KR101912376B1 - 판형 트러스 거더 및 이를 이용한 합성형교 - Google Patents

Abstract

본 발명은 효율적 단면 설계과 용이한 제작이 가능하며, 교축 직각 방향으로 상현재의 비틀림 저항을 증가시킴과 동시에 풍하중의 영향을 적게 받을 수 있는 판형 트러스 거더 및 이를 이용한 합성형교에 대한 것이다.
본 발명 판형 트러스 거더는 거더의 길이 방향으로 배치되는 것으로 거더의 폭 방향으로 일정 폭을 갖는 판형의 상현재; 상기 상현재의 하부에 이격되게 배치되는 것으로 거더의 폭 방향으로 일정 폭을 갖는 판형의 하현재; 복수 개가 구비되어 양단부가 상기 상현재의 하면과 하현재의 상면에 각각 결합되는 것으로 거더의 폭 방향으로 일정 폭을 갖는 판형의 사재; 상기 상현재의 상부에 거더의 길이 방향으로 고정되도록 결합되어 상현재의 축좌굴 강도를 보강하는 상부보강재; 및 상기 거더의 양단부의 상현재와 하현재 사이에 한 쌍으로 구비되는 것으로 사이에 상기 사재가 구비되는 판형복부판; 으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

판형 트러스 거더 및 이를 이용한 합성형교{Plate truss girder and composite girder bridge using the same}

본 발명은 효율적 단면 설계과 용이한 제작이 가능하며, 교축 직각 방향으로 상현재의 비틀림 저항을 증가시킴과 동시에 풍하중의 영향을 적게 받을 수 있는 판형 트러스 거더 및 이를 이용한 합성형교에 대한 것이다.

판형교(plate girder bridge)는 플레이트로 I형 거더를 구성하고 그 위에 콘크리트 슬래브를 시공한 것으로 가장 많이 이용되는 강교 중 하나이다(도 1, 등록특허 제10-1262755호).

그러나 경간장 30m 이상의 중장경간 판형교는 복부판의 강재물량 비중이 40~50%에 달해 주로 휨에 지배되는 교량용 거더로서는 비합리적이다.

또한, 장경간 거더에서는 형고가 높기 때문에 복부판재의 세장비가 커져 복부판의 전단 좌굴 및 압축 영역의 휨 좌굴 우려가 있다. 따라서 이를 방지하기 위하여 수직 및 수평보강재의 비중을 증가시키면 더욱 비경제적인 설계가 될 수 있다.

실제로 지점부에 가까운 일부 영역을 제외하면 전단 저항에 소요되는 단면적은 매우 작음에도 형고가 높은 교량용 거더에서는 용접성, 제작 편의 및 설치 작업의 안정성 등을 위해 최소한의 두께가 요구된다.

뿐만 아니라, 다수의 플레이트 거더와 콘크리트 바닥판으로 이루어지는 판형교에서 압축플랜지는 콘크리트 바닥판과 합성된다. 이에 거더 자중 및 콘크리트 타설 하중에 대하여 저항할 수 있는 최소한의 단면적으로 설계되는데, 교축 직각 방향으로 최외곽에 배치되는 거더는 시공 중 풍하중을 받기 때문에 콘크리트 바닥판과의 합성 전까지 횡비틀림 좌굴에 취약하다.

그런데 플레이트 거더의 복부는 압축플랜지의 비틀림을 효과적으로 구속하지 못하므로, 압축플랜지의 비틀림 지지점 역할을 할 수 있도록 소정 간격으로 수직보강재가 추가되어야 한다.

한편, 상현재, 하현재 및 사재 등 직선 부재를 삼각형 형태로 배열하여 구성되는 트러스교는 재료를 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 압축을 받는 부재의 축좌굴 방지를 위해 양방향 휨에 대해 모두 강성이 큰 단면 형상이 필요하다.

따라서 부재 간 교점에서 각 부재의 중립축이 한 점에서 만나도록 하기 위한 절점부 상세가 복잡하므로 거셋플레이트를 이용하거나 복잡한 재단 및 용접을 통해 부재를 연결하여 제작이 어렵고, 과도한 용접으로 절점부의 결함 발생 우려가 크다(도 2, 등록특허 제10-994960호).

이에 따라 트러스교는 주로 소수의 거더로 이루어진 장경간의 교량 또는 중로교 및 하로교에 주로 적용되며, 콘크리트 상부 바닥판과 합성되는 합성형교에서는 많이 사용되지 못하고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 효율적인 단면 설계가 가능하면서 제작이 용이한 판형 트러스 거더 및 이를 이용한 합성형교를 제공하고자 한다.

