KR102117790B1 - 메탈데크 거푸집시스템을 이용한 하이브리드 강박스거더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합성거더교 공법에 널리 사용되고 있는 강박스거더에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상부가 개방된 개단면의 U형 강박스거더의 박스내부 바닥판 콘크리트의 존치거푸집으로 사용되는 파형 메탈데크 플레이트의 파형 모서리를 견고한 지지부재에 용접하여 보강하고 지지부재를 U형 강박스거더의 상부플랜지에 볼트로 고정하여 바닥판 콘크리트 타설 시에 발생할 수 있는 횡비틀림좌굴 파괴 방지에 구조적으로 매우 효율적인 폐단면 박스구조를 형성함으로써 경제성과 시공성을 개선시킨 하이브리드 강박스거더에 관한 것이다.
본 발명은, 합성강박스거더교를 시공하기 위하여 사용되는 것으로서, 하부플랜지와 상기 하부플랜지의 양단에 결합되는 한 쌍의 웹과 상기 한 쌍의 웹의 상부에 각각 결합되는 한 쌍의 상부플랜지를 포함하는 U형 강박스거더인 본체; 상기 합성강박스거더교의 강박스거더 내측 바닥판 거푸집으로 사용되며 상기 상부플랜지 사이에 거치되는 여러 개의 파형강판인 메탈데크 플레이트와, 상기 메탈데크 플레이트의 양쪽 지지단부 측면에 수직으로 설치되며 상기 메탈데크 플레이트의 파형 모서리에 용접되는 강판인 제1판과 상기 제1판에 용접되는 강판으로서 상기 강박스거더 본체의 상부플랜지에 결합되는 강판인 제2판으로 구성되는 지지부재를 포함하는 메탈데크 조립체; 상기 상부플랜지와 상기 제2판을 결합하기 위한 것으로서 서로 대응되는 위치에 형성되는 볼트 홀과 상기 볼트 홀을 관통하여 체결되는 볼트 및 너트로 구성되는 결합수단;을 포함하며, 서로 인접하는 메탈데크 플레이트는 용접되어 연속화되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 강박스거더를 제공한다.

Description

메탈데크 거푸집시스템을 이용한 하이브리드 강박스거더{Hdybrid Steel Box Girder with the Corrugated Metal Deck Formwork System}

본 발명은 합성거더교 공법에 널리 사용되고 있는 강박스거더에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상부가 개방된 개단면의 U형 강박스거더의 박스내부 바닥판 콘크리트의 존치거푸집으로 사용되는 파형 메탈데크 플레이트의 파형 모서리를 견고한 지지부재에 용접하여 보강하고 지지부재를 U형 강박스거더의 상부플랜지에 볼트로 고정하여 바닥판 콘크리트 타설 시에 발생할 수 있는 횡비틀림좌굴 파괴 방지에 구조적으로 매우 효율적인 폐단면 박스구조를 형성함으로써 경제성과 시공성을 개선시킨 하이브리드 강박스거더에 관한 것이다.

강박스거더를 교각, 교대 등의 하부구조 위에 가설하고 그 위에 콘크리트 바닥판을 시공하는 합성거더교 공법은 널리 사용되고 있는 교량공법 중의 하나이다. 강박스거더에는 도 1a와 같이 상부가 닫혀있는 폐단면 형식과 도 1b와 같이 상부가 개방되어 있는 U형의 개단면 형식이 있다. 박스단면 형상은 도 1a와 같은 직사각형 또는 도 1b와 같은 사다리꼴 형상이 주로 사용된다. 강박스거더교의 초기에는 폐단면 형식만 사용되었지만 최근에는 경제성이 우수한 개단면 형식의 사용이 점차 많아지고 있다. 연속 강박스거더교의 경우에는 연속지점부 부모멘트 구간에서는 폐단면 형식을 사용하고 경간 중앙부의 정모멘트 구간에서는 개단면 형식을 사용하는 등 두 가지의 단면형식을 일련의 강박스거더에서 혼용하기도 한다.

폐단면 강박스거더는 비틀림 강성이 커서 거더를 가설하거나 콘크리트를 타설할 때 발생하기 쉬운 횡비틀림좌굴(lateral torsional buckling) 파괴에 대한 저항능력이 탁월하여 곡률반경이 작은 곡선교에 선호되는 공법이다. 그런데 폐단면의 강박스거더를 합성거더교에 적용하면 합성 후에 바닥판 슬래브와 강박스거더 상부플랜지가 구조적으로 중복되기 때문에 강박스거더 상부플랜지의 구조적 효율성이 떨어지며, 특히 정모멘트 작용구간에서는 상부플랜지에 압축응력이 작용하므로 판의 국부좌굴을 방지하기 위해서 종리브와 횡리브 등 다수의 보강재를 설치해야 하는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 사용 강재량을 줄이면서 국부좌굴이 발생하지 않도록 상부플랜지의 강판 두께는 늘리되 폭을 대폭 줄인 U형 단면이 사용되기 시작했는데, U형 단면은 개단면(open section)이므로 폐단면(closed section) 강박스에 비해 비틀림 강성이 현저히 작아져서 거더의 가설 공정과 바닥판 콘크리트 타설 공정에서 횡비틀림좌굴 파괴가 발생할 수 있다. U형 강박스거더의 적용 초기에는 횡비틀림좌굴 문제를 적절히 고려하지 못해 시공 중에 여러 건의 사고가 발생하기도 하였다. 특히 바닥판 콘트리트 타설 중에 횡비틀림좌굴 파괴가 발생하여 다수의 사상자가 발생한 적도 있었다.

