KR101248564B1 - 프리텐션 방식의 피에스씨거더 긴장재 배치방법 및 이를 이용하여 제작된 피에스씨 거더 - Google Patents

프리텐션 방식의 피에스씨거더 긴장재 배치방법 및 이를 이용하여 제작된 피에스씨 거더 Download PDF

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(주)홍지이앤씨
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    • E04CSTRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C3/00Structural elongated elements designed for load-supporting
    • E04C3/02Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces
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    • E04C3/26Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces of concrete or other stone-like material, e.g. with reinforcements or tensioning members prestressed

Abstract

본 발명은 프리스트레스트 콘크리트 거더 중에서 PS긴장재를 미리 긴장하고, 콘크리트가 경화한 후에 긴장된 PS긴장재를 릴리즈하여 콘크리트 단면에 긴장력을 도입하는 프리텐션방식의 프리스트레스트 콘크리트 거더 및 그 제작공법에 관한 것으로, 특히 PS긴장재가 직선으로 배치되는 프리텐션 거더에 있어서 콘크리트 단면에 배치되는 PS긴장재의 비부착구간을 중앙부보다 외측에 배치되는 PS긴장재에 더욱 길게 형성시킴으로써 좌굴에 대한 안전성을 확보하고, 콘크리트 단면 전체에 걸쳐 허용압축응력이 초과되지 않도록 보다 세밀하게 비부착구간을 형성하여 효율적이고 경제적으로 프리텐션 거더를 제작할 수 있도록 한 포물선 곡선으로 PS긴장재의 비부착구간을 형성시키게 된다.

Description

프리텐션 방식의 피에스씨거더 긴장재 배치방법 및 이를 이용하여 제작된 피에스씨 거더{TENDON SETTING METHOD FOR PRE TENSION TYPED PSC-BEAM AND PSC BEAM THEREBY}
본 발명은 프리텐션 방식의 피에스씨거더 긴장재 배치방법 및 이를 이용하여 제작된 피에스씨 거더에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 프리텐션 방식으로 PSC거더를 제작함에 있어서, 긴장재의 비부착 구간의 효과적인 배치에 의하여 좌굴하중 증진 및 크리프와 건조수축으로 인한 초기응력손실을 감소시킬 수 있는 프리텐션 방식의 피에스씨거더 긴장재 배치방법 및 이를 이용하여 제작된 피에스씨 거더에 관한 것이다.
종래의 프리스트레스트 콘크리트 거더(PSC거더)는 일반적으로 PS긴장재(통상 PS강연선)에 미리 긴장력을 주어 긴장해 놓은 후 콘크리트를 타설하여 경화한 후에 PS긴장재를 릴리즈 하면 PS긴장재와 콘크리트와의 부착력에 의해 콘크리트 단면에 긴장력이 도입되는 프리텐션 방식과,
콘크리트 단면 내부에 걸쳐 쉬스(Sheath)가 배치되고, 콘크리트 단면의 경화 후에 쉬스에 PS긴장재를 삽입하고 긴장하여 PSC거더의 양 단부 등에 정착되어 콘크리트 단면에 긴장력이 도입되도록 하는 포스트텐션 방식으로 구분된다.
이때, 상기 프리텐션 방식은 포스트텐션 방식에 비하여 다음과 같은 장점들이 있다.
첫째, 콘크리트와 PS긴장재의 부착력에 의해 긴장력이 도입되기 때문에 별도의 정착구가 필요하지 않다.
둘째, 미리 PS긴장재를 긴장하기 때문에 쉬스가 필요하지 않다.
셋째, 포스트텐션 방식에서 필요한 쉬스의 충진 작업인 그라우팅 작업이 필요하지 않다.
넷째, 포스트텐션 방식에서 필요한 PS긴장재의 정착장치 부근의 정착부 보강철근이 필요하지 않다.
다섯째, 포스트텐션 방식에 비해 PSC거더의 복부 두께 및 정착부의 콘크리트 단면 치수를 최소화 할 수 있다.
여섯째, 동일한 형상과 치수의 부재를 롱-라인 방식(1회의 긴장으로 한꺼번에 다수개의 부재를 생산하는 방식)으로 대량으로 제작할 수 있다.
즉, 도 1a와 같이 1개의 몰드(10)를 이용하는 방식을 단일몰드 방식이라 하고, 도 1b와 같이 여러 개의 몰드(10, Mold)를 베드(20) 위에 직렬로 배치하고 동시에 긴장력을 도입하는 방식으로 1회의 긴장력 도입으로 여러 개의 부재를 제조할 수 있는 방식을 롱-라인 방식이라 한다.
이때 상기 베드(20)는 전단키(21)에 의하여 바닥에 설치되고 인장재(40)를 별도 설치한 후, 긴장잭(60)을 이용하여 PS긴장재(30)를 선 긴장하고 부재를 제작하게 된다. 이러한 단일몰드방식이나, 롱라인 방식이나 동일한 제작과정을 거치게 된다.
