KR102221558B1 - 고강도 부재의 무응력이 향상된 프리스트레스 강재보 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프리스트레스를 인가하기 위해 부가되는 고강도 부재의 강결합 시 고강도 부재의 무응력 상태를 보장하여 제작된 합성보로서의 프리스트레스 강재보에 관한 것으로서, 강형재; 및 상기 강형재의 상부와 하부 면 각각에 강결접합된 한 쌍의 고강도 강재;를 포함하고, 상기 고강도 강재 중 어느 하나의 고강도 강재는 프리스트레스 부여를 위한 재하중을 인가하기 위해 형성되는 하나 이상의 하중 재하공이 형성되어, 상기 강형재에 상기 한 쌍의 고강도 강재를 서로 미끄러짐 이동 가능하게 고정한 후, 상기 하중 재하공을 통해 상기 강형재에 하중을 재하하여 응력을 발생시킨 상태에서 상기 강형재에 상기 고강도 강재를 강결접합하는 것에 의해 프리스트레스가 인가되도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보를 제공한다.

Description

고강도 부재의 무응력이 향상된 프리스트레스 강재보 및 그 제작 방법{High Prestressed Plate Girder Enhanced Stress Free Property of High Strength Member and The Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 건축 및 토목구조물의 구조부재인 프리스트레스 강재보에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 합성보로서의 프리스트레스 강재보 제작에서 프리스트레스를 인가하기 위해 부가되는 고강도 부재의 강결합 시 고강도 부재의 무응력 상태를 보장하여 제작된 프리스트레스 강재보 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 슬래브(Slab)를 횡방향으로 지지하기 위한 강재 보(Steel beam)에는 하중 및 활하중에 의한 처짐을 고려하여 소정 간격마다 기둥이 연결된다. 이렇게 소정 간격마다 설치되는 기둥은 건축물 및 토목 구조물의 설계 및 미관의 가변성을 저하시키고 공사비를 상승시키는 요인이 되고 있다.

또한, 기둥의 수를 줄이기 위해 지간의 길이를 증가시키는 경우에도 구조적 강도를 유지할 수 있도록 하기 위해, 강형재에 동일한 강도의 강판을 단순히 합성시키는 경우, 강성이 증가하고, 합성단면으로 효율을 유지할 수는 있으나 장지간을 늘리는데 한계가 있다.

이에 따라, 강형재에 상대적으로 고강도부재(예, 고강도 강판, H 빔, I 빔 등)를 부착하여 이종강재의 합성보로 사용되는 강재보를 적용하는 것에 의해, 동종 강재의 합성보의 한계를 극복하고자 하였으나, 합성보를 이종 강재로 제작하는 경우 항복응력이 작은 강형재가 휨 응력에 의하여 조기 파괴되어 전체적으로 합성보의 단면효율이 크게 저하되는 단점을 가진다.

이에 따라, 대한민국 공개특허공보 제10-2005-제0104952호 및 등록특허공보 제10-0473454호 등에서, 강재보를 구성하는 강재 H빔이나 I빔 또는 조립보(빌트업 빔: built-up beam) 등의 강형재의 일 측에는 인장력이 인가되고 반대측에는 응력이 작용하도록 하중(선행하중)을 재하한 후, 인장력과 응력이 부여된 면에 고강도 강재를 강결접합한 후 재하 중인 하중을 해제하여 프리스트레스를 도입하는 것에 의해, 건축물 또는 토목 구조물에서 형고를 감소시키면서 장지간의 길이를 증가시켜 기둥 수를 줄일 수 있도록 하는 프리스트레스 강재보가 제안되었다.

상술한 종래기술의 프리스트레스 강재보는, 고강도 강재를 접합하는 때에 고강도 강재는 가능한 무응력 상태를 유지하는 것이 요구되며, 도 1은 상술한 종래기술의 프리스트레스 강재보의 제작 요구조건에 따른 프리스트레스 강재보 제작 공정을 나타내는 도면이다.

상술한 종래기술의 프리스트레스 강재보의 제작을 위해, 강형재(10)와 강형재(10)의 재하대 지점을 확보하기 위해 강형재(10)보다 짧은 길이의 상부 고강도 강재(3) 및 하부 고강도 강재(3)를 준비한다. 상부 고강도 강재(3)는 강형재(3)의 상부 중앙부분에서 가용접하여 가접하고, 하부 고강도 강재(3)는 2 부분으로 절단한 후 강형재(3)의 하부 양측의 하중 재하부(9)에서 가용접하여 가접한다. 가접이 완료된 후에는 고강도 강재(3)가 무응력 상태로 강형재 플랜지(2)와 강하게 맞물린 상태가 아닌 미끌림 이동 가능하게 맞닿아 있는 상태를 유지할 수 있도록 다수의 개소에서 고정구 및 쐐기 등을 이용하여 강형재(10)에 상부 및 하부 고강도 강재(3)를 고정한다. 이후, 하중 재하부(9)에 선행 하중을 인가하는 것에 의해 강형재(10)의 일측면(예, 도면에서 강형재(10)의 상부면)에는 인장력이 인가되도록 하고, 타측면(예, 도면에서 강형재(10)의 하부면)에는 응력이 인가되도록 한다. 이 경우, 강형재(10)에는 인장력과 응력이 인가된 상태이고, 강형재(10)에 접합된 고강도 강재(3)는 미끌림 이동에 의해 무응력 상태로 유지된다.

