KR101803335B1

KR101803335B1 - 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량

Info

Publication number: KR101803335B1
Application number: KR1020170058916A
Authority: KR
Inventors: 천진욱; 서동영
Original assignee: (주)아이오컨스텍
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2017-12-04

Abstract

본 발명은 교대-말뚝 결합부에 구조거동이 명확한 회전수용장치를 설치함으로써 교량의 시공단계에서 공용수명에 이르기까지 동일한 구조계를 가지도록 하여 공용 중 교량의 갑작스러운 처짐을 방지할 수 있고, 말뚝머리부의 절단면에 말뚝캡을 설치하여 절단면에 형성된 거친 요철부로 인한 응력집중을 완화시켜 교대-말뚝 결합부의 품질을 향상시킬 수 있으며, 말뚝을 교대에 근입시키지 않고도 교대와 말뚝을 연결시킬 수 있는 회전수용장치를 설치함으로써 말뚝의 휨강성이 전체 구조계에 영향을 미치지 않아 일체식 교대교량에서 휨강성이 커서 지양되는 H-말뚝의 강축배열뿐만 아니라 강관말뚝 및 콘크리트말뚝까지 적용시킬 수 있어 일체식 교대교량에서 말뚝의 적용성을 확대시킬 수 있으며, 상기 회전수용장치는 상부구조 및 교대에 작용하는 하중으로 인한 회전변위를 탄성적으로 수용하여 교대-말뚝 결합부에 작용하는 휨모멘트를 감소시킴으로써 말뚝의 수량을 절감시킬 수 있는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량을 제공한다.

Description

교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량{Integral abutment bridge having rotation receptive device at abutment-pile jointing site}

본 발명은 상부구조와 교대 및 말뚝이 일체로 거동하는 일체식 교대교량(Integral Abutment Bridges)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 교량이 시공단계에서 공용수명에 이르기까지 동일한 구조계를 가지도록 하여 공용 중 갑작스런 처짐을 방지할 수 있고, 교대-말뚝 결합부의 응력집중을 완화시켜 결합부의 품질을 향상시키며, 말뚝이 아닌 교대-말뚝 결합부에서 회전수용장치를 통해 회전변위를 직접적으로 수용함으로써 말뚝의 종류 및 설치방향에 상관없이 안정적인 회전변위 수용능력을 확보할 수 있고, 교대-말뚝 결합부에서 회전변위를 탄성적으로 수용하여 교대-말뚝 결합부에 작용하는 휨모멘트를 감소시킴으로써 말뚝의 수량을 절감시킬 수 있는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량에 관한 것이다.

말뚝은 지지력이 약한 지반 등에서 구조물에 작용하는 하중을 지지내력을 확보한 지반까지 전달하는 기둥 부재를 의미한다. 통상 말뚝은 상부구조 및 교대에 작용하는 하중을 말뚝에 전달하기 위해 확대기초에 일정부분 매입되며, 상기 확대기초 하면에 매입된 말뚝머리부와 기초간의 연결부를 말뚝머리 결합부라 칭한다. 이러한 말뚝머리 결합부는 서로 다른 재료 또는 다른 시기에 제조되어 연속적이지 않은 두 부재가 만나는 부분으로서, 말뚝기초 중 가장 취약한 부분이 될 수 있다.

말뚝머리부의 결합방식은 일반적으로 강결합과 힌지결합이 있으며, 교량기초의 경우 도로교설계기준(국토해양부)에서는 강결합으로 설계하는 것을 원칙으로 한다. 그 이유는 수평변위량에 따라 설계가 지배되는 경우 유리하고, 부정정차수가 높기 때문에 내진상의 안정성이 유리하기 때문이다.

말뚝 중 강관말뚝과 확대기초의 강결합 방법은 시공방법에 따라 도 1a 내지 도 1b에 도시된 바와 같이 “방법 A”와 “방법 B”로 구분된다. 방법 A는 확대기초 속에 보통 말뚝의 직경만큼 근입시키고, 매입된 부분이 말뚝머리에 작용하는 축력, 전단력, 휨모멘트를 저항하는 방법이다. 방법 B는 말뚝머리를 확대기초 속에 10cm 정도를 근입하고 말뚝머리부를 철근으로 보강하여 가상의 철근콘크리트 단면에 의해 말뚝머리에 작용하는 축력, 전단력, 휨모멘트를 저항하는 방법이다.

상기 강결합 방법에 해당하는 방법 A와 방법 B는 각각 장단점이 있는데, 방법 A는 근입깊이가 커서 압축력, 인발력, 수평력에 대한 강결도가 크고, 국부 파괴에 대한 안전도가 높다. 방법 B의 경우는 근입깊이가 얕아 확대기초의 하면철근과 간섭되지 않으므로 시공이 편리한 장점이 있다. 하지만 방법 A는 말뚝머리부의 펀칭전단에 대한 위험이 크고, 근입된 말뚝과 확대기초 하면철근과의 간섭으로 배근이 복잡하게 되어 시공에 어려움이 있다. 방법 B의 경우 방법 A보다 강결도가 낮아 일체 거동에 따른 신뢰성이 부족하므로 힌지결합처럼 간주될 수 있어 구조검토를 추가적으로 수행해야 하며, 축방향 저항력 중 압축 저항력에 비해 인발 저항력이 떨어지는 문제점이 있다. 또한 방법 A 및 방법 B는 강결합 방법으로 휨모멘트에 저항하는 구조로서, 상부구조 및 하부구조에 작용하는 자중, 활하중, 토압, 온도변화, 건조수축, 지점침하 등의 하중을 지지하기 위해 교대 및 확대기초가 상당한 크기의 단면으로 설계되며, 상기 교대 및 확대기초의 단면이 보유한 휨강성을 통해 상당한 크기의 휨모멘트가 말뚝에 전달되므로 상대적으로 교대 및 확대기초에 비해 작은 휨강성을 보유한 말뚝은 그 개수가 증대될 수밖에 없어 경제성이 떨어지는 단점이 있다.

콘크리트말뚝과 확대기초간의 강결합 방법은 시공방법에 역시 “방법 A”와 “방법 B”로 구분되며, 도 1c에 “방법 B”를 도시하였다. 여기서 콘크리트말뚝은 PSC·PHC·RC말뚝을 의미한다. 방법 A는 강관말뚝과 확대기초의 강결합 방법과 동일하며, 방법 B의 경우, 콘크리트말뚝 내부 보강철근 또는 긴장재를 손상 없이 말뚝머리 위로 노출시켜야 되므로 상기 노출부위 만큼 콘크리트를 파쇄 해야 한다. 이러한 절단이 아닌 파쇄공정은 말뚝에 충격을 가하므로 말뚝머리부의 균열 및 콘크리트 탈락 등이 수반되므로 콘크리트말뚝의 품질을 하락시키고, 경우에 따라 이미 지반에 매입된 콘크리트말뚝을 폐기하는 경우도 종종 발생된다.

말뚝과 확대기초간의 힌지결합 방법은 말뚝머리를 확대기초 속에 어느 정도 근입하고 말뚝머리부를 철근으로 보강하지 않거나 또는 휨거동에 영향을 미치지 않도록 배근하는 방법이다. 이러한 힌지결합 방법은 결합부가 휨모멘트에 저항하지 않는다고 가정되므로 말뚝본체를 경제적으로 설계할 수 있는 장점이 있다. 하지만 말뚝머리가 확대기초 속에 일정부분 근입되어 있으므로 상기 근입부에 부착파괴가 발생되기 전에는 휨모멘트를 전달하는 구조로서 실제 거동과 설계가 다르며, 상기 근입부의 부착파괴 이후에도 힌지결합 방법의 특성상 말뚝머리 위의 확대기초는 회전에 대해 구속받지 않아야 되나 확대기초 속에 일정부분 근입된 부분에서 작용하는 지압력과 마찰력 등으로 인해 휨모멘트가 말뚝에 전달될 수밖에 없으며, 확대기초의 회전변위로 인해 말뚝머리부에 편심력이 작용되므로 국부적인 응력집중이 발생되어 안전성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 상기 힌지결합 방법은 구조적 거동의 모호성과 국부적 안전성이 저하되는 문제점 등으로 현재 국내의 일반적인 말뚝기초에는 사용되지 않고 있는 실정이다.