도 2는 비틀림 강성을 보강하기 위한 종래의 U형 강박스거더의 보강구조를 보여주는 것으로서 박스 내부에는 다이아프램(diaphragm)이 있으며, 박스 상부에는 상부플랜지 수평브레이싱이 있다. 다이아프램은 박스단면 형상유지에 중요한 역할을 하기 때문에 개단면 및 폐단면 형식 모두에서 사용되지만, 상부플랜지 수평브레이싱은 U형 단면에서만 사용되며 개단면 강박스거더의 비틀림 강성을 효율적으로 증대시키는 역할을 한다. U형 강박스거더의 상부플랜지 수평브레이싱 설계방법이 개발된 뒤부터는 시공 중의 횡비틀림좌굴 파괴에 효과적으로 대비할 수 있게 되었다. 바닥판 슬래브가 경화되면 바닥판 슬래브가 폐단면 박스거더의 튼튼한 상부플랜지 역할을 하기 때문에 상부플랜지 수평브레이싱의 구조적 역할은 더 이상 필요 없어진다. 즉, 상부플랜지 수평브레이싱은 시공 중에만 필요하고 완성 구조계에서는 불필요한 부재이다.

한편, U형 강박스거더의 문제점 중 하나는 박스 내부의 바닥판 콘크리트 거푸집 문제이다. 바닥판 콘크리트 경화 후에 박스 내부의 거푸집을 제거하기가 쉽지 않아서 메탈데크 거푸집(Permanent Metal Deck Form, 이하 PMDF)과 같은 존치거푸집(stay-in-place formwork)을 주로 사용한다. PMDF는 파형으로 절곡한 파형강판(corrugated steel plate) 구조로서 얇은 강판을 사용하여 일방향 휨모멘트에 대하여 효율적으로 저항할 수 있다. 모든 거푸집용 메탈데크는 파형강판을 사용하기 때문에 파형강판 메탈데크는 통상 간략히 메탈데크라고도 한다. 도 3a는 교량용 PMDF의 전형적인 사다리꼴 파형 형상으로 보통 상하 비대칭이며, 도 3b는 콘크리트가 새지 않도록 파형강판의 지지단부를 프레스로 눌러 평평하게 만든 교량용 PMDF의 형상이며, 도 3c는 프레스로 가공한 교량용 PMDF의 지지단부 사진이다. 파형강판 메탈데크는 원래 건축구조의 콘크리트 슬래브 거푸집으로 많이 사용되어 왔었는데, 프레스에 의한 단부가공과 지지부재 등의 도입을 통해 합성거더교의 바닥판 거푸집으로도 사용하게 되었다. 그 후 PMDF의 파형강판 구조가 면내 전단력에 대해서도 매우 큰 저항능력을 가지고 있다는 점에 착안하여 PMDF를 U형 강박스거더의 비틀림 강성에 기여할 수 있도록 구성함으로써 상부플랜지 수평브레이싱을 대신하거나 수평브레이싱 부재 크기를 줄일 수 있도록 PMDF를 활용하는 연구가 있었다. 다양한 방안이 시도되어왔지만 신뢰할 수 있는 실험결과를 얻지 못해 현재까지는 실용화되지 못하고 있다. 따라서 현재의 도로교설계기준에서는 PMDF의 비틀림 강성에 대한 기여를 무시하고 강박스거더를 설계하도록 규정하고 있다.

도 4에 도시된 등록특허 10-0682790(강상자형 교량의 거더)은 U형 강박스거더의 상부플랜지에 "ㄱ"자 형상의 블래킷을 용접하여 일체화시킨 후에 PMDF를 볼트나 스크루로 블래킷에 고정시켜 폐단면을 형성함으로써 U형 강박스거더의 비틀림 강성을 증대시켜 상부플랜지 수평브레이싱을 배제할 수 있도록 구성하는 방안이다. 그런데 이러한 구성은 L형강을 상부플랜지에 용접하고 여기에 스크루로 PMDF를 고정시킨 도 5a와 사실상 같은 구조라고 할 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 초기의 외국연구사례를 설명하기 위한 도면으로서 도 5a는 초기에 제안되었던 PMDF의 연결방법중의 하나이며, 도 5b는 PMDF의 전단실험장치의 사진이다. 다양한 연결방법의 전단실험을 통하여 이러한 형태의 PMDF 고정방법은 비틀림 강성(torsional stiffness) 측면에서는 어느 정도 만족스러운 결과를 주지만 비틀림 강도(torsional strength)가 너무 작아서 실용화할 수 없는 방법으로 결론지어졌다. 즉, PMDF의 지지단부를 볼트나 스크루로 고정하는 방법은 PMDF의 판재 두께가 얇기 때문에 고정부가 먼저 파괴되어, 최종 파괴강도가 시공 시의 횡비틀림좌굴 파괴 방지에 요구되는 비틀림 강도에 훨씬 미치지 못한다는 사실이 밝혀졌다. 또한 이러한 형식의 실험이 있은 후에 미국의 교량설계기준인 AASHTO에서는 용접에 의한 상부플랜지의 피로성능저하 위험 때문에 블래킷과 같은 PMDF 지지부재의 상부플랜지 용접을 금지하였다. 현재 국내의 도로교설계기준에서도 같은 이유로 PMDF나 PMDF 지지부재를 상부플랜지에 용접하지 못하도록 규정하고 있다.

따라서 PMDF나 PMDF의 지지부재를 U형 강박스거더의 상부플랜지에 용접하지 않으면서 파형강판의 큰 잠재적인 전단저항능력을 안정적으로 활용할 수 있는 새로운 메탈데크 거푸집시스템과 이를 이용한 경제적인 강박스거더의 개발이 요구된다.

