KR101300490B1 - 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더 및 이를 이용한 교량 시공 방법 - Google Patents

이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더 및 이를 이용한 교량 시공 방법 Download PDF

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한국건설기술연구원
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Abstract

상부플랜지의 일부를 강재로 대체하여 거더의 자중을 줄이고, 프리스트레스 도입시 거더 상부플랜지에 발생되는 인장응력을 강재가 저항할 수 있고, 또한, 중공 거더 제작시 하부플랜지에 최대의 프리스트레스를 가함으로써 하부플랜지에는 충분한 압축응력을 도입하고, 상부플랜지 강재에는 충분한 인장응력을 도입할 수 있는, 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더를 이용한 교량 시공 방법이 제공된다. 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더는, 상부플랜지, 측벽부 및 하부플랜지로 구성되고, 상부플랜지가 개방된 중공 거더로서, 상부플랜지 상에서 교축방향으로 중앙부 일부에 설치되는 강재; 및 강재와 상부플랜지를 연결하도록 강재 상에 형성된 스터드(Stud)를 포함하되, 상부플랜지의 중앙부 일부는 콘크리트 및 강재로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더 및 이를 이용한 교량 시공 방법 {HOLLOW GIRDER HAVING UPPER FLANGE OF DIFFERENT MATERIALS, AND METHOD FOR CONSTRUCTING BRIDGE USING FOR THE SAME}
본 발명은 거더교용 중공 거더에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 중공 콘크리트 거더에 있어서 중공 거더의 상부플랜지 일부를 강재와 콘크리트로 형성하는, 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더 및 이를 이용한 교량 시공 방법에 관한 것이다.
현재, 건설 구조재료로 활용성이 높은 콘크리트, 철근, 강판, 긴장재 등을 복합적으로 이용하여, 기존의 교량용 거더에 비해 구조적성능, 시공성, 경제성, 외관 등을 개선한 교량 형식이 개발되고 있다.
특히, 프리스트레스 력의 도입, 단면 형상의 조정(예를 들면, 중공부 도입 등), 시공 단계의 개선, 이종재료의 합성 등을 통해 단면 효율성을 향상시킴으로써, 낮은 형고의 장지간이 가능하고 보다 경제적인 교량 형식이 적용되고 있다.
예를 들면, 철근 콘크리트 빔을 포함하는 교량에 있어서, 중립축 하부 콘크리트의 인장응력을 제어하고, 경간의 길이를 연장하기 위하여 프리스트레스를 빔의 중립축 하부 쪽에 도입하는 방식이 매우 일반적으로 사용되고 있다.
이와 같이 빔에 프리스트레스를 도입하게 되면 빔이 배치된 상태에서 빔의 상부 쪽에 인장력이 가해지는데 콘크리트라는 재료의 특성상 인장에 취약하므로 프리스트레스의 도입에 한계가 있다. 그러한 한계로 인해 충분한 프리스트레스의 도입이 어려움을 해결하기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 다단계 긴장 방식이 사용되기도 하였다.
도 1은 종래의 기술에 따른 다단계 긴장방식의 2경간 연속교의 시공순서를 나타내는 도면이다.
도 1의 a) 내지 g)에 도시된 바와 같이, 다단계 긴장방식의 시공 순서는, 먼저, 도 1의 a)에 도시된 바와 같이, 빔(10)을 제작하고, 도 1의 b)에 도시된 바와 같이, 빔 단부면에 있는 1차 텐던의 정착구(20; 단부 정착구)를 이용하여 긴장한다.
다음으로, 도 1의 c)에 도시된 바와 같이, 1차 긴장한 빔을 교대 또는 교각 등의 교량 하부구조(30) 위에 거치하고, 다음으로, 도 1의 d)에 도시된 바와 같이, 슬래브(40)와 교각 상의 연속부에 콘크리트를 타설한다.
이후, 빔에 슬래브하중이 추가로 가해지면 추가로 프리스트레스의 도입이 가능해지기 때문에 연속부와 슬래브 콘크리트가 소정의 강도에 도달하면, 도 1의 e)에 도시된 바와 같이, 연속교 양단부의 측면 정착구(21)를 이용하여 2차 긴장을 한다.