다음으로, 고강도 강재(3)가 무응력 상태를 유지하는 상태에서 절단노치부(6)는 위보기용접을 수행하고, 상하부의 강형재 플랜지(2)와 고강도 강재(3)를 볼트 체결 또는 용접 등을 수행하여 강결접합한다. 무응력 상태의 고강도 강재(3)와 강형재(10)가 강결접합된 후 인가된 하중을 제거하면, 강형재(10)와 고강도 강재(3)의 유효단면 변화로, 도 1의 화살표로 표시된 바와 같이, 내부의 강형재(10)에 부여된 모멘트 하중이 용접선을 따라 전단력으로 치환되며, 그대로 고강도 강재(10)에 전달되어, 강형재(10)와 고강도 강재(3)가 결합된 합성보에 프리스트레스가 발생되어 프리스트레스 강재보로 제작된다.

상술한 바와 같이, 프리스트레스 강재보의 제작을 위해서는 재하중에 의해 스트레스가 인가된 강형재(10)에 강결접합되는 고강도 강재보(3)는 무응력 상태로 유지될 것을 반드시 필요로 한다.

그러나 상술한 종래기술의 프리스트레스 강재보의 경우, 도 1과 같이, 유압잭 등의 하중 인가 장치를 이용하여 하중 재하를 수행하는 경우, 2 개의 하중 재하부(하중 재하점)의 고강도 강재(3)와 강형재(10)의 접촉부는 마찰력이 작용하게 되어 고강도 강재(3)에 응력이 미세한 응력이 전달되는 것에 의해 무응력 상태의 조건을 충족하지 못하게 되고, 이에 따라, 제작된 합성보로서의 프리스트레스 강재보에 예측 불가능한 응력이 발생하게 되어 프리스트레스 효과가 손실되는 문제점을 가진다.

또한, 상술한 종래기술의 프리스트레스 강재보의 경우, 도 1과 같이, 하부 고강도 강재(3)의 다수의 하중 재하부(9, 도 1의 경우 2 지점)에 의한 응력 전달을 최소화하기 위해, 하부의 고강도 강재(3)를 두 부분으로 절단하여 절단 노치부(6)를 형성하는 것에 의해 무응력 상태를 최대화하였으나, 강형재(10)의 저면에 서로 분리된 두 개의 고강도 강재(3)들을 절단노치부(6)에 볼트 체결 또는 용접에 의한 절단노치 용접부(8) 형성 등의 강결접합을 수행하게 되므로, 절단이 없는 일체형의 강판, H빔 또는 I 빔을 포함하는 보강 빔 등의 고강도 강재(3)와 비교하여 응력손실이 발생되어 프리스트레스 효과를 더욱 저하시킨다.

또한, 상술한 종래기술의 프리스트레스 강재보의 경우, 도 1과 같이, 절단노치부(6)를 용접 마무리 하는 경우 고강도 강재(3)의 원판의 응력보다 용접 접합부의 응력이 불균형을 이루게 되고, 절단노치부(6)의 용접 시 발생되는 높은 온도는 고강도 강재(3)의 변형 및 집중응력을 발생시켜, 합성보로서의 프리스트레스 강재보의 결함 원인으로 작용하는 문제점도 가진다.

또한, 상술한 종래기술의 프리스트레스 강재보의 경우, 도 1과 같이, 선행하중을 도입한 후, 고강도 강재(3)의 합성 시 상부 및 하부 고강도 강재(3)의 가용접부 위치, 합성단계, 용접량이 상이하여 합성 후 강형재(10)의 상하 면(예, 플랜지 등)에 불균일한 응력이 발생할 수 있다.

또한, 절단노치부(6) 역시 강형재(10)의 하부에만 적용하는 등의 적용 불균형을 이루며, 절단노치부(6)가 하 방향을 향하게 되어, 위보기 용접 자세로 용접을 수행하여야 하므로 작업이 어렵고, 작업 시간이 과다하게 소요되며, 이는 용접 결함의 원인으로 작용하는 문제점도 가진다.

