콘크리트 슬래브 모듈을 제조하기 위한 I형강을 준비하는 단계; 상기 I형강을 양끝에서 받쳐놓고 상부의 소정위치에 프리플렉션 하중(P_f1)을 가한 상태에서 상기 I형강의 하부플랜지 둘레에 콘크리트를 타설, 양생하되, 양쪽에 오목부를 형성하면서 하부에 콘크리트를 타설, 양생하는 단계; 상기 프리플렉션 하중(P_f1)을 제거하는 단계; 및 상기 I형강의 상부플랜지 둘레에 콘크리트를 타설, 양생하되, 양쪽에 오목부를 형성하면서 상부에 콘크리트를 타설, 양생하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

Description

강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브를 제조하는 방법{Method for Making Prestressed Steel Composite Concrete Hollow Slab}

본 발명은 교량이나 육교, 고가의 상부 구조물에 사용되는 강합성 콘크리트 프리스트레스트 조립식 중공 슬래브를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 중공부 중앙을 수직 분할하여 조립식으로 할 수 있고, 상판 구조물에서 별도의 하부 거더를 생략할 수 있어서 구조물의 두께를 줄일 수 있는 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브를 제작하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 교량이나 육교, 고가교나 교차로에는 상부에 작용하는 하중을 지탱하는, 강구조 또는 강재와 콘크리트의 합성빔으로 형성된 I자 형태의 거더와 그 위에 배치된 상판 구조물로 흔히 이루어지고 있다.

일반적인 강합성 교량에서 거더와 상판은 강재와 철근 콘크리트로 구성되어 있는데, I형 철근 콘크리트 거더 또는 강재로 된 I형 거더는 철근 콘크리트 상판을 지지하고, 거더 양단의 교각은 I형 거더를 지지하여 상부구조를 형성하는 구조로 되어 있다.

즉, 도 1에 개념적으로 도시된 바와 같이, 교량의 경우 교각(1) 상부에서 교각(1)과 교각 사이에 걸쳐진 철근 콘크리트나 강재로 된 거더(girder, 2)가 놓이고, 이 거더 위에 콘크리트로 된 상판(3)이 형성되고, 이 상판(3) 위에 노면이 형성된다.

그런데, 이러한 강거더나 콘크리트 거더와 콘크리트 상판으로 이루어진 종래의 구조는 거더와 상판의 전체 높이(depth)가 커지므로 교량 및 유효공간이 작아 아래에 차량이 지나다니는 육교나 고가, 그리고 배가 밑으로 지나가거나, 하천과 교량 사이의 유효공간이 크지 않은 경우의 교량에는 유효공간을 확보하고자 교량의 길이가 길어지게 되어 비경제적인 구조물이 된다.

종래의 현장 타설 공법은 원형 또는 사각형 모양의 폐쇄형 중공부를 가진 중공 슬래브가 대부분이며, 일부는 원형 또는 사각형 모양의 중공부와 중공부 사이를 수직분할한 상자모양의 단면을 프리캐스트(precast)화 하여 병렬 연결한 중공 슬래브 공법이다. 본 발명은 이러한 중공 슬래브를 역학적으로 강성을 증대시키고 그리고 시공상으로 경제적이고 합리적인 방법으로 조립하기 위하여 텐던을 장착한 I형강을 중공부 사이에 설치하고, 중공형태를 원형 또는 사각형, 기타 다각형 형태로 하여 중공부의 중앙부분을 수직분할 블록화하고, 이러한 블록들을 프리캐스트 제작하여 제품화한 후, 현장에서 다시 조립하여 본래의 강합성 콘크리트 중공 슬래브로 형성하는 것이다.

