KR101564885B1 - 프리스트레스트 강합성 거더 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강재와 프리스트레스트 콘크리트의 합성구조로 이루어진 프리스트레스트 강합성 거더 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강거더의 하부에 결합되는 하부콘크리트에 요구되는 압축 프리스트레스를 효과적으로 도입할 수 있는 프리스트레싱 강재를 이용한 긴장력 도입 방법과 이를 이용한 강합성 거더의 활용 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 상부 플랜지와 복부를 포함하여 구성되며 일방향으로 긴 강재의 제1빔; 상기 제1빔과 구조적으로 합성되는 철근 콘크리트 재질의 제2빔; 및, 일단부의 일정길이는 부착 강연선의 형태로 제작되고 나머지는 비부착 강연선의 형태로 제작되는 강연선으로서 상기 제2빔의 내부에 제2빔의 길이방향으로 매립되며, 부착형태의 단부는 상기 제2빔의 콘크리트가 경화됨에 따라 제2빔에 부착되어 정착되고 비부착형태의 단부는 제2빔이 일정 강도로 경화된 이후에 인장력이 가해진 상태로 제2빔의 단부쪽에 마련되는 정착구에 정착되는 긴장재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 강합성 거더를 제공한다.

Description

프리스트레스트 강합성 거더 및 그 제작 방법{Prestressed Steel-Concrete Composite Girder and Manufacturing Method thereof}

본 발명은 강재와 프리스트레스트 콘크리트의 합성구조로 이루어진 프리스트레스트 강합성 거더 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강거더의 하부에 결합하는 하부콘크리트에 요구되는 압축 프리스트레스를 효과적으로 도입할 수 있는 프리스트레싱 강재를 이용한 긴장력 도입 방법과 이를 이용한 강합성 거더의 제작 방법에 관한 것이다.

강재의 하부에 콘크리트를 결합시키는 프리스트레스트 강합성 거더는 강재로만 저형고의 거더를 제작하는 경우에 발생하는 과도한 처짐 문제를 효과적으로 해결하기 위해서 강재 거더 하부에 콘크리트를 합성하여 강성(stiffness)을 증대시킨 거더 형식으로서, 작용 하중에 의해 하부콘크리트에 발생하는 휨인장응력을 상쇄시키기 위하여 압축 프리스트레스를 도입한다.

기존의 대표적인 프리스트레스트 강합성 거더 공법은 다음과 같다. 도 1은 저형고 강합성 거더의 효시라고 할 수 있는 프리플렉스(Preflex) 거더의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도면의 왼쪽은 정면도이고 오른쪽은 단면도이다. 먼저 도 1의 (a)와 같이 솟음(camber)을 주어 강재 거더를 제작하고, 도 1의 (b)와 같이 양단을 지지한 상태에서 프리플렉션 하중(Pf)을 가하여 4점 지지 휨모멘트를 작용시킨다. 도 1의 (c)와 같이 프리플렉션 하중이 작용한 상태에서 하부콘크리트를 타설한다. 하부콘크리트가 소정의 강도에 도달하면 도 1의 (d)와 같이 프리플렉션 하중을 제거하여 하부콘크리트에 압축 프리스트레스를 도입한다. 도 1의 (e)는 이상과 같이 제작한 Preflex 거더를 운반하여 하부구조 위에 설치하고 복부와 슬래브 콘크리트를 동시에 타설하여 완성한 강합성 거더의 최종 구조형상이다.

도 2는 RPF(Represtressed PreFlex) 거더의 단면도로 기존의 Preflex 거더에 하부콘크리트 양단부에서 긴장·정착하는 비부착 강연선(unbonded strand, 피복강연선)을 설치하여 추가적인 프리스트레스를 도입한다. 이는 원래 강재의 프리플렉션만으로는 하부콘크리트에 도입되는 프리스트레스가 충분하지 않아 공용중에 하부콘크리트에 균열이 발생하는 경우가 빈번해짐에 따라 이를 보완하기 위하여 개발되었으나, 긴장재를 이용한 포스트텐션 방식의 프리스트레싱이 하부콘크리트의 프리스트레스 도입에 매우 효율적임이 밝혀지는 계기가 되었다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 프리콤(Precom) 거더는 강합성 거더의 하부콘크리트에 단위 압축 프리스트레스를 도입함에 있어서 강재의 프리플렉션보다 강연선의 긴장에 의한 방법이 경제적이라는 점을 적극적으로 활용한 공법이다. 즉, 긴장재로 사용되는 강연선이 강재 거더에 사용되는 구조용 강재에 비하여 가격은 2배 정도 비싸지만 강도는 5배 이상 커서 단위 강도당 가격은 훨씬 더 싸다는 점을 활용하였다. Precom 거더는 대부분의 프리스트레스를 강연선의 긴장에 의해 도입하고 강거더의 프리플렉션에 의한 프리스트레스 도입량은 대폭 줄였다. 따라서 설비 설치 및 운용에 큰 비용이 소요되는 기존의 프리플렉션 방법 대신에 도 3a와 같이 강합성 거더 제작시에 하부콘크리트 거푸집을 강거더에 매달아 고정한 상태에서 강거더의 양단을 지지하고 하부콘크리트를 타설함으로써 하부콘크리트와 거푸집 자중을 강거더의 프리플렉션 하중으로 작용시킨다. 이러한 프리플렉션 방법으로 도입되는 프리스트레스는 상대적으로 작으며, 대부분의 프리스트레스는 4개의 덕트에 삽입된 부착 강연선 다발을 이용한 포스트텐션 방식에 의해 도입된다. 긴장재에 긴장력을 도입할 때 도 3b와 같이 긴장단은 단부에 있지만 고정단을 거더 단부에서 어느 정도 떨어진 위치에 둠으로써 거더 단부에서만 긴장·정착할 때 발생하는 단부의 과도한 압축 프리스트레스 문제를 해결하면서 단부보다 중앙부에 더 많은 프리스트레스를 도입할 수 있도록 하였다.