다음으로, 2차 긴장이 완료되면, 도 1의 f)에 도시된 바와 같이, 포장과 방호책 또는 방호벽(50)을 설치하여 교량을 완공한다. 이때, 측면정착구는 긴장작업이 가능하도록 외부로 노출되어 있기 때문에, 도 1의 g)에 도시된 바와 같이, 교량 완공 후 차량 공용 중에도 긴장작업이 가능하다.
이에 따라 오랜 시간이 지난 후에 교량의 구조적 성능이 저하되었을 때, 예비적으로 설치한 여분의 비부착 강선이나 예비적으로 설치한 여분의 덕트를 사용하여 측면정착구에서 3차 긴장도 가능하다. 또한, 바닥판 슬래브에는 현장 타설이 주로 사용되고 있지만, 프리캐스트 슬래브나 프리캐스트 패널 등을 사용하는 경우도 있다. 이러한 경우, 프리캐스트 패널 또는 프리캐스트 슬래브를 빔에 설치하고, 이를 빔에 합성하기 전에 2차 긴장을 하는 방법이 주로 사용된다. 또한, 1차 텐던으로 도입하는 인장력이 커질수록 구조적으로 유리한데 보다 큰 인장력을 도입하기 위해서는 텐던의 배치에 있어서, 빔의 상하방향의 길이가 길어질수록 유리하게 된다.
그러나 빔의 상하방향의 길이가 길어지게 되면 그만큼 빔의 크기가 커지게 되고, 그에 따라 자중도 증가하므로 도입되는 인장력의 크기에 대한 장점이 사라지게 된다. 또한, 과도한 초기 긴장력을 가하게 되면 빔의 상면부에 균열이 발생할 수 있으므로 긴장력의 한계를 규정하는 중요한 변수이다.
이러한 종래의 프리스트레스트 콘크리트 빔의 경우 대부분 I자 형태의 단면으로 제작되므로, 제작성이나 시공시 안정성에 한계가 있다. 또한, 프리스트레스를 가하는 과정에서 상면에 발생하는 균열에 의해 도입되는 인장력의 크기가 제한되며, 이와 같이 제한된 프리스트레싱으로 인해 활하중이 가해졌을 때, 빔의 하부에 균열이 발생하는 등의 문제점이 생길 가능성이 상존하는 구조이다.
이러한 문제로 인해 빔에 발생한 균열을 유지보수하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있는 실정이며, 즉, 기존의 I형 프리스트레스트 거더(Prestressed Girder; PS Girder)의 시공시 불안정성과 거더폭의 한계 등을 극복하기 위하여 다양한 형태의 PS 거더가 개발되고 있다.
예를 들면, 거더에 중공부를 형성하고 프리스트레스 력을 도입하여 제작되는 거더는, 상부플랜지가 있는 박스형태의 폐합 단면(ㅁ자 형태), 및 상부플랜지의 일부 또는 전체가 제거되어 있는 U자 형태의 단면으로 대별된다.
또한, 폐합 단면(ㅁ자 형태)은 상부플랜지가 콘크리트로 형성되어 거더 하단에 프리스트레스 도입시 인장응력에 취약하고, 하부플랜지는 바닥판 하중과 차량 하중이 작용할 때 작용하는 인장력에 저항하는 것이 곤란하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 다단계 긴장을 수행하기도 한다.
