KR101259139B1 - 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔 및 그 제작방법 - Google Patents

Abstract

PS강판의 신장력을 이용하여 추가적인 프리스트레스를 도입할 수 있는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔 및 그 제작방법이 개시된다. 개시된 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔은, 콘크리트 빔과, 콘크리트 빔의 내부에 인장된 상태로 배치된 PS강재와, 콘크리트 빔의 길이방향 중간부 상면에 콘크리트 빔의 길이방향으로 간격을 두고 설치된 한 쌍의 받침턱과, 한 쌍의 받침턱 사이의 간격보다 긴 길이로 제작되어 수축된 상태로 한 쌍의 받침턱 사이에 설치되며, 그 양단이 한 쌍의 받침턱 각각에 접촉 지지되고, 콘크리트 빔의 상면에 밀착 결합된 PS강판을 포함한다.

Description

강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔 및 그 제작방법{Steel composite prestressed concrete beam and method of manufacturing the same}

본 발명은 프리스트레스트 콘크리트 빔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PS강판(Prestressing steel plate)의 신장력을 이용하여 추가적인 프리스트레스를 도입할 수 있는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔 및 그 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로 콘크리트는 압축응력에 대한 저항은 우수하지만 인장응력에 대한 저항은 매우 취약한 특성을 갖고 있다. 따라서, 이러한 콘크리트를 사용하여 건물이나 교량의 거더(girder), 보 등의 빔을 제작할 경우, 콘크리트 빔에 작용하는 인장응력에 대한 대응책이 마련되어야 한다.

이를 위해, 프리스트레스트 콘크리트 빔(Prestressed Concrete Beam, 이하 "PSC 빔"이라 함)이 개발되었으며, PSC 빔은 외력에 의해 발생하는 인장응력을 소정의 한도까지 상쇄할 수 있도록 인공적으로 그 응력의 분포와 크기를 정하여 내력을 준 콘크리트 빔을 말한다. 이와 같이 외력에 의한 인장응력을 상쇄하기 위하여 미리 인위적으로 콘크리트 빔에 인가한 응력을 프리스트레스라 하며, 일반적으로 강선, 강연선, 강봉 등의 PS강재(Prestressing steel)를 이용하여 프리스트레스를 도입하게 된다.

PSC 빔은 기본 재료가 콘크리트이므로, 강교에 비해 저렴한 장점이 있고, 철근콘크리트 빔과 달리 콘크리트의 전단면이 유효하게 이용되므로 단면이 작아서 자중을 줄일 수 있으므로, 지간(span)을 길게 할 수 있는 장점이 있어 보편적으로 사용되고 있다. 그러나, 최근 사회환경적 요인으로 더 낮은 단면 높이와 더 긴 지간의 PSC 빔이 요구되고 있는 실정이다.

긴 지간의 PSC 빔을 사용하기 위해서는 그에 상응하는 큰 하중을 감당하여야 하므로 높은 구조적 성능이 필요하다. 이러한 구조적 성능을 향상시키기 위한 방법으로는 여러 가지가 있을 수 있으나, PSC 빔의 단면 높이를 크게 하여 단면강성을 증대시키는 것이 가장 손쉬운 방법이다. 그런데, 이러한 방법으로 제작된 PSC 빔은 높이가 매우 커 콘크리트의 타설이 어려울 뿐 아니라, 가설중량이 과대하여 가설이 어렵고 전도에 대한 위험성이 높아지며, 중량이 커 하부구조의 크기도 증대되는 문제점이 있다.

최근 들어, 단면강성을 증대시키는 방법으로서, PSC 빔의 단면 높이를 증가시키지 않은 채 PSC 빔의 상부에 강재를 매립하거나, 더 나아가 매립된 강재로 추가적인 프리스트레스를 도입할 수 있는 방법들이 제안되었다.

도 1은 종래의 PSC 빔의 일 예로서 상부 플랜지 상면에 판형강재가 설치된 구조를 가진 PSC 빔의 횡단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 콘크리트 빔(12)의 내부에 프리스트레스를 도입하기 위한 PS강재(14)가 설치되고, 상부 플랜지(13)의 상면에 판형강재(16)가 설치되며, 판형강재(16)는 전단연결재(18)에 의해 상부 플랜지(130)에 고정되어 있다. 이러한 구성을 가진 종래의 PSC 빔(10)은, 일반적인 PSC 빔에 비해 판형강재(16)의 단면에 해당하는 만큼의 단면강성이 증대되고, 중립축이 판형강재(16)로 인해 상부로 이동되므로, 동일한 PS강재(14)로도 초기에 더 큰 프리스트레스를 도입할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 도 1에 도시된 종래의 PSC 빔(10)은 콘크리트에 비해 10배 이상 강한 판형강재(16)의 허용응력을 충분히 활용하지 못하고 있으며, 이로 인해 일반적인 PSC 빔에 대비한 개선효과가 미흡한 단점이 있다.

도 2와 도 3은 종래의 PSC 빔의 다른 예들을 도시한 도면들로서, 도 2는 상부 플랜지 내부에 H형강재가 매립된 구조를 가진 PSC 빔의 횡단면도이고, 도 3은 상부 플랜지 상면에 H형강재가 설치된 구조를 가진 PSC 빔의 횡단면도이다. 그리고, 도 4와 도 5는 도 2와 도 3에 도시된 종래의 PSC 빔에서 콘크리트 빔과 바닥판 내의 철근의 배치를 각각 도시한 횡단면도이다.

먼저, 도 2를 참조하면, 콘크리트 빔(22)의 내부에 프리스트레스를 도입하기 위한 제1 PS강재(24)가 설치되고, 상부 플랜지(22) 내부에 H형강재(26)가 매립되며, H형강재(26)의 단면 내에 추가적인 프리스트레스를 도입하기 위한 제2 PS강재(27)가 배치되어 있다.