도 4의 MSP 거더(Multi-Stages Prestressed Composite Girder)는 하부콘크리트의 프리스트레스 도입에 있어서 강재의 프리플렉션보다 긴장재를 사용하는 방법이 경제적이라는 점을 최대한 활용하기 위한 공법으로 강재의 프리플렉션을 전혀 사용하지 않고 긴장재에 의해서만 하부콘크리트에 프리스트레스를 도입한다. MSP 거더는 단부에 정착장치가 있는 4개의 덕트를 내설한 프리캐스트 콘크리트 패널을 제작하고, 콘크리트가 소정의 강도에 도달하면 1차 긴장력을 도입한 후에 무수축 콘크리트를 사용하여 강재와 프리캐스트 패널을 결합한 다음에 2차 긴장을 실시한다. 프리캐스트 패널을 긴장하기 전에 충분한 양생 기간을 둠으로써 하부콘크리트의 수축 및 크리프에 의한 긴장력의 장기손실을 일부 감소시킨다. 하부콘크리트의 양단에 긴장·정착되는 4개의 강연선 다발에 의해서 프리스트레스를 도입하기 때문에 정착장치의 용이한 설치와 단부의 과도한 압축 프리스트레스 문제를 해결하기 위해서 기존의 강합성 거더보다 하부콘크리트의 제원은 크지만, 프리플렉션을 가하지 않기 때문에 강재의 제원은 상대적으로 작다.

도 1 내지 도 4의 기존 공법들의 주된 차이점은 하부콘크리트의 압축 프리스트레스 도입 방법과 도입되는 프리스트레스의 형태에 있다. 도 5(a) 내지 도 5(e)는 하부콘크리트에 도입되는 프리스트레스와 작용하중에 의해 이용될 수 있는 프리스트레스를 도식화한 것이다. 특히 강합성 거더 하부콘크리트 하연의 응력은 휨설계를 지배하는 주요 요소이기 때문에 이에 대한 고찰은 각 공법의 차이점을 이해하는데 큰 도움이 된다. 도 5(a) 내지 도 5(e)는 단순 지지된 프리스트레스트 강합성 거더의 하부콘크리트 하연의 응력을 거더 길이 방향을 따라 표시한 것이다.

도 5(a)는 하부콘크리트에 도입할 수 있는 허용 압축 프리스트레스의 크기를 거더의 위치에 따라 표시한 것으로서, 거더 단부에 비하여 거더 중앙부에서 허용 압축 프리스트레스가 큰데, 그 이유는 프리스트레스를 도입할 때 전 길이에 걸쳐 지면에 의해 지지가 되고 있던 강합성 거더에 솟음이 발생하면서 양단부에서만 지지가 되는 단순보 구조가 되어 거더 자중에 의한 포물선 형태의 휨모멘트가 작용하고, 그로 인해 하부콘크리트 하연에 포물선 형태의 휨인장응력이 발생하여 압축 프리스트레스가 소진되므로 그만큼의 압축 프리스트레스 도입 여력이 생기기 때문이다. 다만, 지점인 단부는 거더 자중에 의한 휨모멘트가 0이기 때문에 단순히 하부콘크리트의 허용압축응력과 같다. 허용 압축 프리스트레스는 단속선(dashed line)으로 표시된 콘크리트의 허용압축응력에 거더 자중에 의한 포물선 형태의 휨인장응력을 더한 것과 같다.

도 5(b)에는 도 1의 Preflex 거더에 도입될 수 있는 최대 압축 프리스트레스와 그렇게 도입된 압축 프리스트레스가 저항할 수 있는 작용하중에 의한 최대 휨인장응력이 도시되어 있고, 도 5(c)에는 RPF 거더, 도 5(d)에는 Precom 거더, 도 5(e)에는 MSP 거더에 각각 도입될 수 있는 최대 압축 프리스트레스와 저항할 수 있는 최대 휨인장응력이 같은 방법으로 도시되어 있다. 도 5(b) 내지 도 5(e)에서 가장 위에 도시된 실선은 도 5(a)에 도시된 허용 압축 프리스트레스이고 외곽선 바로 아래쪽에 도시된 굵은 실선은 도입할 수 있는 최대 도입 압축 프리스트레스이며 가장 아래쪽의 점선은 최대 압축 프리스트레스가 저항할 수 있는 작용력(분포하중 기준)에 의한 최대 가용 휨인장응력이다. 여기서 최대 가용 휨인장응력은 편의상 허용 휨인장응력이 아니라 0응력을 기준으로 도시하였다. 즉 강합성 거더의 공용 중에 하부콘크리트가 항상 압축상태를 유지하는 것을 기준으로 도시하였다. 또한, 분포하중기준으로 저항할 수 있는 최대 가용 휨인장응력을 표시한 이유는 도로교의 경우에 거더에 작용하는 하중에서 70% 이상을 차지하는 거더 자중, 바닥판 슬래브 하중, 포장과 방호울타리 등의 2차 고정하중 등과 같은 사하중이 분포하중이며, 차량하중과 같은 활하중도 이동하중 특성으로 인해 단순보의 경우에 최대 휨모멘트가 분포하중의 경우처럼 포물선 형태를 갖기 때문이다.

