KR102271672B1 - 한계상태설계법에 적합한 구조성능을 갖는 체결형 거더 - Google Patents

한계상태설계법에 적합한 구조성능을 갖는 체결형 거더 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 한계상태 설계법에 적합한 새로운 개념의 주거더를 고안하여 보다 경제적이고 내구성이 뛰어난 합성거더 교량을 건설하는 것을 가능토록 하는 것에 있다.
이를 위해 합성거더 교량을 구성하는 주거더가 최소한 하나의 강판으로 완전히 둘러싸인 부분을 가질 수 있도록 하고, 또한 압축 및 전단에 의한 국부좌굴에 취약한 부재단면인 압축플랜지와 복부판을 소정두께를 가지는 고강도 콘크리트와 합성시키는 것을 통해 휨강성과 비틀림강성을 크게 증대시켰다.
이러한 결과로써 종래의 강-콘크리트 합성거더의 적용가능 경간장을 늘일 수 있게 됨은 물론이고, 합성거더 단면의 압축플랜지와 복부판에 각각 배치되는 수평 및 수직보강재를 설치하지 않게 됨으로써 거더제작비도 대폭 줄일 수 있게 된다.

Description

한계상태설계법에 적합한 구조성능을 갖는 체결형 거더{Advanced Interlocking Girder adapt to Load Factor Resistance Design Method}
본 발명은 콘크리트 바닥판과 결합하는 합성거더 교량의 주거더 제작에 관한 것으로, 보다 상세히는 상기 주거더의 압축플랜지와 복부재에 강-콘크리트 합성패널을 사용하는 것을 통해 휨과 비틀림강성을 대폭 증대시키고, 이를 통해 압축응력과 전단응력을 각각 또는 동시에 받는 강판의 국부좌굴에 대한 저항성을 향상시켜 곡선교량 내지 장경간 교량에도 적합한 주거더의 개발에 관한 것이다.
먼저 본 발명의 배경이 되는 합성형 교량의 구조특성에 대해 간략히 설명하기로 한다. 합성형 교량은 먼저 주거더를 공장 내지 교량가설 현장에서 제작한 다음에 크레인으로 거치한 후에 차량하중에 직접적으로 저항하는 콘크리트 바닥판과 합성하는 시공과정을 거치게 된다. 이러한 시공과정에서 주거더는 자체 무게뿐만 아니라 바닥판 시공 중에 발생하는 외적하중으로 인한 단면력, 특히 휨 모멘트에 효과적으로 저항할 수 있도록 휨에 대한 구조저항성이 높은 I자형의 단면형상(이하 'I형'이라 한다)을 갖도록 하는 것이 일반적이다.
도 1에 나타낸 것처럼, 종래의 합성형 교량의 주거더는 도 1(a)의 강재 또는 도 1(b)의 콘크리트 단일재료로 각각 제작된 I형으로 제작되는 경우가 많다. 콘크리트로 제작된 주거더는 경제성 측면에서 유리하지만, 경간이 길어지면 주거더의 중량도 급격히 증가하여 대형크레인의 사용이 필요하다는 문제점을 갖는다. 반면, 강재로만 제작된 주거더는 중량이 가벼워 거치는 용이하지만 경제성 측면에서는 콘크리트로 제작된 주거더에 비해 불리하고, 비틀림강성이 약해 곡선형태의 교량에는 사용이 어렵다는 문제점을 갖는다.
최근에는 콘크리트 주거더의 중량을 감소시키기 위하여 도 1의 (c) 내지 (d)에 나타낸 것과 같이 복부에 강재를 사용하는 혼합형 주거더가 개발되기도 하였으며, 도 1(e)에 나타낸 프리플렉스 합성형 거더교의 경우에는 주거더의 휨강성 증대를 위해 인장측 강재를 콘크리트로 감싸는 구조를 도입하고 있다. 또한 프리플렉스와는 반대로 도 1(f)에 나타낸 것처럼 휨에 의한 압축응력을 받는 영역에 강-콘크리트 합성구조를 적용한 주거더도 개발되어 사용되고 있다. 그리고 도 1(g)에 나타낸 것처럼 외기에 노출되는 콘크리트 주거더의 외부형상을 따라 얇은 강판으로 둘러싸고, 이 강판 내부를 콘크리트로 충전한 후에 PS강선을 이용하여 합성단면 전체에 선행압축력을 도입하는 거더형식도 개발되어져 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 다양한 형상을 갖는 주거더가 개발되어 합성교량에 사용되고 있지만, 이들 대부분은 I형의 단면형상을 하고 있기에 평면상으로 작은 곡선 반경을 가지는 교량에는 적용할 수 없다는 한계를 가지고 있다.
한편, 평면상으로 작은 곡선 반경을 갖는 합성거더 교량에는 도 1(h)에 나타낸 비틀림강성이 증대된 폐합형의 강재로 된 박스단면이 주로 사용되지만, 이러한 박스단면은 상대적으로 복잡한 제작과정을 거쳐야 한다. 즉, 사각형의 단면형상 유지를 위한 박스내측의 격벽설치와 압축력과 전단력에 의한 강판의 좌굴현상 방지를 위한 수평보강재와 수직보강재 등이 반드시 배치되어야 하므로 I형상의 주거더에 비해 강재중량이 크게 늘어나고, 제작 또한 상대적으로 어려워져 경제성이 떨어진다.
국내에서는 2012년부터 합성거더 교량의 설계기준이 허용응력설계법(ASD)에서 한계상태설계법(LRFD)으로 바뀌었는데, 사용하중에 의한 발생응력이 재료항복응력의 50~60% 수준으로 설정된 허용응력이하가 되도록 하는 허용응력설계법과는 달리, 한계상태설계법은 극한상태에서의 단면의 저항능력을 재료의 항복응력을 기준으로 산정하도록 하고 있다.