다음으로, 도 3을 참조하면, 콘크리트 빔(32)의 내부에 프리스트레스를 도입하기 위한 제1 PS강재(34)가 설치되고, 상부 플랜지(22) 상면에 H형강재(36)가 설치되며, H형강재(36)의 단면 내에 추가적인 프리스트레스를 도입하기 위한 제2 PS강재(37)가 배치되어 있다.

도 2와 도 3에 도시된 구성을 가진 종래의 PSC 빔(20, 30)에 있어서, H형강재(26, 36)의 단면 내에 배치된 제2 PS강재(27, 37)로 H형강재(26, 36)에 프리스트레스를 도입한 후, 이를 도 2에 도시된 바와 같이 상부 플랜지(23) 내부에 매립하거나 도 3에 도시된 바와 같이 상부 플랜지(33)의 상면에 설치하게 된다. 이로써, PSC 빔(20, 30)의 단면강성이 증가할 뿐만 아니라, 그 후에 H형강재(26, 36) 내부의 제2 PS강재(27, 37)를 제거하여 H형강재(26, 36)에 도입된 프리스트레스를 해제하게 되면, 콘크리트 빔(22, 32)의 단면에는 역으로 그에 상응하는 추가적인 프리스트레스가 도입될 수 있다. 이와 같이, H형강재(26, 36)의 허용응력이 활용될 수 있으므로, 일반적인 PSC 빔에 대비하여 충분한 개선효과를 기대할 수 있다.

그러나, 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 콘크리트 빔(22, 32)과 바닥판(40) 내에 배근될 횡철근(28, 38) 및 종철근(29, 39)이 H형강재(26, 36) 및 제2 PS강재(27, 37)와 간섭되어 설치될 수 없거나 단절될 수밖에 없으므로, 이러한 구조적 취약점에 균열이 발생될 여지가 매우 높아지는 문제점이 있다. 또한, 횡철근(28, 38) 및 종철근(29, 39)이 H형강재(26, 36)를 피해 배근되어야 되므로 배근작업이 어렵고, H형강재(26, 36)에 프리스트레스를 도입할 때 H형강재(26, 36)에 횡좌굴이 발생되는 것을 피하기 위해 프리스트레스 도입량이 제한되고, 이로 인해 콘크리트 빔(22, 32)에 도입할 수 있는 추가적인 프리스트레스량이 미미하다는 단점이 있다. 또한, H형강재(26, 36)에 도입된 프리스트레스를 해제한 후에는, 제2 PS강재(27, 37)가 불필요하게 되는데, 이와 같이 불필요한 제2 PS강재(27, 37)가 H형강재(26, 36) 내에 매립되어 있으므로, 재료적 손실이 발생되는 단점이 있으며, 프리스트레싱 작업과 해제 작업이 추가되므로 제작 공정이 복잡해지는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, PS강판의 신장력을 이용하여 추가적인 프리스트레스를 도입함으로써 단면의 높이 증가 없이 강성을 증대시킬 수 있도록 구성된 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔과 그 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔은,

콘크리트 빔; 상기 콘크리트 빔의 내부에 인장된 상태로 배치된 PS강재; 상기 콘크리트 빔의 길이방향 중간부 상면에 상기 콘크리트 빔의 길이방향으로 간격을 두고 설치된 한 쌍의 받침턱; 및 상기 한 쌍의 받침턱 사이의 간격보다 긴 길이로 제작되어 수축된 상태로 상기 한 쌍의 받침턱 사이에 설치되며, 그 양단이 상기 한 쌍의 받침턱 각각에 접촉 지지되고, 상기 콘크리트 빔의 상면에 밀착 결합된 PS강판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 콘크리트 빔의 상면에는 다수의 결합볼트가 상기 한 쌍의 받침턱 사이의 간격 내에서 상기 콘크리트 빔의 길이방향을 따라 간격을 두고 돌출 설치되고, 상기 PS강판에는 상기 다수의 결합볼트가 삽입되는 다수의 결합볼트 삽입홀이 형성되며, 상기 다수의 결합볼트 삽입홀에 삽입된 상기 다수의 결합볼트 각각에 너트가 체결됨으로써, 상기 PS강판이 상기 콘크리트 빔의 상면에 밀착 결합될 수 있다.

또한, 상기 콘크리트 빔의 내부에는 적어도 상단부 외주면에 나사산이 형성된 다수의 U형나사철근이 수직으로 배근되고, 상기 다수의 U형나사철근의 상단부가 상기 콘크리트 빔의 상면 위로 노출되어 상기 다수의 결합볼트를 구성할 수 있다.

또한, 상기 콘크리트 빔에 설치되어 상기 한 쌍의 받침턱을 지지하며, 상기 PS강판에 의해 상기 한 쌍의 받침턱에 작용하는 신장력을 상기 콘크리트 빔에 전달하는 전단연결틀을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 전단연결틀은, 상기 한 쌍의 받침턱 각각의 하부에 고정 설치되며 그 상면이 노출되도록 상기 콘크리트 빔에 매립된 수평판과; 상기 수평판의 저면에 고정 설치되어 상기 콘크리트 빔 내부에 매립된 전단연결부재;를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 전단연결부재는 상기 콘크리트 빔의 길이방향을 따라 다수개가 간격을 두고 배치되며, 상기 다수의 전단연결부재 각각의 사이 간격에 상기 콘크리트 빔 내부에 횡방향으로 배근된 횡철근 및 수직으로 배근된 U형철근이 배치될 수 있다.

또한, 상기 전단연결부재에는 횡방향으로 관통된 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀에는 결속보강철근이 삽입될 수 있다.