종래 기술로서, 본 발명의 출원인에 의해 특허출원되어 등록된 대한민국 등록특허번호 제10-1057409호에는 "중공형 프리스트레스트 콘크리트 빔 및 그 다단계 제작방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 종래의 기술에 따른 중공형 프리스트레스트 콘크리트 빔의 제1 블록, 제 2블록 및 제3 블록의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 중공형 프리스트레스트 콘크리트 빔(70)은, 교량에 사용되는 프리스트레스트 콘크리트 빔으로서, 양단부 쪽에 배치되며 서로 마주보는 쪽에는 각각 단부방향으로 패인 오목부가 마련되며 철근 콘크리트 재질의 한 쌍의 제1 블록(71); 한 쌍의 제1 블록들(71) 사이에 배치되고 하방으로 패인 홈부가 마련되며 철근 콘크리트 재질로 이루어지는 여러 개의 제2 블록(72); 하단부는 제2 블록(72)의 홈부에 삽입되고 상단부는 홈부의 외부로 노출되며 빔에 중공을 형성하는 효과를 위한 경량의 제3 블록(73); 제1 블록(71) 및 제2 블록(72)이 배치되고 제2 블록(72)의 홈부에 제3 블록(73)이 삽입된 상태에서 한 쌍의 제1 블록들(71)을 서로 연결하는 가상의 직선에 의해 형성되는 공간 중 오목부, 제2 블록(72) 및 제3 블록(73)을 제외한 공간에 설치 및 타설되는 철근과 콘크리트로 이루어지는 제4 블록; 한 쌍 중 어느 하나의 제1 블록(71)으로부터 제2 블록들(72)을 통과하여 나머지 하나의 제1 블록(71)까지 연결되는 여러 개의 텐던 덕트(74); 여러 개의 텐던 덕트에 삽입되는 여러 개의 텐던(76); 및 텐던 덕트(74)의 양단부에 마련되어 텐던(76)에 인장력을 가한 채로 고정하기 위한 정착수단(75)을 포함한다.
종래의 기술에 따른 중공형 프리스트레스트 콘크리트 빔(70)은, 압축력 도입시 발생하는 빔 상면의 인장균열을 효과적으로 제어함으로써 보다 안정적으로 사용이 가능하고 유지보수의 수요가 줄어드는 중공형의 프리스트레스트 콘크리트 빔 및 그 제작방법을 제공할 수 있다. 또한, 콘크리트 블록의 폭을 적절히 조절함으로써 종래의 I형 빔에 비하여 빔의 수를 줄이거나 빔의 높이를 줄일 수도 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 중공형 프리스트레스트 콘크리트 빔(70)의 경우, 폐합 단면(ㅁ자 형태)의 거더를 형성하는 모든 재료가 철근콘크리트로 이루어짐으로써, 큰 자중으로 인해 프리스트레스 긴장시 상부플랜지는 응력에 대한 여유도가 높아 콘크리트 재료를 적용하는 것이 효율적이지 않을 수 있다.
한편, 관련 기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-949584호에는 "교량의 상부구조물용 프리캐스트 콘크리트 부재 및 이를 이용한 시공방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 종래의 기술에 따른 교량 상부 구조물에 사용되는 프리캐스트 콘크리트 부재인 거더를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 종래의 기술에 따른 종래의 기술에 따른 교량 상부 구조물에 사용되는 프리캐스트 콘크리트 부재인 거더(80)는, 압축 응력을 주기 위한 강철선(81a)을 삽입한 하부 플랜지(81), 상기 하부 플랜지(81)의 양쪽에 각각 폭이 넓어지도록 경사지게 형성되고 강철선(81a)이 삽입되지 않은 2개의 지주(82), 및 상기 2개의 지주(82)의 단부에 외측방향으로 수평하게 형성되는 2개의 상부 플랜지(83)로 이루어진다.
다시 말하면, 상기 거더(80)는 압축 응력을 주기 위한 강철선(81a)을 형성한 하부 플랜지(81)는 폭이 좁고, 양쪽의 수직방향으로 경사지고 강철선(81a)이 삽입되지 않은 2개의 지주(82)를 거쳐 상부 플랜지(83)까지 갈수록 폭이 넓어지도록 형성된다.
이에 따라, 거더(80)의 하부 플랜지(81)는 폭이 좁고 두껍기 때문에 좌굴에 유리하며, 비틀림 변형에 강하고, 횡 방향 하중을 고르게 지지할 수 있으므로, 상기 지주(82)의 두께를 얇게 하여 중량을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 거더(80)의 상부측으로는 상부 플랜지(83) 상호 간의 틈 발생 방지와 높이 차이를 방지하여 균일한 높이를 유지하도록 강철재료를 이용하여 봉 형상으로 제작한 양단에 수나사(85a)를 형성한 연결구(85)를 수용하기 위한 연결구 삽입공(84)이 형성된다.