대한민국 공개특허공보 제10-2005-제0104952호 대한민국 등록특허공보 제10-0473454호

따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 강형재와 고강도 강재가 접합된 합성보로서의 프리스트레스 강재보를 제작하는 경우, 하중 재하 후 강결접합 시 고강도 강재의 무응력 상태를 보장할 수 있도록 하고, 하중 재하 후 강결접합되는 고강도 강재를 절단 분리함 없는 상태에서도 무응력 상태를 보장할 수 있도록 하여, 분리되는 하부의 고강도 강재의 절단노치부(6)의 절단이 없는 일체형의 고강도 강재에 비교한 응력손실 및 절단노치부의 용접 시 발생되는 높은 온도에 의한 고강도 강재의 변형 및 집중응력의 발생을 제거하여, 프리스트레스 손실을 최소화하고, 응력 불균형이 없는 균일한 프리스트레스가 확보된 프리스트레스 강재보 및 그 제작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 위보기 용접 작업을 제거하는 것에 의해 용접 작업을 용이하게 수행할 수 있도록 하며, 작업 시간을 줄여 용접 결함이 최소화된 프리스트레스 강재보 및 그 제작 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상술 본 발명의 해결과제의 달성을 위한 본 발명의 일 실시예는, 강형재; 및 상기 강형재의 상부와 하부 면 각각에 강결접합된 한 쌍의 고강도 강재;를 포함하고, 상기 고강도 강재 중 어느 하나의 고강도 강재는 프리스트레스 부여를 위한 재하중을 인가하기 위해 형성되는 하나 이상의 하중 재하공이 형성되어, 상기 강형재에 상기 한 쌍의 고강도 강재를 서로 미끄러짐 이동 가능하게 고정한 후, 상기 하중 재하공을 통해 상기 강형재에 하중을 재하하여 응력을 발생시킨 상태에서 상기 강형재에 상기 고강도 강재를 강결접합하는 것에 의해 프리스트레스가 인가되도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보를 제공한다.

상기 강형재는 강재 H빔, 강재 I 또는 강판 중 어느 하나의 탄성재일 수 있다.

상기 한 쌍의 고강도 강재는, 상기 하중 재하공을 통해 하중을 재하하여, 하나의 고강도 강재에는 압축응력이 프리스트레스로 도입되고, 다른 하나의 고강도 강재에는 인장응력이 프리스트레스로 도입된 것일 수 있다.

상기 고강도 강재는, 강재 H빔, 강재 I빔 또는 강판 중 어느 하나일 수 있다.

상기 강결접합은, 볼트 체결 또는 용접 중 어느 하나에 의해 수행된 것일 수 있다.

상기 프리스트레스 강재보는, 상기 강형재의 측면에 강결접합된 모멘트 보강재를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상술 본 발명의 해결과제의 달성을 위한 본 발명의 다른 실시예는, 강형재 및 한 쌍의 고강도 강재를 준비하는 프리스트레스 강재보 소재 준비 단계; 상기 고강도 강재 중 하나의 고강도 강재에 하나 이상의 하중 재하공을 형성하는 하중 재하공 형성 단계; 상기 강형재의 양면에 각각에 가용접과 고정수단에 의해 상기 고강도 강재를 고정하는 고강도 강재 고정 단계; 상기 고강도 강재에 프리스트레스 도입을 위해 상기 하중 재하공을 통해 상기 강형재에 하중을 재하하는 하중 재하 단계; 상기 하중이 재하된 상기 강형재와 상기 고강도 강재를 강결접합하는 강결접합단계; 및 상기 강결접합된 상기 강형재와 상기 고강도 강재로부터 재하된 하중을 해제하는 하중 해제 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보 제작 방법을 제공한다.

상기 프리스트레스 강재보 소재 준비 단계는, 상기 강형재로 강재 H빔, 강재 I 또는 강판 중 어느 하나의 탄성재를 준비하는 단계일 수 있다.

상기 프리스트레스 강재보 소재 준비 단계는, 상기 고강도 강재로, 강재 H빔, 강재 I빔 또는 강판 중 어느 하나 이상을 준비하는 단계일 수 있다.

상기 고강도 강재 고정단계는, 상기 가용접에 의해 형성된 가용접부 이외의 영역에서 상기 고강도 강재가 상기 강형재에 대해 미끌림 이동 가능하도록 하여, 상기 고강도 강재가 무응력 상태로 상기 강형재의 상부 및 하부 면에 고정되는 단계일 수 있다.

상기 강결접합단계의 상기 강결접합은, 볼트 체결 또는 용접 중 어느 하나에 의해 수행된 것일 수 있다.

상기 강결접합단계는, 상기 강형재의 측면에 강결접합된 모멘트 보강재를 강결접합하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상술한 구성을 가지는 본 발명은, 강형재와 고강도 강재가 접합된 합성보로서의 프리스트레스 강재보를 제작하는 경우, 하중 재하 후 강결접합 시 고강도 강재의 무응력 상태를 보장할 수 있도록 하고, 하중 재하 후 강결접합되는 고강도 강재를 절단 분리함 없는 상태에서도 무응력 상태를 보장할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 하부의 고강도 강재의 절단노치부의 절단이 없는 일체형의 고강도 강재에 비교한 응력손실 및 절단노치부의 용접 시 발생되는 높은 온도에 의한 고강도 강재(3)의 변형 및 집중응력의 발생을 제거하여, 프리스트레스 손실을 최소화하고, 응력 불균형이 없는 균일한 프리스트레스가 확보된 프리스트레스 강재보를 제작할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명은 균일한 프리스트레스가 확보된 프리스트레스 강재보의 제작 시, 위보기 용접 작업을 제거하는 것에 의해 용접 작업을 용이하게 수행할 수 있도록 하며, 작업 시간을 줄여 용접 결함이 최소화시키는 효과를 제공한다.