도입되는 프리스트레스의 형태를 비교해 보면, Preflex 거더의 경우에는 집중하중에 의한 강거더의 프리플렉션을 이용하기 때문에 도 5(b)와 같이 단부에서는 0이고 중앙부에서는 일정한 크기를 갖는 사다리꼴 형태이다. 도 5(c)의 RPF 거더의 경우에는 거더 양단에 긴장·정착되는 긴장재와 집중하중에 의한 강거더의 프리플렉션을 이용하기 때문에 긴장재에 의한 일정한 크기의 프리스트레스와 집중하중 프리플렉션에 의한 사다리꼴 형태의 프리스트레스가 합해진 형태이다. 도 5(d)의 Precom 거더의 경우에는 분포하중에 의한 프리플렉션을 이용하기 때문에 프리플렉션에 의해서는 포물선형태의 프리스트레스가 작용하며, 하부콘크리트 내부에 정착하고 단부에서 긴장하는 두 쌍의 강연선 다발을 사용하기 때문에 긴장재에 의해서는 계단식의 프리스트레스가 작용한다. 도 6(e)의 MSP 거더는 양 단부에서 긴장·정착되는 긴장재만을 이용하기 때문에 거더 전 길이에 걸쳐 거의 균일한 프리스트레스가 작용한다. 다만, 하부콘크리트 내에서 긴장재를 거더 단부에서보다 거더 중앙부에서 낮게 배치하여 긴장재의 편심을 약간 증가시킴으로써 중앙부에 조금 더 큰 프리스트레스가 도입되도록 하고 있다

도 5(b) 내지 도 5(e)의 프리스트레스 도입 형태를 비교해 보면 도 5(d)의 Precom 거더가 가장 큰 최대 가용 휨인장응력을 갖는다는 관점에서 하부콘크리트의 허용 압축 프리스트레스를 가장 효과적으로 활용한다는 것을 알 수 있다. 그리고 도 5(c)의 RPF 거더, 도 5(b)의 Preflex 거더, 도 5(e)의 MSP 거더 순으로 효율성이 떨어짐을 알 수 있다. 비록 이론적인 측면에서 RPF 거더가 집중하중에 의한 프리플렉션을 사용하기 때문에 분포하중에 의한 프리플렉션을 사용하는 Precom보다 효율성이 약간 떨어지지만, 소정의 안전율을 가지고 설계하는 현실을 고려한다면 효율성 측면에서 두 방법의 차이는 거의 없고, 주요한 차이는 프리플렉션 작업의 용이성에 있다고 할 수 있다. 또한, 앞서 언급했듯이 단위 압축 프리스트레스의 도입 기준으로 볼 때 강재의 프리플렉션보다는 긴장재의 긴장에 의한 방법이 더 경제적이다. 이것이 최근의 RPF 거더 설계에 있어서 개발 초기보다 강거더의 강재량은 줄어들고 대신에 긴장재량이 늘어난 이유이다. 다만, RPF 거더의 경우에는 거더 단부에서 긴장·정착하는 긴장재를 사용하기 때문에 긴장재에 의해서는 전 구간에 일정한 프리스트레스가 작용하므로 Precom 거더에 비하여 긴장력을 늘리는 데는 다소 제약이 있다.

강거더에 프리플렉션을 작용시키는 설비는 설치와 운용에 큰 비용이 든다. MSP 거더가 허용 압축 프리스트레스의 활용 면에서 효율성이 가장 떨어짐에도 일정한 경쟁력을 갖는 이유는 프리플렉션을 하지 않기 때문이다. 그러나 MSP 거더는 단부에 긴장·정착되는 긴장재만을 사용하기 때문에 거더 단부에 비하여 큰 중앙부의 허용 압축 프리스트레스를 충분히 활용하지 못할 뿐 아니라 단부에 불필요하게 큰 프리스트레스를 도입시킨다. 단부의 큰 프리스트레스는 강합성 거더를 단순보 구조에 사용할 때에는 큰 문제가 되지 않지만, 강합성 거더를 연속화하거나 라멘교에서처럼 하부구조에 일체화시키는 경우에는 연속화나 일체화 이후에 작용하는 부모멘트에 의해 압축응력이 추가로 작용하기 때문에 문제가 될 수 있다. 따라서 긴장재로 프리스트레스를 도입할 때 거더 단부의 프리스트레스를 감소시키고 중앙부의 프리스트레스는 최대한 증가시키는 방법이 필요한데, 그 대표적인 방법이 도 3b이다. Precom 거더의 경우에는 도 3b에서와 같이 긴장재를 단부에 정착하지 않고 단부에서 약간 떨어진 위치에 정착함으로써 긴장재에 의한 거더 단부의 프리스트레스를 중앙부의 반으로 줄이는 방법을 사용한다.

