KR102536770B1

KR102536770B1 - 프리스트레싱이 도입된 강-콘크리트 합성거더 제조방법 및 이를 이용한 거더

Info

Publication number: KR102536770B1
Application number: KR1020220141424A
Authority: KR
Inventors: 김상효
Original assignee: 김상효
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2023-05-30

Abstract

본 발명은 길이방향으로 부모멘트가 인가된 상태의 거더용 형강(110)의 상부 플랜지에 콘크리트를 타설하여 일체화시킨 '강-콘크리트 합성 거더'의 제조방법에 관한 것으로, 긴장재를 이용하여 거더용 형강에 부모멘트를 도입한 상태에서, 형강 단면의 중립면 상부 또는 상부 플랜지에 콘크리트를 타설 양생하여 '콘크리트부'를 형성한 후에 상기 긴장재를 제거함으로써, 상기 형강의 하부에는 상기 부모멘트에 의해 도입된 압축응력이 잔류되도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 1차 콘크리트부(120)의 상부에, 추가적으로 콘크리트를 타설 양생하여, 무응력 상태의 '2차 콘크리트부(130)'를 형성시키는 2차 합성단계를 더 포함함으로써, 강합성 거더의 단면효율을 크게 증대시킬 수 있다.

Description

프리스트레싱이 도입된 강-콘크리트 합성거더 제조방법 및 이를 이용한 거더{PRESTRESSED COMPOSITE GIRDER MADE OF STEEL AND CONCRETE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 길이방향으로 부모멘트가 인가된 상태의 거더용 형강(110)의 상부 플랜지에 콘크리트를 타설하여 일체화시킨 '강-콘크리트 합성 거더'(이하에서는 '강합성 거더'라 한다)의 제조방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 긴장재 또는 온도프리스트레싱을 이용하여 거더용 형강에 부모멘트를 도입한 상태에서, 형강 단면의 중립면 상부 또는 상부 플랜지에 콘크리트를 타설 양생하여 '콘크리트부'를 형성한 후에 상기 긴장재를 제거함으로써, 상기 형강의 중립면 하부에는 상기 부모멘트에 의해 도입된 압축응력이 잔류되도록 한 강합성 거더 제조방법을 특징으로 한다.

일반적으로, 교량은 도 18 내지 도 20에 도시된 바와 같은 구조로 이루어진다. 좀 더 상세하게 설명하면, 교대(500)와 교각(510)에 거더(520)의 양단부가 놓여지도록 설치된다. 여기서, 상기 거더(520)는 도 20에 도시된 바와 같이, 교량의 길이 방향에 대해 직각인 횡방향에서 바라보았을 때 다수 개가 나란하게 설치된다. 상기 거더(520)의 상부에는 콘크리트를 현장 타설하는 방법 또는 프리캐스트 바닥판을 인양하여 거치하는 방법 등으로 슬래브(530)가 형성되고, 이 슬래브(530) 위에 아스팔트가 포장되며, 이외에도 방호벽, 난간 등이 설치된다.

가설교량의 경우에는 상기 거더의 상부에는 복공판과 같은 임시 바닥판이 설치된다.

상기와 같이 교량을 구성하는 거더(520)는, 슬래브(530), 아스팔트 포장, 방호벽, 난간, 거더(520)를 포함한 자중과 같은 고정하중 및 주행 차량에 의한 활화중에 의해, 거더(520)가 하부 방향으로 활 모양처럼 휘어지며 굽힘응력이 발생되는데, 거더 단면의 중립면을 기준으로 상부에는 압축응력이, 하부에는 인장응력이 발생된다. 이러한 거더에 인가되는 응력을 최소화시키지 못할 경우, 거더(520) 및 슬래브(530)에 균열이 발생하는 등 한계상태를 초과하게 되어 결과적으로 교량의 역할을 수행하지 못하게 된다.

이러한 현상을 방지하기 위해 거더(520) 자체에, 고정하중이나 활화중의 작용에 의하여 생기는 인장응력을 상쇄시키는 역방향 응력을 미리 인가하는 프리스트레싱(pre-stressing)을 부여하게 되는데, 구체적으로 PC강선(Prestressed Concrete 강선 또는 인장강선)(이하, '긴장재'라 칭함)을 통해서 거더(520) 단면의 중립면의 하부에 압축 긴장력을 도입하면, 거더(520) 전체가 상방향으로 활 모양처럼 휘어지는 현상이 발생된다. 즉, 거더(520)의 상면에는 인장응력이 발생되고, 거더(520)의 하면에는 압축응력이 발생된다. 이러한 프리스트레스트 거더(Prestressed Girder)(520)를 교량에 적용하게 되면, 프리스트레스트 거더(520)의 자체 중량, 슬래브, 방호벽, 난간, 아스팔트 포장과 같은 고정하중 및 주행 차량에 의한 활하중에 의해 거더(520) 하면에 발생되는 인장응력이 허용 인장응력 이내가 되도록 하여, 동일한 거더(520)의 내하성능을 향상시킴으로써, 교량의 역할을 개선할 수 있도록 한다.

프리스트레스트 콘크리트 거더는 공장 제작 후에, 현장으로 운송되어 설치 시공되는데, 그 중량이 커서 운반 작업에 어려움이 있을 뿐만 아니라 현장에서의 설치시공 및 단위 거더들의 연결이 번거롭다는 단점이 있으며,

프리스트레스트 강 거더는 처짐 정도가 크고 가격 경쟁력이 떨어진다는 단점이 있다.