합성거더 교량의 주요특징은 주거더의 종류에 관계없이 콘크리트 바닥판과 주거더와의 결합이 이루어지면, 휨과 비틀림에 대한 단면의 저항성능이 크게 증대된다는 것이다. 대부분의 합성거더 교량에서는 시공의 간편성 때문에 주거더 단독으로 주거더 및 굳지 않은 상태의 바닥판 콘크리트의 자중을 모두 견디는 활하중 합성거더(반합성거더)로 시공되고 있다. 하지만 일부에서는 경간장을 길게 하면서 주거더의 제작비용을 줄이기 위해 콘크리트 바닥판에 속하는 요소의 일부를 미리 주거더와 합성시킨 상태(부분합성거더)로 시공하거나 또는 경간 내에 다수의 임시지점을 형성하여 굳지 않은 콘크리트의 자중을 이들 임시지점들이 견디도록 한 후에 콘크리트 바닥판의 양생이 완료된 후 임시지점들을 제거하는 사하중과 활하중에 대한 합성거더(전체합성거더)로 시공되기도 한다.
만약 합성거더 교량의 형상과 치수 그리고 재질이 같다면, 활하중(차량하중)이 가해질 때 주거더 단면에 발생하는 응력의 크기는 "반합성거더 >부분합성거더>전체합성거더"의 순으로 작아진다. 즉, 주거더 단면을 구성하는 재료응력의 크기를 제한하는 허용응력 설계법에서는 전체합성거더로 시공될 때 가장 경제적인 합성교량이 된다. 지금까지 많은 교량기술자들이 합성거더 교량의 주거더에 생기는 응력크기를 줄일 수 있는 시공법 내지 주거더 단면형상의 개발에 노력을 기울여왔다.
하지만 한계상태설계법에서는 합성거더 단면의 극한상태의 저항력을 확보하는데 초점을 두고 있으며, 동시에 사용하중으로 강재에 발생하는 응력의 크기를 콘크리트 바닥판과 비합성상태인 경우에 재료항복응력의 80% 그리고 합성상태에서는 95%까지 각각 허용하고 있다.
도 2에 콘크리트 바닥판과의 합성방법에 따른 단순 지지된 교량의 하중과 처짐곡선 관계에 대한 개요도를 나타내었다. 도 2로부터, 합성거더의 극한저항력은 공법의 종류에 관계없이 최종적으로 같아진다는 것을 알 수 있다. 다만, "전체합성거더>부분합성거더>반합성거더"의 순으로 합성거더의 탄성거동영역을 확장시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 합성거더 교량에 대한 설계기준의 변화는 주거더의 단면형상과 시공법에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있으며, 지금까지 개발된 공법들은 주로 사용하중상태에서의 발생응력의 크기를 줄이는 것에 대해 초점을 두고 있었다. 하지만 극한상태에서의 저항능력 확보에 중점을 둔 한계상태설계에서는 이러한 응력크기를 줄일 수 있는 공법개발보다는 주거더를 구성하고 있는 단면전체가 극한상태에서 일제히 항복상태에 도달하도록 하는 방안이 절실히 요구된다는 것을 알 수 있다.
합성거더 교량의 단면 저항능력을 증대시키는데 있어서 가장 효과적인 방법은 주거더의 높이를 증가시키는 것에 있으며, 따라서 주로 단순교로 시공되는 콘크리트 주거더의 경우에는 휨 모멘트로 인한 인장영역에 배치되는 철근 또는 PS강재의 양에 따라 저항강도가 크기가 결정되며, 단순교 및 연속교로 시공되는 강재 주거더의 경우에는 압축 및 인장플랜지의 크기가 단면의 저항력을 결정하는 요인이 된다.
하지만 주거더 높이를 증가시키면 복부재가 콘크리트로 된 경우에는 거더자중이 급격히 늘어나게 되는 문제가 발생하며, 강재인 경우에는 얇은 복부판이 전단좌굴에 취약해져 필요이상으로 복부판의 두께를 증가시켜야 하거나 또는 많은 양의 수직 및 수평의 보강판을 복부판에 첨가하여야 한다는 문제들이 발생한다. 또한 주거더가 높아지면 거더인양 및 바닥판 콘크리트 시공시의 횡방향 좌굴로 인한 안전성 문제가 발생하며, 이를 방지하기 위해서는 주거더를 연결하는 세로보의 강성증대 및 개수증가 또는 주거더의 비틀림강성을 증대시키도록 단면형상을 변화하여야 하는 등의 대책을 필요로 한다.
한편 강재주거더에서의 압축플랜지는 휨 저항성을 늘이기 위해 플랜지의 폭을 키우면 강판의 국부좌굴로 인해 재료의 항복응력에 도달하기 훨씬 전에 저항력을 상실하게 될 우려가 있다. 이러한 국부좌굴 현상을 방지하지 위해서는 압축플랜지를 구성하는 강판을 소정두께 이상으로 하든지, 아니면 압축플랜지의 돌출길이를 줄여야 하지만 이로 인한 휨강성의 저하로 주거더 높이를 또 다시 키워야 하는 문제가 발생한다.
합성거더 교량에 사용되는 주거더는 효율적인 휨강성의 확보와 제작의 편의성을 위해 주로 I자 형태를 사용하고 있지만, 교량선형이 평면상으로 작은 곡선반경을 갖는 경우에는 비틀림 모멘트로 인한 뒤틀림(distortion)작용으로 축방향으로 큰
Figure 112019055474694-pat00001
(warping stress)이 발생하게 되는 이유로 인해 폐합된 박스단면형상이 사용되고 있다. 박스단면을 사용하는 경우에도 비틀림으로 인한 뒤틀림 변형을 무시할 수 있도록 박스 내부에 적절한 보강재의 설치가 필요하며, 압축응력을 받는 플랜지와 전단응력과 압축력을 동시에 받는 복부판의 국부좌굴현상에 대해서도 검토되어야 하는 이유 등으로 인해 I형 단면에 비해 박스단면형상의 주거더 제작비가 크게 늘어난다.