도 5c는 국내에서 연구했던 PMDF의 연결방법인데, PMDF의 지지단부를 지지부재 없이 직접 볼트로 상부플랜지에 고정하는 방법이다. 다양한 볼트간격에 대해서 실물 강박스거더 실험을 실시하였는데, 이 방법도 볼트 고정부의 파괴로 인해 최종 비틀림 강도가 요구되는 강도에 훨씬 미치지 못하였다.

본 발명은 전술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 메탈데크 플레이트에 결합되는 지지부재를 U형 강박스거더의 상부플랜지에 용접하지 않으면서 파형 메탈데크 플레이트의 큰 잠재적인 전단저항능력을 최대한 활용할 수 있도록 구성함으로써 U형 강박스거더의 비틀림 강도를 획기적으로 증가시킬 수 있는 메탈데크 거푸집시스템을 이용한 강박스거더 및 이를 이용한 교량을 제공하는 것이다.

전술한 과제의 해결수단으로서 본 발명은,

합성강박스거더교를 시공하기 위하여 사용되는 것으로서,

하부플랜지와 상기 하부플랜지의 양단에 결합되는 한 쌍의 웹과 상기 한 쌍의 웹의 상부에 각각 결합되는 한 쌍의 상부플랜지를 포함하는 U형 강박스거더인 본체;

상기 합성강박스거더교의 강박스거더 내측 바닥판 거푸집으로 사용되며 상기 상부플랜지 사이에 거치되는 여러 개의 파형강판인 메탈데크 플레이트와, 상기 메탈데크 플레이트의 양쪽 지지단부 측면에 수직으로 설치되며 상기 메탈데크 플레이트의 파형 모서리에 용접되는 강판인 제1판과 상기 제1판에 용접되는 강판으로서 상기 강박스거더 본체의 상부플랜지에 결합되는 강판인 제2판으로 구성되는 지지부재를 포함하는 메탈데크 조립체;

상기 상부플랜지와 상기 제2판을 결합하기 위한 것으로서 서로 대응되는 위치에 형성되는 볼트 홀과 상기 볼트 홀을 관통하여 체결되는 볼트 및 너트로 구성되는 결합수단;을 포함하며,

서로 인접하는 메탈데크 플레이트는 용접되어 연속화되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 강박스거더를 제공한다.

상기 본체의 볼트이음부를 폐단면으로 만들기 위한 것으로서 상기 본체의 양쪽 상부플랜지의 상·하 이음판 중 하나를 횡방향으로 결합시킨 결합이음판을 더 포함할 수도 있고,

상기 본체의 길이방향 단부에는 상기 상부플랜지와 일체로 형성되는 강판인 단부판이 형성될 수도 있다.

상기 메탈데크 조립체는,

상기 메탈데크 플레이트의 양단부 중 상기 결합이음판, 단부판 또는 상기 본체의 횡방향으로 상기 상부플랜지에 근접하게 설치되어 상기 메탈데크 플레이트의 연속화를 방해하는 부재인 횡부재에 접하는 단부에 수직하게 용접되는 강판인 제3판과 상기 제3판에 실질적으로 수직하게 용접되며 상기 결합이음판, 단부판 또는 횡부재와 결합되는 강판인 제4판을 포함하는 제2지지부재와,

상기 제4판과 상기 결합이음판, 단부판 또는 횡부재를 결합하기 위한 것으로서 서로 대응되는 위치에 형성되는 볼트 홀과 상기 볼트 홀을 관통하여 체결되는 볼트 및 너트로 구성되는 제2결합수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 메탈데크 조립체는,

상기 메탈데크 플레이트의 양단부 중 상기 결합이음판, 단부판 또는 상기 본체의 횡방향으로 상기 상부플랜지에 근접하게 설치되어 상기 메탈데크 플레이트의 연속화를 방해하는 부재인 횡부재에 위치하는 단부에 수직하게 용접되는 강판인 제5판을 더 포함하며,

상기 제5판의 양단부는 상기 제1판에 각각 용접될 수도 있다.

상기 제1판의 길이는 상기 메탈데크 플레이트보다 짧아서 상기 메탈데크 플레이트의 단부의 일부가 상기 제1판과 결합하지 않으며,

상기 메탈데크 플레이트들을 서로 결합될 때 상기 제1판과 결합하지 않은 부분을 겹침이음하고, 겹침이음부분을 용접하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명은 또한, 전술한 하이브리드 강박스거더를 포함하여 시공되는 강박스거더 교량을 제공한다.

