KR101226597B1 - 복합트러스 거더교의 복부재 및 이를 이용한 격점 연결구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합트러스 거더교의 복부재와 격점부 구조상세 개발에 관한 것으로, 복합트러스 거더교의 복부재에 사용되는 강관을 대상교량 전체에 걸쳐 오직 한가지 규격을 가질 수 있도록 하는 복부재 구조를 개발하여 사용 강재량을 최적화 하고, 복부재 및 격점부 연결구조 제작에 따른 비용을 절감시키고자 한다.

본 발명에 따른 복합트러스 거더교의 복부재는 복부재로 사용되는 강관의 내부에 추가의 구조용 강재를 배치한 다음, 이들 두 부재가 복부재 단부에서 구조적으로 서로 일체가 되도록 함으로써 복부재에 작용되는 단면력을 강관과 강관 내부에 배치된 구조용 강재가 설계자의 의도한 크기로 서로 분담하여 저항한다.

또한, 복부재에 가해지는 축력과 휨모멘트에 대한 복부재의 저항성을 높이기 위하여 강관내부를 콘크리트로 채운다.

이러한 결과로써, 한가지 규격의 기성강관을 전체교량의 복부재에 사용할 수 있어 강관구입 비용을 절감시킬 수 있고, 격점부 연결구조를 단순화할 수 있어 제작비용이 줄고, 강관의 크기를 일정함으로써 미관을 크게 개선 시킬 수 있다.

외부강관, 내부강재, 이중구조, 복합트러스 거더교, 복부재, 격점구조, 콘크리트 채움, 단부연결판, 측면연결판

Description

복합트러스 거더교의 복부재 및 이를 이용한 격점 연결구조{Web member of Composite Truss Girder and, node connecting structure having the same}

본 발명은 구조용 강관을 복부재로 사용하고 있는 복합트러스 거더교의 복부재와 격점부 구조상세 개발에 관한 것으로, 복부재로 사용되는 강관의 외경을 대상교량 전체에 걸쳐 단일 값으로 유지할 수 있도록 하는 구조상세 및 이에 따른 트러스 격점부의 개발에 관한 것이다.

복합트러스 거더교의 복부재는 거더의 자중, 상재하중 그리고 차량하중과 같은 이동하중으로 인해 생기는 중력방향의 연직력을 격점부 구간에서 축력으로 변환시켜 교량받침으로 전달시키는 구조적 역할을 한다.

이동하중으로 인해 복부재에 생기는 축력의 크기는 교량 전 구간에 걸쳐 거의 일정한 크기를 나타내지만, 거더의 자중 그리고 연석과 포장 등의 상재하중으로 인해 복부재에 생기는 축력의 크기는 교량을 지지하는 받침에 가까워질수록 커진다.

이러한 이유로 인해, 복합트러스 거더교의 복부재를 구성하는 강관의 제원, 즉 강관의 외경과 두께를 교량 경간에 걸쳐 3~5가지 종류로 달리하여 설계 및 시공 하는 것이 일반적이다.

복합트러스 거더교를 구성하고 있는 현재(상현재와 하현재)는 격점부를 통해 복부재와 서로 결합 된다. 현재가 모두 콘크리트이고, 복부재만 강재로 구성되는 복합트러스 거더교에서는 복부재를 콘크리트 현재 속에 직접 매입시키는 강결의 격점구조가 주로 사용된다.

복부재와 현재가 강결로 처리된 격점구조에서는 현재에 발생하는 휨모멘트의 일부가 복부재로 전달되는데, 복부재로 사용되는 강관의 직경이 커질수록 복부재로 전달되는 휨모멘트의 크기도 늘어난다.

이때, 강관은 축력과 휨모멘트에 대해 동시에 저항하도록 설계되어야 하는데, 강관의 직경이 커질수록 휨모멘트로 인해 생기는 응력이 커지게 되어 보다 큰 직경을 갖는 강관의 사용이 필요해진다.

