KR102009704B1 - 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더 및 이를 이용한 교량 시공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 거더의 상면에 중공의 박스형 단면을 형성하여 거더의 중립축을 위쪽으로 이동시킴으로서 단면의 효율성을 극대화하고, 거더 긴장시 거더 상면에 발생되는 인장응력을 강재로 제작된 내부 영구매립형 거푸집이 부담하도록 하여 긴장력을 최대화시킬 수 있도록 한 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더를 제공한다. 본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더는, 하부플랜지와 복부 및 상부플랜지를 갖고, 하부 플랜지에 종방향으로 설치된 긴장재에 의해 긴장력이 도입되어 있는 거더에 있어서, 상부플랜지의 폭을 하부플랜지의 폭보다 크게 하여 나타난 중립축보다 일정량만큼 더 위로 올라간 중립축을 갖도록 복부의 상부에는 상부플랜지에 연접하여 단면이 증대된 단면확장부를 구비하고, 상기 단면확장부에는 상기 긴장재의 긴장력에 대응하여 상부플랜지의 상면에서 발생되는 인장응력을 부담하는 강재 영구 매립 거푸집이 설치되고, 상기 강재 영구 매립 거푸집은 거더의 경량을 겸하기 위해 내부에 중공부를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더 및 이를 이용한 교량 시공 방법{Steel permanent landfill form using upper flange box compound gider and construction method using the same}

본 발명은 교량에 적용되는 거더에 관한 것으로, 특히 거더의 상면에 중공의 박스형 단면을 형성하여 거더의 중립축을 위쪽으로 이동시킴으로서 단면의 효율성을 극대화하고, 거더 긴장시 거더 상면에 발생되는 인장응력을 강재(steel)로 제작된 내부 영구매립형 거푸집이 부담하도록 하여 긴장력을 최대화시킬 수 있도록 한 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더 및 이를 이용한 교량 시공 방법에 관한 것이다.

교량에 적용되는 거더는 바닥콘크리트(슬래브)를 교각과 교대 위에 떠받치는 역할을 한다. 일반적으로 거더는 I형 거더와 박스형 거더가 알려져 있다.

I형 거더의 경우, 강선 긴장시 거더 상면에 발생하는 인장력이 허용응력을 초과하여 긴장력 사용량(강선 배치량)이 제한적이다. 이 경우 거더의 형고를 늘려서 거더 강성을 키워야하지만, 형고를 너무 높게 할 수 없으므로 I형 거더의 한계점이 발생한다. 따라서 형고를 최소화하고 긴장력을 최대로 적용하려면 긴장시 거더 상면에 발생하는 인장력을 해결해야 한다. 이를 해결하기 위해 거더 상면에 강재나 강봉을 이용하여 강선 긴장시 인장력을 제어하는 거더로서, SS거더, DR거더, IT거더 등이 제안되고 있다. 또한 I형 거더는 장경간 적용시 횡방향 강성이 작아 횡만곡(횡좌굴) 현상이 발생한다.

한편, 박스형 거더의 경우 구조적 효율성은 우수하나 거더 본당 중량이 커서 가설시 대형 크레인이 필요하고, 거더 본당 중량이 증가하여 대용량 받침이 필요하다. 또한 공사비가 고가이므로 경제성이 떨어지며, 시공시 작업성이 불량하여 실행단가가 상승하는 문제가 있다.

따라서 단면효율성을 고려하여 거더의 형고를 최소화하고 긴장력을 최대로 하기 위해 거더 상면의 인장력이 해결되고, 거더 본당 중량이 작아지는 거더가 요구된다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 공개특허 공개번호 제10-2016-0063681호로서, '대편심의 프리스트레스트 콘크리트 거더 및 그 다경간 연속구조'가 제안되어 있다. 이는 종방향으로 긴장재에 의해 긴장력이 도입되어 있는 PSC 거더로서, 상부플랜지, 복부(web) 및 하부플랜지를 가지고 있어서, 종방향으로 영문자 I자 형태의 단면 형상을 가지고 있고; 상부플랜지 내에는 종방향으로 연장되어 있는 중공부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하여, 휨강성이 더욱 향상되고 그에 따라 저형고 장경간의 거더를 형성할 수 있도록 한 것이다.