본 발명은 교축 직각 방향으로 상현재의 비틀림 저항을 증가시킬 수 있고, 풍하중의 영향을 적게 받는 판형 트러스 거더 및 이를 이용한 합성형교를 제공하고자 한다.

바람직한 실시예에 따른 본 발명은 거더의 길이 방향으로 배치되는 것으로 거더의 폭 방향으로 일정 폭을 갖는 판형의 상현재; 상기 상현재의 하부에 이격되게 배치되는 것으로 거더의 폭 방향으로 일정 폭을 갖는 판형의 하현재; 복수 개가 구비되어 양단부가 상기 상현재의 하면과 하현재의 상면에 각각 결합되는 것으로 거더의 폭 방향으로 일정 폭을 갖는 판형의 사재; 상기 상현재의 상부에 거더의 길이 방향으로 고정되도록 결합되어 상현재의 축좌굴 강도를 보강하는 상부보강재; 및 상기 거더의 양단부의 상현재와 하현재 사이에 한 쌍으로 구비되는 것으로 사이에 상기 사재가 구비되는 판형복부판; 으로 구성되어, 상현재 및 하현재는 사재에 의해서만 지지되고, 압축력을 받는 사재의 일부 또는 전부의 일측면 또는 양측면에 사재의 길이 방향으로 보강 리브가 결합되거나 복수의 사재를 서로 연결하도록 거더의 길이 방향으로 지지바가 결합되어 사재의 좌굴을 방지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 판형 트러스 거더를 제공한다.

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다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 상부보강재는 상현재의 상부에 이격되도록 배치되는 종방향 철근 및 상기 상현재의 상면과 종방향 철근을 상호 연결하여 고정하는 래티스근으로 구성되는 것을 특징으로 하는 판형 트러스 거더를 제공한다.

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다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 교축 직각 방향으로 상호 이격되도록 배치되는 적어도 2 이상의 거더 및 상기 거더의 상부에 구비되는 콘크리트 바닥판으로 구성되되, 교축 직각 방향의 최외곽 거더는 상기 판형 트러스 거더인 것을 특징으로 하는 판형 트러스 거더를 이용한 합성형교를 제공한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 판형 트러스 거더를 구성하는 것으로 거더의 길이 방향으로 배치되는 상현재, 하현재 및 사재를 두께가 얇은 판형 플레이트로 구성함으로써, 공사중 횡비틀림 좌굴에 대한 안정성을 높일 수 있다. 아울러 풍하중에 대한 안전성을 향상시킬 수 있다.

둘째, 판형 트러스 거더를 구성하는 사재가 거더의 폭 방향, 즉 교축의 직각 방향으로 일정 폭을 갖는다. 따라서 사재의 단부가 결합되는 절점부의 결합 상세가 단순하고 용접이 용이하다. 아울러 절점부에서 사재의 중립축을 일치시키기 쉬우며, 거더의 비틀림에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다.

셋째, 상부보강재를 거더의 길이 방향을 따라 상현재의 상부에 고정하면, 상현재의 휨 강성을 보강할 수 있다.

넷째, 사재의 길이 방향을 따라 사재의 측면에 보강 리브를 결합하면, 압축 또는 교번 응력을 받는 사재의 휨 강성을 보강할 수 있다.

다섯째, 복수의 사재를 지지바로 연결하면, 사재의 유효 지점 간 거리를 줄여 좌굴 강도를 높일 수 있다.

여섯째, 거더 양단부의 상현재와 하현재 사이에 판형복부판을 결합하면, 전단력의 영향이 큰 지점부를 효율적으로 보강할 수 있어 경제적인 단면 설계가 가능하다.

