KR101742046B1 - 교량용 강합성 거더 및 이의 제작 방법 및 이에 의해 제작된 강합성 거더를 이용한 교량 상부 구조의 시공 방법 - Google Patents

교량용 강합성 거더 및 이의 제작 방법 및 이에 의해 제작된 강합성 거더를 이용한 교량 상부 구조의 시공 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강합성 거더 및 이를 이용한 교량 상부 구조의 시공 방법에 관한 것으로, 강재 거더의 중앙부에 비하여 단부에서 보다 복부가 높게 형성됨으로써, 단부에서 작용하는 큰 수직 전단력을 확대된 복부에 의하여 지지하고, 중앙부에 작용하는 큰 휨 모멘트는 강재 거더의 중앙부는 보다 작은 단면의 복부로 형성되어 경제성을 확보하면서도 중립축으로부터 이격된 위치에 합성된 케이싱 콘크리트에 의하여 증대된 단면 계수를 구현하여 지지함으로써, 고가의 강재 사용량을 최소화하면서도 단면 효율을 향상시키고 수직 전단력과 휨 모멘트를 효과적으로 지지할 수 있다. 이에 의하여 강재를 압축 부재로 활용하여 나타나는 좌굴에 따른 단면 강성 감소 영향을 사전에 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 좌굴을 방지하기 위한 별도의 보강재 설치를 최소화하더라도 구조적으로 안정된 상태를 유지할 수 있는 강합성 거더 및 이를 이용한 교량 상부 구조의 시공 방법을 제공한다.

Description

교량용 강합성 거더 및 이의 제작 방법 및 이에 의해 제작된 강합성 거더를 이용한 교량 상부 구조의 시공 방법 {COMPOSITE GIRDER AND METHOD OF MANUFACTURING COMPOSITE GIRDER AND OF CONSTRUCTING BIRDGE UPPER STRUCTURE USING SAME}
본 발명은 강합성 거더 및 이의 제작 방법, 그리고 이를 이용한 교량 상부 구조의 시공 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 강재 사용량을 최소화하면서도, 거더 양단부의 전단력에 대한 지지 능력이 높으면서 거더 중앙부에서의 휨 모멘트에 의한 지지 능력을 향상시킨 강합성 거더 및 이의 제작 방법 및 이를 이용한 교량 상부 구조의 시공 방법에 관한 것이다.
일반적으로 강재는 인장력에 대해서는 효과적으로 저항할 수 있지만, 압축력에 대해서는 좌굴이 발생되어 갑작스런 붕괴를 유발하는 문제가 있고, 콘크리트는 압축력에 대해서는 효과적으로 저항할 수 있지만 인장력에 취약하여 인장력이 작용하면 균열이 쉽게 발생되어 구조물의 내하력이 급격히 감소하는 문제가 있다.
이에 따라, 도1a에 도시된 바와 같이 압축력이 작용하는 중립축 상연에는 케이싱 콘크리트(20)로 저항하고 인장력이 작용하는 중립축 하연에는 강재(10)로 저항하는 구조의 강합성 거더(1)를 제작하여, 교량의 구조 부재로 사용되고 있다.
즉, 강재는 인장력을 받는 구조에 유리하지만, 압축력을 받으면 부재가 얇을 경우에 좌굴이 발생되는 문제가 있고, 콘크리트는 압축력을 받는 구조에 유리하지만, 인장력을 받으면 균열이 발생되어 내하력이 급격히 감소되는 문제가 있다. 이와 동시에, 강재는 콘크리트에 비하여 훨씬 고가이므로, 강재의 사용량을 최소화하는 것이 필요하다.
이에 따라, 강합성 거더(1)의 중립축 상연은 압축응력이 지배적으로 작용하므로 강재(10) 대신에 케이싱 콘크리트(20)에 의해 지지되지만, 도1b에 도시된 바와 같이 복부(10b)와 하부플랜지(10a)가 결합한 강재 거더(10)에 케이싱 콘크리트(20)가 합성된 단면으로 하중 저항시, 강재(10)와 케이싱 콘크리트(20)의 합성을 위해 별도의 보강 수단들이 필요할 뿐만 아니라, 복부(10b)의 상단부의 상측으로 케이싱 콘크리트(20)에 쪼갬 균열(88)이 발생되어 단면 내하력을 저하시키는 문제점이 야기된다.
강재(10)와 케이싱 콘크리트(20)의 합성과 케이싱 콘크리트(20)의 쪼갬 균열을 방지하기 위하여, 도2a에 도시된 바와 같이 강재 거더의 복부 상단부를 굴곡부와 오목부로 형성된 퍼즐 스트립(Puzzle-Strip) 형상(10x)으로 제작하고, 케이싱 콘크리트(20)의 내부를 둘러싸는 철근(25)이 강재 거더(10)의 복부 상연과 케이싱 콘크리트(20)의 상연 사이에 위치하게 배치하기도 하지만, 퍼즐 스트립(Puzzle-Strip) 구조의 응력 집중에 따른 피로 변형 문제와, 전단력이 크게 발생하는 지점부(거더 단부)의 경우에는 여전히 쪼갬 균열이 발생될 수 있는 한계가 있었다. 또한, 전단력에 대한 저항 능력을 높이기 위하여 복부 두께를 증가시키는 방안도 모색해볼 수 있지만, 이는 불필요한 강재 사용량이 증가되어, 단면 효율이 저하되는 문제가 있었다.
이와 더불어, 강재(10)와 케이싱 콘크리트(20)의 합성과 케이싱 콘크리트(20)의 쪼갬 균열을 방지하기 위하여, 도2b에 도시된 바와 같이 강재 거더의 복부 상단부에 수평스터드(10y)를 부착하고, 케이싱 콘크리트(20)의 내부를 둘러싸는 철근(25)이 강재 거더(10)의 복부 상연과 케이싱 콘크리트(20)의 상연 사이에 위치하게 배치하기도 하지만, 복부에 스터드(10y)를 용접함으로써 발생하는 복부 변형 때문에 필요 이상으로 복부의 두께를 증가시켜 사용해야 하는 문제와 전단력이 크게 발생하는 지점부(거더 단부)의 경우에는 여전히 쪼갬 균열이 발생될 수 있는 한계가 있었다
또한, 상기와 같은 강합성 거더(1)는 강재 거더(10)와 케이싱 콘크리트(20)를 견고하게 합성하기 위하여 케이싱 콘크리트(20)내에 강재 거더(10)의 복부를 소정의 필요한 길이만큼 매입해야 하고, 복부 단부의 피로 변형의 문제를 극복하기 위하여 복부의 두께 또한 증가시켜야 하는 등 불필요한 강재량의 사용이 증가되어 경제성이 저하되는 한계가 있었다.
한편, 상기와 같이 구성된 강합성 거더(1)를 이용하여 교량의 상부 구조를 시공하는 과정에서 바닥판 콘크리트(30)와 강합성 거더(1)를 견고하게 합성하기 위하여, 전단력이 크게 발생하는 교량 지점부에서 전단 철근(도2, 25)을 케이싱 콘크리트(20) 내부에 조밀하게 배근해야 하고, 또한 강재 거더(10)와 케이싱 콘크리트(20)를 합성하는 것을 보조하는 추가적인 전단 연결재(미도시)도 설치해야 한다. 그래야만 전단 연결재에 의하여 강재 거더와 케이싱 콘크리트가 합성되고, 전단 철근(25)에 의하여 강합성 거더(1)의 케이싱 콘크리트(20)와 상측에 합성되는 바닥판 콘크리트(30)가 상호 일체로 결합된다.
그러나, 강합성 거더(1)를 제작하는 과정에서 바깥으로 돌출된 전단 철근(25)을 조밀하게 설치하는 공정은 그 자체가 매우 번잡하고 까다로우며 재료의 낭비가 되어 경제성이 저하될 뿐만 아니라, 전단 철근(25)을 배근한 이후에 케이싱 콘크리트(20)를 합성하기 위한 거푸집의 설치 및 타설, 양생 공정을 더디게 하는 원인이 된다. 그럼에도 불구하고, 전단 철근(25)은 견고한 강재 거더(10)와 결합되는 것이 아니라 케이싱 콘크리트(20)에 매설되어 고정되므로, 케이싱 콘크리트(20)와 바닥판 콘크리트(30) 사이에서 작용하는 전단력에 취약한 문제도 야기된다.