그러나 상기 배경기술은 중공부가 형성되어 있기 때문에 본당 중량을 경감할 수 있는데 반해, 긴장재의 긴장력에 따른 상부플랜지에 발생하는 인장력을 부담할 수 있는 요소가 없기 때문에 긴장력을 증대시키는데 한계가 있다. 즉 강선 배치의 증대가 제한된다. 또한 상기 배경기술은 상부플랜지부에 캔틸레버구간(내민부분)이 없는 구조로 상부슬래브의 횡방향 지간거리가 길게 적용되므로 교량의 공용중 상부슬래브에 발생하는 응력이 커져 바닥판의 내구수명이 단축되는 단점이 있다.

본 발명의 다른 배경기술로는 한국 등록특허 등록번호 제10-1505039호로서, '강재 보강 빔과 콘크리트 빔의 합성에 의한 저형고 및 프리스트레스 보강 구성의 합성거더' 가 제안되어 있다. 이는 콘크리트 빔의 상부 플랜지측에 강재 보강 빔을 일부 매설하여 타부가 노출되도록 설치한 구성으로서, 낮은 형고를 갖는 특징을 갖는다. 그러나 이 배경기술은 상부플랜지부가 종래의 I형 거더와 동일하게 형성되므로 단면의 중립축 상승효과가 미비하고, 형고 감소 효과가 저감되어 궁극적으로 거더의 본당 중량을 줄일 수 없는 문제가 있다.

본 발명의 또 다른 배경기술로는 한국 공개특허 공개번호 제10-2013-0090453호로서, '거더의 상부 보강부재 및 이를 이용한 거더'가 제안되어 있다. 이는 거더의 상부 플랜지에 하부는 매설되고, 상부는 상측으로 돌출되어 길이 방향으로 설치되는 관 구조의 본체; 본체의 내부에 충전된 충전재;를 포함하는 것을 특징으로 하여 구성된 것이다. 그러나 이 배경기술도 역시 상부플랜지부가 종래의 I형 거더와 동일하게 형성되므로 단면의 중립축 상승효과가 미비하고, 형고 감소 효과가 저감되어 궁극적으로 거더의 본당 중량을 줄일 수 없는 문제가 있다.

한국 공개특허 공개번호 제10-2016-0063681호 한국 등록특허 등록번호 제10-1505039호 한국 공개특허 공개번호 제10-2013-0090453호

본 발명은 종래의 I형 거더 상부플랜지부에 중공의 박스형 단면을 형성하여 상부플랜지부를 광폭으로 형성함으로서 거더의 중립축을 위쪽으로 이동시켜 단면의 효율성을 극대화하고, 거더 긴장시 거더 상면에 발생되는 인장응력을 강재(Steel)로 제작된 내부의 영구매립형 거푸집이 부담하도록 하여 긴장력을 최대화시킬 수 있도록 한 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더를 제공함에 그 목적이 있다. 또한 상부플랜지부에 중공의 박스형 단면을 형성하여 상부플랜지부를 광폭으로 형성함으로써 횡방향 강성이 증대되어 종래의 I형 거더의 강선 긴장시 발생되는 횡만곡 현상을 방지할 수 있도록 한 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더 및 이를 이용한 교량 시공 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더는, 하부플랜지와 복부 및 상부플랜지를 갖고, 하부 플랜지에 종방향으로 설치된 긴장재에 의해 긴장력이 도입되어 있는 거더에 있어서, 상부플랜지의 폭을 하부플랜지의 폭보다 크게 하여 나타난 중립축보다 일정량만큼 더 위로 올라간 중립축을 갖도록 복부의 상부에는 상부플랜지에 연접하여 단면이 증대된 단면확장부를 구비하고, 상기 단면확장부에는 상기 긴장재의 긴장력에 대응하여 상부플랜지의 상면에서 발생되는 인장응력을 부담하는 강재 영구 매립 거푸집이 설치되고, 상기 강재 영구 매립 거푸집은 거더의 경량을 겸하기 위해 내부에 중공부를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 강재 영구 매립 거푸집에는 외측 표면에 단면확장부와의 전단연결을 원활히 하도록 강재스터드가 용접으로 접합되어 있거나 나사 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 중공부의 단면은 역사다리꼴, 역삼각형, 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상부플랜지의 폭 하부플랜지의 폭보다 크게 하되, 상부플랜지의 두께를 하부플랜지의 두께보다 더 작게 하고, 단면확장부는 역삼각 단면을 갖고, 강재 영구 매립 거푸집은 단면확장부보다 작은 역삼각 단면을 가지고 단면확장부의 중앙에 배치되며, 상부플랜지의 폭방향 양쪽 단부는 단면확장부에서 일정량 더 연장된 길이에 위치되어 구성된 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더를 이용한 교량 시공 방법은 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더를 교각 또는 교대상에 거치한 후, 상부 콘크리트를 타설하여 교량측 바닥판이 시공되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더에 따르면, 거더 상부의 단면을 박스화하여 거더의 중립축을 위로 올림으로서 긴장재의 편심량을 최대로 적용할 수 있어 긴장재의 효율성이 극대화된다. 따라서 거더의 형고를 최소화하여 I형 거더의 연장별 형고를 낮출 수 있으며, 장지간 적용시 저형고로 적용이 가능한 장점을 갖는다.