복합트러스 거더교의 복부재에 사용되는 강관은 압연코일을 이용하여 공장에서 대량으로 생산되는 기성강관이 주로 이용되지만, 경우에 따라서는 구조용 강판을 직접 말아서 제작하는 제작강관이 이용되기도 한다.

제작강관은 강관을 구성하는 강판의 강도, 두께 그리고 직경 등을 설계자가 임의로 선택할 수 있다는 장점이 있지만, 기성강관에 비해 제작비가 훨씬 더 비싸고 균등한 품질확보가 까다롭다는 단점이 있다.

기성강관은 제작강관에 비해 가격이 저렴하지만 정해진 규격(강도, 직경 그리고 두께) 이외에는 사용할 수 없기에 설계자가 선택할 수 있는 강관의 규격이 제한을 받고, 복부재 및 연결구조에 사용되는 강재량을 최적화하기 위해서는 대상교량의 전체 경간장을 3 내지 5개의 구간으로 구분하고, 각 구간별로 서로 다른 규격을 갖는 강관을 사용하는 것이 필요하다.

대상교량의 경간장에 걸쳐 복부재에 사용되는 강관의 규격이 달라지면 복부재와 현재가 만나는 트러스 격점구간에서의 연결구조도 따라서 변해야 하므로 사용되는 강관의 종류가 많아질수록 복부재와 연결구조의 제작과 조립에 따른 비용이 늘어나게 된다.

또한, 경간 중앙부에 위치하는 강관의 직경과 지점부 부근에 위치하는 강관의 직경은 각 강관에 작용하는 단면력에 적합하도록 설계될 경우에는 서로 현저한 크기 차이를 나타내게 됨으로써 미관상으로 불리해지기도 하고, 미관을 제고하기 위해 위치별 강관의 직경차이를 작게 할 경우에는 응력상 요구되는 것보다 많은 양의 강관이 사용되어 경제성이 저하되는 문제가 발생한다.

한편, 종래의 복합트러스 거더교에서는 복부재에 작용하는 단면력(축력과 모멘트)을 오직 강관만을 사용하여 저항하도록 설계되어 왔기에 강관에 작용하는 단면력이 증가할수록 강관의 직경도 같이 커질 수밖에 없는 구조적 한계점을 지닌다.

복부재에 사용되는 강관의 직경이 커지면 복부재와 현재가 만나는 격점부의 규모도 따라서 커져야 하는데, 격점의 규모가 커지면 현재로 사용되는 콘크리트의 체적도 늘어나고, 격점구간에서 복부재를 서로 연결시키는 강재로 된 연결구조의 규모도 커져 소요되는 강재량도 늘어나 경제성이 저하하게 된다.

상기로 이유로 인해 복합트러스 거더교에 사용되는 복부재의 직경은 통상적으로 500mm이하가 되도록 설계되고 있는데, 복부재의 직경을 줄이기 위해 상향력을 유발시키는 외부 비부착 텐던을 병용하는 방법이 사용되기도 하지만, 경간장이 110미터를 넘어서면 구조계산상 요구되는 강관의 직경이 현저히 커지게 되어 복합트러스 거더교의 적용이 어려워진다.

본 발명에서는 복합트러스 거더교의 복부재에 사용되는 강관을 대상교량 전체에 걸쳐 오직 한가지 규격을 갖는 기성강관을 사용하면서도 복부재에 소요되는 강재량은 계산상 요구되는 값으로 최적화될 수 있는 복부재 구조를 개발하여 복부재 및 연결구조 제작에 따른 비용을 절감시키고, 강관구입에 따른 절차와 비용을 절감시키는 것을 주요 해결과제로 한다.

