KR101812282B1 - 강성증대용 파형강판 구조물 - Google Patents

강성증대용 파형강판 구조물 Download PDF

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조계성
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주식회사 픽슨
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Abstract

이 발명은 강성증대용 파형강판 구조물에 관한 것으로서, 상기 파형강판(10)의 길이방향 양 측에는 타 파형강판(10)이 겹쳐지도록 복수의 산부(110)와 골부(120)의 단면형상이 그대로 이어지는 이음부(200)가 마련되고, 상기 이음부(200)에는 산부 및 골부의 중심선(220)을 따라 4개의 이음홀(210)이 동일한 간격으로 배치되어지며, 상기 이음부(200)의 겹침간격(H)은 275 내지 295mm이고, 상기 이음부(200)의 어느 하나의 중심선(220)을 따라 배치되는 4개의 이음홀(210) 중에서 인접한 두 이음홀(210) 사이의 제1 간격(h1)은 60 내지 80mm이며, 상기 중심선(220)을 따라 배치되는 4개의 이음홀(210) 중에서 최외각에 위치한 어느 하나의 이음홀(210)과 파형강판 가장자리 사이의 제2 간격(h2)은 35 내지 45mm이고, 상기 파형강판 아치섹션(20)은 상기 파형강판(10)의 이음부(200)에 형성된 이음홀(210)과 인접한 파형강판(10)의 이음부(200)에 형성된 이음홀(210)과 겹쳐지도록 구비되면서 상기 제1 체결수단(21)에 의해 길이방향을 따라 연속적으로 결합되어지되, 상기 이음부(200)의 4개의 이음홀(210)에 체결되어지는 제1 체결수단(21)은 다중볼트세트(300)로 구성되어지고, 상기 다중볼트세트(300)는 4개의 볼트플레이트(310)의 저면이 상기 파형강판(10)의 접지면과 대응되도록 폭방향을 따라 오목 또는 볼록모양의 단면으로 형성되고, 상기 4개의 볼트플레이트(310)의 저면에 4개의 볼트몸체(320)가 각각 일체로 구비되어지며, 상기 4개의 볼트몸체(320)에는 4개의 너트(330)가 각각 끼워지도록 구성되고, 상기 파형강판 아치섹션(20)이 상기 제2 체결수단(31)에 의해 폭방향을 따라 연속적으로 결합되어지되, 인접한 두 파형강판 아치섹션(20)의 이음부(200)가 서로 엇갈리도록 결합되어지는 것로써, 터널과 같은 장지간 구조물로 결합 및 시공되어지는 동일 조건의 파형강판(10)에 있어 길이방향 양측에 형성된 이음부(200)의 결합구조에 의해 최대치의 휨강도 및 압축하중을 발휘할 수 있는 강성증대용 파형강판 구조물에 관한 것이다.

Description

강성증대용 파형강판 구조물{STRUCTURE MADE OF CORRUGATED PLATE FOR INCREASED RIGIDITY}
이 발명은 파형강판 구조물에 관한 것으로, 특히 터널과 같은 구조물로 결합 및 시공되어지는 폭방향으로 산부와 골부를 가지면서 길이방향으로 벤딩된 파형강판들이 결합된 구조물에 관한 것이다.
일반적으로 파형강판 구조물은 연성구조체로서 부등침하 등에 유연하게 대응이 가능하여 콘크리트 구조물의 단점을 보완하므로, 비교적 단지간 구조물에 해당하는 용수 또는 배수용 암거에 사용됨은 물론, 최근에는 도로나 철도를 횡단하는 터널구조물 등 장지간 구조물에도 널리 이용되고 있다.
이러한 파형강판 구조물은 기본적으로 단위 파형강판을 결합 또는 조립하여 완성하는 구조물이므로, 각각의 파형강판의 조합에 따라 그 구조물의 크기 및 형상을 다양하게 사용할 수 있으며, 가장 기본적인 단면인 원형 단면에서부터 통수 능력을 향상시킨 Pipe-Arch형, 그 외에도 타원형, Underpass형, Arch형, High-Profile Arch형, Low-Profile Arch형, Pear형, Pear Arch형, Box-Culvert형 등 용도 및 현장 상황에 맞게 다양한 단면의 모양 파형강판이 제작 및 시공되어져 왔다.
이러한 파형강판은 자체적으로 휨강도 등을 증대하기 위하여 복수의 산부와 골부가 반복되게 형성되어 파형을 이루도록 형성되며, 전체적으로 일정한 곡률로 벤딩되도록 형성되어 있다. 이 같은 파형강판의 구조를 지니면서 지간의 길이가 10m이상인 장지간 구조물에 적용하기 위하여 대골형 파형강판이 개발되었다.