따라서, 강합성 거더(1)의 단부에 큰 전단력이 작용하더라도 충분히 견딜 수 있고, 고가의 강재 사용량을 최소화하여 경제성을 향상시킴과 동시에, 강재량이 절감된 단면으로도 거더 중앙부에 발생하는 큰 휨모멘트에 대하여 효율적으로 저항할 수 있을 뿐만 아니라 강재 거더와 케이싱 콘크리트 그리고 바닥판 콘크리트가 견고하게 합성된 강합성 거더의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 중앙부에 비하여 지점부에서 크게 작용하는 전단력과 중앙부에 크게 발생하는 휨모멘트를 고가의 강재 사용량을 최소화하면서도 충분히 저항할 수 있게 하여 단면 효율을 향상시키면서도, 경제성이 향상된 강합성 거더 및 그 제작 방법 및 이에 의해 제작된 강합성 거더를 이용한 교량 상부 구조의 시공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 별도의 전단 철근을 배근하지 않거나 종래에 비하여 보다 적은 양의 철근으로 배근하더라도, 전단 연결재에 의하여 강재 거더와 케이싱 콘크리트 및 바닥판 콘크리트를 한번에 연결하여, 강재 거더와 케이싱 콘크리트와 바닥판 콘크리트가 보다 견고하게 합성되게 하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 케이싱 콘크리트에 자중에 의한 압축 응력이 도입되는 것을 방지하고, 강재 거더의 상연에 공용 중 작용하는 압축 응력을 상쇄시키는 인장 응력을 미리 도입하여 보다 높은 내하 능력을 구현하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 강재 거더를 내민보 형식으로 지지한 상태에서 거더의 중립축 상연에 케이싱 콘크리트를 합성하여, 거더의 중앙부 하연에 도입되어 있던 압축 프리스트레스에 의하여 거더 중앙부의 하연에서 발생되는 인장 응력을 상쇄시키고, 동시에 강합성 거더의 강재 거더 상연에 미리 인장 응력을 도입하여 공용 중에 작용하는 압축 응력을 미리 상쇄시켜 보다 높은 내하 능력을 구현하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 연속 교량의 상부 구조를 시공함에 있어서, 연속 지점부에서 중립축 상연에 크게 작용하는 인장 응력과 중립축 하연에서 크게 작용하는 압축 응력을 효과적으로 지지할 수 있도록 하면서도, 시공 기간을 단축하여 구조계의 안정성과 경제성을 동시에 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 달성하기 위하여 도출된 것으로서, 양단부 중 하나 이상의 단부에는 중앙부에 비하여 보다 높게 복부가 형성되고, 상기 중앙부의 상기 복부의 상측에 제1상부플랜지가 상기 단부에서는 상기 복부의 상측에 제2상부플랜지가 형성되며, 상기 복부의 하단에 하부플랜지가 결합된 강재 거더와; 상기 상부플랜지에 상방으로 돌출된 전단 연결재와; 상기 강재 거더의 중립축 상측에 합성된 케이싱 콘크리트를; 포함하여 구성되되, 상기 단부의 상기 제2상부플랜지 상면에는 전단연결재가 상방으로 부착되어 상기 케이싱 콘크리트 상측으로 노출되는 것을 특징으로 하는 강합성 거더를 제공한다.
이는, 강재 거더의 중앙부에 비하여 단부에서 보다 복부가 높게 형성됨으로써 강재 거더 단부의 큰 복부 단면에 의하여 거더 단부에 크게 작용하는 전단력을 견딜 수 있게 할 뿐만 아니라, 강재 거더의 단부와 중앙부의 복부 높이 차이만큼 압축력 지지 및 단면 강성 증가에 효율적인 케이싱 콘크리트를 크게 활용하여 중앙부에 발생하는 큰 휨모멘트에 저항할 수 있는 충분한 단면을 확보함으로써 고가의 강재 사용량을 최소화하면서도 단면 효율을 향상시키고 경제성을 극대화하기 위함이다.
또한, 강합성 거더 중앙부의 케이싱 콘크리트의 단면 높이를 크게 적용함으로써 바닥판 콘크리트 완성 후 합성 단면 중립축 부근에 강재 거더의 상부플랜지가 위치하게 되어 상부플랜지에 발생하는 응력을 최소화시켜 상부플랜지 단면 축소에 따른 추가적인 강재량 절감이 가능해 진다. 이와 더불어 합성 단면 중립축 상측에는 좌굴 저항에 강한 콘크리트가 활용되므로 강재를 압축 부재로 활용하여 나타나는 좌굴에 따른 단면 강성 감소 영향을 사전에 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 좌굴을 방지하기 위한 별도의 보강재 설치를 최소화하더라도 구조적으로 안정된 상태를 유지할 수 있다.
또한, 거더가 연속교 형태로 거치된 경우에도 단부의 높은 복부와 상측의 상부플랜지에 의해 단면 계수(단면2차모멘트)를 증대시켜 연속지점부에 작용하는 큰 휨 모멘트를 효과적으로 지지할 수 있다.
이 때, 상기 강재 거더와 결합되는 상부 케이싱 콘크리트가 거더 단부의 케이싱 콘크리트의 두께는 작고, 거더 중앙부의 케이싱 두께는 크게 상기 상부플랜지 상면에 결합됨으로써 합성거더를 형성할 수 있다. 이를 통해, 중앙부보다 휨모멘트가 작게 발생하는 단부의 케이싱 콘크리트 사용량을 줄임으로써 보다 경제적인 강합성 거더의 활용이 가능하다.
그리고, 상기 중앙부는 복부 상측에 제1상부플랜지가 형성된 I자형 단면으로 형성되고, 상기 단부에서도 복부 상측에 제2상부플랜지가 형성된 I자형 단면으로 형성되고, 동시에 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지가 중복되는 중복 영역이 배치될 수 있다. 이와 같이, 제1상부플랜지가 중앙부에만 형성되지 않고 단부에까지 뻗어 형성됨에 따라, 복부의 단면이 서로 다른 단부와 중앙부의 연결 부분에서도 응력이 국부적으로 집중되지 않고 분산하여 효과적으로 지지할 수 있다.
이 때, 상기 중앙부와 상기 단부의 사잇 영역에서의 상기 복부는 단면이 점진적으로 변하는 변단면 영역이 형성되어, 중앙부와 단부의 사잇 영역에서 응력이 집중되는 것을 억제한다. 이와 동시에, 중앙부에 형성된 제1상부플랜지와 상기 단부의 상측에 형성된 제2상부플랜지는 상기 변단면 영역의 상측에 형성된 제3상부플랜지에 의하여 연결되어, 사잇 영역에서 국부적으로 응력이 집중되지 않게 된다.
이 때, 복부의 단면이 중앙부에 비하여 보다 크게 형성되는 단부는 강재 거더의 일측 단부에만 해당할 수도 있고, 강재 거더의 양측 단부에 모두 해당하게 구성될 수 있다.
이 때, 상기 케이싱 콘크리트는 상면이 편평한 면으로 형성될 수 있다. 즉, 케이싱 콘크리트를 합성하기 위한 거푸집을 하나로 제작하여 조립하여 중앙부와 단부에서의 케이싱 콘크리트의 두께를 다르게 형성할 수 있다. 이 때, 케이싱 콘크리트의 저면은 복부의 높이를 따라 형성될 수 있다.