또한, 종래의 박스거더 단면은 복잡한 보강재의 배치 등으로 인해 강재제작공장에서 박스형상의 세그먼트로 미리 제작되어 교량가설현장으로 반입하고, 이후 고장력볼트를 이용한 마찰접합으로 각 세그먼트를 체결하도록 하고 있다. 통상적으로 고장력볼트를 이용한 마찰이음은 사용강판 두께가 30mm 이하인 경우에만 효과적으로 사용될 수 있으며, 실제에서는 이것보다 사용강판이 두꺼워지지 않도록 박스거더 높이를 조절하는 설계를 많이 하고 있다. 하지만 교량경간장이 늘어나거나 평면상으로 곡선반경이 작은 경우에는 상대적으로 큰 휨모멘트와 비틀림 모멘트로 인해 강판의 두께를 늘이지 않으려면 필연적으로 박스거더의 높이를 증대시켜야 하는데, 이 경우에는 복부강판의 전단에 국부좌굴 문제가 동시에 수반되어 강재량이 급격히 늘어나게 되어 경제성이 급격히 저하된다.
현장용접에 의한 강판연결은 고장력볼트체결을 통한 마찰이음에 비해 수정가능성과 재료비 절감면에서는 유리하지만, 용접을 위한 부재의 세팅, 적절한 용접자세 확보 그리고 용접부위의 품질확보 등의 문제로 부득이한 경우가 아니면 꺼려하고 있다. 특히 인장 및 압축응력을 받는 강판연결을 위한 완전용입 그루브용접은 고도로 숙련된 용접사를 필요로 하며, 용접으로 인한 모재의 변형현상이 발생하기 쉽고, 또한 품질확인을 위한 비파괴 검사비용도 많이 소요되는 문제점이 있다. 이에 비해, 용접축에 평행한 압축이나 인장에 대한 필릿용접은 적절한 용접자세만 확보되면 비교적 간편하면서 품질확보도 용이하다는 장점이 있어서, 고장력볼트에 의한 마찰이음과 병용하여 사용되는 경우도 많이 있다.
최근 일본과 유럽 등에서는 교량단면에 사용되는 I형 강재주거더의 개수를 2개로 줄이는 대신에 주거더를 구성하는 강판을 고강도의 두께 30mm 이상이 되도록 세그먼트 단위로 공장에서 제작한 후에, 현장용접으로 결합하는 형식의 합성거더교의 사용이 많이 늘어나고 있는 추세에 있다. 이들 교량은 평면상으로 직선이면서 경간장이 60m 이하에서 주로 사용되고 있으며, 국내에서도 여러 교량의 건설에 도입되었지만 현장용접 등의 문제로 인해 지금은 그다지 활성화 되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 강재주거더 단면형상 및 구성부재의 구조특성의 개선을 통해 강판두께를 30mm이하가 되도록 하고, 고장력볼트를 이용한 마찰연결과 필릿용접만으로 주거더를 구성하는 강판들을 교량가설현장에서 연결하도록 한다면 기존에 비해 훨씬 경제적인 교량건설이 가능해질 것이다.
본 발명의 목적은 한계상태 설계법에 적합한 새로운 개념의 주거더를 고안하여 보다 경제적이고 내구성이 뛰어난 합성거더 교량을 건설하는 것에 있으며, 이러한 목적을 달성하기 위해 합성거더 교량건설에 이미 사용되고 있는 기존의 여러 주거더들이 가지는 다음의 기술적 과제들을 해결하는데 있다.
첫째, 한계상태 설계기준에서 요구하는 극한상태에서의 저항력을 가장 경제적으로 확보할 수 있도록 주거더를 구성하는 부재요소들이 설계기준에서 정하고 있는 극한상태에서 전부 소성상태에 이를 수 있는 단면구성이 되도록 한다.
둘째, 개방형의 I형 주거더의 형상을 가지면서도 충분한 비틀림강성을 가질 수 있도록 하여, 경간길이로 조립된 주거더의 운반 및 거치시에 생길 수 있는 횡방향 좌굴에 대한 안전성을 높일 수 있도록 한다.
셋째, 주거더의 높이증가에 따른 복부강판의 전단응력에 의한 좌굴현상과 휨강성 증대에 필수적인 압축플랜지의 좌굴현상을 방지하기 위해 미소변위이론에 따른 단면력에 저항하는데 필요한 강판두께 보다도 훨씬 두꺼운 강판사용을 억제함으로써 주거더의 강중을 줄여 제작비를 감소시킬 수 있도록 한다.
넷째, 평면상으로 곡선을 갖는 교량에 주로 사용되는 종래의 박스거더 보다도 거더높이는 낮지만 전단과 비틀림에 대한 단면저항성을 향상시키는 것을 통해 거더제작에 소요되는 강재량은 오히려 줄이면서, 박스단면을 구성하는 각 부재요소의 제작을 간단히 함으로써 보다 경제적인 주거더를 제작할 수 있도록 한다.
다섯째, 주거더를 구성하는 상부플랜지, 복부재 그리고 하부플랜지를 분리된 상태로 공장에서 제작한 다음에 현장으로 반입하여, 고장력볼트를 이용한 마찰접합내지 비교적 현장용접이 용이한 필릿용접만으로 소정의 단면형상으로 조립할 수 있도록 하는데 있다.
먼저 한계상태 설계법에서 요구하고 있는 극한한계상태에서의 단면저항강도를 최대로 높이기 위해서는 모든 외적하중으로 인한 단면력에 대해 주거더 단면이 조밀단면(compact section)이 되도록 하는 것이 요구된다. 특히, 조밀단면의 압축플랜지가 되기 위해서는 플랜지 폭(bf)에 대한 플랜지 두께(tf)의 비(=bf/tf)를 작게 하는 것이 필요하지만, 이러한 규정을 만족시키도록 두께를 증가시키면 강재중량의 증가로 인해 제작비가 상승할 뿐만 아니라, 설령 아주 두꺼운 강판을 사용하여 관련 설계규정을 만족시켜 조밀단면을 만들게 된 경우라도 강판연결에 용접만이 사용될 수 있기에 실제 교량구조물에 사용될 가능성은 매우 낮다.