이러한 이유에서, 본원 발명의 발명자가 2006년에 출원하여 2007년에 특허 등록받은 등록특허 제10-0689090호 '하이브리드 거더'(이라 '종래기술1'이라 한다)가 제안되었다.

종래기술1에 개시된 하이브리드 거더는 압축응력에 강한 콘크리트와 인장응력에 강한 스틸의 장점을 극대화한 강합성 거더(steel-concrete composite girder)로서, 거더의 하부플랜지는 스틸 재질로 구성(강재부)하고 거더의 상부 재질은 프리캐스트 콘크리트로 구성(콘크리트부)하되, 상기 강재부와 상기 콘크리트부의 경계에 압축응력 및 인장응력이 영(零)인 중립축이 배열되도록 함으로써 압축응력에 강한 콘크리트의 장점과 인장응력에 강한 스틸의 장점은 도입하고 단점은 배제될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

종래기술1에 제안된 하이브리드 거더는 현재 여러 건설현장에서 유용하게 적용되고 있는데, 거더의 하부인 강재부에 인위적인 압축하중을 도입하여 초기 압축력을 받게 함으로써 고정하중 및 활하중에 의한 휨모멘트로 인한 인장응력을 상쇄시키고, 거더의 중립면 상부 콘크리트부에는 인장응력이 발생되지 않도록 한 것이다.

본 발명은 상기 종래기술1에 개시된 기술을 더욱 개량한 강합성 거더를 제안하고자 한다.

KR

10-0689090

B

JP

2001-207415

A

KR

10-0536489

B

본원 발명은 강-콘크리트 합성거더에 있어서, 형강의 장점과 콘크리트의 장점을 극대화시킴으로써 단면 효율을 높일 수 있는 강합성 거더를 제안하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명에 따른 강합성 거더는 형강의 하부에 부모멘트에 의한 압축응력을 잔류시킴으로써 사용 하중(정모멘트 발생)에 효과적으로 저항할 수 있는 강합성 거더를 제안하는 것을 목적으로 한다.

나아가, 본 발명은 부모멘트(프리스트레싱)에 의해 형강 상부에 도입된 인장응력을 타설콘크리트(1차 콘크리트부)로 구속함으로써 상기 형강의 프리스트레스를 잔류시키면서, 외부 긴장력을 해제한 이후에 상기 1차 콘크리트 상부에 무응력 상태인 2차 콘크리트를 타설하여 합성시킴으로써 사용하중(정모멘트)에 대한 거더 상부의 내하력을 증대시킬 수 있는 강합성 거더를 제안하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 상기 강합성 거더를 길이방향으로 결합하여 연장시킨 장대 거더로서, 상기 강합성 거더들 중에서 사용하중에 의한 정모멘트가 가장 크게 작용하는 구간에는 2차 콘크리트부가 형성된 강합성 거더를 배치하고, 그 이외의 구간에는 1차 콘크리트부만 형성된 강합성 거더를 길이방향으로 연결 배치한 장대 단순형 강합성 거더를 제안한다.

또한, 강합성 거더 3개 이상을 길이방향으로 연결한 장대 연속형 거더로서, 인접한 두 연속지점부(도 8에서의 P1, P2 참조)에 지지되는 부모멘트 구간에는, 강합성 거더의 콘크리트부가 상기 지점부(P1)(P2)에 접하도록 배치하고, 정모멘트의 사용하중 효과가 작용하는 구간에는 콘크리트부가 상부에 위치하도록 강합성 거더를 배치시킨 장대 연속형 강합성 거더를 제안한다.

더 나아가, 본 발명은 가설교량용 거더 등에 적용될 수 있는 강합성 거더를 제안한다.

본 발명에 따른 강합성 거더는 제작 공정의 단축과, 제품 품질에 대한 신뢰도를 높일 수 있으며, 나아가 제작비용을 절감할 수 있다. 본 발명은 라멘구조의 교량용 거더 또는 라멘구조의 건축구조물용 거더에도 적용될 수 있는 광범위한 활용분야에 응용될 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 강합성 거더의 제조방법은,

형강(110)에 부모멘트를 도입함으로써 상기 형강의 하부에는 압축응력을 발생시키고 상기 형강의 상부에는 인장응력을 발생시키는 부모멘트 도입단계와; 상기 형강의 상부에 콘크리트를 타설 양생하여 '1차 콘크리트부(120)'를 형성하는 1차 합성단계와; 상기 1차 합성단계의 완료 후에, 상기 부모멘트 도입단계에서 도입된 부모멘트를 제거하는 부모멘트 해제단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는, 상기 1차 합성단계에 의해 형성된 상기 1차 콘크리트부(120)의 상부에, 추가적으로 콘크리트를 타설 양생하여, 무응력 상태의 '2차 콘크리트부(130)'를 형성시키는 2차 합성단계를 더 포함하는 강합성 거더 제조방법을 또 다른 특징으로 한다. 상기 2차 합성단계는, 상기 1차 콘크리트부(120)가 합성된 거더를 교대와 교각 사이 또는 교각과 교각 사이에 설치한 상태에서 수행될 수도 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또다른 과제 및 이의 구체적인 해결수단은 후술하는 ‘발명을 실시하기 위한 구체적인 내용’ 및 첨부도면에서 더욱 구체적으로 설명될 것이다.