한편, 상기 거더의 단부에 배치된 상기 전단 연결재의 상단부가 상기 케이싱 콘크리트의 상면으로부터 돌출되게 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 큰 전단력이 작용하는 거더 단부에 대하여, 강재 거더에 케이싱 콘크리트가 합성된 상태에서도 상부플랜지에 결합된 전단 연결재가 바깥으로 상방 돌출되어 있어서, 제작된 강합성 거더를 이용하여 교량을 시공하는 공정 중에 케이싱 콘크리트의 상면 바깥으로 돌출된 전단 연결재가 교량의 바닥판 콘크리트가 직접 결합되어 강합성 거더의 강재와 바닥판 콘크리트의 결합이 보다 견고하게 이루어진다. 이에 따라, 강합성 거더와 바닥판 콘크리트의 사이에 큰 전단력이 작용하더라도 강재에 고정된 전단 연결재에 의하여 바닥판 콘크리트와 합성된 상태를 유지하므로 안정된 일체 거동을 행할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
한편, 거더의 전체 길이(L)에 걸쳐, 상기 전단 연결재의 상단부가 상기 케이싱 콘크리트의 상면으로부터 돌출되게 형성될 수 있다. 이에 따라, 강합성 거더의 케이싱 콘크리트 내에 전단 철근을 별도로 배근하지 않거나 종래보다 적은 양의 철근으로 배근하더라도, 전단 연결재에 의하여 강재 거더와 케이싱 콘크리트 및 바닥판 콘크리트를 한번에 연결하여 합성하여 보다 견고한 합성 효과를 극대화할 수 있으므로, 보다 저렴하면서도 거더와 바닥판이 견고한 구조계를 구현하고 시공 기간을 단축할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 상기 단부와 상기 중앙부의 상기 복부의 높이차는 80mm 내지 400mm 로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 단부의 길이는 상기 강재 거더의 전체 길이(L)의 0.05L~0.25L로 정해진다. 구체적으로는, 강합성 거더가 단순 지지되는 단순교의 경우에는 단부의 길이를 강합성 거더의 전체 길이(L)의 1/20배 이상으로 설정하는 것에 의하여 단부에서 크게 작용하는 수직 전단력에 대하여 높은 복부 단면으로 효과적으로 저항할 수 있을 뿐만 아니라 복부 상측 및 상부플랜지와 케이싱 콘크리트의 접합 면적을 증대시켜 쪼갬 균열이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 강합성 거더가 (예를 들어, 교각 상측에서의) 연속 지지점 상에서 종방향으로 연결된 연속교인 경우에는, 연속 지점부에 큰 전단력 및 부모멘트가 작용하여 연속 지점부에 위치하는 거더 단부의 복부에 큰 전단응력이 그리고 중립축 상연에 큰 인장 응력이 작용하므로, 이를 확실하게 견딜 수 있기 위해서는 부모멘트가 작용하는 영역인 거더의 전체 길이(L)의 1/4배에 해당하는 길이 이하로 중앙부 보다 큰 복부를 형성하여 큰 전단력을 효과적으로 저항함과 동시에 중립축 상연에 인장 응력을 견딜 수 있도록 'I'자형 단면의 단부가 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 부모멘트와 전단력이 크게 작용하는 구간에만 높은 단면력에 견딜 수 있도록 복부 높이가 증대된 I자형 단면으로 형성함으로써, 단면 효율을 극대화시킴과 동시에 강재의 사용 효율을 향상시킬 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 양단부 중 단부에는 중앙부에 비하여 보다 높게 복부가 형성되고, 상기 복부의 하단에 하부플랜지가 결합되고, 중앙부의 복부 상측에 제1상부플랜지가 형성되고 단부의 복부 상측에 제2상부플랜지가 형성된 강재 거더를 제작하는 강재거더 제작단계와; 상기 상부플랜지에 상방으로 돌출되는 전단 연결재를 설치하는 전단연결재 설치단계와; 상기 강재 거더의 복부 상부와 상기 상부플랜지를 둘러싸는 거푸집을 설치하는 거푸집 설치단계와; 상기 거푸집에 굳지 않은 콘크리트를 타설하여 상기 강재 거더에 케이싱 콘크리트를 합성하여 강합성 거더로 만드는 콘크리트 합성단계와; 상기 거푸집을 제거하는 거푸집 제거단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 강합성 거더의 제작 방법을 제공한다.
이를 통해, 거더의 단부는 보다 큰 단면의 복부에 의하여 크게 작용하는 전단력을 효과적으로 저항할 수 있을 뿐만 아니라, 거더의 중앙부는 보다 작은 단면의 강재 복부로 형성되어 강재 거더의 단부와 중앙부의 복부 높이 차이만큼 단면 강성 증가에 유리한 케이싱 콘크리트를 크게 적용할 수 있어 작게 작용하는 전단력과 큰 휨모멘트를 적은 양의 강재 사용으로도 효과적으로 지지할 수 있다.
이 때, 상기 전단 연결재는 상기 케이싱 콘크리트의 상면으로부터 돌출되는 높이로 형성되어, 상기 강합성 거더의 상측에 합성되는 바닥판 콘크리트와의 합성을 보조한다. 이 때, 상기 케이싱 콘크리트의 상면으로부터 돌출되는 높이로 형성되는 전단 연결재는 거더 단부에 형성되거나 거더 전 길이(L)에 걸쳐 형성될 수 있다.
그리고, 상기 거푸집 설치단계 이전에, 상기 강재 거더를 내민보 형식으로 L/2~L/4의 지지점에 2점 단순 지지되게 지지시키는 강재거더 지지단계와; 상기 거푸집 제거단계 이후에, 상기 강재 거더가 양단 지지되게 지지점을 이동시키는 지지점 이동단계를; 더 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같이, 강재 거더를 내민보 형식으로 지지한 상태에서 거더의 중립축 상연에 케이싱 콘크리트를 합성하여, 강재 거더의 내민보 부분의 자중과 케이싱 콘크리트의 자중에 의하여 강재 거더의 중앙부 하연에 압축 프리스트레스가 도입되게 한 후, 거더의 지지점을 교량에 시공되는 지지 상태와 동일하게 거더 양단부로 바깥 이동시킴으로써, 강재 거더의 자중 및 케이싱 콘크리트의 자중에 의하여 강합성 거더의 중앙부 하연에 도입되어 있던 압축 프리스트레스에 의하여 거더 중앙부의 하연에서 발생되는 인장 응력을 상쇄시킬 수 있고, 동시에 강합성 거더의 강재 거더 상연에 미리 인장 응력을 도입함으로써 바닥판 콘크리트가 강합성 거더의 상측에 합성되고 활하중이 인가되는 동안에 작용하는 압축 응력을 미리 상쇄시킬 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 상기 거푸집 설치단계는 상기 거푸집이 바닥 지면에 지지된 상태로 설치될 수도 있지만 상기 강재 거더에 지지되게 설치될 수 있다. 이를 통해, 강재 거더에 합성된 케이싱 콘크리트의 자중이 강재 거더에 의해 지지되게 함으로써, 케이싱 콘크리트의 자중에 의한 인장 응력이 케이싱 콘크리트에 도입되는 것을 방지할 수 있다.
더욱이, 거푸집이 강재 거더에 지지된 상태로 설치되면서, 동시에 강재 거더가 내민보 상태로 케이싱 콘크리트가 합성되는 경우에는, 케이싱 콘크리트에 자중에 의한 압축 응력이 도입되는 것을 방지하면서도, 강재 거더의 상연에 공용 중 작용하는 압축 응력을 상쇄시키는 인장 응력을 미리 도입하여 보다 높은 내하 능력을 구현할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이 때, 상기 강재거더 지지단계 이후에, 상기 강재 거더의 양단부에 하방으로 임시 집중 하중을 도입하는 단계와; 상기 콘크리트 합성단계 이후에, 상기 임시 집중 하중을 제거하는 단계를; 더 포함하여 구성됨으로써, 내민보 상태에서 자중에 의한 처짐 효과 이외에 임시 집중 하중에 의하여 강합성 거더의 중립축 하연에 도입되는 압축 프리스트레스와 중립축 상연의 강재에 도입되는 인장 프리스트레스의 양을 보다 더 크게 조절할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 강합성 거더의 시공 방법은 강재 거더의 길이 전체에 대하여 케이싱 콘크리트가 합성되게 할 수도 있지만, 강재 거더의 일부 길이에 대해서만 케이싱 콘크리트가 합성되게 할 수도 있다. 이를 위하여, 상기 거푸집은 상기 강재 거더의 양끝단 중 어느 하나 이상을 감싸지 않는 형태로 형성되어, 상기 강합성 거더는 상기 케이싱 콘크리트가 합성되지 않은 단부를 구비하게 강합성 거더를 제작할 수 있다.
한편, 본 발명은, 상기와 같이 제작된 강합성 거더를 이용하여 교량의 상부 구조를 시공함에 있어서도, 양끝단 중 어느 하나 이상에는 케이싱 콘크리트가 합성되지 않게 상기 강합성 거더를 제작하여, 상기 강합성 거더를 교량의 하부 구조 상에 단순 거치하되, 상기 케이싱 콘크리트가 합성되지 않은 끝단이 연속 지점부 상에 배치되게 거더거치단계와; 상기 연속 지점부를 가로질러 교축 방향으로 배열된 상기 강합성 거더들을 상부플랜지에 연결 강판을 부착하여 상호 연결하는 거더연결단계와; 상기 강합성 거더 들의 상측에 바닥판 콘크리트를 타설하되, 상기 강합성 거더들의 교축 방향으로의 연결 강판이 상기 바닥판 콘크리트에 의해 매립되게 바닥판 콘크리트를 상기 강합성 거더와 합성하는 바닥판 합성단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 교량 상부구조의 시공방법을 제공한다.
