KR101272119B1 - 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 프리스트레스트 콘크리트 박스거더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프리스트레스가 도입된 교량용 콘크리트 박스거더에 있어 웨브를 이루는 콘크리트를 파형강판으로 대체한 복부 파형강판 프리스트레스트 콘크리트 박스거더에 관한 것으로, 특히 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 프리스트레스트 콘크리트 박스거더에 관한 것이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 프리스트레스가 도입되는 콘크리트 하부 플랜지, 서로 간격을 두고 배치되는 2개의 복부재 및 콘크리트 상부 플랜지가 박스형 단면을 이루고 2경간 이상 연속되는 교량용 박스거더에 있어서, 교각에 의해 지지되는 연속 지점부의 복부재는 콘크리트로 구성되고 연속 지점부 이외의 복부재는 파형강판으로 구성되며, 파형강판의 양쪽 단부는 콘크리트 복부재에 매입되고 상하 단부는 각각 콘크리트 상부 플랜지와 하부 플랜지에 매입되어 일체로 합성되는 것을 특징으로 하는 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 프리스트레스트 콘크리트 박스거더가 제공된다.

Description

연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 프리스트레스트 콘크리트 박스거더{PSC box girder of Propiled steel web for constructing bridge}

본 발명은 프리스트레스가 도입된 교량용 콘크리트 박스거더에 있어 웨브를 이루는 콘크리트를 파형강판으로 대체한 복부파형강판 프리스트레스트 콘크리트 박스거더에 관한 것으로, 특히 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 프리스트레스트 콘크리트 박스거더에 관한 것이다.

교량을 건설함에 있어서 다경간 연속구조계의 교량에서 지간장을 길게 하기 위하여 일반적으로 박스(Box) 타입, 특히 PSC 박스거더가 주류를 이루고 있다. 단점은 자중이 무겁다는 것이다. 이러한 결점을 보완하기 위하여 최근에는 복부에 파형강판을 사용한 복부파형강판 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 박스구조가 활발히 사용되고 있다. 복부파형강판 PSC 박수거더는 PSC 박스거더에 비하여 자중이 20~30% 감소되므로 구조적, 경제적 장점을 가지고 있다.

PSC 박스거더로서 다경간 연속구조계의 교량을 계획할 경우 교각 바로 위 주두부, 즉 연속 지점부의 부모멘트가 아주 커지게 되는 문제점이 있다. 즉, 다경간 연속구조계의 교량에 있어서 교량의 전체 연장에 걸쳐서 연속된 상부구조체 전체가 하나의 휨 부재로 작용하는 데 각 교각 바로 위 연속 지점부의 부모멘트는 각 지간중앙부의 정모멘트보다 항상 커지게 된다. 이때 각 연속 지점부의 부모멘트는 결국 지간 중앙부의 사하중에 지배된다. 따라서 교각 위 각 연속 지점부의 부모멘트를 줄이기 위하여는 최대한 지간 중앙부 부재의 사하중을 감소시켜야만 한다.

PSC 박스거더의 경우에는 교량 전체 연장에 걸쳐서 단위 길이당 사하중이 거의 균일하다. 결국 교각 위의 각 지점부와 각 지간의 중앙부의 단위길이당 사하중은 거의 동일하다.

복부파형강판 PSC 박스거더의 경우에는 상대적으로 PSC 박스거더에 비하여 단위길이당의 사하중이 상당히 감소되므로 각 지점부의 부모멘트와 각 지간 중앙부의 정모멘트가 전체적으로 감소되기는 하나 교량 전연장에 걸쳐서 연속된 상부구조체 전체가 하나의 휨 부재로 작용함으로 인하여 각 교각 바로 위 지점부의 부모멘트가 각 지간 중앙부의 정모멘트보다 항상 커지게 되는 것은 마찬가지이다.

복부파형강판 PSC 박스거더교의 경우에는 복부가 파형강판으로 구성되어 있어서 전체가 하나의 콘크리트 덩어리로 구성된 PSC 박스거더에 비하여 구조체 자체의 강성이 작아지는 것은 당연한 현상이다.

결국 복부파형강판 PSC 박스거더교든 PSC 박스거더교든 다경간 연속구조계의 교량을 계획함에 있어서 항상 첨예하게 대두되는 연속 지점부의 부모멘트를 줄이거나 또는 연속 지점부 구조체 자체의 강성을 증대시키는 것이 합리적인 다경간 연속구조계의 교량을 계획할 수 있는 기반으로서 이를 바탕으로 각 교각 위 지점부 상부구조체(주두부)의 형고를 낮추거나 교량의 지간장을 상대적으로 더욱더 길게 하고자 하는 것이 궁극적인 목표들이다.