본 발명에 따른 강합성 거더는, 형강 하부에 압축응력(부모멘트에 의한 응력)이 잔류되어 있으므로 사용하중(정모멘트)이 인가되는 경우에 내하성능을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 2차 합성단계에 의해 형성된 무응력 상태의 2차 콘크리트부(130)가 사용 하중(정모멘트)에 대응하여 압축부의 유효단면으로 작용하게 되므로, 교량용 거더 또는 구조물용 거더의 내하력을 크게 증대시킬 수 있다.

특히, 1차 콘크리트부(120)의 상부에 2차 콘크리트부(130)가 합성됨으로써, 이미 압축응력이 일부 발생되어 있는 상기 1차 콘크리트부(120)는 중립축에서 가까운 위치에 배치되어, 사용하중(정모멘트)에 의해 강합성 거더에 추가되는 압축응력이 작아지는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 또다른 작용효과는 후술하는 ‘발명을 실시하기 위한 구체적인 내용’에서 더 자세하게 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 강합성 거더 제작을 위해 부모멘트를 도입하는 단계를 도시한 설명도
도 2는 본 발명에 따른 강합성 거더 제작을 위해 1차 콘크리트부를 형성하는 단계를 도시한 설명도
도 3의 [A]는 본 발명에 따른 강합성 거더 제작을 위해 부모멘트가 해제된 단계를 설명하는 도면이며, 도 3의 [B]는 이 상태의 단면도를, 도 3의 [C]는 이 단계에서 도입되어 있는 응력상태도를 각각 도시한 도면
도 4는 본 발명에 따른 강합성 거더 제작을 위해 2차 합성단계를 도시한 설명도
도 5는 본 발명에서의 2차 합성단계를 갖는 실시예에 따른 강합성 거더의 단면과 바람직한 응력분포 설명도
도 6은 거더용 형강에 부모멘트를 도입하는 과정을 나타낸 설명도
도 7은 본 발명에 따른 강합성 거더가 적용된 장대 단순교를 나타낸 설명도
도 8은 본 발명에 따른 강합성 거더가 적용된 장대 연속교를 나타낸 설명도
도 9 내지 도 12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 강합성 거더를 길이방향으로 연결하기 위한 연결부재들(J)의 예시를 도시한 설명도
도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 강합성 거더를 라멘구조에 적용하는 사례를 나타낸 설명도
도 15와 도 16은 본 발명에 따른 강합성 거더를 가설 철도교량용 거더에 적용하는 사례를 나타낸 설명도
도 17은 본 발명에 따른 가설 철도교량용 강합성 거더의 변형 실시예를 도시한 설명도
도 18은 종래의 PC빔 거더가 구비된 교량의 횡단면도.
도 19는 도 18에 도시된 교량의 길이 방향을 측면에서 보여지는 모습을 개략적으로 도시한 측면도.
도 20은 도 18 및 도 19에 도시된 교량에서 교각과 교각 사이에 PC빔 거더가 설치된 모습을 개략적으로 나타낸 사시도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현 예시(態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, ~포함한다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서상에 기재된 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.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명에 따른 강합성 거더의 제조방법은,

도 1에 도시한 바와 같이, 먼저 형강(110)에 부모멘트를 도입하여, 상기 형강의 하부에는 압축응력이 발생되고 상기 형강의 상부에는 인장응력이 발생되도록 한다. 이 단계를 '부모멘트 도입단계'라 한다.

본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 형강의 단면 형상은 제작과정에서 부모멘트를 도입할 수 있도록, 도 1의 [B] 또는 도 1의 [C]에 도시된 바와 같이 상부플랜지(111)와 하부플랜지(112) 및 복부판(114)으로 구성되는 I형 또는 H형 형강이다. 강합성 거더의 용도 및 목적에 따라 상기 형강으로는 비대칭 H형강이 적용될 수 있음은 당연하다. 도 1의 [B] 또는 [C]에 도시된 바와 같이, 형강의 상부플랜지(111)에는 콘크리트와의 결합력 증대를 위해 전단연결재(115)가 구비되는 것이 바람직하다.

상기 부모멘트 도입단계에 의해 상기 형강에 부모멘트가 도입된 상태에서, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 형강의 상부 즉 인장응력이 도입된 상부플랜지에 콘크리트를 타설, 양생하여 '1차 콘크리트부(120)'를 형성한다. 이 단계를 '1차 합성단계'라 한다. 더욱 정확하게는, 부모멘트가 도입된 상기 형강의 중립면 상부에 콘크리트를 타설하여 양생한다. 이 때, 상기 1차 콘크리트부(120)는 상기 인장된 상부플랜지를 감싸도록 타설할 수도 있다.

상기 1차 합성단계가 완료되면, 상기 부모멘트 도입단계에서 도입된 부모멘트를 제거한다. 이 단계를 '부모멘트 해제단계'라 한다.

상기 부모멘트 해제단계에 의해, 상기 형강은 원상태로 복원되려고 하지만 상기 형강의 상부에 일체로 형성된 1차 콘크리트부(120)에 의해 상기 형강의 복원은 구속받게 되므로, 형강(110)의 하부에는 압축응력이 잔류하게 되며, 상기 형강의 일부 복원력에 의해 상기 1차 콘크리트부(120)에도 압축응력이 도입된 상태가 된다.

도 3의 [B]와 [C}는 상기한 단계들에 의해 제조된 강합성 거더(100)의 단면형상과 응력분포를 각각 예시적으로 도시한 것이다.