본 발명에 의하면 파형강판의 면내 전단저항능력을 최대한 활용할 수 있도록 메탈데크 거푸집시스템을 구성하고 U형 강박스거더의 상부플랜지에 고정하여 폐단면을 형성함으로써 종래의 U형 강박스거더의 상부플랜지 수평브레이싱을 배제하여 경제성과 시공성을 개선시킨 하이브리드 강박스거더 및 이를 이용한 교량을 제공할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 폐단면 형식과 개단면 형식의 강박스거더의 단면도.
도 2는 종래의 U형 강박스거더의 구성부재를 보여주는 사시도.
도 3a는 종래의 전형적인 교량용 PMDF 파형강판의 사다리꼴 파형.
도 3b는 종래의 지지단부를 프레스로 가공하여 평평하게 만든 교량용 PMDF의 사시도.
도 3c는 종래의 프레스로 가공한 교량용 PMDF의 지지단부 사진.
도 4는 종래의 U형 강박스거더의 상부플랜지 수평브레이싱을 대치하기 위한 PMDF 연결방법.
도 5a는 종래의 외국의 실험에서 사용한 PMDF 연결방법.
도 5b는 종래의 외국의 PMDF 전단실험장치 사진.
도 5c는 종래의 국내 실험에서 사용한 PDMF 연결방법.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 강박스거더에 사용되는 메탈데크 플레이트와 지지부재의 조립체를 도시한 도면.
도 7은 도 6에 도시된 조립체가 설치된 강박스거더의 사시도.
도 8a 및 도 8b는 도 6에 도시된 조립체가 본체의 상부플랜지에 설치되는 방법을 설명하기 위한 상세 단면도.
도 9는 강박스거더 본체를 결합하기 위한 결합이음판을 사용하는 강박스거더 볼트 이음부의 사시도.
도 10은 결합이음판을 설치하는 방법을 설명하기 위한 강박스거더 볼트 이음부 단면도.
도 11은 단부판이 설치된 강박스거더의 사시도.
도 12a는 도 6에 도시된 조립체에 제2지지부재가 결합된 상태를 도시한 도면.
도 12b는 도 6에 도시된 조립체에 제5판이 결합된 상태를 도시한 도면.
도 13은 도 12a에 도시된 조립체가 단부판에 결합되는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 14a 및 도 14b는 각각 도 7에 도시된 강박스거더의 비틀림에 의해 작용되는 조립체의 면내 전단력에 대하여 선형좌굴해석으로 계산한 대표적인 전단좌굴 모드.
도 15는 곡선 강박스거더에 설치되는 지지부재를 설명하기 위한 도면.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 설명함으로써 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제공하기로 한다.

우선 도면을 참조하면서 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 강박스거더에 대하여 설명하기로 한다. 본 실시예에 따른 하이브리드 강박스거더는 합성강박스거더 교량을 시공하는데 사용된다.

도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 강박스거더에 사용되는 메탈데크 플레이트와 지지부재의 조립체를 도시한 도면.

도 7은 도 6에 도시된 조립체가 설치된 강박스거더의 사시도, 도 8a 및 도 8b는 도 6에 도시된 조립체가 본체의 상부플랜지에 설치되는 방법을 설명하기 위한 상세 단면도, 도 14a 및 도 14b는 각각 도 7에 도시된 강박스거더의 비틀림에 의해 작용되는 조립체의 면내 전단력에 대하여 선형좌굴해석으로 계산한 대표적인 전단좌굴 모드이다.

본 실시예에 따른 하이브리드 강박스거더는 강박스거더 본체(10), 메탈데크 조립체, 결합수단 및 채움재(80)를 포함하여 구성된다.

상기 강박스거더 본체(10)는 도 7에 도시된 바와 같이 하부플랜지(11), 한 쌍의 웹(12), 한 쌍의 상부플랜지(13)를 포함하여 구성되며, 하부플랜지(11), 웹(12) 및 상부플랜지(13)는 모두 강판으로 구성되는 U형의 강박스거더이다.

상기 웹(12)은 하부플랜지(11)의 양단부에서 상방으로 결합하며, 상기 상부플랜지(13)는 웹(12)에 결합된다. 강박스거더 본체(10)는 일반적으로 사용되는 U자형 강박스거더 형태이므로 추가적인 설명은 생략하기로 한다.

상기 메탈데크 조립체는 메탈데크 플레이트(20)와 지지부재(30)를 포함하여 구성된다.

상기 메탈데크 플레이트(20)는 상기 합성강박스거더 교량의 바닥판을 시공하기 위한 존치거푸집으로 사용되며 도 7에 도시된 바와 같이 상기 상부플랜지(13) 사이에 거치된다.

상기 메탈데크 플레이트(20)는 설치되는 모든 구간에서 교량의 길이방향으로는 연속화된다. 이를 위하여 인접하는 메탈데크 플레이트(20)는 서로 용접된다. 도 7에 도면부호 22가 메탈데크 플레이트(20)의 용접부를 표시한 것이다. 또한, 메탈데크 플레이트(20)는 후술하는 결합이음판, 단부판, 다이아프램 등과 같이 상부플랜지 근처에 설치되어 메탈데크 플레이트의 연속화를 방해하는 부재인 횡부재에도 강결될 수 있는데 이에 대해서는 결합이음판이나 단부판을 설명하는 부분에서 다시 설명하기로 한다.

상기 지지부재(30)는 제1판(31)과 제2판(32)으로 구성된다.

상기 제1판(31)은 도 6에 도시된 바와 같이 상기 메탈데크 플레이트(20)의 양쪽 측단부(상기 본체의 길이방향과 평행한 단부를 지칭하며 측단부가 아닌 단부는 "단부"로 지칭하기로 한다)에 수직하게 설치되며, 메탈데크 플레이트의 파형의 모서리에 용접되는 강판이다.

상기 제2판(32)은 상기 제1판(31)에 용접되는 강판으로서 상기 본체(10)의 상부플랜지(13)에 결합되는 강판이다.

상기 강박스거더 교량의 바닥판 콘크리트 타설시 작용하는 휨모멘트와 비틀림에 의한 파괴가 항상 얇은 강판인 메탈데크 플레이트에서 먼저 발생하도록 상기 제1판(31)과 상기 제2판(32)은 메탈데크 플레이트에 비하여 충분히 두꺼운 강판을 사용하도록 한다.