또한, 상기 수평판의 저면과 상기 콘크리트 빔 내부에 횡방향으로 배근된 횡철근 사이에 상기 수평판의 높이를 조절하기 위한 높이조절대가 개재될 수 있다.

또한, 상기 수평판의 상면에 상기 한 쌍의 받침턱을 받쳐주는 보강대가 부착될 수 있다.

그리고, 상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔의 제작방법은,

내부에는 PS강재가 삽입될 덕트가 마련되고, 길이방향 중간부 상면에는 그 길이방향으로 간격을 두고 한 쌍의 받침턱이 설치된 콘크리트 빔을 제작하는 단계; 상기 한 쌍의 받침턱 사이의 간격보다 긴 길이를 가진 PS강판을 제작하는 단계; 상기 PS강판을 수축된 상태로 상기 콘크리트 빔의 상면에 밀착 결합되도록 상기 한 쌍의 받침턱 사이에 설치하는 단계; 및 상기 덕트에 상기 PS강재를 삽입하여 인장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 콘크리트 빔의 제작 단계에서, 상기 콘크리트 빔의 상면에는 다수의 결합볼트가 상기 한 쌍의 받침턱 사이의 간격 내에서 상기 콘크리트 빔의 길이방향을 따라 간격을 두고 돌출 설치되고, 상기 PS강판의 제작 단계에서, 상기 PS강판에는 상기 다수의 결합볼트가 삽입되는 다수의 결합볼트 삽입홀이 형성될 수 있다.

또한, 상기 PS 강판의 설치 단계는, 상기 PS강판의 수직투영한 길이가 상기 한 쌍의 받침턱 사이의 간격보다 작거나 같게 되도록 상기 PS강판을 만곡하는 단계와, 만곡된 상기 PS강판을 상기 한 쌍의 받침턱 사이에 설치하는 단계와, 상기 다수의 결합볼트 삽입홀에 삽입된 상기 다수의 결합볼트 각각에 너트를 체결하여 상기 PS강판을 상기 콘크리트 빔의 상면에 밀착 결합시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 PS강판의 설치 단계는, 상기 PS강판의 길이가 상기 한 쌍의 받침턱 사이의 간격보다 작거나 같게 되도록 상기 PS강판을 냉각수축시키는 단계와, 냉각수축된 상기 PS강판을 상기 한 쌍의 받침턱 사이에 설치하는 단계와, 상기 다수의 결합볼트 삽입홀에 삽입된 상기 다수의 결합볼트 각각에 너트를 체결하여 상기 PS강판을 상기 콘크리트 빔의 상면에 밀착 결합시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 콘크리트 빔의 상면에 수축된 상태로 설치되는 PS강판에 의해 콘크리트 빔의 상부에 추가적인 프리스트레스가 도입되어 부모멘트가 발생되고, 이러한 부모멘트는 설계하중으로 인해 발생되는 정모멘트에 의해 콘크리트 빔의 상부에 작용하는 압축응력과 하부에 작용하는 인장응력을 감소시키게 되며, 또한 PS강판이 콘크리트 빔에 합성됨으로써 강성이 증대되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같은 강성 증대에 해당하는 만큼 콘크리트 빔의 높이를 낮출 수 있으며, 또한 종래의 PSC 빔과 동일한 형고에서 더 긴 지간(span)으로 설계될 수 있는 장점을 가지게 된다.

또한, 본 발명은 종래공법에서 강성증대의 목적으로만 설치되는 판형강재에 프리스트레스를 도입하여 재료의 활용성을 극대화시켰으며, 프리스트레스를 도입하는 수단으로 별도의 PS강재를 사용하지 않으므로 제작비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.

그리고, PS강판은 사용하중에 의한 휨응력이 과도한 콘크리트 빔의 길이방향 중간부에만 설치되므로, 재료를 효율적으로 사용할 수 있게 되어 보다 저렴한 강합성 PSC 빔의 제작이 가능해지는 장점이 있다.

또한, 얇은 PS강판이 바닥판 및 콘크리트 빔에 배근된 횡철근 및 종철근에 간섭되지 않으므로, 구조적 결함이 없이 간단한 공정으로 PSC 빔에 추가적인 프리스트레스가 도입될 수 있으며, 그 제작 공정이 간편하고, 재료의 활용성을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 PSC 빔의 일 예로서 상부 플랜지 상면에 판형강재가 설치된 구조를 가진 PSC 빔의 횡단면도이다.
도 2와 도 3은 종래의 PSC 빔의 다른 예들을 도시한 도면들로서, 도 2는 상부 플랜지 내부에 H형강재가 매립된 구조를 가진 PSC 빔의 횡단면도이고, 도 3은 상부 플랜지 상면에 H형강재가 설치된 구조를 가진 PSC 빔의 횡단면도이다.
도 4와 도 5는 도 2와 도 3에 도시된 종래의 PSC 빔에서 콘크리트 빔과 바닥판 내의 철근의 배치를 각각 도시한 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 PSC 빔의 종단면도이다.
도 7은 도 6에 표시된 A-A선을 따른 강합성 PSC 빔의 횡단면도이다.
도 8 내지 도 12는 도 6과 도 7에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 PSC 빔의 제작방법을 단계적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 13은 본 발명의 PS강재와 PS강판을 이용한 프리스트레스의 도입으로 발생되는 저항응력 선도와 이에 대비되는 사용하중으로 발생되는 휨응력 선도를 보여주는 도면이다.
도 14와 도 15는 도 12에 표시된 B-B선을 따른 단면도로서, 철근의 배근상세 및 PS강판과 결합볼트의 배치를 보여주는 횡단면도들이다.
도 16은 도 6에 표시된 C-C선을 따른 단면도로서, 철근의 배근상세 및 받침턱을 지지하는 전단연결틀의 배치를 보여주는 횡단면도이다.
도 17은 도 16에 표시된 D-D선을 따른 단면도로서, 철근의 배근상세 및 받침턱을 지지하는 전단연결틀의 배치를 보여주는 종단면도이다.
도 18은 도 16과 도 17에 도시된 전단연결틀을 보여주는 부분 사시도이다.
도 19 내지 도 21은 다양한 단면 형상을 가진 콘크리트 빔에 PS강판이 설치된 예들을 도시한 강합성 PSC 빔의 종단면도들이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔 및 그 제작방법에 대한 바람직한 실시예들에 대해 설명하기로 한다.