도 1은 종래 판형교의 일례를 도시하는 사시도.
도 2는 종래 트러스교의 일례를 도시하는 측면도.
도 3은 본 발명 판형 트러스 거더의 사시도.
도 4는 상현재의 상세를 도시하는 사시도.
도 5는 콘크리트 바닥판이 설치된 본 발명 판형 트러스 거더의 단면도.
도 6은 보강 리브가 구비된 사재를 도시하는 사시도.
도 7은 보강 리브와 사재의 결합 관계를 도시하는 평면도.
도 8은 일실시예에 의한 지지바가 구비된 본 발명 판형 트러스 거더의 사시도.
도 9는 다른 실시예에 의한 지지바가 구비된 본 발명 판형 트러스 거더의 사시도.
도 10은 판형복부판이 구비된 본 발명 판형 트러스 거더의 사시도.
도 11은 본 발명 판형 트러스 거더를 이용한 합성형교의 사시도.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명 판형 트러스 거더의 사시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명 판형 트러스 거더는 거더(1)의 길이 방향으로 배치되는 것으로 거더(1)의 폭 방향으로 일정 폭을 갖는 판형의 상현재(11); 상기 상현재(11)의 하부에 이격되게 배치되는 것으로 거더(1)의 폭 방향으로 일정 폭을 갖는 판형의 하현재(12); 및 복수 개가 구비되어 양단부가 상기 상현재(11)의 하면과 하현재(12)의 상면에 각각 결합되는 것으로 거더(1)의 폭 방향으로 일정 폭을 갖는 판형의 사재(13); 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 효율적인 단면 설계가 가능하고 제작이 용이하며, 교축 직각 방향으로 상현재(11)의 비틀림 저항을 증가시킴과 함께 풍하중의 영향을 적게 받는 판형 트러스 거더 및 이를 이용한 합성형교를 제공하기 위한 것이다.

본 발명 판형 트러스 거더는 상현재(11), 하현재(12) 및 사재(13)로 구성된다.

상기 상현재(11)와 하현재(12)는 거더(1)의 길이 방향을 따라 배치된다.

이에 상기 상현재(11)는 압축을 받고 하현재(12)는 인장을 받는다.

상기 사재(13)는 배치에 따라 인장이나 압축 또는 교번 응력을 받는다.

상기 상현재(11), 하현재(12) 및 사재(13)는 모두 두께가 얇은 판형의 플레이트로 구성된다.

따라서 풍하중을 받는 면적이 많이 줄어들게 되므로, 공사중 최외곽 거더(1)의 횡비틀림 좌굴에 대해 안정성이 매우 높다.

또한, 상현재(11), 하현재(12) 및 사재(13)의 두께가 얇아 기존 트러스교 대비 우수한 외관을 형성할 수 있다.

상기 상현재(11), 하현재(12) 및 사재(13)는 모두 거더(1)의 폭 방향, 즉 교축의 직각 방향으로 일정 폭을 갖는다.

따라서 부재의 절점부에서 사재(13)의 단부는 상현재(11)나 하현재(12) 또는 다른 사재(13)와 직접 맞닿아 일차원적인 용접선을 형성할 수 있다.

이에 따라 본 발명 판형 트러스 거더는 충복식 플레이트 거더와 마찬가지로 절점부 상세가 매우 단순하고, 용접이 용이할 뿐 아니라 용접량이 대폭 감소된다. 또한, 부재 절점부에서 사재(13)들의 중립축을 일치시키기 매우 용이하다.

아울러 상기 사재(13)는 교축의 직각 방향으로 넓은 폭을 가지고 있기 때문에, 거더(1)의 비틀림에 대한 저항성이 크다. 뿐만 아니라 사재(13)의 단부가 넓은 폭에 걸쳐 상현재(11)와 고정되므로, 상현재(11)의 비틀림에 저항하는 지지점 역할을 할 수 있다.

도 4는 상현재의 상세를 도시하는 사시도이고, 도 5는 콘크리트 바닥판이 설치된 본 발명 판형 트러스 거더의 단면도이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 상현재(11)의 상부에는 거더(1)의 길이 방향으로 고정되도록 결합되어 상현재(11)의 축좌굴 강도를 보강하는 상부보강재(14)가 결합될 수 있다.

판형의 상현재(11)와 하현재(12)는 일축, 즉 폭 방향에 대해서는 강한 휨 강성을 갖고 있으나, 다른 한 축인 두께 방향에 대해서는 휨 강성이 매우 약하다. 이에 압축을 받는 상현재(11)와 압축이나 교번 응력을 받는 사재(13)는 축좌굴에 취약하다.

따라서 거더(1)의 길이 방향으로 배치되는 상부보강재(14)를 상현재(11)의 상부에 고정되도록 결합함으로써 상현재(11)의 휨 강성을 보강한다.

이 경우, 주된 축력은 상현재(11)가 부담하고, 상부보강재(14)는 상현재(11)와의 합성에 의해 휨 강성을 보강한다.

상기 상부보강재(14)는 상현재(11)의 폭에 따라 복수 열로 배치 가능하다.

상기 상부보강재(14)는 상현재(11)의 상부에 이격되도록 배치되는 종방향 철근(141) 및 상기 상현재(11)의 상면과 종방향 철근(141)을 상호 연결하여 고정하는 래티스근(142)으로 구성할 수 있다.