도 6의 확대도에 명확히 도시된 바와 같이 제1판(31)은 메탈데크 플레이트(20)에 비해 짧게 제작되어 메탈데크 플레이트(20)의 단부쪽의 일부와는 결합하지 않으며, 이 결합하지 않는 부분("겹침 이음부(21)"로 명칭한다)과 인접하게 설치되는 메탈데크 플레이트(20)를 겹쳐서 설치하고 용접에 의해 서로 연결한다. 메탈데크 플레이트(20)의 길이(본체 길이방향의 길이를 의미한다)는 통상 1m내외 이므로 하나의 본체에 여러 개의 메탈데크 플레이트(20)를 연결해서 설치해야 하고 모든 메탈데크 플레이트(20)는 연속화를 위해 서로 용접에 의해 결합해야 하는데, 겹침 이음부(21)를 둠으로써 메탈데크 플레이트(20) 사이의 용접을 용이하게 한다. 겹침 이음부(21)를 두지 않고 메탈데크 플레이트(20)들이 맞닿은 상태에서 용접할 수도 있으나 용접의 작업성이 떨어지므로 겹침 이음부(21)를 마련하는 것이 바람직하다. 도 6에 도시된 실시예의 경우 겹침 이음부(21)가 한쪽 단부(도면상 왼쪽 위)에만 마련되어 있지만 필요한 경우 양쪽 단부 모두에 마련할 수도 있다.

도 8a와 도 8b는 본체(10)의 상부플랜지(13)에 메탈데크 조립체를 결합되는 두 가지 방법을 보여주는 단면도이다. 도 8a에 도시된 것은 제2판(32)이 상부플랜지(13)의 아래쪽에 볼트로 고정되는 실시예이고, 도 8b에 도시된 것은 제2판(32)이 상부플랜지(13) 위쪽에 설치되는 실시예이다. 도 8a에 도시된 바와 같이 통상적으로 제1판(31)과 제2판(32)은 실질적으로 수직하게 결합되는데, 시공을 하고자 하는 강박스거더 교량에 편경사가 있어서 양 상부플랜지(13)의 높이가 다른 경우에는 도 8b에 도시된 바와 같이 제1판(31)과 제2판(32)은 직각에서 편경사 각도만큼 더하거나 뺀 각으로 결합하게 된다.

상부플랜지(13)에 대한 메탈데크 조립체의 상대 설치 높이는 제1판(31)에 용접되는 제2판(32)의 상하 접합위치를 변경하여 조절할 수 있다. 특별한 경우가 아니면 도 8b에 도시된 바와 같이 상부플랜지(13) 위쪽에 제2판(32)을 고정하는 방법이 시공성이 좋으며, 메탈데크 조립체를 설치한 후에 상부플랜지(13)에 설치되는 스터드(14)와 같은 전단연결재를 용접하면 메탈데크 거푸집을 작업대로 활용할 수 있어서 편리하다.

상기 결합수단은 상기 상부플랜지(13)와 제2판(32)을 결합하기 위한 구성으로서 볼트 홀(41), 볼트(42) 및 너트(43)로 구성되며, 도 8a와 도 8b에 도시된 바와 같이 상기 볼트(42)는 상기 볼트 홀(41)을 관통하여 너트(43)와 체결된다. 상기 볼트 홀(41)은 상기 본체(10)의 길이방향으로 일렬로 형성되어 있다. 이때, 상기 강박스거더 교량의 바닥판 콘크리트 타설 시에 작용하는 휨모멘트와 비틀림에 의해 볼트 이음부가 먼저 파괴되지 않도록 볼트의 간격과 볼트의 강도를 설계하도록 한다.

상기 채움재(80)는 메탈데크 플레이트(20)의 홈부분에 설치되는데 가볍고 강도가 작으며 콘크리트와의 부착력이 작은 EPS(Expandable Polystyrene) 같은 경량의 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

통상적으로 콘크리트 바닥판과 강박스거더의 합성교는 바닥판의 내구연한이 강박스거더 내구연한 보다 짧아 교량의 수명 동안 2회 내지 3회의 바닥판 재시공이 필요한 것으로 알려져 있다. 종래의 U형 강박스거더의 경우에는 상부가 열려 있어서 바닥판의 철거작업이 용이하지 않다. 이에 반하여 본 발명에 따른 강박스거더는 메탈데크 조립체를 포함하므로 상부가 닫혀있기 때문에 바닥판의 철거작업이 훨씬 용이하다. 다만 두께가 얇은 메탈데크 플레이트와 콘크리트가 견고하게 부착되어 있으면 철거작업 중에 메탈데크 플레이트가 손상될 위험성이 있으므로 전술한 채움재(80)를 사용하여 바닥판 콘크리트와 메탈데크 플레이트(20)의 부착력을 줄이고 채움재(80)가 채워진 부분에는 콘크리트가 채워지지 않으므로 자중도 감소시킬 수 있으며 바닥판 교체시 기존 콘크리트의 철거작업도 용이해지고 메탈데크 플레이트(20)의 손상도 줄일 수 있는 장점을 기대할 수 있게 된다.

본 실시예에 따른 강박스거더는 인접하는 메탈데크 플레이트(20)를 용접하여 거더길이방향으로 연속화시키고, 메탈데크 플레이트의 양 측단부를 지지부재에 의해 견고하게 지지하여 메탈데크 플레이트(20)의 전단좌굴(shear buckling)에 대한 구조역학적 경계조건이 단순지지조건 이상이 되도록 보강된다. 이런 특성으로 인하여 전단좌굴 또는 항복이 경계 보강부가 아니라 메탈데크 플레이트(20) 내에서 먼저 발생하도록 설계되는 것이다. 도 14a와 도 14b는 두께 2.3mm의 메탈데크 플레이트, 두께 10mm의 제1판(31)과 제2판(32), 100mm 간격의 볼트(42)로 고정된 2400mm ×2400mm 메탈데크 플레이트(20)에 면내 전단력이 작용하는 경우의 유한요소구조해석 결과로서 각각 선형좌굴해석으로 구한 대표적인 좌굴모드이다. 선형좌굴해석 결과는 메탈데크 플레이트(20)의 파형, 제1판(31)과 제2판(32)의 두께, 볼트 간격 등에 따라 달라지는데, 도 14a와 도 14b에 도시된 실시예의 경우에는 전단좌굴이 메탈데크 플레이트 내에서 발생하며, 계산된 좌굴 하중이 재료의 항복강도를 넘어가는 이상적인 케이스이다.