이하의 설명에서 공지된 구성이나 기능에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략되며, 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 PSC 빔의 종단면도이고, 도 7은 도 6에 표시된 A-A선을 따른 강합성 PSC 빔의 횡단면도이다.

도 6과 도 7을 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 PSC 빔(100)은, 콘크리트 빔(110)과, 상기 콘크리트 빔(110)의 내부에 배치되어 콘크리트 빔(110)에 프리스트레스를 도입하는 PS강재(Prestressing steel, 120)와, 상기 콘크리트 빔(110)의 상면에 소정 간격 이격되도록 설치된 한 쌍의 받침턱(140)과, 상기 한 쌍의 받침턱(140) 사이에 설치되어 콘크리트 빔(110)에 추가적인 프리스트레스를 도입하는 PS강판(Prestressing steel plate, 130)을 포함한다.

구체적으로, 상기 콘크리트 빔(110)은 콘크리트를 기본 재료로 하며, 하부 플랜지(111)와 상부 플랜지(112)를 가진 I형의 단면 형상으로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 콘크리트 빔(110)은 I형 이외의 다양한 단면 형상을 가질 수 있으며, 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명하기로 한다.

상기 콘크리트 빔(110)의 상면에는 바닥판(도 12의 150)과의 결합을 위해 다수의 전단연결재(114)가 돌출되도록 설치되며, 상기 다수의 전단연결재(114) 각각의 하부는 콘크리트 빔(110)에 매립되어 고정된다.

상기 PS강재(120)는 상기 콘크리트 빔(110)의 내부에 배치되며 아래로 볼록한 포물선 형태로 콘크리트 빔(110)의 길이방향 일단으로부터 타단까지 길게 연장된다. 상기 PS강재(120)의 양단은 상기 콘크리트 빔(110)의 양단에 마련된 고정구(121, 122)에 각각 결합되어 고정된다. 상기 PS강재(120)는 다수, 예컨대 3개가 콘크리트 빔(110) 내부에 배치될 수 있다.

이와 같이 콘크리트 빔(110)의 내부에 배치된 상기 PS강재(120)를 인장시킨 상태로 그 양단을 상기 고정구(121, 122)에 고정시키면, PS강재(120)에는 수축력이 작용하게 되고, 이에 따라 콘크리트 빔(110)의 하부에는 프리스트레스로서 압축력이 도입된다. 이에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명된다.

상기 한 쌍의 받침턱(140)은 상기 PS강판(130)의 양단을 지지하기 위한 것으로, 콘크리트 빔(110)의 상면에 돌출되도록 설치된다. 상기 한 쌍의 받침턱(140)은 콘크리트 빔(110)의 길이방향 중간부에 콘크리트 빔(110)의 길이방향을 따라 소정 간격(L1)을 두고 배치된다. 구체적으로, 상기 한 쌍의 받침턱(140)은 콘크리트 빔(110)의 길이방향 중심으로부터 양단쪽으로 일정 거리 떨어진 위치에 각각 배치될 수 있다.

상기 한 쌍의 받침턱(140) 사이의 간격(L1) 내에는 후술하는 PS강판(130)을 콘크리트 빔(110)의 상면에 밀착 결합시키기 위한 다수의 결합볼트(134)가 콘크리트 빔(110)의 길이방향을 따라 일정한 간격으로 배치된다. 상기 다수의 결합볼트(134) 각각의 하부는 콘크리트 빔(110)에 매립되어 고정된다.

상기 PS강판(130)은 상기 한 쌍의 받침턱(140) 사이에 설치되며 그 양단이 한 쌍의 받침턱(140)에 각각 접촉되어 지지된다. 상기 PS강판(130)은 상기 한 쌍의 받침턱(140) 사이의 간격(L1)보다 긴 길이로 제작되어 수축된 상태로 한 쌍의 받침턱(140) 사이에 설치된다. 상기 PS강판(130)에는 상기 다수의 결합볼트(134)에 대응되는 위치에 다수의 결합볼트 삽입홀(132)이 형성되며, 상기 다수의 결합볼트 삽입홀(132)에 다수의 결합볼트(134)가 각각 삽입된 상태에서 다수의 결합볼트(134) 각각에 너트(136)를 체결하게 되면, 상기 PS강판(130)은 콘크리트 빔(110)의 상면에 밀착 결합된다.

이와 같이 한 쌍의 받침턱(140) 사이에 수축된 상태로 설치된 PS강판(130)에는 신장력이 작용하게 되고, 이러한 신장력은 한 쌍의 받침턱(140)을 통해 콘크리트 빔(110)에 전달되므로, 콘크리트 빔(110)의 상부에는 추가적인 프리스트레스로서 신장력이 도입된다.

상기한 바와 같이, 콘크리트 빔(110)에 PS강판(130)이 합성되어 본 발명에 따른 강합성 PSC 빔(100)을 구성하게 되므로, 일반적인 PSC 빔에 비해 강성이 증대되고 성능이 향상될 수 있다.