이와 같이, 강합성 거더의 단부가 연속 지점부를 형성하는 경우에, 단부에 케이싱 콘크리트를 합성하지 않은 강합성 거더를 연속 지점부를 형성하는 교량 하부 구조에 거치시킨 상태로, 종방향으로 배열된 강합성 거더 단부의 노출된 상부플랜지를 연결 강판으로 용접이나 리벳 또는 볼트 등으로 연결하는 방식으로 부착하여 연결한 후, 바닥판 콘크리트를 타설할 때에 연속 지점부의 강재 거더를 매립되게 함으로써, 연속 지점부에서 크게 작용하는 부모멘트를 연결 강판으로 효과적으로 지지할 수 있을 뿐만 아니라, 연속 지점부에서 작용하는 중립축 하연의 압축 응력에 대해서는 바닥판 콘크리트의 타설과 동시에 그리고 일체로 합성되는 합성 콘크리트에 의하여 지지할 수 있게 된다. 이와 같은 시공 방법에 의하여 연속 지점부에서 작용하는 단면력을 효과적으로 상쇄시킬 수 있으면서 시공 기간도 단축할 수 있으므로 경제성을 제고할 수 있는 잇점이 얻어진다.
본 명세서 및 특허청구범위에서 사용되는 교량의 '하부 구조'라는 용어는 교량을 시공하는 데 있어서 지지하는 '교대' 또는 '교각' 등을 통칭하는 의미로 당업계에서 사용되는 용어이며, 교량의 '상부 구조'라는 용어는 교량의 하부 구조 상에 거치되어 통행할 수 있게 하는 '거더', '바닥판', '난간' 등을 통칭하는 의미로 당업계에서 사용되는 용어로 정의하기로 한다.
이상에서 기재된 바와 같이, 본 발명은, 강재 거더의 중앙부에 비하여 단부에서 보다 복부가 높게 형성됨으로써, 단부에서 작용하는 큰 수직 전단력을 확대된 복부에 의하여 지지하고, 중앙부에 작용하는 큰 휨 모멘트는 강재 거더의 중앙부는 보다 작은 단면의 복부로 형성되어 경제성을 확보하면서도 중립축으로부터 이격된 위치에 합성된 케이싱 콘크리트의 단면을 중앙부와 단부의 복부 높이차 만큼 증가시킴에 의하여 증대된 단면 계수를 구현하여 지지함으로써, 고가의 강재 사용량을 최소화하면서도 단면 효율을 향상시키고 수직 전단력과 휨 모멘트를 효과적으로 지지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이에 의하여, 강합성 거더 중앙부의 케이싱 콘크리트의 단면 높이를 크게 적용함으로써 바닥판 콘크리트 완성 후 합성 단면 중립축 부근에 강재 거더의 상부플랜지가 위치하게 되어 상부플랜지에 발생하는 응력을 최소화시켜 상부플랜지 단면 축소에 따른 추가적인 강재량 절감이 가능해 경제성이 향상되는 유리한 효과를 엇을 수 있다.
이와 더불어 합성 단면 중립축 상측에는 좌굴 저항에 강한 콘크리트가 활용되므로 강재를 압축 부재로 활용하여 나타나는 좌굴에 따른 단면 강성 감소 영향을 사전에 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 좌굴을 방지하기 위한 별도의 보강재 설치를 최소화하더라도 구조적으로 안정된 상태를 유지할 수 있다.
무엇보다도, 본 발명에는, 상기 케이싱 콘크리트의 단면이 상기 단부의 상측에 비하여 상기 중앙부에서 보다 크게 형성되어, 중앙부에서 케이싱 콘크리트와 강재 거더의 합성 단면에 의하여 크게 작용하는 휨 모멘트를 보다 효율적이면서도 경제적으로 지지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 중앙부보다 휨모멘트가 작게 발생하는 단부의 케이싱 콘크리트 사용량을 줄임으로써 보다 경제적인 강합성 거더의 활용이 가능해진다.
그리고, 본 발명은, 거더 단부의 상부플랜지 또는 거더 전 구간(L)의 상부플랜지에 전단 연결재가 케이싱 콘크리트의 바깥 상측으로 돌출되게 형성됨으로써, 전단 연결재에 의하여 강재 거더와 케이싱 콘크리트의 합성을 보다 견고히 할 뿐만 아니라 교량 상부 구조의 시공 중에 강합성 거더와 바닥판 콘크리트의 합성을 보다 견고하게 하므로, 전단 철근에 의해 일체화하는 것에 비하여 강재 거더에 결합된 전단 연결재에 의하여 강합성 거더와 케이싱 콘크리트를 일체화하므로 구조적으로 보다 안정된 일체 거동을 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은 연속 지점부에서 강합성 거더를 종방향으로 연결하는 연속 교량을 시공함에 있어서, 단부에는 케이싱 콘크리트를 합성하지 않은 강합성 거더를 연속 지점부에 거치 시키고, 거더 단부의 노출된 상부플랜지를 연결 강판으로 용접이나 리벳 또는 볼트 연결하는 방식으로 부착하여 연결하거나 케이싱 콘크리트로부터 종방향으로 돌출된 연결 철근을 이음 작업을 한 후, 바닥판 콘크리트를 타설할 때에 연속 지점부의 강재 거더를 매립되게 시공함으로써, 연속 지점부에서 크게 작용하는 부모멘트를 연결 강판으로 효과적으로 지지할 수 있을 뿐만 아니라, 연속 지점부에서 작용하는 중립축 하연의 압축 응력에 대해서는 바닥판 콘크리트의 타설과 동시에 그리고 일체로 합성되는 합성 콘크리트에 의하여 지지할 수 있으며, 시공 기간도 단축하여 시공성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도1a는 종래의 강합성 거더의 외관을 도시한 사시도,
도1b는 도1의 횡단면도,
도2a는 도1a의 강합성 거더에 바닥판 콘크리트가 합성된 구성의 제1횡단면도,
도2b는 도1a의 강합성 거더에 바닥판 콘크리트가 합성된 구성의 제2횡단면도,
도3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 거더의 분해 사시도,
도3b는 도3a의 결합 사시도,
도3c는 도3b의 절단선 A-A에 따른 단면도,
도3d는 도3b의 절단선 B-B에 따른 단면도,
도4a는 도3b에 케이싱 콘크리트를 합성한 강합성 거더의 정면도,
도4b 내지 도4g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 강합성 거더의 구성을 도시한 정면도,
도5a 내지 도5g는 본 발명에 따른 강합성 거더의 제작 방법에 따른 순차적인 구성을 도시한 도면,
도6a는 도4a 및 도5g의 절단선 C-C에 따른 단면도,
도6b는 도4a 및 도5g의 절단선 D-D에 따른 단면도,
도7a 내지 도7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 상부 구조의 시공 방법에 따른 순차적인 구성을 도시한 도면,
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 거더(100)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 거더(100)는, 중앙부(110c)에 비하여 단부(110e)에서의 단면이 더 크게 형성된 복부(112)를 구비한 강재 거더(110)와, 강재 거더(110)의 복부의 중립축의 상측에 합성된 케이싱 콘크리트(120)로 구성된다.
상기 강재 거더(110)는, 중앙부(110c)에서는 단부(110e)에 비하여 낮은 높이로 형성되어 작은 단면을 이루는 복부(112)와, 복부(112)의 하단에 결합된 하부플랜지(111)와, 중앙부(110c)의 복부(112)의 상단에 결합된 상부플랜지(113)와, 상부플랜지(113)에 결합된 전단 연결재(114)로 이루어진다. 그리고, 단부(110e)에서는 중앙부(110c)에 비하여 높은 높이로 형성되어 큰 단면을 이루는 복부(112)와, 복부(112)의 하단에 결합된 하부플랜지(111)와, 단부(110e)의 복부(112)의 상단에 결합된 상부플랜지(113e)와, 상부플랜지(113e)에 결합된 전단 연결재(114e)로 이루어진다.
이에 따라, 강재 거더(110)의 중앙부(110c)와 단부(110e)에서는 도3c 및 도3d에 도시된 바와 같이, 복부(112)의 상하측에 각각 상부플랜지(113)와 하부플랜지(111)가 결합된 I자형 단면으로 형성된다.