한편, 상부플랜지 수평브레이싱으로 보강하는 종래의 U형 강박스거더는 일반적으로 거더를 하부구조에 거치한 후에 PMDF를 설치하기 때문에 스터드가 촘촘히 설치된 폭이 좁은 상부플랜지 위에서 많은 작업을 수행해야 한다. 따라서 작업효율성도 매우 나쁘며 안전사고도 종종 발생하곤 한다. 그러나 본 실시예에 따른 하이드리드 강박스거더의 경우 메탈데크 조립체는 공장에서 설치되기 때문에 교량 현장에서는 넓은 작업 공간과 통로를 확보할 수 있어서 시공성이 좋아지는 장점도 있다.

강박스거더는 공장에서 운반이 가능한 크기와 무게의 세그먼트 단위로 제작하여 현장으로 운반하고 현장에서 용접이음이나 볼트이음으로 조립하는데, 국내에서는 보통 볼트이음으로 세그먼트들을 조립한다. 도 7에 도시된 거더 세그먼트는 볼트이음하는 강박스거더로서 세그먼트 단부의 이음부 전체에 다수의 볼트 홀(17)이 있다. 통상 폭이 좁은 상부플랜지에는 최소허용간격으로 볼트 홀이 촘촘히 배치되기 때문에 여기에 본 발명의 메탈데크 조립체 고정용 볼트 홀을 추가로 배치하기가 사실상 어렵다.

이러한 문제를 해결할 수 있는 강박스거더가 본 발명의 제2실시예 및 제3실시예에 따른 강박스거더이다. 이하에서는 도면을 참조하면서 제2실시예 및 제3실시예에 따른 강박스거더에 대하여 설명하기로 한다. 제2실시예 및 제3실시예에 따른 강박스거더는 전술한 제1실시예에 따른 강박스거더의 본체(10), 메탈데크 조립체, 결합수단을 포함하고 있으며 제2결합수단, 결합이음판(50) 또는 단부판(15), 제2지지부재(60) 또는 제5판(70)을 더 포함하고 있는 차이가 있는데 이하에서는 본 실시예들에만 있는 구성을 중심으로 설명하기로 한다.

도 9는 본체를 결합하기 위한 결합이음판을 사용하는 강박스거더 볼트 이음부의 사시도, 도 10은 결합이음판을 설치하는 방법을 설명하기 위한 강박스거더 볼트 이음부 단면도, 도 11은 단부판이 설치된 강박스거더의 사시도, 도 12a는 도 6에 도시된 조립체에 제2지지부재가 결합된 상태를 도시한 도면, 도 12b는 도 6에 도시된 조립체에 제5판이 결합된 상태를 도시한 도면, 도 13은 도 12a에 도시된 조립체가 단부판에 결합되는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 제2실시예는 도 9에 도시된 바와 같이 본체(10)의 볼트 이음부에 결합이음판(50)을 사용하는 실시예이다. 상기 결합이음판(50)은 도 9에 도시된 바와 같이 상기 본체(10)의 길이방향에 수직하게 배치되어 본체의 이음부를 폐단면으로 만드는 구성이며, 본체(10)의 양쪽 상부플랜지(13)의 상·하 이음판 중 하나를 횡방향으로 결합된 강판이다. 결합이음판(50)은 도시된 바와 같이 서로 이음되는 본체의 상부플랜지(13)에 각각 결합된다.

도 9에 도시된 바와 같이 본체(10)의 볼트 이음부에는 이음판(16)이 사용되는데 상부플랜지(13)을 이음하는 이음판(16)의 폭은 상부플랜지(13)의 폭과 유사하며, 웹(12)과 하부 플랜지(11)를 이음하는 이음판(16)의 폭은 설계에 의해 결정되는데 도시 상의 편의를 위하여 도면에는 도시되어 있지 않다. 본 실시예에서는 이음판(16)이외에 결합이음판(50)을 더 포함함으로써 본체(10) 이음부를 폐단면으로 만들고 메탈데크 조립체와의 결합을 용이하게 한다.

도 10은 결합이음판(50)을 결합되는 방법을 도시한 도면으로서 도면의 왼쪽은 상부플랜지(13) 아래쪽에 결합이음판(50)이 설치되는 것을 도시한 것이고, 도면의 오른쪽은 상부플랜지(13) 위쪽에 결합이음판(50)이 설치되는 것을 도시한 것이다. 결합이음판(50)과 상부플랜지(13)는 볼트(51)와 너트(52)에 의해 결합된다.

도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 강박스거더의 본체(10)를 도시한 것으로서 강박스거더의 길이방향의 단부에 상기 상부플랜지(13)와 일체로 형성되며 본체의 길이방향에 수직한 강판인 단부판(15)이 마련된다. 상기 단부판(15)은 상기 결합이음판(50)과 마찬가지로 본체(10)의 이음부를 폐단면으로 만드는 효과가 있다.

도 12a와 도 12b는 전술한 제2실시예나 제3실시예에 따른 강박스거더의 본체에 적합한 메탈데크 조립체이다.

도 12a에 도시된 메탈데크 조립체는 도 6에 도시된 메탈데크 조립체의 구성요소에 제2지지부재(60)가 추가된 형태이다.

상기 제2지지부재(60)는 제3판(61)과 제4판(62)을 포함하여 구성된다.