이에 따라, 상기 거더(80) 들의 연결구 삽입공(84)에 상기 연결구(85)를 삽입하고 상부 플랜지(83)가 상호 밀착되도록 위치시킨 후, 너트(86)로 체결 고정하여 일체화시킬 수 있으므로, 상기 캔틸레버의 자중에 의한 모멘트 발생으로 인한 전도의 위험을 방지할 수 있다.
그러나 종래의 기술에 따른 프리캐스트 콘크리트 거더의 경우, 상부플랜지가 개방된 U형 거더는 상대적으로 좁은 폭을 갖는 웨브(Web)로 인해 프리스트레스의 도입시 응력과 변형에 문제가 있을 수 있다. 또한, 거더가 지지하는 바닥판 면적을 크게 하기 위하여 하부플랜지 폭보다 큰 상부플랜지 폭을 갖는 제형 단면은 웨브가 캔틸레버 형태이므로 수직에서 크게 기울이기가 어려우며, 상부플랜지 폭의 크기가 슬래브의 강성에 좌우되므로 상부플랜지 폭을 크게 넓히는 것도 곤란하다는 문제점이 있다. 또한, 거더의 상부플랜지 없이 바닥판이 놓이게 되므로 공용시에 거더 상단에 위치한 바닥판의 유지관리가 곤란하다는 문제점이 있다.
1) 대한민국 등록특허번호 제10-1057409호(출원일: 2010년 12월 3일), 발명의 명칭: "중공형 프리스트레스트 콘크리트 빔 및 그 다단계 제작방법" 2) 대한민국 등록특허번호 제10-1071115호(출원일: 2008년 9월 23일), 발명의 명칭: "중공형 거더의 교량받침 시공방법 및 중공형 거더 시공방법" 3) 대한민국 등록특허번호 제10-662814호(출원일: 2005년 9월 23일), 발명의 명칭: "중공관이 내장된 프리스트레스트 콘크리트 유거더 및 그의 연속화 공법" 4) 대한민국 등록특허번호 제10-949584호(출원일: 2007년 11월 27일), 발명의 명칭: "교량의 상부구조물용 프리캐스트 콘크리트 부재 및 이를 이용한 시공방법" 5) 대한민국 등록특허번호 제10-949585호(출원일: 2007년 11월 28일), 발명의 명칭: "프리 스트레스 콘크리트 보의 시공방법" 6) 대한민국 공개특허번호 제2009-80666호(공개일: 2009년 7월 27일), 발명의 명칭: "중공형 콘크리트 거더 제작방법 및 이를 이용하는 교량시공방법" 7) 대한민국 등록특허번호 제10-631807호(출원일: 2005년 1월 11일), 발명의 명칭: "강관으로 보강한 중공 콘크리트 거더 및 이를 이용한 거더교"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상부플랜지의 일부를 강재로 대체하여 거더의 자중을 줄이고, 프리스트레스 도입시 거더 상부플랜지에 발생되는 인장응력을 강재가 저항할 수 있는, 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더 및 이를 이용한 교량 시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 중공 거더 제작시 하부플랜지에 최대의 프리스트레스를 가함으로써 하부플랜지에는 충분한 압축응력을 도입하고, 상부플랜지 강재에는 충분한 인장응력을 도입할 수 있는, 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더 및 이를 이용한 교량 시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더는, 상부플랜지, 측벽부 및 하부플랜지로 구성되고, 상기 상부플랜지가 개방된 중공 거더로서, 상기 상부플랜지 상에서 교축방향으로 중앙부 일부에 설치되는 강재; 및 상기 강재와 상기 상부플랜지를 연결하도록 상기 강재 상에 형성된 스터드(Stud)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 강재는, 프리스트레스 력에 저항하는 인장 구조부재 역할을 하고, 거더 상단부 바닥판 설치시 거푸집 역할을 하며, 상기 바닥판 타설시 하중으로 인해 거더 상단에 작용하는 압축력에 저항하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 강재는, 공용 중에 교량을 통과하는 차량 하중에 의해 발생되는 거더 상단의 압축력에 저항하고, 상기 바닥판과 합성되어 상기 차량 하중에 함께 저항하며, 거더 상단부 바닥판의 하단에 발생될 수 있는 균열에 저항할 수 있다.
