KR101812020B1

KR101812020B1 - 프리스트레스트 콘크리트 거더

Info

Publication number: KR101812020B1
Application number: KR1020170054907A
Authority: KR
Inventors: 한녹희
Original assignee: 주식회사 세원씨앤디
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2018-02-28
Also published as: WO2018199528A1

Abstract

본 발명은 합성거더교 공법에 널리 사용되고 있는 프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete) 거더에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 거더의 복부 두께를 줄여 거더의 중량을 최소화할 수 있도록 거더의 형상과 긴장재의 배치 및 정착 방법이 최적화된 프리스트레스트 콘크리트 거더에 관한 것이다.
본 발명은, 프리스트레스트 콘크리트 거더에 있어서, 상부플랜지, 복부, 하부플랜지를 포함하는 I형 단면을 가지며 일방향으로 긴 중앙부와, 상부플랜지, 복부, 하부플랜지를 포함하는 I형 단면을 가지고 상기 중앙부의 양단부에서 각각 연장되며 연장되는 방향으로 갈수록 하부플랜지의 두께와 복부의 두께가 증가하는 한 쌍의 변단면부와, 상기 한 쌍의 변단면부 각각에서 연장되는 한 쌍의 단부블록을 포함하여 구성되는 철근콘크리트 재질의 본체; 상기 본체의 단부블록의 아랫부분과 변단면부 및 중앙부의 하부플랜지에 배치되되 본체의 양단부에서 가장 높고 가운데에서 가장 낮게 배치되고, 양단부는 인장력이 가해진 상태로 상기 한 쌍의 단부블록의 하부에 각각 정착되는 제1긴장재; 상기 본체의 단부블록의 윗부분과 변단면부의 상부플랜지 또는 복부와 중앙부의 상부플랜지, 복부 또 하부플랜지에 배치되되 상기 본체의 단부로부터 변단면부와 중앙부의 경계 부근의 어느 한 지점인 최고점까지는 그 높이가 단조증가하다가 상기 최고점부터 중앙부의 가운데까지는 그 높이가 단조감소 하도록 배치되고, 양단부는 인장력이 가해진 상태로 상기 한 쌍의 단부블록의 상부에 각각 정착되는 제2긴장재; 상기 제1긴장재를 수용하기 위한 제1쉬스관; 및 상기 제1긴장재를 정착하기 위한 제1정착구와 상기 제2긴장재를 정착하기 위한 제2정착구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 콘크리트 거더를 제공한다.

Description

프리스트레스트 콘크리트 거더{Prestressed Concrete Girder}

본 발명은 합성거더교 공법에 널리 사용되고 있는 프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete; 줄여서 "PSC"라고도 함) 거더에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 거더의 복부 두께를 줄여 거더의 중량을 최소화할 수 있도록 거더의 형상과 긴장재의 배치 및 정착 방법이 최적화된 프리스트레스트 콘크리트 거더에 관한 것이다.

지상에서 프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트 거더들을 제작하고 이를 교각, 교대 등의 하부구조 위에 가설하고 그 위에 바닥판 슬래브를 시공하는 합성거더교 공법은 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 교량시공방법이다. 이러한 합성거더교용 거더들 중에서 상부플랜지, 하부플랜지 및 복부로 구성되는 PSC I형 거더(빔)은 가장 많이 사용되는 형식으로 프리스트레스 도입방법에는 프리텐션 방식과 포스트텐션 방식이 있는데, 국내에서는 PSC 거더를 현장에서 제작하기 때문에 거의 대부분 포스트텐션 방식을 사용하고 있다. 프리텐션 방식에서는 I형 거더의 복부에 강연선이 낱개로 배치되지만, 포스트텐션 방식에서는 강연선 다발이 설치되는 덕트를 형성하기 위해 쉬스(sheath)를 복부에 배치하기 때문에 복부의 두께가 프리텐션 방식에 비하여 두꺼워 진다. I형 거더의 복부는 거더에 작용하는 전단력의 대부분을 분담하기 때문에 긴장재 배치에 대한 고려와 함께 전단력 저항능력도 고려하여 두께를 결정해야 한다.

도 1의 (a)와 (b)는 전형적인 포스트텐션 PSC I형 거더의 형상으로 도 1(a)는 사시도이고 도 1(b)는 단면도이다. PSC I형 거더는 거더의 양단부를 제외한 구간은 상부플랜지와 하부플랜지, 그리고 이 둘 사이를 연결하는 얇은 복부로 이루어지는 I형상의 단면으로 구성되는데(도 1(b)의 단면 B-B 참고), 통상 PSC I형 거더의 단면이란 이 단면을 지칭한다. 그런데 포스트텐션 PSC 거더의 경우에는 거더의 단부에 정착구를 설치해야 하기 때문에 거더 단부에서 단면이 확대되어야 한다. 도 1의 PSC I형 거더의 양단부는 서로 다른 모양을 가지고 있는데 우측 단부(단면 C-C)는 복부의 두께를 키워서 거의 직사각형에 가까운 모양으로 만든 형상으로서 가장 많이 사용되는 형태이다. 이러한 단면 형상이 지속되는 구간을 통상 단부블록이라 칭한다. 변단면부는 단부블록에서 거더 중앙 쪽으로 가면서 점차 I형 단면형상으로 변화하는 구간이다. 단부블록 및 변단면부 구간은 긴장재 정착에 따른 응력집중 현상을 완화시키고 거더 단부로 갈수록 커지는 작용 전단력에 효과적으로 저항할 수 있도록 두 구간의 합이 소정의 길이를 갖도록 하는 것이 일반적이지만 전체 거더에서 차지하는 길이의 비율은 작다. 과거에는 단부블록 구간이 길고 변단면부 구간은 짧은 형태가 많이 사용되었지만 최근에는 도 1(a)의 우측과 같이 단부블록 구간을 짧게 하고 변단면부 구간을 길게 하는 형태가 많이 사용되고 있다. 이러한 형태 변화는 거더의 중량을 다소나마 감소시키기 위해서이다. 도 1(a)의 좌측 단부(단면 A-A 참고)는 사용하는 쉬스의 개수가 늘어나 단부면에 정착구를 많이 배치해야 하는 경우에 종종 사용하는 형태로 아래쪽에는 2열로 위쪽에는 1열로 정착구를 배치하는 경우로서 변단면부 구간에서 복부의 두께도 점점 증가하지만 하부플랜지의 두께도 점점 두꺼워지는 형태이다. 도 2는 PSC I형 거더 단면으로 최근에 많이 사용되고 있는 최적화된 단면형태의 하나로 과거보다 플랜지의 폭은 커지고 두께는 얇아진 형태이다. 도 2에는 참고로 전단보강철근(stirrup)과 함께 단면에 배치되는 주요 철근들을 도시하였으며 쉬스가 배치되는 방법도 함께 도시하였다.

세계적으로 볼 때 PSC I형 거더의 복부두께는 프리텐션 방식에서는 180mm, 포스트텐션 방식에서는 200mm가 주로 사용되어왔으며, 국내에서는 프리스트레싱 방식에 관계없이 주로 200mm의 복부두께를 사용해왔다. PSC I형 거더는 복부 두께가 얇아질수록 구조적 효율성이 좋아지기 때문에 외국의 사례에서는 프리텐션 방식에서 복부두께를 150mm까지 줄인 경우도 있었으며, 포스트텐션 방식에서는 복부두께를 180mm까지 줄인 경우도 있었다. 포스트텐션 방식에서 복부 두께를 최소화하기 위해서는 복부를 통과하는 쉬스의 크기(직경)를 줄여야 하는데, 쉬스의 크기를 줄이면 수용할 수 있는 강연선의 수가 적어지기 때문에 쉬스의 개수가 늘어난다. 쉬스의 개수가 늘어나면 사용 쉬스의 재료량도 증가하지만 이와 함께 정착구 개수도 늘어나고 긴장작업도 번거로워져 거더 제작비용이 증가하므로 효과적이지 않다. 이러한 이유로 외국의 사례를 보면 I형 거더의 복부 두께를 줄이는 방법은 프리스트레스 도입 방식에 관계없이 복부에 배치되는 전단보강철근(stirrup)과 긴장재(쉬스)의 콘크리트 피복 규정을 완화하여 복부의 두께를 줄이는 방법이 주로 사용되어 왔다.

국내의 교량 설계를 규정하는 도로교설계기준의 콘크리트교 설계기준은 원래 미국의 설계기준인 AASHTO에 기반을 두고 있었는데, 최근의 도로교설계기준(2015년)은 콘크리트교 설계기준의 기반을 유럽의 Eurocode 2로 변경하면서 콘크리트 피복규정을 대폭 강화하였다. 특히 교량의 내구연한 규정을 100년으로 늘리면서 철근과 프리스트레싱 긴장재의 콘크리트 피복규정을 대폭 강화하기도 하였지만, 기존에 없었던 포스트텐션 덕트의 부착 규정을 새로이 추가하였다. 이로 인하여 I형 거더의 복부 두께가 증가되어, 기존에 주로 200mm이었던 PSC I형 거더의 복부 두께가 240mm로 증가되면서 PSC I형 거더의 구조적 효율성이 심각하게 위협받게 되었다. 이러한 이유로 PSC I형 거더의 복부 두께를 최소화하려는 방안들이 최근에 다시 주목을 받게 되었다.

국내에서도 복부두께를 줄여 PSC I형 거더의 중량을 줄이기 위한 시도들이 있었다. 도 3에 도시된 등록특허 10-1337330(복부 단면을 최적화시킨 PSC 빔, 그 제작방법 및 이를 이용한 교량시공방법)은 거더 길이 방향으로 긴장재(쉬스)가 복부에 배치되는 구간(L1, L2)과 모든 긴장재가 하부플랜지에만 배치되는 구간(L3)으로 나누고, 복부의 두께를 단부에서 중앙부로 갈수록 점차 줄이면서 하부플랜지에만 긴장재가 배치되는 구간(L3)의 복부 두께를 최소화함으로써 거더 중량을 줄일 수 있는 방법을 제시하였다. 즉 도 1의 I형 단면부 구간에서 모든 긴장재가 하부플랜지에 배치되는 구간을 따로 분리하여 이구간의 I형 단면의 복부두께를 줄이는 방법이다. 도 4(a)는 PSC 거더의 긴장재 도심의 제한범위를 설명하는 개념도로 단순보 구조에서 긴장력 도입과 사용 시에 거더 상하연의 콘크리트 응력이 허용응력을 초과하지 않는 긴장재 도심(긴장력의 중심)의 제한범위를 보여주고 있는데 상한선과 하한선 모두 아래로 볼록한 포물선 형태임을 알 수 있다. 도 4(b)는 긴장재 도심이 긴장재 도심의 제한범위 내에 위치하도록 긴장재를 포물선 형태로 배치하는 포스트텐션 방식의 전형적인 긴장재(쉬스) 배치방법인데, 모든 긴장재가 긴장재 도심의 제한범위의 형태와 유사하게 단부에서 고도가 최대이고 중앙에서 고도가 최소인 단순 포물선 형태를 갖는다. 도 3의 발명과 같은 방법으로 거더의 중량을 효과적으로 줄이기 위해서는 긴장재의 도심을 최대한 제한범위의 하한선에 가깝게 배치하여 쉬스가 하부플랜지만을 통과하는 구간의 길이를 늘려야 한다. 그런데 문제는 긴장재 도심 제한범위의 하한선이 하부플랜지 높이 이하로 내려가는 구간의 길이가 그리 길지 않으며, 거더의 길이가 긴 경우에는 쉬스의 개수가 많아지는데(보통 5~6개), 이러한 경우에는 모든 쉬스를 하부플랜지에 배치하는 것이 사실상 거의 불가능하다. 또한 도 3의 발명에서는 도로교설계기준의 복부의 최소두께(165mm) 및 최소보강철근량에 대한 고려도 없었는데, 이러한 점들을 고려하면 중량 저감 효과는 매우 제한적이다.