이와 같이 상기 형강의 하부에 잔류하는 압축응력의 크기를 '적정 수준'이 되도록 구성함으로써, 고정하중 및 활하중이 작용하는 거더에 발생하는 휨모멘트(정모멘트)로 인한 인장응력을 완화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 강합성 거더는, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 1차 콘크리트부(120)의 상부에 추가적으로 콘크리트를 타설 양생하여 '2차 콘크리트부(130)'를 형성시킴(이 단계를 '2차 합성단계'라 한다. 이하 같다.)으로써, 상기 1차 합성단계에 의해 형성된 1차 콘크리트부(120)를 보강하는 것도 가능하다. 이하에서는 상기 1차 합성단계에 의해 형성된 콘크리트부와 추가적으로 타설 양생된 콘크리트부를 구분하기 위해, 전자를 '1차 콘크리트부(120)'라 하고, 후자를 '2차 콘크리트부(130)'라 지칭하며, 상기 '1차 콘크리트부(120)'와 '2차 콘크리트부(130)'를 모두 포함하는 경우에는 '콘크리트부'로 통칭한다.

상기 2차 합성단계를 수행하기 위해서는, 도 4의 [A]에 도시된 바와 같이, 상기 1차 콘크리트부(120)의 상부로 노출되는 보강철근(125)을 배근(보강철근 배근단계)함으로써, 1차 콘크리트부(120)와 2차 콘크리트부(130)와의 견고한 결합이 이루어지도록 하며, 도 4의 [B]에 도시된 바와 같이 2차 콘크리트를 타설하여 양생시킨다. 상기 2차 합성단계는, 상기 1차 콘크리트부(120)가 합성된 거더를 교대와 교각 사이 또는 교각과 교각 사이에 설치한 이후에 수행될 수도 있다.

도 4의 [C]는 상기 2차 합성단계에 의해 제작된 본 발명에 따른 강합성 거더의 단면을 도시한 것이며, 도 4의 [D]는 상기 2차 합성단계에 의해 제작된 강합성 거더에 도입된 초기 응력상태도를 각각 도시한 도면이다. 상기 2차 합성단계에 의해 형성된 2차 콘크리트부(130)는 무응력 상태로서, 사용 중에 정모멘트를 받게 되는 경우에, 무응력 상태의 상기 2차 콘크리트부(130)가 대부분의 압축력을 받게 되므로, 상기 1차 콘크리트부(120)에는 과도한 압축응력이 발생되지 않는 효과를 얻는다.

도 5의 [A]는 형강의 상부플랜지에 콘크리트를 타설하여 합성시킨 강합성 거더의 일반적인 단면을 도시한 것이며, 도 5의 [B] 내지 [D]는 거더 단면에 작용하는 응력분포도의 바람직한 한가지 예를 도시한 것이다.

도 5의 [B]는 종래 일반적으로 알려져 있는 프리스트레싱이 인가되지 않은 강합성 거더, 즉 형강의 상부플랜지에 콘크리트를 타설하여 단순 합성시킨 강합성 거더에 정하중(사용하중)이 작용하는 경우의 응력분포도이며, 도 5의 [C]는 상기 2차 합성단계에 의해 제작된 강합성 거더에 도입된 초기 응력분포도로서, 상기한 도 4의 [D]와 동일하다.

도 5의 [D]는, 본 발명에 따른 '2차 콘크리트부(130)'를 구비한 강합성 거더에 정하중(사용하중)이 작용하는 상태에서의 응력분포도를 도시한 것이다. 본 발명에 따른 '2차 콘크리트부(130)를 구비한 강합성 거더'에 정하중(사용하중)이 작용하면, 초기 응력을 가진 강합성 거더(도 5의 [C]의 응력분포도 참조)에 정하중(사용하중)에 의한 추가응력이 합성되어, 본 발명에 따른 강합성 거더에 작용하는 응력은 도 5의 [D]와 같은 분포도를 나타낸다.

도 5의 [D]에서, 형강의 하부플랜지에 작용하는 인장응력의 크기(s3)는, 상기 2차 합성단계에 의해 제작된 강합성 거더에 도입된 초기 응력(압축응력)의 크기(s2)와, 정하중(사용하중)에 의해 증가한 인장응력(+)의 크기(s1)가 합성된 크기와 같다.

본 발명에 따른 강합성 거더를 제작함에 있어서는, 상기 형강의 단면 2차모멘트, 형강 하부에 잔류시키는 초기 압축응력의 크기, 콘크리트부의 높이(Hc)와 형강의 높이(Hs)의 비율, 고정하중 및 사용하중의 크기 등 다양한 요소들의 상관 관계를 고려하여, 사용하중에 의해 정모멘트가 작용되는 형강의 인장응력은 최소화시키면서, 부모멘트가 작용되는 콘크리트부의 압축응력은 1차 콘크리트부(120)와 2차 콘크리트부(130)에 적정하게 분담되도록 하는 것이 중요하다.

상기 도 5의 [D]에 도시된 형태의 응력분포도와 같이, 상기 형강의 상부플랜지에 가해지는 압축응력(-)을, 상기 1차 콘크리트부(120)와 2차 콘크리트부(130)가 적정 범위 내에서 분담하도록 하기 위해서는, 콘크리트부의 높이(Hc)와 형강의 높이(Hs)는 1: 3~4 정도의 비율로 구성하는 것이 특히 바람직하다. 예를 들어, 높이가 900mm인 H형강을 적용하는 경우, 콘크리트부의 높이는 240~250mm 정도의 범위로 설계하는 것이 바람직한데, 이 때에는 약 120~125mm의 높이로 상기 1차 콘크리트부(120)를 타설하고, 2차 콘크리트부(130)의 높이도 약 125~130mm의 높이로 타설할 수 있다.

