KR101842642B1

KR101842642B1 - 강제 교각과 콘크리트제 말뚝기초의 접합구조

Info

Publication number: KR101842642B1
Application number: KR1020167004089A
Authority: KR
Inventors: 유지 미시마; 야스미 와카바야시; 쓰요시 히루마; 신사쿠 시미즈
Original assignee: 히다치 조센 가부시키가이샤
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2018-03-27
Also published as: CN104080977B; JP2013174050A; KR20160023929A; PH12014501868A1; WO2013125108A1; KR20140122724A; CN104080977A; PH12014501868B1; KR101827846B1; JP6009778B2

Abstract

본 발명은, 교각의 기부와 말뚝기초와의 접합부의 응력집중과, 강부재와 콘크리트와의 박리를 억제한다. 말뚝기초(1)의 말뚝머리(1a)에 착좌시키기 위하여 통모양 교각(2)의 기부에 연속하여 형성된 어긋남 멈춤구멍(2ａａ)을 구비하는 외판(2a)과, 외판(2a)의 외주측에 말뚝머리(1a)로부터 돌출시킨 접합용 철근(3)과, 접합용 철근(3)의 돌출방향과 동일한 방향으로 길이방향이 되도록 외판(2a)의 외주면에 교대로 돌출시킨 복수개의 제1 및 제2구멍 뚫린 강판(6, 7)과, 외판(2a) 및 접합용 철근(3)의 외측에 끼워지고 외판(2a)을 외주측으로 연장시킨 연장부(2ａｂ)를 통하여 외판(2a)과 연결되어 고정되는 통모양 강철 셸(4)을 구비한다. 외판(2a)의 어긋남 멈춤구멍(2ａａ), 제1 및 제2구멍 뚫린 강판(6, 7)의 구멍(6a, 7a)으로 접합용 콘크리트(5)가 들어가서, 교각기부와 강철 셸 사이의 단면급변부에 있어서의 강철과 콘크리트를 확실하게 일체화시킨다.

Description

강제 교각과 콘크리트제 말뚝기초의 접합구조{JOINT STRUCTURE FOR STEEL BRIDGE PIER AND CONCRETE PILE FOUNDATION}

본 발명은, 입체교차교(立體交差橋), 고가교(高架橋), 고가구조체(高架構造體), 일반교량(一般橋梁), 철도교(鐵道橋) 등에 있어서 땅속에 박힌 콘크리트제 말뚝기초(concrete製 pile foundation)와 강제 교각(鋼製橋脚)의 접합구조(接合構造)에 관한 것이다.

종래로부터 상기의 말뚝기초와 교각의 접합은, 말뚝기초의 정상부에 설치한 푸팅(footing)에 교각의 기단부(基端部)를 접합하거나(특허문헌1), 앵커 볼트(anchor bolt)에 의하여 말뚝기초와 다리기둥을 접합하거나(특허문헌2), 말뚝기초에 다리기둥을 메워 넣어서 접합(특허문헌3)함으로써 이루어지고 있었다.

그러나 특허문헌1에 기재된 푸팅에 의한 접합구조는, 거푸집 공사(formwork 工事) 등 번잡한 현장공사가 부수되기 때문에 공사기간이 길어진다. 또한 현장시공(現場施工)에 넓은 면적이 필요하게 됨과 아울러, 푸팅 형성시의 콘크리트 타설면적(concrete 打設面積)이 넓으면 날씨의 영향을 받기 쉬워진다. 또한 치수정밀도의 확보가 곤란하다.

또한 특허문헌2에 기재된 앵커 볼트에 의한 접합구조는, 번잡한 현장공사가 부수되기 때문에 공사기간이 길어진다는 문제나, 치수정밀도의 확보가 곤란하다는 문제가 있다.

또한 특허문헌3에 기재된 말뚝기초에 다리기둥을 메워 넣는 접합구조는, 말뚝기초를 시공한 후 다리기둥을 설치하기 전에 메워 넣기부의 철근 바구니(鐵筋 basket)나 소켓 강관(socket 鋼管)을 시공할 필요가 있기 때문에, 시공순서가 번잡하게 되어 공사기간이 길어진다.