이에 약 16m까지 장지간화에 성공한 대골형 파형강판은 뒷채움재의 단위토압에 의한 구조물의 휨변형을 억제하는 측면에서는 성공적이었으나, 상기 파형강판을 길이방향 등으로 연속적으로 결합하여 구축된 구조물에 있어서는 여전히 축강성과 휨강성에 대한 저항이 부족한 문제가 있었다. 이를 보완하고자 횡방향 보강재를 별도의 보강부재를 부착하여 휨모멘트에 대한 저항과 지반안전성을 확보하고자 하였으나, 축강성의 증가는 미미하였고, 특히 깊은 토피고를 이용한 구조물의 경우 파형강판 이음부에서의 강도를 확보하기 어려운 문제가 있었다.
또한, 파형강판 구조물은 파형강판이 순차적으로 인접한 파형강판의 하부로 겹쳐 볼팅으로 결합되는 과정에서 접촉면적이 작으며, 1열 또는 2열의 볼팅으로 결합됨에 따라 겹쳐지는 면적 또는 볼팅으로 결합되는 면적이 충분히 확보되지 못하여 충분한 강성을 유지할 수 없는 문제가 있었다.
이에 이 발명의 발명가는 호환성 및 경제성을 고려하여 기존의 단위 파형강판의 크기, 형상 및 재질을 기초로 하되, 상기 파형강판의 양측 이음부를 포함한 파형강판 구조물의 전체적 관점에 에서 새롭고 정교한 결합구조를 제시하여 파형강판 구조물의 강성을 극대화할 수 있는 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 이 발명은 장지간 구조물로 안정적으로 시공되어지도록 기존의 단위 파형강판에 있어서 길이방향 양측에 형성된 이음부를 포함한 파형강판 구조물 전체적으로 새롭고 정교한 결합구조를 제시하여 최대치의 휨강도 및 압축하중을 발휘할 수 있는 강성증대용 파형강판 구조물을 제공하는데 목적이 있다.
특히, 파형강판의 겹쳐지는 부분 또는 볼팅으로 결합되는 부분의 면적을 최대한 확보할 수 있도록 하여 충분한 강성 및 안전성이 확보될 수 있는 결합구조를 포함하는 파형강판 구조물을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 실제 현장에서의 시공성을 증대할 수 있는 강성증대용 파형강판 구조물을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물은, 폭방향을 따라 일정한 간격으로 복수의 산부(110)와 골부(120)가 형성되고, 길이방향을 따라 일정한 곡률로 벤딩되어지는 파형강판(10)이 형성되고, 상기 파형강판(10)이 제1 체결수단(21)에 의해 길이방향을 따라 연속적으로 결합되어 아치형의 파형강판 아치섹션(20)이 형성되며, 상기 파형강판 아치섹션(20)이 제2 체결수단(31)에 의해 폭방향을 따라 연속적으로 결합되어 이루어지는 파형강판 구조물(30)에 있어서, 상기 파형강판(10)의 길이방향 양 측에는 타 파형강판(10)이 겹쳐지도록 복수의 산부(110)와 골부(120)의 단면형상이 그대로 이어지는 이음부(200)가 마련되고, 상기 이음부(200)에는 산부 및 골부의 중심선(220)을 따라 4개의 이음홀(210)이 동일한 간격으로 배치되어지며, 상기 이음부(200)의 겹침간격(H)은 275 내지 295mm이고, 상기 이음부(200)의 어느 하나의 중심선(220)을 따라 배치되는 4개의 이음홀(210) 중에서 인접한 두 이음홀(210) 사이의 제1 간격(h1)은 60 내지 80mm이며, 상기 중심선(220)을 따라 배치되는 4개의 이음홀(210) 중에서 최외각에 위치한 어느 하나의 이음홀(210)과 파형강판 가장자리 사이의 제2 간격(h2)은 35 내지 45mm이고, 상기 파형강판 아치섹션(20)은 상기 파형강판(10)의 이음부(200)에 형성된 이음홀(210)과 인접한 파형강판(10)의 이음부(200)에 형성된 이음홀(210)과 겹쳐지도록 구비되면서 상기 제1 체결수단(21)에 의해 길이방향을 따라 연속적으로 결합되어지되, 상기 이음부(200)의 4개의 이음홀(210)에 체결되어지는 제1 체결수단(21)은 다중볼트세트(300)로 구성되어지고, 상기 다중볼트세트(300)는 4개의 볼트플레이트(310)의 저면이 상기 파형강판(10)의 접지면과 대응되도록 폭방향을 따라 오목 또는 볼록모양의 단면으로 형성되고, 상기 4개의 볼트플레이트(310)의 저면에 4개의 볼트몸체(320)가 각각 일체로 구비되어지며, 상기 4개의 볼트몸체(320)에는 4개의 너트(330)가 각각 끼워지도록 구성되고, 상기 파형강판 아치섹션(20)이 상기 제2 체결수단(31)에 의해 폭방향을 따라 연속적으로 결합되어지되, 인접한 두 파형강판 아치섹션(20)의 이음부(200)가 서로 엇갈리도록 결합되어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 볼트플레이트(310)의 저면에는 패킹 그루브(340)가 형성되고, 상기 패킹 그루브(340)에 패킹(350)이 가압되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중볼트세트(300)의 4개의 볼트몸체(320) 중에서 인접한 두 볼트몸체(320) 사이의 간격은 상기 제1 간격(h1)과 대응되도록 60 내지 80mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중볼트세트(300)의 4개의 볼트몸체(320) 중에서 최외각에 위치한 어느 하나의 볼트몸체(320)와 상기 볼트플레이트(310)의 가장자리 사이의 간격은 상기 제2 간격(h2)과 대응되도록 35 내지 45mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이음홀(210)은 장공 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 해결수단에 의해, 터널과 같은 장지간 구조물로 결합 및 시공되어지는 동일 조건의 단위 파형강판(10)에 있어 길이방향 양측에 형성된 이음부(200) 및 다중볼트세트(300) 등을 포함한 결합구조에 의해 최대치의 휨강도 및 압축하중을 발휘할 수 있는 이점이 있다.