본 발명은 위와 같은 궁극적인 목표들을 달성하기 위하여 PSC 박스거더교와 복부파형강판 PSC 박스거더교의 상대적인 장단점들을 적절히 혼용하여 더욱더 합리적인 다경간 연속구조계의 교량을 건설할 수 있도록 하고자 하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 프리스트레스가 도입되는 콘크리트 하부 플랜지, 서로 간격을 두고 배치되는 2개의 복부재 및 콘크리트 상부 플랜지가 박스형 단면을 이루고 2경간 이상 연속되는 교량용 박스거더에 있어서, 교각에 의해 지지되는 연속 지점부의 복부재는 콘크리트로 구성되고 연속 지점부 이외의 복부재는 파형강판으로 구성되며, 파형강판의 양쪽 단부는 콘크리트 복부재에 매입되고 상하 단부는 각각 콘크리트 상부 플랜지와 하부 플랜지에 매입되어 일체로 합성되는 것을 특징으로 하는 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 프리스트레스트 콘크리트 박스거더가 제공된다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 콘크리트 복부재에 일정 깊이로 매입되는 파형강판 복부재의 단부에는 상하로 일정한 간격을 두고 다수 개의 전단연결재가 파형강판 복부재를 관통하도록 설치된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 종단면 형상이 전지간에 걸쳐 일정한 형고를 가진 등단면 또는 형고가 변화하는 변단면으로 된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 콘크리트 복부재는 부모멘트가 작용하는 구간 내에 위치한다.

본 발명은 PSC 박스거더교와 복부파형강판 PSC 박스거더교의 상대적인 장단점들을 적절히 혼용하여 더욱더 합리적인 다경간 연속구조계의 교량을 건설할 수 있도록 하고자 하는 것으로, 각 교각 위 부모멘트 구간의 상부구조체는 상대적으로 보다 더 강성이 큰 PSC 박스구조로 계획하고 지간 중앙부의 정모멘트 구간에는 상대적으로 사하중이 감소되는 복부파형강판 PSC 박스구조로 계획하여 지간 중앙부 구조체의 사하중으로 인한 각 지점부의 부모멘트를 감소시킨 구조로서 보다 더 효과적이고 합리적인 교량을 건설할 수 있게 되는 이점이 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 PSC 박스거더 교량을 나타낸 종단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 PSC 박스거더를 나타낸 일부절개사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 PSC 박스거더를 나타낸 횡단면도로서 (a)는 연속 지점부 이외의 부분의 횡단면도이고, (B)는 연속 지점부의 횡단면도이며, 도 3은 복부가 파형강판으로 구성되는 구간을 나타낸 도면이다.
도 4는 복부가 파형강판으로 구성되는 구간을 나타낸 도면이다.
도 5는 파형강판 복부재와 콘크리트 복부재의 접속부 구조를 나타낸 일부절개사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 PSC 박스거더 교량의 다른 실시예를 나타낸 종단면도이다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 PSC 박스거더 교량을 나타낸 종단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 PSC 박스거더(10)는, 전지간에 걸쳐 동일한 형고를 가진 등단면으로서, 교각(P1,P2)에 의해 지지되는 연속 지점부는 PSC 박스거더의 형태로 구성하여 강성을 증대시키고 그 이외의 부분은 복부파형강판 PSC 박스거더의 형태로 구성하여 강성을 그다지 떨어뜨리지 않고 자중을 경감시킨 종단면 형상을 가진 일종의 복합거더이다. 즉, 복부파형강판 PSC 박스거더의 연속 지점부의 횡단면 형상을 PSC 박스거더의 형상으로 한 것이다. 이에 따라 연속 지점부에서의 복부파형강판 PSC 박스거더의 강성을 증대되어 부모멘트에 저항하기 위해 거더의 형고를 증가시킬 필요가 없으며 형고를 증가시키지 않고도 장지간화가 가능하게 된다. 교대(A1,A2)에 의해 지지되는 단부 지점부는 일반적으로 단순 지지됨으로 연속 지점부와 달리 PSC 박스거더의 형태로 구성할 필요가 없으나 교대(A1,A2)와 일체로 되는 형태 또는 긴장재의 정착 편의성 및 간편화를 위해 연속 지점부와 동일하게 PSC 박스거더의 형태로 구성할 수 있다.