이러한 프리텐션 방식의 여러 가지 장점에도 불구하고 국내에서 적용되는 프리텐션 방식에 의한 PSC거더는 그 적용이 미미한 상태인데 그 이유는 프리텐션 방식이 갖는 아래와 같은 단점이 존재하기 때문이다.
첫째, 포스트텐션 방식은 PSC거더 자체가 지지대가 되어 긴장력을 도입할 때 인장대가 필요하지 않은데 비해, 프리텐션 방식은 미리 PS긴장재의 긴장력을 도입하기 위한 인장대가 필요한데 이러한 인장대가 현장제작 및 운용이 매우 어려웠다.
둘째, 공장에서 생산하는 PSC거더는 그 운반중량이 매우 크기 때문에 PSC거더의 지간이 약 20m 이상이 되면 현실적으로 운반중량을 초과하거나 국내 도로의 여건상 운반의 제약이 따를 수밖에 없었다.
셋째, 일반적으로 PS긴장재를 곡선으로 배치하는 것이 역학적으로 타당한 반면에, 프리텐션 방식은 PS긴장재를 직선으로 배치하여 긴장하거나, 절곡하여 긴장하기 때문에 그 효율성이 떨어지게 된다.
넷째, 프리텐션 방식의 PSC거더 제작은 초기강도가 높은 고강도의 콘크리트를 사용하여야 하지만 최근까지 국내에서 고강도 콘크리트 생산이 보편화하지 못하였다.
한편, 국내에서 프리텐션 방식의 PSC거더를 현장에서 제작하기 위한 대표적인 문제점을 해결하기 위하여 인장대를 현장으로 운반하여 설치하는 이동식 현장제작 인장대를 특허등록 10-1080942호로 해결하였다.
특허등록 10-1080942호는 현장에서 제작이 가능한 이동식 인장대를 고안하여 공장에서 제작하여 운반할 때 발생하는 운반중량과 운반 길이의 제약을 해결하였으며, 포스트텐션 방식에 비해 자재비와 노무비를 절감하여 경제성을 확보하는 계기를 마련하였다.
그럼에도 불구하고, 프리텐션 방식의 PSC거더가 지간이 장지간화 되면서 발생하는 PSC거더의 좌굴문제, 프리텐션 방식에 의해 발생하는 초기의 크리프 손실, 콘크리트 단면의 허용응력을 충분히 활용하지 못했던 문제점들이 존재 하였다.
도 1c는 종래의 가장 일반적인 프리텐션 방식의 PSC거더에 대한 제작원리를 도시한 것이다.
도 1d는 종래의 가장 일반적인 프리텐션 방식의 PSC거더에 대한 PS긴장재의 배치를 도시한 것이다.
도 1e는 도 1d의 임의의 단면(A-A, B-B, C-C, D-D, E-E 단면)에서의 비부착 PS강선 및 부착 PS강선의 배치를 도시한 것이다.
도 1c에 도시한 것처럼 지간길이(L)를 갖는 프리텐션 방식의 PSC거더에서 작용하중에 의하여 발생하는 응력(fd, 휨 모멘트)는 포물선 곡선을 가진다.
프리텐션 방식의 PSC거더가 구조적인 안전성을 확보하기 위해서는 PSC거더에 발생하는 응력(fd)에 저항하기 위하여 충분한 PS긴장력(fp)을 PSC거더에 도입하는 것이 필요하며 도 1c에서는 상기 PS긴장력(fp)이 빗금 친 영역으로 표시되어 있다.
말하자면 PSC거더와 PSC거더에 작용하는 하중에 의한 응력(fd)을 PS긴장력(fp)에 충분히 상쇄시켜 PSC거더의 구조적 안전성이 확보되도록 하는 것이다.
이에 전 PSC거더의 전체 지간에 걸쳐 fd<fp 가 되도록 하되 상기 도입된 PS긴장력(fp)은 콘크리트의 허용응력 내에 존재해야 한다.
이때, PS긴장재에 의해 콘크리트 단면에 도입되는 응력은 PSC거더의 하연이
Figure 112012055934452-pat00001
, PSC거더의 상연이
Figure 112012055934452-pat00002
의 수식에 따라 응력값이 도입된다.
여기서,
b: PSC거더 하연에 도입되는 하연응력
t: PSC거더 상연에 도입되는 상연응력
P: PS긴장재에 의해 도입되는 PS긴장력
AC: PSC거더의 콘크리트 단면적
ep: PSC거더단면의 중립축에서 PS긴장재의 도심까지의 거리
I: PSC거더의 단면2차모멘트
yb: PSC거더단면의 중립축에서 PSC거더 하연까지의 거리
yt: PSC거더단면의 중립축에서 PSC거더 상연까지의 거리
Md: PSC거더의 설계모멘트를 나타낸다.
여기서, 지간 전체에 걸쳐 작용하는 설계 응력(fd)은 PSC거더의 양단부로 갈수록 외력 하중이 작아지기 때문에 포물선의 곡선 형태로 줄어든다.
즉, PSC거더의 양 단부 쪽으로 갈수록 설계 응력(fd)가 0(제로)에 가까워지기 때문에 PSC거더의 양단부에서는 PSC거더의 하연에 작용하는 응력(fb)이
Figure 112012055934452-pat00003
가 된다.