도 6a는 콘크리트 구조체 내부에 매립되는 12개의 강연선으로 이루어진 강연선 다발의 고정정착장치(고정정착구)의 모습이며 도 3b의 아래쪽 사진에서는 콘크리트를 타설하기 전에 실제 설치된 모습을 볼 수 있는데, 겨우 4개의 강연선이 설치되어 있음에도 이를 둘러싸고 있는 보강철근 안쪽이 매우 복잡함을 볼 수 있다. 따라서 좁은 하부콘크리트 내부에 강연선 다발(보통 12~15개의 강연선)의 고정정착구를 설치하는 작업이 쉽지 않을 것이라는 점을 알 수 있다. 또한, 도 5(d)에서 볼 수 있듯이 하부콘크리트 내부의 정착위치에서 응력이 급격히 변화하는데 이러한 급격한 응력변화는 국부적인 문제를 야기할 개연성을 높인다. 이러한 원인으로 인해 하부콘크리트 내의 고정정착구에 관련된 문제가 때때로 발생하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해서 도 6b와 같이 하부콘크리트 상부에 정착장치를 두는 방법이 제시되기도 했다. 그러나 하부콘크리트 상부에 정착장치를 설치하는 방법도 작업성이 별로 좋지 않으며 강합성 거더의 장점인 단순미를 해치게 되어 미관상으로도 매우 좋지 않다. 특히 강합성 거더의 길이가 길어질수록 이에 비례하여 요구되는 강연선의 수가 늘어나는데 기존의 방법으로는 이에 대한 대응이 쉽지 않다.

본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상부의 강재와 하부의 콘크리트를 결합하여 구성하는 프리스트레스트 강합성 거더에 있어서 단부에 비하여 큰 허용 압축 프리스트레스를 갖는 거더 중앙부의 하부콘크리트에 최대한 큰 프리스트레스를 도입할 수 있으면서도 내부 고정 정착부 근처에서의 급격한 응력변화도 완화할 수 있는 프리스트레스트 강합성 거더 및 그 제작방법을 제공하는 것이다.

전술한 과제의 해결 수단으로서 본 발명은,

상부 플랜지와 복부를 포함하여 구성되며 일방향으로 긴 강재의 제1빔;

상기 제1빔과 구조적으로 합성되는 철근 콘크리트 재질의 제2빔; 및,

일단부의 일정길이는 부착 강연선의 형태로 제작되고 나머지는 비부착 강연선의 형태로 제작되는 강연선으로서 상기 제2빔의 내부에 제2빔의 길이방향으로 매립되며, 부착형태의 단부는 상기 제2빔의 콘크리트가 경화됨에 따라 제2빔에 부착되어 정착되고 비부착형태의 단부는 제2빔이 일정 강도로 경화된 이후에 인장력이 가해진 상태로 제2빔의 단부쪽에 마련되는 정착구에 정착되는 긴장재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 강합성 거더를 제공한다.

상기 제2빔에 작용하는 프리스트레스의 도입을 위하여 상기 제2빔의 내부에 배치되는 긴장재는 상기 제2빔의 길이와 폭을 기준으로 긴장력이 대칭적으로 작용할 수 있도록 배치되는 것이 바람직하다.

상기 부착형태의 강연선 단부에 결합하는 전단링을 더 포함할 수도 있다.

상기 긴장재 중 비부착 강연선 형태를 가진 부분의 길이를 다르게 사용함으로써 상기 제2빔에 작용하는 프리스트레스의 크기와 작용하는 구간을 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한, 프리스트레스트 강합성 거더의 제작방법에 있어서,

상부 플랜지와 복부를 포함하여 구성되며 일방향으로 긴 강재의 제1빔을 제작하는 제1빔 제작단계;

상기 제1빔과 합성된 상태로 거동할 수 있도록 상기 제1빔과 결합하는 철근 콘크리트 재질의 제2빔을 제작하는 제2빔 제작단계;

상기 제2빔의 제작하는 과정에서 상기 제2빔의 내부에 일단부의 일정길이는 부착 강연선 형태로 제작되고 나머지는 비부착 강연선의 형태로 제작되는 긴장재를 제2빔의 길이 방향으로 매립하되 긴장재의 비부착 형태의 단부는 상기 제2빔의 단부쪽으로 노출되도록 매립하는 긴장재 매립단계; 및,

상기 제2빔의 콘크리트가 일정강도로 경화된 이후에 상기 긴장재에 인장력을 가한 상태로 정착구에 정착시켜 제2빔에 프리스트레스가 작용하도록 하는 프리스트레싱 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 강합성 거더의 제작방법을 제공한다.

본 발명에 의하면 프리스트레스트 강합성 거더에 있어서 강연선의 긴장과 정착방법을 개선하여 기존의 방법에 비하여 강거더의 프리플렉션을 최소화하거나 또는 프리플렉션 없이도 하부콘크리트의 허용 압축 프리스트레스를 최대한 활용할 수 있으며 하부콘크리트 내부의 긴장재 정착부에서의 급격한 응력변화도 완화시킬 수 있고 작업성도 획기적으로 개선할 수 있어서 경제적인 저형고형의 프리스트레스트 강합성 거더 및 그 제작방법을 제공한다.