상기 상부보강재(14)는 콘크리트 바닥판(2)에 매입될 종방향 철근(141)을 활용하여 구성 가능하다.

상기 래티스근(142)은 파형으로 형성되는 것으로, 종방향 철근(141)을 상현재(11)의 상면에 고정한다.

상기 래티스근(142)은 콘크리트 바닥판(2) 내부에 매립되어 전단연결재 역할을 한다. 이에 따라 트러스 거더(1)와 콘크리트 바닥판(2)을 일체화할 수 있으며, 별도로 전단연결재를 설치하는 과정이 불필요하다.

도 6은 보강 리브가 구비된 사재를 도시하는 사시도이고, 도 7은 보강 리브와 사재의 결합 관계를 도시하는 평면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 압축력을 받는 사재(13)의 일부 또는 전부의 일측면 또는 양측면에는 사재(13)의 길이 방향으로 보강 리브(15)가 결합될 수 있다.

상기 보강 리브(15)는 축력 지지 없이 휨 강성만을 보강하기 위한 것으로 인장재에는 불필요하다.

압축재의 경우에도 지점부 부근과 같이 압축력이 큰 경우에만 적용하면 충분하다.

구조 해석 결과, 사재(13)의 압축력이 일정 크기 이상이면 보강 리브(15)를 결합하는 것이 바람직한 것으로 판단되었다.

상기 보강 리브(15)는 압축 또는 교번 응력을 받는 사재(13)의 부족한 휨 강성을 보강하기 위해 사재(13)의 길이 방향으로 결합되며, 용접 등의 방법으로 결합 가능하다.

상기 보강 리브(15)는 도 7의 (a)와 같이 사재(13)의 양측면에 결합되어 단면상 +자형을 이루도록 배치될 수 있고, 도 7의 (b)와 같이 사재(13)의 일측면에만 결합되어 단면상 T형을 이루도록 배치될 수도 있다.

도 6 및 도 7에 도시된 실시예에서는 보강 리브(15)가 사재(13) 폭의 중앙 부분에 배치되었으나 특별히 상기 위치에 제한되는 것은 아니며, 사재(13)의 폭에 따라 복수 열로 배치하는 것도 가능하다.

상기 보강 리브(15)는 양단을 상현재(11)의 하면 및 하현재(12)의 상면에 각각 용접하여 고정할 수 있다. 그러나 보강된 단면에서 축좌굴을 고려하여 저감된 강도가 보강 전 단면에서 축좌굴을 고려하지 않은 강도보다 적은 경우, 보강 리브(15)의 강접으로 인한 절점부의 의도하지 않는 국부 모멘트 또는 용접 응력의 영향을 줄이기 위해 보강 리브(15)의 양단을 상현재(11)와 하현재(12)에 고정하지 않는 것이 바람직하다.

도 8은 일실시예에 의한 지지바가 구비된 본 발명 판형 트러스 거더의 사시도이고, 도 9는 다른 실시예에 의한 지지바가 구비된 본 발명 판형 트러스 거더의 사시도이다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 사재(13)에는 복수의 사재(13)를 서로 연결하는 지지바(16)가 거더(1)의 길이 방향으로 결합될 수 있다.

상기 지지바(16)는 사재(13)의 좌굴을 방지하기 위한 것이다.

상기 지지바(16)는 복수의 사재(13)들을 서로 연결하여 사재(13)의 유효 지점 간 거리를 줄임으로써 좌굴 강도를 높인다.

도 8과 같이, 상기 지지바(16)는 하나의 지지바(16)가 복수의 사재(13)를 관통하도록 구성될 수도 있고, 지지바(16)를 복수 개로 분절하여 이웃하는 사재(13)의 사이 사이를 연결하도록 구성될 수도 있다.

또는, 도 9와 같이, 한 쌍의 지지바(16)를 사재(13)의 양측에 용접 등으로 결합하는 것도 가능하다.

상기 지지바(16)는 철근, 강봉 등을 사용 가능하다.

상기 지지바(16)는 사재(13)의 폭, 두께 또는 길이 등에 따라 복수 열로 설치 가능하다.

도 10은 판형복부판이 구비된 본 발명 판형 트러스 거더의 사시도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 상기 거더(1)의 양단부의 상현재(11)와 하현재(12) 사이에 한 쌍으로 구비되는 것으로 사이에 상기 사재(13)가 구비되는 판형복부판(17); 이 포함되어, 상현재(11) 및 하현재(12)는 사재(13)에 의해서만 지지되도록 구성될 수 있다.
상기 거더(1)의 양단부에는 상기 상현재(11)와 하현재(12)의 사이에 판형복부판(17)이 각각 결합되고, 상기 사재(13)는 거더(1) 양측의 판형복부판(17) 사이에 구비되도록 구성할 수 있다.