강판의 두께를 증가시키지 않으면서도 압축을 받는 플랜지와 복부판이 탄성좌굴을 일으키지 않은 상태에서 항복강도에 이를 수 있게 할 수 있는 가장 효과적인 방법으로는 소정두께의 고강도 콘크리트를 전단연결재를 통해 강판에다 합성시킨 합성강판을 사용하는 것이다.
한편 지금까지의 강거더를 형성하는 구성부재간의 연결에는 주로 용접만이 사용되었다. 즉, 지금까지는 합성교량의 주거더의 단면은 단면을 구성하는 강판들의 접합면에 작용하는 수평전단응력에 저항하기 위해 용접만을 사용하였기에 공장에서 결합된 단면으로 구성된 부재단위로 현장으로 반입할 수밖에 없었고, 현장에서는 이미 완성된 단면형상을 대상으로 고장력볼트에 의한 마찰접합 또는 용접으로 부재들을 결합시키는 과정을 거치도록 하였기에 결합방법과 단면형상도 많은 제약을 받게 되었다. 하지만, 먼저 고장력볼트로 단면구성요소를 체결하여 소정의 단면을 형성시킨 후에 강판의 좌굴 방지를 위한 상기의 고강도 콘크리트를 이용해 이들 강판들을 서로 체결시킨다면 고비용의 용접과정을 완전히 생략할 수 있다.
일반적으로 압축강도 40MPa의 고강도 콘크리트의 탄성계수는 약 2.9x104MPa가 되며, 반면에 항복응력 360MPa의 구조용 강재의 탄성계수는 2.0x105MPa로써 두 재료사이의 탄성계수비 n은 약 7이 된다. 사변이 단순지지된 강판의 좌굴강도는 다음의 식으로 계산되며
Figure 112019055474694-pat00002
식(1)
여기서,
Figure 112019055474694-pat00003
는 좌굴계수이며 다음 식으로 구해진다.
Figure 112019055474694-pat00004
식(2)
여기서,
Figure 112019055474694-pat00005
식(1)로부터, 압축을 받는 판의 좌굴강도는 판의 재료특성과 폭원비가 정해진 경우에는 판의 두께의 제곱에 비례한다. 강-콘크리트 합성판의 좌굴강도는 강판에 의한 좌굴강도(
Figure 112019055474694-pat00006
)와 콘크리트 부분에 의한 좌굴강도
Figure 112019055474694-pat00007
의 합인 다음의 식으로 구해지므로
Figure 112019055474694-pat00008
식(3)
만약 두께 10mm의 강판을 두께 100mm의 콘크리트로 보강한 것으로 가정하면 합성판의 좌굴강도는 강판만으로 구성된 경우에 비해 약 15배 정도가 증가하게 되며, 이 값은 두께 40mm의 강판만을 사용한 경우의 좌굴강도에 해당한다. 따라서 합성강판을 압축플랜지에 사용할 경우에 강판의 두께를 늘이지 않고도 압축플랜지를 구성하는 강판전체를 국부좌굴없이 항복상태에 이르게 되는 조밀단면을 구성할 수 있다.
또한, I형거더 및 박스거더 복부판의 압축 및 전단좌굴 강도는 좌굴계수의 값이 복부판에 작용하는 압축응력의 경사도에 따라 달라지는 것만 제외하고는 기본적으로 식(1)로부터 구해지므로, 만약 두께 10mm의 복부판에 두께 100mm 정도의 콘크리트를 부착한 합성판을 사용하게 된다면 복부판에 오로지 강재만을 사용했을 때 요구되는 두께가 40mm 이하인 모든 경우에 대해 좌굴안정성을 확보할 수 있는 조밀단면을 얻을 수 있게 된다.
한편 I형 단면을 주거더로 사용하게 되면 비틀림강성이 폐합단면에 비해 크게 떨어지는데, 이것은 도 3에 나타낸 3가지 단면의 비틀림강성의 비교를 통해 용이하게 알 수 있다. 먼저 도 3(a)에 나타낸 폭800mm×높이 2000mm×두께30mm의 강판으로만 제작된 I형단면, 도 3(b)는 폭800mm×높이 2000mm×두께:플랜지250mm,복부:100mm의 콘크리트로 제작된 I형단면, 도 3(c)는 폭780mm×높이1980mm×두께:플랜지125mm,복부:60mm의 콘크리트를 두께10mm의 강판으로 완전히 둘러싼 싼 경우, 그리고 도 3(d)는 도 3(c)의 경우에서 외부강판을 폐합시키지 않은 경우를 각각 나타낸다. 이들 4가지 경우에 대한 순수비틀림강성을 구한 결과를 표 1에 나타내었다.
Figure 112019055474694-pat00009
표 1로부터, 얇은 강판으로만 제작된 I형거더(도 3(a))는 유사한 휨강성을 갖는 콘크리트 I형거더(도 3(b))에 비해 비틀림강성이 크게 떨어진다는 것을 알 수 있다. 한편, 콘크리트의 외부를 두께 10mm의 강판으로 둘러싼 도 3(c)의 단면은 도 3(b)의 콘크리트 I형거더에 비해 단면무게를 절반수준으로 감소시켰음에도 불구하고 오히려 비틀림강성이 2%정도 증가한 것을 알 수 있다. 하지만 비록 강판으로 콘크리트를 감싸고는 있지만 강판이 폐합되지 않은 경우에 비틀림강성의 증가효과는 그다지 크지 않다는 것을 알 수 있다. 이상으로부터, 완전히 폐합된 두께10mm의 얇은 강재로 콘크리트 단면을 외부에서 감싸면 거더단면의 비틀림강성을 크게 증대시킬 수 있다는 사실을 알 수 있다.