그리고, 콘크리트 빔(110) 내부에 배치된 PS강재(120)에 의해 콘크리트 빔(110)의 하부에 프리스트레스로서 압축력이 도입될 뿐만 아니라, 콘크리트 빔(110)의 상면에 설치된 PS강판(130)에 의해 콘크리트 빔(110)의 상부에 추가적인 프리스트레스로서 신장력이 도입된다. 이와 같이, 상기 PS강판(130)에 의해 콘크리트 빔(110)의 상부에 도입되는 신장력은 부모멘트를 발생시키게 되고, 이에 따라 하중에 의해 콘크리트 빔(110)의 상부에 작용하는 압축응력과 하부에 작용하는 인장응력이 감소되므로, 콘크리트 빔(110)의 강성이 더욱 증가될 수 있다. 이에 대해서도 뒤에서 상세하게 설명된다.

이하에서는 상기한 구성을 가진 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 PSC 빔의 제작방법에 대해 설명하기로 한다.

도 8 내지 도 12는 도 6과 도 7에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 PSC 빔의 제작방법을 단계적으로 설명하기 위한 도면들이다.

먼저, 도 8을 참조하면, 소정의 단면 형상을 가진 콘크리트 빔(110)을 제작한다. 이 단계에서, 콘크리트 빔(110) 내부에는 PS강재(120)가 삽입될 덕트(116)가 마련되고, 콘크리트 빔(110)의 상면에는 바닥판(도 12의 150)과의 결합을 위한 다수의 전단연결재(114)가 돌출되도록 설치된다. 그리고, 콘크리트 빔(110)의 상면 중 콘크리트 빔(110)의 길이방향 중간부에 콘크리트 빔(110)의 길이방향을 따라 소정 간격(L1)을 두고 한 쌍의 받침턱(140)이 설치된다. 또한, 상기 한 쌍의 받침턱(140) 사이의 간격(L1) 내에는 다수의 결합볼트(134)가 콘크리트 빔(110)의 길이방향을 따라 일정한 간격으로 배치된다. 상기 다수의 전단연결재(114)와 다수의 결합볼트(134) 각각의 하부는 콘크리트 빔(110)에 매립되어 고정된다.

그리고, 상기 한 쌍의 받침턱(140) 사이의 간격(L1)보다 긴 길이(L2)를 가진 PS강판(130)을 제작한다. 이때, 상기 PS강판(130)에, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 결합볼트(134)가 삽입될 다수의 결합볼트 삽입홀(132)을 형성한다.

다음으로, 도 9를 참조하면, 상기 PS강판(130)을 만곡하여 PS강판(130)의 수직투영한 길이가 상기 한 쌍의 받침턱(140) 사이의 간격(L1)보다 작거나 같게 되도록 한다. 이어서, 만곡된 PS강판(130)을 한 쌍의 받침턱(140) 사이에 설치한다. 이 단계에서, 상기 PS강판(130)을 만곡함에 있어서, PS강판(130)이 무겁고 얇아 단지 가운데를 잡고 들어올리는 것만으로도 쉽게 휘어지므로, 만곡하기 위한 별도의 노력은 불필요하다.

한편, 위에서는 상기 PS강판(130)을 만곡시켜 한 쌍의 받침턱(140) 사이에 설치하는 것으로 설명되었으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 상기 PS강판(130)을 냉매 등을 이용하여 냉각수축시켜 한 쌍의 받침턱(140) 사이의 간격(L1)보다 작거나 같게 되도록 한 후에 한 쌍의 받침턱(140) 사이에 설치할 수도 있다.

상기 PS강판(130)을 한 쌍의 받침턱(140) 사이에 설치하게 되면, PS강판(130)에 형성된 다수의 결합볼트 삽입홀(132)을 통해 다수의 결합볼트(134)의 상단부가 노출된다.

이어서, 도 10을 참조하면, 상기 다수의 결합볼트(134) 각각에 너트(136)를 강하게 체결하여 상기 PS강판(130)을 콘크리트 빔(110)의 상면에 밀착되도록 결합시킨다.

이 단계에서, PS강판(130)은 수축된 상태로 한 쌍의 받침턱(140) 사이에 설치되며 그 양단이 한 쌍의 받침턱(140)에 각각 접촉되어 지지된다. 이때, 상기 PS강판(130)은 그 길이(L2)가 줄어든 만큼 다시 늘어나려는 신장력(P')을 가지게 되고, 이러한 신장력(P')은 한 쌍의 받침턱(140)을 통해 콘크리트 빔(110)에 전달된다. 이에 따라, 콘크리트 빔(110)의 상부에는 추가적인 프리스트레스로서 신장력(P')이 도입된다.

상기 신장력(P')의 작용선은 콘크리트 빔(110)의 중립축(N.A(1))과 편심(e')되어 있으므로 부모멘트(M'=P'·e')가 발생되고, 상기 부모멘트(M')는 콘크리트 빔(110)에 작용하는 설계하중으로 인해 발생되는 정모멘트(Ms)와 반대 방향이므로, 상기 부모멘트(M')는 정모멘트(Ms)에 의해 콘크리트 빔(110)의 상부에 발생되는 압축응력을 감소시키고, 하부에 발생되는 인장응력을 감소시키게 된다.

이에 따라, 콘크리트 빔(110)의 강성이 증대되므로, 이에 해당하는 만큼 콘크리트 빔(110)의 높이를 낮출 수 있으며, 또한 종래의 PSC 빔과 동일한 형고에서 더 긴 지간(span)으로 설계될 수 있는 장점을 가지게 된다.

그리고, 상기 PS강판(130)이 다수의 결합볼트(134)와 너트(136)에 의해 콘크리트 빔(110)과 일체화되므로, 상기 콘크리트 빔(110)은 강합성 콘크리트 빔이 되고, 그로 인해 강성이 증가되며, 상기 중립축(N.A(1))이 상부로 이동되어 새로운 합성단면 중립축(N.A(2))이 형성된다.

