KR101543256B1 - 강연선 직선 배치를 통한 고효율 psc 거더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강연선 직선 배치를 통한 고효율 PSC 거더에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 강연선 직선 배치를 통한 고효율 PSC 거더는, 복수의 강연선을 배치하고, 상,하부 플랜지와 복부를 지니도록 I형 단면으로 형성된 포스트텐션 방식의 철근 콘크리트 PSC 거더에 있어서, 상기 PSC 거더는 하부 플랜지를 관통하도록 두 개의 강연선을 직선 배치하고, 하부 플랜지의 양 단부에 직선 배치된 두 개의 강연선을 각각 하부 정착구를 매개로 고정하며, 상기 PSC 거더의 중심에서 양 단부를 향하여 하부 플랜지와 복부 및 상부 플랜지를 순차적으로 관통하도록 하나의 상부 강연선을 포물선 배치하고, 상기 상부 플랜지 양 단부의 상부로 돌출부를 형성하되, 상기 돌출부의 양 단부에 포물선 배치된 하나의 상부 강연선을 돌출 정착구를 매개로 고정하는 것을 특징으로 한다.

Description

강연선 직선 배치를 통한 고효율 PSC 거더{High Efficiency Prestressed Concrete Girder by Strand Linear Arrangement}

본 발명은 강연선 직선 배치를 통한 고효율 PSC 거더에 관한 것으로, I형 단면으로 형성된 포스트텐션 방식의 철근 콘크리트 PSC 거더(Prestressed concrete girder)에 하부 플랜지를 관통하도록 강연선을 직선 배치하고, 하부 플랜지와 복부 및 상부 플랜지를 순차적으로 관통하도록 강연선을 포물선 배치하되, 상부 플랜지의 상부로 돌출부를 형성하고, 상기 돌출부에 포물선 배치된 강연선을 고정하여 포물선 배치를 통한 마찰손실을 최소화한 강연선 직선 배치를 통한 고효율 PSC 거더에 관한 것이다.

종래기술에 따른 일반적인 포스트텐션 방식의 PSC 거더는 I형 단면으로 형성된 거푸집에 철근과 쉬스관을 배치하고, 콘크리트를 타설 양생한 후에 PSC 거더의 단부에서 쉬스관에 강연선을 구비한 후, 강연선에 인장력을 가하여 콘크리트의 인장부에 압축력을 발생시켜 외력에 저항하도록 제작된다.

상기한 포스트텐션 방식의 PSC 거더는 여러가지 원인에 의하여 인장응력이 감소하게 되는데 인장응력의 감소원인은 크게 프리스트레싱 직후의 즉시 손실과 프리스트레싱 후 시간의 경과에 따라 발생하는 시간적 손실로 구분할 수 있다.

즉시 손실의 원인으로는 정착구의 활동에 의한 손실, 강연선과 쉬스관 사이에서 발생하는 마찰손실, 콘크리트의 탄성수축에 의한 손실 등이 있다.

또한, 시간적 손실의 원인으로는 콘크리트의 크리프에 의한 손실, 콘크리트의 건조수축에 의한 지속적 손실, 강연선의 릴렉세이션에 의한 손실 등이 있다.

일반적인 PSC 거더의 경우, 강연선의 응력손실은 초기 인장응력 대비 약 30% 이상이 발생되며, 대부분의 손실은 콘크리트와 강연선 등의 재료적인 특성에 기인하기에 그 손실을 효과적으로 줄이기는 어렵다.

그러나, 전체 응력 손실 중에서 약 30%를 차지하는 마찰손실은 강연선의 기하학적 배치에 의하여 충분히 감소가 가능하다.

구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이 종래기술에 따른 PSC 거더의 단부는 정착구의 배치 공간상의 제약 때문에 강연선을 포물선 형태로 배치하게 되며, 이러한 포물선 배치는 필연적으로 쉬스관의 곡률을 형성하게 되는바, 쉬스관의 설치가 어려울 뿐만 아니라 쉬스관 내로의 강연선 삽입이 용이하지 않게 되는 문제점이 있다.

또한, 강연선이 포물선으로 배치될 경우, 인장력 도입시 강연선과 쉬스관 사이의 마찰계수(μ)에 의하여 인장력이 감소된다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다(

:인장력,

:초기 인장력, α:각 변화).

따라서, 강연선의 포물선 배치에 의한 인장력 손실에 대응하여, 초기의 인장력을 증가시켜야 하는바, 추가 인장력에 상응하는 강연선의 소요량이 증가하여, 공사비가 증가하게 된다.