도 1은 프리플렉스(Preflex) 강합성 거더의 제작방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 RPF(Represtressed PreFlex) 거더의 단면도.
도 3a와 도 3b는 Precom 거더 공법을 설명하기 위한 도면.
도 4는 MSP 거더 공법을 설명하기 위한 단면도.
도 5(a) 내지 도 5(e)는 하부콘크리트 하연의 허용 압축 프리스트레스와 기존의 강합성거더들의 최대 도입 압축 프리스트레스 및 최대 가용 휨인장응력을 설명하기 위한 도면.
도 6a는 콘크리트 내부에 설치되는 고정 정착장치의 하나의 예를 설명하기 위한 도면.
도 6b는 하부콘크리트 상부에 설치되는 정착장치의 하나의 예를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 프리스트레스트 강합성거더를 설명하기 위한 단면도.
도 8은 도 7에 도시된 피복강연선 부착부의 도입길이(transfer length)를 설명하기 위한 도면.
도 9는 대칭적인 프리스트레스를 도입하기 위한 긴장재의 배치방법과 배치된 긴장재에 의하여 제2빔에 도입되는 압축력을 설명하기 위한 도면.
도 10은 피복강연선의 정착위치의 변화 정도에 따른 제2빔 하연의 허용 압축 프리스트레스와 최대 도입 압축 프리스트레스를 설명하기 위한 도면.
도 11은 제2빔의 내부에 긴장재(30)를 배치하는 다양한 형태를 설명하기 위한 도면.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명함으로써 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제공하기로 한다.

우선 본 발명의 하나의 실시예에 따른 프리스트레스트 강합성 거더에 대하여 도면을 참조하면서 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 프리스트레스트 강합성거더를 설명하기 위한 단면도, 도 8은 도 7에 도시된 피복강연선 부착부의 도입길이(transfer length)를 설명하기 위한 도면, 도 9는 대칭적인 프리스트레스를 도입하기 위한 긴장재의 배치방법과 배치된 긴장재에 의하여 제2빔에 작용하는 압축력을 설명하기 위한 도면, 도 10은 피복강연선의 정착위치의 변화 정도에 따른 제2빔 하연의 허용 압축 프리스트레스와 최대 도입 압축 프리스트레스를 설명하기 위한 도면, 도 11은 제2빔의 내부에 배치되는 긴장재의 다양한 형태를 설명하기 위한 도면이다.

본 실시예에 따른 프리스트레스트 강합성 거더는 제1빔(10), 제2빔(20) 및 긴장재(30)를 포함하여 구성된다.

제1빔(10)은 도 7의 단면도에 도시된 바와 같이 상부 플랜지(11), 복부(12), 하부 플랜지(13)로 구성되는 강재의 빔으로서, 일방향으로 긴 형상이다. 도 7의 오른편에 있는 도면은 우측면도이다.

상기 제2빔(20)은 상기 제1빔(10)과 구조적으로 합성되는 철근 콘크리트 재질의 빔으로서 제1빔(10)과 마찬가지로 일방향으로 긴 형상이다. 제2빔(20)에는 철근이 배근되어 있지만 도시 상의 편의를 위하여 철근은 도시에서 생략하였다.

구조적으로 합성된다는 의미는 하중이 가해졌을 때 하나의 단면처럼 거동한다는 의미이며, 본 실시예에서와 같이 제1빔(10)의 하부 플랜지(13)와 복부(12)의 일부가 제2빔(20)을 형성하는 콘크리트에 매립된 형태로 제작될 수도 있고, 도 4에 도시된 형태와 같이 결합할 수도 있으며, 그 외에 하부 플랜지(13)의 일부만이 제2빔(20)의 콘크리트에 매립되는 방법으로 결합할 수도 있다. 제1빔(10)과 제2빔(20)의 합성을 위해서 다양한 종류의 전단연결재가 접합면에 사용될 수 있는데 도시상의 편의를 위하여 생략하였다.

상기 긴장재(30)는 부착 강연선의 형태와 비부착 강연선의 형태가 조합되어 있는 형태인데, 긴장재(30)의 일단부 쪽의 일정길이는 부착 강연선의 형태로 나머지는 비부착 강연선의 형태로 제작된다. 본 실시예에 사용되는 긴장재(30)는 단부의 일부만이 부착 강연선의 형태를 가지며 대부분은 비부착 강연선의 형태를 가지고 있는데 현재 보편적으로 사용되고 있는 비부착 강연선은 피복강연선이므로, 이하 본 실시예에 따른 강합성 거더와 본 실시예에 따른 강합성 거더의 제작방법을 설명하는데 있어서 부착 형태의 강연선은 피복강연선 부착부(31)로 이름 붙이기로 하고 비부착 형태의 강연선은 피복강연선 비부착부(32)로 이름 붙이기로 한다.

피복강연선 부착부(31)란 강연선의 외주에 별도의 피복이 없는 강연선을 의미하고, 피복강연선 비부착부(32)란 통상의 피복강연선으로서 강연선의 외주면에 일반적으로 HDPE 재질의 피복이 씌워져 있으며, 피복과 강연선 사이에 방식과 윤활을 위하여 그리스가 충진된 형태를 갖는 강연선이다. 본 발명에서와 같은 형태의 긴장재(30)를 제작하는 방법은 공장에서 맞춤 형태로 제작할 수도 있고, 현장에서 비부착 형식의 피복강연선의 피복을 벗겨내고 그리스를 제거하는 방법도 있는데 현장에서 작업을 하는 편이 경제적이다.