도 6은 본 발명의 부모멘트 도입단계에 관한 설명도로서, 형강(110)의 양 단부에 브라켓(40)을 각각 결합 설치하고, 상기 브라켓(40)의 하부를 강봉이나 강선(50)으로 연결하여 긴장시킴으로써 상기 형강(110)에 부모멘트를 도입하는 과정을 설명한 도면이다. 도 6에 도시된 제작과정은 하나의 예시로 이해되어야 한다. 예를 들어, 단위 형강을 개별적으로 긴장하여 부모멘트를 인가할 경우에 해당 형강에 횡좌굴이 발생할 수도 있으므로, 단위 형강을 길이방향으로 2~3개를 나란히 배열하여 횡방향으로 임시 결합시킨 후에 긴장시켜 부모멘트를 인가하는 작업방식이 적용될 수도 있다.

상기 1차 콘크리트부(120) 및 2차 콘크리트부(130)를 형성하는 길이는, 거더의 길이와 동일할 수도 있으나, 강합성 거더의 사용 용도에 따라 특정 구간에만 형성할 수도 있다.

그리고, 거더의 길이방향 양쪽 단부에는 연결부재(J)를 더 구비함으로써, 본 발명에 따른 강합성 거더를 여러개 길이방향으로 연결시켜 장대 교량용 또는 장대 건축구조물용 거더로 제작될 수 있다.

도 7 및 도 8은 길이방향으로 인접하는 강합성 거더를 다수 개 결합한 장대 거더의 실시예를 도시한 것이다.

도 7에 도시된 실시예는, 3개의 강합성 거더를 연결한 단순 장대거더를 도시한 것으로서, 도 7의 [A]에 도시한 바와 같이 가장 큰 정모멘트를 받는 가운데 구간(L1)에는 '2차 합성단계'에 의해 제작된 강합성 거더(100B)를 배치하고, 상대적으로 작은 정모멘트를 받는 좌우의 바깥쪽 구간에는 '1차 합성단계'에 의해 제작된 강합성 거더(100A)를 길이방향으로 연결 배치하고 연결부재로써 결합한다.

그리고, 도 7의 [B]에 도시된 바와 같이, 가장 큰 정모멘트를 받는 구간에 배치되는 강합성 거더(100C)는 '특정 구간(L2)'에만 2차 콘크리트부(130)를 형성한 실시예를 도시한 것이다. 상기 '특정 구간(L2)'이라 함은, 굽힘응력이 크게 발생되는 구간을 의미한다. 도 7의 [A]에 도시된 실시예와 대비할 때 도 7의 [B]에 도시된 실시예에서의 1차 콘크리트부(120)의 타설 두께가 더 두껍게 형성됨으로써, 상기 형강에 잔류하는 유효응력(압축응력)이 더 커지는 특징을 가진다.

도 8은 장대 연속거더의 일 실시예를 도시한 것이다. 연속거더의 경우 두 개의 내부 지점부(P1)(P2)에서의 거더에는 하부에 압축응력이, 상부에 인장응력이 발생되는 반면, 상기 두 지점부(P1)(P2) 사이의 중앙에서의 거더에는 하부에 인장응력이, 상부에 압축응력이 발생된다. 그러므로, 상기 두 지점부(P1)(P2)에 지지되는 구간에는, 본 발명의 실시예에 따른 강합성 거더의 콘크리트부가 하부에 위치하도록 '뒤집어서' 배치하고, 이와 반대로 거더 상부에 압축응력이 발생되는 구간에는 본 발명의 실시예에 따른 강합성 거더의 콘크리트부가 상부에 위치하도록 배치함으로써, 압축응력이 작용하는 구간에서는 상기 콘크리트부의 압축저항력을 최대한 활용하고 인장응력이 작용하는 구간에서는 형강의 인장저항력을 최대한 활용함으로써, 강재 사용량을 절감할 수 있다.

도 8에서 내부 지점부(P1)(P2)에서 거더의 내하성능을 더욱 증대시키기 위해, 도 7에 도시된 강합성 거더(100C), 즉, '일부 구간'에 2차 콘크리트부(130)를 형성한 강합성 거더(100C)를 적용할 수도 있다.

상기 지점부(P1)(P2)에 접하는 콘크리트부를 보호하기 위해, 상기 콘크리트부를 커버하는 커버플레이트(C1)가 더 추가(도 8의 [B] 참조)될 수 있으며,

본 발명에 따른 강합성 거더가 가설교량용 거더로 사용될 경우에는, 콘크리트부 상면에 거치되는 복공판과의 접촉면에서 콘크리트부가 손상되는 것을 방지하기 위해, 상기 콘크리트부의 모서리를 커버하여 보호하는 'ㄱ형상 채널(C2)'이 더 추가(도 8의 [C] 참조)될 수 있다.

도 7 및 도 8에서 인접한 두 거더를 길이방향으로 결합하기 위한 '연결부재(J, 도 9 내지 도 12 참조)'는 다양하게 구현될 수 있는데, 도 9 내지 도 12에는 상기 연결부재(J)의 바람직한 예시가 도시되어 있다.

도 9는 연결할 두 강합성 거더의 콘크리트부(120)(130)가 동일한 방향(상부 또는 하부)인 경우(도 7 참조)에 적용되는 연결부재의 일 실시예를 나타낸 것이며, 도 10은 연결할 두 강합성 거더의 콘크리트부(120)(130)가 서로 반대 방향인 경우(도 8 참조)에 적용되는 연결부재의 일 실시예 도시한 것이다.