제 1도는 종래의 합성거더 교량에 사용되는 단면형상도
제 2도는 시공방법의 차이에 따른 강-콘크리트 합성거더의 극한내력과 처짐곡선의 변화양상
제 3도는 비틀림강성비교를 위한 예시에 사용된 단면형상
제 4도는 본 발명의 바람직한 제 1실시예에 따른 박스형상의 주거더
제 5도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주거더를 구성하는 강판사이의 접합방법에 대한 상세도
제 6도는 본 발명의 바람직한 제 2실시예에 따른 I형상의 주거더
제 7도는 본 발명의 바람직한 제 3실시예에 따른 박스형상의 주거더
제 8도는 본 발명의 바람직한 제 4실시예에 따른 박스형상의 주거더
제 9도는 본 발명의 바람직한 제 5실시예에 따른 개방형 합성거더교량의 단면도
제 10도는 본 발명의 바람직한 제 6실시예에 따른 단일박스형상의 합성거더교량의 단면도
다음으로 실시예를 나타낸 첨부도면을 참조로 하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제 1실시예에 따른 박스형상의 거더단면을 나타낸 것으로, 박스단면의 상부플랜지강판(1)은 하부플랜지강판(2)의 1/5 ~ 1/3 정도의 너비(바람직하게는 1/4)를 가지며, 박스단면 양쪽에 위치한 복부재는 각각 외측복부강판(3)과 내측복부강판(4)으로 구성되며, 상기 내측복부강판(4)의 상부는 단면의 중심까지 연장되어 반대편에 위치한 내측복부강판과 맞대게 되도록 하며, 상기 (1)내지 (4)의 강판조립이 완료되면 고강도의 충전콘크리트(5)를 사용한 박스내부 공간의 채움을 통해 일체형의 박스단면을 형성하는 것을 주요 특징으로 한다.
도 4에 나타낸 것과 같이, 충전콘크리트(5)와 각 강판(1,2,3,4)사이의 일체거동을 확보하기 위하여 복부 강판두께의 2.5배 이하의 직경을 갖는 머리부착 스터드(6)를 강판면의 양방향에 걸쳐 일정한 간격으로 용착시킨다. 내측복부강판(4)의 연결에는 고장력볼트(7)를 이용한 마찰접합이음을 사용한다.
또한, 콘크리트 상부슬래브와 합성작용 확보를 위해 상기의 상부플랜지강판(1) 상면에도 상부플랜지 판두께의 2.5배 이하의 직경을 갖는 머리부착 스터드(8)를 용착시킨다. 그리고 인장력을 받는 하부플랜지강판(2)의 형상유지 및 전단좌굴 방지를 위해 직사각형 단면의 강판인 수평보강재(9)를 하부플랜지강판(2)의 상면에 일정간격으로 설치하며, 상기 수평보강재(9)와 내측복부강판(4)과의 결합을 위해 소정형상의 연결판(10)을 박스단면 내측에 구비한다.
한편, 강판사이의 체결방법은 박스단면으로 조립되는 장소에 따라 달리할 수 있다. 강재제작 공장에서 강재단면을 조립된 상태로 교량현장으로 운반하는 경우에는 도 5(a)에 나타낸 것과 같이 각 강판들이 서로 맞닿는 부분에서 용접(11)으로 서로 연결한다.
각 강판을 분리된 상태로 교량현장으로 운반하여 체결하는 경우에는 도 5(b)에 나타낸 것과 같이 각 강판들이 맞닿는 부분에서 30mm ~ 40mm 정도 떨어진 위치에서 소정 크기의 구멍(12)을 미리 설치한 다음에 이들 구멍에 고장력볼트(7)를 삽입한 후에 소정크기의 토크로 상기 고장력볼트(7)의 너트(13)를 조이도록 하는 마찰접합이음을 실시한다. 한편, 고장력볼트(7)와 너트(13)를 이용하는 대신 필릿 용접으로 강판들을 결합할 수도 있다. 즉, 고장력볼트(7)와 너트(13) 또는 필릿 용접을 이용하여 외측복부강판(3)의 상,하단을 상,하부플랜지강판(1)(2)에 각각 결합하고 내측복부강판(4)의 하단을 하부플랜지강판(2)에 결합하며 내측복부강판(4)의 상부끝단을 반대편 내측복부강판(4)의 상부끝단과 결합할 수 있다.
충전콘크리트(5)의 채움시기는 조립된 거더를 크레인으로 인양하는 현장여건에 따라 달리할 수 있는데, 현장여건상 대용량의 크레인 사용이 어려운 경우에는 인양시의 거더무게 경감을 위해 강재로만 구성된 단면으로 된 거더를 교량 위로 거치한 후에 충전콘크리트(5)를 채우며, 대용량 크레인 사용이 용이할 때에는 지상에서 강부재들의 조립이 완료되면 바로 충전콘크리트(5)를 채우고 소정기간의 양생이 이루어진 후에 완성된 거더형태로 거치할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제 2실시예에 따른 I형의 거더단면을 나타낸 것으로, 각각 소정너비와 두께를 갖는 상부플랜지강판(1)과 하부플랜지강판(2)을 가지며, I형의 복부재에는 상부 및 하부에 각각 곡선 반경 150mm 이상의 냉간상태에서 절곡된 부분(3a)을 갖도록 각각 동일한 형상으로 제작된 두 개의 외측복부강판(3)으로 구성되며, 상기(1) 내지 (3)의 강판조립이 완료되면 고강도의 충전콘크리트(5)로 I형 단면의 복부공간을 채움으로써 거더의 휨강성과 비틀림강성을 동시에 향상시키도록 하는 것을 주요 특징으로 한다.
도 6에 나타낸 것과 같이, 충전콘크리트(5)의 시공을 위해 상부플랜지의 중앙부에 직경 80~100mm의 구멍(14)을 강판의 길이방향으로 500mm이내의 간격으로 설치하고, 이들 구멍에 길이 200mm 이내의 강관(15)을 삽입하여 강관의 길이중앙이 강판의 중심에 놓이도록 한 후에 서로 용착한다.
또한, 충전콘크리트와 각 강판(1,2,3)사이의 일체거동을 확보하기 위하여 복부 강판두께의 2.5배 이하의 직경을 갖는 머리부착 스터드(6)를 내측 모든 강판면의 양 방향에 걸쳐 일정한 간격으로 용착하며, 바닥판 콘크리트와의 합성작용 확보를 위해 상기의 강관(15)외에도 별도의 머리부착 스터드(8)를 상부플랜지 상면에 용착한다.