도 5(a)에 도시된 등록특허 10-1576501(PSC 빔의 시공방법)은 거더 단부측에서 두께를 증가시킨 하부플랜지에만 긴장재 쉬스를 배치하고 상부플랜지의 단부쪽 구간에는 비부착 피복강연선을 이용한 강연선 조립체를 배치하여 복부에는 긴장재가 통과되지 않도록 구성하여 복부 두께를 최소화할 수 있도록 함으로써 거더 중량을 줄일 수 있는 방법을 제시하였다. 그런데 최근의 최적화된 PSC I형 거더의 단면은 도 2와 같이 과거의 I형 단면에 비해 상·하부플랜지의 좌우 폭은 훨씬 넓어지고 상하 두께는 작아졌다. 특히 상부플랜지의 두께는 매우 얇아져 콘크리트 피복 두께 규정 때문에 강연선 조립체를 설치하기 어렵기 때문에 도 5(a)의 발명과 같은 방법은 최근의 최적화된 I형 단면 형태를 이용할 수 없다. 또한, 강연선 조립체는 긴장단 뿐만 아니라 고정단 정착에도 어느 정도의 공간이 필요하기 때문에 상부플랜지에 설치할 수 있는 강연선 조립체의 수는 적을 수밖에 없는데, 상부플랜지에 배치되는 강연선수가 하부플랜지에 배치되는 강연선수에 비하여 매우 적기 때문에 상부플랜지에 배치되는 강연선을 이용하여 전체 긴장재의 도심을 끌어올릴 수 있는 높이는 매우 제한적이어서 긴장재 도심의 제한범위를 만족시키기 위해서는 하부플랜지에 배치되는 긴장재의 도심을 상당히 높여야 한다. 따라서 상당히 긴 단부구간에서 하부플랜지의 두께가 확대되어야 하는데 하부플랜지의 폭이 커서 이로 인한 거더의 중량 증가는 상당해진다. 또한 강연선 조립체는 제작이 까다로워 비용이 비싸며, 거더 단부측의 상연응력을 제어할 뿐 PSC의 구조적 효율성을 좌우하는 거더 중앙부 하연의 프리스트레스 도입에는 전혀 기여하지 못하기 때문에 그 사용량이 많아질수록 효율성이 떨어진다. 따라서 이 방법은 도 5(b)와 같은 프리텐션 방식의 PSC I형 거더에 적합하다. 프리텐션 방식에서는 거더 단부에서 하부플랜지에 배치된 강연선의 일부를 디본딩(debonding)하여 유효한 강연선수를 줄일 수 있어서 상부에 배치되는 소수의 강연선 조립체를 이용하여도 단부에서 긴장재의 도심을 상당히 끌어 올릴 수 있기 때문이다. 그런데 이러한 방법은 디본딩이 적용된 프리텐션 방식에 기초한 것이다. 프리텐션 방식은 원래 공장제작을 전제로 개발된 공법이다. 국내의 엄격한 도로 차량의 중량제한규정(총중량 40ton 이하) 때문에 거더 자체 중량만 40ton 이상인 PSC I형 거더(보통 50ton~150ton)를 공장에서 제작하여 현장으로 운반하는 것은 불가하므로 국내에서는 프리텐션 방식을 현장에서 구현해야 한다. 프리텐션 방식은 고강도의 조강 콘크리트의 수급이 가능해야 하며 거대한 반력대도 필요하고 제작기간 동안 크레인이 상주해야 하는 등의 문제가 있어서 많은 장점에도 불구하고 국내에서는 교량용 PSC I형 거더 제작에는 거의 사용되지 않는 방식이다.

이밖에 국내에서도 PSC I형 거더와 관련된 재료의 기술이 점차 발전해왔다. 콘크리트의 경우 PSC 거더의 도입 초기에는 압축강도 35MPa의 콘크리트가 사용되었다가 근자에는 40MPa의 콘크리트가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 45MPa의 콘크리트를 전국 어디에서나 공급받을 수 있게 되었다. 또한 포스트텐션 PSC I형 거더의 긴장재로 사용되는 7연선의 인장강도도 1,500MPa급(SWPC7A)에서 시작하여 1860MPa급(SWPC7B), 2160MPa급(SWPC7C)을 거쳐 최근에는 2,400MPa급(SWPC7D) 강연선이 공급되고 있다. 따라서 이러한 재료 기술의 발전을 적극 활용하여 도로교설계기준의 강화된 피복규정에도 불구하고 효율적인 PSC I형 거더의 개발이 요구된다.

본 발명은 전술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명은 개정된 도로교설계기준(2015)의 강화된 콘크리트 피복규정에도 불구하고 최근의 발전된 재료기술을 적극 활용하여 포스트텐션(post-tension) 방식의 PSC I형 거더의 복부두께를 최소화함으로써 거더의 중량을 줄이면서도 사용 쉬스의 개수도 줄여 구조적 효율성과 비용 효율성을 극대화 할 수 있도록 구조가 개선된 형상과 긴장재의 배치 및 정착 방법을 가지는 프리스트레스트 콘크리트 거더를 제공하는 것이다.

전술한 과제의 해결수단으로서 본 발명은 그 첫 번째 형태로서,

프리스트레스트 콘크리트 거더에 있어서,

상부플랜지, 복부, 하부플랜지를 포함하는 I형 단면을 가지며 일방향으로 긴 중앙부와,

상부플랜지, 복부, 하부플랜지를 포함하는 I형 단면을 가지고 상기 중앙부의 양단부에서 각각 연장되며 연장되는 방향으로 갈수록 하부플랜지의 두께와 복부의 두께가 증가하는 한 쌍의 변단면부와,

상기 한 쌍의 변단면부 각각에서 연장되는 한 쌍의 단부블록을 포함하여 구성되는 철근콘크리트 재질의 본체;

상기 본체의 단부블록의 아랫부분과 변단면부 및 중앙부의 하부플랜지에 배치되되 본체의 양단부에서 가장 높고 가운데에서 가장 낮게 배치되고, 양단부는 인장력이 가해진 상태로 상기 한 쌍의 단부블록의 하부에 각각 정착되는 제1긴장재;

상기 본체의 단부블록의 윗부분과 변단면부의 상부플랜지 또는 복부와 중앙부의 상부플랜지, 복부 또 하부플랜지에 배치되되 상기 본체의 단부로부터 변단면부와 중앙부의 경계 부근의 어느 한 지점인 최고점까지는 그 높이가 단조증가하다가 상기 최고점부터 중앙부의 가운데까지는 그 높이가 단조감소 하도록 배치되고, 양단부는 인장력이 가해진 상태로 상기 한 쌍의 단부블록의 상부에 각각 정착되는 제2긴장재;

상기 제1긴장재를 수용하기 위한 제1쉬스관; 및

상기 제1긴장재를 정착하기 위한 제1정착구와 상기 제2긴장재를 정착하기 위한 제2정착구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 콘크리트 거더를 제공한다.

본 발명은 그 두 번째 형태로서,

프리스트레스트 콘크리트 거더에 있어서,

상부플랜지, 한 쌍의 복부, 하부플랜지를 포함하는 박스형 단면을 가지며 일방향으로 긴 중앙부와,

상부플랜지, 한 쌍의 복부, 하부플랜지를 포함하는 박스형 단면을 가지고 상기 중앙부의 양단부에서 각각 연장되며 연장되는 방향으로 갈수록 하부플랜지의 두께와 복부의 두께가 증가하는 한 쌍의 변단면부와,

상기 본체의 단부블록의 윗부분과 변단면부의 상부플랜지 또는 복부와 중앙부의 상부플랜지, 복부 또는 하부플랜지에 배치되되 상기 본체의 단부로부터 변단면부와 중앙부의 경계 부근의 어느 한 지점인 최고점까지는 그 높이가 단조증가하다가 상기 최고점부터 중앙부의 가운데까지는 그 높이가 단조감소 하도록 배치되고, 양단부는 인장력이 가해진 상태로 상기 한 쌍의 단부블록의 상부에 각각 정착되는 제2긴장재;

상기 제1긴장재를 수용하기 위한 제1쉬스관; 및

본 발명은 그 세 번째 형태로서,

프리스트레스트 콘크리트 거더에 있어서,

한 쌍의 상부플랜지와 복부, 상기 한 쌍의 복부를 서로 연결하는 하부플랜지를 포함하는 U형 단면을 가지며 일방향으로 긴 중앙부와,

한 쌍의 상부플랜지와 복부, 상기 한 쌍의 복부를 서로 연결하는 하부플랜지를 포함하는 U형 단면을 가지고 상기 중앙부의 양단부에서 각각 연장되며 연장되는 방향으로 갈수록 하부플랜지의 두께와 복부의 두께가 증가하는 한 쌍의 변단면부와,

상기 제1긴장재를 수용하기 위한 제1쉬스관; 및

상기 세 가지 형태의 발명에 있어서,

상기 변단면부의 하부플랜지 상부의 높이변화는 아래로 볼록한 곡선형상인 것이 바람직하며,

상기 아래로 볼록한 곡선은 곡률반경이 일정한 호 형상인 것이 더욱 바람직하다.

상기 변단면부의 하부플랜지 상부의 높이변화는 직선 형상으로 구성될 수도 있다.

상기 제2긴장재를 수용하기 위한 제2쉬스관을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제2긴장재의 일부는 피복강연선이며, 피복이 안 된 강연선을 수용하는 제2쉬스관을 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 의하면 최근 개정된 도로교설계기준(2015)의 강화된 콘크리트 피복규정에도 불구하고 프리스트레스트 콘크리트 거더의 형상과 긴장재의 배치 및 정착 방법을 개선하고 최근의 발전된 재료기술을 적극 활용하여 포스트텐션(post-tension) 방식의 PSC 거더의 복부두께를 최소화함으로써 거더의 중량을 줄이면서도 사용 쉬스의 개수도 줄여 구조적 효율성과 비용 효율성을 극대화 한 PSC거더를 제공할 수 있다.