이어서, 도 11을 참조하면, 상기 콘크리트 빔(110)의 내부에 마련된 덕트(116)에 PS강재(120)를 삽입한 후 인장시킨다. 그러면, PS강재(120)에는 수축력이 작용하게 되고, 이에 따라 콘크리트 빔(110)의 하부에는 프리스트레스로서 압축력(P)이 도입된다.

상기 압축력(P)의 작용선은 상기 합성단면 중립축(N.A(2))과 편심(e)되어 있으므로 부모멘트(M=P·e)가 발생되고, 상기 부모멘트(M)도 상기 정모멘트(Ms)와 반대 방향이므로, 정모멘트(Ms)에 의해 콘크리트 빔(110)의 상부에 발생되는 압축응력을 감소시키고, 하부에 발생되는 인장응력을 감소시키게 된다.

여기서, 상기 부모멘트(M)는 합성단면 중립축(N.A(2))과 압축력(P)의 작용선 사이의 거리인 합성단면 편심(e)의 크기에 비례하는데, 중립축(N.A(1))이 합성단면 중립축(N.A(2))으로 변화되면서 상기 합성단면 편심(e)이 커지게 되므로, 상기 부모멘트(M)의 크기도 커지게 된다.

따라서, PS강판(130)과 콘크리트 빔(110)의 결합은 강성증대 효과뿐만 아니라 프리스트레스의 효율을 증대시키는 장점도 가지게 된다.

상기한 단계들을 거치게 되면, 콘크리트 빔(110)에는 PS강재(120)에 의해 도입되는 프리스트레스로 인한 부모멘트(M=P·e)뿐만 아니라 PS강판(130)에 의해 도입되는 추가적인 프리스트레스로 인한 부모멘트(M'=P'·e')가 유도되어 설계하중으로 인해 발생되는 정모멘트(Ms)에 대응함으로써, 종래의 일반적인 PSC 빔에 대비하여 충분한 강성 개선효과를 가진 본 발명에 따른 강합성 PSC 빔(100)이 제작된다.

다음으로, 도 12를 참조하면, 상기한 바와 같이 제작된 강합성 PSC 빔(100)을 지지대(160) 위에 가설한 후, 그 위에 바닥판(150)을 시공하게 된다. 예를 들어, 상기 강합성 PSC 빔(100)이 교량의 건설에 사용될 경우, 상기 지지대(160)는 교대나 교각일 수 있으며, 바닥판(150) 위에 포장이나 난간(미도시)을 설치함으로써 교량이 완공된다.

도 13은 본 발명의 PS강재와 PS강판을 이용한 프리스트레스의 도입으로 발생되는 저항응력 선도와 이에 대비되는 사용하중으로 발생되는 휨응력 선도를 보여주는 도면이다.

도 13을 참조하면, 종래의 PSC 빔에서는 형고가 정해진 상태에서 지간이 길어지면 사용하중에 의한 휨응력 선도(DS)가 PS강재의 프리스트레스에 의한 저항응력 선도(DP)를 넘어서므로 구조적으로 불안전하여 시공될 수 없다.

그러나, 본 발명에서는 PS강판의 합성작용을 이용한 빔의 강성 보강과 PS강재의 프리스트레스 효율증대 및 PS강판의 신장력(P')과 편심(e')에 의한 부모멘트(M')에 의해 사용하중에 대한 저항성능이 증대되므로, 상기 저항응력 선도(DP)는 보강 저항응력 선도(DP')로 증대되어 구조적으로 안전하게 된다.

여기서, 상기 보강 저항응력 선도(DP')의 구간은 PS강판이 설치되는 구간인 한 쌍의 받침턱 사이의 간격(L1)이며, PS강판은 사용하중에 의한 휨응력이 과도한 길이방향 중간부에만 설치되고 나머지 부분에는 설치되지 않아 재료를 효율적으로 사용할 수 있게 된다.

또한, 만곡되어 설치된 PS강판을 콘크리트 빔과 일체화시키는 과정에서 PS강판에 신장력(P')이 유발되어 콘크리트 빔에 추가적인 프리스트레스가 도입되므로, 하나의 공정에서 두 가지 효과를 동시에 얻을 수 있어 시공이 간편해지고 제작비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 14와 도 15는 도 12에 표시된 B-B선을 따른 단면도로서, 철근의 배근상세 및 PS강판과 결합볼트의 배치를 보여주는 횡단면도들이다.

먼저, 도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 강합성 PSC 빔(100)에 있어서는, 상기 PS강판(130)의 두께가 얇아서 바닥판(150) 및 콘크리트 빔(110) 내에 횡방향으로 배근된 횡철근(117) 및 종방향으로 배근된 종철근(118)에 간섭되지 않으므로, 상기 횡철근(117) 및 종철근(118)이 단절되지 않고 연속될 수 있어서, 도 4와 도 5에 도시된 종래의 PSC 빔(20, 30)과 달리 구조적 결함이 없고 시공이 간편해지는 효과가 있다. 한편, 도 14에 표시된 참조번호 "119"는 콘크리트 빔(110) 내부에 수직으로 배근되는 U형철근을 가리킨다.

다음으로, 도 15를 참조하면, 도 14에 도시된 U형철근(119) 대신에 외주면에 나사산이 형성된 U형나사철근(119')을 사용하되, 상기 U형나사철근(119')의 상단부를 콘크리트 빔(110)의 상면 위로 노출시켜 그 노출된 부분을 도 14에 도시된 결합볼트(134)의 대용으로 사용할 수 있다. 상기 U형나사철근(19')의 전 외주면에 나사산이 형성될 수 있으나, 결합볼트(134)의 대용으로 사용되는 상단부 외주면에만 나사산이 형성될 수도 있다. 상기 U형철근(119)은 콘크리트 빔(110)에 필수적으로 배근되는 철근으로 이를 U형나사철근(119')으로 대체하는 것은 손쉬운 작업이며, 도 14에 도시된 결합볼트(134)를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 16은 도 6에 표시된 C-C선을 따른 단면도로서, 철근의 배근상세 및 받침턱을 지지하는 전단연결틀의 배치를 보여주는 횡단면도이고, 도 17은 도 16에 표시된 D-D선을 따른 단면도로서, 철근의 배근상세 및 받침턱을 지지하는 전단연결틀의 배치를 보여주는 종단면도이며, 도 18은 도 16과 도 17에 도시된 전단연결틀을 보여주는 부분 사시도이다.