본 발명에 따른 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브를 이용하여 조립되는 프리캐스트 프리스트레스 슬래브는 조립식 교량의 상부구조체를 시공할 때 현장 콘크리트 타설이 전혀 필요하지 않아, 교량 등의 공사기간이 실질적으로 단축되며 교량의 상부 구조체의 시공품질을 설계자가 의도하는 대로 정확하게 관리 할 수 있다는 장점이 있고, 자연재해로 인하여 교량의 상부구조체가 유실된 경우 신속하고 간단하게 교량의 상판 슬래브를 복구할 수 있으며, 교통소통이 많은 지역 또는 유량이 많은 지역의 교량 가설이나 보수공사 시에 매우 유용하다는 장점이 있다. 나아가, 본 발명에 따른 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브 부재는, 슬래브 중량을 감소시키고 단면의 두께를 얇게 할 수 있으면서 매우 큰 강성을 갖는 중공형 슬래브가 가지는 장점을 충분히 활용하면서도, 중공부 단면 주위로 콘크리트 양생시 후프텐션(hoop tension)에 의해 균열이 발생하는 종래의 폐쇄형 중공 슬래브가 가지는 문제점을 해결하는 큰 효과가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 별도의 거더를 생략하면서 거더와 상판을 일체화하여 강합성 콘크리트 중공 슬래브화하고, 중공 슬래브를 수직으로 분할하여 제조한 다음 작업현장에서 조립하여 구조물을 완성할 수 있도록 하고, 분할된 슬래브에 I형강 빔이 포함되도록 함과 아울러 강재와 콘크리트의 합성구조로 일체화하여, 현장 작업의 간편성을 추구하면서 큰 강성을 가지면서 슬래브의 높이를 현저히 줄일 수 있는 강합성 콘크리트 중공 슬래브 시공법 및 이에 따라 제작된 강합성 콘크리트 중공 슬래브를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 강합성 콘크리트 슬래브 모듈의 제조방법은 중공 슬래브를 형성하기 위한 슬래브 모듈을 제조하는 방법으로서, 각각의 슬래브 모듈을 제조하기 위한 I형강을 준비하는 단계; 상기 I형강을 양끝에서 받쳐놓고 상부의 소정위치에 프리플렉션 하중(P_f1)을 가한 상태에서 상기 I형강의 하부플랜지 둘레에 콘크리트를 타설, 양생하되, 양쪽에 오목부를 형성하면서 오목부 하부에 콘크리트를 타설, 양생하는 단계; 상기 프리플렉션 하중(P_f1)을 제거하는 단계; 및 상기 I형강의 복부판 상부와 상부플랜지 둘레에 콘크리트를 타설, 양생하되, 양쪽에 오목부를 형성하면서 상부에 콘크리트를 타설, 양생하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면, 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브를 사용함으로써 현장에서의 실질 공사기간을 단축시킬 수 있고 품질을 향상시킬 수 있으며, 구조물의 단면 높이를 현저히 줄일 수 있으며, 거더를 강합성 콘크리트 일체형으로 보강하고 프리스트레스공법을 도입하여 구조물의 저항모멘트를 현저히 증가시킬 수 있는 장점을 갖게 된다. 또한 제조과정을 조립식 구조형식으로 변환함으로써 경제적이고 내구성이 우수한 구조물을 제조할 수 있고, 구조형식을 표준화할 경우 공사기간은 물론 경제성있는 구조물을 제조할 수 있는 장점을 가지고 있다. 특히 중공 슬래브의 높이를 현저히 줄임으로써 하부의 유효공간을 확보할 수 있어서 고가교나 육교 등의 도시교량에 널리 사용될 수 있는 장점을 가지고 있다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다.

도 2a에 보인 것은 본 발명에 따른 조립식 강합성 콘크리트 중공 슬래브를 위한 분할 슬래브 모듈에 사용되는 I형강의 개념적인 정면도 및 측면도이다. I형강(20)의 하부 플랜지에는 긴장재로서 텐던(23)을 설치할 수 있는 쉬스 파이프(22, sheath pipe)를 구비할 수 있다. 텐던(23)과 쉬스 파이프(22)는 I형강(20)의 하부 프랜지 아래쪽에도 선택적으로 구비될 수 있는데, I형강(20)의 양쪽 단부에 텐던 앵커보강부(24)를 구비하여 텐던(23)을 고정할 수 있다. 편의상 모든 텐던(23)에 도면부호를 표시하지는 않았다. 텐던 앵커보강부(24)는 사각형 형태로 도시하였으나 임의의 형상으로 보강하는 것도 가능하다. 또한 I형강(20)의 정면도에서 하부 플랜지 아래에 텐던 앵커보강부(24) 사이에 텐던(23)이 들어있는 쉬스 파이프(22)가 이어지나 도면에 도시되지는 않았다.