또한, 다중볼트세트(300)가 적용됨으로써, 파형강판의 겹쳐지는 부분 또는 볼팅으로 결합되는 부분의 면적을 극대화할 수 있어 증대된 강성 및 안전성을 최대로 유지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 인접한 두 파형강판 아치섹션(20)의 이음부(200)가 서로 엇갈리도록 결합됨으로써, 파형강판 구조물(30)의 전체적인 폭방향 강성이 증대되는 이점이 있다.
또한, 이음홀(210)이 장공 형상으로 형성되고, 다중볼트세트(300)가 독립적으로 이음홀(210)에 체결됨으로써, 실제 현장에서의 시공성을 증대할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 일 실시예에 따른 전체적인 모습을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 평면도이다.
도 3은 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부의 일 실시예에 따른 모습을 나타낸 분해사시도이다.
도 4는 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부를 길이방향으로 자른 단면도이다.
도 5는 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부를 폭방향으로 자른 단면도이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부에 체결되는 다중볼트세트의 실시예들을 설명하는 분해사시도이다.
도 7은 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부의 여러 실시예 및 비교예를 평면으로 나타낸 도면이다.
도 8은 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부의 휨강도 비교시험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부의 휨강도 비교시험에 의해 도출된 그래프이다.
도 10은 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부의 휨강도 비교시험에서 나타난 실시예 및 비교예의 파괴양상을 설명하는 도면이다.
도 11은 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부의 압력하중 비교시험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부의 압력하중 비교시험에 의해 도출된 그래프이다.
도 13은 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부의 압력하중 비교시험에서 나타난 실시예 및 비교예의 파괴양상을 설명하는 도면이다.
이 발명에 따른 강성증대용 파형강판 구조물에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있으며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명하기로 한다.
파형강판(10)은 단지간 구조물로 시공되는 표준형 파형강판(150)과 장지간 구조물로 시공되는 대골형 파형강판(380또는 400)으로 구분될 수 있으며, 이 발명에서의 파형강판은 특별한 언급이 없는 한 지간의 길이가 10m이상인 터널과 같은 장지간 구조물에 연속하여 결합되어지는 단위부재로서의 대골형 파형강판을 의미한다.
도 1은 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 일 실시예에 따른 전체적인 모습을 사시도로 나타낸 것이고, 도 2는 평면도로 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 이러한 파형강판(10)은 뒷채움재의 수동토압에 의한 구조물의 휨변형 등을 억제하기 위하여 파형강판(10) 간의 결합에 의하여 축강성 및 휨강성 등의 높은 강성을 지닐 수 있어야 한다. 구체적으로 파형강판(10)은 제1 체결수단(21)에 의해 길이방향을 따라 연속적으로 결합되어 파형강판 아치섹션(20)이 형성되고, 상기 파형강판 아치섹션(20)이 제2 체결수단(31)에 의해 폭방향을 따라 연속적으로 결합되어 파형강판 구조물(30)이 형성될 수 있다.
이러한 파형강판(10)은 폭방향을 따라 일정한 간격으로 복수의 산부(110)와 골부(120)가 형성되고, 길이방향을 따라 일정한 곡률로 벤딩되도록 형성된다. 여기서 폭방향은 파형강판 구조물(30)로 결합되는 경우 터널의 진행방향과 같으며, 길이방향은 터널의 종방향 단면을 기준으로 곡선방향과 같다(도 1에서 일점쇄선이 터널의 진행방향으로 파형강판에서의 폭방향과 같음).
여기서, 상기 파형강판 아치섹션(20)이 상기 제2 체결수단(31)에 의해 폭방향을 따라 연속적으로 결합되어지되, 인접한 두 파형강판 아치섹션(20)의 이음부(200)가 서로 엇갈리도록 결합됨으로써, 파형강판 구조물(30)의 전체적인 폭방향 강성이 증대될 수 있다.
도 3은 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부의 일 실시예에 따른 모습을 나타낸 분해사시도이고, 도 4는 상기 실시예를 길이방향으로 자른 단면도이며, 도 5는 상기 실시예를 폭방향으로 자른 단면도이다.