여기서, 단부(110e)는 거더 길이(L)의 0.05L ~ 0.25L로 정해진다. 보다 구체적으로는, 강합성 거더(100)가 단순교로 사용되는 경우에는 단부(110e)의 길이를 강합성 거더의 전체 길이(L)의 1/20배 이상으로 설정하는 것에 의하여 단부에 발생하는 큰 전단력을 큰 단부 복부에 의해 효과적으로 제어할 수 있으며, 상부플랜지를 보강함으로써 수직 수평 전단력에 의한 쪼갬 균열을 충분히 방지할 수 있다. 경제성을 위하여 거더 길이(L)의 1/20 내지 1/5 정도로 정해진다. 이에 반하여, 강합성 거더(100)가 연속교에 사용되는 경우에는 연속지점부에 큰 전단력과 부모멘트가 작용하여 중립축 상연에 인장 응력이 작용하는 영역이 길게 분포되므로, 단부(110e)의 길이를 강합성 거더의 전체 길이(L)의 1/5 내지 1/4로 정해짐으로써, 강재의 사용량을 최소화하여 단면 효율을 높이면서도, 지점부에서 크게 작용하는 높은 단면력을 지지할 수 있다.
그리고, 중앙부(110c)에서의 복부(112)의 높이(Hc)와 단부(110e)에서의 복부(He)의 높이 차이는 80mm 내지 400mm 로 형성될 수 있다.
그리고, 중앙부(110c)와 단부(110e)를 잇는 사잇 영역(110x)은 복부(112)의 높이가 점진적으로 경사면 형태로 변하는 변단면 영역으로 형성되어, 복부(112)의 높이 편차가 있더라도 단면 변화의 불연속점을 제거함에 따라 공용 중에 사잇 영역(110x)에서 응력이 집중되는 것을 최소화한다.
상기 단부(110e)의 전단 연결재(114e)는 종래에 비하여 보다 높은 높이(114h)로 형성되어, 케이싱 콘크리트(120)가 복부(112)의 일부와 상부플랜지(113e)를 감싸는 형태(120y)로 강재 거더(110)의 중립축 상연에 합성되더라도, 케이싱 콘크리트(120)의 상면 바깥으로 돌출된다. 여기서, 케이싱 콘크리트(120)의 상면 바깥으로 돌출되는 전단 연결재(114e)의 돌출 높이는, 교량의 시공시 강합성 거더(100) 위에 합성되는 바닥판 콘크리트(199)와 충분한 결합을 보조할 수 있을 정도의 길이로 정해지며, 바닥판 콘크리트(199)의 두께보다는 작게 정해진다.
상기 단부에 비해 전단력이 작은 상기 중앙부(110c)의 전단 연결재(114)는 종래와 같은 높이로 형성되어, 케이싱 콘크리트(120) 내에 묻히며 상기 강재 거더(110)와 상기 케이싱 콘크리트(120)의 결합을 증대시켜 강합성 거더(100)를 형성한다. 강합성 거더(100)와 상기 강합성 거더(100) 위에 합성되는 바닥판 콘크리트(199)와의 결합은 종래와 같이 전단철근(25)을 이용한 통상의 방법을 활용한다.
한편, 상기 중앙부(110c)에 예상보다 큰 전단력이 작용할 경우, 도4g에 도시된 강합성 거더(108)의 중앙부 전단 연결재(114')처럼, 상기 중앙부(110c)의 전단 연결재(114)를 케이싱 콘크리트(120)의 상면 바깥으로 돌출하여 강합성 거더(100)와 바닥판 콘크리트(199)의 합성을 보조할 수 있다. 이 때, 케이싱 콘크리트(120)의 상면 바깥으로 돌출되는 전단 연결재(114')의 돌출 높이는 상기 단부(110e)의 전단 연결재(114e)의 돌출 높이와 같이 강합성 거더(100)와 상기 강합성 거더(100) 위에 합성되는 바닥판 콘크리트(199)와 충분한 결합을 보조할 수 있을 정도의 길이로 정해지며, 바닥판 콘크리트(199)의 두께보다는 작게 정해진다.
상기 케이싱 콘크리트(120)는 강재 거더(110)의 상측에 합성되며, 강재 거더(110)의 복부(112)의 상단 라인을 따라 합성된다. 즉, 도4a, 도6a 및 도6b에 도시된 바와 같이 케이싱 콘크리트(120)는 상부플랜지(113, 113e)의 하면을 따라 형성될 수 있다. 이와 같이, 상부플랜지(113, 113e)의 하면에 접하여 케이싱 콘크리트(120)가 합성됨에 따라, 상부플랜지(113, 113e)가 차지하는 면적만큼 거푸집(130)의 부재를 줄일 수 있으면서 설치도 용이해지는 잇점이 얻어진다.
이와 같이, 단면 강성 증가에 유리한 케이싱 콘크리트(120)의 단면이 단부(110e)에서의 두께(Te)에 비하여 중앙부(110c)에서의 두께(Tc)가 보다 더 두껍게 형성됨으로써, 강재 거더(110)와의 합성에 의한 단계 계수(단면2차모멘트)가 증가되어, 고가의 강재 사용량을 최소화하면서도 거더 중앙부에서 크게 작용하는 휨모멘트를 보다 효과적으로 지지할 수 있다. 또한, 휨모멘트가 작은 단부의 케이싱 콘크리트 사용량을 줄일 수 있어 보다 경제적인 강합성 거더의 활용이 가능해진다.
이 때, 케이싱 콘크리트(120)는 하나의 거푸집을 설치하여 굳지않은 콘크리트를 타설하여 강재 거더(110)에 합성하는 것에 의하여, 저면은 거푸집(130)의 형상대로 중앙부에서 보다 두껍게 형성되지만, 상면은 편평한 면으로 형성된다.
한편, 상기 케이싱 콘크리트(120)는 강재 거더(110)의 복부(112)의 상단 라인을 따르는 형태이지만, 도4e에 도시된 바와 같이 상기 단부(100e) 복부 상측 일부 및 단부(110e)의 상부플랜지(113e)를 모두 감싸는 형태(120y)로 강재 거더(110)에 합성될 수도 있다.
한편, 상기 케이싱 콘크리트(120)는 도4a 내지 도4g에 도시된 바와 같이 강재 거더(110)의 길이 전체에 걸쳐 중립축 상연에 합성될 수도 있고, 도7a에 도시된 바와 같이 강재 거더(110)의 단부의 일부를 제외한 중립축 상연에 합성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태(101)에 따르면, 도4b에 도시된 바와 같이, 중앙부(110c)의 제1상부플랜지(113)와 단부(110e)의 제2상부플랜지(113e)를 잇는 사잇 영역(110x)이 경사진 형태로 변하는 변단면 영역으로 형성되면서, 경사진 변단면 영역에도 제3상부플랜지(113x)가 제1상부플랜지(113)와 제2상부플랜지(113e)를 연결하게 설치되어, 중앙부(110c)의 복부 단면과 단부(110e)의 복부 단면이 서로 서로 다르게 형성되라도, 단면 변화의 불연속점을 사잇 영역(110x)으로부터 배제할 수 있게 됨으로써 사잇 영역(110x)에서 응력이 국부적으로 집중되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았지만 본 발명의 강합성 거더는 단부에는 제2상부플랜지가 설치되지 않는 강합성 거더로 형성될 수 있다. 이 경우, 단부 강재 거더 복부 상단과 케이싱 콘크리트 사이에 쪼갬 균열이 발생할 수 있지만, 단부(110e)에서의 강재 거더(110)의 복부 단면이 더 커짐에 따라 전단력을 효율적으로 지지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
다만, 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 강합성 거더(102)는, 도4c에 도시된 바와 같이, 중앙부(110c)와 단부(110e)를 잇는 사잇 영역(110x)이 경사진 형태로 변하는 변단면 영역으로 형성되는 대신에, 중앙부(110c)와 단부(110e)가 단턱 형태로 연결되어 사잇 영역(110x)이 없는 형태로 구성될 수도 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 강합성 거더(103)는, 도4d에 도시된 바와 같이, 중앙부(110c)의 제1상부플랜지(113)와 단부(110e)의 제2상부플랜지(113e)를 잇는 사잇 영역(110x)의 경사진 변단면 영역으로 형성되지만, 사잇 영역(110x)에 제3상부플랜지를 형성하는 대신에, 제1상부플랜지(113)가 단부 영영(110e)의 일부 이상까지 연장되게 단부를 향하여 연장 형성되게 구성될 수 있다. 이에 의해서도, 중앙부(110c)의 복부 단면과 단부(110e)의 복부 단면이 서로 서로 다르게 형성되라도, 사잇 영역(110x)에서 단면 변화에 따라 응력이 국부적으로 집중되는 것을 방지할 수 있다.