그래서 출원인은 상기 종래의 접합구조에 있던 문제점을 해결하기 위하여, 타사(他社)와 공동으로 현장공사에 필요한 면적을 좁게 해서 끝냄으로써 시공 공사기간을 단축할 수 있어 공사비용의 삭감을 도모하여, 충분한 접합부의 내력(耐力)을 확보할 수 있는 접합부 구조를 제안하였다(특허문헌4).

그러나 특허문헌4에서 제안한 강제 교각과 콘크리트제 말뚝기초의 접합구조는, 그 접합부에서 단면(斷面)이 급변하기 때문에 단면의 급변부(急變部)에서 응력(應力)이 집중되는 것이 우려된다. 또한 교량의 상부 구조물(上部構造物;superstructure)에 작용하는 수평하중(水平荷重)에 의하여 발생한 전단력(剪斷力)에 의하여 강부재(鋼部材)와 콘크리트와의 박리(剝離)도 우려된다.

특허문헌1 : 일본국 공개특허 특개평9-71949호 공보 특허문헌2 : 일본국 공개특허 특개2000-291146호 공보 특허문헌3 : 일본국 공개특허 특개2001-348887호 공보 특허문헌4 : 일본국 특허 제4691690호 공보

본 발명이 해결하고자 하는 문제점은, 출원인이 특허문헌4에서 제안한 접합구조의 경우에 강제 교각의 기부(基部)와 콘크리트제 말뚝기초와의 접합부에서 응력이 집중되는 것이 우려되고 또한 강부재와 콘크리트와의 박리도 우려된다는 점이다.

본 발명의 강제 교각과 콘크리트제 말뚝기초의 접합구조는,

강제 교각의 기부와 콘크리트제 말뚝기초와의 접합부에 있어서의 응력집중과, 강부재와 콘크리트와의 박리를 억제하기 위하여,

콘크리트제 말뚝기초의 말뚝머리와, 통모양의 강제 교각과의 접합구조로서,

상기 말뚝머리에 직접 또는 설치대판을 사이에 두고 착좌시키기 위하여 상기 교각의 기부에 연속하여 형성된 다수의 어긋남 멈춤구멍을 구비하는 외판과,

이 외판의 외주측에 상기 말뚝머리로부터 돌출시킨 접합용 철근과,

이 접합용 철근의 돌출방향과 동일한 방향으로 길이방향이 되도록 상기 외판의 외주면에 교대로 돌출시킨 복수개의 제1 및 제2구멍 뚫린 강판과,

상기 외판 및 상기 접합용 철근의 외측에 끼워지고 외판을 외주측으로 연장시킨 연장부를 통하여 외판과 연결되어 고정되는 통모양의 강철 셸을 구비하고,

상기 강철 셸과 외판 사이에 타설되는 접합용 콘크리트가 외판의 상기 어긋남 멈춤구멍으로 들어가서 말뚝머리에 전단력을 전달함과 아울러, 제1 및 제2구멍 뚫린 강판의 구멍으로 접합용 콘크리트가 들어가서 교각기부와 강철 셸 사이의 단면급변에 의한 강철과 콘크리트 사이의 응력집중과 박리를 억제하도록 한 것을 가장 주요한 특징으로 하고 있다.

본 발명에서는, 교각의 기부에 연속하여 형성된 외판의 외주면에, 말뚝머리로부터 돌출시킨 접합용 철근의 돌출방향과 동일한 방향으로 길이방향이 되도록 복수개의 제1 및 제2구멍 뚫린 강판을 교대로 돌출시키기 때문에, 이들 구멍 뚫린 강판의 구멍으로 접합용 콘크리트가 들어간다. 따라서 강철과 콘크리트가 확실하게 일체화되어, 교각기부와 강철 셸 사이의 단면급변에 의한 강철과 콘크리트 사이의 응력집중과 박리를 효과적으로 억제할 수 있다.