이를 참조하면, 상기 파형강판(10)의 길이방향 양 측에는 타 파형강판(10)이 겹쳐지도록 복수의 산부(110)와 골부(120)의 단면형상이 그대로 이어지는 이음부(200)가 마련된다. 다시 말해 상기 이음부(200)는 두 파형강판(10)이 앞뒤로 맞대어지도록 겹쳐지는 부분이며, 여기서 상기 이음부(200)의 길이방향 길이를 겹침간격(H)이라 한다.
상기 이음부(200)에는 제1 체결수단(21)에 의해 타 파형강판(10)이 결합된다. 구체적으로 상기 제1 체결수단(21)은 후술할 다중볼트세트(300)가 체결될 수 있는 다수의 이음홀(210)로 구성된다.
상기 이음부(200)에는 산부 및 골부의 중심선(220)을 따라 이음홀(210)이 배치되며, 각 중심선(220)에는 적어도 4개의 이음홀(210)이 형성된다. 예를 들어 3개의 산부(110) 및 4개의 골부(120)로 구성된 파형강판(10)의 경우, 7개의 중심선(220)을 상정할 수 있으며, 각 중심선(220)에는 적어도 4개의 이음홀(210)이 형성되어 결과적으로 이 실시예의 파형강판(10)의 이음부(200)에는 적어도 28개의 이음홀(210)이 형성될 수 있다. 또한, 같은 중심선(220)에는 이음홀(210)들이 동일한 간격으로 이격되어 형성된다.
여기서, 상기 이음홀(210)이 장공 형상으로 형성됨으로써, 실제 현장에서 상기 이음부(200)에 형성된 이음홀(210)의 길이방향 시공오차로 인한 작업성을 증대시킬 수 있다.
이는, 최종적으로 시공되는 파형강판 구조물(30)에서 휨강성 및 축강성이 최대로 증대되도록 275 내지 295mm에서의 겹침간격(H) 하에서 4개의 이음홀(210)이 등간격으로 형성됨으로써 최대치의 휨강도 및 압축하중을 발휘할 수 있게 된다. 나아가, 일정한 겹침간격(H) 하에서 4개의 이음홀(210)이 등간격으로 형성됨으로써 벤딩공정에서의 파단으로 인한 경제적 손실을 줄이고 및 실제 현장에서 파형강판 구조물로 결합할 때의 시공용이성 또한 증대되는 이점이 있다.
이러한 효과와 관련하여, 상기 이음부(200)의 실시예 및 비교예에 따른 휨강도 및 압력하중 비교시험은 뒤에서 구체적으로 설명한다.
도 6의 (a) 및 (b)는 각각 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부에 체결되는 다중볼트세트의 실시예들을 설명하는 분해사시도이다.
이를 참조하면, 상기 파형강판(10)의 이음부(200)에 형성된 이음홀(210)과 인접한 파형강판(10)의 이음부(200)에 형성된 이음홀(210)과 겹쳐지도록 구비되면서 상기 제1 체결수단(21)에 의해 길이방향을 따라 연속적으로 결합되어지되, 상기 이음부(200)의 4개의 이음홀(210)에 체결되어지는 제1 체결수단(21)은 다중볼트세트(300)로 구성되어지고, 상기 다중볼트세트(300)는 4개의 볼트플레이트(310)의 저면이 상기 파형강판(10)의 접지면과 대응되도록 폭방향을 따라 오목 또는 볼록모양의 단면으로 형성되고, 상기 4개의 볼트플레이트(310)의 저면에 4개의 볼트몸체(320)가 각각 일체로 구비되어지며, 상기 4개의 볼트몸체(320)에는 4개의 너트(330)가 각각 끼워지도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 이음부(200)의 겹쳐지는 파형강판(10)의 이음홀(210)에는 어느 하나의 볼트플레이트(310)에 일체로 구비되는 볼트몸체(320)가 연속되도록 관통한 다음, 어느 하나의 너트(330)가 끼워짐으로써, 각 이음홀(210)마다 체결시공의 독립성이 확보되어 시공성이 증대될 수 있다.
이에 따라, 강성증대용 파형강판 구조물은 벤딩된 파형강판(10)이 길이 방향을 따라 연속적으로 겹쳐져 파형강판 아치섹션(20)이 구비되는 과정에서, 파형강판(10)이 겹쳐지는 면적 또는 체결되는 면적이 최대한 확보되도록 함으로써 충분한 강성이 유지되어 안전성이 확보될 수 있다.
도 6의 (a)는, 골부(120)의 접지면과 대응되는 볼트플레이트(310)를 가진 다중볼트세트(300)를 나타낸 것이고, (b)는 산부(110)의 접지면과 대응되는 볼트플레이트(310)를 가진 다중볼트세트(300)를 나타낸 것이다.