이에 만약, 도 1d와 도 1e에 도시된 것처럼 PSC거더 하연에 PS긴장재(120)를 직선으로 배치하여 PSC거더 전체에 걸쳐 PS긴장력(fp)이 도입될 경우에는, PSC거더 양단부의 PS긴장력(fp)이 콘크리트 허용압축응력(fa)을 대부분 초과하게 된다.
이에 도 1d와 도 1e에 나타낸 것처럼 PS긴장재(120)의 다수개를 PSC거더의 양단부로부터 내측으로 일정길이(L1', L2')를 PVC관 또는 강관 등을 이용하여 콘크리트와 PS긴장재와의 부착이 발생하지 않도록 비부착구간을 형성시키게 된다.
따라서 PSC거더의 양 단부쪽으로 갈수록 다수의 PS긴장재에 비부착구간을 형성시켜 PS긴장재에 의해 도입되는 PS긴장력(fp)을 줄여 PSC거더 양단부의 PS긴장력(fp)이 콘크리트 허용압축응력(fa) 내에 존재하도록 유도하게 된다.
도 1e에서는, 임의의 PS긴장재에 대해 1차 비부착 강재, 2차 비부착강재 가 설치되는 1차 비부착 구간(L1'), 2차 비부착구간(L2')이 표시되어 있다.
또한 PSC거더 상연에 작용하는 응력(
Figure 112012055934452-pat00004
)은
Figure 112012055934452-pat00005
가 되어, PS긴장력(fp)이 도입될 때 PSC거더의 단부쪽에서 작용하는 PSC거더 상연응력(ft)이 허용인장응력을 초과하는데, PSC거더의 하부플랜지 내에 배치된 다수개의 PS긴장재(120)에 비부착구간을 형성하게 되면, 이도 역시 동시에 해결이 가능하게 된다.
그러나 종래의 비부착구간의 형성은 도 1d 또는 도 1e에 도시된 것에서 알 수 있듯이 PS긴장재(120)에 의한 PS긴장력(fp)의 크기만을 줄이기 위해 임의의 위치에서 다수의 PS긴장재(120)를 비부착 시키는 것을 알 수 있다.
즉, 단순히 콘크리트 구조체의 중심(X,Y=0)을 기준으로 PS긴장재(120)를 대칭적으로 임의 배열하였다.
또한, 도 1e와 같이 PSC거더의 하연에서 상연으로 배치되는 다단배열의 경우에 있어서도 PS긴장재를 PS도입력의 크기만을 줄이기 위해 임의로 다수개의 PS긴장재를 비부착 시키는 것을 알 수 있으며 이도 역시 단순히 콘크리트 구조체의 중심(X,Y=0)을 기준으로 PS긴장재(120)를 대칭적으로 임의 배열하는 것에 불과하였다.
한편, 포스트텐션 방식의 PSC거더는 PS긴장재를 포물선으로 배치하여 PSC거더 단면에 도입되는 PS긴장력의 크기를 줄이는 방식을 적용하는데, PSC거더 단면의 중립축에서 PS긴장재의 도심까지의 거리(ep)를 PSC거더의 양단부로 갈수록 줄여 콘크리트가 허용응력 내에서 존재하도록 유도한다.
기존에 공장에서 제작하는 프리텐션 부재는 운반중량과 운반 길이의 제약으로 그 부재의 길이가 약 20m 미만이 대부분이었다. 그러므로 지간이 짧고, 부재의 단면강성이 매우 크기 때문에 PS긴장력에 의한 좌굴발생에 대한 검토가 필요치 않았다.
그러나 고강도의 장지간 PSC거더는 PS긴장재의 양이 매우 크게 증가하였고, 반대로 그 단면의 높이가 점점 낮아지고 있는 현실이다.
즉, 최근의 장지간 PSC거더는 콘크리트 단면의 횡방향 강성이 크지 않기 때문에 PS긴장력에 의한 좌굴에 대한 위험성이 매우 높다.
실제로 기존 PSC거더의 경우에 있어서 지간이 35m인 부재가 PS긴장력에 의해 좌굴이 현장에서 매우 자주 발생하고 있다.
또한, 프리텐션 방식의 PSC거더는 공장에서 제작할 경우에 그 생산 사이클을 최대 1일 사이클로 운영하는 곳이 많다. 포스트텐션 방식은 PSC거더를 제작한 후에 충분한 양생을 거쳐 프리스트레스를 도입하는 것이 가능하지만, 프리텐션 방식의 PSC거더는 인장대의 활용을 위해 생산 싸이클을 최대한 빠르게 해야 하는 단점을 갖고 있다.
이에 인장대의 활용을 위해 초기강도가 매우 높은 조강 콘크리트의 고강도콘크리트를 사용해야 하는데, 콘크리트 양생 초기에 대부분 발생하는 크리프와 건조수축에 의한 프리스트레스 손실에 크게 영향을 받을 수 밖에 없게 된다.