도 16 내지 도 18을 함께 참조하면, 상기 콘크리트 빔(110)의 상부에는 한 쌍의 받침턱(140)을 지지하며 한 쌍의 받침턱(140)에 작용하는 신장력(P')을 콘크리트 빔(110)에 전달하기 위한 전단연결틀(142)이 설치될 수 있으며, 상기 전단연결틀(142)은, 수평판(143)과 전단연결부재(144)를 포함할 수 있다.

상기 수평판(143)은 상기 한 쌍의 받침턱(140) 각각의 하부에 설치되는 것으로, 그 상면이 노출되도록 콘크리트 빔(110)의 상부에 매립된다. 이때, 상기 수평판(143)의 노출된 상면과 콘크리트 빔(110)의 상면은 일치되는 것이 바람직하다. 상기 수평판(143)의 노출된 상면에 상기 받침턱(140)이 용접 등에 의해 고정설치된다.

상기 전단연결부재(144)는 상기 수평판(143)의 저면에 고정된 상태로 콘크리트 빔(110)의 내부에 매립되도록 설치된다. 상기 전단연결부재(144)는 U형상의 단면을 가질 수 있으며, 이 외에도 관형, "ㄱ"자 형 등의 다양한 형상의 단면을 가질 수 있다. 그리고, 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 수평판(143)을 받침턱(140)보다 넓게 형성하여, 수평판(143)의 저면에 콘크리트 빔(110)의 길이방향을 따라 다수의 전단연결부재(144)를 소정 간격 이격시켜 배치할 수 있다.

상기 전단연결부재(144)는 콘크리트 빔(110) 내에 배근되는 종철근(118)과 간섭되지 않도록 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 도 17에 도시된 바와 같이, 콘크리트 빔(110) 내에 배근되는 횡철근(117) 및 U형철근(119)을 다수의 전단연결부재(144) 각각의 사이 간격에 배치할 수 있으며, 이에 따라 전단연결부재(144)와 횡철근(117) 및 U형철근(119)의 간섭도 피할 수 있으므로, 전단연결틀(142)의 설치가 간편해지는 장점이 있다.

또한, 다수의 전단연결부재(144) 각각에는 횡방향으로 관통된 관통홀(145)이 형성될 수 있으며, 상기 관통홀(145)에는 도 18에 도시된 바와 같이 소정의 길이를 가진 결속보강철근(146)이 삽입된다. 상기 결속보강철근(146)에 의해 전단연결틀(142)은 콘크리트 빔(110)에 더욱 견고하게 결합될 수 있다. 그리고, 상기 결속보강철근(146)은 전단연결틀(142)을 횡철근(117) 위에 설치한 다음에 관통홀(145)에 삽입되는 것이 바람직하다.

또한, 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 전단연결틀(142)의 수평판(143) 저면과 횡철근(117) 사이에 높이조절대(147)가 개재될 수 있으며, 상기 높이조절대(147)는 상기 수평판(143)의 저면에 부착되거나 횡철근(117)의 상면에 부착될 수 있다. 상기 높이조절대(147)를 사용하여 수평판(143)의 상면 높이를 조절하기 쉽고 전단연결틀(142)의 설치가 더욱 간편해지는 장점이 있다.

또한, PS강판(130)에 의해 상기 받침턱(140)에 작용하는 신장력(P')이 과대할 경우에는, 받침턱(140)이 뒤로 밀리거나 수평판(144)으로부터 분리될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 도 18에 도시된 바와 같이 수평판(144)의 노출된 상면에 받침턱(140)을 받쳐주는 보강대(148)를 용접 등에 의해 부착하는 것이 바람직하다.

위에서는, 도 7에 도시된 바와 같이 하부 플랜지(111)에 비해 상부 플랜지(112)의 폭이 넓은 I형 단면 형상을 가진 콘크리트 빔(110)의 상면에 추가적인 프리스트레스를 도입하기 위한 PS강판(130)이 설치된 예를 기준으로 본 발명이 설명되었으나, 본 발명은 이 외에 다양한 단면 형상을 가진 콘크리트 빔에도 적용될 수 있다.

도 19 내지 도 21은 다양한 단면 형상을 가진 콘크리트 빔에 PS강판이 설치된 예들을 도시한 강합성 PSC 빔의 종단면도들이다.

본 발명은, 도 19에 도시된 하부 플랜지(211)에 비해 상부 플랜지(212)의 폭이 좁은 I형 단면 형상을 가진 콘크리트 빔(210)에도 적용될 수 있으며, 도 20에 도시된 박스형 단면 형상을 가진 콘크리트 빔(310)에도 적용될 수 있다.