도 1은 종래기술의 프리스트레스 강재보 제작공정을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 프리스트레스 강재보의 평면, 정면, 하면 및 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 프리스트레스 강재보 제작 방법을 나타내는 순서도.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 프리스트레스 강재보 제작 중 재하된 하중에 의해 발생하는 응력분포를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 프리스트레스 부여를 위한 하중을 인가하는 고정수단을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 프리스트레스 부여를 위한 하중을 인가하는 유압잭(61)과 유압잭 캡(65)의 정면도 및 결합 상태도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 프리스트레스 강재보 제작 중 원호형 모멘트 부재를 강결접합하는 것을 나타내는 도면.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예들을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예의 프리스트레스 강재보(1)의 평면, 정면, 하면 및 단면도이다.

도 2와 같이, 본 발명의 일 실시예의 강형재(10) 및 고강도 강재(30) 등의 고강도 부재를 이용하여 제작된 프리스트레스 강재보(1)는, 강형재(10) 및 상기 강형재(10)의 상부와 하부 면 각각에 강결접합된 한 쌍의 고강도 강재(30)를 포함하고, 상기 고강도 강재(30) 중 어느 하나의 고강도 강재(30)는 프리스트레스 부여를 위한 하중을 인가하기 위해 형성되는 하나 이상의 하중 재하공(33)이 형성되어, 상기 강형재(10)에 상기 한 쌍의 고강도 강재(30)를 서로 미끄러짐 이동 가능하게 고정한 후, 상기 하중 재하공(33)을 통해 상기 강형재에 하중을 재하하여 응력을 발생시킨 상태에서 상기 강형재(10)에 상기 고강도 강재(30)를 강결접합하는 것에 의해 프리스트레스가 인가되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상술한 구성에서 상기 강형재(10)는 강재 H빔, 강재 I 또는 강판 중 어느 하나의 탄성재일 수 있으며, 상기 고강도 강재(30)는, 강재 H빔, 강재 I빔 또는 강판 중 어느 하나일 수 있다. 이때, 상기 강형재(10)의 상부에 위치되는 고강도 강재(30)는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 강형재(10)의 폭보다 작은 폭을 가지며, 도 2이 (c)와 같이, 강형재(10)의 하부에 위치되는 고강도 강재(30)는 강형재(10)의 폭보다 넓은 폭을 가지는 것일 수 있다.

또한, 상기 한 쌍이 고강도 강재(30)는, 상기 하중 재하공(33)을 통해 하중을 재하하여, 하나의 고강도 강재(30)에는 압축응력이 프리스트레스로 도입되고, 다른 하나의 고강도 강재(30)에는 인장응력이 프리스트레스로 도입된 것일 수 있다.

상기 강형재(10)와 상기 고강도 강재(30)의 강결접합은, 볼트 체결 또는 용접 중 어느 하나에 의해 수행된 것일 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예의 프리스트레스 강재보 제작 방법을 나타내는 순서도, 도 4는 본 발명의 일 실시예의 프리스트레스 강재보 제작 중 재하된 하중에 의해 발생하는 응력분포를 나타내는 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예의 프리스트레스 부여를 위한 하중을 인가하는 고정수단을 나타내는 도면 및 도 6은 본 발명의 일 실시예의 프리스트레스 부여를 위한 하중을 인가하는 유압잭(61)과 유압잭 캡(65)의 정면도 및 결합 상태도이다.

도 3과 같이, 본 발명의 프리스트레스 강재보 제작 방법은, 강형재(10) 및 한 쌍의 고강도 강재(30)를 준비하는 프리스트레스 강재보 소재 준비 단계(S10), 상기 고강도 강재(30) 중 하나의 고강도 강재(30)에 하나 이상의 하중 재하공(33)을 형성하는 하중 재하공 형성 단계(S20), 상기 강형재(10)의 양면에 각각에 가용접과 고정수단(50)에 의해 상기 고강도 강재(30)를 고정하는 고강도 강재 고정 단계(S30), 상기 강형재(10)와 고강도 강재(30)에 프리스트레스 도입을 위해 상기 하중 재하공(33)을 통해 상기 강형재(10)에 하중을 재하하는 하중 재하 단계(S40), 상기 하중이 재하된 상기 강형재(10)와 상기 고강도 강재(30)를 강결접합하는 강결접합단계(S50) 및 상기 강결접합된 상기 강형재(10)와 상기 고강도 강재(30)로부터 재하된 하중을 해제하는 하중 해제 단계(S60)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 프리스트레스 강재보 제작 방법의 구성 중 상기 프리스트레스 강재보 소재 준비 단계(S10)는 강형재(10), 고강도 강재(30) 및 유압잭부(60)를 준비하는 단계이다.