이 경우에도 도6b의 점선(120y)으로 도시된 바와 같이, 단부 케이싱 콘크리트(120)는 단부의 상부플랜지(113e, 113x)를 감싸는 형태(120y)로 형성하여 도4e에 도시된 바와 같은 강합성 거더(104)를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 복부(112)의 단면 변화가 강합성 거더(105)의 양단부에서 모두 형성되지 않고, 경우에 따라 일측 단부에서만 복부(112)의 단면이 중앙부(110c)에 비하여 보다 크게 형성되게 구성될 수도 있다. 이 때, 강재 거더(110"")와 합성되는 케이싱 콘크리트(120'')는 상기 거더(110"")의 복부(112) 상면을 따라 형성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 강합성 거더(100-106)는 강재 거더의 중앙부(110c)에 비하여 단부(110e)에서 보다 복부(112)의 단면이 더 높게 형성됨으로써, 거더 단부에 크게 작용하는 수직 전단력을 보다 효과적으로 지지할 수 있는 유리한 잇점을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 강합성 거더(100-106)는, 단부(110e)에 비하여 중앙부(110c)에 강재 복부 높이를 낮추어 고가의 강재량 사용을 절감함과 동시에, 중립축 상측에 단면 강성 증대에 유리한 케이싱 콘크리트(120, 120', 120'')의 높이를 보다 큰 단면으로 형성함으로써 합성단면의 단면계수(단면2차모멘트)를 증대시켜 중앙부에 작용하는 큰 휨모멘트를 효과적으로 지지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 또한 상부플랜지에 부착된 전단 연결재(114, 114')에 의해 강재 거더(110, 110', 110'', 110''', 110'''')와 케이싱 콘크리트(120, 120', 120'')의 결합을 증대시킬 수 있다.
그리고, 바닥판 콘크리트 완성 후 합성 단면 중립축 부근에 강재 거더의 상부플랜지를 위치시킬 수 있어 상부플랜지에 발생하는 응력을 최소화시켜 상부플랜지 단면 축소에 따른 추가적인 강재량 절감이 가능해 경제성이 향상되는 유리한 효과를 엇을 수 있다. 이와 더불어 합성 단면 중립축 상측에는 좌굴 저항에 강한 콘크리트가 활용되므로 강재를 압축 부재로 활용하여 나타나는 좌굴에 따른 단면 강성 감소 영향을 사전에 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 좌굴을 방지하기 위한 별도의 보강재 설치를 최소화하더라도 구조적으로 안정된 상태를 유지할 수 있다.
동시에, 중앙부(110c)의 상측에 형성된 제1상부플랜지(113)와 단부(110e)의 상측에 형성된 제2상부플랜지(113e)가 케이싱 콘크리트(120, 120', 120'')의 합성에 사용되는 거푸집의 일 면(面)으로 활용됨에 따라, 중앙부에서 케이싱 콘크리트를 보다 두껍게 형성하는 공정을 보다 자연스럽고 용이하게 행할 수 있는 잇점이 얻어진다.
즉, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 강합성 거더는, 단부(110e)가 보다 높은 단면의 복부(112)로 형성되어 교량 지점부에 작용하는 높은 수직 전단력을 견딜 수 있으며, 중앙부(110c)에서 단부(110e)보다 작은 단면의 복부(112)로 형성되는 대신에 중립축 상연에 케이싱 콘크리트의 단면 높이를 크게 적용하여 단면계수(단면2차모멘트)를 증대시킴으로써 중앙부에 발생하는 큰 휨모멘트를 효율적으로 저항함과 동시에, 고가의 강재 사용량을 최소화하면서도 단면 효율을 향상시키고 경제성을 극대화할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 강합성 거더의 제작 방법을 상술한다. 도면에는 설명의 편의상 강합성 거더(103)에 대해서만 도시되어 있다.
단계 1: 교량에 사용하고자 하는 강합성 거더(100)를 도3a 내지 도3d에 도시된 바와 같이, 중앙부(110c) 및 단부(110e)는 복부(112)와 상부플랜지(113, 113e)와 하부플랜지(111)로 형성된 'I'자 형태의 단면으로 강재 거더(110)를 제작한다. 필요에 따라, 강합성 거더(101, 106)의 강재 거더(110')와 같이 제1상부플랜지(113)와 제2상부플랜지(113e)를 연결하는 제3상부플랜지(113x)가 함께 형성될 수도 있다. 그리고, 강합성 거더(103, 104)의 강재 거더(110''')와 같이 제3상부플랜지를 형성하는 대신에 중앙부의 제1상부플랜지(113')가 단부의 제2상부플랜지(113e) 영역으로 연장되게 형성하여 제1상부플랜지(113')와 제2상부플랜지(113e)가 서로 중첩되는 구간(ee)이 구성되도록 할 수도 있다.
여기서, 하부플랜지(111)와, 복부(112)와, 상부플랜지(113, 113e)는 공지된 다양한 수단에 의하여 결합될 수 있으며, 예를 들어 용접으로 결합된다. 그리고, 제작되는 강재 거더(110)가 단순교에 사용될 예정이면 단부(110e)는 거더 전체 길이(L)의 1/20 ~ 1/5 의 길이로 정해지고, 제작되는 강재 거더(110)가 연속교에 사용될 예정이면 단부(110e)는 거더 전체 길이(L)의 1/5~1/4의 길이로 정해진다.
그리고, 제작된 강재 거더(110)의 상부플랜지(113, 113e)의 상면에는 전단 연결재(114, 114e)가 설치된다. 단부(110e)의 상부플랜지(113e)에 설치되는 전단 연결재(114e)는 이후 단계에서 합성되는 케이싱 콘크리트(120)의 두께보다 더 길게 형성되고, 교량 시공 공정 중에 합성되는 바닥판 콘크리트(199)의 두께와 케이싱 콘크리트(120)의 두께의 합친 두께보다는 더 짧은 길이로 고정 설치한다.
단계 2: 단계 1에서 제작된 강재 거더(110)에 대하여 도5a에 도시된 바와 같이 지지점(55)의 위치를 강재 거더(110, 110''')의 중앙부로 이동(66)시킨다. 이 때, 지지점(55)의 위치는 단부로부터 L/4~L/2만큼 이격된 위치가 되게 한다. 다만, 지지점(55) 사이의 간격(Li)이 작아지면 강재 거더(110''')가 불안정한 상태로 거치되므로, 강재 거더(110''')가 안정된 자세를 유지할 수 있는 별도의 수단을 마련한다. 예를 들어, 거더의 횡전도를 방지하기 위하여 강재 거더(110)의 복부 측면에 횡지지대(미도시) 등을 설치한다.
이에 따라, 강재 거더(110''')는 단부가 내민보 형태로 거치되어, 자중에 의하여 중앙부가 볼록하게 위로 향하고 양단부가 아래로 처지게 된다.
단계 3: 경우에 따라서는 도5b에 도시된 바와 같이 강재 거더(110''')의 양단부에 임시 집중 하중(Fa)을 부가하여, 강재 거더(110''')의 중앙부가 상향 볼록한 휨 변위를 보다 크게 할 수도 있다.
여기서, 임시 집중 하중(Fa)은 예를 들어 강재 거더(110''')의 양단부를 유압잭(미도시)을 설치하여 아래로 잡아당기는 등의 수단에 의해 행해질 수 있다.
단계 4: 도5c에 도시된 바와 같이 케이싱 콘크리트(120)를 합성시키고자 하는 공간에 콘크리트를 타설하기 위한 거푸집(130)을 설치한다. 즉, 거푸집(130)은 강재 거더(110''')의 상부플랜지(113, 113e)의 하면에 콘크리트가 타설되는 형태로 설치한다. 이에 따라, 상부플랜지(113, 113e)의 하면 바깥 부분과 타설되는 콘크리트의 높이에 해당하는 부분에 한하여 거푸집(130)을 설치하면 되므로, 거푸집의 재료가 줄어들고 보다 간편하게 거푸집을 설치할 수도 있다.
경우에 따라서는, 도4e에 도시된 바와 같이, 단부 영역의 복부 상측 및 상부플랜지(113e, 113x)를 감싸는 형태(120y)로 설치될 수도 있다. 그리고, 거푸집(130)은 거더의 길이 방향을 따라 다수로 분할된 형태로 설치될 수 있지만, 하나의 형태로 설치되어, 합성되는 케이싱 콘크리트(120, 120')의 상면이 단차가 없는 편평한 면으로 형성되게 한다.