그러므로 콘크리트 단면에 작용하는 PS긴장력을 최대한 최적화하여 최소한으로 도입하는 것이 콘크리트의 크리프와 건조수축으로 인한 초기응력손실을 방지하는 것이다.
이에 결론적으로 기존방식에 의해 제작되는 프리텐션 PSC거더는 다음과 같은 문제점을 갖고 있다.
첫째, 기존에 프리텐션 PSC거더를 제작하는 방식은 임의로 1차 비부착 구간과 2차 비부착 구간을 설정하였으며, 이에 따라 초기에 도입되는 PS긴장력을 PSC거더 중앙에서 콘크리트의 허용응력까지 충분히 도입하지 못했기 때문에 콘크리트단면의 효율적인 활용이 어려워 재료의 낭비와 역학적인 콘크리트의 단면을 효율적으로 사용하지 못했다.
둘째, PS긴장재의 비부착 구간과 위치를 결정할 때 좌굴을 고려하지 않고 PS긴장력을 줄이는 것만을 고려하여 역학적으로 효율성이 높은 비부착구간을 설정하지 못하였다.
셋째, PS긴장재의 비부착구간과 위치를 결정할 때 초기 크리프와 건조수축에 대한 콘크리트 단면의 응력손실을 고려하지 않고 PS긴장력을 줄이는 것만을 고려하여 역학적으로 효율성이 높은 비부착구간을 설정하지 못하였다.
넷째, 외력모멘트가 포물선 형태이기 때문에 PS긴장재의 비부착 구간의 효율적인 배치를 위해 콘크리트 단면 내에서 상하 방향으로 포물선 형태로 그 비부착 구간이 형성되어야 유리함에도 불구하고, 이를 고려하지 않고 배치하는 문제점이 있었다.
한편, 프리텐션 방식은 PS긴장재의 포물선 배치가 불가능하기 때문에 직선으로 배치하고, 비부착구간을 형성하여 PS긴장력을 줄이는 방법을 사용하거나, 포스트텐션 방식의 포물선과 유사한 사다리꼴 형상으로 PS긴장재를 절곡하여 긴장력을 도입하게 된다.
프리텐션 방식에서 PS긴장력의 도입을 위해 절곡을 하는 것은 PS긴장재의 직선 방향을 변경하는 별도의 장치(Deviator: 미도시)라는 것을 사용하여 그 방향을 바꾸어야 하는데, 이를 위해서는 상향으로 발생하는 PS긴장력에 저항하는 반력을 지반에 설치해야 하므로 프리텐션 방식의 제작시스템은 공장에서 주로 설치될 수밖에 없었다.
이에 본 발명은 PS긴강재 및 비부착구간을 포함하는 프리텐션방식의 PSC거더에 의한 종래 기술의 근본적인 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 설계기준에서 정하고 있는 허용압축 및 허용인장응력 내에서 장지간의 PSC거더에 PS긴장재를 직선배치함에 있어서도 프리텐션 방식에 의한 PSC거더의 구조적인 안전성 확보와 PS긴장력 도입을 최대한 활용하여 콘크리트 단면의 활용을 최적화하고, 초기 크리프 및 건조수축의 영향을 최소화하는 방법을 제공함과 동시에, 경제성을 향상시킬 수 있는 프리텐션방식의 PSC거더를 제공하는 것이라 할 수 있다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 프리텐션방식의 PSC거더에 있어서,
상기 프리텐션 방식의 PSC거더의 횡단면상에 위치하는 다수의 PS긴장재가 상기 횡단면의 중앙부(Y축,X=0)를 기준으로 PSC거더의 양 측방(횡방향)으로 갈수록 PS긴장재의 비부착구간 길이가 상기 중앙부에서 측방으로 갈수록 서로 대칭으로 길어지도록 설치하고,
상기 프리텐션 방식의 PSC거더의 횡단면상에 위치하는 다수의 PS긴장재가 상기 횡단면의 하부를 기준으로 상방으로 갈수록 PS긴장재의 비부착구간 길이가 짧아지도록 설치하였다.
이때 상기 프리텐션방식의 PSC거더는 상기 비부착 구간의 선단부들을 연결하는 연결선이 외력모멘트에 대응 하도록 포물선 형상으로 설치되도록 하여,
PS긴장력 도입시 PSC거더에 발생하는 좌굴의 위험성을 최소화하여 장지간의 프리텐션 방식의 PSC거더 제작이 가능하고, 초기크리프와 건조수축을 최소화 하여 PS긴장재의 효율성을 향상시키고, PS긴장재의 효율적인 배치로 콘크리트 단면을 최적화하는 프리텐션 방식의 PSC거더의 제작이 가능하게 하였다.
이를 위해 본 발명은
프리텐션 방식의 PSC거더에 길이방향으로 직선으로 PS긴장재를 배치하는 방법에 있어서,
콘크리트 구조체의 횡단면(Q)의 저면 중앙부(O)로부터 상방으로 연장되는 Y축과 상기 중앙부(O)로부터 양 측방인 횡방향으로 연장되는 X축을 기준으로 콘크리트 구조체의 수평단면에 위치하는 PS긴장재의 비부착구간의 길이가 상기 중앙부(O)에서 양 측방인 횡방향으로 갈수록 PS긴장재의 비부착구간이 길어지도록 형성시키는 프리텐션 방식의 피에스씨거더 긴장재 배치방법 및 이를 이용하여 제작된 피에스씨 거더를 제공한다.