도 1의 (a)와(b)는 각각 종래의 전형적인 PSC I형 거더의 사시도와 단면도.
도 2는 전형적인 PSC I형 거더의 단면형상 및 배근도.
도 3은 종래의 다단계 방식으로 복부두께를 줄이는 PSC I형 거더의 사시도.
도 4의 (a)는 단순보 구조를 가지는 PSC 거더의 긴장재 도심의 제한범위를 설명하기 위한 도면(정면도).
도 4의 (b)는 포스트텐션 방식에서 전형적인 긴장재의 배치방법을 설명하기 위한 도면(정면도).
도 5의 (a)는 종래의 복부두께를 줄이는 포스트텐션 방식의 PSC I형 거더의 도면.
도 5의 (b)는 종래의 복부두께를 줄이는 프리텐션방식의 PSC I형 거더의 도면.
도 6의 (a)는 본 발명의 첫 번째 형태의 하나의 실시예에 따른 프리스트레스트 콘크리트 거더(L=40m, I형)의 사시도.
도 6의 (b), (c), (d)는 각각 도 6의 (a)에 도시된 프리스트레스트 콘크리트 거더의 긴장재 배치를 설명하기 위한 정면도, 평면도, 단면도.
도 7의 (a)와 (b)는 본 발명의 긴장재 배치 방법의 사상과 원리를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 긴장재 도심 제한범위의 하한선 계산 과정을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 PSC I형 거더 하연의 응력분포 유형을 설명하기 위한 도면.
도 10a 내지 도 10d는 각각 본 발명에 따라 L=35m, 50m, 55m, 25m로 설계된 PSC I형 거더의 긴장력 도입 직후의 거더 하연의 응력분포도.
도 11의 (a)는 본 발명의 첫 번째 형태에 따라 L=55m로 설계된 PSC I형 거더의 사시도.
도 11의 (b), (c), (d)는 각각 도 11의 (a)에 도시된 프리스트레스트 콘크리트 거더의 긴장재 배치를 설명하기 위한 정면도, 평면도, 단면도.
도 12의 (a)는 본 발명의 첫 번째 형태에 따라 L=30m로 설계된 PSC I형 거더의 사시도.
도 12의 (b), (c), (d)는 각각 도 12의 (a)에 도시된 프리스트레스트 콘크리트 거더의 긴장재 배치를 설명하기 위한 정면도, 평면도, 단면도.
도 13의 (a)는 피복강연선의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 13의 (b)는 본 발명의 첫 번째 형태인 PSC I형 거더의 제2긴장재로 피복강연선을 사용하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 14는 본 발명의 첫 번째 형태로 L=25m로 설계된 PSC I형 거더의 변단면부 구간에서 하부플랜지의 두께변화가 선형인 경우와 곡선형인 경우를 비교하기 위한 정면도.
도 15는 본 발명의 첫 번째 형태인 PSC I형 거더 단부블록의 다양한 형태와 정착구 설치방법 중의 일례를 설명하기 위한 사시도.
도 16은 본 발명의 첫 번째 형태인 PSC I형 거더의 단부절취형 형태와 정착구 설치 방법을 설명하기 위한 사시도.
도 17의 (a)는 중공 박스 단면의 절단과 재결합을 통해 긴장재 도심의 제한범위를 정의하는 식들에서 단면특성치가 같은 I형 단면으로 변환하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 17(b)의 는 U형 단면의 절단과 재결합을 통해 긴장재 도심의 제한범위를 정의하는 식들에서 단면특성치가 같은 I형 단면으로 변환하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 18의 (a)는 본 발명의 두 번째 형태의 하나의 실시예에 따른 프리스트레스트 콘크리트 박스 거더의 사시도.
도 18의 (b), (c), (d)는 각각 도 18의 (a)에 도시된 프리스트레스트 콘크리트 거더의 긴장재 배치를 설명하기 위한 정면도, 평면도, 단면도.
도 19의 (a)는 본 발명의 세 번째 형태의 하나의 실시예에 따른 프리스트레스트 콘크리트 U형 거더의 사시도.
도 19의 (b), (c), (d)는 각각 도 19의 (a)에 도시된 프리스트레스트 콘크리트 거더의 긴장재 배치를 설명하기 위한 정면도, 평면도, 단면도.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 몇 가지 실시예와 몇 가지 설계예에 대하여 설명함으로써 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제공하기로 한다.

우선 도면을 참조하면서 본 발명의 세 가지 형태 중 첫 번째 형태에 따른 프리스트레스트 콘크리트 거더의 한 실시예와 몇 가지 설계예에 대하여 설명한다.

도 6의 (a)는 본 발명의 첫 번째 형태의 하나의 실시예에 따른 프리스트레스트 콘크리트 거더(L=40m, I형)의 사시도, 도 6의 (b), (c), (d)는 각각 도 6의 (a)에 도시된 프리스트레스트 콘크리트 거더의 긴장재 배치를 설명하기 위한 정면도, 평면도, 단면도, 도 7의 (a)와 (b)는 본 발명의 긴장재 배치 방법의 사상과 원리를 설명하기 위한 도면, 도 8은 본 발명의 긴장재 도심 제한범위의 하한선 계산 과정을 설명하기 위한 도면, 도 9는 본 발명의 PSC I형 거더 하연의 응력분포 유형을 설명하기 위한 도면, 도 10a 내지 도 10d는 각각 본 발명에 따라 L=35m, 50m, 55m, 25m로 설계된 PSC I형 거더의 긴장력 도입 직후의 거더 하연의 응력분포도, 도 11의 (a)는 본 발명의 첫 번째 형태에 따라 L=55m로 설계된 PSC I형 거더의 사시도, 도 11의 (b), (c), (d)는 각각 도 11의 (a)에 도시된 프리스트레스트 콘크리트 거더의 긴장재 배치를 설명하기 위한 정면도, 평면도, 단면도, 도 12의 (a)는 본 발명의 첫 번째 형태에 따라 L=30m로 설계된 PSC I형 거더의 사시도, 도 12의 (b), (c), (d)는 각각 도 12의 (a)에 도시된 프리스트레스트 콘크리트 거더의 긴장재 배치를 설명하기 위한 정면도, 평면도, 단면도, 도 13의 (a)는 피복강연선의 구조를 설명하기 위한 도면, 도 13의 (b)는 본 발명의 첫 번째 형태인 PSC I형 거더의 제2긴장재로 피복강연선을 사용하는 방법을 설명하기 위한 도면, 도 14는 본 발명의 첫 번째 형태로 L=25m로 설계된 PSC I형 거더의 변단면부 구간에서 하부플랜지의 두께변화가 선형인 경우와 곡선형인 경우를 비교하기 위한 정면도, 도 15는 본 발명의 첫 번째 형태인 PSC I형 거더 단부블록의 다양한 형태와 정착구 설치방법 중의 일례를 설명하기 위한 사시도. 도 16은 본 발명의 첫 번째 형태인 PSC I형 거더의 단부절취형 형태와 정착구 설치 방법을 설명하기 위한 사시도이다.

본 발명의 첫 번째 형태의 실시예에 따른 프리스트레스트 콘크리트 거더는 I형 거더로서 본체(1), 제1긴장재(100), 제2긴장재(200), 제1쉬스관(150), 제2쉬스관(250), 제1정착구(310) 및 제2정착구(320)를 포함하여 구성된다.

상기 본체(1)는 철근콘크리트 재질로 구성되며 중앙부(10), 한 쌍의 변단면부(20), 한 쌍의 단부블록(30)을 포함하여 구성되는데, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 단부블록(30), 변단면부(20), 중앙부(10), 변단면부(20), 단부블록(30)의 순으로 배치된다.

상기 중앙부(10)는 도 6의 (d)에 도시된 D-D 단면에서와 같이 상부플랜지(11), 복부(12), 하부플랜지(13)를 포함하는 I형 단면을 가지며 일방향으로 길게 형성되는 구성으로서, 본체(1)의 중앙 쪽에 배치된다.

상기 변단면부(20)는 상기 중앙부(10)의 양단부에서 연장되는 구성으로서 도 6의 (d)에 도시된 B-B 단면에서와 같이 상부플랜지(21), 복부(22), 하부플랜지(23)를 포함하는 형태를 가지며 복부(22)와 하부플랜지(23)의 두께는 중앙부에서 연장되는 방향 다시 말해 본체(1)의 단부쪽으로 갈수록 증가한다.

상기 하부플랜지(23)의 두께가 두꺼워지는 형태는 다양하게 구성될 수 있는데 도 14의 좌측에 위치한 변단면부의 하부플랜지(23a)와 같이 직선형으로 구성될 수도 있고, 도 14의 우측에 위치한 변단면부의 하부플랜지(23b)와 같이 곡선형으로 구성될 수도 있는데(23a, 23b는 설명의 편의를 위한 구분이다), 본 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이 곡률반경이 일정한 호형상의 곡선형으로 구성하도록 한다.

변단면부의 하부플랜지(23)의 두께가 곡선형으로 변화하는 경우 거더의 중량을 줄이는데 용이하고 미관도 수려해지는 장점이 있다. 그런데 이는 제1긴장재(100)가 변단면부(20)에서 곡선(포물선)의 형태로 배치되기 때문에 가능하다. (통상적으로 긴장재는 포물선의 형태로 배치된다) 제1긴장재(100)가 곡선의 형태로 배치되기 때문에 변단면부(20)의 하부플랜지(23) 두께가 곡선형으로 변화해도 제1긴장재(100)의 콘크리트 피복두께의 확보가 가능하기 때문에 곡선형태로 제작할 수 있는 것이다.

한편, 변단면부의 하부플랜지(23)를 곡선형상으로 제작하기 위해서는 거푸집 제작에 약간의 어려움이 동반될 수 있다. 통상적으로 거더의 거푸집은 강판으로 제작하는데, 변단면부(20)의 하부플랜지(23)를 곡선형상으로 제작하기 위해서는 롤러로 사전 가공된 강판을 이용하는데 곡률반경이 일정한 호 형상으로 제작하는 경우 동일한 롤러 셋팅으로 가공할 수 있어서 제작이 용이해지는 장점이 있으므로 본 실시예에서는 변단면부(20)의 하부플랜지(23)의 상부가 곡률반경이 일정한 호 형상을 취하여 제작이 쉽게 이루어질 수 있도록 한다.

상기 단부블록(30)은 상기 한 쌍의 변단면부(20)로부터 각각 연장되며 한 쌍이 마련되는 구성으로서 여러가지 형태의 단면으로 구성될 수 있는데 본 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이 변단면부(20)의 본체(1) 단부쪽 형태와 동일한 단면이 유지되는 형상이다.

상기 제1긴장재(100)는 본체(1) 중 단부블록(30)의 아랫부분, 변단면부(20) 및 중앙부(10)의 하부플랜지(13, 23)에 배치되는 구성으로서 일반적으로 사용되는 강연선을 사용할 수 있다. 이때 배치되는 강연선의 수를 줄여 본체(1)를 효율적으로 설계하기 위해서는 인장강도 2400MPa급(SWPC7D Φ15.2mm)의 강연선을 사용하는 것이 바람직한데 인장강도 2400MPa급(SWPC7D Φ15.2mm)의 강연선을 사용한 설계방법에 대해서는 후술하는 설계예에서 설명하기로 한다.

상기 제1긴장재(100)의 상하방향 배치는 도 6의 (b)와 (d)에 도시된 바와 같이 본체(1)의 양단부에서 가장 높고 가운데에서 가장 낮게 배치되는데, 본체(1) 중 어느 하나의 단부쪽의 단부블록과 변단면부 구간에서 고도를 점점 낮추다가 중앙부(10)의 어느 한 점부터는 고도 변화가 없는 형태로서 본체(1)의 중앙을 기준으로 실질적으로 대칭으로 배치되며, 인장력이 가해진 상태로 양단부가 제1정착구(310)에 의해 본체(1)에 정착된다. 상기 제1정착구(310)는 일반적으로 프리스트레스트 콘크리트 거더에 사용되는 구성이므로 더 이상의 설명은 생략한다.

상기 제1긴장재(100)의 좌우방향 배치는 도 6의 (c)와 (d)에 도시된 바와 같이 단부블록(30)과 변단면부(20) 구간에서 좌우로 벌어지다가 중앙부(10) 구간에서는 거더 폭 방향으로 일정 간격을 유지하는 형태로서 본체(1)의 중앙을 기준으로 실질적으로 대칭으로 배치된다.