이 때, 거푸집(130)은 복부(112)의 상단 또는 상부플랜지(113, 113e, 113x)를 따라 설치되어, 강재 거더(110, 110')에 합성되는 케이싱 콘크리트(120, 120', 120")는 단부(110e)에 비하여 중앙부(110c)에서 보다 두껍게 형성되도록 한다.
그리고, 거푸집(130)은 지면에 동바리로 지지되게 설치될 수도 있지만, 도5c에 도시된 바와 같이 거푸집(130)이 강재 거더(110''')에 지지되는 형태로 설치한다. 예를 들어, 거푸집(130)은 동바리(135)에 의하여 강재 거더(110, 110"')의 하부플랜지(111)에 지지되는 형태로 설치한다. 이와 같이, 거푸집(130)이 강재 거더(110, 110"')에 지지되게 설치함으로써, 거푸집(130)에 타설하여 합성되는 케이싱 콘크리트(120)의 자중이 강재 거더(110, 110"')에 지지되므로 자중에 의한 응력이 케이싱 콘크리트(120)에 작용하는 것을 방지할 수 있다.
단계 5: 단계 4를 행한 이후에, 도5d에 도시된 바와 같이 타설기(50)로부터 거푸집(130)에 굳지않은 콘크리트(120x)를 타설하여 양생시킨다. 이때, 타설되는 콘크리트의 두께는 강재 거더(110, 110"')의 단부의 전단 연결재(114e)의 일부가 케이싱 콘크리트(120)의 표면 바깥으로 드러나도록 정해진다.
여기서, 강합성 거더(100-105)와 상기 강합성 거더 위에 합성되는 바닥판 콘크리트(199) 사이에 발생하는 수평 전단력이 클 경우, 상기 강재 거더(110, 110"')의 중앙부의 전단 연결재(114)의 일부도 도4g에 도시된 바와 같이 강합성 거더(106)의 중앙부의 전단 연결재(114')처럼 상기 케이싱 콘크리트(120)의 표면 바깥으로 드러나도록 형성될 수 있다.
굳지않은 콘크리트(120x)의 타설에 의하여 콘크리트 자중만큼 내민보 형태의 강재 거더(110, 110"')의 양단부의 처짐량은 보다 커지고 중앙부의 볼록한 힘 변위도 더 커진다.
단계 6: 거푸집(130)에 타설된 굳지 않은 콘크리트(120x)가 충분히 양생되면, 도5e에 도시된 바와 같이 거푸집(130)을 탈형하고, 거푸집(130)을 지지하고 있던 동바리(135)도 모두 제거한다. 이에 따라, 중앙부가 상향 볼록한 강재 거더(110, 110"')에 케이싱 콘크리트(120)가 합성된 상태가 된다.
단계 7: 그리고 나서, 도5f에 도시된 바와 같이 강재 거더(110)의 양단부에 하방으로의 임시 집중 하중(Fa)을 제거하고, 도5g에 도시된 바와 같이 지지점(55)을 교량에서의 지지 조건과 동일하게 양단부로 이동(66')시키는 것에 의하여 강합성 거더(100)의 제작을 완료한다.
이와 같이, 강재 거더(110, 110"')의 양단부에 도입하였던 임시 집중 하중(Fa)을 제거하고 지지점(55)의 위치를 양단부로 이동(66')시키는 것에 의하여, 강재 거더(110, 110"')의 중앙부 하연에 도입되었던 압축 프리스트레스에 의하여 거더 중앙부의 하연에서 발생되는 인장 응력을 상쇄시키게 된다.
즉, 강재 거더(110, 110"')를 내민보 형식(66)으로 지지하고, 경우에 따라 임시 집중 하중(Fa)을 도입한 상태에서 거더의 중립축 상연에 케이싱 콘크리트(120)를 합성하여, 강재 거더(110, 110"')의 내민보 부분의 자중과 케이싱 콘크리트(120)의 자중에 의하여 강재 거더(110, 110"')의 중앙부 하연에 압축 프리스트레스가 도입되게 한 후, 거더의 지지점(55)을 교량에 시공되는 지지 상태와 동일하게 거더 양단부로 바깥 이동시킴(66')으로써, 강재 거더의 자중 및 케이싱 콘크리트의 자중에 의하여 강합성 거더의 중앙부 하연에 도입되어 있던 압축 프리스트레스에 의하여 거더 중앙부의 하연에서 발생되는 인장 응력을 상쇄시킬 수 있고, 동시에 강합성 거더의 강재 거더에 미리 인장 응력을 도입함으로써 바닥판 콘크리트가 강합성 거더의 상측에 합성되고 활하중이 인가되는 동안에 작용하는 압축 응력을 미리 상쇄시킬 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 임시 집중 하중(Fa)을 인가하였다가 제거하는 도5b 및 도5f의 구성을 제외하고 구성될 수도 있다. 또한 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 강재 거더(110, 110"')를 내민보 형태로 지지점(55)을 위치시킨 후 케이싱 콘크리트를 합성하는 단계 2, 단계 3, 단계 7을 제외하여 구성될 수도 있다.
도면에 도시되지 않았지만, 강합성 거더(100-106)는 케이싱 콘크리트(120)가 거더 길이의 양단부 중 하나 이상의 끝단에서는 합성되지 않고 상부플랜지(113e)가 외부로 노출된 빈 영역(E)이 구비되게 구성될 수도 있다. 이와 같은 구성은 후술하는 연속교에서 효과적으로 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도7a 내지 도7c를 참조하여 상기와 같이 제작된 본 발명에 따른 강합성 거더를 이용한 교량의 상부 구조의 시공 방법에 관한 실시예를 2경간 연속교를 예로 들어 상술한다.
단계 1: 먼저, 도7a에 도시된 바와 같이, 케이싱 콘크리트(120)가 일단에 형성되지 않아 강재 거더(110)의 상부플랜지가 드러난 빈 영역(E)이 구비된 강합성 거더(106')를 교량의 하부 구조(51, 52; 50) 상에 거치한다. 여기서, 연속 지점부를 형성하는 교각(52)의 상측에는 거더(106')의 빈 영역(E)이 위치하게 하고, 연속 지점부가 아닌 교대(51)의 상측에는 거더(106')의 채워진 영역(케이싱 콘크리트가 끝단까지 합성된 영역)이 위치하게 한다.
따라서, 2경간 연속교인 경우에는 강합성 거더(106')의 하나의 끝단에만 빈 영역(E)이 형성되지만, 도면에 도시되지 않았지만 3경간 이상의 연속교인 경우에는 양 끝단에 빈 영역(E)이 형성된 거더가 사용된다.
여기서, 연속 지점부(52) 위에 설치되며 바닥판 콘크리트(199)와 합성되는 케이싱 콘크리트(120)의 단부 측면 및 하면에는 요철 또는 돌기(미도시)가 미리 형성된다.
단계 2: 그리고 나서, 도7b에 도시된 바와 같이 연속 지점부인 교각(52)의 상측에 위치한 강합성 거더(106')의 빈 영역(E)의 상부플랜지(113e)를 연결 강판(190)으로 연결한다. 이 때, 연결 강판(190)은 리벳, 볼트, 용접 등의 수단에 의하여 연속 지점부에서 종방향으로 인접한 상부플랜지(113e)를 연결한다.
이에 따라, 교량 시공이 완료되어 연속 지점부에서 작용하는 부모멘트에 의하여 중립축 상연에 작용하는 인장 응력을 단부(110e)의 상부플랜지(113e) 및 연결 강판(190)에 의하여 지지할 수 있게 된다.
단계 3: 그리고 나서, 강합성 거더(106')의 상측에 바닥판 콘크리트(199)를 타설하기 위한 거푸집(미도시)과, 강합성 거더(106')의 드러난 상부플랜지(113)를 포함하여 거더(106')의 종방향의 사잇 공간을 채우는 합성 콘크리트(99)를 타설하기 위한 거푸집(미도시)를 함께 설치한다. 그 다음, 거푸집에 굳지 않은 콘크리트를 타설하여 양생시킴으로써, 도7c에 도시된 바와 같이 바닥판 콘크리트(199)와 합성 콘크리트(99)를 강합성 거더(106')에 한번에 합성시킨다. 그 다음 거푸집을 탈형하여 제거한다.
이 때, 강합성 거더(106')의 상부플랜지(113, 113e)에 고정된 전단 연결재(114, 114e)는 강재 거더(110)와 케이싱 콘크리트(120)의 합성을 보조하였지만, 교량의 상부 구조의 시공 중에는 강합성 거더(106')와 바닥판 콘크리트(199)의 합성을 보조하여, 강합성 거더(106')와 바닥판 콘크리트(199)가 견고하게 결합된 상태를 유지시키며 일체 거동하게 한다.