각 강판(1,2,3)들 사이의 체결방법과 충전콘크리트(5)의 시공시기는 본 발명의 제 1실시예에서 기술한 것과 같이 현장여건에 따라 달리할 수 있으며, 그 시행방법은 앞에서 기술한 방법과 동일하다. 즉, 강재제작 공장에서 강재단면을 조립된 상태로 교량현장으로 운반하는 경우에는 각 강판(1)(2)(3)들이 서로 맞닿는 부분을 용접으로 서로 연결한다.
그리고, 각 강판(1)(2)(3)을 분리된 상태로 교량현장으로 운반하여 체결하는 경우에는 고장력볼트(7)와 너트(13)를 이용하여 마찰접합이음을 하거나 필릿 용접으로 결합한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제 3실시예에 따른 박스형상의 거더단면을 나타낸 것으로, 각각 소정너비와 두께를 갖는 상부플랜지강판(1)과 하부플랜지강판(2)을 가지며, 내부가 콘크리트로 충전된 긴 직사각형 형상의 두 개의 복부재(16)로 구성되며, 상기(1), (2) 그리고 (16)의 조립이 완료되면 거더자중 및 콘크리트 바닥판 시공으로 인해 생기는 휨모멘트에 의해 압축력을 받는 상부플랜지강판(1)을 고강도의 충전콘크리트(5)로 합성시키는 것을 주요 특징으로 한다.
도 7은 자중과 바닥판 시공으로 인해 상부플랜지가 압축력을 받는 경우에 대한 거더단면의 실시예를 나타낸 것으로써, 콘크리트가 충전된 복부재(16)와 상부플랜지강판(1) 사이의 결합에는 고장력볼트를 이용한 마찰접합이음을 사용하며, 충전콘크리트(5)와의 합성작용을 위해 상부플랜지강판(1)의 상면에는 강판두께의 2.5배 이하의 머리부착 스터드(6)를 소정간격으로 용착시킨다.
한편 인장력을 받는 하부플랜지강판(2)의 형상유지 및 전단좌굴의 방지를 위해 직사각형 단면의 강판인 수평보강재(9)를 하부플랜지강판(2)의 상면에 일정간격으로 설치하며, 수평보강재(9)와 복부재(16)와의 결합을 위해 소정형상의 연결판(10)을 복부재의 내측면에 구비한다.
또한, 복부재(16)는 2개의 수직강판을 구비하는 것을 원칙으로 하지만 평면상으로 곡선 반경이 큰 경우에는 박스내측에 위치하는 강판을 생략할 수도 있다. 또한 복부재(16) 상면에는 바닥판 콘크리트와의 합성작용을 위해 머리부착 스터드(8)를 용착한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제 4실시예에 따른 박스형상의 거더단면을 나타낸 것으로, 각각 소정너비와 두께를 갖는 상부플랜지강판(1)과 하부플랜지강판(2)을 가지며, 내부가 콘크리트로 충전된 긴 직사각형 형상의 두 개의 복부재(16)로 구성되며, 상기(1), (2) 그리고 (16)의 조립이 완료되면 거더자중 및 콘크리트 바닥판 시공으로 인해 생기는 휨모멘트에 의해 압축력을 받는 하부플랜지강판(2)을 고강도의 충전콘크리트(5)로 합성시키는 것을 주요 특징으로 한다.
도 8은 자중과 바닥판 시공으로 인해 하부플랜지가 압축력을 받는 경우에 대한 거더단면의 실시예를 나타낸 것으로써, 콘크리트가 충전된 복부재(16)와 상부플랜지강판(1)과 하부플랜지강판(2) 사이의 결합에는 각각 고장력볼트(7)를 이용한 마찰접합이음을 실시하며, 충전콘크리트(5)와의 합성작용을 위해 복부재(16) 내측하면과 하부플랜지강판(2)의 상면에는 강판두께의 2.5배 이하의 머리부착 스터드(6)를 소정간격으로 용착시킨다.
또한, 콘크리트 바닥판과의 합성작용 확보를 위해 복부재(16)와 상부플랜지강판(1)의 상면에 전단연결재로 각각 소정길이의 머리부착 스터드(6,8)를 용착하는데, 이들 머리부착 스터드의 직경은 용착되는 강판두께의 2.5배 이하가 되도록 한다.
아울러, 양쪽의 복부재(16)를 연결하도록 소정 간격으로 수평보강재(9)를 상부플랜지강판(1)의 아랫면에 용착한다.
도 7~8의 주거더는 아래 순서로 제작될 수 있다.
강재제작 공장에서 강재단면을 조립된 상태로 교량현장으로 운반하는 경우에는 각 강판(1)(2)과 복부재(16)가 서로 맞닿는 부분을 용접으로 서로 연결한다.
한편, 각 강판(1)(2)과 복부재(16)를 분리된 상태로 교량현장으로 운반하여 체결하는 경우에는 고장력볼트(7)와 너트(13)를 이용한 마찰접합이음 또는 필릿 용접으로 상부플랜지강판과 복부재를 결합하고 하부플랜지강판과 복부재를 결합한다.
이어서, 거더자중 및 콘크리트 바닥판 시공으로 인해 생기는 휨모멘트에 의해 압축력을 받는 상부플랜지강판(1) 또는 하부플랜지강판(2)을 고강도의 충전콘크리트(5)로 합성시켜 박스형상의 합성단면을 형성한다.
도 9는 본 발명의 바람직한 제 2실시예에 따라 제작된 2개의 I형 거더(17)를 이용하여 교량전체 폭원을 지지할 수 있는 합성거더 교량을 시공하는 방법을 나타낸 것으로, 먼저 크레인을 이용해 대상교량의 경간길이로 제작된 2개의 주거더(17)를 거치시키고, 바닥판 콘크리트(18) 시공시의 횡방향 좌굴현상이 생기는 것을 방지하기 위하여 강성이 큰 가로보(19)를 경간길이를 따라 20m이내의 간격으로 설치한다. 가로보(19)는 주거더(17) 높이의 1/3 이상 1/2 이하의 높이를 갖는 것이 바람직하다.