도 7에 도시되어 있는 바와 같이 피복강연선 부착부(31)는 긴장재(30)의 일단부 쪽에 일정 길이만큼 형성되어 있고 나머지 부분은 피복강연선 비부착부(32)이다. 긴장재(30)는 제2빔(20)의 내부에 제2빔(20)의 길이방향으로 매립되며, 피복강연선 부착부(31)는 제2빔(20)을 이루는 콘크리트가 경화됨에 따라 제2빔(20)에 부착되고 피복강연선 비부착부(32)의 단부는 제2빔(20)이 소정의 강도로 경화된 이후에 인장력이 가해진 상태로 정착구(40)에 정착된다. 물론 강연선의 긴장과 정착을 위해서는 제2빔(20)의 정착구(40)쪽 단부에서 밖으로 노출된 구간의 피복강연선 비부착부(32)의 피복은 제거되어야 한다.

피복강연선 부착부(31)의 길이에 해당하는 만큼의 강연선은 콘크리트에 부착되고 콘크리트에 부착된 부분을 통하여 긴장재에 가해진 긴장력이 콘크리트에 전달된다. 도 8에는 제2빔(20)의 내부에서 피복강연선 비부착부(32)를 통해 전달된 긴장력(인장력)이 피복강연선 부착부(31)에서 점차 0으로 감소되는 모습이 그래프로 도시되어 있는데, 이렇게 감소되는 인장력은 콘크리트에는 압축력으로 작용하게 된다. 이러한 인장력 변화구간을 도입길이(transfer length)라고 하는데 도입길이는 인장력의 크기에 비례하고 콘크리트 강도에 반비례한다. 긴장재(30)의 정착을 위해서는 피복강연선 부착부(31)의 길이가 이러한 도입길이보다 커야 된다. 즉, 도입길이에 적절한 안전율을 고려한 피복강연선 부착부(31)의 설계길이를 정착길이라고 할 수 있는데, 피복강연선 부착부(31)의 길이는 반드시 이러한 정착길이보다 길어야 한다. 이러한 정착방법은 좁은 단면상에서 일정한 간격으로 배치되는 긴장재(30)에 적용할 때, 별도의 정착구를 사용하거나 도 3b나 도 6a에 도시된 바와 같은 복잡한 형태로 강연선을 변형시킬 필요가 없어 설치 작업이 매우 용이해지는 장점이 있다.

본 발명에 따른 강합성 거더는 보통 단순보 구조로 사용되는데, 이러한 경우에 상기 긴장재(30)는 제2빔(20)의 길이 방향과 폭 방향에서 대칭적인 프리스트레스가 작용될 수 있도록 배치되어야 한다. 도 9의 (a)에는 네 개의 긴장재를 이용하여 도입되는 프리스트레스가 대칭이 되도록 평면 배치한 하나의 예가 도시되어 있다.

도 9의 (d)는 도 9(a)에 배치된 긴장재(30)에 의해 제2빔(20)에 도입되는 압축력의 분포를 도시한 것이다. 편의상 도 9의 (a) 오른쪽에 피복강연선 부착부(31)가 위치하는 긴장재를 도면부호 30A로 표시하였고, 도 9의 (a) 왼쪽에 피복강연선 부착부(31)가 위치하는 긴장재를 도면부호 30B로 표시하였다. 도 9의 (b)에는 도면부호 30A로 표시된 긴장재에 의해 제2빔(20)에 도입되는 압축력 성분이 그래프 형태로 도시되어 있고, 도 9의 (c)에는 도면부호 30B 표시된 긴장재에 의해 제2빔(20)에 도입되는 압축력 성분이 그래프 형태로 도시되어 있다. 도 9의 (d)에는 두 압축력 성분의 합의 분포를 그래프로 도시하였다. 여기서 압축력의 합은 길이방향에서 가운데를 중심으로 대칭을 이루고 있으며, 30A와 30B의 긴장재는 각각 폭 방향에서 대칭적인 쌍으로 이루어져 폭 방향으로 우력을 발생시키지 않고 길이방향의 축력만 작용시킨다.

단순보 구조의 경우에 제2빔(20)에 작용하는 압축력과 이러한 압축력에 의한 압축 프리스트레스는 보(beam) 이론에 따라 단순 비례관계에 있으므로 제2빔(20)의 하연에 작용하는 압축응력(압축 프리스트레스)도 같은 형태의 분포를 갖는다.

본 실시예의 경우 피복강연선 비부착부(32)의 배치 길이를 조절하여 제2빔(20)에 다양한 형태의 압축력(압축 프리스트레스)을 도입할 수 있는데, 도 10에 몇 가지 예시가 도시되어 있다. 도 10의 (a)에는 제2빔(20)의 내부에 배치되는 피복강연선 비부착부(32)의 길이가 서로 다른 두 종류의 긴장재(30a, 30b)를 이용하여 제2빔(20)에 압축 프리스트레스를 도입하는 경우가 도시되어 있고, 도 10의 (b)에는 제2빔(20)의 내부에 배치되는 피복강연선 비부착부(32)의 길이가 서로 다른 세 종류의 긴장재(30a, 30b, 30c)를 이용하여 제2빔(20)에 압축 프리스트레스를 도입하는 경우가 도시되어 있다.