이러한 I형강(20)은 압연 또는 용접에 의해 소정의 캠버를 갖도록 위로 만곡지게 형성할 수도 있으며, 잔류응력을 제거하여 영구변형으로 유도하기 위해 소정의 프리플렉션 하중을 미리 가하는 과정을 미리 거치는 것도 바람직하다.

한편 I형강(20)의 상하부 플랜지에 필요에 따라 선택적으로 보강용 커버 플레이트(25)를 설치하는 것도 가능하다.

도 2b에 보인 바와 같이, 준비된 I형강(20)을 단순 지지한 상태에서, 소정의 캠버(δ₀)만큼 변형되도록 프리플렉션 하중(P_f1)을 가하고, 이런 상태에서 I형강(20)의 하부 플랜지 지지점에 형성된 텐던 앵커보강부(24)와 I형강 전장에 걸쳐 설치된 쉬스 파이프(22) 및 I형강(20) 하부 플랜지 주위에 거푸집(26)을 형성하여 하부에만 콘크리트를 주입한다. 거푸집(26)은 조립되어 완성된 슬래브에서 중공부가 원형으로 형성되도록 양측 상부를 원호형으로 하는 것이 바람직하고, 중공부를 다각형으로 형성하기 위하여 거푸집(26)의 상부를 직선 또는 부분 다각형으로 하는 것도 가능하다. 조립되었을 때 슬래브의 중공부를 형성하게 될 오목부를 위한 거푸집 부분은 반원형태나 원통형관을 사용하는 것도 가능하다. 원통형관을 사용하는 경우 2 이상의 분할 슬래브 모듈을 연속시켜 놓고 성형할 수 있는 장점이 있다.

콘크리트가 양생된 후 상기 프리플렉션 하중(P_f1)을 제거한다. 상기 쉬스파이프(22)에 삽입되어 있는 텐던에 필요한 긴장력은, 상기 프리플렉션하중(P_f1)에 의한 저항모멘트와 텐던에 가하는 프리플렉션 하중(P_f2)에 의한 저항모멘트의 합이, 요구되는 설계최대휨모멘트보다 10 ~ 20% 이상인 저항모멘트값이 되도록 긴장력인 제2차 프리플렉션 하중(P_f2)의 크기를 설정하여야 한다.

한편 상기 프리플렉션 하중(P_f1)을 가하는 방법으로서, 크기가 다른 하중을 I형강의 소정부위에 순차적으로 각각 가하거나 동시에 가하면서 형강의 내부잔류응력을 영구변형으로 유도하도록 하는 것도 가능하다.

I형강(20)의 단면의 결정에 있어서, 프리플렉션 하중(P_f1)에 의하여 발생한 휨모멘트값이 강재와 콘크리트 슬래브의 하중에 의하여 발생한 휨모멘트값보다 크고, I형강의 단면에 발생하는 최대휨응력이 강재의 비례한도의 응력과 같든지 보다 작은 값이 되도록 I형강의 단면을 결정하여야 한다.

도 2c는 I형강(20)의 하부 플랜지 둘레에만 콘크리트(28)가 타설되어 양생된 상태를 나타낸다. I형강(20)이 프리플렉션 하중(P_f1)이 걸린 상태에서 콘크리트(28)가 타설되었고, 콘크리트(28)가 양생된 후 프리플렉션 하중(P_f1)이 제거되었기 때문에, I형강(20)에는 프리스트레스트 상태가 이루어지게 되며 제1차 저항모멘트를 갖게 된다.

도 2d는 분할 슬래브 모듈을 형성하기 위해, 도 2c 단계에서 I형강(20)의 하부 플랜지 둘레에 콘크리트를 타설 양생한 후에, I형강(20)의 상부 플랜지 주위에 거푸집(26b)을 설치한 상태를 나타낸다. 이 거푸집(26b) 안에 콘크리트를 타설하여 양생함으로써 중공 슬래브를 위한 분할 슬래브 모듈을 완성하게 된다. 이 거푸집(26b)은 앞에서 설명한 도 2b에서의 거푸집(26)과 대칭되는 형상으로 이루어진 다. 마찬가지로 거푸집(26b)의 오목부는 원호형이나 직선형 또는 부분 다각형으로 하는 것이 가능하다.