아래에서 본 발명에 따른 복부파형강판 PSC 박스거더(10)의 횡단면 형상을 도 2와 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 PSC 박스거더를 나타낸 일부절개사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 PSC 박스거더를 나타낸 횡단면도로서 (a)는 연속 지점부 이외의 부분의 횡단면도이고, (B)는 연속 지점부의 횡단면도이며, 도 4는 복부가 파형강판으로 구성되는 구간을 나타낸 도면이다.

도 2와 도 3의 (a)를 참조하면, 복부파형강판 PSC 박스거더(10)의 연속 지점부를 제외한 나머지 부분은 프리스트레스가 도입된 콘크리트 하부 플랜지(11), 서로 간격을 두고 배치된 2개의 파형강판 복부재(12a) 및 콘크리트 상부 플랜지(13)로 구성된다. 즉, PSC 박스거더에서 30~40%의 비율을 차지하는 콘크리트 복부재를 파형강판으로 바꿈으로써 휨 강성을 그다지 떨어뜨리지 않고 박스거더의 전체 무게를 저감한 단면형상을 갖는다.

파형강판 복부재(12a)는 도시된 바와 같이 경사형으로 할 수도 있으나 수직으로 하는 것도 가능하다. 복부재(12a)를 구성하는 파형강판은 일정한 두께를 가지는 강판을 프레스 가공하여 골과 마루가 연속적으로 형성되도록 한 것으로서 골과 마루의 형상은 사다리꼴 형상 또는 사인곡선(Sine curve) 및 코사인곡선(Cosine curve)과 같이 삼각함수 곡선으로 이루어진 파형 형상을 가질 수 있다. 복부재(12a)의 상하 양단에는 각각 "ㄱ"자형 플레이트(121)가 결합되고 "ㄱ"자형 플레이트(121)에는 콘크리트 플랜지(12,13)와 복부재(12a)를 합성하기 위해 다수 개의 스터드 커넥터(122)가 설치된다,

이렇게 복부파형강판 PSC 박스거더(10)의 연속 지점부를 제외한 나머지 부분에 복부재로 파형강판을 적용함에 따라 전체 거더의 중량을 감소시킬 수 있고 이에 따라 콘크리트 하부 플랜지(11)에 도입되는 프리스트레스량도 감소할 수 있다. 그러므로 압출공법으로 가설하는 경우 가설시에 필요한 프리스트레스량을 완성계의 소요량에 가까운 것으로 설정할 수 있는 이점이 있다.

도 2와 도 3의 (b)를 참조하면, 복부파형강판 PSC 박스거더(10)의 연속 지점부는 프리스트레스가 도입된 콘크리트 하부 플랜지(11), 서로 간격을 두고 배치된 2개의 콘크리트 복부재(12b) 그리고 콘크리트 상부 플랜지(13)로 구성된다. 즉, 연속 지점부에서 복부재는 콘크리트 부재가 된다. 복부재로 콘크리트 부재가 적용되는 구간은 교각에 의해 지지되는 연속 지점부로서 도 4에서와 같이 부모멘트가 작용하는 구간(Ln)이다. 따라서 복부재로 콘크리트 부재가 적용되는 부분의 최대 길이는 부모멘트가 작용하는 구간(Ln)의 길이가 될 수 있다.

복부재로 파형강판을 적용한 부분과 복부재로 콘크리트를 적용한 부분이 서로 연결되는 복부재간의 접속부에서 콘크리트와 파형강판의 완전한 합성을 위해 도 5에 도시된 바와 같은 접합구조가 적용될 수 있다.

도 5는 파형강판 복부재와 콘크리트 복부재의 접속부 구조를 나타낸 일부절개사시도이다.

도 5를 참조하면, 콘크리트 복부재(12b)에 일정 깊이로 매입되는 파형강판 복부재(12a)의 단부에는 상하로 일정한 간격을 두고 다수 개의 전단연결재(125)가 파형강판 복부재(12a)를 관통하도록 설치된다. 전단연결재(125)로는 콘크리트 복부재(12b)의 두께보다 길지 않는 길이를 갖는 이형철근이 사용될 수 있으나 본 발명에 이에 제한되는 것은 아니고 콘크리트 복부재(12b)에 매입되어 파형강판 복부재(12a)와의 합성력을 높일 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 가능하다. 이와 같이 파형강판 복부재(12a)가 콘크리트 복부재(12b)에 매입될 때 전단연결재(125)가 콘크리트 복부재(12b)에 일체로 매입되므로 복부파형강판재(12a)와 콘크리트 복부재(12b)가 견고하게 합성되어 일체화된다.