또한, 상기 볼트플레이트(310)의 저면에는 패킹 그루브(340)가 형성되고, 상기 패킹 그루브(340)에 패킹(350)이 가압되도록 구비됨으로써, 외부로부터 내부로 빗물이 누수되는 것을 방지하고, 녹으로 인하여 이음부(200)의 결합구조의 강성이 약화되는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 이 발명인 강성증대용 파형강판과 그 이음부의 여러 실시예 및 비교예를 평면으로 나타낸 도면으로 이를 참조하면, 상기 겹침간격(H)은 크게 제1 간격(h1) 및 제2 간격(h2)으로 구분할 수 있다. 구체적으로 제1 간격(h1)이란, 다수의 이음홀(210) 중에서 인접한 두 이음홀(210) 사이의 간격을 의미하며, 제2 간격(h2)이란, 최외각에 위치한 어느 하나의 이음홀(210)과 파형강판 가장자리 사이의 간격을 의미한다. 따라서, 하기의 휨강도 비교시험 및 압축하중 비교시험에서의 실시예인 4개의 이음홀(210)이 중심선(220)을 따라 등간격으로 형성된 이음부(200)를 지닌 파형강판(10)의 경우, 겹침간격(H)의 값은 제1 간격(h1)의 3배수와 제2 간격(h2)의 2배수의 합과 같은 값을 가진다(도 7의 (b) 참조).
또한, 하기의 휨강도 비교시험의 비교예인 3개의 이음홀(210)이 중심선(220)을 따라 등간격으로 형성된 이음부(200)를 지닌 파형강판(10)의 경우, 겹침간격(H)의 값은 제1 간격(h1)의 2배수와 제2 간격(h2)의 2배수의 합과 같은 값을 가진다(도 7의 (a) 참조).
한편 상기 파형강판(10)의 폭방향 가장자리에는 타 파형강판(10)의 폭방향 가장자리와 겹쳐지도록 사이드부(400)가 마련될 수 있다. 이에 따라 파형강판(10)들이 길이방향을 따라 연속적으로 결합된 파형강판 아치섹션(20)을 제2 체결수단(31)에 의해 폭방향을 따라 맞대어지도록 연속적으로 결합해나가면서 파형강판 구조물(30)을 구축할 수 있게 된다. 상기 제2 체결수단은 다수의 볼트 및 상기 볼트가 체결될 수 있는 다수의 사이드홀(410)로 구성될 수 있다(도 3 참조).
상기 파형강판(10)의 재질은 바람직하게는 ASTM A1018 GR40 또는 SS400 내지 SS590으로 구성될 수 있으며, 상기 파형강판(10)의 두께는 바람직하게는 6.0mm, 7.0mm 또는 8.0mm로 형성될 수 있다. 또한, 두 파형강판(10)의 이음홀(210)의 직경은 바람직하게는 28mm로 형성될 수 있으며, 상기 이음홀(210)에 결합되어지는 볼트는 바람직하게는 M22로 구성될 수 있다.
이하에서는 일정한 겹침간격(H) 하에서 이음부(200)의 중심선(220)에서의 이음홀(210)의 개수를 달리하면서 시행한 휨강도 비교시험 및 압력하중 비교시험에 대하여 구체적으로 설명한다.
1. 휨강도 비교시험(시험A, 시험B, 시험C)
도 8은 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부(200)의 휨강도 비교시험 장치를 설명하기 위한 도면으로, (a)는 정면부분을 (b)는 측면부분을 나타낸 것이며 이를 참조하면, 이 시험은 두 가력부(P)의 간격이 555mm이고 가력부(P)에서 지점부(R)까지의 거리가 589.5mm인 4점 재하방식으로 구성한다. 1000kN의 액츄에이터를 이용하여 변위제어 방식으로 재하속도는 0.05m/s로 한다. 이 시험에서는 지점부(R)의 국부적인 지압파괴로 인하여 휨강도가 저하되는 것을 방지하기 위하여 파형강판의 파형과 동일한 지점부(R)를 제작하여 시험한다. 강판 밑면의 휨변형 정도를 인식하기 위하여 2개의 LVDT(Linear Variable Differential Transformer : 선형 거리 측정장치)를 각각 파형강판의 중심부, 가력부 및 지점부의 센터에 설치하여 각 지점에서의 수직변형량을 하중과 함께 측정한다. 최종 측정값은 파형강판 이음부(200)의 찢어짐파괴 또는 지압파괴가 발생하는 순간의 값으로 한다. 도 9는 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부의 휨강도 비교시험에 의해 도출된 그래프이다.
비교예 및 실시예의 파형강판(10)의 재질은 ASTM A1018 GR40(미국재료시험협회 표준의 A1018 Grade 40의 탄소강)으로 한다. 또한, 두 파형강판(10)에 결합되어지는 볼트는 M22(강도 10.9)이고, 각 이음홀(210)의 직경은 28mm이다.
구체적으로, 비교예의 파형강판 이음부(200)에는 중심선(220)을 따라 이음홀(210)이 3개 형성되고, 겹침간격(H)이 280mm이고, 동시에 제1 간격(h1)은 100mm이며, 제2 간격(h2)은 40mm이다. 실시예의 파형강판 이음부(200)에는 중심선(220)을 따라 이음홀(210)이 4개 형성되고, 겹침간격(H)이 290mm이며, 동시에 제1 간격(h1)은 70mm이며, 제2 간격(h2)은 40mm이다.