하지만, 상기한 문제점은 강연선과 쉬스관을 직선 배치하는 것만으로 마찰손실에 의한 응력손실을 효과적으로 제거할 수 있다. 하지만, PSC 거더 단부의 단면이 제한적이기에 모든 강연선과 쉬스관을 직선 배치하는 것은 한계가 있을 뿐만 아니라, 거더 단부에는 자중에 의한 단면력이 없기 때문에 프리스트레스에 의해 거더의 상부에 인장응력이 발생하게 된다.

구체적으로 강연선 전체를 직선 배치할 경우, 강연선의 도심이 외력에 의한 휨모멘트가 적게 발생하는 위치에서 콘크리트의 인장응력이 발생할 수 있는 범위를 초과하여 배치되므로, 강연선의 일부만을 포물선으로 배치하여 강연선의 도심을 하한범위 내로 이동시켜야 한다.

그러나 강연선의 도심을 이동시키기 위하여 많은 양의 강연선을 포물선 배치할 경우, 직선 배치되는 강연선의 양이 감소하여 시공성이나 마찰손실의 감소를 꾀할 수 없다.

따라서, 상기한 상충되는 두 가지 문제점을 해소하기 위하여 강연선을 직선 배치하여 마찰손실을 감소시켜, 초기 인장력 손실에 의한 구조적 안전성 저하 및 공사비 상승의 문제를 해소하고, 쉬스관과 강연선의 포물선 배치에 의한 시공성 저하의 문제를 극복하며, 거더 양 단부 상부에 작용하는 인장응력의 문제점을 해소하고자 한 발명이 제안된 바 있다.

이러한 선행기술문헌으로는 대한민국 등록특허 제10-1192224호 "피에스씨 긴장재를 직선으로 다단 배치시킨 피에스씨 거더 제작방법"(2012. 10. 11. 등록, 이하 '선행기술문헌 1'이라 한다) 및 대한민국 등록특허 제10-1341830호 "직선배치 형태의 피에스씨 하부 긴장재와 피에스씨 상부 긴장재를 이용한 피에스씨 거더 제작방법"(2013. 12. 10. 등록, 이하 '선행기술문헌 2'라 한다)가 있다.

선행기술문헌 1은 도 2a에 도시된 바와 같이 일부의 강연선만 포물선 배치하여, 거더의 단부에서 정착시키고, 나머지 강연선은 최대한 직선 배치하여 단부로부터 이격된 위치의 하부 플랜지 상단에 분산 돌출된 복수의 정착구를 이용하여 고정하고자 하였다.

상기한 선행기술문헌 1은 휨모멘트가 감소하는 부분에서의 인장력 집중을 방지하기 위하여, 포물선 배치되는 강연선의 비율을 최대한 줄이는 효과가 있으나, 다단으로 정착구가 구비되어, 강연선의 고정에 따른 긴장작업이 증가하여, 공사시간이 길어지고, 경제성이 저하되는 문제점이 있다.

한편, 선행기술문헌 2는 도 2b에 도시된 바와 같이 상,하부 플랜지에 강연선을 직선 배치하고, 상,하부 플랜지의 단면 높이를 증가시켜 인장력 집중에 의한 인장응력을 방지하도록 하였다.

하지만, 선행기술문헌 2는 상부 플랜지의 강연선 직선화에 의한 단부의 인장응력을 방지할 수 있으나, 중앙부의 상부 플랜지에도 압축력이 크게 증가하는바, 소요 단면이 증가하는 문제점이 있으며, 양 단부의 단면도 하부로 증가되어야 하는바, 교량받침의 계획고가 낮아져 교량 하부의 공간이 감소하는 문제점이 있다.