이러한 제1긴장재(100)의 배치는 도 6의 (b)에 파란선으로 도시되어 있으며, 도 6 (d)의 단면도에서도 그 배치를 확인할 수 있다. 상기 제1긴장재(100)는 제1쉬스관(150)에 수용된 상태로 설치되며, 도면에는 제1쉬스관(150)과 제1쉬스관(150)의 내부에 수용되는 제1긴장재(100)가 하나의 선으로 도시되어 있고, 도면부호도 100(150)으로 표시하였다.

상기 제2긴장재(200)는 단부블록(30)의 윗부분, 변단면부(20)의 상부플랜지(21) 또는 복부(22), 중앙부(10)의 상부플랜지(11), 복부(12) 또는 하부플랜지(13)에 걸쳐 배치되며, 도면에는 제1긴장재(100)와의 선명한 구분을 위하여 빨간색으로 표시되어 있다. 제2긴장재(200)는 인장력이 가해진 상태로 양단부가 제2정착구(320)에 의해 본체(1)에 정착되는 구성으로서, 제2쉬스관(250)에 수용된다.

본 실시예에서 상기 제2긴장재(200)는 제1긴장재(100)와 마찬가지로 인장강도 2400MPa급(SWPC7D Φ15.2mm)의 강연선을 사용하는데 경우에 따라서 비부착 강연선이 사용될 수도 있으며 이에 대해서는 후술하기로 한다.

상기 제2긴장재(200)의 상하방향의 배치는 본체(1)의 단부로부터 변단면부(20)와 중앙부(10) 경계 부근의 어느 한 지점인 최고점(P)까지는 단조증가하다가 최고점으로부터 본체(1)의 중앙까지는 단조감소하는 형태로서 본 실시예에서는 변단면부(20)의 중간쯤에서 최고 높이에 이른 뒤에 변단면부(20)와 중앙부(10)의 경계 근처의 최고점(P)까지는 같은 높이를 유지하다가 최고점(P)를 지나서 본체(1)의 중앙부까지 계속해서 높이가 낮아지도록 구성된다. 수학적으로 어떤 값이 정의된 구간에서 감소하지 않으면 단조증가(monotone increasing), 증가하지 않으면 단조감소(monotone decreasing)라고 한다.

상기 제1긴장재(100)와 제2긴장재(200)의 상하방향 배치에 의해 중앙부(10)의 복부(12)의 두께를 줄일 수 있으므로 이하에서는 전술한 배치의 기술적인 사상과 이로 인한 효과에 대해서 상세히 설명하기로 한다.

도 7의 (a)와 (b)는 제1긴장재(100)와 제2긴장재(200)의 배치방법을 설명을 위한 도면으로 본체(1)의 형상과 제1긴장재(100) 및 제2긴장재(200)의 배치 형태는 본체(1)의 중앙을 기준으로 길이 방향으로 대칭이므로 거더 길이의 반만을 도시하였으며, 도시의 편의상 위치에 따라 높이와 길이 방향으로 임의의 비율을 사용하였다. 도면에 점선으로 표시된 것은 하부플랜지(13, 23)의 상단부를 표시한 것이다.

앞서 설명한 바와 같이 제1긴장재(100)는 단부블록(30)과 변단면부(20) 구간에서는 거더 단부에서 중앙 쪽으로 갈수록 고도가 점점 내려가는 곡선 형태로 배치되다가 중앙부(10) 구간에서는 하부플랜지(13)에 일정한 고도로 직선에 가까운 형태로 배치된다.

이러한 형태로 제1긴장재(100)가 배치되었을 때 도 4(a)와 같은 긴장재 도심 제한범위의 하한선을 함께 도시하면 제1긴장재의 도심(도면에 101로 표시된 선)과 긴장재 도심 제한 범위의 하한(도면에 LL(Lower Limit)로 표시된 선)까지의 거리, 다시 말해 전체 긴장재의 도심(제1긴장재와 제2긴장재 전체의 도심)을 끌어올려야 하는 높이(이격 고도차)를 알 수 있다. 도 7(a)에서 A로 표시한 수직방향의 선이 이격 고도차로서, 변단면부(20)와 중앙부(10)의 경계 부근에서 최대치가 되며 이를 중심으로 본체(1)의 단부나 중앙 쪽으로 갈수록 그 크기가 점차 감소한다.

제1긴장재의 도심(101)에서 제2긴장재의 도심(201)까지의 수직거리에 비례하여 전체 긴장재의 도심이 제1긴장재의 도심(101)으로부터 위로 올라가게 되는데, 변단면부(20)와 중앙부(10)의 경계 부근에서 이격고도차가 가장 크므로, 변단면부(20)와 중앙부(10)의 경계 부근에서 제2긴장재의 도심(201)이 가장 높게 배치될 필요가 있다. 한편, 제2긴장재(200)의 정착을 위해서는 본체(1)의 단부면에 소정의 정착면적을 확보해야 하므로 제2긴장재(200)의 정착위치는 본체(1)의 상단부로부터 일정한 거리만큼 이격되어야 하는 요건도 만족해야 한다.

이러한 이유로 인하여 제2긴장재(200)는 변단면부(20)와 중앙부(10)의 경계 부근의 어느 한 지점인 최고점(P)까지는 단조증가하고 최고점(P)으로부터 본체(1)의 중앙까지는 단조감소하도록 배치되는 것인데 가장 이상적인 배치는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 변단면부 구간 내에서 최고 높이에 도달한 뒤에 변단면부(20)와 중앙부(10)의 경계부근의 최고점(P)까지는 같은 높이를 유지하다가 본체(1)의 중앙까지는 계속해서 고도가 내려가도록 배치하는 것이다.

통상적인 설계 방법에 의해 최적 설계된 PSC I형 단면에 최적 설계된 적절한 크기의 긴장력이 가해지는 경우에는 특별히 의도하지 않아도 본체(1)의 단부와 중앙에서는 제1긴장재의 도심(101)이 하한선(LL) 위에 있거나 매우 근접하도록 배치되게 되므로 본체(1)의 단부에서는 제2긴장재(200)의 고도를 낮추어도 전체 긴장재 도심은 긴장재 도심의 하한선(LL) 아래로 내려가지는 않는다.

또한, 본체(1) 중앙 쪽으로 갈수록 이격 고도차가 감소하므로 제2긴장재(200)는 변단면부(20)와 중앙부(10)의 경계를 지나면 고도가 점점 내려가 거더 중앙에서 최저점에 이르도록 하여 거더 중앙부 하연의 압축 프리스트레스 도입에 최대한 기여할 수 있는 포물선 형태를 갖도록 구성한다.

이러한 제2긴장재(200)의 배치방법은 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 단부에서 중앙으로 갈수록 고도가 점점 내려가는 단순 포물선 형태를 갖는 종래의 긴장재 배치방법과는 확연히 다르다. 종래의 단순보 구조의 PSC I형 거더의 경우에는 모든 긴장재가 거더 단부에서 시작하여 거더 중앙까지의 고도변화가 단조감소(monotone decreasing)하는데 반하여 본 발명의 제2긴장재(200)의 고도변화는 본체(1) 단부에서 시작하여 변단면부(20)와 중앙부(10)의 경계까지는 단조증가(monotone increasing)하고 변단면부(20)와 중앙부(10)의 경계에서 본체(1)의 가운데까지는 단조감소하는 형태로서, 종래의 PSC I형 거더의 경우에는 일찍이 없었던 새로운 발상이다.

도 7(a)에서 긴장재 도심 제한범위의 하한선은 거더 전 길이에 걸쳐 일정한 단면형상이 유지되는 경우이다. 그런데 본 발명의 본체(1)는 변단면부(20)와 단부블록(30)을 포함하고 있어서 단면의 형상이 일정하지는 않으므로 이에 대한 검토가 필요하므로 이에 대하여 검토해보기로 한다.

다음의 식 ⓐ 내지 식 ⓓ는 긴장재 도심의 제한범위를 정의하는 식들이다.

..........................ⓐ

......................ⓑ

.........................ⓒ

.......................ⓓ

여기서 M_t는 사용 중 작용 휨모멘트이고 M_d1은 거더 자중에 의한 휨모멘트이며, Z_t와 Z_b는 각각 거더 상연과 하연에 대한 단면계수, A_c는 거더의 단면적, σ_ti와 σ_ci는 각각 긴장시 콘크리트의 허용인장응력과 허용압축응력, σ_ts와 σ_cs는 각각 사용중 콘크리트의 허용인장응력과 허용압축응력이며, P_i는 도입 긴장력이고 R은 긴장력의 유효율이다. 식 ⓐ와 ⓑ는 프리스트레스의 도입 직후의 허용응력 조건으로부터 얻은 식으로 긴장재 편심거리의 하한선을 결정하고, 식 ⓒ와 ⓓ는 사용중의 허용응력 조건으로부터 얻은 식으로 긴장재 편심거리의 상한선을 결정하는데, 일반적으로 식 ⓑ와 식 ⓓ에 의해서 긴장재 편심거리의 제한이 결정된다.

도 4의 (a)는 거더의 전 길이에 걸쳐 단면형상이 일정한 경우에 식 ⓑ와 식 ⓓ에 의해 결정되는 전형적인 긴장재 도심 제한범위의 형태를 표현한 것으로서 도 7의 (a)에 표시된 하한(LL)도 이를 기초로 표시된 것이다. 본 발명의 경우에는 전체 긴장재의 도심이 긴장재 도심 제한범위의 하한선에 가깝게 배치되기 때문에 하한선을 결정하는 식 ⓐ와 식 ⓑ가 중요한데, 긴장재 도심의 하한은 식 ⓐ와 식 ⓑ로 구한 곡선 중 상대적으로 위쪽에 위치한 곡선이다.

도 6에 도시된 본 실시예의 본체(1) 형상에 긴장재 도심의 제한범위의 하한선을 계산하면 도 8에 도시된 도면과 같은데 도 8에서 굵은 실선은 단면변화를 고려한 그래프이며, 변단면부 구간에서 점선으로 표시된 그래프는 단면변화를 무시한 경우이다. 도 8에서 확인할 수 있는 바와 같이 중앙부(10) 구간에는 하한선이 기존과 같이 식 ⓑ에 의해 결정되지만 대부분의 변단면부(20) 구간과 단부블록(30)에서는 식 ⓐ에 의해 하한선이 결정된다. 이처럼 단면변화를 고려하여 긴장재 도심의 하한(LL)과 긴장재의 도심(101, 201)을 다시 그린 도면이 도 7의 (b)이다.

단면의 변화를 고려하는 경우(도 7의 (b))는 단면의 변화를 고려하지 않은 경우(도 7의 (a))에 비하여 단부블록(30) 구간과 변단면부(20) 구간에서 이격 고도차가 작아지는 차이가 있을 뿐이므로 전술한 제1긴장재(100)와 제2긴장재(200)의 배치형태를 적용해도 전체 긴장재의 도심을 도심의 하한(LL) 위쪽에 배치할 수 있게 된다.

본 발명은 도로교설계기준을 만족시키는 범위 안에서 거더의 복부 두께(본 실시예에서는 중앙부(10)의 복부(12) 두께)를 최소화함으로써 거더의 구조적 효율성을 최대화하기 위한 발명이다. 복부의 두께를 줄이기 위해서는 복부에 배치되는 긴장재의 수를 최소화할 것이 요구된다. 이러한 요구에 따라 본 발명에서는 긴장재를 제1긴장재(100)와 제2긴장재(200)로 구분하여 배치한다. 제1긴장재(100)는 전체가 단부블록(30)의 하부, 변단면부(20)와 중앙부(10)의 하부플랜지(13,23)에 배치되며, 복부에는 배치되지 않는다. 그런데 이러한 배치를 할 경우 일부의 구간에서는 제1긴장재(100)의 도심이 긴장재 도심의 하한선 아래에 배치되는 문제가 생긴다. (도 7의 (a) 또는 (b) 참조) 이러한 문제를 해결하기 위하여 제1긴장재의 도심(101)이 긴장재 도심 하한 아래에 있는 구간에서는 제2긴장재의 도심(201)을 최대한 높임으로써 전체 긴장재의 도심이 긴장재 도심의 하한 위쪽에 배치되도록 하는 것이다.