일체식 교대교량은 도 2에 도시된 바와 같이 상부구조, 낮은 교대, 일렬말뚝으로 구성되며, 북미와 유럽에서 최근 30년간 10,000개 이상의 일체식 교대교량이 성공적으로 건설되어 사용 중에 있다. 하지만 국내의 경우 기초연구 부족과, 구조 안전성 측면에서 보수적 기조로 인한 일렬말뚝에 대한 반감으로 인해 소규모 교량에만 간헐적으로 사용되고 있다.

북미와 유럽의 경우 교대 대비 일렬말뚝의 휨강성이 매우 작아 고정하중과 활하중을 포함한 설계하중이 교량에 작용할 경우 교대-말뚝 결합부에서 말뚝부의 전단면이 항복강도에 도달하는 소성상태로 유도하여 교대-말뚝 결합부를 소성힌지로 간주한다. 이러한 소성힌지로 인해 단경간 일체식 교대교량은 마치 단경간 조인트교량으로 간주될 수 있어 구조설계가 간편해지는 특징이 있다.

국내의 경우 교대와 기초로 구성된 하부구조에 다열말뚝이 배치되는 보수적 설계를 고수하고 있으며, 소성힌지는 붕괴 매카니즘의 필요조건으로 상기 소성힌지를 사용상태에서 구조적으로 활용한다는 것은 보수적 성향의 국내 기술자들이 받아들이기 어려운 현실이므로, 국내에 도입된 일체식 교대교량의 대부분은 교대-말뚝 결합부가 탄성상태로 거동하도록 설계되어진다.

따라서 일체식 교대교량의 설계는 크게 두 가지로 구분되며, 말뚝의 휨강성을 무시하여 교대에 휨모멘트가 작용되지 않는 조인트교량으로 설계되거나, 말뚝의 휨강성을 고려하여 교대에 휨모멘트가 작용되는 라멘교로 설계된다.

말뚝의 휨강성을 무시하는 설계법은, 교대 대비 말뚝의 휨강성이 작아 활하중 등의 큰 변동하중이 작용하는 경우 도 3a에 도시된 바와 같이 교대-말뚝 결합부에 소성힌지가 발생되어 종국에는 조인트교로 거동한다는 개념이다. 도 3b 내지 도 3c를 참조하면, 일체식 교대교량에 하중이 작용할 경우 구조적으로 연속적인 교대-말뚝 결합부에 휨모멘트(Mpile)가 작용되나, 상기 교대-말뚝 결합부에 소성힌지가 발생될 경우 교대-말뚝 결합부에는 휨모멘트가 작용되지 않으며, 경간 중앙부 휨모멘트는 소성힌지가 발생되기 전 발생한 경간 중앙부 휨모멘트(Mpo)에 지점부 휨모멘트(Mne)를 더한 크기만큼 증가한다. 이러한 이유로 교량 시공 중 및 완성 초기에 소성힌지가 발생되기 전에는 말뚝의 휨강성으로 인해 처짐이 작게 발생되나 교량의 공용 기간이 길어지면서 경험하는 극한하중조합에 가까운 하중을 겪은 후 교대-말뚝 결합부에 소성힌지가 발생되어 경간 중앙부에 증가된 휨모멘트만큼 갑작스런 처짐 증가가 유발된다. 이로 인해 뒤채움부와 교대 사이가 벌어지고, 난간 등 교량 부착물 등에 손상이 발생되며, 처짐 증가로 인해 사용자로 하여금 불안감을 유발시키는 문제점이 있다.

말뚝의 휨강성을 고려하는 설계법은, 만일 설계와 달리 교대-말뚝 결합부에 소성힌지가 발생될 경우 경간 중앙부에 설계단계에 고려하지 않은 추가의 휨모멘트가 유발되어 교량의 안전성이 저해되므로 말뚝의 휨강성을 충분히 증가시키는 개념이다. 일체식 교대교량이 말뚝의 휨강성을 낮춰 말뚝에 작용하는 휨모멘트를 줄이는 것이 기술적 특징임을 살펴볼 때, 말뚝의 휨강성을 증가시키면 상대적으로 말뚝에 작용하는 휨모멘트를 증대시키는 결과를 초래하므로 말뚝이 교대를 따라 최소 간격으로 촘촘히 배치될 수밖에 없다. 이로 인해 말뚝 공사비를 포함한 지반관련 공사비가 증대되고, 교대-말뚝 접합부에 작용하는 상대적으로 큰 휨모멘트를 처리하기 위해 결합부에서 휨모멘트가 발생되지 않는 지점까지 보강판으로 말뚝을 보강해야 하는 문제점이 있다. 국내의 경우 교대-말뚝 결합부를 보강판으로 보강하는 방법이 주로 적용되고 있으며, 사전 지반조사와 실제 지반정보가 일치하지 않는 문제점으로 인해 말뚝의 지반 매입길이를 정확하게 추정하지 못하므로 설계 길이보다 통상 2m∼3m 정도 더 길게 보강판을 부착시키고 있는 실정이다. 따라서 이로 인한 공사비의 증대는 불가피하다.

최근 일체식 교대교량에서 말뚝의 근입깊이를 줄여 교대-말뚝 결합부를 힌지로 간주한 기술이 소개되었다. 이는 앞서 설명한 말뚝과 확대기초간의 힌지결합 방법과 동일하다. 이러한 힌지결합 방법은 앞서 설명한 바와 같이 여러 문제점을 가지고 있으며, 또한 도 4b에 도시된 바와 같이 교대의 회전변위에 대해 얕은 근입깊이에 해당하는 접촉면에 부착파괴가 발생된 이후 강재 재질의 말뚝에 비해 콘크리트 재질의 교대는 상대적으로 강도가 작아 기하학적인 간섭부위에서 균열이 쉽게 발생된다. 이러한 균열은 일체식 교대교량의 교대가 확대기초에 비해 피복(말뚝 연단에서 교대 연단까지의 수평거리)이 작아 교대의 모서리부가 탈락될 수 있으며, 하중에 저항하는 교대의 유효단면을 급격히 감소시키므로 교량의 안전성을 저감시키는 문제점을 가지고 있다.

따라서 일체식 교대교량에서 교대-말뚝 결합부를 말뚝의 소성상태로 유도되는 가상의 힌지가 아닌 실제 힌지장치로 구현되고, 이러한 힌지가 교대에 손상을 주지 않는 교대-말뚝 결합부가 지속적으로 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 국내 등록특허 등록번호 제10-0622008호로서, '일체식 교대 교량의 합성구조'가 제안되어 있다. 이는 상부 거더의 양 측부 및 상기 상부 거더의 양 측부에 각각 수직하게 위치하게 되는 다수의 파일의 상부를 콘크리트로 타설하여 상기 상부 거더와 파일을 일체화시키는 일체식 교대 교량에 있어서, 상기 상부 거더의 양 측부 하단이 기역자 형상으로 모따기되고, 상기 모따기된 부위에 다수의 관통공이 형성된 기역자 형상의 연결판이 결합되며, 상기 다수의 파일의 상단부에 다수의 관통공이 형성된 평평한 이음판이 각각 결합되고, 상기 연결판이 결합된 상기 상부 거더의 양 측부 하단의 모따기 부위에는 다수의 단부보강재가 웨브에 등간격으로 결합된 수평 H형 연결빔이 수평되게 위치하며, 상기 연결판이 결합된 상기 상부 거더의 양 측부 하단의 모따기 부위와 상기 이음판이 결합된 상기 다수의 파일의 상단부는 상기 수평 H형 연결빔을 사이에 두고서 체결부재에 의해 상호 일체로 결합된 것이다.