또한 바람직하게는
상기 콘크리트구조체의 수직단면에 위치하는 PS긴장재의 비부착구간의 길이가 그 단면의 하부플랜지 하방에서 상방으로 연장될수록 비부착구간이 짧아지도록 형성시키는 프리텐션 방식의 피에스씨거더 긴장재 배치방법 및 이를 이용하여 제작된 피에스씨 거더를 제공한다.
본 발명에 의하여
첫째, PS긴장력 도입을 위한 PS긴장재의 효율적인 비부착구간 설정으로 콘크리트 단면에 도입하는 PS긴장재의 량을 최소화한다.
둘째, PS긴장재의 효율적인 비부착구간 설정으로 PS긴장력에 의해 발생하는 거더의 좌굴하중을 최소화한다.
셋째, 콘크리트 단면에 잉여의 PS긴장력이 작용하는 것을 최소화하여 PSC거더에 좋지 않은 영향을 주는 초기크리프와 건조수축에 의한 응력손실을 최소화할 수 있는 프리텐션 거더의 설계 및 제작이 가능하도록 한다.
넷째, PS긴장재의 효율적인 비부착 구간 설정으로 장경간의 프리텐션 거더의 설계 및 제작이 가능하도록 한다.
즉, PS긴장재(PS강연선)를 직선으로 배치하여 프리스트레스를 도입하는 프리텐션방식의 PSC거더 및 그 제작공법에 있어서,
외력모멘트의 형상에 따라 PS긴장재의 비부착구간을 형성하여 콘크리트 단면의 허용응력을 초과하지 않고 PS긴장재의 긴장력을 최대한 활용할 수 있으며, 단면의 최적화를 통해 경제성을 확보할 수 있다.
또한, PS긴장재의 비부착구간을 효율적으로 형성하여 장지간의 거더에서 발생할 수 있는 좌굴에 대한 위험성을 충분히 감소시킬 수 있다.
또한, PS긴장재의 비부착구간을 효율적으로 형성하여, 콘크리트 단면에 도입되는 PS긴장재의 잉여 긴장력을 최소화 할 수 있기 때문에 초기 크리프와 건조수축에 의한 프리스트레스 손실을 최대한 줄여주는 효과가 있다.
이로서, 본 발명에 의한 프리텐션 방식의 PSC거더는 PS긴장재를 직선으로 배치하여도 비부착구간의 효율적인 배치로 좌굴에 대한 저항성능의 증가와 PS긴장재의 최소화 또는 콘크리트 단면의 최적화, 콘크리트의 초기 크리프와 건조수축에 대한 프리스트레스 손실을 최소화로 보다 경제적이고, 구조적으로 안전한 프리텐션방식의 PSC거더의 제공이 가능하게 된다.본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1a 및 도 1b는 종래 프리텐션 방식에 의한 부재 제작도,
도 1c는 종래의 가장 일반적인 프리텐션 방식의 PSC거더에 대한 제작원리도,
도 1d는 종래의 가장 일반적인 프리텐션 방식의 PSC거더에 대한 PS긴장재의 배치도,
도 1e는 도 1d의 임의의 단면에서의 비부착 PS긴장재 및 부착 PS긴장재의 배치도,
도 2는 프리텐션방식의 프리스트레스 콘크리트 거더의 하부플랜지에 설치된 PS긴장재에 의해 발생하는 좌굴에 대한 개념도,
도 3은 본 발명에 의해 프리텐션방식의 PSC거더의 하부플랜지에 배치되는 PS긴장재의 배치와 비부착구간을 형성하는 모식도,
도 4는 본 발명의 I형 콘크리트 구조체의 하부플랜지에 배치된 PS긴장재의 배열 예를 도시한 단면도,
도 5는 본 발명의 프리텐션방식의 PSC거더 측면에 배치된 PS긴장재의 배치와 비부착구간을 도시한 측면도,
도 6은 본 발명의 I형 콘크리트 구조체의 하부플랜지에 배치된 PS긴장재의 배열을 도시한 단면도,
도 7은 본 발명에 의해 프리텐션방식과 포스트텐션방식을 혼용하기 위해 PSC거더의 하부플랜지에 배치되는 PS긴장재와 쉬스의 배치를 형성하는 모식도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 발명을 보다 명확하고 용이하게 설명하기 위하여, 이하 본 발명에 관한 최선의 실시예를 첨부도면에 의하여 상세하게 설명하며, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 2는 프리텐션 방식의 프리스트레스 콘크리트 거더(100, PSC 거더)의 하부플랜지(113)에 설치된 PS긴장재(120)에 의해 발생하는 좌굴에 대한 개념도를 나타낸 것이다.
이때 콘크리트 구조체(110)의 횡단면(Q)의 저면 중앙부(O)로부터 상방으로 연장되는 가상의 축을 Y축으로 지칭하기로 하고, 상기 중앙부(O)로부터 양 측방인 횡방향으로 연장되는 가상의 축을 X축으로 지칭하기로 한다.