또한, 복합트러스 거더교의 경간장이 110미터를 넘어서더라도 복부재에 사용되는 강관의 직경을 500mm이내로 제한하면서도 복부재에 작용하게 되는 축력과 모멘트에 저항할 수 있는 복부재 구조를 개발함으로써 복부트러스 거더교의 적용가능 경간장을 200미터까지 확장시키도록 하는 것을 또 다른 해결과제로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 복합트러스 거더교의 복부재는 복부재로 사용되는 강관의 내부에 추가의 구조용 강재를 배치한 다음, 이들 두 부재가 복부재 단부에서 구조적으로 서로 일체가 되도록 함으로써 복부재에 작용되는 단면력을 강관과 강관 내부에 배치된 구조용 강재가 설계자의 의도한 크기로 각각 분담하여 저항하도록 한다.

즉, 대상으로 하는 복합트러스 거더교의 전체 경간장에 걸쳐 강관이 저항할 수 있는 단면력의 크기를 설계자가 임의 크기로 조절할 수 있게 함으로써 동일규격의 강관이 교량전체에 사용될 수 있도록 하고, 강관의 저항능력을 초과하는 나머지 단면력은 강관내부에 배치되는 구조용 강재가 저항하도록 한다.

복부재의 위치에 따른 단면력의 변화는 강관내부에 배치되는 구조용 강재의 제원을 달리하여 대응하도록 한다.

한편, 각 복부재에 가해지는 단면력은 복부재 단부에 설치되는 단부연결판을 통해 강관과 내부강재로 정해진 크기로 분배되도록 하는데, 복부재가 압축력을 받는 경우에는 강관내부에 배치한 강재가 좌굴에 대해 취약한 구조거동을 나타내게 되므로, 이를 보완하기 위하여 강관내부를 콘크리트로 채움으로써 강관과 내부강재가 일체로 거동하도록 한다.

복부재가 인장력을 받는 경우에는 강관 및 내부강재가 좌굴을 일으킬 염려는 없지만, 강관을 현재에 매입시킴으로 인해서 복부재로 전달되는 휨모멘트에 대한 강관의 저항성을 높이기 위하여 강관내부를 콘크리트로 채운다.

본 발명에 따른 복부재 및 연결구조를 복합트러스 거더교에 적용하면 대상교량 전체에 걸쳐 오직 한가지 규격의 기성강관을 복부재에 사용할 수 있어, 첫째 강관구입 비용을 절감시킬 수 있고, 둘째 격점부 연결구조를 단순화할 수 있어 연결구조 제작에 따른 비용을 크게 절감시킬 수 있고, 셋째 외부에 노출되는 강관의 크기가 일정하게 됨으로써 교량의 외관을 크게 개선 시킬 수 있다.

또한, 복부재의 위치에 따른 단면력의 변화를 강관내부에 배치되는 구조용 강재의 제원을 달리하여 대응하도록 함으로써, 교량전체에 걸쳐 각 복부재에 작용하는 응력수준을 거의 동등하게 조절하는 것이 쉬워짐에 따라 복부재로써 강관만을 사용하는 종래의 복합트러스 거더교에 비해 소요강재량을 크게 절감시킬 수 있다.

이하 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 복부재의 단면구성을 나타내는 단면도이다. 본 발명에 따른 복부재(10)는 외부강관(11), 내부강재(12), 단부연결판(13)으로 구성된다.

도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명에 따른 복부재(10)는 단부연결판(13)을 통해 전달되는 축력을 외부강관(11)과 내부강재(12)으로 각각 분배시킬 수 있는 구조로 되어있고, 이러한 구조를 통해 외부강관(11)은 일정한 규격으로 유지하면서 강관내부 속에 매입되는 내부강재(12)의 크기와 두께만을 변화시킴으로써 각 위치별 복부재(10)에 작용하는 단면력의 변화에 대응할 수 있도록 하였다.

또한 단부연결판(13)의 일부를 외부강관(11) 속으로 삽입하는 단면형상을 갖도록 함으로써 외부강관(11) 양단부에 단부연결판(13) 부착을 위한 슬롯(slot)을 설치하지 않도록 함에 따라 외부강관(11)의 제작 비용을 줄일 수 있도록 하였다.