따라서 상부 거더의 양측부의 모따기한 부위에 수평 H형 연결빔을 매개로 다수의 파일의 두부를 볼트로 일체화시킴으로써, 지반이 연약한 층에서도 연결부의 강성이 극대화되어 콘크리트의 균열을 방지하는 효과를 갖는다.

그러나 상기 배경기술은 교량의 상부구조 및 교대에 작용하는 하중으로 인한 회전변위를 수용할 수 없어 교대-파일 결합부에 작용하는 휨모멘트가 증가됨으로써 파일의 수량을 절감시킬 수 없다.

국내 등록특허 등록번호 제10-0622008호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 교대-말뚝 결합부에 구조거동이 명확한 회전수용장치를 설치함으로써 교량의 시공단계에서 공용수명에 이르기까지 동일한 구조계를 가지도록 하여 공용 중 교량의 갑작스러운 처짐을 방지할 수 있고, 말뚝머리부의 절단면에 말뚝캡을 설치하여 절단면에 형성된 거친 요철부로 인한 응력집중을 완화시켜 교대-말뚝 결합부의 품질을 향상시킬 수 있으며, 말뚝을 교대에 근입시키지 않고도 교대와 말뚝을 연결시킬 수 있는 회전수용장치를 설치함으로써 말뚝의 휨강성이 전체 구조계에 영향을 미치지 않아 일체식 교대교량에서 휨강성이 커서 지양되는 H-말뚝의 강축배열뿐만 아니라 강관말뚝 및 콘크리트말뚝까지 적용시킬 수 있어 일체식 교대교량에서 말뚝의 적용성을 확대시킬 수 있으며, 상기 회전수용장치는 상부구조 및 교대에 작용하는 하중으로 인한 회전변위를 탄성적으로 수용하여 교대-말뚝 결합부에 작용하는 휨모멘트를 감소시킴으로써 말뚝의 수량을 절감시킬 수 있는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량은, 지반에 관입된 말뚝의 말뚝머리부 절단면 위에 설치되는 말뚝캡과; 상기 말뚝캡의 상면에 설치되어 교대의 회전변위를 압축변형으로 흡수하는 탄성판과; 상기 탄성판의 상면에 설치되어 일면은 교대에 접하고 타면은 상기 탄성판을 감싸는 보호캡과; 상기 탄성판 및 보호캡을 관통하여 말뚝캡의 상면에 교축방향에 대해 직각 방향으로 배치 접합되어 상향 돌출되어 있고, 상부 멀티홀과 하부 멀티홀이 각기 다수 배열되어 있는 전단지지판과; 상기 상부 멀티홀에 설치된 볼트를 통해 상기 전단지지판의 상부 양측면에 고정 설치된 한 쌍의 앵커판;을 포함하며, 상기 말뚝캡은 말뚝머리부의 절단면을 덮는 수평지압판과, 상기 수평지압판 아래에 설치되어 말뚝머리부의 내측 또는 외측에 위치하는 수직전단판으로 구성되어, 상기 말뚝과 볼트 접합, 용접 접합, 또는 상기 수직전단판이 말뚝 직경 또는 말뚝 폭의 1/3 이상이 되는 높이를 가져 말뚝과의 마찰력을 통해 접합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 말뚝은 교축방향에 대해 강축방향으로 배치되는 H-말뚝 또는 교축방향에 대해 약축방향으로 배치되는 H-말뚝인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 말뚝캡은 말뚝머리부의 절단면을 덮을 수 있는 수평지압판과, 상기 수평지압판의 하측에 설치되어 말뚝머리부의 내면 또는 외면에 밀착되는 수직전단판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 말뚝캡은 수직전단판의 하단에 수평지압판과 나란하게 설치되는 수평보강판을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄성판은 교대와 말뚝의 강성보다 작은 강성을 가지며, 합성고무패드, 폴리우레탄, FRP 중 어느 하나의 것으로 제작된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보호캡은 상기 탄성판과의 접촉면에 각기 홈부를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 홈부는 상기 탄성판의 너비에 여유폭이 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 홈부는 상기 탄성판의 두께에 여유두께가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 홈부의 여유폭은 상기 탄성판의 허용전단변형량 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 홈부의 여유두께는 2mm 이상이고 탄성판 두께의 절반 이하이며, 교대의 회전변형으로 인해 상기 말뚝캡과 간섭되지 않도록 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전단지지판은 말뚝 대비 휨강성을 최소화시키기 위해 교대 단면의 중심에 가깝게 배치된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 적절한 다른 실시 형태에 따른 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량은, 지반에 관입된 원형의 단면 형상을 가지는 말뚝의 말뚝머리부 절단면 위에 설치되는 원형 말뚝캡과; 상기 원형 말뚝캡의 상면에 설치되어 교대의 회전변위를 압축변형으로 흡수하는 원형 탄성판과; 상기 원형 탄성판의 상면에 설치되어 일면은 교대에 접하고 타면은 상기 원형 탄성판을 감싸는 원형 보호캡과; 상기 원형 탄성판 및 원형 보호캡을 관통하여 원형 말뚝캡의 상면에 교축방향에 대해 직각 방향으로 배치 접합되어 상향 돌출되어 있고, 상부 멀티홀과 하부 멀티홀 및 전단홀이 각기 다수 배열되어 있는 전단지지판과; 상기 상부 멀티홀에 설치된 볼트를 통해 상기 전단지지판의 상부 양측면에 고정 설치된 한 쌍의 앵커판;을 포함하며, 상기 원형 말뚝캡은 원통형으로서 관통홀을 갖는 원형 수평지압판과, 원형 수평지압판의 아래에 설치되어 말뚝의 말뚝머리부 외측 또는 내측 둘레를 감싸면서 말뚝과 결합되는 원형 수직전단판으로 구성되고; 상기 원형 말뚝캡의 하면에는 말뚝의 두부에 채워지는 속채움 콘크리트를 밑받침하는 받침판이 추가로 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 교대 하측에 설치되어 전단지지판을 높이방향으로 둘러싸도록 나선철근을 더 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 교대 하측에 설치되어 전단지지판의 하측을 둘러싸도록 십자보강철근을 더 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 교대-말뚝 결합부에 작용하는 회전변위를 물리적으로 명확하게 수용할 수 있는 탄성판이 구비된 회전수용장치가 상기 교대-말뚝 결합부에 설치됨으로써 교량의 시공단계에서부터 공용수명에 이르기까지 구조계가 변경되지 않아 공용 중 교량의 갑작스러운 처짐이 방지되는 효과가 있다.

또한, 말뚝머리부 절단면 위에 말뚝캡이 설치됨으로써 현장 절단작업으로 발생되는 거친 요철부로 인하여 교대의 접촉면이 받는 응력집중을 완화시켜 교대-말뚝 결합부의 품질을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 말뚝을 직접 교대에 근입시켜 말뚝의 휨강성이 전체 구조계에 영향을 미치는 종래 기술과 달리, 말뚝을 교대에 근입시키지 않고도 교대와 말뚝을 연결시킬 수 있는 회전수용장치가 설치됨으로써 교대-말뚝 결합부에 작용하는 휨모멘트가 회전변위로서 소산되며, 이러한 회전변위는 말뚝의 휨강성에 상관없이 상기 회전수용장치의 독자적인 거동의 결과이므로 일체식 교대교량에서 말뚝의 휨강성이 커서 지양되는 H-말뚝의 강축배열뿐만 아니라 강관말뚝 및 콘크리트말뚝까지 적용시킬 수 있어 일체식 교대교량에서 말뚝의 적용성을 확대시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 교대-말뚝 결합부에 변형 능력이 우수하여 상부구조 및 교대에 작용하는 하중으로 인한 회전변위를 탄성적으로 수용할 수 있는 탄성판이 회전수용장치에 포함됨으로써 교대-말뚝 결합부에 작용하는 휨모멘트가 감소되어 말뚝의 수량이 절감되는 효과가 있다.

또한, 말뚝머리부가 교대에 직접 근입되지 않으므로 말뚝머리부의 모서리와 교대의 접촉면에 발생되는 교대의 균열 및 탈락을 방지하는 효과가 있다.