또한, 거더 상부의 단면을 박스화할 때 강재 영구 매립 거푸집을 적용하여 거더 긴장시 상연에 발생되는 인장력을 강재 영구 매립 거푸집이 부담함으로써 긴장재의 량을 최대로 적용할 수 있다. 따라서, 구조효율성이 향상되고 거더 형고를 더욱 낮게 적용할 수 있는 이점을 갖는다.

또한, 강재 영구 매립 거푸집이 박스형으로 적용됨으로써 별도의 EPS블럭의 설치가 불필요해진다. 따라서, 부력방지장치의 설치가 불필요해지고, 시공성 및 경제성 향상이 이루어진다.

또한, 거더의 상면이 박스 형태이므로 횡방향강성이 증가하고, 또한 강재 영구 매립 거푸집이 배치되어 있어 횡방향 강성이 우수해지므로 긴장시 횡만곡(횡좌굴) 안전성이 향상된다.

또한, 거더측 상부플랜지의 상면폭이 일반 I형 거더보다 넓기 때문에 바닥판의 순지간이 감소되어 발생응력이 작아짐으로 바닥판의 내구성이 향상된다.

또한, 종래의 I형 거더와 비교하여 거더의 폭원을 광폭으로 적용하여 동일 폭원 대비 거더 본수를 최소로 적용할 수 있어 공사비를 감소시키는 효과가 있으며, 교량의 받침 개소를 최소화하여 향후 유지관리가 유리해지는 장점이 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 1은 본 발명의 일 형태에 따른 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더의 사시도.
도 2는 도 1의 단면도.
도 3은 도 1의 부분 절취된 사시도.
도 4는 도 1에 매립된 강재 영구 매립 거푸집 일부 절취된 사시도.
도 5a는 본 발명의 다른 형태에 따른 강재 영구 매립 거푸집에 강재스터드가 설치된 상태에서의 상부 플랜지 박스형 거더의 단면도.
도 5b는 도 5a에 도시된 강재 영구 매립 거푸집의 사시도.
도 6은 본 발명의 일 형태에 따른 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더와 상부플랜지가 하부플랜지보다 폭이 큰 I형 거더와의 중립축 대비 예시도.
도 7은 본 발명에 적용되는 강재 영구 매립 거푸집의 다양한 형태가 각기 적용된 거더의 다양한 단면도.
도 8은 본 발명의 일 형태에 따른 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더의 시공상태도.

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 1 내지 도 3에서와 같이 본 발명에 따른 강재(steel) 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더(10)는 하부플랜지(11)와 복부(12) 및 상부플랜지(13)를 갖고, 하부 플랜지(11)에 종방향으로 설치된 복수개 이상의 긴장재(14)에 의해 긴장력이 도입되어 있다.