도 2는 본 발명에 따른 복부재(10)를 서로 연결하는 격점부 구조상세를 나타낸 사시도이다. 본 발명에 따른 격점부 구조상세는 서로 인접하는 복부재(10)의 단부 연결판(13)의 양 측면에 소정두께의 측면연결판(14)을 용착하고, 상기 측면연결판(14)의 앞쪽과 뒤쪽에 소정크기의 다수의 구멍(15)을 설치하는 것을 주요 특징으로 하고 있다.

도 3은 본 발명에 따른 격점부 구조상세를 적용하였을 때 생기는 격점부에서 힘의 전달과정을 나타낸 개념도이다. 측면연결판(14)에 의해 결합되는 양측 복부재(10)에는 구조특성상 한쪽에는 압축력(C)이 다른 한쪽에는 인장력(T)이 작용하게 되는데, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 우측에 있는 복부재에 압축력(C)이 가해지는 것으로 가정한다.

압축을 받는 복부재를 구성하는 외부강관(11)에 작용하는 축력(C1)과 내부강재(12)에 작용하는 축력(C2)은 단부연결판(13)을 통해 하나의 힘(C=C1+C2)으로 합해지는데, 단부연결판(13)에 가해지는 힘(C)은 용착면을 통해 다시 측면연결판(14)으로 전달된다.

측면연결판(14)에 전달된 힘(C)은 수평성분의 힘(Ch)과 수직성분의 힘(Cv)으 로 각각 분해되는데, 수평성분의 힘(Ch)은 단부연결판(14) 전면에 위치한 콘크리트의 지압력(R)을 통해 콘크리트 현재(16)로 전달된다.

한편, 상기 수직성분의 힘(Cv)과 콘크리트 현재(16)를 통해 전달되는 전단력의 일부(V)가 합해져(Tv=Cv+V) 측면연결판(14)을 통해 좌측 복부재(10)에 설치된 단부연결판(13)으로 다시 전달되는데, 이 과정에서 좌측의 단부연결판(13)에는 복부재 경사방향으로의 인장력(T)이 발생하고, 측면연결판(14)에는 수평성분의 힘(Th)이 발생한다.

상기의 수평성분의 힘(Th)은 단부연결판(13) 전면에 위치한 콘크리트의 지압력(R=Th+Ch)을 통해 콘크리트 현재(16)로 전달되고, 좌측 단부연결판(13)으로 전달된 인장력(T)은 좌측 복부재를 구성하고 있는 외부강관(11)에 작용하는 힘과 내부강재(12)에 작용하는 힘으로 각각 나누어 지게 된다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 격점부 상세구조에서는 콘크리트 현재에 유해한 거동을 유발시키는 수직성분의 힘은 강재로 된 측면연결판이 저항하도록 하고, 격점부의 수평성분의 힘은 단부연결판 전면에 위치한 콘크리트의 지압을 통해 저항하도록 함으로써 격점구간에 위치한 콘크리트 현재의 안전성을 기존의 격점구조에 비해 크게 향상되도록 하였다.

한편, 격점부 양측에 위치한 복부재와 현재의 축선은 서로 한점에서 만날 수 있도록 하는 것이 구조거동에 있어서 가장 유리하다. 하지만 실제 구조에서는 복부재에 사용되는 외부강관의 직경과 경사각 그리고 현재의 단면형상 등으로 인해 이들 세 부재의 축선이 한점에서 일치하지 않는 경우가 빈번히 발생한다.

도 4에 나타낸 것과 같이, 격점구간에서 상기 세 부재의 축선이 한점에서 만나지 않게 되면 편심(e)이 발생하고, 이 결과로써 양측 복부재에 작용하는 수직성분의 힘에 의해 격점구간에는 부가적인 휨모멘트(M)가 발생하게 된다.