따라서, 전체적으로 주변도로의 계획고가 상승하게 되고, 이로 인한 주변도로의 토공량이 증가되어, 공사비가 전체적으로 상승하게 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 강연선을 최대한으로 직선 배치하여 마찰손실을 최소화하면서도 최소한의 강연선의 포물선 배치만으로 강연선의 도심을 하한범위내로 이동시켜 단부의 인장응력 문제를 해소할 수 있으며, 이로써 시공성을 개선할 수 있고, 소요 강연선을 감소할 수 있으며, 소요 정착구 증가에 의한 경제성 저하 및 PSC 거더 중앙부 상부 플랜지의 압축응력 과다로 소요단면이 증가되는 문제를 해소할 수 있는 강연선 직선 배치를 통한 고효율 PSC 거더를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강연선 직선 배치를 통한 고효율 PSC 거더(PG)는, 복수의 강연선(W)을 배치하고, 상,하부 플랜지(10)(20)와 복부(30)를 지니도록 I형 단면으로 형성된 포스트텐션 방식의 철근 콘크리트 PSC 거더(Prestressed concrete girder)(PG)에 있어서, 상기 PSC 거더(PG)는 25m로, 1860Mpa의 인장강도를 지니는 다수의 스트랜드로 구성된 강연선(W)을 복수 개 구비하되, 하부 플랜지(20)를 관통하도록 동일한 두 개의 강연선(W1)을 직선 배치하고, 하부 플랜지(20)의 양 단부에 직선 배치된 두 개의 강연선(W1)을 각각 하부 정착구(41)를 매개로 고정하며, 상기 PSC 거더(PG)의 중심에서 양 단부를 향하여 하부 플랜지(20)와 복부(30) 및 상부 플랜지(10)를 순차적으로 관통하도록 하나의 상부 강연선(W2)을 포물선 배치하고, 상기 상부 플랜지(10)는 내측으로 인입되어 PSC 거더(PG)의 양 단부에 공간부(12)가 마련되고, 상기 상부 플랜지(10) 길이방향 양 단부에 최소 130mm의 높이를 지니는 돌출부(11)가 폭방향으로 인입 형성되어 돌출부(11)의 양 측에 단턱부(13)가 일체로 형성되되, 상기 돌출부(11)의 외측 단부에 포물선 배치된 하나의 상부 강연선(W2)을 돌출 정착구(42)를 매개로 고정하며, 복수의 강연선(W)에 대한 포물선 배치된 하나의 상부 강연선(W2)의 최소 요구 비율은 21.1%이며, 최대 요구 비율은 36.8%인 것을 특징으로 한다.

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이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 강연선 직선 배치를 통한 고효율 PSC 거더는 하부 플랜지의 양 단부에 직선 배치된 두 개의 강연선을 각각 하부 정착구를 매개로 고정하고, 하나의 상부 강연선을 포물선 배치하여, 포물선 배치를 통한 마찰손실을 제거할 수 있다.

이때, 상부 플랜지 양 단부의 상부로 돌출부를 형성하고, 돌출부의 양 단부에 포물선 배치된 상부 강연선을 고정하여, 강연선의 편심위치를 최대한 상단으로 이동시킬 수 있어 전체 강연선의 도심위치를 인장응력을 방지하기 위한 하한범위 내로 효과적으로 이동시킬 수 있다.

또한, 강연선에 대한 상부 강연선의 비율을 최적화하여, 상기 강연선을 최대한으로 직선 배치하여 마찰손실을 최소화하면서도 최소한의 강연선의 포물선 배치만으로 강연선의 도심을 하한범위 내로 이동시켜 단부의 인장응력 문제를 해소할 수 있다.

이로써, PSC 거더의 시공성을 개선할 수 있고, 소요 강연선을 감소할 수 있어 경제성을 확보할 수 있다.

그리고 강연선을 고정하기 위한 소요 정착구를 증가할 필요가 없으며, PSC 거더 중앙부 상부 플랜지의 압축응력 과다로 소요단면이 증가되는 문제를 해소할 수 있다.

또한, 단순교 뿐만 아니라 연속교에도 적용이 가능한 강연선 직선 배치를 통한 고효율 PSC 거더를 제공할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 일반적인 포물선 배치방식의 강연선이 구비된 PSC 거더를 도시한 사시도.
도 2a는 종래기술에 따른 하부 플랜지의 상부에 다수의 정착구를 구비하여 강연선을 최대한 직선 배치로 구비한 PSC 거더를 도시한 단면도.
도 2b는 종래기술에 따른 상,하부 플랜지의 단면 높이를 증가시켜 강연선을 직선 배치로 구비한 PSC 거더를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출 정착구를 구비한 PSC 거더를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출 정착구를 구비한 PSC 거더를 도시한 단면도 및 측면도.
도 5는 연속교에 작용하는 부재력도 및 응력분포를 도시한 개념도.
도 6은 PSC 거더의 길이에 따른 표준 단면 형상을 도시한 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 돌출 정착구를 구비한 PSC 거더의 길이와 상부 강연선의 비율에 따른 상부 플랜지 상연의 압축응력을 도시한 그래프.
도 8a는 종래기술에 따른 일반적인 포물선 배치방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출 정착구를 구비한 PSC 거더의 단부를 도시한 측면도.
도 8b는 종래기술에 따른 일반적인 포물선 배치방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출 정착구를 구비한 PSC 거더의 포물선 배치를 통한 마찰손실을 도시한 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 복부 정착구를 구비한 PSC 거더를 도시한 단면도 및 측면도.
도 10은 본 발명에 따른 PSC 거더의 길이와 돌출 정착구와 복부 정착구의 간격에 따른 상부 강연선 및 복부 강연선의 비율을 도시한 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 복부 정착구를 구비한 PSC 거더의 길이와 상부 강연선 및 복부 강연선의 비율에 따른 상부 플랜지 상연의 압축응력을 도시한 그래프.
도 12의 a는 종래기술에 따른 일반적인 포물선 배치방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 복부 정착구를 구비한 PSC 거더의 단부를 도시한 측면도.
도 12의 b는 종래기술에 따른 일반적인 포물선 배치방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 복부 정착구를 구비한 PSC 거더의 포물선 배치를 통한 마찰손실을 도시한 그래프.