시험A는 두께(Plate Thickness)가 6.0mm이면서 상기한 이음홀(210) 개수, 겹침간격(H), 제1 간격(h1) 및 제2 간격(h2)을 만족하는 각각의 비교예 및 실시예를 상기한 시험방법에 의하여 수직변형량에 따른 하중을 측정하고, 상기 하중의 측정값에 전단거리를 고려하여 최종적으로 모멘트 강도를 도출 및 비교한다.
시험B 및 C는 파형강판의 각각 두께를 7.0mm 및 8.0mm으로 달리하면서 나머지 조건은 시험A와 동일하게 설정한다. 마찬가지로 수직변형량에 따른 하중을 각각 측정하여 그 모멘트 강도를 도출 및 비교한다.
상기 시험A 내지 C는 각각 2 내지 3회 반복하여 측정하며, 도출한 각각의 모멘트 강도는 아래의 표 1과 같다.
파형강판 이음홀 개수에 따른 휨강도(모멘트 강도) 비교표
Plate Thickness 3Hole(비교예)
4Hole(실시예)
하중(kN) 모멘트 강도(kN/m) 하중(kN) 모멘트 강도(kN/m)
6.0mm
(시험A)
1 409.8 114.7 682.6 178.8
2 394.7 110.5 678.1 188.2
3 - - 670.0 185.9
7.0mm
(시험B)
1 491.6 137.6 805.6 223.6
2 489.6 137.1 785.0 217.8
3 - - 768.5 213.3
8.0mm
(시험C)
1 571.2 159.9 901.6 250.2
2 593.1 166.1 924.8 256.6
3 - - 902.6 250.5
상기 시험A 내지 C에서 측정한 모멘트 강도의 평균은 각 시험에서의 비교예 및 실시예의 휨강도를 대비하는 값이 된다. 각 시험에서의 휨강도 및 그 증가율을 비교하면 아래의 표 2와 같다.
파형강판 이음홀 개수에 따른 휨강도 증가율
Plate Thickness 6.0mm(시험A) 7.0mm(시험B) 8.0mm(시험C)
3Hole(비교예)
(kN/m)
112.6 137.4 163.0
4Hole(실시예)
(kN/m)
184.3 218.3 252.4
휨강도 증가율
(%)
63.7 58.9 54.8
결과적으로 실시예는 비교예와 대비하여 휨강도(모멘트 강도)가 최소 71.2kN/m(시험A)에서 최대 89.4kN/m(시험C)까지 증대됨을 알 수 있다. 이를 증가율로 나타내면 두께가 8.0mm인 경우 휨강도의 증가율이 최소 54.8%이고, 두께가 6.0mm인 경우 휨강도의 증가율이 최대 63.7%으로 두께 6.0 내지 8.0mm의 파형강판 전반에 걸쳐 적어도 54.8%의 휨강도가 증대됨을 알 수 있다.
또한, 각 시험에서 실시예 및 비교예의 파괴양상을 대비해보면, 비교예의 경우 지점부의 국부지압파괴를 비롯하여 볼트 이음부 찢어짐파괴 및 볼트머리 회전현상이 발생한 반면, 실시예의 경우는 지점부의 국부지압파괴는 발생하지 않았다(도 10의 (a)는 파형강판의 전반적임 휨파괴 모습을 나타낸 것이고, (b)는 볼트 이음부 찢어짐파괴를 나타낸 것이며, (c)는 볼트머리 회전현상을 나타낸 것임).
2. 압축하중 비교시험(시험D, 시험E)
도 11은 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부(200)의 압력하중 비교시험 장치를 설명하기 위한 도면으로 이를 참조하면, 이 시험은 최대용량 5000kN인 UTM(Universal Testing Machine : 인장 및 압축 등의 시험에 사용하는 다용도 시험기계)을 사용한다. 상기 UTM의 Bed위에 시험체를 거치하고 상부 지지판으로 이를 압축한다. 변위 제어방식으로 재하속도 0.05m/s로 한다. 2개의 LVDT를 양측에 설치하여 하중과 LVDT변위를 측정한다. 최종 측정값은 파형강판 이음부(200)의 지압파괴, 국부좌굴파괴 또는 전체좌굴파괴가 발생하는 순간의 값으로 한다. 도 12는 이 발명인 강성증대용 파형강판 구조물의 이음부(200)의 압력하중 비교시험에 의해 도출된 그래프이다.
비교예a, 비교예b 및 실시예의 파형강판(10)의 재질은 앞서 설명한 휨강도 비교시험과 동일하게 ASTM A1018 GR40으로 한다. 두 파형강판(10)에 결합되어지는 볼트 역시 M22(강도 10.9)이고, 각 이음홀(210)의 직경은 28mm으로 동일하다.