상기 주거더(17)와 가로보(19)는 고장력볼트(7)에 의한 마찰접합이음으로 강결하며, 가로보(19)가 설치되는 곳에서의 주거더 내측면에는 주거더와 같은 높이를 갖는 수직보강재(20)를 미리 설치해둔다.
다음으로 바닥판 콘크리트 시공을 위해 주거더 사이에 거푸집 기능을 겸하는 소정두께의 바닥판강판(21)을 주거더 상면에 용착시키며, 상기 강판(21)의 양 단부는 주거더 내측에서의 바닥판 콘크리트와 두께를 조절할 목적으로 반경(R)이 150mm이상이 되도록 냉간상태에서 절곡하며, 바닥판 콘크리트와의 합성작용을 위해 직경이 바닥판 강판두께의 2.5배 이하인 다수의 머리부착 스터드(6)를 소정간격으로 용착한다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제 6실시예에 따른 단일박스형상의 합성거더 교량단면도를 나타낸 것으로, 강판으로 형성된 내부공간에 콘크리트가 충전된 긴 직사각형 형상의 2개의 경사진 주거더(22), 주거더(22)의 하부플랜지를 서로 연결시키는 하부플랜지강판(2) 그리고 주거더의 상부플랜지를 서로 연결시키는 수평스터럿(23) 및 경사스터럿(24), 그리고 콘크리트 바닥판 시공시에 폐합된 박스단면이 되도록 해주는 바닥판강판(21)을 갖는 것을 주요 특징으로 한다.
시공방법으로는 2개의 주거더(22)를 크레인 등을 이용해 먼저 교각내지 가설벤트 위에 거치시키고, 다음으로 수평스터럿(23) 및 경사스터럿(24) 그리고 하부플랜지강판(2)을 고장력볼트 또는 용접을 통해 순차적으로 조립해나가면서 교량전체 길이에 걸쳐 박스형태의 단면을 형성시킨다. 이때 바닥판 시공시의 하중과 활하중으로 인해 압축력이 작용하는 지점부근의 하부플랜지강판에 대해서는 미리 고강도 콘크리트(5)를 충전하여 합성강판 구조가 되도록 한다.
그런 다음에 콘크리트 바닥판(18) 시공을 위해 주거더 사이에 거푸집 기능을 겸하는 소정두께의 바닥판강판(21)을 주거더 상면에 용착시켜 비틀림강성이 매우 큰 완전한 폐합단면을 형성시킨다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 사용한 용어들은 본 발명을 설명하기 위해 사용된 것들이지 의미의 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.
1 : 상부플랜지강판
2 : 하부플랜지강판
3 : 외측복부강판
4 : 내측복부강판
5 : 충전콘크리트
6,8 : 머리부착 스터드
7 : 고장력볼트
9 : 플랜지강판보강을 위한 수평보강판
10 : 연결판
11 : 용접이음
12 : 고장력볼트 설치용 구멍
13 : 고장력볼트 조임을 위한 너트
14 : 콘크리트 충전용 구멍
15 : 매입강관
16 : 콘크리트가 충전된 직사각형의 복부재
17 : 콘크리트 충전이 완료된 I형 주거더
18 : 콘크리트 바닥판
19 : 가로보
20 : 수직보강재
21 : 바닥판강판
22 : 콘크리트가 충전된 경사진 직사각형의 주거더
23 : 수평스터럿
24 : 경사스터럿

Claims (12)

  1. 콘크리트 바닥판과의 합성작용을 통해 외적하중에 저항하는 박스단면 형상의 합성거더 교량의 주거더에 있어서
    상기 박스단면의 상부플랜지강판은 하부플랜지강판의 1/5 ~ 1/3 되는 너비를 가지며, 박스단면 양 측면에 위치한 복부강판은 각각 외측복부강판과 내측복부강판을 포함하며,
    상기 내측복부강판의 상부끝단은 박스단면의 중심까지 연장되어 반대편에 위치한 내측복부강판과 서로 결합 되도록 하며, 외측복부강판을 상부플랜지강판과 하부플랜지강판과 각각 결합시키며, 내측복부강판을 하부플랜지강판에 결합시키고 서로 마주보는 내측복부강판 사이를 수평보강재로 결합시켜 내부가 폐합된 박스단면을 형성시키고,
    상기 내부가 폐합된 박스단면과 상부플랜지강판, 외측복부강판 그리고 하부플랜지강판으로 둘러싸인 공간에 고강도 콘크리트를 충전하여 일체형의 박스단면을 형성하는 것을 특징으로 합성교량용 주거더.
  2. 제1항에 있어서,
    상,하부플랜지강판과 내,외측복부강판에는 고강도 콘크리트와의 일체 거동을 위해 머리부착 스터드가 설치된 것을 특징으로 합성교량용 주거더.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 콘크리트 바닥판과의 합성작용을 통해 외적하중에 저항하는 박스형상의 합성거더 교량의 주거더에 있어서
    소정너비와 두께를 갖는 상부플랜지강판과 하부플랜지강판을 가지며, 내부가 콘크리트로 충전된 긴 직사각형의 강판으로 둘러싸인 두 개의 복부재로 구성되는 단면을 가지며,
    상기 상부플랜지강판, 하부플랜지강판 그리고 복부재의 조립이 완료되면 거더자중 및 콘크리트 바닥판 시공으로 인해 생기는 휨모멘트에 의해 압축력을 받는 상부플랜지강판 또는 하부플랜지강판을 고강도의 충전콘크리트와 합성시켜 박스형상의 합성단면을 형성시키고,
    상부플랜지강판이 두 개의 복부재를 연결하도록 설치되며,
    상부플랜지강판에 압축력이 작용하는 경우에는 양쪽의 복부재를 연결하도록 소정 간격으로 수평보강재(9)를 하부플랜지강판의 상면에 용착하고 상부플랜지강판의 윗면에는 상기 고강도의 충전콘크리트를 타설하며,
    하부플랜지강판에 압축력이 작용하는 경우에는 양쪽의 복부재를 연결하도록 소정 간격으로 수평보강재(9)를 상부플랜지강판의 아랫면에 용착하고 하부플랜지강판의 윗면에는 상기 고강도의 충전콘크리트를 타설하는 것을 특징으로 하는 합성교량용 주거더.