또한, 상기 탄성판을 감싸도록 보호캡이 설치됨으로써, 상기 탄성판이 유실되는 것을 방지하는 효과가 있다.

또한, 전단력을 전달하는 전단지지판이 교대의 단면의 중심에 가깝게 배치되고 교축방향에 대해 직각 방향으로 약축 배치됨으로써 말뚝 대비 휨강성이 미소하여 교대-말뚝 결합부에 작용하는 휨모멘트를 최소화시키는 효과가 있다.

또한, 교대 하측에 상기 전단지지판을 높이방향으로 둘러싸도록 나선철근을 설치함으로써 전단지지판이 부담하는 전단력을 나선철근과 나선철근이 둘러싸는 콘크리트 코어가 분담하여 전단력에 대한 저항성능을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 교대 하측에 상기 전단지지판의 하측을 둘러싸도록 십자보강철근을 설치함으로써 전단지지판에 작용하는 전단력으로 인해 교대 하측에 발생될 수 있는 균열을 방지하는 효과가 있다.

따라서, 상기 말뚝머리부가 교대에 근입되지 않는 것과 상기 말뚝캡, 상기 나선철근, 상기 십자보강철근의 적용은 교대-말뚝 결합부에 품질을 향상시키는 효과가 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 아니 된다.
도 1a는 강관말뚝과 확대기초의 강결합 방법 중 방법 A를 나타낸 도면이다.
도 1b는 강관말뚝과 확대기초의 강결합 방법 중 방법 B를 나타낸 도면이다.
도 1c는 콘크리트말뚝과 확대기초의 강결합 방법 중 방법 B를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 일체식 교대교량을 나타내는 종단면도이다.
도 3a는 종래 일체식 교대교량의 교대-말뚝 결합부에서 H-말뚝에 소성힌지가 발생되어 조인트교로 거동하는 개념을 나타낸 상세도이다.
도 3b는 종래 일체식 교대교량에서 시공 초기 상부구조에 등분포하중이 작용하는 경우 종단면상 휨모멘트를 나타낸 도면이다.
도 3c는 종래 일체식 교대교량에서 공용 중 교대-말뚝 결합부에 소성힌지가 발생된 된 경우 종단면상 휨모멘트를 나타낸 도면이다.
도 4a는 말뚝의 절단면을 나타낸 도면이다.
도 4b는 종래 또 다른 일체식 교대교량에서 힌지결합 방법의 문제점을 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예인 교대-말뚝 결합부를 나타낸 종단면도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 교대-말뚝 결합부를 나타낸 횡단면도이다.
도 5c는 도 5a에 도시된 교대-말뚝 결합부를 나타낸 평면도이다.
도 6a는 본 발명의 제1 실시예인 교대-말뚝 결합부에 적용된 회전수용장치의 조립을 나타낸 사시도이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 회전수용장치의 조립을 분해하여 나타낸 분해사시도이다.
도 6c는 도 6b에 도시된 회전수용장치 중 말뚝캡과 전단지지판을 나타낸 사시도이다.
도 7a는 본 발명의 제1 실시예인 교대-말뚝 결합부의 회전수용장치가 교대에 시공되어 완성된 것을 나타낸 종단면도이다.
도 7b는 도 7a의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예인 교대-말뚝 결합부에서 교대의 회전변위를 회전수용장치가 흡수하는 것을 나타낸 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예인 교대-말뚝 결합부에서 약축 방향으로 배치된 H말뚝에 회전수용장치가 설치되어 교대가 시공된 종단면도이다.
도 10a는 본 발명의 제3 실시예인 교대-말뚝 결합부에서 강축 방향으로 배치된 H말뚝에 회전수용장치가 설치되어 교대가 시공된 종단면도이다.
도 10b는 도 10a의 측단면도이다.
도 10c는 도 10a의 평면도이다.
도 11a는 본 발명의 제3 실시예인 교대-말뚝 결합부의 회전수용장치의 조립상태를 나타낸 사시도이다.
도 11b는 도 11a에 도시된 회전수용장치의 조립 분해를 나타낸 분리사시도이다.
도 11c는 도 11b에 도시된 회전수용장치 중 말뚝캡과 전단지지판을 나타낸 사시도이다.
도 12a는 본 발명의 제4 실시예인 교대-말뚝 결합부를 나타낸 종단면도이다.
도 12b는 도 12a의 일측단면도이다.
도 13은 도 12a에 평면도이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예인 교대-말뚝 결합부에서 교대가 시공되어 완성된 것을 나타낸 종단면도이다.
도 15는 본 발명의 제5 실시예인 교대-말뚝 결합부를 나타낸 종단면도이다.
도 16a는 본 발명의 제5 실시예인 교대-말뚝 결합부의 회전수용장치를 나타낸 분해사시도이다.
도 16b는 도 16a에 도시된 회전수용장치를 조립도이다.
도 17a는 본 발명의 제1 실시예인 교대-말뚝 결합부에서 교대 하측에 나선철근과 십자보강철근이 더 배치된 것을 나타낸 종단면도이다.
도 17b는 도 17a의 평면도이다.

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 5a는 본 발명의 제1 실시예인 교대-말뚝 결합부를 나타낸 종단면도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 교대-말뚝 결합부를 나타낸 횡단면도이며, 도 5c는 도 5a에 도시된 교대-말뚝 결합부를 나타낸 평면도이다. 또한 도 6a는 본 발명의 제1 실시예인 교대-말뚝 결합부의 회전수용장치를 나타낸 사시도이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 회전수용장치의 조립 분해를 나타낸 분리사시도이며, 도 6c는 도 6b에 도시된 회전수용장치 중 말뚝캡과 전단지지판을 나타낸 사시도이다. 본 제1 실시예에서는, 말뚝은 교축방향에 대해 강축방향으로 배치된 H-말뚝(10)임을 전제로 한다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교대-말뚝 결합부는 회전수용장치(20)를 포함한다. 회전수용장치(20)는 물리적으로 명확하게 회전변위를 수용할 수 있고, 말뚝머리부에 발생되는 거친 절단면에 대해 응력집중을 완화시킬 수 있으며, 말뚝머리부를 교대에 직접 근입시키지 않고도 교대와 말뚝을 연결시킬 수 있는 수단을 제공하여 말뚝의 종류에 구애받지 않고 다양한 말뚝을 일체식 교대교량에 적용시킬 수 있도록 하며, 교대에 작용하는 회전변위를 탄성적으로 수용하여 교대-말뚝 결합부에 작용하는 휨모멘트를 감소시킬 수 있으며, 말뚝머리부를 교대와 이격시켜 말뚝머리부의 모서리와 교대의 접촉면에 발생하는 교대의 균열 및 탈락을 방지하여 교대-말뚝 결합부의 명확한 거동 및 적용성과 안전성을 향상시킬 수 있는 장치이다.

도 4a는 말뚝의 절단면을 나타낸 도면이다.

도 4a를 참조하면, 말뚝(10)은 상기 말뚝(10)의 선단이 지지되는 지반 속 양질의 지층을 모두 파악하기 어려우므로 계획상 필요로 하는 길이보다 길게 제작되어 지반 속에 매입된다. 추후 말뚝의 노출부는 교량의 계획높이에 맞도록 현장에서 절취되어 말뚝머리부에 거친 절단면(101)을 가진다. 이러한 절단면(101)은 H-말뚝뿐만 아니라 후술되는 강관말뚝과 콘크리트말뚝에도 공통적으로 발생된다.