도 2e는 콘크리트의 타설 및 양생이 끝난 분할 슬래브 모듈(30)을 나타낸다. 이러한 슬래브 모듈(30)을 연속하여 배치하면 조립식 중공 슬래브를 형성할 수 있게 된다. 즉, 분할 슬래브 모듈(30)을 연속으로 배치하면, 하나의 분할 슬래브 모듈(30)의 오목부(32)가 인접하게 되는 슬래브 모듈의 오목부와 함께 중공부를 형성하게 된다.

도 2f는 현장에서 분할 제조된 슬래브를 조립하여 완성된 슬래브 모듈(30)에서 텐던(34)에 제2차로 플리플렉션 하중(P_f2)을 중심에서 소정의 거리(e)만큼 편심된 상태에서 작용시키는 상황을 나타낸다. 즉 텐던(23)의 양쪽에서 잡아당겨 슬래브 모듈(30)의 양쪽 끝에 고정설치되는 앵커로 고정시킨다. 텐던(23)은 I형강(20)의 하부 플랜지의 위쪽 또는 아래쪽에 필요에 따라 선택적으로 설치할 수 있다.

텐던(23)에, 설계최대 휨저항모멘트에서 제1차 플리플렉션에 의한 저항모멘트값을 뺀 값보다 10 - 20% 큰 저항모멘트값이 되도록 프리플렉션 하중(P_f2)을 작용시켜야 한다.

즉, 도 3에 보인 바와 같이, 슬래브 모듈에 작용하는 모멘트를 정리하면 다음과 같다.

Mmax = Md1 + Md2 + M_{l +i}

이를 풀어 쓰면, 최대 휨모멘트(Mmax)는 I형강과 슬래브 콘크리트의 자중에 의한 사하중 모멘트(Md1)와 아스팔트 등의 포장물, 연석, 가드레일 등에 의한 사하중 모멘트(Md2) 및 활하중 및 충격하중에 의한 활하중 모멘트(M_{l +i})의 합으로 표시할 수 있다. 슬래브에 작용하는 최대 휨모멘트(Mmax)보다 저항 모멘트가 10-20% 정도는 크게 하여야 하는데, 제1차 프리플렉션 하중(P_f1)에 의한 제1차 저항모멘트값(rM_f1)과 제2차 프리플렉션 하중(P_f2)에 의한 제2차 저항모멘트값(rM_f2)의 합이 최대 휨모멘트(Mmax)보다 적어도 10-20% 정도 크게 되도록 제2차 프리플렉션 하중(P_f2)을 설정하도록 해야 한다.

도 4는 본 발명에 따른 분할된 슬래브 모듈(30)을 개념적으로 나타내는 사시도이다. 이러한 슬래브 모듈(30)에는 격벽(diaphragm, 40)이 필요에 따라 구비될 수 있고, 또 필요에 따라 다수 설치될 수 있는 긴장재인 횡방향 텐던 위한 쉬스관(42)이 구비되어 있다. 이 쉬스관(42)은 분할된 슬래브 모듈(30)이 횡방향으로 다수 조립될 때 횡방향 텐던을 삽입하여 당겨 고정할 수 있게 한다. 또 분할된 슬래브 모듈(30)의 길이방향 측면에는 하나 이상의 전단키(44)가 형성되어 전단력을 감당할 수 있게 되어 있다. 전단키(44)는 오목부와 볼록부로서 인접한 슬래브 모듈이 서로 결합될 수 있게 되어 있으나, 이는 예시적인 것이고, 전단키의 형상은 한정되지 않으며, 다양한 전단키가 선택적으로 사용될 수 있다. 또한 슬래브 모듈(30)의 높이나 폭 등의 규격은 한정되지 않으며 현장 사정에 따라 필요한 규격으로 제작된다.