본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래기술에 따른 일반적인 포물선 배치방식의 강연선이 구비된 PSC 거더를 도시한 것으로, 강연선과 쉬스관 사이의 마찰손실에 의하여 초기 인장력이 감소하는 문제점이 있었다.

이를 해소하기 위한 방법으로 강연선과 쉬스관을 하부 플랜지에 직선 배치하여 마찰손실을 방지하는 방법이 있으나, 단면의 제약과 PSC 거더의 양 단부 상면에 인장응력이 발생하여 이를 제어하는 것이 곤란한 문제점이 있다.

이에 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 선행기술문헌이 제안된바 있으나, 각각 강연선을 고정하기 위한 소요 정착구가 증가되는 문제점 및 PSC 거더 중앙부 상부 플랜지의 압축응력 과다로 소요단면이 증가되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 도출된 포스트텐션 방식의 철근 콘크리트 PSC 거더(Prestressed concrete girder)(PG)에 관한 발명으로, 종래의 일반적인 PSC 거더의 단면을 이용하는바, 복수의 강연선(W)을 배치하고, 상,하부 플랜지(10)(20)와 복부(30)를 지니도록 I형 단면으로 형성한다.

본 발명에서 정의하는 강연선(W)은 하나의 쉬스관에 구비되는 복수의 스트랜드 다발을 의미하는 것으로 정의한다.

스트랜드(Strand)는 복수의 철재 소선으로 트위스트하여 형성되는 것으로, 하나의 스트랜드를 형성하는 소선의 가닥 수는 다양한 수로 제작이 가능하나, 통상적으로 7개의 소선이 하나의 스트랜드를 형성하는 것이 일반적이다.

PSC 거더의 기술분야에서 사용하는 스트랜드는 최소 인장응력 1860MPa 이상을 사용하기에 이하 본 발명에서는 구조적으로 가장 불리한 조건인 인장응력 1860MPa의 스트랜드를 사용하더라도 안정적인 강연선 직선 배치를 통한 고효율 PSC 거더를 제안하고자 한다.

도 3에 도시된 바와 같이 상기 PSC 거더(PG)는 하부 플랜지(20)를 관통하도록 두 개의 강연선(W1)을 직선 배치하고, 하부 플랜지(20)의 양 단부에 직선 배치된 두 개의 강연선(W1)을 각각 하부 정착구(41)를 매개로 고정한다.

이때, 직선 배치된 두 개의 강연선(W1)은 두 개의 쉬스관이 구비되고, 각각의 쉬스관에 복수의 스트랜드로 구성된 스트랜드 다발이 구비되는 것을 의미한다.

즉, 하부 플랜지(20)를 관통하도록 직선 배치된 두 개의 강연선(W1)을 이용하는바, 포물선 배치에 따른 마찰손실을 제거할 수 있는 효과가 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 PSC 거더(PG)의 중심에서 양 단부를 향하여 하부 플랜지(20)와 복부(30) 및 상부 플랜지(10)를 순차적으로 관통하도록 하나의 상부 강연선(W2)을 포물선 배치한다.

이는 상술한 바와 같이 PSC 거더의 양 단부 상면에 인장응력이 발생하는 것을 압축응력을 이용하여 상세하기 위한 것이다.

다만, 포물선 배치되는 상부 강연선(W2)의 비율을 최대한으로 줄여야 본 발명의 목적을 달성할 수 있는바, 상기 상부 플랜지(10) 양 단부의 상부로 돌출부(11)를 형성하되, 상기 돌출부(11)의 양 단부에 포물선 배치된 하나의 상부 강연선(W2)을 돌출 정착구(42)를 매개로 고정한다.