본 발명에서는 I형 단면을 대표 단면으로 고려하여 프리텐션 방식의 PSC거더(100)을 기준으로 설명한다.
일반적으로 PS긴장력을 도입할 때 발생하는 좌굴형상은 거더 단면(횡단면 Q)의 옆으로(X방향, 횡방향)로 휘어지는 현상을 말하는데, PS긴장재(120)가 거더 단면의 중심(Y축 선상에 존재 또는 X=O, 거더 단면의 수직방향)에 위치하는 것이 좌굴발생 위험이 가장 낮아진다(좌굴하중의 값이 가장 크다).
즉, 도 2에 도시된 것처럼 PS긴장재(120)가 콘크리트 구조체(110) 단면의 중심(Y축 선상에 존재 또는 X=O)에 P1강재가 위치할 경우에 좌굴하중(좌굴이 발생하는 순간의 압축력)는
Figure 112012055934452-pat00006
의 값으로 정해진다. 여기서, Pcr:좌굴하중, EI:단면강성, L: 좌굴길이를 나타낸다.
반면에, 도 2에 도시된 것처럼 PS긴장재(120)가 콘크리트 구조체(110) 단면의 중심(Y축 선상에 존재 또는 X=O)에 위치하지 않고, P2강재와 같이 초기 편심값(ep)이 발생한 상태에서 PS긴장력이 도입되면, 초기 모멘트(
Figure 112012055934452-pat00007
)가 발생하기 때문에 그 좌굴하중은 현격하게 낮아지며 좌굴이 발생하기 쉽다.
즉, 프리텐션 방식의 PSC거더(100)에 배치되는 PS긴장재(120)는 좌굴에 대한 역학적인 이해를 바탕으로 비부착구간(121)을 배치하면, PSC거더(100)가 점점 장경간화 되고, 많은 양의 PS긴장재(120)가 설치되더라도 좌굴의 위험성을 크게 낮출 수 있는데 이를 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의해 프리텐션 방식의 PSC거더(100)의 하부플랜지(113)에 배치되는 PS긴장재(120)의 배치와 비부착구간(121)을 형성하는 모식도이다.
도 4는 I형 콘크리트 구조체(110)의 하부플랜지(113)에 배치된 PS긴장재(120)의 배열 예를 도시한 단면도이다.
먼저 본 발명은 프리텐션방식의 PSC거더(100)로서 크게 콘크리트 구조체(110;111,112,113), 콘크리트 구조체 하부플랜지(113) 내에 설치되는 PS긴장재(120), 콘크리트 구조체(110)에 PS긴장력이 도입되지 않도록 하는 비부착구간(121) 및 PS긴장력이 도입되는 부착구간(122)을 포함한다.
이러한 프리텐션방식의 PSC거더(100)는 예컨대, I형 단면으로 한정하지 않으며, 형, 역T형, U형 단면 등으로 제작될 수 있다.
I형 단면을 기준으로 프리텐션 방식에 적용되는 PS긴장재(120)의 배치 방법과 비부착구간(121) 및 부착구간(122)의 형성 위치와 방법에 관하여 도 3을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
한편, 프리텐션방식의 PSC거더(100)에 있어서 비부착구간(121)이 설치되어야 하는 이유에 대해서는 이미 설명하였다.
먼저, 프리텐션방식의 PSC거더(100)가 비부착구간(121)을 형성함에 있어, I형 콘크리트 구조체(110)의 하부플랜지(113)에 배치되는 PS긴장재(120)들 중에서 수평단면 상의 X축 방향을 따라 배치된 PS긴장재(120)를 기준으로 설명한다.
도 3, 4에 도시된 것처럼, 콘크리트 구조체(110)의 하부플랜지(113) 내에 배치되는 Layer-1 PS긴장재(120:P0,P1,P2,P3,P4)는 콘크리트 구조체(110) 단면의 중심(Y축)에서 각각의 편심값(e0,e1,e2,e3,e4,e5)을 갖고 배치된다.
그러므로 최외측의 PS긴장재(P4)는 콘크리트 구조체(110) 단면의 중심(Y축)에서 다른 PS긴장재(P0,P1,P2,P3,P4)에 비해 가장 큰 편심값(e4)을 갖기 때문에 다른 PS긴장재에 비해 거더의 좌굴을 가장 많이 발생시킨다는 것을 알 수 있다.
또한, 최외측의 PS긴장재, P4 다음으로 거더의 좌굴을 발생시키기 쉬운 PS긴장재는 P3강재이고, P2, P1, P0의 순서이다.
또한, 거더가 좌굴에 저항하는 능력 즉, 좌굴하중은 식(
Figure 112012055934452-pat00008
)에서 알 수 있듯이 좌굴길이(L)의 제곱에 반비례하기 때문에 그 길이가 짧아질수록 좌굴하중가 커지며, 구조적으로 유리하다.