도 9의 [A]와 [B], 그리고 도 10에 도시된 하나의 실시예로서의 연결부재(J)는, 상부플랜지(J51)과 하부플랜지(J52)를 구비하고 상기 강합성 거더의 총높이에 대응하는 높이를 가지며, 상기 강합성 거더의 형강(110) 복부판(114)에 맞대어져 결합되는 복부판(J54)과, 상기 복부판(J54)의 일측 단면에 결합되면서 길이방향으로 돌출되어 상기 상부플랜지(111)의 상부면에 결합되는 보강연결재(J55)와, 상기 형강(110) 상부플랜지의 단부에 대응하여 설치되는 보강리브(J56)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 9 및 도 10에 나타나 있지는 않으나, 상기 두 연결부재(J)의 상부플랜지와 하부플랜지 및 복부판은 각각 연결강판 및 체결볼트에 의해 상호 결합된다.

이와 같은 구성을 갖는 제1 실시예로서의 연결부재(J)는, 상기 연결부재(J)의 보강연결재(J55)를 상기 형강의 상부플랜지(111) 위에 전단연결재(115)와 함께 용접 결합시킨 후에, 상기 1차 합성단계 및 2차 합성단계를 수행하는 것이 바람직하다.

상기한 "연결부재(J)와 인접한 거더의 강재부" 상호간의 결합부위는 정모멘트와 부모멘트의 변환구간이거나, 통상적으로 작용하는 설계 휨모멘트가 "0(zero)"에 가까운 구간에 위치하도록 설계함으로써, 구조적 안전성을 확보하는 것이 특히 바람직하다.

본 발명에 따른 강합성 거더를 길이방향으로 결합하기 위한 '연결부재(J)'의 또다른 실시예를 도 11 및 도 12에 도시하였는 바, 강합성 거더의 단부에 형강을 노출시켜 다양한 형태의 '연결부재(J)'를 용접 결합하여, 체결볼트(또는 연결강판과 체결볼트를 함께 사용)로써 강재부를 서로 연결할 수 있으며, 필요에 따라서는 충진 콘크리트를 타설하여 연결부재(J)의 좌우에 단절된 콘크리트부를 연결하는 것도 가능하다. 이와 같이, 본 발명에 따른 강합성 거더를 길이방향으로 연결하기 위한 '연결부재(J)'의 구성은 다양하게 변형될 수 있음은 당연하다.

본 발명에 따른 강합성 거더 제조방법은 라멘구조의 교량용 강합성 거더로서 또는 건축구조물의 휨부재용 강합성 거더의 시공방법에 적용될 수도 있다. 도 13은 본 발명에 따른 강합성 거더 제조방법을 라멘구조에 적용하는 실시예를 개념적으로 도시한 것이다. 도 14는 건축구조용 철골 골조의 휨부재용 강합성 보로 적용되는 실시예를 개념적으로 도시한 것이다.

도 13의 [B] 및 도 14에 도시된 바와 같은 라멘식 구조물에서, 작용하는 휨모멘트를 지지하는 강재보(Steel beam) 또는 강거더에 프리스트레싱 도입이 필요한 경우에도 다양하게 적용될 수 있다.

도 13에서의 형강은(110)은 측면에서 바라본 형상이 대략적으로 'ㄷ'형이 되도록 결합부(116)을 형성하면, 프리스트레싱 도입을 위한 긴장재 정착부로 활용함과 아울러 라멘식 구조물과 일체로 결합시키기에도 용이하다.

본 발명에 따른 강합성 거더 제조방법은 일반 가설교량 및 가설철도용 교량의 시공에도 적용될 수 있다. 도 15와 도 16은 본 발명에 따른 강합성 거더 제조방법을 철도용 가교에 적용한 실시예의 수직 단면을 개념적으로 도시한 것으로, 도 15는 좌우측 중의 어느 한 레일을 지지하는 가설철도 교량용 강합성 거더를 도시한 것이며, 도 16은 동일 수평면에 평행하게 배치된 한 쌍의 가설철도 교량용 강합성 거더를 도시한 것이다. 그리고 도 17은 본 발명에 따른 가설 철도교량용 강합성 거더의 변형 실시예를 도시한 설명도이다.

도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 가설철도 교량용 강합성 거더는, 강구조물(310)에 부모멘트를 도입함으로써 상기 강구조물의 하부에는 압축응력을 발생시키고 상기 강구조물의 상부에는 인장응력을 발생시킨 상태에서, 상기 강구조물(310)의 상부에 콘크리트를 타설 양생하여 '1차 콘크리트부(320)'를 형성하고, 상기 1차 콘크리트부(320)를 합성 완료 후에, 상기 강구조물(310)에 도입된 부모멘트를 제거하는 것을 특징으로 한다.

상기 강구조물(310)은 평행하게 배치되는 복수개의 I형 강재와, 상기 I형 강재들을 상호 연결하는 수직브레이싱(317)을 구비함으로써, 상기 복수개의 강재들은 하나의 강재로 거동하게 되므로, 도 15 내지 도 17에 도시된 실시예에서의 '강구조물(310)'은 앞서 설명한 본 발명의 실시예들에서의 '형강(110)'에 대응하는 구성요소이다.