상기 강형재(10)로 강재 H빔, 강재 I 또는 강판 중 어느 하나의 탄성재를 준비하고, 상기 고강도 강재(30)로 강재 H빔, 강재 I 또는 강판 중 어느 하나의 고강도 강재를 준비하는 단계일 수 있다.

도 4의 경우, 상기 프리스트레스 강재보 소재 준비 단계(S10)에서 준비된 강형재(10)는 강재 H빔으로서의 H형강이고, 고강도 강재(30)를 강형재(10)에 용이하게 용접에 의한 강결접합을 이룰 수 있도록 하나의 고강도 강재(상부 고강도 강재(30a))는 강형재(10)의 일측 면을 형성하는 상부의 플랜지(11)의 폭보다 작은 폭을 가지며, 다른 하나의 고강도 강재(하부 고강도 강재(30b))는 강형재(10)의 타측 면을 형성하는 하부 플랜지(11)의 폭보다 큰 폭을 가지며, 각각의 길이가 강형재(10)가 지점(19)을 형성하도록 강형재(10)의 길이보다 작은 길이를 가지는 것으로 프리스트레스 강재보 소재를 준비한 것을 일 실시예로 도시하였다.

상술한 바와 같이, 강형재(10)의 상부에 위치되는 고강도 강재(30)는 도 2에서 설명한 바와 같이, 강형재(10)의 폭보다 작은 폭을 가지며, 강형재(10)의 상부에 위치되는 고강도 강재(30)는 강형재(10)의 폭보다 넓은 폭을 가지도록 함으로써, 하기에 설명될 강형재(10)와 고강도 강재(30)의 강결접합을 위한 용접 시 강형재(10)의 상부 및 하부에 위치되는 고강도 강재(30) 모두에 대해 아래보기 용접을 수행할 수 있도록 함으로써, 용접에 의한 강결접합을 현저히 용이하게 수행할 수 있도록 한다.

상기 고강도 강재 고정 단계(S30)는, 상기 가용접에 의해 형성된 가용접부(40) 이외의 영역에서 상기 고강도 강재(30)가 상기 강형재(10)에 대해 미끌림 이동 가능하도록 하여, 상기 고강도 강재가 무응력 상태로 상기 강형재의 상부 및 하부 면에 고정되는 단계일 수 있다.

이때, 가용접부(40)는 도 4와 같이, 상기 강형재(10)의 상부 및 하부의 플랜지(11)의 중앙 영역에서 각각 하나씩 형성되는 것에 의해, 가용접부(40)의 양측에 분포되는 압축응력 또는 인장응력이 서로 대칭을 이루며 균일하게 분포될 수 있도록 한다.

그리고 상기 고정수단(50)은 도 5의 (a)와 같이, 'ㄷ' 자 형상의 고정구(51)와 쐐기(53)를 포함하여 구성될 수 있다. 상술한 구성의 고정수단(50)은 도 5의 (b)와 같이, 강형재(10)의 플랜지(11)와 고강도 강재(30)가 중첩된 상태로 상기 고정구의 'ㄷ' 자 형상의 중심부에 형성된 홈으로 삽입된 후, 쐐기(53)에 의해 상기 고강도 강재(30)가 상기 강형재(10)의 면에서 미끌림 이동 가능하게 고정된다. 상술한 고정수단(50)은 상술한 고정구(51)와 쐐기(53)로 한정되는 것은 아니며, 상기 고강도 강재(30)가 상기 강형재(10)의 면에서 미끌림 이동 가능하게 고정한 수단들이 선택되어 적용될 수 있다. 상기 고정구(51)는 그 단면 형상이 ‘ㄷ’자 형상으로 한정되는 것은 아니며, 상기 강형재(10)의 플랜지(11)와 상기 고강도 강재(30)를 미끌림 가능하게 고정하는 홈을 포함하여 다양한 형상 및 구조를 가질 수 있다.

상기 유압잭부(60)는, 도 6과 같이, 상기 유압잭(61) 및 유압잭 캡(65)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 유압잭부(60)는 유압을 제공하는 실린더(62)와 상기 실린더(62)와 결합되어 유압력을 출력하는 피스톤(63) 및 피스톤(63)의 단부에 결합되어 상기 강형재(10)에 접촉되는 유압잭 캡(65)에 프리스트레스 도입을 위한 하중을 인가하는 유압로드(64)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 유압로드(64)가 구비되지 않은 경우 상기 피스톤(63)이 상기 강형재(10)에 직접 프리스트레스 도입을 위한 하중을 인가하도록 구성될 수도 있다.

상기 유압잭 캡(65)은 캡 형상으로 상기 강형재(10)와 접촉하는 면에서 프리스트레스 도입을 위한 하중을 상기 강형재(10)로 인가하도록 돌출 형성되는 유압돌기(67)를 포함하여 구성될 수 있다.