본 발명에서는, 교각기부(橋脚基部)와 강철 셸(鋼鐵 shell) 사이의 단면급변부에 있어서의 강철과 콘크리트를 확실하게 일체화시킬 수 있기 때문에, 상기 단면급변에 의한 강철과 콘크리트 사이의 응력집중과 박리를 효과적으로 억제할 수 있다.

[도1] 본 발명의 강제 교각과 콘크리트제 말뚝기초의 접합구조를 일부 단면으로 하여 나타내는 사시도이다.
[도2] 본 발명의 강제 교각과 콘크리트제 말뚝기초의 접합구조를 나타낸 도면으로서, (a)(b)는 측면방향에서 본 도면, (c)(d)는 평면방향에서 본 도면이고, (a)는 (c)도의 Ａ-Ａ단면도, (b)는 (c)도의 Ｂ-Ｂ단면도, (c)는 (a)도의 Ｃ-Ｃ단면도, (d)는 (a)도의 Ｄ-Ｄ단면도이다.
[도3] (a)는 본 발명의 기본치수 모델의 설명도, (b)는 (a)에 나타나 있는 본 발명의 기본치수 모델에 있어서 (a)에 굵은 화살표로 나타내는 방향의 하중을 실었을 경우에 있어서 교각으로부터 콘크리트에 작용하는 지압력의 분포를 나타낸 도면, (c)는 마찬가지로 접합부의 상측끝부에 있어서의 콘크리트에 작용하는 지압응력의 분포를 나타내는 도면이다.
[도4] 본 발명의 최대치수 모델에 있어서의 도3과 동일한 도면이다.
[도5] (a)는 본 발명의 기본치수 모델의 설명도, (b)는 (a)에 나타나 있는 본 발명의 기본치수 모델에 연직하중과 수평하중을 작용시켰을 경우에 있어서 접합용 콘크리트와 외판의 박리가 발생하는 범위를 나타낸 도면이다.
[도6] 본 발명의 최대치수 모델에 있어서의 도5와 동일한 도면이다.
[도7] 강제 교각과 말뚝기초에 대한 특허문헌4에서 제안한 접합구조를 일부 단면으로 하여 나타내는 사시도이다.
[도8] 기본치수 모델에 있어서의 접합부 길이를 2.25m로 한 것 이외에는, 도7에 나타내는 접합구조에 있어서의 도3과 동일한 도면이다.
[도9] 도7에 나타내는 접합구조에 있어서의 도4와 동일한 도면이다.
[도10] 도7에 나타내는 접합구조에 있어서의 도5와 동일한 도면이다.
[도11] 도7에 나타내는 접합구조에 있어서의 도6과 동일한 도면이다.

본 발명에서는, 강제 교각(鋼製橋脚)의 기부(基部)와 콘크리트제 말뚝기초(concrete製 pile foundation)와의 접합부에 있어서의 응력집중(應力集中)과, 강부재(鋼部材)와 콘크리트와의 박리(剝離)를 억제한다는 목적을, 교각의 기부에 연속하여 형성된 외판(外板)의 외주면(外周面)에 말뚝머리(pile head)로부터 돌출시킨 접합용 철근(接合用鐵筋)의 돌출방향과 동일한 방향으로 길이방향이 되도록 복수개의 제1 및 제2구멍 뚫린 강판(鋼板)을 교대로 돌출시킴으로써 실현시켰다.

[실시예]

우선 본 발명의 강제 교각과 콘크리트제 말뚝기초의 접합구조의 설명에 앞서, 본 발명의 기초가 되는 것으로서 출원인이 제안한 특허문헌4의 접합구조에 대하여 도7을 사용하여 간단하게 설명한다.

1은 땅속에 박힌 콘크리트제의 원기둥모양 말뚝기초, 2는 이 말뚝기초(1)의 말뚝머리(1a)에 예를 들면 직접 착좌(着座)시킨 상태에서 접합하는 강제의 각통모양(角筒shape)의 교각이며, 그 기부에 다수의 어긋남 멈춤구멍(2ａａ)을 구비하는 외판(外板)(2a)을 연속하여 형성하고 있다.