여기서, 상부플랜지(13)의 상면폭(L2)은 하부플랜지(11)의 폭(L1)보다 크게 구성함이 바람직하다. 즉, 상부플랜지(13)의 상면폭은 일반 I형 거더보다 넓게 구성함이 바람직하다. 이 때문에 도 8과 같이 본 발명의 박스형 복합거더(10)가 교각(5)(또는 교대)상에 거치된 후 상부 콘크리트의 타설로 교량이 시공되면 교량측 바닥판(30)의 순지간이 감소되어 발생응력이 작아짐으로 바닥판의 내구성이 향상된다.

또한, 박스형 복합거더(10)는 거더(10)의 중립축(e₂)이 도 6과 같이 상부플랜지의 폭을 하부플랜지의 폭보다 크게 형성시킨 I형 거더(10')보다 △y 만큼 위로 상승되도록 상기 복부(12)의 상부에는 상부플랜지(13)에 연접하여 단면이 증대된 단면확장부(121)가 형성되어 있다. 단면확장부(121)는 예시된 바와 같이 역삼각 모양이 될 수 있으나 이러한 모양에 제한되는 것은 아니다.

단면확장부(121)에는 하부플랜지(11)에 종방향으로 설치된 긴장재(14)의 긴장력에 대응하여 상부플랜지(13)의 상면에서 발생되는 인장응력을 부담하는 강재 영구 매립 거푸집(20)이 설치되어 있다. 도 4와 같이 강재 영구 매립 거푸집(20)은 거더(10)의 경량을 겸하기 위해 강재(STEEL)로 제작되어져 내부로 중공부(201)를 갖는다. 중공부(201)를 형성하기 위해 강재 영구 매립 거푸집(20)은 박스 형태로 제작된다. 이때 강재 영구 매립 거푸집(20)은 양단부가 폐쇄되어 단면확장부(121)에 매립되어 설치된다.

도 5a 및 도 5b와 같이 강재 영구 매립 거푸집(20)에는 외측 표면에 단면확장부(121)와의 전단연결을 원활히 하도록 강재스터드(STUD)(21)가 더 설치될 수 있다. 강재스터드(21)는 예로 강재 영구 매립 거푸집(20)의 길이 방향으로 서로 간에 동일한 간격을 가지고 강재 영구 매립 거푸집(20)의 외측 표면에 배열되어 설치될 수 있다.

따라서 강재스터드(21)는 강재 영구 매립 거푸집(20)을 단면확장부(121)의 콘크리트층에 합성시켜 강재 영구 매립 거푸집(20)이 거더(10)에 일체되어 거동하도록 한다. 강재스터드(21)는 강재 영구 매립 거푸집(20)의 외측 표면에 용접으로 접합되거나 나사 결합되어 설치될 수도 있다.

강재 영구 매립 거푸집(20)의 중공부(201) 단면은 도 7에서와 같이 역사다리꼴, 역삼각형, 원형, 타원형 중 어느 하나의 형태를 가질 수 있다. 물론 강재 영구 매립 거푸집(20)의 중공부(201) 단면은 도시되지 않았지만 사각형 등 다각형태로 적용할 수도 있다.

이와 같이 구성된 박스형 복합거더(10)는 거더 상부의 단면이 박스(BOX)화되어 도 6과 같이 거더(10)의 중립축(e₂)이 일정량(dy)만큼 위로 올라감으로써 긴장재(강선)(14)의 편심량을 최대로 적용할 수 있어 긴장재의 효율성이 극대화된다. 따라서 박스형 복합거더(10)의 형고를 최소화하여 종래의 I형 거더보다 연장별 형고를 낮출 수 있으며, 장지간 적용시 종래의 I형 거더보다 저형고로 적용이 가능하다.

이는 아래 표1 및 도 9에 도시된 연장별 형고 감소 현황도에 나타난 바와 같이 박스형 복합거더(10)(일명, 'IB거더'라 지칭함)는 그의 길이 변화에 따른 종래의 EX 거더와 개량형 PSC 거더의 형고를 대비하여 보면, 기존 I형 거더보다 30cm 이상 형고를 줄일 수 있는 저형고로 적용이 가능함을 알 수 있다. 표 1은 연장별 형고 감소 현황 비교표이다.

또한 형고가 높은 종래의 I형 거더보다의 문제점으로 나타나는 재료분리, 긴장시 횡만곡현상 및 전도를 방지할 수 있다.