도 10의 (a)와 도 10의 (b)에 도시된 긴장재는 앞서 설명한 대칭적인 배치에 대한 고려가 없는 상태로 배치된 것을 도시한 것이며 이는 도시 상의 편의를 위한 것이다. 도 10의 (c)에는 제2빔(20)의 내부에서 배치되는 피복강연선 비부착부(32)의 길이가 서로 다른 네 종류의 긴장재를 이용하여 제2빔(20)에 압축 프리스트레스를 도입하는 경우가 도시되어 있는데 긴장재의 배치는 도시상의 편의상 생략하였다. 각 그래프에서 가장 위쪽에 위치하는 곡선은 구간에 따른 허용 압축 프리스트레스를 표시한 것이다. 또한 도 10의 (c)의 그래프 중 가장 아래쪽에 점선으로 표시된 포물선은 최대 도입 압축 프리스트레스가 저항할 수 있는 작용력(분포하중 기준)에 의한 최대 가용 휨인장응력이다.(도 5 참조)

이처럼 피복강연선 비부착부(32)의 배치 길이를 적절히 변화시켜 배치하면 제2빔(20) 하연의 허용 압축 프리스트레스를 최대한 활용할 수 있는 압축 프리스트레스를 제2빔(20)에 도입할 수 있어서 강합성거더를 효율적으로 설계할 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 9 및 도 10에서 제2빔(20)에 도입되는 압축 프리스트레스(또는 압축력)의 크기를 도시하면서 계단식으로 도시하였는데, 실제로는 도 8에 도시된 긴장력의 변화 곡선과 유사한 형태로 압축 프리스트레스가 도입길이에 거쳐 점차 도입된다. 이러한 점을 고려하면 앞서 설명한 빔을 효율적으로 설계할 수 있는 장점은 더욱 부각된다.

도 11에는 제2빔(20)의 내부에 긴장재(30)를 배치하는 다양한 형태가 도시되어 있다. (a)에는 앞서 설명한 바와 같이 필요한 정착길이만큼 피복강연선 부착부(31)를 배치한 형태가 도시되어 있고, (b)에는 피복강연선 부착부(31)의 길이를 필요한 정착길이 이상으로 배치하여 요구되는 정착길이를 넘어서는 부분은 종방향의 보강철근처럼 사용하면서 확실한 정착을 담보하도록 구성된 예가 도시되어 있다. (c)에는 정착길이를 줄이기 위하여 전단링(50)을 사용한 실시예가 도시되어 있는데 전단링(50)은 피복강연선 부착부(31)에 결합하는 링으로서 긴장재(30)에 가해지는 인장력의 일부를 효과적으로 지지하는 앵커 역할을 함으로써 정착길이를 줄일 수 있게 된다. (d)에는 긴장재(30) 두 개를 다발로 연결하여 사용하는 예가 도시되어 있는데 두 개의 긴장재(30)를 다발로 사용하면 낱개로 사용하는 경우에 비하여 보다 많은 긴장재를 좁은 단면에 배치할 수 있는 장점이 있는 반면, 겹친 부분의 부착 강연선 부분과 콘크리트가 접하는 면적이 좁아지므로 보다 긴 정착길이를 확보해야 하는 단점이 있으므로 이러한 점을 설계에 고려해야 한다.

한편, 본 실시예의 프리스트레스트 강합성 거더는 제1빔(10)에 프리플렉션 하중을 가하지 않고도 제2빔(20)의 허용 압축 프리스트레스를 충분히 활용할 수 있기 때문에 평면곡선 거더에도 효율적으로 사용될 수 있는 장점이 있다. 즉 횡방향 곡률이 있는 평면곡선의 강재 거더에 프리플렉션 하중을 작용시키면 매우 큰 비틀림 모멘트가 작용되어 이를 지지하기가 어렵기 때문에 프리플렉션을 평면곡선 거더에 적용하는 것은 사실상 불가능한데 본 발명의 프리스트레스트 강합성 거더는 프리플렉션을 사용하지 않더라도 효율성이 좋기 때문에 저형고의 평면곡선 거더에도 적합하다.

이하에서는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 프리스트레스트 콘크리트 강합성 거더의 제작방법에 대하여 설명하기로 한다. 본 실시예는 앞서 설명한 프리스트레스트 콘크리트 강합성 거더의 하나의 실시예를 제작하는 방법에 관한 것이다.

본 실시예에 따른 프리스트레스트 강합성 거더의 제작방법은 제1빔 제작단계, 제2빔 제작단계, 긴장재 매립단계 및 프리스트레싱 단계를 포함하여 구성된다.

상기 제1빔 제작단계는 상부 플랜지(11), 복부(12), 하부 플랜지(13)로 구성되며 일방향으로 긴 강재의 제1빔(10)을 제작하는 단계이다.