3은 상기 외판(2a)의 외주측에 상기 말뚝머리(1a)로부터 돌출시킨 접합용 철근이며, 이 접합용 철근(3) 및 상기 외판(2a)의 외측에 원통모양의 강철 셸(鋼鐵 shell)(4)을 배치하고 있다. 이 강철 셸(4)은, 상기 외판(2a)을 외주측으로 연장시킨 연장부(延長部)(2ａｂ)를 통하여 외판(2a)과 연결되고 고정되어 외판(2a)과 일체화된다. 이하에서는 연장부(2ａｂ)를 구비하는 외판(2a)을 나타낼 때에는 플랜지(flange)(2a)라고 하고, 연장부(2ａｂ)를 구비하지 않는 외판(2a)을 나타낼 때에는 웹(web)(2a)이라고 한다.

상기 구성의 접합구조에서는, 상기 강철 셸(4)과 외판(2a) 사이에 접합용 콘크리트(5)를 타설(打設)하면, 외판(2a)의 상기 어긋남 멈춤구멍(2ａａ)으로 접합용 콘크리트(5)가 들어가서 말뚝머리(1a)에 전단력(剪斷力)을 전달할 수 있다.

발명자들의 3차원 ＦＥＭ(Finite Elements Method) 해석에 의하면, 상기 구조의 접합부의 경우에 지배적인 단면력(斷面力)인 휨 모멘트(bending moment)의 전달은, 다수의 어긋남 멈춤구멍(2ａａ)을 구비하는 외판(2a)이 70% 가까이를 담당하여, 이 외판(2a)이 하중의 전달에 지배적인 역할을 담당하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

이 도7에 나타낸 접합구조에, 연직하중으로서 4128kN, 수평하중으로서 992kN의 힘을 작용시켰을 경우의 지압력(支壓力)의 분포를 도8에, 연직하중으로서 7568kN, 수평하중으로서 2414kN의 힘을 작용시켰을 경우의 지압력의 분포를 도9에 나타낸다.

도8(ｂ)는 외경(外徑)이 3m인 원기둥모양 말뚝기초(1)와, 외형치수가 1.5m×2.1m인 각통모양 교각(2)을, 교각(2)의 기부에 연속하여 형성된 외판(2a)부(플랜지(2a)의 두께는 22mm, 웹(2a)의 두께는 24mm)에 접합하였을 경우(접합부 길이는 2.25m, 이하 기본치수 모델이라고 한다)의 해석결과이다. 또 해석에 사용한 원통모양 강철 셸(4)은 외경이 3.3m, 두께는 10mm이고, 외판(2a)에는 지름이 70mm인 어긋남 멈춤구멍(2ａａ)을 364개 형성한 것으로 하였다.

또한 도9(ｂ)는 외경이 4m인 원기둥모양 말뚝기초(1)와, 외형치수가 2.75m×2.75m인 각통모양 교각(2)을, 교각(2)의 기부에 연속하여 형성된 외판(2a)부(플랜지(2a)의 두께, 웹(2a)의 두께는 모두 21mm)에 접합하였을 경우(접합부 길이는 4.125m, 이하 최대치수 모델이라고 한다)의 해석결과이다. 또 해석에 사용한 원통모양 강철 셸(4)은 외경이 4.5m, 두께는 10mm이고, 외판(2a)에는 지름이 70mm인 어긋남 멈춤구멍을 624개 형성한 것으로 하였다.

이들 도8(b), 도9(b)로부터 지압력은 접합부의 상측끝부분, 구체적으로는 접합부 길이의 20∼30% 정도의 범위에서 분포하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 도8(c), 도9(c)로부터 콘크리트의 지압응력(支壓應力)은 접합부의 상측끝부분의 양측에 응력집중이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 이 지압력에 의하여 발생하는 접합용 콘크리트(5)의 응력은 허용값 내에는 있지만, 부재(部材)의 조사법(照査法)을 생각하는데 있어서 무시할 수 없는 값이 되어 있는 것을 알 수 있다.