도 5는 분할 슬래브 모듈(30)을 필요한 수에 따라 횡으로 배치하고 횡방향 텐던으로 결합하여 완성한 상태를 나타낸다. 즉, 중공 슬래브가 분할된 슬래브 모듈의 연속적인 조립에 의해 형성된다. 인접한 슬래브 모듈(30)의 오목부는 공동부(46)를 형성하게 된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 강합성 콘크리트 중공 슬래브 조립체는 슬래브 구조물의 형고를 실질적으로 낮추게 되어, 경제적이고 역학적으로 합리적이며 현장에서의 작업을 최소화하여 공기를 단축시킬 수 있고 경제적이고 내구성 있는 조립식 교량을 건설할 수 있다.

도 1은 종래의 거더와 상판을 개념적으로 나타내는 도면이다.

도 2a는 본 발명에 따른 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브를 위한 분할 슬래브 모듈에 사용되는 I형강의 개념적인 정면도 및 측면도이다.

도 2b는 본 발명에 따른 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브를 위해 I형강의 하부에 거푸집을 형성한 상태의 개념적인 정면도 및 측면도이다.

도 2c는 본 발명에 따른 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브를 위해 I형강의 하부에 콘크리트를 형성한 상태의 개념적인 정면도 및 측면도이다.

도 2d는 본 발명에 따른 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브를 위해 I형강의 상부에 거푸집을 형성한 상태의 개념적인 정면도 및 측면도이다.

도 2e는 본 발명에 따른 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브를 위한 분할 슬래브 모듈의 콘크리트 양생을 완성한 상태 개념적인 정면도 및 측면도이다.

도 2f는 본 발명에 따른 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브를 위한 분할 슬래브 모듈의 텐던에 인장하중을 가하는 상태의 개념적인 정면도 및 측면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브에 작용하는 모멘트를 개념적으로 나타내는 다이아그램이다.

도 4는 본 발명에 따른 분할 슬래브 모듈을 개념적으로 나타내는 사시도이다.

도 5는 분할 슬래브 모듈을 필요한 수에 따라 횡으로 배치하고 횡방향 텐던으로 결합하여 완성한 상태를 나타낸다.

Claims (4)

1. 강합성 콘크리트 중공 슬래브를 형성하기 위한 슬래브 모듈을 제조하는 방법에 있어서,

   각각의 중공 슬래브 모듈을 제조하기 위한 I형강을 준비하되, 상기 I형강의 하부 플랜지의 양쪽 단부에 텐던 앵커보강부를 형성하고 텐던이 끼워진 쉬스 파이프를 설치하는 단계;

   상기 I형강을 양끝에서 받쳐놓고 상부의 소정위치에 프리플렉션 하중(P_f1)을 가한 상태에서 상기 I형강의 복부판과 하부플랜지 둘레에 콘크리트를 타설, 양생하되, 양쪽에 오목부를 형성하면서 하부에 콘크리트를 타설, 양생하는 단계;

   상기 프리플렉션 하중(P_f1)을 제거하는 단계;

   상기 I형강의 복부판과 상부플랜지 둘레에 콘크리트를 타설, 양생하되, 하부에 형성된 상기 오목부와 일체화되어 중공부를 형성하기 위하여 양쪽에 오목부를 형성하면서 상부에 콘크리트를 타설, 양생하는 단계; 및

   상기 I형강의 복부판과 상부플랜지 둘레에 콘크리트를 타설, 양생하는 단계 후에, 슬래브 모듈을 현장에 설치하여 조립한 후 상기 쉬스파이프 내에 삽입된 텐던을 양쪽에서 잡아당겨 형강빔의 양쪽 끝에 고정설치되는 앵커에 고정시켜 2차 프리플렉션하중(P_f2)을 가하는 단계;와, 제조된 슬래브 모듈을 횡방향으로 조립하고 고정시키기 위하여 횡방향으로 배치된 쉬스파이프 내에 설치된 텐던에 긴장력을 가하는 단계;를 교대로 실시하여 교량 전체의 프리스트레싱을 가하는 단계;를 포함하여 이루어지되,

   거더와 상판을 일체화하여 강합성 콘크리트 중공 슬래브화한 것을 특징으로 하는 강합성 콘크리트 조립식 중공 슬래브 모듈을 제조하는 방법.
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