또한, 거더 상부의 단면을 박스화할 때 강재 영구 매립 거푸집(20)을 적용하여 거더 긴장시 상연에 발생되는 인장력을 강재 영구 매립 거푸집(20)이 부담함으로서 긴장재(강선)(14)를 최대로 적용할 수 있어서, 구조적 효율성이 향상되고 거더 형고를 낮게 적용할 수 있다.

또한, 강재 영구 매립 거푸집(20)이 적용됨으로써 별도의 EPS블럭의 설치가 불필요해진다. 따라서, 부력방지장치의 설치가 불필요해지고, 시공성 및 경제성 향상이 이루어진다.

또한, 거더의 상면이 박스 형태이므로 횡방향 강성이 증가하고, 또한 강재 영구 매립 거푸집(20)이 배치되어 있어 횡방향 강성이 우수해지므로 긴장시 횡만곡(횡좌굴) 안전성이 향상된다.

즉, 아래 표2 및 도 10에 도시된 연장별 횡방향 강성 증가 현황도에 나타난 바와 같이 박스형 복합거더(10)(일명, 'IB거더'라 지칭함)는 그의 길이 변화에 따른 종래의 EX 거더와 개량형 PSC 거더의 횡방향 강성을 대비하여 보면, 기존 I형 거더보다 약 4~5배 증가함을 알 수 있다. 표 2는 연장별 강성 증강 현황 비교표이다.

또한, 상부플랜지(13)의 상면폭이 일반 I형 거더보다 넓기 때문에 도 8과 같이 교량측 바닥판(30)의 순지간이 감소되어 발생응력이 작아짐으로 바닥판의 내구성이 향상된다.

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.

11: 하부플랜지
12: 복부
121: 단면확장부
13: 상부플랜지
14: 긴장재
20: 강재 영구 매립 거푸집
201: 중공부
21: 강재스터드

Claims (5)

1. 하부플랜지(11)와 복부(12) 및 상부플랜지(13)를 갖고, 하부 플랜지(11)에 종방향으로 설치된 긴장재(14)에 의해 긴장력이 도입되어 있는 거더(10)에 있어서,
   상부플랜지(13)의 폭(L2)을 하부플랜지(11)의 폭(L1)보다 크게 하여 바닥판(30)의 순지간을 감소시키고 상부플랜지(13)의 폭(L2)을 하부플랜지(11)의 폭(L1)보다 크게 함에 따라 나타난 중립축(e₁)보다 일정량(dy)만큼 더 위로 올라간 중립축(e₂)을 갖도록 복부(12)의 상부에는 상부플랜지(13)에 연접하여 단면이 증대된 단면확장부(121)를 구비하고, 상기 단면확장부(121)에는 상기 긴장재(14)의 긴장력에 대응하여 상부플랜지(13)의 상면에서 발생되는 인장응력을 부담하고 긴장시 횡좌굴 안전성을 향상시키는 내부에 중공부(201)를 갖는 강재 영구 매립 거푸집(20)이 설치되며, 상부플랜지(13)의 두께(T2)를 하부플랜지(110)의 두께(T1)보다 더 작게 하고, 상부플랜지(13)의 폭방향 양쪽 단부는 단면확장부(121)에서 일정량 더 연장된 길이(L)에 위치되어 구성되되,
   단면확장부(121)는 역삼각 단면을 갖고, 강재 영구 매립 거푸집(20)은 단면확장부(121)보다 작은 역삼각 단면을 가지고 단면확장부(121)의 중앙에 배치된 것을 특징으로 하는 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 강재 영구 매립 거푸집(20)에는 외측 표면에 단면확장부(121)와의 전단연결을 원활히 하도록 강재스터드(21)가 용접으로 접합되어 있거나 나사 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더.
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 제1항에 따른 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더(10)를 교각(5) 또는 교대상에 거치한 후, 상부 콘크리트를 타설하여 교량측 바닥판(30)이 시공되는 것을 특징으로 하는 강재 영구 매립 거푸집이 적용된 상부 플랜지 박스형 복합거더를 이용한 교량 시공 방법.

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