이 도7에 나타낸 접합구조에 도8(a), 도9(a)와 동일한 힘을 작용시켰을 경우에 있어서, 하중을 실은 측의 외판(2a)과 접합용 콘크리트(5)의 박리량(剝離量)을 도10(b), 도11(b)에 나타낸다.

도10(b), 도11(b)로부터 기본치수 모델, 최대치수 모델 중에서 어느 쪽의 경우에도 접합부의 상측끝부분, 구체적으로는 접합부 길이의 30% 정도의 범위에서 외판(2a)과 접합용 콘크리트(5)의 박리가 발생하고 있는 것을 알 수 있다.

*즉 도7에 나타낸 접합구조의 경우에, 접합부내에 있어서 교각(2)으로부터 작용하는 전단력을 접합부 상부의 국부적인 지압력으로 모두 전달하고 있다. 그래서 발명자들은, 상기 전단력을 상기 외판(2a)으로부터 접합용 콘크리트(5)를 통하여 말뚝기초(1)에 원활하게 전달하는 구조에 대하여 검토하여 이하의 발명을 성립시켰다.

즉 본 발명은, 도7의 상기 접합구조에 있어서 도1 및 도2에 나타나 있는 바와 같이 접합용 철근(3)의 돌출방향과 동일한 방향으로 길이방향이 되도록, 상기 외판(2a)의 외주면의 접합부분에 예를 들면 지름이 70mm인 구멍(6a)을 18개, 2열로 형성한 제1구멍 뚫린 강판(6)을 복수매 병렬로 돌출시켜 용접(溶接)하고 있다.

부가하여 본 발명에서는, 상기 제1구멍 뚫린 강판(6) 사이에 예를 들면 지름이 70mm인 구멍(7a)을 5개, 1열로 형성한 제2구멍 뚫린 강판(7)을, 외판(2a)의 상측끝부분에 있어서의 접합부 길이의 20∼30% 정도의 범위에 병렬로 돌출시켜 용접하고 있다.

이러한 본 발명의 접합구조에서는, 제1 및 제2구멍 뚫린 강판(6, 7)의 구멍(6a, 7a)으로 접합용 콘크리트(5)가 들어가기 때문에, 교각(2)의 기부와 강철 셸(4) 사이의 단면급변(斷面急變)에 의한 강철과 콘크리트 사이의 응력집중과 박리를 억제할 수 있다.

덧붙여서 도1, 2에 나타내는 구성의 본 발명의 접합구조에 기본치수 모델에 있어서의 접합부 길이를 2.7m로 한 것 이외에는, 도8(b), 도9(b)와 동일한 조건의 해석을 한 결과를 도3(b), 도4(b)에 나타낸다. 도3(b), 도4(b)로부터 분명하게 나타나 있는 바와 같이 접합부의 상측끝부분의 지압력이 감소되어 있는 것을 알 수 있다.

또한 도3(c), 도4(c)로부터 접합 콘크리트(5)에 작용하는 지압응력은, 접합부의 상측끝부분의 양측에 있어서 제1 및 제2구멍 뚫린 강판(6, 7)을 설치하지 않은 도8(c), 도9(c)와 비교하여 55% 정도 감소되어 있어, 허용값에 대하여도 충분히 작은 것을 알 수 있다.

또한 도1, 2에 나타내는 구성의 본 발명의 접합구조에, 도10(b), 도11(b)와 동일한 조건의 해석을 한 결과를 도5(b), 도6(b)에 나타낸다. 도5(b), 도6(b)로부터 분명하게 나타나 있는 바와 같이 외판(2a)과 접합용 콘크리트(5)의 박리량은, 도10(b), 도11(b)와 비교하여 60% 정도 감소되어 있어, 거의 박리가 발생하지 않은 것을 알 수 있다.