한편, 제2긴장재(200)는 일부 구간에서 중앙부(10)의 복부(12)에 배치될 수밖에 없는데 배치되는 제2긴장재(200)로 사용되는 강연선의 수가 매우 중요한 변수가 된다. 제2쉬스관(250)의 직경이 작아야 중앙부(10)의 복부(12) 두께를 줄일 수 있으므로 제2긴장재(200)로 사용되는 강연선의 수가 적을수록 좋다. 작은 직경의 제2쉬스관(250)을 사용하면서도 강연선을 많이 배치하기 위해서는 제2쉬스관(250)의 수를 늘리면 되지만 그러면 관련 시공비용의 증가로 이어지므로 바람직하지 않고 따라서 제2쉬스관(250)은 하나만 사용되는 것이 가장 이상적이다. 제2긴장재(200)로 사용되는 강연선의 수를 줄이면 본체(1)에 가해지는 긴장력이 줄어들 수밖에 없는데 이러한 문제는 제1긴장재(100)의 수를 늘림으로써 해결한다. 본 발명에서 제1긴장재(100)는 복부보다 두께가 두꺼운 하부플랜지(13,23)에만 배치되는데 상대적으로 두꺼운 부재에 배치된다는 의미는 콘크리트 피복두께를 확보하는데 유리하다는 의미이므로 제2쉬스관(250)에 비하여 큰 직경의 쉬스를 제1쉬스관(150)으로 사용할 수 있다. 쉬스관의 직경이 커지면 직경의 제곱에 비례하여 수용할 수 있는 강연선수가 증가하므로 제1쉬스관(150)은 허용범위 내에서 최대직경의 제품을 사용함으로써 수용할 수 있는 강연선의 수를 늘리는 것이 바람직하다. 물론 이때 큰 직경의 제1쉬스관(150)을 사용함으로써 배치되는 제1쉬스관(150)의 수를 줄여 시공비용을 줄일 수 있는 효과도 기대할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 몇 가지 거더의 설계예와 현재 일반적으로 많이 사용되고 있는 대조설계예를 비교하면서 본 발명의 효과에 대해여 설명하기로 한다.

다음의 표 1은 본 발명에 따른 설계예와 기존의 방법에 따른 대조설계예의 설계결과를 비교하기 쉽게 표로 정리한 것이다.

교장(L) [m]	본 발명에 따른 설계예				대조설계예 (기존의 개량형 PSC I형 거더)
교장(L) [m]	형고 [mm]	복부두께 [mm]	쉬스 개수	중량 [ton]	형고 [mm]	복부두께 [mm]	쉬스 개수	중량 [ton]
25	1,000	180	3	35	1,100	240	5	46
30	1,200	180	3	46	1,200	240	5	57
35	1,500	180	3	62	1,500	240	5	73
40	1,800	180	3	78	1,800	240	5	92
45	2,200	180	3	98	2,200	240	5	116
50	2,500	180	3	121	2,500	240	5	136
55	2,700	180	4	138	2,700	240	6	156

[표] 본 발명에 따른 설계예와 기존 방법에 따른 대조설계예의 요약표

우선 본 발명에 따른 설계와 기존 방법에 따른 설계의 재료 물성치나 쉬스관의 규격 등에 대하여 설명한 후 두 설계예를 비교함으로써 본원 발명의 장점에 대하여 설명한다. 표에 정리된 설계 기준 교량은 국도 표준교량인 폭원 10.9m의 4주형 단순교로서 1등교 설계기준을 적용하였다.

본 발명에 따른 설계예에는 제2쉬스관(250)으로 60mm 쉬스(내경 기준)을 사용하였다. 60mm 쉬스에는 15.2mm 7연선(SWPC7D Φ15.2mm)을 최대 10개까지 삽입할 수 있는데 작업의 용이성을 고려하여 9개의 강연선을 사용하는 것으로 설계되었다. 도로설계기준(2015)에서 요구하는 덕트 직경(쉬스관 내경) 이상의 부착 피복두께 조건 때문에 PSC I형 거더에 일반적으로 사용되는 80mm 쉬스의 경우에는 최소 240mm의 복부두께가 필요하지만, 60mm 쉬스의 경우에는 복부두께를 180mm로 설계하는 것이 가능하다. (철근의 콘크리트 피복두께 40mm(환경조건 ED1, 압축강도 45MPa 콘크리트), 전단보강철근(D13)의 직경 13mm, 쉬스 두께 2mm의 합이 55mm이므로 60mm 쉬스를 사용하는 경우에도 덕트의 부착 피복두께 조건이 복부 두께를 지배한다.)

제2긴장재(200)의 역할을 극대화하기 위해서는 가능하면 고강도의 강연선을 사용하여 강연선 총 사용개수를 줄여야 하므로 인장강도 2400MPa급(SWPC7D Φ15.2mm)의 강연선을 사용하여 설계하였으며, 제1긴장재(100)의 쉬스관(150)으로는 최대 100mm 직경의 쉬스관을 사용하였다. 거더 콘크리트는 거더 성능을 높이기 위해서 압축강도 45MPa의 콘크리트를 사용하였다. 사용 콘크리트의 압축강도가 높을수록 거더의 구조적 효율성은 높아지는데 압축강도를 45MPa로 제한한 이유는 현재로서는 45MPa의 콘크리트가 전국 어디에서나 공급 받을 수 있는 최대의 콘크리트 압축강도이기 때문이다.

제1쉬스관(150)과 제2쉬스관(250)의 배치 개수와 관련하여, L=25m부터 L=50m까지는 제1긴장재(100)를 수용하기 위하여 2개의 쉬스관을 사용하고 제2긴장재(200)를 수용하기 위하여 1개의 쉬스를 사용하는 것으로 설계하였다. 본 발명의 PSC I형 거더가 2개의 쉬스만을 사용하여 제1긴장재(100) 모두를 수용할 수 있었던 것은 고강도 강연선을 사용하여 총 강연선수를 줄인 이유도 있었지만 제1긴장재(100)가 하부플랜지(13,23)만을 통과하기 때문에 직경이 큰 쉬스를 사용하여 설계할 수 있기 때문이다.

한편, 복부에 배치되는 제2긴장재(200)가 적으면 적을수록 복부의 두께를 줄일 수 있지만 제2긴장재(200)가 일정 양 이하인 경우 문제가 생기는데 이에 대하여 설명하기로 한다. (이 문제는 앞서 설명한 전체 긴장재의 도심의 제한범위와는 다른 문제이다) 설계된 강연선의 총 개수와 관계없이 제2긴장재(200)로 사용되는 강연선수를 고정시켜 사용했을 때 나타나는 거더 하연의 압축 프리스트레스의 분포양상이 도 9이다. 도 9는 프리스트레스 도입 직후의 거더 하연의 응력도로 긴장력과 거더 자중에 의한 휨응력 분포인데, 3가지의 유형으로 나눌 수 있으며 전체 긴장재 중 제2긴장재(200)의 비율에 따른 분류이다. 유형 1로 표시된 곡선은 전체 긴장재에 대한 제2긴장재(200)의 비율이 비교적 큰 경우의 휨응력 분포도로서 거더 중앙에서의 압축응력이 응력설계를 지배하며, 유형 2로 표시된 곡선은 유형 1에 비하여 상대적으로 제2긴장재(200)의 비율이 줄어든 경우의 휨응력 분포로서 중앙부(10) 구간의 압축응력이 거의 일정하며, 이경우도 거더 중앙에서의 응력이 설계를 지배한다고 할 수 있다. 유형 3으로 표시된 곡선은 유형 2에 비하여 제2긴장재(200)의 비율이 작은 경우의 휨응력 분포도로서 변단면부 시점(변단면부와 중앙부의 경계)에서의 압축응력이 가장 커서 여기서의 응력이 응력설계를 지배한다. 유형 1과 유형 2로 설계된 경우 구조적으로 효율적이지만, 유형 3의 경우에는 중앙에서의 압축응력이 허용응력 보다 작기 때문에 콘크리트의 최대 성능을 활용하지 못한다고 할 수 있으며 구조적 효율성이 좋지 않다고 할 수 있다. 일반적으로 적절한 I형 단면 형태가 결정되고 거더 길이에 형고가 선택된다면 PSC I형 거더의 효율성은 긴장시에 거더 중앙의 하연에 도입되는 압축 프리스트레스의 크기에 좌우된다. 단순보 구조의 PSC 거더의 경우에 작용하중에 의해 거더 중앙에서 최대가 되는 포물선 형태(도 9의 점선으로 표시된 곡선)의 인장응력이 거더 하연에 작용하기 때문에 PSC 거더가 지지할 수 있는 하중의 크기는 거더 중앙 하연에 도입되는 압축 프리스트레스의 크기에 비례하므로 프리스트레스 도입 후에 거더 자중이 작용한 상태에서 압축 프리스트레스는 중앙 하연에서 가장 커야 하고 그 응력이 허용응력(fca)과 같을 때 PSC 거더가 지지할 수 있는 하중이 최대가 된다. 따라서 거더 중앙 하연의 압축응력이 응력설계를 지배하는 유형 1과 유형 2와 같이 설계된 경우 중앙값이 "큰 포물선"으로 표시된 곡선과 같은 휨인장응력을 지지할 수 있어서 PSC 거더의 성능이 충분히 활용된 경우이며, 유형 3과 같이 설계된 경우 중앙값이 "작은 포물선"으로 표시된 곡선과 같은 휨인장응력만을 지지할 수 있기 때문에 PSC 거더의 성능이 충분히 활용되지 못한 경우이다. 따라서 전체 긴장재 중 제2긴장재(200)의 비율은 적어도 유형 2에 도시된 정도는 유지되어야 하며 따라서 배치되는 전체 강연선의 수가 늘어나면 제2긴장재로 사용되는 강연선의 수도 함께 늘어야 한다.

상기 대조설계예는 현재 국내에서 교량적용 실적이 가장 많은 것으로 알려진 신형식 PSC I형 거더교 형식의 공법으로, 통상적으로 설계하는 바와 같이 압축강도 40MPa 콘크리트, 80mm 쉬스관, 인장강도 2160MPa급(SWPC7C Φ15.2mm) 강연선을 사용하고 있으며 구조적 효율성을 높이기 위해 거더 거치 전후에 거쳐 2단계로 긴장하는 방법을 사용한다. 비교공법은 80mm의 쉬스를 사용하기 때문에 복부두께는 240mm이다. (대조설계예에서 복부에 80mm 쉬스관을 쓰는 이유는 대부분의 쉬스가 복부를 통과하기 때문이다. 복부의 두께를 줄이기 위해 60mm 쉬스관을 배치하는 경우 쉬스의 개수가 기하급수적으로 대폭 늘어나게 되고 늘어난 쉬스의 개수에 맞추어 정착장치 개수도 늘어나 물량의 증가와 함께 작업량도 증가할 뿐더러 늘어난 정착장치를 배치하는 것이 현실적으로 불가능해질 수도 있기 때문이다. 이에 비하여 본원발명의 경우 상대적으로 복부(12, 22)를 통과하는 제2강연선(200)의 수가 적으므로 60mm 쉬스관을 사용하는 설계가 가능하다.)