상술한 구성의 상기 유압잭 캡(65)은 상기 피스톤(63) 또는 상기 유압로드(64)의 상기 강형재(10)와 접촉하는 단부에 결합된 후, 상기 유압돌기(67)가 상기 고강도 강재(30)에 형성된 하중 재하공(33)에 삽입된 후 상기 강형재(10)와 접촉하여 유압로드(64)에서 인가되는 하중을 상기 강형재(10)로 인가하도록 구성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 유압돌기(67)를 통해 하중을 강형재(10)에 인가할 수 있도록 함으로써, 고강도 강재(30)에 형성되는 하중 재하공(33)의 직경을 최대한 작게 할 수 있다. 이에 의해, 프리스트레스가 도입된 후 프리스트레스 강재보(1)에서 하중 재하공(33)에 의한 응력 불균형 또는 이상 응력 현상을 최소화할 수 있도록 한다. 이 경우 상기 유압로드(64)를 구비함이 없이, 상기 피스톤(63)에 직접 유압잭 캡(65)을 직접 결합시켜 프리스트레스 도입을 위한 하중을 상기 유압돌기(67)를 통해 상기 강형재(10)에 인가하도록 구성될 수도 있다.

상기 하중 재하공 형성 단계(S20)는, 상기 유압잭부(60)가 상기 강형재(10)에 하중을 재하하도록 상기 고강도 강재(30) 중 어느 하나에 하중 재하공(33)을 형성하는 단계이다. 도 2 및 도 5의 경우, 상기 하중 재하공(33)은 하부 고강도 강재(30b)의 중심을 기준으로 일정 간격 이격되도록 2개가 형성되어, 강형재(10)의 양측에 균일한 하중을 인가할 수 있도록 구성된다. 그러나 상기 하중 재하공(33)의 구성은 도 2 및 도 5의 구성으로 한정되는 것은 아니며, 상기 강형재(10)의 중심부를 중심으로 양측으로 균일한 하중을 인가할 수 있도록, 상기 고강도 강재(30)의 중심에 하나만 형성되거나, 상기 고강도 강재(30)의 중심을 기준으로 양측으로 동일한 수로 다수가 형성될 수도 있다.

상기 고강도 강재 고정 단계(S30)는 상기 강형재(10)의 상부 및 하부면에 상부 고강도 강재(30a) 및 하부 고강도 강재(30b)를 무응력 상태로 고정하는 단계이다. 일 예로, 상기 고강도 강재 고정 단계(S30)는 도 2의 (b)와 같이, 상기 고강도 강재 고정 단계(S30)는 상기 상부 고강도 강재(30a) 및 하부 고강도 강재(30b)를 서로 대응하는 점에서 각각 강형재(10)와 가용접을 수행하여 가용접부(40)를 형성한다. 이 경우, 상기 가용접부(40)는 상기 강형재(10)와 상기 고강도 강재(30)가 최소의 고정점을 가진 상태에서 전체적으로 균일한 무응력 상태를 이루며 미끌림 이동 가능하게 고정되도록, 상기 고강도 강재(30)의 중심부에서 서로 대향하는 위치에 한 쌍이 형성되는 것이 바람직하다. 이와 달리, 다른 상황 조건에 따라 필요한 경우 상기 가용접부(40) 또한 상기 고강도 강재(30)의 중심을 기준으로 양측으로 대칭이 되도록 다수가 형성될 수도 있다.

상술한 바와 같이 가용접부(40)가 형성된 이후, 도 5의 (b)와 같이, 가용접부(40)에 의해 고정된 강형재(10)의 플랜지(11)와 고강도 강재(30)를 고정구(51)와 쐐기(53)를 이용하여 미끌림 이동 가능하게 고정하는 것에 의해 강형재(10)와 고강도 강재(30)를 무응력 상태로 고정한다.

상기 하중 재하 단계(S40)는, 유압로드(64)를 구비한 유압잭(61)과 하중 재하를 위해 상기 강형재(10)에 접하는 면에 유압돌기(67)가 형성되어 상기 유압로드(64)의 단부에 결합되는 유압잭 캡(65)을 포함하는 유압잭부(60)를 준비한 후, 상기 유압돌기(67)를 상기 하중 재하공(33)에 삽입하여 상기 강형재(10)에 접촉시켜 유압을 인가하여 하중을 재하하는 단계일 수 있다.

구체적으로, 상기 고강도 강재(30)가 고정된 상기 강형재(10)의 상부 양측의 지점(19)을 고정한 후, 상기 하부 고강도 강재(30b)에 형성된 하중 재하공(33)에 유압잭(61)에 결합된 유압잭 캡(65)의 유압돌기(67)를 삽입하여 하중 재하점(35)에 접촉시킨 후, 상 방향으로 하중을 가한다. 이에 의해, 서로 고정된 강형재(10)와 고강도 강재(30)의 상부면에는 상부의 가용접부(40)를 중심으로 양측으로 인장력이 균일하게 작용되고, 하부면에는 하부의 가용접부(40)를 중심으로 양측으로 압측응력이 균일하게 작용된다. 이 과정에서, 유압돌기(67)를 이용하여 강형재(10)에 하중을 인가하는 것에 의해 하중 재하공(33)의 크기를 최소로 할 수 있게 된다. 이와 같이, 하중 재하공(33)의 크기를 최소로 함으로써, 프리스트레스 강재보(1)에서 하중 재하공(33)에 의한 불균일하거나 원하지는 않는 이상 응력 현상을 최소화시킬 수 있도록 한다. 따라서 상기 하중 재하공(33)의 직경은 하중 재하가 가능한 조건에서 가능한 작은 것이 바람직하다.