  6. 삭제
  7. 콘크리트 바닥판과의 합성작용을 통해 외적하중에 저항하는 박스단면 형상의 합성거더 교량의 주거더 제작방법에 있어서
    (a) 상,하부플랜지강판과 내,외측복부강판을 교량 공사 현장으로 운반하는 단계;
    (b) 외측복부강판의 상,하단을 상,하부플랜지강판에 각각 결합하고, 내측복부강판의 하단을 하부플랜지강판에 결합하며, 내측복부강판의 상부끝단을 반대편 내측복부강판의 상부끝단과 결합하고, 양측 내측복부강판을 수평보강재로 연결하여 내부가 폐합된 박스단면을 형성하는 단계; 및,
    (c) 상기 내부가 폐합된 박스단면과 상부플랜지강판, 외측복부강판 그리고 하부플랜지강판으로 둘러싸인 공간에 고강도 콘크리트를 충전하여 일체형의 박스단면을 형성하는 것을 특징으로 하는 합성교량용 주거더 제작방법.
  8. 삭제
  9. 콘크리트 바닥판과의 합성작용을 통해 외적하중에 저항하는 박스단면 형상의 합성거더 교량의 주거더 제작 방법에 있어서,
    (a) 상,하부플랜지강판과, 내부가 고강도 콘크리트로 충전된 두 개의 복부재를 교량 공사 현장으로 운반하는 단계; 및,
    (b) 상부플랜지강판과 복부재를 결합하고 하부플랜지강판과 복부재를 결합하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계 이후에, 거더자중 및 콘크리트 바닥판 시공으로 인해 생기는 휨모멘트에 의해 압축력을 받는 상부플랜지강판 또는 하부플랜지강판을 고강도의 충전콘크리트와 합성시켜 박스단면 형상의 합성단면을 형성시키는 단계;를 포함하고,
    상부플랜지강판이 두 개의 복부재를 연결하도록 설치되며,
    상부플랜지강판에 압축력이 작용하는 경우에는 양쪽의 복부재를 연결하도록 소정 간격으로 수평보강재(9)를 하부플랜지강판의 상면에 용착하고 상부플랜지강판의 윗면에는 상기 고강도의 충전콘크리트를 타설하며,
    하부플랜지강판에 압축력이 작용하는 경우에는 양쪽의 복부재를 연결하도록 소정 간격으로 수평보강재(9)를 상부플랜지강판의 아랫면에 용착하고 하부플랜지강판의 윗면에는 상기 고강도의 충전콘크리트를 타설하는 것을 특징으로 하는 합성교량용 주거더 제작방법.
  10. 제7항 또는 제9항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 결합은 고장력볼트로 이루어지거나 필릿 용접으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 합성교량용 주거더 제작방법.
  11. 콘크리트 바닥판과의 합성작용을 통해 차량 등의 외적하중에 저항하는 개방형의 합성거더 교량의 시공방법에 있어서
    대상교량의 경간길이로 제작된 주거더를 크레인을 이용해 거치시키고, 콘크리트 바닥판 시공시의 주거더의 횡방향좌굴 방지를 위하여 주거더 높이의 1/3 이상 1/2 이하의 높이를 가진 가로보를 경간방향으로 20m이내의 간격으로 설치하여 2개의 주거더를 서로 연결하고,
    다음으로 주거더 사이에 콘크리트 바닥판 시공시의 거푸집 기능을 겸하는 소정두께의 바닥판강판을 주거더 상면에 용착시키며, 상기 바닥판강판의 양 단부는 바닥판 콘크리트의 두께를 조절할 목적으로 소정의 반경을 갖도록 냉간상태에서 절곡하고,
    상기 주거더는,
    소정 너비와 두께를 갖는 상부플랜지강판과 하부플랜지강판을 가지며, 복부재는 그 상부와 하부에 각각 곡선 반경 150mm 이상의 냉간상태에서 절곡된 부분을 갖는 각각 동일한 형상으로 제작된 두 개의 외측복부강판을 포함하며,
    상기 상부플랜지강판, 하부플랜지강판 그리고 외측복부강판사이의 조립이 완료되면 고강도의 충전콘크리트로 I형 단면의 복부공간을 채움으로써 거더의 휨강성과 비틀림강성을 동시에 향상시키도록 하는 것을 특징으로 하는 개방형 합성거더 교량의 시공방법.
  12. 콘크리트 바닥판과의 합성작용을 통해 외적하중에 저항하는 단일박스형상의 합성거더 교량의 시공방법에 있어서;
    강판으로 형성된 내부공간에 콘크리트가 충전된 긴 직사각형 형상의 2개의 경사진 주거더, 주거더의 하부플랜지를 서로 연결시키는 하부플랜지강판 그리고 주거더의 상부플랜지를 서로 연결시키는 수평스터럿 및 경사스터럿, 그리고 콘크리트 바닥판 시공시에 폐합된 박스단면이 되도록 해주는 바닥판강판의 구성요소를 포함하고;
    먼저 상기의 주거더를 크레인을 이용해 교각 또는 가설벤트 위에 거치시키고, 다음으로 수평스터럿과 경사스터럿 그리고 하부플랜지강판을 고장력볼트 또는 용접을 통해 순차적으로 체결하여 교량전체 길이에 걸쳐 박스형태의 단면을 형성시키며, 이때 바닥판 시공시의 하중과 활하중으로 인해 압축력이 작용하는 지점부근의 하부플랜지강판에 대해서는 미리 고강도 콘크리트를 충전하여 합성강판 구조가 되도록 하고;
    그런 다음으로 콘크리트 바닥판 시공을 위해 주거더 사이에 거푸집 기능을 겸하는 소정두께의 바닥판강판을 주거더 상면에 용착시켜 폐합단면을 형성시키는 것을 특징으로 하는 단일박스형 합성거더 교량의 시공방법.
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