상기 제3판(61)은 상기 메탈데크 플레이트(20) 중 상기 결합이음판(50), 단부판(15) 또는 횡부재에 접하는 단부에 수직하게 용접되는 강판이다. 횡부재란 상기 상부플랜지(13)에 직접 또는 근접하게 설치되어 상기 메탈데크 플레이트의 연속화를 방해하는 부재로서 전술한 결합이음판, 단부판(15) 이외에도 다이아프램, 가로보를 구성하는 요소 등이 횡부재가 될 수 있다.

상기 제4판(62)은 상기 제3판(61)에 용접되어 상기 결합이음판(50), 단부판(15) 또는 횡부재에 결합되는 강판으로서 횡부재 수평면에 평행하게 설치된다. 상기 제3판(61)과 제4판(62)은 수직하게 결합되는 것이 바람직하다.

상기 제2결합수단은 상기 제4판(62)과 결합이음판(50), 단부판(15) 또는 횡부재을 결합되는 구성으로서 상기 제1결합수단과 마찬가지로 볼트 홀(81), 볼트(82) 및 너트(미도시)를 포함하여 구성된다.

도 12b는 도 6에 도시된 메탈데크 조립체의 구성요소에 제5판(70)이 추가된 형태를 도시한 도면이다.

상기 제5판(70)은 메탈데크 플레이트(20) 중 상기 결합이음판(50), 단부판(15) 또는 횡부재에 닿는 단부에 수직하게 용접되는 강판이다. 도 12a에 도시된 메탈데크 조립체와는 달리 제5판(70) 하나만 용접된 형태이므로 강성보강을 위해 제5판(70)은 제1판(31)과 용접되며 도면에 부호 71로 표시된 부분이 용접부이다.

전술한 제2실시예 또는 제3실시예에 따른 강박스거더의 이음부는 폐단면이 되어 이음부에 메탈데크 조립체를 설치할 필요가 없어지게 되어 전술한 바와 같이 거더 세그먼트의 이음부에 메탈데크 조립체를 결합하기 위한 볼트 홀을 만들기 어려운 문제점을 해결할 수 있게 된다.

그렇지만 결합이음판(50)이나 단부판(15)이 위치하는 곳에서는 메탈데크 플레이트(20)를 연속화 시킬 수 없는 문제점이 생기므로 메탈데크 플레이트(20)끼리의 연결이 단절되는 부분(자유단)은 보강이 필요하며, 도 12a 또는 도 12b에 도시된 메탈데크 조립체를 사용하게 된다.

도 12a에 도시된 바와 같이, 상기 제2지지부재(60)를 사용하는 경우 제4판(62)이 횡부재에 볼트에 의해 결합하게 되므로 메탈데크 플레이트(20)의 자유단을 보강함과 함께 메탈데크 플레이트(20), 횡부재, 메탈데크 플레이트(20)의 순으로 연속화가 이루어지게 된다.

도 12b에 도시된 바와 같이, 제5판(70)이 포함되는 실시예의 경우 자유단에서 횡부재와 메탈데크 플레이트(20)를 연속화하지는 못하지만 메탈데크 플레이트(20)의 자유단을 보강하게 된다. 도 12b에 도시된 바와 같은 단부 보강방법은 도 12a에 도시된 제2지지부재(60)에 비하여 보강성능이 떨어지지만 작용하는 비틀림 모멘트가 작은 위치에서 사용할 수 있는 단부 보강방법이다.

도 13은 도 12a에 도시된 제2지지부재(60)를 포함하는 메탈데크 조립체(30)가 도 11에 도시된 강박스거더의 단부판(15)에 결합된 상태를 설명하기 위한 도면으로 제2지지부재(60)가 볼트(82)로 고정되기 때문에 제3판(61)을 측면 지지부재(30)에 용접하지 않아도 된다. (도면에는 볼트(42, 82)의 일부만 도시되어 있는데 이는 볼트 홀(41, 81)과 볼트(42, 82)를 동시에 도시하기 위함이다.)

강박스거더는 비틀림 강성이 크기 때문에 곡률 반경이 작은 곡선교에 많이 사용되는데, 이러한 경우에 강박스거더는 곡선형이 된다. U형 강박스거더 상부플랜지의 거더길이방향 모서리가 곡선이 되는 것이다. 따라서 곡선 강박스거더 세그먼트의 경우에는 지지부재(30)의 제2판(32)에 형성되는 볼트 홀(41)이 곡선을 따라 배치되어야 한다. 그런데 이러한 경우에 메탈데크 플레이트(20) 측단부를 곡선형으로 가공하여 곡선형의 수직보강판에 용접하는 것은 제작이 용이하지 않기 때문에 도 15에 도시된 바와 같이 직선 형태의 제1판(31)을 사용하고 볼트 홀(41)만 곡선을 따라 배치하는 제2판(32)을 사용하는 것이 좋다. 도 15는 강박스거더교의 실제 곡률을 사용하여 짧은 구간을 그리면 거의 직선처럼 보이므로 제2판(32)의 형상의 특징을 보여주기 위해 곡률을 과장하여 그린 평면도이다. 도 15에 도시된 바와 같이 직선의 제1판(31)에 용접되는 제2판(32)의 모서리는 직선이고 상부플랜지 쪽 모서리는 상부플랜지와 같은 곡선형이며, 볼트 홀(41)도 곡선형으로 배치한다. 곡률반경이 커서 제2판(32)과 스터드 사이의 간섭문제가 발생하지 않는다면 상부플랜지 쪽의 제2판(32) 모서리를 반드시 곡선으로 가공할 필요는 없다. 본 방법을 사용하면 본 발명에 따른 강박스거더를 곡선형태의 강박스거더 교량에도 용이하게 적용할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 두 번째 형태에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명의 두 번째 형태를 강박스거더 교량으로서 전술한 강박스거더를 포함하여 시공되는 강박스거더 교량을 지칭하는 것이이다.