상기 제2빔 제작단계는 상기 제1빔(10)과 구조적으로 합성된 상태로 거동할 수 있도록 상기 제1빔(10)과 결합하는 철근 콘크리트 재질의 제2빔(20)을 제작하는 단계이다. 구조적으로 합성한다는 의미는 앞서 설명하였으므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 제2빔(20)을 제작하는 단계는 일반적은 철근 콘크리트 빔의 제작과 마찬가지로 거푸집을 설치하고 그 내부에 철근을 배근하며 콘크리트를 타설/양생하는 단계를 통해서 이루어지게 된다.

상기 긴장재 매립단계는 상기 제2빔(20)의 내부에 긴장재(30)를 매립하는 단계이다. 이때 긴장재(30)는 도 7에 도시된 바와 같이 한쪽의 일정 길이는 피복강연선 부착부(31)의 형태로 제작되고 나머지는 피복강연선 비부착부(32)의 형태로 제작되는 긴장재이다. 이때 피복강연선 비부착부(32)쪽의 단부는 제2빔(20)의 어느 한쪽 단부쪽으로 노출이 되도록 긴장재(30)를 매립한다.

상기 프리스트레싱 단계는 상기 제2빔(20)을 이루는 콘크리트가 일정강도로 경화된 이후에 상기 피복강연선 비부착부(32)의 노출된 단부에서 긴장, 정착하여 상기 긴장재(30)에 인장력을 가한 상태로 정착구(40)에 정착시킴으로써 제2빔에 압축 프리스트레스가 작용하도록 하는 것이다. 물론 앞서 설명했듯이 강연선의 긴장과 정착을 위해서는 제2빔(20)의 정착구(40)쪽 단부에서 밖으로 돌출된 구간의 피복강연선 비부착부(32)의 피복은 긴장작업 시에 제거되어야 한다.

본 실시예에 따른 프리스트레스트 강합성 거더의 제작방법에 의하면 앞서 설명한 프리스트레스 강합성 거더의 하나의 실시예를 제작할 수 있다.

전술한 실시예에서는 편의상 제1빔의 프리플렉션에 의한 프리스트레스의 도입에 대해서는 포함하여 기술하지 않았는데, 본 발명의 경우에도 기존의 프리스트레스트 강합성 거더 공법들과 같이 제1빔과 제2빔을 합성하기 전에 제1빔에 프리플렉션 하중을 가하고, 제2빔의 콘크리트가 경화되어 제1빔과 제2빔이 합성되면 프리플렉션 하중을 제거하여 프리스트레스를 도입하는 방법을 더불어 사용할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프리스트레스트 강합성 거더 및 그 제작방법에 대하여 설명함으로써 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제공하였으나 본 발명의 기술적 사상이 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 범위를 벗어나지 않는 범위 안에서 다양한 실시예로 구체화될 수 있다.

10 : 제1빔 20 : 제2빔
30 : 긴장재 40 : 정착구
50 : 전단링

Claims (5)

1. 상부 플랜지와 복부를 포함하여 구성되며 일방향으로 긴 강재의 제1빔;
   상기 제1빔의 하부쪽에 상기 제1빔과 구조적으로 합성되는 철근 콘크리트 재질의 제2빔; 및,
   일단부의 일정길이는 부착 강연선의 형태로 제작되고 나머지는 비부착 강연선의 형태로 제작되는 강연선으로서 상기 제2빔의 내부에 제2빔의 길이방향으로 매립되며, 부착형태의 단부는 내부 정착 장치 없이 상기 제2빔의 콘크리트가 경화됨에 따라 제2빔에 부착되어 정착되고 비부착형태의 단부는 제2빔이 일정 강도로 경화된 이후에 인장력이 가해진 상태로 제2빔의 단부쪽에 마련되는 정착구에 정착되는 긴장재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 강합성 거더.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2빔에 작용하는 프리스트레스의 도입을 위하여 상기 제2빔의 내부에 배치되는 긴장재는 상기 제2빔의 길이와 폭을 기준으로 긴장력이 대칭적으로 작용할 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 강합성 거더.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 부착형태의 강연선 단부에 결합하는 전단링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 강합성 거더.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 긴장재 중 비부착 강연선 형태를 가진 부분의 길이를 다르게 사용함으로써 상기 제2빔에 작용하는 프리스트레스의 크기와 작용하는 구간을 조절하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 강합성 거더.
   
5. 프리스트레스트 강합성 거더의 제작방법에 있어서,
   상부 플랜지와 복부를 포함하여 구성되며 일방향으로 긴 강재의 제1빔을 제작하는 제1빔 제작단계;
   상기 제1빔과 합성된 상태로 거동할 수 있도록 상기 제1빔의 하부쪽에 결합하는 철근 콘크리트 재질의 제2빔을 제작하는 제2빔 제작단계;
   상기 제2빔의 제작하는 과정에서 상기 제2빔의 내부에 내부 정착 장치 없이 일단부의 일정길이는 부착 강연선 형태로 제작되고 나머지는 비부착 강연선의 형태로 제작되는 긴장재를 제2빔의 길이 방향으로 매립하되 긴장재의 비부착 형태의 단부는 상기 제2빔의 단부쪽으로 노출되도록 매립하는 긴장재 매립단계; 및,
   상기 제2빔의 콘크리트가 일정강도로 경화된 이후에 상기 긴장재에 인장력을 가한 상태로 정착구에 정착시켜 제2빔에 프리스트레스가 작용하도록 하는 프리스트레싱 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 강합성 거더의 제작방법.

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