본 제1 실시예에 따른 회전수용장치(20)는 상기 말뚝머리부의 절단면(101) 위에 설치되는 말뚝캡(21)과, 상기 말뚝캡(21)의 상면에 설치되어 교대(12)의 회전변위(θ)를 압축변형으로 흡수하는 탄성판(22)과, 상기 탄성판(22) 위에 설치되어 일면은 교대(12)에 접하고 타면은 상기 탄성판(22)을 감싸는 보호캡(23)과, 상기 탄성판(22) 및 보호캡(23)을 관통하여 말뚝캡(21)의 상면에 교축방향에 대해 직각 방향으로 배치 접합되어 상향 돌출되어 있고 상부 멀티홀(241)과 하부 멀티홀(242)이 각기 다수 배열되어 있는 전단지지판(24)과, 상부 멀티홀(241)에 설치된 볼트(b1)를 통해 상기 전단지지판(24)의 상부 양측면에 고정 설치된 한 쌍의 앵커판(25)을 포함하여 구성된다.

말뚝캡(21)은 도 6b와 같이 말뚝머리부의 절단면(101)을 덮을 수 있는 수평지압판(211)과, 상기 수평지압판(211)의 하측에 설치되어 말뚝머리부를 외면에서 감싸는 수직전단판(212)을 포함하여 구성된다. 수평지압판(211)은 말뚝캡(21)의 절단면(101)을 덮을 수 있는 면적을 갖는다. 수직전단판(212)은 H-말뚝(10)의 외측을 감싸도록 수평지압판(211)의 둘레에 배치된다.

상기 수직전단판(212)은 회전수용장치(20)를 H-말뚝(10)에 고정시키기 위해 복수개의 볼트(29)를 체결할 수 있는 동수의 볼트홀(212a)이 형성된다. 또한 수직전단판(212)은 도시되지 않았지만 회전수용장치(20)를 H-말뚝(10)에 고정시키기 위해 수직전단판(212)의 밑단이 H-말뚝(10)에 용접될 수도 있다. 또한 수직전단판(212)은 도시되지 않았지만 회전수용장치(20)를 H-말뚝(10)에 마찰로서 고정되기 위해 수직전단판(212)의 높이(h)가 H-말뚝 폭의 1/3 이상 확보되도록 구성될 수도 있다.

정리하자면, 수직전단판(212)은 수평지압판(211)을 H-말뚝(10)에 고정시키기 위한 말뚝캡(21)의 구성요소로서, 볼트 연결방법 또는 용접 연결방법이나 마찰 연결방법 중 어느 하나 또는 그 이상을 사용해도 무방하다. 본 제1 실시예에서는 말뚝머리부와 수직전단판(212)에 각각 형성된 볼트홀(212a)에 볼트(29)를 이용하여 말뚝캡(21)을 H-말뚝(10)에 고정시킨 것을 일 예로 나타낸 것이다.

탄성판(22)은 상기 말뚝캡(21) 위에 설치되며 전단지지판(24)이 관통될 수 있는 관통홀(22a)이 구비된다. 상기 탄성판(22)은 교대(12)와 H-말뚝(10)의 강성보다 작은 강성을 가진다. 탄성판(22)은 합성고무패드, 폴리우레탄, FRP 등이 사용될 수도 있다.

보호캡(23)은 상기 탄성판(22) 위에 설치되며 전단지지판(24)이 관통될 수 있는 관통홀(23a)이 구비된다. 상기 보호캡(23)은 탄성판(22)과의 접촉면에 홈부(23b)를 갖는다. 홈부(23b)는 탄성판(22)의 너비보다 여유폭(△h)만큼 더 큰 너비를 가질 수 있다. 여기서 홈부(23b)의 여유폭(△h)은 탄성판(22)의 허용전단변형량 이상이 되도록 형성될 수 있다. 또한 홈부(23b)는 탄성판(22)의 두께보다 여유두께(△v)만큼 더 큰 깊이를 갖을 수 있다. 또한 홈부(23b)의 여유두께(△v)는 2mm 이상이고 탄성판(22) 두께의 절반 이하이며, 교대(12)의 회전변형으로 인해 상기 말뚝캡(21)과 간섭되지 않도록 형성될 수 있다.

전단지지판(24)은 탄성판(22)과 보호캡(23)에 각각 형성된 관통홀(22a,23a)을 통과하여 배치된다. 상기 전단지지판(24)은 말뚝(10) 대비 휨강성을 최소화시키기 위해 후술되는 교대(12) 단면의 중심에 배치되어 콘크리트에 매입 설치된다. 또한 전단지지판(24)은 연성과 인성을 확보하기 위해 열처리 강판이 사용될 수 있다. 하부 멀티홀(242)은 교대(12)에 배근되는 철근(12a)을 관통 설치하기 위해 형성된다.

한 쌍의 앵커판(25)은 볼트(b1)가 삽입될 수 있는 관통홀(25a)이 구비된다. 상기 관통홀(25a)과 상부 멀티홀(241)을 통해 볼트(b1)가 삽입된 후 너트가 체결되어 한 쌍의 앵거판(25)이 전단지지판(24)에 설치된다.

한 쌍의 앵커판(25)은 전단지지판(24)을 통해 말뚝캡(21)에 고정되고, 말뚝캡(21)은 볼트 연결방법 또는 용접 연결방법이나 마찰 연결방법을 통해 H-말뚝(10)에 연결되어 있으므로 한 쌍의 앵커판(25)은 전단지지판(24)을 매개로 H-말뚝(10)에 고정된다. 한 쌍의 앵커판(25)은 추후 시공하게 되는 교대(12)에 매입되므로 종국에는 전단지지판(24)을 교대(12)에 고정시키는 역할을 수행한다.

회전수용장치(20)는 공장에서 말뚝캡(21), 탄성판(22), 보호캡(23), 전단지지판(24), 한 쌍의 앵커판(25)이 우선 조립된 후, 현장으로 운송하여 말뚝(10)의 말뚝머리부에 얹는 다음 볼트 연결방법 또는 용접 연결방법이나 마찰 연결방법을 사용해서 H-말뚝(10)에 간단히 설치를 완료할 수가 있다. 즉 회전수용장치(20)는 공장에서 모듈화되어 현장에 간단히 설치하는 것으로 도 7a와 같이 교대-말뚝 결합부가 완료되므로 시공이 간편해지는 효과가 있다.

도 7a는 본 발명의 제1 실시예인 교대-말뚝 결합부에서 교대가 시공되어 완성된 것을 나타낸 종단면도이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 교대-말뚝 결합부에서 교대가 시공되어 완성된 것을 나타낸 평면도이다.

앞서 H-말뚝(10)에 회전수용장치(20)가 설치된 다음, 비구조체로 시공성 확보와 주 구조물용 콘크리트 타설 시 품질확보를 위해 버림 콘크리트(11)가 타설되며, 추후 버림 콘크리트(11) 위에 교대(12)가 시공된다.

버림 콘크리트(11)의 상면이 교대(12)의 하면이 되므로, H-말뚝(10)의 말뚝머리부가 교대(12)에 매입되지 않도록 버림 콘크리트(11)의 상면은 탄성판(22)과 보호캡(23)의 두께 내에 배치됨이 바람직하다.

도 8은 본 발명의 제1 실시예인 교대-말뚝 결합부에서 교대의 회전변위를 회전수용장치가 흡수하는 것을 나타낸 종단면도이다.

일체식 교대교량의 상부구조는 역학에서 휨부재로 분류되며, 상부구조가 하중에 의해 휘어짐에 따라 상부구조와 일체화된 교대(12)에는 H-말뚝(10)을 기준으로 회전변위(θ)가 발생된다.