본 발명은 상기의 예에 한정되는 것은 아니며, 각 청구항에 기재된 기술적 사상의 범주이면 적합하게 실시형태를 변경하더라도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

예를 들면 도1 및 도2에 나타낸 예에서는, 원기둥모양 말뚝기초(1)의 말뚝머리(1a)에 각통모양 교각(2)을 직접 착좌시킨 상태에서 접합한 것에 대하여 설명하였지만, 설치대판(設置臺板)을 사이에 두고 접합하더라도 좋다.

또한 제1 및 제2구멍 뚫린 강판(6, 7)의 형상, 크기, 개수나 그 구멍(6a, 7a)의 형상, 크기는, 말뚝기초(1)나 교각(2)의 형상, 크기에 의하여 적합하게 결정하는 것으로서 도1, 2에 나타낸 예에 한정되는 것은 아니다.

또한 본 발명의 기초가 되는 접합부 구조는, 도7에 나타낸 것에 한정되지 않으며 특허문헌4에 기재된 범위내이면 된다.

예를 들면 강철 셸(4)은 말뚝기초(1)의 말뚝머리(1a)의 정상면으로부터 하방(下方)까지 끼운 것이 아니라, 말뚝머리(1a)의 정상면까지 끼운 것이더라도 좋다. 또한 말뚝기초는 원기둥모양이 아니라 각통모양이더라도 좋다. 다만 이 경우에는 강철 셸(4)도 각통모양으로 한다. 또한 교각(2)도 각통모양이 아니라 원통모양이더라도 좋다.

1 ; 말뚝기초
1a ; 말뚝머리
2 ; 교각
2a ; 외판
2ａａ ; 어긋남 멈춤구멍
2ａｂ ; 연장부
3 ; 접합용 철근
4 ; 강철 셸
5 ; 접합용 콘크리트
6 ; 제1구멍 뚫린 강판
6a ; 구멍
7 ; 제2구멍 뚫린 강판
7a ; 구멍

Claims

콘크리트제 말뚝기초(concrete製 pile foundation)의 말뚝머리(pile head)와, 통모양의 강제 교각(鋼製橋脚)과의 접합구조로서,
상기 말뚝머리에 직접 또는 설치대판(設置臺板)을 사이에 두고 착좌(着座)시키기 위하여 상기 교각의 기부(基部)에 연속하여 형성된 외판(外板)과,
이 외판의 외주(外周)측에 상기 말뚝머리로부터 돌출시킨 접합용 철근(接合用鐵筋)과,
이 접합용 철근의 돌출방향과 동일한 방향으로 길이방향이 되도록 상기 외판의 외주면에 교대로 돌출시킨 복수개의 제1구멍 뚫린 강판(鋼板) 및 복수개의 제2구멍 뚫린 강판과,
상기 외판 및 상기 접합용 철근의 외측에 끼워지고, 외판을 외주측으로 연장시킨 연장부(延長部)를 통하여 외판과 연결되어 고정되는 통모양의 강철 셸(鋼鐵 shell)을
구비하고,
상기 외판에는 상기 교각측의 상측끝부분을 제외한 부분에 다수의 어긋남 멈춤구멍이 형성되고,
상기 제2구멍 뚫린 강판은 상기 제1구멍 뚫린 강판보다 길이방향의 치수가 짧고, 상기 어긋남 멈춤구멍이 형성되어 있지 않은 상기 외판의 상측끝부분에 설치되어 있고,
외판의 상기 어긋남 멈춤구멍과 제1구멍 뚫린 강판의 구멍으로 들어간, 상기 강철 셸과 외판 사이에 타설(打設)되는 접합용 콘크리트(接合用 concrete)가 말뚝머리에 전단력(剪斷力)을 전달하는 것에 더하여, 제2구멍 뚫린 강판의 구멍으로 들어간 접합용 콘크리트가 교각기부와 강철 셸 사이의 단면급변(斷面急變)에 의한 강철과 콘크리트 사이의 응력집중(應力集中)과 박리(剝離)를 억제하도록 하는 것을 특징으로 하는 강제 교각과 콘크리트제 말뚝기초의 접합구조.