지점부 부근에서는 전단력이 크게 발생하므로 사재(13)에 과도한 축력 부담이 작용한다. 특히, 경간에 비해 형고가 높으면 지점부 부근에서 전단에 의한 영향이 크게 작용한다.

따라서 지간 중앙은 판형 트러스로 형성하고, 전단력의 영향이 큰 지점부 부근은 판형복부판(17)을 설치하여 단면을 효율적으로 설계할 수 있다.

상기 판형복부판(17)은 지점부 부근에서 상현재(11) 및 하현재(12)의 축력 변화를 유도하는 역할도 한다.

지점부 부근에서는 풍하중에 의한 영향이 적으므로 충복식의 판형복부판(17)을 형성하여도 무방하다.

도 11은 본 발명 판형 트러스 거더를 이용한 합성형교의 사시도이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명 판형 트러스 거더를 이용한 합성형교는 교축 직각 방향으로 상호 이격되도록 배치되는 적어도 2 이상의 거더(1) 및 상기 거더(1)의 상부에 구비되는 콘크리트 바닥판(2)으로 구성되되, 교축 직각 방향의 최외곽 거더(1)는 본 발명 판형 트러스 거더(1)인 것을 특징으로 한다.

본 발명 판형 트러스 거더를 이용한 합성형교는 도 3 내지 도 10을 참고하여 전술한 판형 트러스 거더(1)의 상부에 콘크리트 바닥판(2)이 설치된 것이다.

도 11에서는 상호 이격되도록 병렬 설치되는 3개의 거더(1) 상부에 콘크리트 바닥판(2)이 설치되었다.

도 11에서는 외측 거더 뿐만 아니라 내측 거더 또한 본 발명에 의한 판형 트러스 거더를 설치하였다. 그러나 경우에 따라 내측 거더는 일반적인 플레이트 거더를 사용할 수도 있다.

1: 거더
11: 상현재
12: 하현재
13: 사재
14: 상부보강재
141: 종방향 철근
142: 래티스근
15: 보강 리브
16: 지지바
17: 판형복부판
2: 콘크리트 바닥판

Claims (7)

1. 거더(1)의 길이 방향으로 배치되는 것으로 거더(1)의 폭 방향으로 일정 폭을 갖는 판형의 상현재(11);
   상기 상현재(11)의 하부에 이격되게 배치되는 것으로 거더(1)의 폭 방향으로 일정 폭을 갖는 판형의 하현재(12);
   복수 개가 구비되어 양단부가 상기 상현재(11)의 하면과 하현재(12)의 상면에 각각 결합되는 것으로 거더(1)의 폭 방향으로 일정 폭을 갖는 판형의 사재(13);
   상기 상현재(11)의 상부에 거더(1)의 길이 방향으로 고정되도록 결합되어 상현재(11)의 축좌굴 강도를 보강하는 상부보강재(14); 및
   상기 거더(1)의 양단부의 상현재(11)와 하현재(12) 사이에 한 쌍으로 구비되는 것으로 사이에 상기 사재(13)가 구비되는 판형복부판(17); 으로 구성되어, 상현재(11) 및 하현재(12)는 사재(13)에 의해서만 지지되고,
   압축력을 받는 사재(13)의 일부 또는 전부의 일측면 또는 양측면에 사재(13)의 길이 방향으로 보강 리브(15)가 결합되거나 복수의 사재(13)를 서로 연결하도록 거더(1)의 길이 방향으로 지지바(16)가 결합되어 사재(13)의 좌굴을 방지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 판형 트러스 거더.
   
2. 제1항에서,
   상기 상부보강재(14)는 상현재(11)의 상부에 이격되도록 배치되는 종방향 철근(141) 및 상기 상현재(11)의 상면과 종방향 철근(141)을 상호 연결하여 고정하는 래티스근(142)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 판형 트러스 거더.
   
3. 교축 직각 방향으로 상호 이격되도록 배치되는 적어도 2 이상의 거더(1) 및 상기 거더(1)의 상부에 구비되는 콘크리트 바닥판(2)으로 구성되되,
   교축 직각 방향의 최외곽 거더(1)는 상기 제1항 또는 제2항에 의한 판형 트러스 거더(1)인 것을 특징으로 하는 판형 트러스 거더를 이용한 합성형교.
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