구체적으로, 비교예a의 파형강판 이음부(200)에는 중심선(220)을 따라 이음홀(210)이 3개 형성되고, 겹침간격(H)이 280mm이고, 동시에 제1 간격(h1)은 100mm이며, 제2 간격(h2)은 40mm이다(상기 휨강도 비교시험에서의 비교예와 동일하다). 실시예의 파형강판 이음부(200)에는 중심선(220)을 따라 이음홀(210)이 4개 형성되고, 겹침간격(H)이 290mm이며, 동시에 제1 간격(h1)은 70mm이며, 제2 간격(h2)은 40mm이다(상기 휨강도 비교시험에서의 실시예와 동일하다). 비교예b의 파형강판 이음부(200)에는 중심선(220)을 따라 이음홀(210)이 5개 형성되고, 겹침간격(H)이 290mm이고, 동시에 제1 간격(h1)은 52.5mm이며, 제2 간격(h2)은 40mm이다
시험D는 두께(Plate Thickness)가 6.0mm이면서 상기한 이음홀(210) 개수, 겹침간격(H), 제1 간격(h1) 및 제2 간격(h2)을 만족하는 각각의 비교예a, 비교예b 및 실시예를 상기한 시험방법에 의하여 LVDT변위에 따른 하중을 측정하면서 지압파괴 등이 발생하는 순간의 최종값을 측정한다.
시험E는 파형강판의 두께가 8.0mm이면서 나머지 조건은 시험D와 동일하게 설정한다. 상기 시험D 내지 E에서 도출한 하중의 최종값은 아래의 표 3과 같다.
파형강판 이음홀 개수에 따른 압축하중 비교표
Plate Thickness 3Hole(비교예a)
(kN)
4Hole(실시예)
(kN)
5Hole(비교예b)
(kN)
6.0mm
(시험D)
2634.6 3161.1 3053.2
8.0mm
(시험E)
3991.9 4263.3 4061.3
결과적으로 실시예는 비교예a에 대비하여 압력하중이 526.5kN(시험D)까지 증대됨을 알 수 있으며, 비교예b에 대비하여 압력하중이 107.9kN(시험D)까지 증대됨을 알 수 있다. 이를 증가율로 나타내면 두께가 6.0mm인 경우 압력하중의 증가율이 최대 19.9%까지 증대됨을 알 수 있다.
또한, 각 시험에서 실시예 및 비교예a의 파괴양상을 대비해보면, 비교예a의 경우 좌굴파괴를 비롯한 볼트전단파괴으로 인하여 극한하중에 도달하지 못하고 이음부(200)의 지압강도를 충분히 소화하지 못한 반면, 실시예의 경우는 파괴양상이 이음부 지압파괴, 국부좌굴파괴 만이 발생하여 취성적 파괴가 아닌 연성적 파괴로 그 양상이 변하였다(도 13의 (a)는 압력하중에 의한 국부 좌굴파괴를 나타낸 것이고, (b)는 이음부 지압파괴를 나타낸 것임).
또한, 파형강판 이음부(200)에는 중심선(220)을 따라 이음홀(210)이 5개인 경우(비교예b), 이음홀(210) 간의 간격이 짧아짐으로 인하여 파형강판의 벤딩공정시 강판이 파단될 가능성이 현저히 높아지고, 볼트 체결시 임팩트 등의 공구를 사용하여 파형강판의 이음부(200)를 결합하는데 공간확보 등의 어려움이 있어 생산성이 저하되는 문제가 있다.
따라서 파형강판 이음부(200)에는 중심선(220)을 따라 이음홀(210)이 5개가 아닌 4개로 형성하는 경우, 벤딩공정에서의 파단으로 인한 경제적 손실을 줄일 수 있게 된다.
상기 휨강도 비교시험에 따르면, 상기 이음부(200)에는 산부 및 골부의 중심선(220)을 따라 이음홀(210)이 배치되며, 275 내지 295mm에서의 겹침간격(H) 하에서 각 중심선(220)에는 적어도 4개의 이음홀(210)이 형성됨으로써, 휨모멘트 강도를 극대화시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 휨강도 비교시험 및 압축하중 비교시험과 함께 실제 공정에서의 파단 현상 및 생산성을 고려한다면, 275 내지 295mm에서의 겹침간격(H) 하에서 각 중심선(220)에는 4개의 이음홀(210)이 형성됨이 바람직하고, 상기 4개의 이음홀(210) 중에서 인접한 두 이음홀(210) 사이의 제1 간격(h1)은 60 내지 80mm이고, 같은 중심선(220)을 따라 배치되는 4개의 이음홀(210) 중 최외각에 위치한 어느 하나의 이음홀(210)과 파형강판 가장자리 사이의 제2 간격(h2)은 35 내지 45mm으로 하는 것이 바람직하다. 더욱이 동일한 겹침간격(H) 하에서 4개의 이음홀(210) 중에서 인접한 두 이음홀(210) 사이의 제1 간격(h1)은 65 내지 75mm으로 하는 것이 이러한 결합구조가 적용된 이음부(200)가 양측에 형성된 파형강판(10)은 최종적으로 시공되는 파형강판 구조물(30)에 있어서 휨강성 및 축강성을 극대화할 수 있게 된다는 점에서 더욱 바람직하다.
이로써, 동일 조건의 파형강판 이음부(200)의 일정한 겹침간격(H) 하에서 최대치의 휨강도 및 압축하중을 발휘하여 터널과 같은 장지간 구조물의 휨모멘트에 대한 저항과 지반안전성이 확보됨은 물론 구조물의 좌굴강도와 볼트 이음부의 강도까지 확보되는 이점이 있다.