상부 플랜지(10)의 상부에 돌출부(11)를 형성하여, 포물선 배치되는 상부 강연선(W2)의 위치를 최대한 상부로 이동하여 콘크리트의 인장력이 발생하는 하한범위를 초과하여 배치되는 것을 방지할 수 있는바, 강연선의 일부만을 포물선 배치하여도 효과적으로 강연선의 도심을 하한범위 내로 이동시킬 수 있다.

또한, 하부 정착구(41)를 최대한 하부 플랜지(20)의 양 단부에 구비하고, 돌출부(11)에 돌출 정착구(42)를 구비하여 강연선을 포물선 배치하지 않고도 거더 단면의 제약 없이 효과적인 정착구의 구비가 가능하며, 정착구 개수를 특별히 증가시키지 않고도 효과적인 인장이 가능한 효과가 있다.

이때, 상기 돌출부(11)는 PSC 거더(PG)의 양 단부에만 형성하여, 전체적으로 PSC 거더의 단면이 증가하지 않도록 형성한다.

구체적으로 동일한 사이즈를 지니는 PSC 거더의 돌출부가 없는 경우와 돌출부가 형성된 경우의 효과를 비교하면 다음의 표 1과 같이 정리할 수 있다.

돌출부 설치에 따른 효과

구 분		돌출부가 없는 경우	돌출부가 있는 경우
개요도
사용 스트랜드 수	상단 정착구	17ea (27.9%)	17ea (27.9%)
	하단 정착구	22×2개소=44ea (72.1%)	22×2개소=44ea (72.1%)
초기 긴장력	상단 정착구	3,829kN	3,829kN
	하단 정착구	4,829kN	4,829kN
상부 플랜지 압축응력	인장 도입직후	2.272MPa	3.385MPa
	설계 하중작용시	2.020MPa	3.020MPa

즉, 상부 플랜지(10)의 상부에 돌출부(11)를 형성하여 돌출 정착구(42)를 형성하는 경우, 상부 플랜지(10) 상면에 발생하는 압축응력은 약 49% 이상 증가됨을 확인할 수 있다.

한편, 상기 상부 플랜지(10)의 돌출부(11)는 상부 플랜지(10)의 상면으로부터 130 ~ 200mm 돌출 형성되는 것이 바람직하다.

상기 돌출부(11)는 PSC 거더(PG)의 상부 플랜지(10) 상부로 돌출되는바, 슬래브에 배근되는 철근과 간섭이 발생할 수 있어, 그 높이를 배근 위치를 고려하여 130 ~ 200mm의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 하부 정착구(41)의 중심(d1)은 하부 플랜지(20) 하면으로부터 250 ~ 330mm에 위치하고, 돌출 정착구(42)의 중심(d2)은 돌출부(11) 상면으로부터 200 ~ 280mm에 위치하는 것이 바람직하다.

이는 하부 정착구(41)와 돌출 정착구(42)의 사이즈에 의한 수치한정 사항으로, 극단적으로 상부에 배치하거나 하부에 배치하는 것을 전제로 산출된 값이다.

즉, 상기 하부 정착구(41) 및 돌출 정착구(42)의 위치는 정착구의 제품별로 최소 연단거리가 있으며, 이에 추가적으로 보강철근, 피복 및 주철근의 직경을 고려하여 산출된 값이다.

상기한 바와 같이 하부 정착구(41)의 중심(d1) 및 돌출 정착구(42)의 중심(d2)은 각각 하면과 상면으로부터 각각 250 ~ 330mm 및 200 ~ 280mm일 경우에 가장 효과적인 강연선의 배치가 가능하며, 이후, 상술하는 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3)의 비율은 상기 정착구의 위치를 근거로 도출된다.

한편, 교량에 있어서 단순교란, 하나의 거더 양 단부가 교각 또는 교대로 단순 지지되도록 구성하는 방식을 의미하는 것이며, 연속교란, 하나의 거더 양 단부와 그 사이에 하나 이상의 교각이 구비되도록 하는 방식을 의미한다.

이때, 본 발명의 연속교는 구조적으로 가장 불리한 2경간 연속교를 전제로 한다.

도 5에 도시된 바와 같이 연속교는 교각의 부모멘트에 의하여 인장응력이 더 크게 증가하게 되는바, 이러한 인장응력의 제어가 반드시 필요하다.