상기의 휨모멘트(M)에 대해 측면연결판(14)과 이를 둘러싸고 있는 콘크리트 현재(16)가 일체로 된 회전변형을 일으킬 수 있도록 측면연결판(14)의 앞쪽과 뒤쪽에 소정크기의 다수의 구멍(15)을 설치한다. 이때 구비하여야 하는 구멍의 크기와 개수는 상기 휨모멘트(M)에 의해 생기는 우력(R)에 저항할 수 있도록 한다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 복부재의 제작순서를 나타낸 것이다.

먼저 각 구성부재인 외부강관(11), 내부강재(12) 그리고 단부연결판(13)을 형상에 맞게 먼저 제작하고, 다음으로 외부강관(11)과 단부연결판(13)을 서로 용착(18)하고, 끝으로 외부강관(11) 속에 삽입된 내부강재(12)와 단부연결판(13)을 용착(19)한다.

도 6a 내지 도 6c은 본 발명에 따른 복부재를 이용하여 복합트러스교를 시공하는 실시예를 나타낸 것이다.

먼저, 공장에서 제작된 복부재(10)를 교량 가설현장으로 운반한 후 복부재의 단부연결판(13)에 측면연결판(14)을 용착시켜 트러스의 복부골조를 형성시킨다.

다음으로, 콘크리트 하현재(16)를 시공하여 트러스 복부골조와 하현재(16)를 일체화시킨다.

그런 다음, 각 복부재(10) 속을 콘크리트로 충진하고 콘크리트 상현재(20)를 시공하여 복합트러스 거더교를 완성한다.

이상에서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 복합트러스 거더교의 복부재와 격점부 연결구조 그리고 이를 이용한 복합트러스교의 시공방법은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능하므로, 본 발명의 범위가 상기한 실시예에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 복합트러스 거더교의 복부재 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 복합트러스 거더교의 격점 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 격점구조에서의 힘의 흐름도,

도 4는 격점부에서 부재축선의 불일치로 인해 생기는 추가모멘트를 나타낸 개념도,

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 복부재의 제작순서도,

도 6a 내지 도 6c은 본 발명에 따른 복부재를 이용하여 복합트러스교를 시공하는 실시예,

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10 : 복부재 11:외부강관

12 : 내부강재 13:단부연결판

14: 측면연결판 15:전단연결재

16: 하현재 20: 상현재

Claims (3)

1. 외부강관;

   외부강관의 양쪽 단부에 용착되어 설치된 단부연결판; 및

   외부강관 속에 삽입되어 설치되되, 상기 양쪽 단부의 단부 연결판을 구조적으로 서로 연결하도록 상기 양쪽 단부의 단부 연결판에 용착되어 설치된 내부강재;를 포함하고,

   상기 양쪽 단부 중 한쪽 단부의 단부 연결판에 작용하는 하중 중의 일부는 내부강재를 통해 반대쪽 단부의 단부 연결판으로 전달되고 외부강관을 통해 반대쪽 단부의 단부 연결판으로 전달되지는 않으며,

   상기 하중 중에서 상기 일부를 제외한 다른 일부는 외부강관을 통해 반대쪽 단부의 단부 연결판에 전달되고 내부강재를 통해 반대쪽 단부의 단부 연결판으로 전달되지는 않고,

   상기 하중의 크기에 따라 내부강재의 규격을 변경하여 상기 하중에 저항할 수 있는 것을 특징으로 하는 복합 트러스 거더교의 복부재.
2. 제1항의 복부재를 이용하는 격점 연결구조로서, 제1항의 복부재의 단부연결판 양쪽 측면에 측면 연결판을 용착시켜 박스형상의 구조체를 만든 다음, 콘크리트 현재에 매입시켜 강결격점을 형성시키는 것을 특징으로 하는 복합 트러스 거더교의 격점 연결구조.
3. 제1항에 있어서,

   외부강관과 내부강재가 좌굴과 휨작용에 대해 일체로 저항하는 구조거동을 나타낼 수 있도록 외부강관의 내부를 콘크리트로 채우는 것을 특징으로 하는 복합트러스 거더교의 복부재.

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