참고로, 도 15에 도시된 강구조물(310)은 2개의 I형 강재를 결합한 구성이며, 도 17에 도시된 변형 실시예에서는 3개의 I형 강재로써 강구조물(310')을 구성한 실시예를 나타낸 것이다. 그리고, 앞선 실시예에서 설명한 전단연결재(115)와 동일한 전단연결재(315)가 상기 강구조물(310)(310')의 상부플랜지(311) 위에 구비되어, 1차 콘크리트부(320)와의 결합력을 증대시킨다.

그리고, 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 I형 강재의 상부플랜지(311) 위에 상판(319)을 더 구비하거나, 필요에 따라서는 하부플랜지(312)의 하부에 보강강판(도면에 표기되지 않음)을 추가 설치하는 것도 가능하다.

도 15 및 도 17에 있어서, 미설명된 도면부호 316은 I형 강재의 복부판(314)에 결합되는 수직보강재로서, 상기 수직보강재(316)과 상기 수직브레이싱(317)은 체결볼트에 의해 결합된다. 그리고 도면부호 318은 도 16에 도시된 바와 같이 평행하게 배치되는 두 강구조물끼리 경사브레이싱(350)을 연결할 때 사용되는 브라켓을 나타낸다.

도 16에 도시된 바와 같이, 가설철도 교량은 상기 도 15 또는 도 17에 도시된 가설철도 교량용 강합성 거더 2개를 평행하게 배치하여, 경사브레이싱(350)에 의해 현장 조립하여 시공을 완료한다.

본 발명에 따른 가설철도 교량용 강합성 거더의 제작방법은, 앞선 실시예에서 설명한 '형강(110)' 대신에 강구조물(310)이 적용된 점을 제외하고는 앞선 실시예의 단계들과 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 간략하게 설명한다.

먼저, 복수개의 I형 강재와, 상기 강재들을 수직브레이싱(317)에 의해 상호 결합함으로써 가설철도 교량용 강구조물을 준비한다(가설철도 교량용 강구조물 준비단계).

상기 강구조물(310)에 부모멘트를 도입하여, 상기 강구조물(310)의 하부에 압축응력을 발생시키고 상기 강구조물(310)의 상부에 인장응력을 발생시킨다(부모멘트 도입단계).

다음으로, 상기 강구조물(310)의 상부, 즉 인장응력이 발생된 부분에 콘크리트를 타설 양생하여 '1차 콘크리트부(320)'를 형성한다(1차 합성단계). 더욱 정확하게는, 부모멘트가 도입된 상기 강구조물의 중립면 상부이면서 상기 강구조물(310)의 상부에 콘크리트를 타설하여 양생한다.

상기 1차 합성단계가 완료되면, 상기 부모멘트 도입단계에서 도입된 부모멘트를 제거한다(부모멘트 해제단계).

다음 단계로서, 상기 1차 콘크리트부(320)의 상부에 추가적으로 콘크리트를 타설 양생하여 '2차 콘크리트부(330)'를 형성시킴(이 단계를 '2차 합성단계'라 한다. 이하 같다.)으로써, 상기 2차 콘크리트부(330)는 무응력 상태로 상기 1차 콘크리트부(320)에 인가될 압축응력의 상당 부분을 받게 한다. 상기 가설철도 교량용 거더에 있어서, 상기 2차 콘크리트부(330)를 형성할 때에는 상기 가설철도 교량용 거더의 단면을 기준으로 폭방향의 한가운데에 철도 레일이 안착되는 공간(R)을 두어야 하므로, 상기 철도교량용 거더 폭의 한가운데는 비워 두고, 상기 폭방향의 좌우측으로 일정 간격을 두고 이격되어 서로 평행하게 2열이 되도록 상기 2차 콘크리트를 타설한다. 도 15 및 도 17에서, 상기 공간(R)의 하부에 수직으로 관통하는 구멍은 배수구를 나타낸다.

그리고, 상기 1차 합성단계는 상기 1차 콘크리트부(320)의 상부로 노출되는 보강철근(125)을 배근하는 보강철근 배근단계를 포함하는 것이 바람직하다.

이와 같은 단계에 의해 제작된 가설철도 교량용 강합성 거더는 강구조물(310)의 하부에 압축응력이 잔류한 상태에 있으므로 하중(정모멘트)이 인가되는 경우에 내하력을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 특히 상기 2차 합성단계에 의해 형성된 무응력 상태의 2차 콘크리트부(130)에 의해 인가되는 하중(정모멘트)에 유효 단면으로 작용하게 되므로, 가설철도 교량용 거더의 내하성능을 크게 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

110 : 형강
111 : 상부플랜지 112 : 하부플랜지
114 : 복부판 115 : 전단연결재
116 : 결합부
120, 320 : 1차 콘크리트부
130, 330 : 2차 콘크리트부
J : 연결부재
J10 : 연결박스 J20 : 연결강판
J51 : 상부플랜지 J52 : 하부플랜지
J54 : 복부판 J55 : 보강연결재
J56, J58 : 보강리브 J57 : 밀착결합판
310 : 가설철도 교량용 강구조물
311: 상부플랜지 312: 하부플랜지
316: 수직보강재 317: 수직브레이싱
318: 연결리브
350: 경사브레이싱