표1에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에 따라 설계된 거더는 대조설계예에 따라 설계된 거더에 비하여 중량이 상당히(11%~24%) 줄어들었고, 사용 쉬스관의 개수도 감소되는 것을 알 수 있다. 쉬스 사용개수의 감소는 재료비용 외에 긴장작업의 감소에 따른 비용감소 효과는 물론 긴장시 탄성단축에 의한 긴장력 손실을 줄이는 효과도 있다. 사용 강연선의 총 개수는 사용되는 강연선의 인장강도 등급이 달라서 직접 비교가 어려우므로 표 1에는 표기하지 않았지만 대략 전체하중에서 거더의 중량 감소분 만큼 감소할 것으로 추정된다.

이하에서는 각 교장(거더의 길이)별 설계예의 설계방법과 결과에 대하여 간략히 설명하기로 한다.

우선 표 1에 정리된 본 발명의 설계예에서는 L=25m와 L=55m를 제외하고는 제2긴장재(200)의 강연선수를 9개로 고정하고 제1긴장재(100)의 강연선수만 변화시키는 설계방법을 사용하였다. 교량의 형고가 결정되면 도입되어야하는 긴장력이 결정되며 도입되는 긴장력에 맞게 사용되어야할 강연선의 개수도 결정되게 된다. 이처럼 교장과 형고에 맞게 강연선의 개수가 정해진 상태에서 제2긴장재(200)는 9개로 고정하고 제1긴장재(100)의 수를 조절하여 사용되어야 할 강연선의 개수를 맞추었다는 의미이며, L=25m의 경우 전체 강연선수가 상대적으로 적어 제2긴장재(200)의 수를 8개를 사용하는 것으로 설계되었고, L=55m의 경우 전체 강연선의 수가 많아서 제2긴장재(200)로 16개의 강연선을 사용하여 설계되었다. L=25m, L=55m를 제외한 설계예에서 제2긴장재(200)로 사용되는 강연선수를 9개로 고정해도 전술한 유형 1 또는 유형 2에 해당하는 설계가 되었는데 이에 대해서는 후술하기로 한다.

도 6에 본 발명의 제1실시예를 도시한 도면은 교장이 35, 40, 45, 50m로 설계된 경우의 본체(1)와 제1긴장재(100), 제2긴장재(200)의 배치 방법을 도시한 도면이다.

도 10a와 도 10b는 각각 교장이 35m와 50m인 경우 긴장 직후 거더 하연의 응력분포를 도시한 것이다. 도 10a에 도시된 교장이 35m인 경우 도 9에 도시된 유형 1에 가깝고, 도 10b에 도시된 50m인 경우 도 9에 도시된 유형 2와 유형 3의 경계와 유사한 응력분포를 보이고 있는데 35m에 비하여 50m가 전체 강연선수 대비 제2긴장재(200)로 사용되는 강연선의 수가 적기 때문이다.(변단면부와 중앙부의 경계에서의 응력과 거더 중앙에서의 응력 크기의 차이가 중요한다. 둘 사이의 응력분포는 필요하다면 두 지점사이에서 제2긴장재의 배치 프로파일을 변화시켜 조절할 수 있다.) 이 두 경우 모두 실용적 관점에서 보면 본체(1)의 중앙부에서 압축응력이 응력설계를 지배한다고 볼 수 있다. 본 발명에 따른 설계예에서 사용되는 콘크리트의 압축강도는 45MPa이고 허용응력은 27MPa인데 도면에서 확인할 수 있는 바와 같이 응력에 여유(10% 이상)가 있으며 이러한 여유는 거더의 운반이나 가설시의 조건변동, 콘크리트 양생 부족 등을 고려하면 반드시 필요하다고 할 수 있다.

도 11은 교장이 55m로 설계된 본체(1)의 형상과 제1긴장재(100) 및 제2긴장재(200)의 배치를 도시한 도면이다. L=55m의 경우는 사용 긴장재의 수가 늘어나기 때문에 제2긴장재(100)의 수도 함께 늘려야 도 9의 유형 3과 같이 되는 것을 피할 수 있다. 제2긴장재(200)로 배치되는 강연선의 수를 늘이기 위해서는 쉬스관의 직경을 키우거나 배치되는 쉬스관의 수를 늘여야 하는데, L=55m의 경우에도 복부(12)의 두께를 키우지 않기 위해서 60mm 쉬스관 2개를 사용하여 쉬스관당 8개씩 총 16개의 강연선을 제2긴장재(200)로 수용하는 것으로 설계되었다. 두 개의 제1쉬스관(150)과 두 개의 제2쉬스관(250)이 사용되므로 총 4개의 쉬스를 사용하게 되는데 기존의 L=55m의 PSC I형 거더들이 최소 6개 정도의 쉬스를 사용한다는 점을 고려한다면 여전히 본 발명의 PSC 거더는 경제성이 뛰어나다고 할 수 있다. 제2긴장재(200)에 2개의 쉬스를 사용하는 경우에도 제2긴장재의 도심의 측면에서 보면 1개의 쉬스를 사용하는 것과 배치원리는 동일하다. 다만 가능한 최상단 또는 최하단의 배치조건을 고려할 때 쉬스의 콘크리트 피복조건 외에 쉬스간의 최소간격과 정착장치간의 최소간격을 추가로 고려해야하는 점에서만 차이가 있을 뿐이다.

도 10c 는 도 11에 도시된 설계예인 교장이 55m 인 경우 긴장 직후 거더 하연의 응력분포를 도시한 것이다. 도 9에 도시된 유형 1에 유사한 응력분포를 보이는 것을 확인할 수 있으며 이는 본체(1)의 중앙부에서 압축응력이 응력설계를 지배하는 것을 보여주는 것이다. 본 발명에 따른 설계예에서 사용되는 콘크리트의 허용응력은 전술한 바와 같이 27MPa인데 도면에서 확인할 수 있는 바와 같이 응력에 여유가 있다.

도 12는 교장이 25m 또는 30m로 설계된 본체(1)의 형상과 제1긴장재(100), 제2긴장재(200)의 배치를 도시한 도면이다. 도 12에 도시된 설계예의 경우 형고가 낮아서 제1정착구(310) 두 개를 수직 1열로 배치하는 것이 어려우므로 좌우 2열로 수평 배치하도록 설계되었다. 제1정착구(310)들을 좌우로 배치하면 정착구당 정착면적이 작아지기 때문에 하나의 정착구에 정착할 수 있는 강연선의 수가 줄어들게 되는데 경간장이 짧아지면 사용 강연선수가 적어지므로 제1긴장재(100)로 사용되는 강연선수도 적어져 각 정착구에 필요한 면적이 작아지기 때문에 정착구를 도 12(d)의 단면 A-A와 같이 좌우 수평으로 배치하도록 설계해도 무방하다. 제1정착구(310)를 수평으로 배치하는 경우에는 도 12(c)와 같이 제1쉬스관(150) 2개를 폭 방향으로 전구간에서 일정한 간격으로 배치하는 것이 가능해진다.

도 10d 는 교장이 25m 인 경우 긴장 직후 거더 하연의 응력분포를 도시한 것이다. 도 9에 도시된 유형 1에 유사한 응력분포를 보이는 것을 확인할 수 있으며 이는 본체(1)의 중앙부에서 압축응력이 응력설계를 지배하는 것을 보여주는 것이다. 본 발명에 따른 설계예에서 사용되는 콘크리트의 허용응력은 전술한 바와 같이 27MPa인데 도면에서 확인할 수 있는 바와 같이 응력에 여유가 있다.

본 발명에 따른 설계예와 종래의 설계 방법 중 하나에 따른 대조설계예를 비교하면서 기술한 바와 같이 본 발명에 의하면 작은 크기의 쉬스관을 복부에 배치함으로써 PSC I형 거더의 복부 두께를 상당히 줄일 수 있는 장점이 있는 것을 확인할 수 있다.

도로교설계기준(2015년)에서 규정하는 포스트텐션 PSC 거더의 복부 최소두께는 165mm이다. 전술한 바와 같이 철근의 콘크리트 피복두께 40mm(환경조건 ED1, 압축강도 45MPa 콘크리트), 전단보강철근(D13)의 직경 13mm, 쉬스 두께 2mm의 합이 55mm이므로 55mm 쉬스를 사용하면 덕트의 부착 피복두께 조건과 같아진다. 이는 내경 55mm의 제2쉬스관을 사용하는 경우 PSC I형 복부의 두께를 도로설계기준에서 규정하는 최소두께인 165mm까지 줄일 수 있는 의미이다(∵165mm=55mm+55mm+55mm).

그런데 환경조건이 변하면 요구하는 철근의 콘크리트 피복두께가 증가될 수 있다. 이러한 경우에 PSC I형 거더의 복부두께를 최소화할 수 있는 방법이 도 13의 (a)에 도시된 비부착 피복강연선을 제2긴장재로 사용하는 것이다. 도 13의 (a)에 도시된 비부착 강연선은 호칭 15.2mm 강연선으로 피복을 포함한 직경은 18.2mm이다. 도 13(b)에는 피복강연선이 I형 거더의 복부에 2열로 배치되는 방법들이 도시되어 있다. 이처럼 피복강연선을 2열 다발로 배치하면 필요한 복부의 최소 두께는 142.4mm(=2×40mm+2×13mm+2×18.2mm)이다. 시중에 공급되는 쉬스의 최소 내경이 45mm인데, 이 경우에 복부의 최소 두께는 155mm(=55mm+45mm+55mm)이다. 따라서 2열의 다발 피복강연선을 제2긴장재로 사용하면 환경조건이 변해 콘크리트 피복조건이 강화되는 경우에도 복부두께를 얇게 할 수 있는 유용한 방안이 될 수 있다. 이밖에 도시하지는 않았지만 피복강연선을 제2쉬스관(250)과 함께 사용하는 방법도 있다. 60mm 쉬스관 하나로 제2긴장재(200)를 모두 수용하기에 약간 모자라는 경우에 추가해야 할 강연선을 피복강연선으로 대치하면 쉬스관의 크기를 늘리거나 개수를 늘리지 않고도 제2긴장재(200)에 필요한 강연선 수량을 배치할 수 있다. 피복강연선의 배치 방법도 앞에서 언급했던 바와 같이 제2긴장재(200)의 도심을 고려하여 설계하면 된다.

한편, 지금까지 설명한 설계예에서 변단면부의 하부플랜지 상부는 모두 곡선형태였다. 변단면부 구간에서 제1긴장재(100)는 아래로 볼록한 포물선 형태로 배치되기 때문에 곡선형태로 제작해도 제1긴장재(100)를 배치하는데 문제가 없고, 곡선형태로 제작하는 경우 본체의 중량을 줄이는데 도움이 되고 미관상으로도 우수하기 때문이다. 그런데 도 14에 도시된 바와 같이 본체가 상대적으로 짧아서 낮은 형고로 설계될 수 있는 경우에는 변단면부(20)의 하부플랜지 상부를 곡선형으로 제작해도 본체의 중량감소 효과도 크지 않고 곡선형으로 제작하는 미적효과도 그다지 기대할 수 없다. 도 14의 좌측에 도시된 하부플랜지(23a)의 상부는 직선형이고, 우측에 도시된 하부플랜지(23b)의 상부는 곡선형인데 육안으로 보기에 그 차이가 별로 크지 않음을 확인할 수 있다. 이런 경우에는 거푸집 제작을 용이하게 하기 위하여 변단면부(20)의 하부플랜지(23) 상부를 직선형으로 제작할 수도 있다.