또한, 여기서 좌굴을 발생시키는 PS긴장력은 콘크리트 구조체(110)와 PS긴장재(120)의 부착력에 의해 프리스트레스가 도입되는 PS긴장재(120)의 부착구간(122)이 된다.
그러므로 거더의 양 단부로 갈수록 비부착구간(121)을 증가시켜야 하는 프리텐션 방식의 PSC거더(100)에 있어서, 좌굴이 최대한 발생하지 않도록 비부착구간(121)을 설치하기 위해서는 편심값(e)이 가장 큰 PS긴장재 P4의 좌굴길이가 가장 짧도록 유도해야 한다.
좌굴하중 식(
Figure 112012055934452-pat00009
)에서 알수 있듯이, 좌굴에 대해 안정성을 확보하기 위해서는 좌굴길이(L)가 짧아지는 것이 제곱에 비례함을 알 수 있다.
즉, 각각의 PS긴장재(120) 중에서 P4의 비부착구간(121)의 길이(L4')를 가장 길게 하여 좌굴길이(L4)를 짧게 해야 하며, 그 다음은 P3, P2, P1, P0의 PS긴장재에 대해서는 그 비부착길이(L3,L2,L1)를 순서대로 길이를 줄여나가는 것이 바람직하다.
한편, 도 3에 도시된 것처럼 PS긴장재의 비부착구간의 선단부(원으로 표시)을 연결하였을 경우에 2차 포물선 곡선을 유지하는 것이 바람직하다. 그 이유는 하중에 의해 발생하는 응력(fd)가 2차포물선 방정식에 가깝기 때문에 최적화된 단면설계가 가능하기 때문이다.
여기서, 비부착구간(121)을 형성하는 재료는 일반적으로 PVC파이프 계열 또는 강관 등의 것을 사용하며, PS긴장재의 직경보다 다소 큰 것을 사용한다.
이에 반해, 기존 프리텐션 방식의 PSC거더(100)은 비부착구간(121)의 설치를 임의대로 한 단면에서 다수개의 PS긴장재를 한꺼번에 한 단면에서 비부착하는 방식으로 긴장력을 줄이는 방법만을 고려하였다(도 1d 참조).
한편, PS긴장재에 의해 PS긴장력이 도입되는 거더는 지간이 길고, 단면강성이 작기 때문에 편심이 작용하는 작은 긴장력의 차이에도 횡방향 좌굴이 쉽게 발생한다.
또한, 프리텐션 방식의 PSC거더(100)가 이론적으로는 프리스트레스를 대칭적으로 동시에 도입할 수 있지만, 콘크리트 단면에 작용하는 개개의 PS긴장력이 동일하지 않고 대칭적으로 배치된 PS긴장재도 긴장력의 오차가 있기 때문에 좌굴이 더욱 크게 발생한다.
또한, 개별 인장잭(긴장재를 1개씩 개별 긴장하는 인장잭)을 이용할 경우에 더욱 좌굴발생에 대한 위험성이 크게 된다.
다음으로, 프리텐션방식의 PSC거더에서 발생하는 초기건조수축과 크리프의 영향을 최소화하기 위한 PS긴장재의 비부착구간(121)의 배치에 대해 상세히 설명한다.
도 5는 프리텐션 방식의 PSC거더(100) 측면에 배치된 PS긴장재(120)의 배치와 비부착구간(121)을 도시한 측면도를 나타낸 것이다.
도 6은 I형 콘크리트 구조체(110)의 하부플랜지(113)에 배치된 PS긴장재(120)의 배열을 도시한 단면도이다.
이러한 도 5 및 도 6은 프리텐션 방식의 PSC거더(100)가 비부착구간(121)을 형성함에 있어, I형 콘크리트 구조체(110)의 하부플랜지(113)에 배치되는 PS긴장재(120)들 중에서 수직단면 상의 Y축 방향을 따라 배치된 PS긴장재(120)를 기준으로 설명한다.
도 6에 도시된 것처럼, 콘크리트 구조체(110)의 하부플랜지(113) 내에 배치되는 Layer-1 PS긴장재(120:P1,P2,P3)는 거더의 도심축(N.A)으로 부터 각각의 편심값(e1,e2,e3)을 갖고 배치된다.
콘크리트 하연에 작용하는 응력(fb)은 수식
Figure 112012055934452-pat00010
에 결정되는데, 초기 크리프와 건조수축에 의한 응력손실을 최소화하기 위해서는 거더의 양단부쪽으로 갈수록 콘크리트 구조체 단면에 존재하는 거더의 구조적인 안전성과 무관한 잉여의 압축응력을 제거하는 것이 바람직하다.
이를 위해서는, 거더 하면에 가장 가까이 위치하는 P1강재의 비부착구간(121)을 가장 길게 하여 P·ep의 값을 거더의 양단부에서 최대한 줄이는 것이 콘크리트 단면에 존재하는 잉여압축력을 최소화 하는 방법이다.
다시 말해, 거더 하면에서 가장 가까이 있는 P1강재와 가장 멀리 있는 P3강재를 길이방향의 위치에서 비부착구간을 설정하면 정확한 이해가 된다.