그리고, 케이싱 콘크리트(120)의 측면 및 하면에 미리 요철 또는 돌기가 형성되어 있으므로, 새롭게 합성되는 바닥판 콘크리트(199) 및 합성 콘크리트(99)와 보다 일체화되어 결합된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 상부구조의 시공방법은, 강합성 거더(106')의 상연에 케이싱 콘크리트(120)가 합성되어 있음에도, 상부플랜지(113e)가 외부에 드러난 빈 공간(E)이 형성되어 외부에 드러난 강합성 거더(106')의 상부플랜지(113e)를 연결 강판(190)으로 연결 설치함에 따라, 연속 지점부에서 크게 작용하는 부모멘트를 효과적으로 지지할 수 있을 뿐만 아니라, 연속 지점부에서 작용하는 중립축 하연의 압축 응력에 대해서는 바닥판 콘크리트의 타설과 동시에 그리고 일체로 합성되는 합성 콘크리트에 의하여 지지할 수 있고, 시공 기간도 단축하여 시공성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구 범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
55: 지지점 88: 쪼갬 균열
100-108, 106': 강합성 거더
110,110',110",110"',110"": 강재 거더
112: 복부 113: 제1상부플랜지
113e: 제2상부플랜지 113x: 제3상부플랜지
120, 120', 120": 케이싱 콘크리트 199: 바닥판 콘크리트

Claims (14)

  1. 양단부 중 어느 하나 이상의 단부에는 중앙부에 비하여 보다 높게 복부가 형성되고, 상기 중앙부와 상기 단부를 잇는 사잇 영역에는 상기 복부의 높이가 점진적으로 경사면 형태로 변하는 변단면 영역이 형성되며, 상기 중앙부에서의 상기 복부의 상단에 제1상부플랜지가 결합되고, 상기 단부에서의 상기 복부의 상단에 제2상부플랜지가 결합되고, 상기 사잇 영역의 상기 복부의 상단에 제3상부플랜지가 결합되어, 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지와 상기 제3상부플랜지가 연속하는 상부 플랜지를 형성하며, 상기 복부의 하단에 하부플랜지가 결합되어, 거더 길이에 걸쳐 I자 단면으로 형성된 강재 거더와;
    상기 상부플랜지에 상방으로 돌출된 전단 연결재와;
    상기 강재 거더의 중립축 상측에 합성되되,
    상기 강재 거더를 내민보 형식으로 L/2~L/4의 지지점에 2점 단순 지지되게 지지시킨 상태에서, 상기 강재 거더의 복부 상부와 상기 상부플랜지를 둘러싸는 형태로 상기 강재 거더에 지지되게 설치된 거푸집에 콘크리트를 타설하고, 상기 중앙부에서의 단면이 상기 단부에서의 단면에 비하여 상기 강재 거더의 상기 단부와 상기 중앙부의 높이차만큼 더 두껍게 형성되게 상기 강재 거더에 합성된 케이싱 콘크리트를;
    포함하여 구성되되, 상기 단부의 상기 제2상부플랜지 상면에는 전단연결재가 상방으로 부착되어 상기 케이싱 콘크리트 상측으로 노출되고, 상기 단부의 길이는 상기 강재 거더의 전체 길이(L)의 0.05L~0.25L이며, 상기 거푸집에 타설된 콘크리트가 양생되어 상기 거푸집이 제거된 이후에, 상기 강재 거더가 양단 지지되게 지지점이 이동되는 것에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 교량용 강합성 거더.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복부와 상기 중앙부의 상기 복부의 높이차는 80mm 내지 400mm 인 것을 특징으로 하는 교량용 강합성 거더.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지가 중복되는 중복 영역이 있는 것을 특징으로 하는 교량용 강합성 거더.
  4. 양단부 중 하나 이상의 단부에는 중앙부에 비하여 보다 높게 복부가 형성되고, 상기 중앙부와 상기 단부를 잇는 사잇 영역에는 상기 복부의 높이가 점진적으로 경사면 형태로 변하는 변단면 영역이 형성되며, 상기 중앙부에서의 상기 복부의 상단에 제1상부플랜지가 결합되고, 상기 단부에서의 상기 복부의 상단에 제2상부플랜지가 결합되고, 상기 사잇 영역의 상기 복부의 상단에 제3상부플랜지가 상기 제1상부플랜지 및 상기 제2상부플랜지에 연결되게 결합되어, 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지와 상기 제3상부플랜지가 연속하는 상부 플랜지를 형성하며, 상기 복부의 하단에 하부플랜지가 결합되어, 거더 길이에 걸쳐 I자 단면으로 형성된 강재 거더를 제작하는 강재거더 제작단계와;
    상기 상부플랜지에 상방으로 돌출되는 전단 연결재를 설치하는 전단연결재 설치단계와;
    상기 강재 거더를 내민보 형식으로 L/2~L/4의 지지점에 2점 단순 지지되게 지지시키는 강재거더 지지단계와;
    상기 강재거더 지지단계 이후에, 상기 강재 거더의 복부 상부와 상기 상부플랜지를 둘러싸는 거푸집을 설치하되, 상기 거푸집은 상기 강재 거더에 지지되게 설치하는 거푸집 설치단계와;
    상기 거푸집에 굳지 않은 콘크리트를 타설하여 상기 강재 거더에 케이싱 콘크리트를 합성하되, 상기 케이싱 콘크리트가 상기 단부에서의 단면에 비하여 상기 중앙부에서 상기 강재 거더의 상기 단부와 상기 중앙부의 높이차만큼 더 두껍게 형성되게 합성하여 강합성 거더로 만드는 콘크리트 합성단계와;
    상기 거푸집을 제거하는 거푸집 제거단계와;
    상기 거푸집 제거단계 이후에, 상기 강재 거더가 양단 지지되게 지지점을 이동시키는 지지점 이동단계를;
    포함하고, 상기 전단 연결재는 상기 케이싱 콘크리트의 상면으로부터 돌출되는 높이로 형성되어, 상기 강합성 거더의 상측에 합성되는 바닥판 콘크리트와의 합성을 보조하는 것을 특징으로 하는 강합성 거더의 제작 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 복부와 상기 중앙부의 상기 복부의 높이차는 80mm 내지 400mm 인 것을 특징으로 하는 강합성 거더의 제작 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지가 중복되는 중복 영역이 있는 것을 특징으로 하는 강합성 거더의 제작 방법.
  7. 제 4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙부의 상기 제1상부플랜지에 상방으로 돌출된 전단연결재는 상단이 상기 케이싱 콘크리트의 상측으로 노출되는 것을 특징으로 하는 강합성 거더의 제작 방법.
  8. 제 4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강재거더 지지단계 이후에, 상기 강재 거더의 양단부에 하방으로 임시 집중 하중을 도입하는 단계와;
    상기 콘크리트 합성단계 이후에, 상기 임시 집중 하중을 제거하는 단계를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 강합성 거더의 제작 방법.
  9. 제 4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거푸집은 상기 강재 거더의 양끝단 중 어느 하나 이상을 감싸지 않는 형태로 형성되어, 상기 강합성 거더는 상기 케이싱 콘크리트가 합성되지 않아 상기 상부플랜지가 외부로 노출되는 단부를 구비한 것을 특징으로 하는 강합성 거더의 제작 방법.
  10. 제 4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 제작 방법에 따라 제작된 강합성 거더를 이용하여 교량 상부 구조를 시공하는 방법으로서,
    양끝단 중 어느 하나 이상에는 케이싱 콘크리트가 합성되지 않게 상기 강합성 거더를 제작하여, 상기 강합성 거더를 교량의 하부 구조 상에 단순 거치하되, 상기 케이싱 콘크리트가 합성되지 않은 끝단이 연속 지점부 상에 배치되게 거더거치단계와;
    상기 연속 지점부를 가로질러 교축 방향으로 배열된 상기 강합성 거더들을 상부플랜지에 연결 강판을 부착하여 상호 연결하는 거더연결단계와;
    상기 강합성 거더 들의 상측에 바닥판 콘크리트를 타설하되, 상기 강합성 거더들의 교축 방향으로의 연결 강판이 상기 바닥판 콘크리트에 의해 매립되게 바닥판 콘크리트를 상기 강합성 거더와 합성하는 바닥판 합성단계를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 교량 상부구조의 시공방법
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