상기 강결접합단계(S50)는 상술한 바와 같이, 서로 고정된 강형재(10)와 고강도 강재(30)에 하중이 도입된 상태에서, 상기 강형재(10)와 고강도 강재(30)를 강결접합하는 단계이다. 도 2의 경우, 상기 강결접합을 고강도 강재(30)와 강형재(10)의 플랜지(11) 접합부를 용접하여 수행된 것으로 도시하였으나, 상기 강결접합은, 용접 이외에 볼트 체결 등의 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다.

이 경우, 상기 강형재(10)의 상부에 위치되는 고강도 강재(30)의 폭은 상기 강형재(10)의 상부 플랜지(11)보다 작도록 하고, 상기 강형재(10)의 하부에 위치되는 고강도 강재(30)의 폭은 상기 강형재(10)의 하부 플랜지(11)보다 크게 함으로써, 상기 강형재(10)의 상부 및 하부에서의 고강도 강재(30)의 강결접합을 아래보기 용접 또는 아래보기 볼트 체결 등에 의해 수행할 수 있게 되어, 강결접합 공정을 현저히 용이하게 하고, 신뢰성 있게 수행할 수 있도록 한다.

상기 하중 해제 단계(S60)는 강결접합단계(S50)의 수행에 의해, 서로 고정된 강형재(10)와 고강도 강재(30)가 하중이 인가된 상태에서의 상기 강결접합이 완료된 후에는 유압잭부의 유압을 제거하여 강형재(10)로 인가되는 하중을 해제한다. 이에 의해, 상기 강형재(10)의 상부는 상부 고강도 강재(30a)에 의해 가용접부(40)를 중심으로 양측으로 작용하는 인장력의 프리스트레스가 도입된다. 그리고 상기 강형재(10)의 하부는 하부 고강도 강재(30b)에 의해 가용접부(40)의 양측에서 가용접부(40)로 작용하는 압축응력의 프리스트레스가 도입된다.

상술한 바와 같이, 프리스트레스가 도입된 강형재(10)와 고강도 강재(30)로 제작된 강재보(1)는 지점의 상부에 설치되는 경우에는 하부 고강도 강재(30b)가 상부로 향하도록 하여 부 모멘트 강재보로 설치되며, 지간에 설치되는 경우에는 하부 고강도 강재(30b)가 하부로 향하도록 하여 정 모멘트 강재보로 설치된다.

또한, 상술한 바와 같이 프리스트레스를 도입하는 경우 종래기술의 강재보의 지간보다 긴 장지간의 강재보의 제작을 가능하게 하며, 또한, 강재보의 형고를 현저히 낮추면서 원하는 안전강도를 가지는 장지간 용 강재보의 제작을 가능하게 한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예의 프리스트레스 강재보 제작 중 원호형 모멘트 보강재(300)를 강결접합하는 것을 나타내는 도면이다.

도 7과 같이, 본 발명의 다른 실시예의 프리스트레스 강재보(1a)는 측면에 무응력 상태로 부착되어 정 또는 부 모멘트를 보강하는 원호형 모멘트 보강재(300)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 원호형 모멘트 보강재(300)는 상기 고강도 강재(30)를 원호형으로 재단하여 형성된다. 상기 원호형 모멘트 보강재(300)는, 도 3의 프리스트레스 강재보 제작 방법 중 강결접합단계(S50)에서 하중이 인가된 강형재(10)의 측면에 무응력 상태로 고정하여 볼트 체결 또는 용접 등에 의해 강결접합된다.

상술한 바와 같이 부가되어 강결접합된 상기 원호형 모멘트 보강재(300)는, 원호 형상에 의해 원호의 내측에서는 강형재(10)에 압축응력의 프리스트레스를 보강하며, 원호의 외측에서는 강형재(10)에 인장응력의 프리스트레스를 보강하도록 기능한다.

상기 원호형 모멘트 보강재(300)의 부가에 의해 강형재(10)에 도입되는 프리스트레스를 크게 함으로써, 형고를 전혀 높이지 않은 상태에서 지간이 더욱 확장되고, 하중 강도가 더욱 향상된 장지간 프리스트레스 강재보(1a)의 제작을 가능하게 한다.