본 발명에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더는, 거더폭을 넓힐 경우, 상기 상부플랜지용 강재와 합성되도록 거더 중앙부에 교축방향으로 형성되는 수직부재를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더는, 추가 인장력 도입을 위해 거더 내부에 배치되는 유지관리용 쉬스관; 및 상기 유지관리용 쉬스관을 정착시키도록 상기 중공 거더의 단부 측면에 설치되는 정착구를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 중공 거더는 지지되는 바닥판의 폭을 넓힐 수 있도록 상기 측벽부의 기울기를 크게 형성한 제형(梯形) 거더이고, 상기 바닥판은 강성이 큰 상기 강재와 합성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 중공 거더는 1회 긴장으로 긴장력을 최대로 도입할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더를 이용한 교량 시공 방법은, 상부플랜지, 측벽부 및 하부플랜지로 구성되고, 상기 상부플랜지가 개방된 중공 거더를 이용한 교량 시공 방법에 있어서, a) 중공 거더용 철근을 배근하고, 프리스트레스를 도입하기 위한 쉬스관을 설치하는 단계; b) 내부 중공부 형성재를 내부 중공부에 삽입하는 단계; c) 상부플랜지용 강재를 상기 상부플랜지 상에 설치하고, 거더 거푸집을 제작하여 설치하는 단계; d) 콘크리트를 타설 및 양생시키고, 상기 거더 거푸집을 탈형하는 단계; e) 긴장재를 설치하여 프리스트레스를 도입하는 단계; f) 상기 중공 거더를 교대 또는 교각 상에 거치하는 단계; 및 g) 바닥판 거푸집을 설치하고, 철근을 조립한 후 콘크리트를 타설 및 양생시키는 단계를 포함하되, 상기 c) 단계의 강재는 상기 상부플랜지 상에서 교축방향으로 중앙부 일부에 설치되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계의 강재는, 프리스트레스 력에 저항하는 인장 구조부재 역할을 하고, 거더 상단부 바닥판 설치시 거푸집 역할을 하며, 상기 바닥판 타설시 하중으로 인해 거더 상단에 작용하는 압축력에 저항하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 중공 거더는 지지되는 바닥판의 폭을 넓힐 수 있도록 상기 측벽부의 기울기를 크게 형성한 제형 거더이고, 상기 바닥판은 강성이 큰 상기 강재와 합성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상부플랜지의 일부를 강재로 대체하여 거더의 자중을 줄이고, 프리스트레스 도입시 거더 상부플랜지에 발생되는 인장응력을 강재가 저항할 수 있다.
본 발명에 따르면, 중공 거더 제작시 하부플랜지에 최대의 프리스트레스를 가함으로써 하부플랜지에는 충분한 압축응력을 도입하고, 상부플랜지 강재에는 충분한 인장응력을 도입할 수 있다. 이에 따라 바닥판 하중과 차량 하중에 의해 발생되는 상부플랜지의 압축응력과 하부플랜지의 인장응력에 효과적으로 대처할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다단계 긴장이 아닌 1회 긴장으로 최대한 긴장력 도입이 가능하므로, 교량 제작에 따른 공기단축, 공비절감, 고소긴장 작업 불필요 등 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 중공부 도입으로 저중량, 높은 재료 효율을 갖기 때문에, 낮은 형고가 가능하게 되고, 이에 따라 공사비를 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 다단계 긴장방식의 2경간 연속교의 시공순서를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 중공형 프리스트레스트 콘크리트 빔의 제1 블록, 제 2블록 및 제3 블록의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 교량 상부 구조물에 사용되는 프리캐스트 콘크리트 부재인 거더를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더의 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 상부가 넓은 제형 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더의 수직 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 상부가 넓은 제형 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더의 거더폭을 넓힌 경우를 나타내는 수직 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더의 사시도이다.