도 5에서와 같이 연속 지점부를 이루는 PSC 박스거더의 형태의 단면과 연속 지점부 이외의 부분을 이루는 복부파형강판 PSC 박스거더의 형태의 단면의 연결은 파형강판 복부재(12a)의 단부에 전단연결재(125)를 설치하고 콘크리트 복부재(12b)에 매입함으로써 이루어질 수 있고 각 지간을 구성하는 박스거더의 연속화는 콘크리트 하부 플랜지에 매입된 긴장재에 프리스트레스를 도입하면서 또는 추가로 외부에 배치되는 긴장재를 이용한 포스트텐션닝을 통해 연속화하는 것과 같이 PSC 박스거더의 연속화를 위해 공지된 임의의 방법을 이용할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 PSC 박스거더 교량의 다른 실시예를 나타낸 종단면도이다.

본 실시예에 있어서 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 PSC 박스거더(10)는, 종단면의 형상이 도 1에 도시된 실시예와 달리 전지간에 걸쳐 형고가 변하는 변단면이라는 점에서 차이가 있고 횡단면 형상은 같다. 종단면의 형상은 설계와 시공의 편이성만을 고려한다면 도 1에서와 같이 형고를 일정하게 하는 것이 편리하나 지간장이 일정한 길이를 초과하게 되면 자중이 전체하중에서 차지하는 비중이 증가하게 되므로 형고를 변화시키는 것이 유리하다. 본 실시예에서 거더 하면은 미관을 고려하여 원호 또는 2차포물선 형태로 설치하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 직선과 2차 포물선을 조합한 형태로 할 수도 있다.

이상과 같이 구성되는 본 발명에 따른 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 PSC 박스거더는 가설방법에 따라 1 지간장으로 또는 1/2~1/3 지간장의 길이로 제작될 수 있다. 이때, 단위 길이를 가지는 파형강판 복부재(12a)의 연결은 이 분야에서 공지된 임의의 연결방법을 적용할 수 있으며 예를 들어, 복부재(12a)를 겹쳐지게 배치한 상태에서 용접 또는 볼트를 이용해 연결하거나 복부재(12a)를 맞대로 연결부의 양쪽에 덧판을 댄 후 볼트를 관통시켜 접합할 수 있다. 콘크리트 하부 플랜지는 파형강판 복부재(12a)와 함께 미리 제작되는 프리캐스트 방식이 되며, 콘크리트 상부 플랜지는 교량의 가설방법에 따라 프리캐스트 방식 또는 현장타설방식으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 PSC 박스거더교의 가설방법은 공지된 임의의 PSC 박스거더교의 가설방법을 그대로 적용하여 또는 가설방법을 적절히 병용하여 가설할 수 있다. 즉, 지간 전체에 걸쳐 동바리로 지지하면서 거더를 현장에서 완성해나가는 동바리공법(Full Staging Method:FSM)으로 가설하거나, 교각에 의해 지지되는 연속 지점부는 동바리공법(Full Staging Method:FSM)으로 가설하고 그 이외의 부분은 연속압출공법(Incremental Launching Method:ILM)으로 가설하거나, 전 지간을 연속압출공법이나 캔틸레버공법(Free Cantilever Method:FCM) 등으로 가설할 수 있다.

위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으면 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

11: 콘크리트 하부 플랜지
12a: 파형강판 복부재
12b: 콘크리트 복부재
13: 콘크리트 상부 플랜지
121: "ㄱ"자형 플레이트
122: 스터드 커넥터
125: 전단연결재

Claims (4)

1. 프리스트레스가 도입되는 콘크리트 하부 플랜지, 서로 간격을 두고 배치되는 2개의 복부재 및 콘크리트 상부 플랜지가 박스형 단면을 이루고 2경간 이상 연속되는 교량용 박스거더에 있어서,
   교각에 의해 지지되는 연속 지점부의 복부재는 콘크리트로 구성되고 연속 지점부 이외의 복부재는 파형강판으로 구성되며, 파형강판의 양쪽 단부는 콘크리트 복부재에 매입되고 상하 단부는 각각 콘크리트 상부 플랜지와 하부 플랜지에 매입되어 일체로 합성되며,
   콘크리트 복부재에 일정 깊이로 매입되는 파형강판 복부재의 단부에는 상하로 일정한 간격을 두고 다수 개의 전단연결재가 파형강판 복부재를 관통하도록 설치되고,
   콘크리트 복부재는 부모멘트가 작용하는 전체 구간에 위치하며,
   박스거더는 종단면 형상이 전지간에 걸쳐 일정한 형고를 가진 등단면 또는 형고가 변화하는 변단면으로 되는 것을 특징으로 하는 연속 지점부의 강성이 증대된 교량용 복부파형강판 프리스트레스트 콘크리트 박스거더.
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