회전수용장치(20)내 전단지지판(24)은 약축으로 배치된 판상형 부재로서 휨강성이 미소하여 회전변위(θ)에 저항하지 못하며, 더불어 탄성판(22)이 상기 회전변위(θ)를 탄성적인 압축변형을 통해 수용함으로써 교대-말뚝 결합부에 작용하는 휨모멘트를 “0”에 가깝게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

즉, 본 발명의 회전수용장치(20)는 탄성판(22)이 회전변위(θ)를 탄성적인 압축변형을 통해 직접 수용함으로써 물리적으로 명확하게 회전변위를 수용할 수 있고, 말뚝머리부에 말뚝캡(21)을 설치함으로써 거친 절단면(101)으로 발생되는 응력집중을 완화시킬 수 있으며, H-말뚝(10)이 직접 교대(12)에 근입됨이 없이 전단지지판(24)이 교대(12)와 H-말뚝(10)을 연결시킴으로써 말뚝의 종류에 구애받지 않고 다양한 말뚝을 일체식 교대교량에 적용시킬 수 있으며, 탄성판(22)을 통한 회전변위(θ)의 수용으로 교대-말뚝 결합부에 작용하는 휨모멘트를 감소시킬 수 있으며, 말뚝캡(21)과 탄성판(22)과 보호캡(23)의 두께만큼 H-말뚝(10)을 교대(12)와 이격시켜 말뚝머리부의 모서리와 접촉면에 발생하는 교대의 균열 및 탈락을 방지하는 효과가 있다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예인 교대-말뚝 결합부에서 교대가 시공되어 완성된 것을 나타낸 종단면도로서, H-말뚝(10)이 교축방향에 대해 약축방향으로 배치된 것을 나타낸 것이다. 즉, 본 제2 실시예는 H-말뚝(10)이 제1 실시예에서 90도 회전되고 동일한 회전수용장치(20)가 설치됨으로써 위에서 언급한 작용 효과를 얻을 수 있다.

도 10a는 본 발명의 제3 실시예인 교대-말뚝 결합부를 나타낸 종단면도이고, 도 10b는 도 10a에 도시된 교대-말뚝 결합부를 나타낸 횡단면도이며, 도 10c는 도 10a에 도시된 교대-말뚝 결합부를 나타낸 평면도이다. 또한 도 11a는 본 발명의 제3 실시예인 교대-말뚝 결합부의 회전수용장치를 나타낸 사시도이고, 도 11b는 도 11a에 도시된 회전수용장치의 조립 분해를 나타낸 분리사시도이며, 도 11c는 도 11b에 도시된 회전수용장치 중 말뚝캡과 전단지지판을 나타낸 사시도이다. 본 제3 실시예에서는, 말뚝은 교축방향에 대해 강축방향뿐만 아니라 약축방향으로도 배치될 수 있는 H-말뚝(10)임을 전제로 한다.

본 제3 실시예에서 회전수용장치(20)는 제1 실시예의 회전수용장치(20)에서 말뚝갭(21)을 제외하고 동일한 구성을 갖는다. 따라서 변형된 말뚝캡(21)에 대한 설명만으로 제3 실시예의 전체 설명을 갈음하기로 한다.

변형된 말뚝캡(21)은 말뚝머리부의 절단면(101)을 덮을 수 있는 수평지압판(211)과, 상기 수평지압판(211)의 하측에 설치되어 말뚝머리부의 내면에 밀착되는 수직전단판(212)과, 상기 수직전단판(212) 아래에 수평지압판(211)과 나란하게 설치되는 수평보강판(213)을 포함하여 구성된다.

수직전단판(212)은 H-말뚝(10)의 내측면에 밀착 배치된다. 상기 수직전단판(212)은 회전수용장치(20)를 H-말뚝(10)에 고정시키기 위해 볼트(29)를 체결할 수 있는 볼트홀(212a)이 구비될 수도 있다.

또한 수직전단판(212)은 도시되지 않았지만 회전수용장치(20)를 H-말뚝(10)에 고정시키기 위해 수직전단판(212)의 모서리부가 H-말뚝(10)에 용접될 수도 있다.

또한 수직전단판(212)은 도시되지 않았지만 회전수용장치(20)를 H-말뚝(10)에 마찰로서 고정되기 위해 수직전단판(212)의 높이(h)가 H-말뚝 폭의 1/3 이상 확보되도록 구성될 수도 있다.

정리하자면, 수직전단판(212)은 수평지압판(211)을 H-말뚝(10)에 고정시키기 위한 말뚝캡(21)의 구성요소로서, 볼트 연결방법 또는 용접 연결방법이나 마찰 연결방법 중 어느 하나 또는 그 이상을 사용해도 무방하다. 본 제3 실시예에서는 말뚝머리부와 말뚝캡(21)의 수직전단판(212)에 각각 형성된 볼트홀(212a)에 볼트(29)를 이용하여 말뚝캡(21)을 H-말뚝(10)에 고정시킨 것을 나타낸다.

수평보강판(213)은 수평지압판(211)과 더불어 말뚝캡(21)에서 전단지지판(24)을 2개소에서 횡방향으로 구속시킴에 따라 전단지지판(24)에 작용하는 전단력을 절반으로 각각 분산시키는 효과가 있다.

도 12a는 본 발명의 제4 실시예인 교대-말뚝 결합부를 나타낸 종단면도이고, 도 12b는 도 12a에 도시된 교대-말뚝 결합부를 나타낸 횡단면도이며, 도 13은 도 12a에 도시된 교대-말뚝 결합부를 나타낸 평면도이고, 도 14는 도 12a에 도시된 교대-말뚝 결합부에서 교대가 시공되어 완성된 것을 나타낸 것이다. 본 제4 실시예에서는, 말뚝(10)은 강관말뚝인 것을 전제로 한다. 후술되는 도 15 내지 도 16b는 제5 실시예에 대한 것이나 본 제4 실시예와 유사한 원형말뚝에 사용되는 회전수용장치(20)의 사시도를 나타내므로 상세는 도 16a를 참조한다.

본 제4 실시예에 적용된 말뚝(10')은 원형 강관말뚝으로서, 제1 내지 제3 실시예에 적용된 H-말뚝(10)과 형상이 상이하므로 본 제4 실시예의 말뚝머리부에 설치되는 회전수용장치(20)는 사각형에서 원형으로 변형되나, 앞서 설명한 실시예와 일관된 목적과 구성요소를 가진다.

또한 본 제4 실시예에서는 회전수용장치(20)의 설치와 시공이 간편하도록 회전수용장치(20) 외에 받침판(30)이 더 포함된다.

본 제4 실시예에 따른 회전수용장치(20)에서 전술한 실시 예와 동일한 구성은 동일 부호를 사용한다. 본 제4 실시예에 따른 회전수용장치(20)는 상기 말뚝머리부의 절단면(101) 위에 설치되는 원형 말뚝캡(21')과, 상기 원형 말뚝캡(21') 위에 설치되는 원형 탄성판(22')과, 상기 원형 탄성판(22') 위에 설치되어 일면은 교대(12)에 접하고 타면은 상기 원형 탄성판(22')을 감싸는 원형 보호캡(23')과, 상기 원형 탄성판(22') 및 원형 보호캡(23')을 관통하여 원형 말뚝캡(21')의 상면에 교축방향에 대해 직각 방향으로 배치 접합되어 상향 돌출되어 있고 상부 멀티홀(241)과 하부 멀티홀(242) 및 전단홀(243)이 각기 다수 배열되어 있는 전단지지판(24)과, 상기 상부 멀티홀(241)에 설치된 볼트를 통해 상기 전단지지판(24)의 상부 양측면에 고정 설치된 한 쌍의 앵커판(25)을 포함하여 구성된다. 또한 원형 말뚝캡(21')의 하면에는 도14와 같이 말뚝(10')의 두부에 채워지는 속채움 콘크리트(102)를 밑받침하는 받침판(30)이 설치된다.

도 16a와 같이 원형 말뚝캡(21')은 말뚝머리부의 절단면(101)을 덮을 수 있는 원형 수평지압판(211')과, 상기 원형 수평지압판(211')의 하측에 설치되어 말뚝머리부의 내면에 밀착되는 원형 수직전단판(212')을 포함하여 구성된다. 원형 수평지압판(211')은 전단지지판(24)이 관통되도록 하는 관통홀(211a')을 갖는다. 상기 원형 수평지압판(211')에 형성된 관통홀(211a')의 최대 직경은 강관말뚝(10')의 내경이고, 최소 직경은 전단지지판(24)의 너비에 도로교설계기준에 제시된 여유치인 +2~+8mm를 더한 크기가 될 수 있다.