PSC 거더(PG)는 그 길이에 따라 표준 단면 형상이 달라지는바, 이후에 상술하는 데이타 값은 PSC 거더(PG)의 길이가 25 ~ 60m인 경우에 있어서, 단순교 및 연속교의 경우를 포괄할 수 있도록 길이에 따른 표준 단면 형상을 바탕으로 산술한다.

도 6은 PSC 거더(PG)의 길이에 따른 표준형 중앙부 단면도이다.

하기한 표 2는 도 6에 도시된 다양한 단면 형상 중, PSC 거더의 길이가 25m, 45m인 경우에 각각 적용되는 표준형 단면의 형상 및 규격을 구체적으로 도시한 것이다.

PSC 거더의 표준 단면

25m 거더	45m 거더

이하, 그 밖의 PSC 거더(PG)의 길이에 대하여도 동일한 방식으로 표준형 단면을 적용하여 추후에 상술할 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3)의 비율을 도출하며, 구체적인 치수 및 형상은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있기에 그 기재를 생략한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 PSC 거더(PG)는 강연선의 직선 배치를 최대한으로 하되, 양 단부의 상연에 인장응력이 발생하지 않는 편심거리를 도출하여, 강연선의 포물선 배치를 최소한으로 하는 것이 바람직하다.

이를 위하여 강연선에 초기 인장력을 도입시 PSC 거더 단부 상연에 인장응력이 발생하지 않는 정착구의 배치 범위는 상기한 거더 단면 형상을 다음의 식에 대입하여 도출할 수 있다.

양 단부에서 고정하중에 의한 모멘트

이므로, 강연선의 편심거리는 다음과 같이 산정할 수 있다.

이상과 같이 산정된

는 프리스트레스 힘의 편심거리이므로, 전체 강연선의 도심이 수학식 2를 만족하는 위치에 있는 경우, 초기 프리스트레스 도입시 거더 단부 상연에는 인장응력이 발생하지 않는다.

일반적으로, 단순교의 경우에는 상기한 수학식 2만 검토하여도 PSC 거더에서의 인장응력 발생을 제한할 수 있으나, 연속교의 경우에는 2차 고정하중, 활하중 등에 의하여 PSC 거더의 단부에 부모멘트가 발생하므로 추가적인 인장응력이 발생하게 된다.

따라서, 공용하중의 작용시에는 수학식 3에 의하여 PSC 거더 상연에 발생하는 인장응력을 검토하여야 한다.

양 단부에서 고정하중에 의한 모멘트

이므로, 강연선의 편심거리는 다음과 같이 산정할 수 있다.

이상과 같이 산정된

는 프리스트레스 힘의 편심거리이므로, 전체 강연선의 도심이 수학식 4를 만족하는 위치에 있는 경우, 초기 프리스트레스 도입시 거더 단부 상연에는 인장응력이 발생하지 않는다.

따라서, PSC 거더(PG)의 길이가 25 ~ 45m인 경우는 단순교와 연속교에 모두 적용이 가능하기에 상기 수학식 2 및 4를 만족하는 범위에서, 하부 정착구(41)와 돌출 정착구(42)의 위치를 고정한 후, 직선 배치된 두 개의 강연선(W1)과 상부강연선(W2)의 비율을 달리하면서, PSC 거더 단부 상연에 발생하는 응력의 변화를 도출하면 도 7의 그래프와 같다.

이때, 하부 정착구(41)에 고정되는 직선 배치된 두 개의 강연선(W1)은 각각 동일한 비율의 스트랜드를 지니도록 한다. 이는 편심의 발생을 방지하기 위함이며, 동시에 동일한 규격의 정착구를 사용하여 시공의 용이성 및 경제성을 확보하기 위함이다.

따라서, PSC 거더(PG)의 길이가 25m인 경우, 전체 강연선(강연선(W1)+상부 강연선(W2)) 대비 상부 강연선(W2)의 비가 21.1% 이상이면, 상부 플랜지(10)의 상연에 인장응력이 발생하지 않는다.

이를 PSC 거더(PG)의 길이별로 최소 요구되는 상부 강연선(W2)의 비율을 도출하여 표로 도시하면 하기한 표 3과 같다.

전체 강연선 대비 최소한 요구되는 상부 강연선의 비율

25m	30m	35m	40m	45m
21.1%	24.9%	26.4%	30.4%	31.6%

한편, 도 8a는 종래기술의 일반적인 포물선 배치된 강연선으로 구성된 PSC 거더와 본 발명에 따른 PSC 거더를 도시한 측면도로, 종래기술과 본 발명의 PSC 거더의 포물선 배치된 강연선에 의한 마찰손실을 그래프로 도시하면, 도8b와 같다.