도 8a 내지 도 8d는 각각 도 7에 도시된 A-A, B-B, C-C 및 D-D 라인을 절개선으로 하는 수직 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더를 이용한 교량 시공방법의 동작흐름도이다.
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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 박스형 중공 거더의 수직 단면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 제형 중공 거더의 수직 단면도이다. 여기서, 도 4는 박스형 중공 거더를 나타내며, 도 5는 상부가 넓은 제형박스 중공 거더를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 박스형 중공 거더이거나 또는 도 5에 도시된 바와 같이, 상부가 넓은 제형(梯形)으로 중공 거더를 제작할 수 있다. 이하, 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더가 제형인 경우에 대해 구체적으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더(100)는 상부플랜지(110), 측벽부(Web: 120), 하부플랜지(130), 강재(140), 스터드(150) 및 쉬스관(160)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더(100)는 콘크리트 상부플랜지(110), 측벽부(120) 및 하부플랜지(130)로 구성되고, 상기 상부플랜지(110)가 단절된 중공 거더로서, 이때, 상기 강재(140)는 상기 상부플랜지(110) 상에서 단절된 양쪽 상부플랜지(110) 사이에 교축방향으로 중앙부 일부에 설치된다. 이때, 상기 강재(140)는 자중 감소와 인장 저항 능력을 고려하여 거더 종방향으로 중앙부 일부에만 배치된다.
스터드(150)는 상기 강재(140)와 상기 상부플랜지(110)를 연결하도록 상기 강재 상에 형성된다.
구체적으로, 상기 강재(140)는, 프리스트레스 력에 저항하는 인장 구조부재 역할을 하고, 거더 상단부 바닥판 설치시 거푸집 역할을 하며, 상기 바닥판 타설시 하중으로 인해 거더 상단에 작용하는 압축력에 저항하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 상기 강재(140)는, 공용 중에 교량을 통과하는 차량 하중에 의해 발생되는 거더 상단의 압축력에 저항하고, 상기 바닥판과 합성되어 상기 차량 하중에 함께 저항하며, 거더 상단부 바닥판의 하단에 발생될 수 있는 균열에 저항하여 바닥판의 내구성을 향상시키며, 거더 중공부의 유지관리가 필요 없도록 하는 역할을 수행할 수 있다.
쉬스관(160)은 프리스트레스를 도입하도록 중공 거더 하부에 설치된다.
본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더(100)는 상부플랜지(110)용 강재(140)를 중앙부에 배치함으로써, 측벽부(120)의 기울기를 크게 함으로써, 지지되는 바닥판의 폭을 넓힐 수 있으며, 또한, 강성이 큰 강재(140)가 바닥판과 합성되기 때문에 교량의 유지관리시에도 거더 상단부 바닥판에 문제가 발생되지 않게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더의 경우, 상부플랜지(110)의 유무에 따른 장단점을 고려하여, 상부플랜지(110)의 일부를 강재(140)로 대체함으로써, 중공 거더(100)의 자중을 줄이고, 이에 따라 프리스트레스 도입시 중공 거더(100)의 상부플랜지(110)에 발생되는 인장응력을 상기 강재(140)가 저항할 수 있다.
또한, 중공 거더(100) 제작시 하부플랜지(130)에 최대의 프리스트레스를 가함으로써 하부플랜지(130)에는 충분한 압축응력과 상기 상부플랜지(110)의 강재(140)에는 충분한 인장응력을 도입할 수 있다. 이에 따라 바닥판 하중과 차량 하중에 의해 발생되는 상부플랜지(110)의 압축응력과 하부플랜지(130)의 인장응력에 효과적으로 대처할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 제형 중공 거더의 거더폭을 넓힌 경우를 나타내는 수직 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 제형 중공 거더에서, 거더의 개수를 줄여 경제성을 확보하기 위하여 거더폭을 넓힐 경우, 중공 거더 중앙부에 추가적인 수직부재(170)를 형성하여 상부플랜지(110)의 강재(140)와 합성할 수 있다. 이때, 상기 수직부재(170)는 상기 상부플랜지용 강재(140)와 합성되도록 거더 중앙부에 교축방향으로 형성된다.