다른 한편 앞서 설명된 설계에에서는 단부블록(30) 단면 형상이 변단면부의 단부쪽 단면 형상과 같았다. 단부블록은 정착구를 설치하기에 적합한 형태로서 구조역학상 변단면부(20)를 통해 전달되는 단면력의 흐름에 문제가 없다면 다양한 형태로 제작될 수 있다. 도 15는 단부 가로보 시공에 유리하도록 단부블록(30)의 위쪽의 일부를 제거한 형태이다. 도면상에 해칭된 부분에 단부가로보가 접합시공된다. 도 15에 도시된 단부블록에는 앞서 설계예들과 달리 네 개의 제1쉬스관(도 15에는 미도시)을 사용하였으며 따라서 네 개의 제1정착구(310)가 설치되었다. 4개의 작은 정착구를 사용하면 2개의 큰 정착구를 사용하는 것보다 작은 높이의 정착면적이 필요하기 때문에 상황에 따라 4개의 제1정착구(310)를 사용하는 것으로 설계될 수도 있다.

도 16은 교각의 코핑이나 유수면적 확보 등과 관련하여 가끔 요구되는 형태로 이러한 경우에는 단부블록(30)의 아래쪽 일부가 제거되므로 단면적을 최대한 확보하기 위해서 단부블록은 직사각형 형태의 단면을 가지며 절취를 위해 길이도 어느 정도 길어진 형태로 설계된다. 단부를 절취할 경우에 끝단의 단면이 작아지기 때문에 제1긴장재의 일부 또는 전체 정착구가 절취부의 수직면에 설치될 수밖에 없는데 정착면적 확보가 쉽지 않기 때문에 상황에 따라서는 도 16과 같이 4개의 제1정착구(310)를 사용하도록 설계된다. 도 16에서는 2개의 제2정착구(320)가 사용된 것으로 설계되었는데 이는 정착구의 다양한 설치방법을 보여주기 위한 것이다.

이상에서 본 발명의 첫 번째 형태인 I형 거더에 대하여 설명하였다. 설명한 바와 같이 본 발명은 제1긴장재(100)와 제2긴장재(200)의 배치와 프로파일에 특징이 있는 발명으로서 전체 긴장재 도심이 긴장재 도심의 하한선 위에 있도록 하고, 긴장 후 거더 하연의 응력분포가 도 9의 유형 1 또는 유형 2에 해당하도록 제1긴장재(100)와 제2긴장재(200) 각각의 개수를 적절히 조절하면서 본체(1) 중앙부(10)의 복부(12)의 두께를 줄임으로써 본체(1)의 중량을 줄여 구조적으로 효율적인 설계가 가능한 발명으로 설명될 수 있다.

본 발명의 기술적 사상이 I형 단면에만 적용되는 것은 아니며, 도 17의 (a)에 도시된 박스형 빔이나, (b)에 도시된 U형 거더에도 그대로 적용될 수 있는데 이에 대해 설명하기로 한다. 도 17의 (a)는 중공 박스 단면의 절단과 재결합을 통해 긴장재 도심의 제한범위를 정의하는 식들에서 단면특성치가 같은 I형 단면으로 변환하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 17의 (b)의 는 U형 단면의 절단과 재결합을 통해 긴장재 도심의 제한범위를 정의하는 식들에서 단면특성치가 같은 I형 단면으로 변환하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 17의 (a)에는 상부플랜지(11'), 한 쌍의 복부(12'), 하부플랜지(13')로 구성된 박스형 빔 단면이 도시되어 있는데, 좌측에 도시된 박스형 빔 단면을 표시된 점선을 따라 분해하여 우측에 도시된 바와 같이 결합하면 I형 거더의 형상이 되는 것을 확인할 수 있다. 도 17의 (b)에 도시된 U형 거더의 단면도 유사한 방법으로 분해하여 재조립하면 I형 단면으로 만들 수 있다. 도 17의 (a)와 (b)에 도시된 좌측과 우측 단면은 각각 단면적과 연직 방향의 단면 2차모멘트(또는 단면계수)가 같아서 설계시에 도입되어야 하는 긴장력이나 하중에 의한 처짐이나 도입된 긴장력에 의한 솟음 등을 결정하는 단면특성은 동일하다. 즉, 앞서 설명한 식 ⓐ 내지 ⓓ를 적용할 때 동일한 단면으로 간주된다. 따라서 I 형 거더에 적용되는 기술적 사상을 적용하면 박스형 빔이나 U형 단면의 거더의 복부 두께를 줄여 본체의 중량을 줄이고 사용되는 쉬스관의 수도 줄일 수 있다. 박스형 빔이나 U형 거더는 복부가 2개라는 점에서 복부의 두께를 줄여서 얻는 중량감소 효과는 I형 거더에 비해서 더 클 수도 있다.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명의 두 번째 형태인 박스 거더의 하나의 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 본 실시예에 따른 PSC 거더는 본체(1'), 제1긴장재(100'), 제2긴장재(200'), 제1쉬스관(150'), 제2쉬스관(250') 및 제1정착구(310'), 제2정착구(320')를 포함하여 구성된다.

도 18의 (a)는 본 발명의 두 번째 형태의 하나의 실시예에 따른 프리스트레스트 콘크리트 박스 거더의 사시도, 도 18의 (b), (c), (d)는 각각 도 18의 (a)에 도시된 프리스트레스트 콘크리트 거더의 긴장재 배치를 설명하기 위한 정면도, 평면도, 단면도이다.

상기 본체(1')는 철근콘크리트 재질로 구성되며 중앙부(10'), 한 쌍의 변단면부(20') 및 한 쌍의 단부블록(30')을 포함하여 구성되는데, 도 18의 (a)에 도시된 바와 같이 단부블록(30'), 변단면부(20'), 중앙부(10'), 변단면부(20'), 단부블록(30')의 순으로 배치된다.

상기 중앙부(10')는 도 18의 (d)에 도시된 D-D 단면에서와 같이 상부플랜지(11'), 한 쌍의 복부(12'), 하부플랜지(13')를 포함하는 박스형 단면을 가지며 일방향으로 길게 형성되는 구성으로서, 본체(1')의 중앙 쪽에 배치된다.

상기 변단면부(20')는 상기 중앙부(10')의 양단부에서 연장되는 구성으로서 도 18의 (d)에 도시된 B-B 단면에서와 같이 상부플랜지(21'), 한 쌍의 복부(22), 하부플랜지(23')를 포함하는 형태를 가지며 복부(22')와 하부플랜지(23')의 두께는 중앙부에서 연장되는 방향 다시 말해 본체(1')의 단부쪽으로 갈수록 증가한다.

상기 하부플랜지(23')의 두께가 두꺼워지는 형태는 앞서 설명한 I형 거더의 대응되는 구성과 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.

상기 단부블록(30')은 상기 한 쌍의 변단면부(20')로부터 각각 연장되며 한 쌍이 마련되는 구성으로서 여러가지 형태의 단면으로 구성될 수 있으며 계속해서 단면의 형태가 변화하는 다양한 모양으로 구성될 수도 있는데 본 실시예에서는 도 18에 도시된 바와 같이 변단면부(20')의 본체(1') 단부쪽 형태와 동일한 단면이 유지되는 형상이다.

상기 제1긴장재(100')는 본체(1') 중 단부블록(30')의 아랫부분, 변단면부(20') 및 중앙부(10')의 하부플랜지(13', 23')에 배치되는 구성이며, 상하방향의 배치는 도 18의 (b)와 (d)에 도시된 바와 같이 본체(1')의 양단부에서 가장 높고 가운데에서 가장 낮게 배치되는데, 본체(1') 중 어느 하나의 단부쪽의 단부블록과 변단면부 구간에서 고도를 점점 낮추다가 중앙부(10')의 어느 한 점부터는 고도 변화가 없는 형태로서 본체(1')의 중앙을 기준으로 실질적으로 대칭으로 배치되며, 인장력이 가해진 상태로 양단부가 제1정착구(310')에 의해 본체(1')에 정착된다.

상기 제1긴장재(100)의 좌우방향 배치는 도 18의 (c)와 (d)에 도시된 바와 같이 거더 폭 방향으로 일정 간격을 유지하는 형태로서 본체(1')의 중앙을 기준으로 대칭으로 배치된다.

이러한 제1긴장재(100')의 배치는 도 18에 파란선으로 도시되어 있다. 상기 제1긴장재(100')는 제1쉬스관(150')에 수용된 상태로 설치되며, 도면에는 제1쉬스관(150')과 제1쉬스관(150')의 내부에 수용되는 제1긴장재(100)가 하나의 선으로 도시되어 있고, 도면부호도 100'(150')으로 표시하였다.

상기 제2긴장재(200')는 단부블록(30')의 윗부분, 변단면부(20')의 상부플랜지(21') 또는 복부(22'), 중앙부(10')의 상부플랜지(11'), 복부(12') 또는 하부플랜지(13')에 걸쳐 배치되며, 도면에는 제1긴장재(100')와의 선명한 구분을 위하여 빨간색으로 표시되어 있다. 제2긴장재(200')는 인장력이 가해진 상태로 양단부가 제2정착구(320')에 의해 본체(1')에 정착되는 구성으로서, 제2쉬스관(250')에 수용된다.

상기 제2긴장재(200')의 상하방향의 배치 및 관련된 기술적 사상은 앞서 설명한 I형 거더에 있어서 제2긴장재(200)의 상하방향 배치 및 관련 기술적 사상과 동일하므로 설명을 생략한다.

제2긴장재(200')의 수평 배치와 관련하여 박스형 거더에는 복부(12',22')가 두 개이므로 제2긴장재(200')를 수용하는 제2쉬스관(250')도 2의 배수로 좌우 대칭이 되도록 배치한다.

도 18에 도시된 박스형 거더의 경우에도 전술한 I형 거더와 같이 복부의 두께를 줄여 본체의 무게를 줄임으로써 구조적인 효율성을 얻을 수 있고 적은 수의 쉬스관을 배치함으로써 시공비용의 절감효과를 기대할 수 있다는 점은 동일하다.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명의 세 번째 형태인 U형 거더의 하나의 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 본 실시예에 따른 PSC 거더는 본체(1"), 제1긴장재(100"), 제2긴장재(200"), 제1쉬스관(150"), 제2쉬스관(250") 및 제1정착구(310"), 제2정착구(320")를 포함하여 구성된다.

도 19의 (a)는 본 발명의 세 번째 형태의 하나의 실시예에 따른 프리스트레스트 콘크리트 U형 거더의 사시도, 도 19의 (b), (c), (d)는 각각 도 19의 (a)에 도시된 프리스트레스트 콘크리트 거더의 긴장재 배치를 설명하기 위한 정면도, 평면도, 단면도이다.

상기 본체(1")는 철근콘크리트 재질로 구성되며 중앙부(10"), 한 쌍의 변단면부(20") 및 한 쌍의 단부블록(30")을 포함하여 구성되는데, 도 19의 (a)에 도시된 바와 같이 단부블록(30"), 변단면부(20"), 중앙부(10"), 변단면부(20"), 단부블록(30")의 순으로 배치된다.