즉, 전체 강연선(W, 강연선(W1)+상부 강연선(W2))대비 상부 강연선(W2)의 비가 36.8% 이상이면, 종래기술에 따른 포물선 배치에 의한 마찰손실보다 오히려 증가하게 되는바, 본 발명의 고유한 목적을 상실하게 된다.

따라서, 상기 PSC 거더(PG)의 길이가 25 ~ 45m인 경우, 복수의 강연선(W)에 대한 포물선 배치된 하나의 상부 강연선(W2)의 최소 요구 비율은 상기 PSC 거더(PG)의 길이에 따라 21.1 ~ 31.6%이며, 최대 요구 비율은 36.8%인 것이 바람직하다.

한편, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 PSC 거더(PG)의 길이는 45 ~ 60m 이며, 상기 PSC 거더(PG)의 중심에서 양 단부를 향하여 하부 플랜지(20) 및 복부(30)를 순차적으로 관통하도록 하나의 복부 강연선(W3)을 포물선 배치하고, 상기 복부(30)의 양 단부에 포물선 배치된 하나의 복부 강연선(W3)을 복부 정착구(43)를 매개로 고정할 수 있다.

상기 PSC 거더(PG)의 길이가 길어지면, 거더의 높이가 상승함에 따라, 포물선 배치되는 복부 강연선(W3)을 추가적으로 배치하는 것이 효과적이기 때문이며, 상부 강연선(W2)에 비하여 곡률이 작은바, 마찰손실을 보다 줄일 수 있는 이점이 있다.

PSC 거더(PG)의 길이가 45 ~ 60m인 경우에도 단순교와 연속교에 모두 적용이 가능하기에 상기 수학식 2 및 4를 만족하는 범위에서, 하부 정착구(41)와 돌출 정착구(42)의 위치를 고정한 후, 복부 정착구(43)의 위치를 달리하면서, 인장 응력이 0인 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3)의 비율을 도출하면, 도 10의 그래프와 같다.

즉, 돌출 정착구(42)와 복부 정착구(43)의 간격이 멀어질수록 전체 강연선(W) 대비 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3)의 비율이 증가함을 확인할 수 있다.

이때, 돌출 정착구(42)에 고정되는 상부 강연선(W2)과 복부 정착구(43)에 고정되는 복부 강연선(W3)은 각각 동일한 비율의 스트랜드를 지니도록 한다. 이는 동시에 동일한 규격의 정착구를 사용하여 시공의 용이성 및 경제성을 확보하기 위함이다.
본 발명에서는 '동일한' 강연선의 의미를 인장강도가 동일한 스트랜드를 이용하여 상기 스트랜드를 동일한 비율로 제작하는 강연선으로 정의한다.

상기한 바와 같이 돌출 정착구(42)와 복부 정착구(43)의 간격에 따라, 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3)의 비율이 달라지는 바, 복부 정착구(43)의 위치가 극단적으로 돌출 정착구(42)에 근접한 경우와 극단적으로 하부 정착구(41)에 근접한 경우로 분리하여, 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3)의 비율을 달리하면서, PSC 거더 단부 상연에 발생하는 응력의 변화를 도출하면 도 11의 그래프와 같다.

양 정착구가 근접할 수 있는 최단거리는 상술한 바와 같이 정착구의 제품에 따른 연단거리에 의하여 결정되는바, 강연선(W)이 1860MPa의 응력을 지닐때, 강연선의 갯수에 따라 310 ~ 440mm 범위에서 조정될 수 있다.

따라서, PSC 거더(PG)의 길이가 45m인 경우, 복부 정착구(43)가 돌출 정착구(42)와 최대 근접한 조건 하에, 전체 강연선(W) 대비 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3)의 비가 37.5% 이상이면, 상부 플랜지(10)의 상연에 인장응력이 발생하지 않는다.

또한, PSC 거더(PG)의 길이가 45m인 경우, 복부 정착구(43)가 하부 정착구(41)와 최대 근접한 조건 하에, 전체 강연선(W) 대비 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3)의 비가 42.5% 이상이면, 상부 플랜지(10)의 상연에 인장응력이 발생하지 않는다.

이를 PSC 거더(PG)의 길이별로 최소 요구되는 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3)의 비율을 도출하여 표로 도시하면 하기한 표 4 및 표 5와 같다.