또한, 도 21에 도시된 바와 같이, U형 단면 형상을 가진 콘크리트 빔(410)에도 본 발명이 적용될 수 있으며, 이 경우 두 개의 상부 플랜지(412) 각각의 상면에 PS강판(130)이 설치될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100...강합성 PSC 빔 110,210,310,410...콘크리트 빔
111,211...하부 플랜지 112,212,412...상부 플랜지
114...전단연결재 116...덕트
117...횡철근 118...종철근
119...U형철근 119'...U형나사철근
120...PS강재 121,122...고정구
130...PS강판 132...결합볼트 삽입홀
134...결합볼트 136...너트
140...받침턱 142...전단연결틀
143...수평판 144...전단연결부재
145...관통홀 146...결속보강철근
147...높이조절대 148...보강대
150...바닥판 160...지지대

Claims (13)

1. 콘크리트 빔;
   상기 콘크리트 빔의 내부에 인장된 상태로 배치된 PS강재;
   상기 콘크리트 빔의 길이방향 중간부 상면에 상기 콘크리트 빔의 길이방향으로 간격을 두고 설치된 한 쌍의 받침턱; 및
   상기 한 쌍의 받침턱 사이의 간격보다 긴 길이로 제작되어 수축된 상태로 상기 한 쌍의 받침턱 사이에 설치되며, 그 양단이 상기 한 쌍의 받침턱 각각에 접촉 지지되고, 상기 콘크리트 빔의 상면에 밀착 결합된 PS강판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 콘크리트 빔의 상면에는 다수의 결합볼트가 상기 한 쌍의 받침턱 사이의 간격 내에서 상기 콘크리트 빔의 길이방향을 따라 간격을 두고 돌출 설치되고, 상기 PS강판에는 상기 다수의 결합볼트가 삽입되는 다수의 결합볼트 삽입홀이 형성되며,
   상기 다수의 결합볼트 삽입홀에 삽입된 상기 다수의 결합볼트 각각에 너트가 체결됨으로써, 상기 PS강판이 상기 콘크리트 빔의 상면에 밀착 결합된 것을 특징으로 하는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 콘크리트 빔의 내부에는 적어도 상단부 외주면에 나사산이 형성된 다수의 U형나사철근이 수직으로 배근되고, 상기 다수의 U형나사철근의 상단부가 상기 콘크리트 빔의 상면 위로 노출되어 상기 다수의 결합볼트를 구성하는 것을 특징으로 하는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 콘크리트 빔에 설치되어 상기 한 쌍의 받침턱을 지지하며, 상기 PS강판에 의해 상기 한 쌍의 받침턱에 작용하는 신장력을 상기 콘크리트 빔에 전달하는 전단연결틀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 전단연결틀은,
   상기 한 쌍의 받침턱 각각의 하부에 고정 설치되며 그 상면이 노출되도록 상기 콘크리트 빔에 매립된 수평판과;
   상기 수평판의 저면에 고정 설치되어 상기 콘크리트 빔 내부에 매립된 전단연결부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 전단연결부재는 상기 콘크리트 빔의 길이방향을 따라 다수개가 간격을 두고 배치되며, 상기 다수의 전단연결부재 각각의 사이 간격에 상기 콘크리트 빔 내부에 횡방향으로 배근된 횡철근 및 수직으로 배근된 U형철근이 배치된 것을 특징으로 하는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔.
7. 제 5항에 있어서,
   상기 전단연결부재에는 횡방향으로 관통된 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀에는 결속보강철근이 삽입된 것을 특징으로 하는 강합섭 프리스트레스트 콘크리트 빔.
8. 제 5항에 있어서,
   상기 수평판의 저면과 상기 콘크리트 빔 내부에 횡방향으로 배근된 횡철근 사이에 상기 수평판의 높이를 조절하기 위한 높이조절대가 개재된 것을 특징으로 하는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔.
9. 제 5항에 있어서,
   상기 수평판의 상면에 상기 한 쌍의 받침턱을 받쳐주는 보강대가 부착된 것을 특징으로 하는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔.
10. 내부에는 PS강재가 삽입될 덕트가 마련되고, 길이방향 중간부 상면에는 그 길이방향으로 간격을 두고 한 쌍의 받침턱이 설치된 콘크리트 빔을 제작하는 단계;
    상기 한 쌍의 받침턱 사이의 간격보다 긴 길이를 가진 PS강판을 제작하는 단계;
    상기 PS강판을 수축된 상태로 상기 콘크리트 빔의 상면에 밀착 결합되도록 상기 한 쌍의 받침턱 사이에 설치하는 단계; 및
    상기 덕트에 상기 PS강재를 삽입하여 인장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔의 제작방법.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 콘크리트 빔의 제작 단계에서, 상기 콘크리트 빔의 상면에는 다수의 결합볼트가 상기 한 쌍의 받침턱 사이의 간격 내에서 상기 콘크리트 빔의 길이방향을 따라 간격을 두고 돌출 설치되고,
    상기 PS강판의 제작 단계에서, 상기 PS강판에는 상기 다수의 결합볼트가 삽입되는 다수의 결합볼트 삽입홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔의 제작방법.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 PS 강판의 설치 단계는,
    상기 PS강판의 수직투영한 길이가 상기 한 쌍의 받침턱 사이의 간격보다 작거나 같게 되도록 상기 PS강판을 만곡하는 단계와,
    만곡된 상기 PS강판을 상기 한 쌍의 받침턱 사이에 설치하는 단계와,
    상기 다수의 결합볼트 삽입홀에 삽입된 상기 다수의 결합볼트 각각에 너트를 체결하여 상기 PS강판을 상기 콘크리트 빔의 상면에 밀착 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔의 제작방법.
13. 제 11항에 있어서,
    상기 PS강판의 설치 단계는,
    상기 PS강판의 길이가 상기 한 쌍의 받침턱 사이의 간격보다 작거나 같게 되도록 상기 PS강판을 냉각수축시키는 단계와,
    냉각수축된 상기 PS강판을 상기 한 쌍의 받침턱 사이에 설치하는 단계와,
    상기 다수의 결합볼트 삽입홀에 삽입된 상기 다수의 결합볼트 각각에 너트를 체결하여 상기 PS강판을 상기 콘크리트 빔의 상면에 밀착 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강합성 프리스트레스트 콘크리트 빔의 제작방법.

Images