본 실시예에 따른 강박스거더에서 메탈데크 조립체는 파형의 메탈데크 플레이트(20)를 거더길이방향으로 연속시키는데, 파형강판의 아코디언효과 때문에 메탈데크 플레이트(20)는 거더의 길이방향으로는 유의미한 강성을 갖지 않는다. 이러한 특징으로 인하여 본 실시예에 따른 강박스거더는 시공 중 휨모멘트에 대해서는 개단면의 U형 강박스거더처럼 거동하며, 비틀림 모멘트에 대해서는 폐단면의 강박스거더로 거동하는 하이브리드 특성을 갖는다. 따라서 본 실시예에 따른 하이브리드 강박스거더는 휨모멘트에 대해서는 U형 강박스거더와 유사하게 거동하기 때문에 특히 정모멘트 구간에서 효율적이다.

따라서 연속교를 시공하는 경우 본 발명의 하이브리드 강박스거더를 전구간에 적용할 수도 있지만, 정모멘트 작용구간에서만 적용하는 것도 효율적인 설계가 가능하게 하는 방법이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 몇 가지 실시예에 대하여 설명함으로써 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제공하였으나 본 발명의 기술적 사상이 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 사상에 어긋나지 않는 범위 안에서 다양한 형태의 강박스거더 및 이를 이용한 강박스거더 교량으로 구체화될 수 있다.

10 : 본체 20 : 메탈데크 플레이트
30 : 지지부재 50 : 결합이음판
60 : 제2지지부재

Claims (7)

1. 합성강박스거더교를 시공하기 위하여 사용되는 것으로서,
   하부플랜지와 상기 하부플랜지의 양단에 결합되는 한 쌍의 웹과 상기 한 쌍의 웹의 상부에 각각 결합되는 한 쌍의 상부플랜지를 포함하는 U형 강박스거더인 본체;
   상기 합성강박스거더교의 강박스거더 내측 바닥판 거푸집으로 사용되며 상기 상부플랜지 사이에 거치되는 여러 개의 파형강판인 메탈데크 플레이트와, 상기 메탈데크 플레이트의 양쪽 지지단부 측면에 수직으로 설치되며 상기 메탈데크 플레이트의 파형 모서리에 용접되는 강판인 제1판과 상기 제1판에 용접되는 강판으로서 상기 강박스거더 본체의 상부플랜지에 결합되는 강판인 제2판으로 구성되는 지지부재를 포함하는 메탈데크 조립체;
   상기 상부플랜지와 상기 제2판을 결합하기 위한 것으로서 서로 대응되는 위치에 형성되는 볼트 홀과 상기 볼트 홀을 관통하여 체결되는 볼트 및 너트로 구성되는 결합수단;을 포함하고,
   상기 제1판과 제2판은 교량의 바닥판 콘크리트 타설시 작용하는 비틀림모멘트를 포함하는 단면력에 의한 전단좌굴 파괴가 메탈데크 플레이트에서 발생할 수 있도록 메탈데크 플레이트에 비하여 두꺼운 두께로 형성되며, 서로 인접하는 메탈데크 플레이트는 용접되어 연속화되어 상부플랜지 수평브레이싱 없이 횡비틀림에 의한 파괴에 저항할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 강박스거더.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 본체의 볼트이음부를 폐단면으로 만들기 위한 것으로서 상기 본체의 양쪽 상부플랜지의 상·하 이음판 중 하나를 횡방향으로 결합시킨 결합이음판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 강박스거더.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 본체의 길이방향 단부에는 상기 상부플랜지와 일체로 형성되는 강판인 단부판이 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 강박스거더.
   
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 메탈데크 조립체는,
   상기 메탈데크 플레이트의 양단부 중 상기 결합이음판, 단부판 또는 상기 본체의 횡방향으로 상기 상부플랜지에 근접하게 설치되어 상기 메탈데크 플레이트의 연속화를 방해하는 부재인 횡부재에 접하는 단부에 수직하게 용접되는 강판인 제3판과 상기 제3판에 실질적으로 수직하게 용접되며 상기 결합이음판, 단부판 또는 횡부재와 결합되는 강판인 제4판을 포함하는 제2지지부재와,
   상기 제4판과 상기 결합이음판, 단부판 또는 횡부재를 결합하기 위한 것으로서 서로 대응되는 위치에 형성되는 볼트 홀과 상기 볼트 홀을 관통하여 체결되는 볼트 및 너트로 구성되는 제2결합수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 강박스거더.
   
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 메탈데크 조립체는,
   상기 메탈데크 플레이트의 양단부 중 상기 결합이음판, 단부판 또는 상기 본체의 횡방향으로 상기 상부플랜지에 근접하게 설치되어 상기 메탈데크 플레이트의 연속화를 방해하는 부재인 횡부재에 위치하는 단부에 수직하게 용접되는 강판인 제5판을 더 포함하며,
   상기 제5판의 양단부는 상기 제1판에 각각 용접되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 강박스거더.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1판의 길이는 상기 메탈데크 플레이트보다 짧아서 상기 메탈데크 플레이트의 단부의 일부가 상기 제1판과 결합하지 않으며,
   상기 메탈데크 플레이트들이 서로 결합될 때 상기 제1판과 결합하지 않은 부분을 겹침이음하고, 겹침이음부분을 용접하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 강박스거더.
   
7. 청구항 제1항에 기재된 하이브리드 강박스거더를 포함하여 시공되는 강박스거더 교량.
   

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