상기 원호형 모멘트 보강재(300)는 원호형 이외에 골과 마루가 주기적으로 형성되어 전체적으로 원호형 모멘트 보강재(300)에 대응하는 곡률 반경을 가지는 파형 모멘트 보강재(미도시) 등 다양한 구조가 적용될 수 있다. 또한, 상기 원호형 모멘트 보강재 또는 파형 모멘트 보강재 등의 모멘트 보강재는 강형재(10)의 측면에 다수가 다단으로 강결접합되어 형성될 수도 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1, 1a: 강재보(프리스트레스 강재보)
6: 절단노치부 7: 절단노치
8: 절단노치 용접부 9: 하중 재하부
10: 강형재 11: 강형재 플랜지
19: 지점
3, 30: 고강도 강재
30a: 상부 고강도 강재
30b: 하부 고강도 강재
33: 하중 재하공 35: 하중 재하점
40: 가용접부 43: 강결합 용접부
50: 고정수단(고정구 및 쐐기)
51: 고정구 53: 쐐기
60: 유압잭부
61: 유압잭 62: 실린더
63: 피스톤 64: 유압로드
65: 유압잭 캡 67: 유압돌기
200: 응력(인장응력, 압축응력) 방향
300: 원호형 모멘트 보강재

Claims (12)

1. 강형재; 및
   상기 강형재의 상부와 하부 면 각각에 강결접합된 한 쌍의 고강도 강재;를 포함하고,
   상기 강형재의 상부 및 하부의 플랜지의 중앙 영역에서 각각 하나씩 상기 강형재와 상기 한 쌍의 고강도 강재를 가용접한 가용접부가 형성되고,
   상기 고강도 강재 중 어느 하나의 고강도 강재는 프리스트레스 부여를 위한 재하중을 인가하기 위해 형성되는 하나 이상의 하중 재하공이 형성되어,
   상기 강형재에 상기 한 쌍의 고강도 강재를 서로 미끄러짐 이동 가능하게 고정한 후, 상기 하중 재하공을 통해 유압잭캡이 결합된 유압잭을 이용하여 상기 강형재에 하중을 재하하여,하나의 고강도 강재에는 상기 가용접부를 중심으로 양측에서 상기 가용접부를 향하는 압축응력이 프리스트레스로 도입되고, 다른 하나의 고강도 강재에는 상기 가용접부를 중심으로 양측에서 서로 반대를 향하는 인장응력이 프리스트레스로 도입되도록 응력을 발생시킨 상태에서 상기 강형재에 상기 고강도 강재를 강결접합하는 것에 의해 프리스트레스가 인가되도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보.
2. 제1항에 있어서,
   상기 강형재는 강재 H빔, 강재 I 또는 강판 중 어느 하나의 탄성재인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 고강도 강재는,
   강재 H빔, 강재 I빔 또는 강판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보.
5. 제1항에 있어서, 상기 강결접합은,
   볼트 체결 또는 용접 중 어느 하나에 의해 수행된 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보.
6. 제1항에 있어서,
   상기 강형재의 측면에 강결접합된 모멘트 보강재를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보.
7. 강형재 및 한 쌍의 고강도 강재를 준비하는 프리스트레스 강재보 소재 준비 단계;
   상기 고강도 강재 중 하나의 고강도 강재에 하나 이상의 하중 재하공을 형성하는 하중 재하공 형성 단계;
   상기 강형재의 상부 및 하부의 플랜지의 중앙 영역에서 각각 하나씩 상기 강형재와 상기 한 쌍의 고강도 강재를 가용접하여 상기 강형재의 양면 각각에 형성되는 가용접과 고정수단에 의해 상기 고강도 강재를 가용접부 이외의 영역에서 미끄럼 이동 가능하게 상기 강형재에 고정하는 고강도 강재 고정 단계;
   상기 고강도 강재에 프리스트레스 도입을 위해 상기 하중 재하공을 통해 유압잭캡이 결합된 유압잭을 이용하여 상기 강형재에 하중을 재하하여, 하나의 고강도 강재에는 상기 가용접부를 중심으로 양측에서 상기 가용접부를 향하는 압축응력이 프리스트레스로 도입되고, 다른 하나의 고강도 강재에는 상기 가용접부를 중심으로 양측에서 서로 반대를 향하는 인장응력이 프리스트레스로 도입되도록 응력을 발생시키도록 상기 강형재에 하중을 재하하는 하중 재하 단계;
   상기 하중이 재하된 상기 강형재와 상기 고강도 강재를 강결접합하는 강결접합단계; 및
   상기 강결접합된 상기 강형재와 상기 고강도 강재로부터 재하된 하중을 해제하는 하중 해제 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보 제작 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 프리스트레스 강재보 소재 준비 단계는,
   상기 강형재로 강재 H빔, 강재 I 또는 강판 중 어느 하나의 탄성재를 준비하는 단계인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보 제작 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 프리스트레스 강재보 소재 준비 단계는,
   상기 고강도 강재로, 강재 H빔, 강재 I빔 또는 강판 중 어느 하나 이상을 준비하는 단계인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보 제작 방법.
10. 삭제
11. 제7항에 있어서, 상기 강결접합단계의 상기 강결접합은,
    볼트 체결 또는 용접 중 어느 하나에 의해 수행된 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보 제작 방법.
12. 제7항에 있어서, 상기 강결접합단계는,
    상기 강형재의 측면에 강결접합된 모멘트 보강재를 강결접합하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 강재보 제작 방법.

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