상기 중앙부(10")는 도 19의 (d)에 도시된 D-D 단면에서와 같이 한 쌍의 상부플랜지(11")와 복부(12"), 상기 한 쌍의 복부(12")와 결합하는 하부플랜지(13")를 포함하는 U형 단면을 가지며 일방향으로 길게 형성되는 구성으로서, 본체(1")의 중앙 쪽에 배치된다.

상기 변단면부(20")는 상기 중앙부(10")의 양단부에서 연장되는 구성으로서 도 19의 (d)에 도시된 B-B 단면에서와 같이 한 쌍의 상부플랜지(21")와 복부(22"), 상기 한 쌍의 복부(22")와 결합하는 하부플랜지(23")를 포함하는 U형 단면 형태를 가지며 복부(22")와 하부플랜지(23")의 두께는 중앙부에서 연장되는 방향 다시 말해 본체(1")의 단부쪽으로 갈수록 증가한다.

상기 하부플랜지(23")의 두께가 두꺼워지는 형태는 앞서 설명한 I형 거더의 대응되는 구성과 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.

상기 단부블록(30")은 상기 한 쌍의 변단면부(20")로부터 각각 연장되며 한 쌍이 마련되는 구성으로서 여러가지 형태의 단면으로 구성될 수 있으며 계속해서 단면의 형태가 변화하는 다양한 모양으로 구성될 수도 있는데 본 실시예에서는 도 19에 도시된 바와 같이 변단면부(20")의 본체(1") 단부쪽 형태와 동일한 단면이 유지되는 형상이다.

상기 제1긴장재(100")는 본체(1") 중 단부블록(30")의 아랫부분, 변단면부(20") 및 중앙부(10")의 하부플랜지(13", 23")에 배치되는 구성이며, 상하방향의 배치는 도 19의 (b)와 (d)에 도시된 바와 같이 본체(1")의 양단부에서 가장 높고 가운데에서 가장 낮게 배치되는데, 본체(1") 중 어느 하나의 단부쪽의 단부블록과 변단면부 구간에서 고도를 점점 낮추다가 중앙부(10")의 어느 한 점부터는 고도 변화가 없는 형태로서 본체(1")의 중앙을 기준으로 실질적으로 대칭으로 배치되며, 인장력이 가해진 상태로 양단부가 제1정착구(310")에 의해 본체(1")에 정착된다.

상기 제1긴장재(100")의 좌우방향 배치는 도 19의 (c)와 (d)에 도시된 바와 같이 거더 폭 방향으로 일정 간격을 유지하는 형태로서 본체(1")의 중앙을 기준으로 대칭으로 배치된다.

이러한 제1긴장재(100")의 배치는 도 19에 파란선으로 도시되어 있다. 상기 제1긴장재(100")는 제1쉬스관(150")에 수용된 상태로 설치되며, 도면에는 제1쉬스관(150")과 제1쉬스관(150")의 내부에 수용되는 제1긴장재(100")가 하나의 선으로 도시되어 있고, 도면부호도 100"(150")으로 표시하였다.

상기 제2긴장재(200")는 단부블록(30")의 윗부분, 변단면부(20")의 상부플랜지(21") 또는 복부(22"), 중앙부(10")의 상부플랜지(11"), 복부(12") 또는 하부플랜지(13")에 걸쳐 배치되며, 도면에는 제1긴장재(100")와의 선명한 구분을 위하여 빨간색으로 표시되어 있다. 제2긴장재(200")는 인장력이 가해진 상태로 양단부가 제2정착구(320")에 의해 본체(1")에 정착되는 구성으로서, 제2쉬스관(250")에 수용된다.

상기 제2긴장재(200")의 상하방향의 배치 및 관련된 기술적 사상은 앞서 설명한 I 형 거더에 있어서 제2긴장재(200)의 상하방향 배치 및 관련 기술적 사상과 동일하므로 설명을 생략한다.

제2긴장재(200")의 수평 배치와 관련하여 U형 거더에는 복부(12",22")가 두 개이므로 제2긴장재(200")를 수용하는 제2쉬스관(250")도 2의 배수로 좌우 대칭이 되도록 배치한다.

도 19에 도시된 U형 거더의 경우에도 전술한 I형 거더와 같이 복부의 두께를 줄여 본체의 무게를 줄임으로써 구조적인 효율성을 얻을 수 있고 적은 수의 쉬스관을 배치함으로써 시공비용의 절감효과를 기대할 수 있다는 점은 동일하다.

이상에서 본 발명의 세 가지 형태에 대하여 설명하였고, 특히 I형 단면의 경우 본 발명에 따른 설계예와 종래의 설계방식 중 하나에 따른 대조설계예를 비교하여 설명함으로써 본 발명의 효과에 대하여 설명하였다. 본원 발명의 기술적 사상은 설명된 실시예나 설계예에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 사상에 어긋나지 않는 범위 안에서 다양한 형태의 프리스트레스트 콘크리트 거더로 구현될 수 있다.

1 : 본체 10 : 중앙부
20 : 변단면부 30 : 단부블록
100 : 제1긴장재 200 : 제2긴장재
310 : 제1정착구 320 : 제2정착구

Claims

지상에서 프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트 거더들을 제작하고 이를 교각, 교대 등의 하부구조 위에 가설하고 그 위에 바닥판 슬래브를 시공하는 합성거더교 공법에 사용되는 프리스트레스트 콘크리트 거더에 있어서,
상부플랜지, 복부, 하부플랜지를 포함하는 I형 단면을 가지며 일방향으로 긴 중앙부와,
상부플랜지, 복부, 하부플랜지를 포함하는 I형 단면을 가지고 상기 중앙부의 양단부에서 각각 연장되며 연장되는 방향으로 갈수록 하부플랜지의 두께와 복부의 두께가 증가하는 한 쌍의 변단면부와,
상기 한 쌍의 변단면부 각각에서 연장되는 한 쌍의 단부블록을 포함하여 구성되는 철근콘크리트 재질의 본체;
상기 본체의 단부블록의 아랫부분과 변단면부 및 중앙부의 하부플랜지에 배치되되 본체의 양단부에서 가장 높고 가운데에서 가장 낮게 배치되고, 양단부는 인장력이 가해진 상태로 상기 한 쌍의 단부블록의 하부에 각각 정착되는 제1긴장재;
상기 본체의 단부블록의 윗부분과 변단면부의 상부플랜지 또는 복부와 중앙부의 상부플랜지, 복부 또는 하부플랜지에 배치되되 상기 본체의 단부로부터 변단면부와 중앙부의 경계 부근의 어느 한 지점인 최고점까지는 그 높이가 단조증가하다가 상기 최고점부터 중앙부의 가운데까지는 그 높이가 단조감소 하도록 배치되고, 양단부는 인장력이 가해진 상태로 상기 한 쌍의 단부블록의 상부에 각각 정착되는 제2긴장재;
상기 제1긴장재를 수용하기 위한 제1쉬스관; 및
상기 제1긴장재를 정착하기 위한 제1정착구와 상기 제2긴장재를 정착하기 위한 제2정착구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 콘크리트 거더.
지상에서 프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트 거더들을 제작하고 이를 교각, 교대 등의 하부구조 위에 가설하고 그 위에 바닥판 슬래브를 시공하는 합성거더교 공법에 사용되는 프리스트레스트 콘크리트 거더에 있어서,
상부플랜지, 한 쌍의 복부, 하부플랜지를 포함하는 박스형 단면을 가지며 일방향으로 긴 중앙부와,
상부플랜지, 한 쌍의 복부, 하부플랜지를 포함하는 박스형 단면을 가지고 상기 중앙부의 양단부에서 각각 연장되며 연장되는 방향으로 갈수록 하부플랜지의 두께와 복부의 두께가 증가하는 한 쌍의 변단면부와,
상기 한 쌍의 변단면부 각각에서 연장되는 한 쌍의 단부블록을 포함하여 구성되는 철근콘크리트 재질의 본체;
상기 본체의 단부블록의 아랫부분과 변단면부 및 중앙부의 하부플랜지에 배치되되 본체의 양단부에서 가장 높고 가운데에서 가장 낮게 배치되고, 양단부는 인장력이 가해진 상태로 상기 한 쌍의 단부블록의 하부에 각각 정착되는 제1긴장재;
상기 본체의 단부블록의 윗부분과 변단면부의 상부플랜지 또는 복부와 중앙부의 상부플랜지, 복부 또는 하부플랜지에 배치되되 상기 본체의 단부로부터 변단면부와 중앙부의 경계 부근의 어느 한 지점인 최고점까지는 그 높이가 단조증가하다가 상기 최고점부터 중앙부의 가운데까지는 그 높이가 단조감소 하도록 배치되고, 양단부는 인장력이 가해진 상태로 상기 한 쌍의 단부블록의 상부에 각각 정착되는 제2긴장재;
상기 제1긴장재를 수용하기 위한 제1쉬스관; 및
상기 제1긴장재를 정착하기 위한 제1정착구와 상기 제2긴장재를 정착하기 위한 제2정착구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 콘크리트 거더.
지상에서 프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트 거더들을 제작하고 이를 교각, 교대 등의 하부구조 위에 가설하고 그 위에 바닥판 슬래브를 시공하는 합성거더교 공법에 사용되는 프리스트레스트 콘크리트 거더에 있어서,
한 쌍의 상부플랜지와 복부, 상기 한 쌍의 복부를 서로 연결하는 하부플랜지를 포함하는 U형 단면을 가지며 일방향으로 긴 중앙부와,
한 쌍의 상부플랜지와 복부, 상기 한 쌍의 복부를 서로 연결하는 하부플랜지를 포함하는 U형 단면을 가지고 상기 중앙부의 양단부에서 각각 연장되며 연장되는 방향으로 갈수록 하부플랜지의 두께와 복부의 두께가 증가하는 한 쌍의 변단면부와,
상기 한 쌍의 변단면부 각각에서 연장되는 한 쌍의 단부블록을 포함하여 구성되는 철근콘크리트 재질의 본체;
상기 본체의 단부블록의 아랫부분과 변단면부 및 중앙부의 하부플랜지에 배치되되 본체의 양단부에서 가장 높고 가운데에서 가장 낮게 배치되고, 양단부는 인장력이 가해진 상태로 상기 한 쌍의 단부블록의 하부에 각각 정착되는 제1긴장재;
상기 본체의 단부블록의 윗부분과 변단면부의 상부플랜지 또는 복부와 중앙부의 상부플랜지, 복부 또는 하부플랜지에 배치되되 상기 본체의 단부로부터 변단면부와 중앙부의 경계 부근의 어느 한 지점인 최고점까지는 그 높이가 단조증가하다가 상기 최고점부터 중앙부의 가운데까지는 그 높이가 단조감소 하도록 배치되고, 양단부는 인장력이 가해진 상태로 상기 한 쌍의 단부블록의 상부에 각각 정착되는 제2긴장재;
상기 제1긴장재를 수용하기 위한 제1쉬스관; 및
상기 제1긴장재를 정착하기 위한 제1정착구와 상기 제2긴장재를 정착하기 위한 제2정착구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 콘크리트 거더.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변단면부의 하부플랜지 상부의 높이변화는 아래로 볼록한 곡선형상인 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 콘크리트 거더.
제4항에 있어서,
상기 아래로 볼록한 곡선은 곡률반경이 일정한 호 형상인 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 콘크리트 거더.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변단면부의 하부플랜지 상부의 높이변화는 직선 형상인 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 콘크리트 거더.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2긴장재를 수용하기 위한 제2쉬스관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 콘크리트 거더.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2긴장재의 일부는 피복강연선이며, 피복이 안 된 강연선을 수용하는 제2쉬스관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스트 콘크리트 거더.