아울러, 상기 다중볼트세트(300)의 4개의 볼트몸체(320) 중에서 인접한 두 볼트몸체(320) 사이의 간격은 상기 제1 간격(h1)과 대응되도록 60 내지 80mm으로 형성되고, 상기 다중볼트세트(300)의 4개의 볼트몸체(320) 중에서 최외각에 위치한 어느 하나의 볼트몸체(320)와 상기 볼트플레이트(310)의 가장자리 사이의 간격은 상기 제2 간격(h2)과 대응되도록 35 내지 45mm으로 형성될 수 있다.
이로서, 파형강판의 겹쳐지는 부분 또는 볼팅으로 결합되는 부분의 면적을 극대화시키면서 앞서 설명한 최대치의 휨강도 및 압축하중을 발휘되는 이음부(200)의 강성을 그대로 유지할 수 있게 된다.
이상에서 이 발명에 의한 강성증대용 파형강판 구조물에 대하여 설명하였다. 이러한 이 발명의 기술적 구성은 이 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 이 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다.
10 : 파형강판 20 : 파형강판 아치섹션
30 : 파형강판 구조물 200 : 이음부
210 : 이음홀 220 : 중심선
300 : 다중볼트세트 310 : 볼트플레이트
320 : 볼트몸체 330 : 너트
H : 겹침간격 h1 : 제1 간격
h2 : 제2 간격 w : 폭간격

Claims (5)

  1. 폭방향을 따라 일정한 간격으로 복수의 산부(110)와 골부(120)가 형성되고, 길이방향을 따라 일정한 곡률로 벤딩되어지는 파형강판(10)이 형성되고, 상기 파형강판(10)이 제1 체결수단(21)에 의해 길이방향을 따라 연속적으로 결합되어 아치형의 파형강판 아치섹션(20)이 형성되며, 상기 파형강판 아치섹션(20)이 제2 체결수단(31)에 의해 폭방향을 따라 연속적으로 결합되어 이루어지는 파형강판 구조물(30)에 있어서,
    상기 파형강판(10)의 길이방향 양 측에는 타 파형강판(10)이 겹쳐지도록 복수의 산부(110)와 골부(120)의 단면형상이 그대로 이어지는 이음부(200)가 마련되고, 상기 이음부(200)에는 산부 및 골부의 중심선(220)을 따라 4개의 이음홀(210)이 동일한 간격으로 배치되어지며,
    상기 이음부(200)의 겹침간격(H)은 275 내지 295mm이고, 상기 이음부(200)의 어느 하나의 중심선(220)을 따라 배치되는 4개의 이음홀(210) 중에서 인접한 두 이음홀(210) 사이의 제1 간격(h1)은 60 내지 80mm이며, 상기 중심선(220)을 따라 배치되는 4개의 이음홀(210) 중에서 최외각에 위치한 어느 하나의 이음홀(210)과 파형강판 가장자리 사이의 제2 간격(h2)은 35 내지 45mm이고,
    상기 파형강판 아치섹션(20)은 상기 파형강판(10)의 이음부(200)에 형성된 이음홀(210)과 인접한 파형강판(10)의 이음부(200)에 형성된 이음홀(210)과 겹쳐지도록 구비되면서 상기 제1 체결수단(21)에 의해 길이방향을 따라 연속적으로 결합되어지되,
    상기 이음부(200)의 4개의 이음홀(210)에 체결되어지는 제1 체결수단(21)은 다중볼트세트(300)로 구성되어지고, 상기 다중볼트세트(300)는 볼트플레이트(310)의 저면이 상기 파형강판(10)의 접지면과 대응되도록 폭방향을 따라 오목 또는 볼록모양의 단면으로 형성되고, 상기 볼트플레이트(310)의 저면에 4개의 볼트몸체(320)가 각각 일체로 구비되어지고, 상기 다중볼트세트(300)의 4개의 볼트몸체(320) 중에서 인접한 두 볼트몸체(320) 사이의 간격은 상기 파형강판(10) 이음부(200)의 제1 간격(h1)과 대응되도록 60 내지 80mm이며, 상기 다중볼트세트(300)의 4개의 볼트몸체(320) 중에서 최외각에 위치한 어느 하나의 볼트몸체(320)와 상기 볼트플레이트(310)의 가장자리 사이의 간격은 상기 파형강판(10) 이음부(200)의 제2 간격(h2)과 대응되도록 35 내지 45mm이고,
    상기 4개의 볼트몸체(320)에는 4개의 너트(330)가 각각 끼워지도록 구성되고,
    상기 파형강판 아치섹션(20)이 상기 제2 체결수단(31)에 의해 폭방향을 따라 연속적으로 결합되어지되, 인접한 두 파형강판 아치섹션(20)의 이음부(200)가 서로 엇갈리도록 결합되어지는 것을 특징으로 하는 강성증대용 파형강판 구조물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이음홀(210)은 장공 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 강성증대용 파형강판 구조물.
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