상기 원형 수평지압판(211')의 목적이 절단면(101)을 덮어 응력집중을 완화시키는데 있으므로, 상기 관통홀(211a')의 크기는 재료까지 절감되는 강관말뚝(10')의 내경이 됨이 바람직하다. 원형 수직전단판(212')은 강관말뚝(10')의 내면에 밀착되도록 배치된다. 상기 원형 수직전단판(212')은 회전수용장치(20)를 강관말뚝(10')에 고정시키기 위해 볼트(29)를 체결할 수 있는 볼트홀(212'a)이 구비될 수도 있다. 또한 원형 수직전단판(212')은 도시되지 않았지만 회전수용장치(20)를 강관말뚝(10')에 고정시키기 위해 원형 수직전단판(212')의 밑단이 강관말뚝(10')에 용접될 수도 있다. 또한 원형 수직전단판(212')은 도시되지 않았지만 회전수용장치(20)를 강관말뚝(10')에 마찰로서 고정되기 위해 원형 수직전단판(212')의 높이(h)가 강관말뚝(10') 직경(D)의 1/3 이상 확보되도록 구성될 수도 있다.

정리하자면, 원형 수직전단판(212')은 원형 수평지압판(211')을 강관말뚝(10')에 고정시키기 위한 원형 말뚝캡(21')의 구성요소로서, 볼트 연결방법 또는 용접 연결방법이나 마찰 연결방법 중 어느 하나 또는 그 이상을 사용해도 무방하다. 본 제4 실시예에서는 말뚝머리부와 원형 수직전단판(212')에 각각 형성된 볼트홀(212'a)에 볼트(29)를 이용하여 원형 말뚝캡(21')을 강관말뚝(10')에 고정시킨 것을 일 예로 나타낸 것이다.

원형 탄성판(22')은 상기 원형 말뚝캡(21') 위에 설치되며 전단지지판(24)이 관통될 수 있는 관통홀(22a')이 구비된다. 상기 원형 탄성판(22')은 교대(12)와 강관말뚝(10')의 강성보다 작은 강성을 가진다. 원형 탄성판(22')은 합성고무패드, 폴리우레탄, FRP 등이 사용될 수도 있다.

원형 보호캡(23')은 상기 원형 탄성판(22') 위에 설치되며 전단지지판(24)이 관통될 수 있는 관통홀(23a')이 구비된다. 상기 원형 보호캡(23')은 원형 탄성판(22')과의 접촉면에 홈부(23b')를 갖는다. 홈부(23b')는 원형 탄성판(22')의 직경에 여유폭(△h)이 더 구비된다. 또한 홈부(23b')는 원형 탄성판(22')의 두께에 여유두께(△v)가 더 구비된다. 여기서 홈부(23b')의 여유폭(△h)은 원형 탄성판(22')의 허용전단변형량 이상이 되도록 형성될 수 있다. 또한 홈부(23b')의 여유두께(△v)는 2mm 이상이고 원형 탄성판(22') 두께의 절반 이하이며, 교대(12)의 회전변형으로 인해 상기 원형 말뚝캡(21')과 간섭되지 않도록 형성될 수 있다.

상기 원형 탄성판(22')과 원형 보호캡(23')에 형성된 관통홀(22a',23a')의 직경은 속채움 콘크리트(102)의 시공방법에 따라 결정된다. 속채움 콘크리트(102)가 교대 벽체와 별도로 타설될 경우, 상기 관통홀(22a',23a')의 직경은 전단지지판(24)의 너비에 도로교설계기준에 제시된 여유치인 +2~+8mm를 더한 크기가 될 수 있다.

속채움 콘크리트(102)가 교대 벽체와 동시에 타설될 경우, 상기 관통홀(22a',23a')은 콘크리트가 타설될 통로로도 사용되며 최대 직경은 강관말뚝(10') 직경의 절반이고, 최소 직경은 전단지지판(24)의 너비에 80mm를 더한 크기가 될 수 있다.

상기 관통홀(22a',23a')의 최대 직경 제한은 콘크리트의 휨인장성능을 제한하기 위해서이다. 통상 구조설계에서 콘크리트의 인장성능이 무시되는 것이 관례이나, 회전수용장치(20)에서 회전변위(θ)의 흡수 능력을 극대화시키기 위해 콘크리트의 휨인장성능을 최소화시켜야 한다.

원형단면의 콘크리가 받을 수 있는 균열 모멘트(Mr)은 다음과 같다.

여기서, d는 원형단면의 직경이고, fr은 허용균열응력으로서 도로교설계기준에 명시되어 있으며 통상적으로 기준압축강도의 10% 정도의 값을 가진다.

원형 탄성판(22')과 원형 보호캡(23')에 형성된 관통홀(22a',23a')의 직경을 강관말뚝(10') 직경의 1/2로 제한될 경우 상기 식에서 d³ 대신 (1/2d)³이 적용되어 균열 모멘트는 0.125·Mr이 된다.

일반적인 구조설계에서 부재의 허용응력은 설계하중 대비 110% 내외이다. 시공 중의 경우 고정하중이 지배적이며 완성계 대비 2~3배 정도의 허용응력을 가지므로 시공 중 최대 허용응력은 대략 300% 내외이다. 이러한 허용응력이 12.5%로 감소되면 최종 허용응력은 37.5%(=300×0.125)가 된다. 허용응력은 설계하중 대비 100% 이상이 되어야 안전하므로 결국 상기 관통홀(22a',23a')로 인해 콘크리트 단면은 반드시 균열이 발생된다.

따라서 상기 관통홀(22a',23a')의 최대 직경을 강관말뚝(10') 직경의 절반으로 제한함으로써, 관통홀(22a',23a')의 직경에 해당하는 콘크리트는 시공 중에 휨균열이 발생되어 회전변위(θ)에 저항하지 못함에 따라 제1 내지 제3 실시예와 동일하게 전단지지판(24)만이 유일한 연결부재가 되며, 시공단계에서 공용수명에 이르기까지 동일한 구조계를 가지게 된다.

전단지지판(24)은 원형 말뚝캡(21')과 원형 탄성판(22')과 원형 보호캡(23')에 각각 형성된 관통홀(211a',22a',23a')을 통과하도록 배치된다. 상기 전단지지판(24)은 말뚝(10) 대비 휨강성을 최소화시키기 위해 교대(12) 단면의 중심에 배치되어 교대 벽체에 매입 설치된다.

도 14와 같이 전단홀(243)은 전단지지판(24)을 속채움 콘크리트(102)에 확고히 결합시키는 역할을 수행하며, 상기 속채움 콘크리트(102)는 강관말뚝(10')에 구속되어 있으므로 종국에는 전단지지판(24)이 강관말뚝(10')에 증진된 결합으로 고정된다.

도 15는 본 발명의 제5 실시예인 교대-말뚝 결합부에서 나타낸 종단면도이고, 도 16a는 도 15에 도시된 회전수용장치의 분리사시도이고, 도 16b는 도 16a에 도시된 회전수용장치의 조립된 사시도이다. 본 제5 실시예에서 말뚝은 PSC·PHC·RC말뚝을 총칭하는 콘크리트말뚝인 것을 전제로 한다.

본 제5 실시예에 적용된 말뚝(10')은 원형의 콘크리트말뚝으로서, 제4 실시예와 동일한 형태와 구성요소를 가지나 콘크리트말뚝의 특성상 볼트 연결이 되지 않으므로 원형 말뚝캡(21')과 말뚝(10')의 결합방식이 제4 실시예에 비해 한정적이다. 따라서 본 제5 실시예는 원형 말뚝캡(21')에 대한 설명만으로 전체 설명을 갈음하기로 한다.

원형 말뚝캡(21')은 말뚝머리부의 절단면(101)을 덮을 수 있는 원형 수평지압판(211')과, 상기 원형 수평지압판(211') 아래에 설치되어 말뚝머리부를 측면에서 감싸는 원형 수직전단판(212')을 포함하여 구성된다. 원형 수평지압판(211')은 전단지지판(24)이 관통되도록 하는 관통홀(211a')을 갖는다. 상기 원형 수평지압판(211')에 형성된 관통홀(211a')의 최대 직경은 콘크리트말뚝(10')의 내경이고, 최소 직경은 전단지지판(24)의 너비에 도로교설계기준에 제시된 여유치인 +2~+8mm를 더한 크기가 될 수 있다.