먼저, 콘크리트 구조체(110) 단면에 도입되는 식 P·ep에서 편심값(ep)가 작아지면 PS긴장력에 의한 도입응력이 작아지는데, P1강재를 비부착하면, 편심값은 ep1이 되고, P3강재를 비부착하면, 편심값은 ep3가 되며, 도 6에 도시한 것과 같이 P1강재를 비부착하는 것이 P3강재를 비부착하는 것보다 편심값(ep)가 작아짐(ep1<ep3)을 알 수 있다.
그러므로, 거더의 양 단부쪽을 갈수록 비부착구간(121)을 배치함에 있어서, 수직단면을 기준으로 하는 경우 거더하면에 가장 가까이 위치하는 PS긴장재, P1의 비부착구간을 가장 길게 하는 것이 바람직하다.
또한, 그 다음으로 콘크리트 구조체(110)의 하면에서 가까이 존재하는 강재 P2, 그리고, P3의 순서대로 비부착구간(121)의 길이를 줄여가는 것이 바람직하다.
이때 도 5에 도시된 것처럼 수직단면을 기준으로 하는 경우 PS긴장재의 비부착구간의 끝점을 연결하였을 경우에 역시 2차 포물선 곡선을 유지하는 것이 바람직하다. 그 이유는 하중에 의해 발생하는 응력(fd)가 2차포물선 방정식에 가깝기 때문에 최적화된 단면설계가 가능하기 때문이다.
한편, 도 7은 본 발명에 의해 프리텐션 방식과 포스트텐션 방식을 혼용하기 위해 PSC거더(100)의 하부플랜지(113)에 배치되는 PS긴장재(120)와 쉬스(123)의 배치를 형성하는 모식도이다.
프리텐션방식의 PSC거더(100)에 있어서 콘크리트 구조체(110) 하부플랜지(113)에 직선으로 배치되는 PS긴장재(120)를 적용할 경우에 있어서, 도 7과 같이 포스트텐션 방식의 쉬스(123)을 미리 콘크리트 성형 시에 미리 매입하여 프리텐션 + 포스트텐션방식의 복합구조를 적용한다.
이때 프리텐션 방식에 의해 직선으로 배치되는 PS긴장재(120)는 도 3과 도 6에 배치된 비부착구간(121)과 동일하게 적용한다.
이러할 경우 콘크리트가 충분히 양생된 후에 포스트텐션 방식의 긴장력도입은 가능하기 때문에 초기 크리프와 건조수축에 대한 응력손실의 영향을 최소화 할 수 있는 장점도 있다.
또한, 직선과 사다리꼴의 절곡 형태로 PS긴장재를 배치하는 프리텐션 거더에서도 직선으로 배치되는 PS긴장재의 비부착구간(121)은 도 3과 도 6에 배치된 비부착구간(120)과 동일하게 적용한다.
100: PSC거더 110:콘크리트 구조체
120: PS긴장재 121:비부착구간
122: 부착구간

Claims (6)

  1. 프리텐션 방식의 PSC거더(100)에 길이방향으로 직선으로 PS긴장재(120)를 배치하는 방법에 있어서,
    콘크리트 구조체(110)의 횡단면(Q)의 저면 중앙부(O)로부터 상방으로 연장되는 Y축과 상기 중앙부(O)로부터 양 측방인 횡방향으로 연장되는 X축을 기준으로
    콘크리트 구조체(110)의 수평단면에 위치하는 PS긴장재(120)의 비부착구간(120)의 길이가 상기 중앙부(O)에서 양 측방인 횡방향으로 갈수록 PS긴장재의 비부착구간(121)이 길어지도록 형성시키는 것을 특징으로 하는 프리텐션 방식의 피에스씨거더 긴장재 배치방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 콘크리트구조체의 수직단면에 위치하는 PS긴장재의 비부착구간(121)의 길이가 그 단면의 하부플랜지 하방에서 상방으로 갈수록 비부착구간(121)이 짧아지도록 형성시키는 것을 특징으로 하는 프리텐션 방식의 피에스씨거더 긴장재 배치방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 비부착구간(121)의 선단부들을 서로 연결하면 종방향으로 연결선은 포물선의 형상이 되도록 PS긴장재의 비부착구간(121)을 배치하는 것을 특징으로 하는 프리텐션 방식의 피에스씨거더 긴장재 배치방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    콘크리트 구조체 내부에 포스트텐션 방식으로 포물선 형태의 배치로 쉬스를 미리 배치하여 추가적으로 PS긴장력을 PSC거더에 도입하는 것을 특징으로 하는 프리텐션 방식의 피에스씨거더 긴장재 배치방법.
  5. 제 1항의 방법으로 배치된 PS 긴장재(120)를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리텐션 방식으로 제작된 피에스씨거더.
  6. 제 5항에 있어서,
    콘크리트 구조체 내부에 포스트텐션 방식으로 포물선 형태의 배치로 쉬스를 미리 배치하여 추가적으로 PS긴장력을 PSC거더에 도입하여 프리텐션 방식과 포스트 텐션 방식이 복합되도록 하는 것을 특징으로 하는 프리텐션 방식으로 제작된 피에스씨거더.
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