본 발명에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더는, 예기치 못한 문제로 인하여 중공 거더(100)의 추가적인 인장력의 도입이 필요할 경우에 활용하기 위하여 중공 거더(100) 내부에 유지관리용 쉬스관(190)을 배치하고, 중공 거더(100)의 단부 측면에 정착구(180)를 설치할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더의 사시도이고, 도 8a 내지 도 8d는 각각 도 7에 도시된 A-A, B-B, C-C 및 D-D 라인을 절개선으로 하는 수직 단면도들이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더(100)는, 지지되는 바닥판의 폭을 넓힐 수 있도록 상기 측벽부의 기울기를 크게 형성한 제형 거더이고, 상기 바닥판은 강성이 큰 상기 강재와 합성되고, 이때, 상기 중공 거더는 1회 긴장으로 긴장력을 최대로 도입할 수 있다.
도 8a에 도시된 바와 같이, A-A 라인을 절개선으로 하는 단면은 중공 거더의 중앙부로서, 강재와 합성된 부분을 나타내며, 또한, 도 8b에 도시된 바와 같이, B-B 라인을 절개선으로 하는 단면은 중공 거더의 종방향 1/4 부분을 나타낸다. 도 8c에 도시된 바와 같이, C-C 라인을 절개선으로 하는 단면은 중공 거더의 변단면을 나타내며, 또한, 도 8d에 도시된 바와 같이, D-D 라인을 절개선으로 하는 단면은 중공 거더의 단부를 나타낸다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더를 이용한 교량 시공방법의 동작흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더를 이용한 교량 시공방법은, 상부플랜지, 측벽부 및 하부플랜지로 구성되고, 상기 상부플랜지가 개방된 중공 거더를 이용한 교량 시공 방법으로서, 먼저, 중공 거더용 철근을 배근하고, 프리스트레스를 도입하기 위한 쉬스관을 설치한다(S110).
다음으로, 내부 중공부 형성재, 예를 들면, EPS(스티로폼)를 내부 중공부(S)에 삽입한다(S120).
다음으로, 전술한 바와 같이, 상부플랜지용 강재(140)를 상기 상부플랜지 상에 설치하고, 거푸집을 제작하여 설치한다(S130). 이때, 상기 강재는 상기 상부플랜지 상에서 교축방향으로 중앙부 일부에 설치된다. 또한, 상기 강재는, 프리스트레스 력에 저항하는 인장 구조부재 역할을 하고, 거더 상단부 바닥판 설치시 거푸집 역할을 하며, 상기 바닥판 타설시 하중으로 인해 거더 상단에 작용하는 압축력에 저항하는 역할을 수행할 수 있다.
다음으로, 콘크리트를 타설 및 양생시키고, 거푸집을 탈형한다(S140).
다음으로, 긴장재를 설치하고 프리스트레스를 도입한다(S150).
다음으로, 상기 중공거더를 교대 또는 교각 상에 거치한다(S160).
다음으로, 바닥판 거푸집을 설치하고, 철근을 조립한 후 콘크리트를 타설 및 양생시키며(S170), 마지막으로, 난간, 연석, 포장 등을 시공하여 교량을 완성한다(180). 여기서, 상기 중공 거더는 지지되는 바닥판의 폭을 넓힐 수 있도록 상기 측벽부의 기울기를 크게 형성한 제형 거더로서, 상기 바닥판은 강성이 큰 상기 강재와 합성된다.
본 발명의 실시예에 따른 교량은 거더교로서 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더를 사용하여 제작되며, 이때, 전술한 바와 같이, 중공 거더의 상부플랜지의 일부는 강재 및 콘크리트로 형성된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
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.