상기 원형 수평지압판(211')의 목적이 절단면(101)을 덮어 응력집중을 완화시키는데 있으므로, 상기 관통홀(211a')의 크기는 재료까지 절감되는 콘크리트말뚝(10)의 내경이 됨이 바람직하다. 원형 수직전단판(212')은 콘크리트말뚝(10)의 내면에 접하여 배치된다. 상기 원형 수직전단판(212')은 회전수용장치(20)를 말뚝(10')에 마찰로서 고정되기 위해 원형 수직전단판(212')의 높이(h)가 말뚝(10') 직경(D)의 1/3 이상 확보되도록 구성될 수도 있다.

도 17a는 본 발명의 제1 실시예인 교대-말뚝 결합부에서 교대 하측에 나선철근과 십자보강철근이 배치된 것을 나타낸 종단면도이고, 도 17b는 도 17a에 도시된 교대-말뚝 결합부에서 교대 하측에 나선철근과 십자보강철근이 배치된 것을 나타낸 평면도이다.

나설철근(40)은 전단지지판(24)을 높이방향으로 둘러싸도록 교대(12) 하측에 배치된다. 십자보강철근(50)은 전단지지판(24)의 하측을 둘러싸도록 교대(12) 하측에 배치된다. 상기 나선철근(40)과 나선철근(40)이 둘러싸는 콘크리트 코어가 교대 벽체 내 전단지지판(24)이 부담하는 전단력을 분담하여 전단력에 대한 저항성능을 향상시키는 효과가 있다.

또한 십자보강철근(50)은 전단력이 집중되는 전단지지판(24)의 하측을 둘러싸도록 교대(12) 하측에 배근됨에 따라 전단력으로 인한 교대(12) 하측에 발생되는 균열에 대한 저항성능을 향상시키는 효과가 있다.

상기 나선철근(40)과 십자보강철근(50)은 제1 실시예에 적용되어 있으나, 본 발명에 속하는 모든 실시예에 적용될 수 있다.

지금까지 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 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

21 : 말뚝캡
21' : 원형 말뚝캡
22 : 탄성판
22' : 원형 탄성판
23 : 보호캡
23' : 원형 보호캡
24: 전단지지판

Claims

지반에 관입된 말뚝(10)의 말뚝머리부 절단면 위에 설치되는 말뚝캡(21)과;
상기 말뚝캡(21)의 상면에 설치되어 교대(12)의 회전변위(θ)를 압축변형으로 흡수하는 탄성판(22)과;
상기 탄성판(22)의 상면에 설치되어 일면은 교대(12)에 접하고 타면은 상기 탄성판(22)을 감싸는 보호캡(23)과;
상기 탄성판(22) 및 보호캡(23)을 관통하여 말뚝캡(21)의 상면에 교축방향에 대해 직각 방향으로 배치 접합되어 상향 돌출되어 있고, 상부 멀티홀(241)과 하부 멀티홀(242)이 각기 다수 배열되어 있는 전단지지판(24)과;
상기 상부 멀티홀(241)에 설치된 볼트를 통해 상기 전단지지판(24)의 상부 양측면에 고정 설치된 한 쌍의 앵커판(25);을 포함하며,
상기 말뚝캡(21)은 말뚝머리부의 절단면을 덮는 수평지압판(211)과, 상기 수평지압판(211) 아래에 설치되어 말뚝머리부의 내측 또는 외측에 위치하는 수직전단판(212)으로 구성되어, 상기 말뚝(10)과 볼트 접합, 용접 접합, 또는 상기 수직전단판(212)이 말뚝 직경 또는 말뚝 폭의 1/3 이상이 되는 높이를 가져 말뚝(10)과의 마찰력을 통해 접합되는 것을 특징으로 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
제 1항에 있어서,
상기 말뚝(10)은 교축방향에 대해 강축방향으로 배치되는 H-말뚝 또는 교축방향에 대해 약축방향으로 배치되는 H-말뚝인 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
제 1항에 있어서,
상기 말뚝캡(21)은 말뚝머리부의 절단면(101)을 덮을 수 있는 수평지압판(211)과, 상기 수평지압판(211)의 하측에 설치되어 말뚝머리부의 내면 또는 외면에 밀착되는 수직전단판(212)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
제 3항에 있어서,
상기 말뚝캡(21)은 수직전단판(212)의 하단에 수평지압판(211)과 나란하게 설치되는 수평보강판(213)을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
제 1항에 있어서,
상기 탄성판(22)은 교대(12)와 말뚝(10)의 강성보다 작은 강성을 가지며, 합성고무패드, 폴리우레탄, FRP 중 어느 하나의 것으로 제작된 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
제 1항에 있어서,
상기 보호캡(23)은 상기 탄성판(22)과의 접촉면에 각기 홈부(23b)를 갖는 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
제 6항에 있어서,
상기 홈부(23b)는 상기 탄성판(22)의 너비에 여유폭(△h)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
제 7항에 있어서,
상기 홈부(23b)는 상기 탄성판(22)의 두께에 여유두께(△v)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
제 7항에 있어서,
상기 홈부(23b)의 여유폭(△h)은 상기 탄성판(22)의 허용전단변형량 이상인 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
제 8항에 있어서,
상기 홈부(23b)의 여유두께(△v)는 2mm 이상이고 탄성판(22) 두께의 절반 이하이며, 교대(12)의 회전변형으로 인해 상기 말뚝캡(21)과 간섭되지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
제 1항에 있어서,
상기 전단지지판(24)은 말뚝(10) 대비 휨강성을 최소화시키기 위해 교대 단면의 중심에 가깝게 배치된 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
지반에 관입된 원형의 단면 형상을 가지는 말뚝(10')의 말뚝머리부 절단면 위에 설치되는 원형 말뚝캡(21')과;
상기 원형 말뚝캡(21')의 상면에 설치되어 교대(12)의 회전변위(θ)를 압축변형으로 흡수하는 원형 탄성판(22')과;
상기 원형 탄성판(22')의 상면에 설치되어 일면은 교대(12)에 접하고 타면은 상기 원형 탄성판(22')을 감싸는 원형 보호캡(23')과;
상기 원형 탄성판(22') 및 원형 보호캡(23')을 관통하여 원형 말뚝캡(21')의 상면에 교축방향에 대해 직각 방향으로 배치 접합되어 상향 돌출되어 있고, 상부 멀티홀(241)과 하부 멀티홀(242) 및 전단홀(243)이 각기 다수 배열되어 있는 전단지지판(24)과;
상기 상부 멀티홀(241)에 설치된 볼트를 통해 상기 전단지지판(24)의 상부 양측면에 고정 설치된 한 쌍의 앵커판(25);을 포함하며,
상기 원형 말뚝캡(21')은 원통형으로서 관통홀(211a')을 갖는 원형 수평지압판(211')과, 원형 수평지압판(211')의 아래에 설치되어 말뚝(10')의 말뚝머리부 외측 또는 내측 둘레를 감싸면서 말뚝(10')과 결합되는 원형 수직전단판(211')으로 구성되고;
상기 원형 말뚝캡(21')의 하면에는 말뚝(10')의 두부에 채워지는 속채움 콘크리트(102)를 밑받침하는 받침판(30)이 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
제 1항 또는 제 12항에 있어서,
교대(12) 하측에 설치되어 전단지지판(24)을 높이방향으로 둘러싸도록 나선철근(40)을 더 구비한 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.
제 1항 또는 제 12항에 있어서,
교대(12) 하측에 설치되어 전단지지판(24)의 하측을 둘러싸도록 십자보강철근(50)을 더 구비한 것을 특징으로 하는 교대-말뚝 결합부에 회전수용장치를 갖는 일체식 교대교량.