최소한 요구되는 상부 및 복부 강연선의 비율(복부 정착구와 돌출 정착구가 최대 근접하는 경우)

45m	50m	55m	60m
37.5%	38.2%	39.1%	40.0%

최소한 요구되는 상부 및 복부 강연선의 비율(복부 정착구와 하부 정착구가 최대 근접하는 경우)

45m	50m	55m	60m
42.5%	43.5%	44.6%	45.5%

한편, 도 12의 a는 종래기술의 일반적인 포물선 배치된 강연선으로 구성된 PSC 거더와 본 발명에 따른 PSC 거더를 도시한 측면도로, 종래기술과 본 발명의 PSC 거더의 포물선 배치된 강연선에 의한 마찰손실을 그래프로 도시하면, 도12의 b와 같다.

즉, 복부 정착구(43)가 돌출 정착구(42)와 최대 근접하는 경우에 있어서, 전체 강연선(W) 대비 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3)의 비가 51.4% 이상이면, 종래기술에 따른 포물선 배치에 의한 마찰손실보다 오히려 증가하게 되는바, 본 발명의 고유한 목적을 상실하게 된다.

또한, 복부 정착구(43)가 하부 정착구(41)와 최대 근접하는 경우에 있어서, 전체 강연선(W) 대비 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3)의 비가 57.9% 이상이면, 종래기술에 따른 포물선 배치에 의한 마찰손실보다 오히려 증가하게 되는바, 본 발명의 고유한 목적을 상실하게 된다.

따라서, 상기 포물선 배치된 상부 강연선(W2)과 포물선 배치된 복부 강연선(W3)의 거리가 돌출 정착구(42)와 복부 정착구(43)가 최대 근접하도록 배치시, 복수의 강연선(W)에 대한 포물선 배치된 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3) 전체의 최소 요구 비율은 상기 PSC 거더(PG)의 길이에 따라 37.5 ~ 40.0%이며, 최대 요구 비율은 51.4%인 것이 바람직하다.

또한, 상기 포물선 배치된 상부 강연선(W2)과 포물선 배치된 복부 강연선(W3)의 거리가 복부 정착구(42)와 하부 정착구(41)가 최대 근접하도록 배치시, 복수의 강연선(W)에 대한 포물선 배치된 상부 강연선(W2) 및 복부 강연선(W3) 전체의 최소 요구 비율은 상기 PSC 거더(PG)의 길이에 따라 42.5 ~ 45.5%이며, 최대 요구 비율은 57.9%인 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 강연선 직선 배치를 통한 고효율 PSC 거더는 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 특허청구범위의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

PG:PSC 거더 W:강연선
W1:직선 배치된 강연선 W2:포물선 배치된 상부 강연선
W3:포물선 배치된 복부 강연선 10:상부 플랜지
20:하부 플랜지 30:복부
41:하부 정착구 42:돌출 정착구
43:복부 정착구

Claims (7)

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3. 복수의 강연선(W)을 배치하고, 상,하부 플랜지(10)(20)와 복부(30)를 지니도록 I형 단면으로 형성된 포스트텐션 방식의 철근 콘크리트 PSC 거더(Prestressed concrete girder)(PG)에 있어서,
   상기 PSC 거더(PG)는 25m로, 1860Mpa의 인장강도를 지니는 다수의 스트랜드로 구성된 강연선(W)을 복수 개 구비하되, 하부 플랜지(20)를 관통하도록 동일한 두 개의 강연선(W1)을 직선 배치하고, 하부 플랜지(20)의 양 단부에 직선 배치된 두 개의 강연선(W1)을 각각 하부 정착구(41)를 매개로 고정하며,
   상기 PSC 거더(PG)의 중심에서 양 단부를 향하여 하부 플랜지(20)와 복부(30) 및 상부 플랜지(10)를 순차적으로 관통하도록 하나의 상부 강연선(W2)을 포물선 배치하고, 상기 상부 플랜지(10)는 내측으로 인입되어 PSC 거더(PG)의 양 단부에 공간부(12)가 마련되고, 상기 상부 플랜지(10) 길이방향 양 단부에 130mm의 높이를 지니는 돌출부(11)가 폭방향으로 인입 형성되어 돌출부(11)의 양 측에 단턱부(13)가 일체로 형성되되, 상기 돌출부(11)의 외측 단부에 포물선 배치된 하나의 상부 강연선(W2)을 돌출 정착구(42)를 매개로 고정하며,
   복수의 강연선(W)에 대한 포물선 배치된 하나의 상부 강연선(W2)의 최소 요구 비율은 21.1%이며, 최대 요구 비율은 36.8%인 것을 특징으로 하는 강연선 직선 배치를 통한 고효율 PSC 거더.
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