100: 중공 거더
110: 상부플랜지(Upper Flange)
120: 측벽부(Web)
130: 하부플랜지(Bottom Flange)
140: 강재
150: 스터드(Stud)
160: 쉬스관
170: 수직부재
180: 정착구
190: 유지관리용 쉬스관

Claims (10)

  1. 상부플랜지, 측벽부 및 하부플랜지로 구성되고, 상기 상부플랜지가 개방된 중공 거더로서,
    상기 상부플랜지 상에서 교축방향으로 중앙부 일부에 설치되는 강재; 및
    상기 강재와 상기 상부플랜지를 연결하도록 상기 강재 상에 형성된 스터드(Stud)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강재는, 프리스트레스 력에 저항하는 인장 구조부재 역할을 하고, 거더 상단부 바닥판 설치시 거푸집 역할을 하며, 상기 바닥판 타설시 하중으로 인해 거더 상단에 작용하는 압축력에 저항하는 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 강재는, 공용 중에 교량을 통과하는 차량 하중에 의해 발생되는 거더 상단의 압축력에 저항하고, 상기 바닥판과 합성되어 상기 차량 하중에 함께 저항하며, 거더 상단부 바닥판의 하단에 발생될 수 있는 균열에 저항하는 것을 특징으로 하는 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더.
  4. 제1항에 있어서,
    거더폭을 넓힐 경우, 상기 상부플랜지용 강재와 합성되도록 거더 중앙부에 교축방향으로 형성되는 수직부재를 추가로 포함하는 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더.
  5. 제1항에 있어서,
    추가 인장력 도입을 위해 거더 내부에 배치되는 유지관리용 쉬스관; 및
    상기 유지관리용 쉬스관을 정착시키도록 상기 중공 거더의 단부 측면에 설치되는 정착구
    를 추가로 포함하는 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중공 거더는 지지되는 바닥판의 폭을 넓힐 수 있도록 상기 측벽부의 기울기를 크게 형성한 제형(梯形) 거더이고, 상기 바닥판은 강성이 큰 상기 강재와 합성되는 것을 특징으로 하는 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 중공 거더는 1회 긴장으로 긴장력을 최대로 도입하는 것을 특징으로 하는 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더.
  8. 상부플랜지, 측벽부 및 하부플랜지로 구성되고, 상기 상부플랜지가 개방된 중공 거더를 이용한 교량 시공 방법에 있어서,
    a) 중공 거더용 철근을 배근하고, 프리스트레스를 도입하기 위한 쉬스관을 설치하는 단계;
    b) 내부 중공부 형성재를 내부 중공부에 삽입하는 단계;
    c) 상부플랜지용 강재를 상기 상부플랜지 상에 설치하고, 거더 거푸집을 제작하여 설치하는 단계;
    d) 콘크리트를 타설 및 양생시키고, 상기 거더 거푸집을 탈형하는 단계;
    e) 긴장재를 설치하여 프리스트레스를 도입하는 단계;
    f) 상기 중공 거더를 교대 또는 교각 상에 거치하는 단계; 및
    g) 바닥판 거푸집을 설치하고, 철근을 조립한 후 콘크리트를 타설 및 양생시키는 단계
    를 포함하되,
    상기 c) 단계의 강재는 상기 상부플랜지 상에서 교축방향으로 중앙부 일부에 설치되는 것을 특징으로 하는 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더를 이용한 교량 시공 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 c) 단계의 강재는, 프리스트레스 력에 저항하는 인장 구조부재 역할을 하고, 거더 상단부 바닥판 설치시 거푸집 역할을 하며, 상기 바닥판 타설시 하중으로 인해 거더 상단에 작용하는 압축력에 저항하는 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더를 이용한 교량 시공 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 중공 거더는 지지되는 바닥판의 폭을 넓힐 수 있도록 상기 측벽부의 기울기를 크게 형성한 제형(梯形) 거더이고, 상기 바닥판은 강성이 큰 상기 강재와 합성되는 것을 특징으로 하는 이종재료 상부플랜지를 갖는 중공 거더를 이용한 교량 시공 방법.
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