Claims

삭제
형강(110)에 부모멘트를 도입함으로써 상기 형강의 하부에는 압축응력을 발생시키고 상기 형강의 상부에는 인장응력을 발생시키는 부모멘트 도입단계와;
상기 형강의 상부에 콘크리트를 타설 양생하여 '1차 콘크리트부(120)'를 형성하는 1차 합성단계와;
상기 1차 합성단계의 완료 후에, 상기 부모멘트 도입단계에서 도입된 부모멘트를 제거하는 부모멘트 해제단계로 이루어짐으로써,
상기 부모멘트 해제단계에 의해 상기 형강 하부에는 압축응력이, 상기 형강 상부 및 상기 1차 콘크리트부(120)에는 인장응력이 잔류되는 프리스트레싱을 도입하는 강합성 거더의 제조방법에 있어서,
상기 1차 콘크리트부(120)의 전체 구간 중의 일부 구간(L2)에서, 상기 1차 콘크리트부(120)의 상부로 노출되는 보강철근(125)을 배근하는 보강철근 배근단계를 포함하며;
상기 일부구간(L2)에서의 1차 콘크리트부(120) 상부에, 상기 부모멘트 해제단계 이후에 추가적으로 콘크리트를 타설 양생하여 '2차 콘크리트부(130)'를 형성시키는 2차 합성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강합성 거더의 제조방법.
복수개의 I형 강재와, 상기 I형 강재들을 수직브레이싱(318)에 의해 상호 결합함으로써 가설철도 교량용 강구조물을 준비하는 가설철도 교량용 강구조물 준비단계와;
상기 강구조물(310)에 부모멘트를 도입하여, 상기 강구조물(310)의 하부에 압축응력을 발생시키고 상기 강구조물(310)의 상부에 인장응력을 발생시키는 부모멘트 도입단계와;
상기 강구조물(310)의 상부에 콘크리트를 타설 양생하여 '1차 콘크리트부(320)'를 형성하는 1차 합성단계와;
상기 1차 합성단계의 완료 후에, 상기 부모멘트 도입단계에서 도입된 부모멘트를 제거하는 부모멘트 해제단계와;
상기 1차 합성단계는 상기 1차 콘크리트부(120)의 상부로 노출되는 보강철근(125)을 배근하는 보강철근 배근단계를 포함하며;
상기 1차 콘크리트부(320)의 상부에, 추가적으로 콘크리트를 타설 양생하여 '2차 콘크리트부(330)'를 형성시키는 2차 합성단계를 더 포함하되,
상기 2차 합성단계에 있어서, 상기 1차 콘크리트부(320)의 단면을 기준으로 폭방향의 한가운데에 철도 레일이 안착되는 공간이 형성되도록, 상기 1차 콘크리트부(320) 폭의 한가운데는 비워 두고 상기 폭방향의 좌우측으로 일정 간격을 두고 이격되어 서로 평행한 2열의 '2차 콘크리트부(330)'를 형성하는 것을 특징으로 하는 가설철도 교량용 강합성 거더의 제조방법.
강합성 거더 3개 이상을 길이방향으로 연결한 장대 단순형 강합성 거더에 있어서,
상기 강합성 거더들 중에서 정모멘트의 사용하중이 가장 크게 작용하는 구간에는 제2항에 따른 방법으로 제작된 강합성 거더가 배치되고;
그 이외의 구간에는 '부모멘트가 도입된 형강(110)의 상부에 '1차 콘크리트부(120)'를 형성하는 1차 합성단계와, 상기 1차 합성단계의 완료 후에, 상기 부모멘트 도입단계에서 도입된 부모멘트를 제거하는 부모멘트 해제단계에 의해 제작된 강합성 거더'가 길이방향으로 연결 배치되고,
연결부재(J)에 의해 길이방향으로 결합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 장대 단순형 강합성 거더.
강합성 거더 3개 이상을 길이방향으로 연결한 장대 연속형 거더에 있어서,
상기 강합성 거더의 하부를 지지하는 인접한 두 지점부(P1)(P2)에 지지되는 부모멘트 구간에는, 제2항에 따른 방법으로 제작된 강합성 거더의 콘크리트부가 상기 지점부(P1)(P2)에 접하도록 배치되고;
정모멘트의 사용하중 효과가 작용하는 구간에는 '부모멘트가 도입된 형강(110)의 상부에 '1차 콘크리트부(120)'를 형성하는 1차 합성단계와, 상기 1차 합성단계의 완료 후에, 상기 부모멘트 도입단계에서 도입된 부모멘트를 제거하는 부모멘트 해제단계에 의해 제작된 강합성 거더'의 콘크리트부가 상부에 위치하도록 배치되며;
인접한 두 거더를 길이방향으로 결합하기 위한 연결부재(J)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장대 연속형 강합성 거더.
제4항에 있어서, 상기 연결부재(J)는,
상부플랜지(J51)과 하부플랜지(J52)를 구비하고 상기 강합성 거더의 총높이에 대응하는 높이를 가지며, 상기 강합성 거더의 형강(110) 복부판(114)에 맞대어져 결합되는 복부판(J54)과, 상기 복부판(J54)의 일측 단면에서 길이방향으로 연장되어 상기 형강(110)의 상부플랜지(111) 상부면에 결합되는 보강연결재(J55)와, 상기 형강(110) 상부플랜지의 단부에 대응하여 설치되는 보강리브(J56)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장대 단순형 강합성 거더.
제5항에 있어서, 상기 연결부재(J)는,
상부플랜지(J51)과 하부플랜지(J52)를 구비하고 상기 강합성 거더의 총높이에 대응하는 높이를 가지며, 상기 강합성 거더의 형강(110) 복부판(114)에 맞대어져 결합되는 복부판(J54)과, 상기 복부판(J54)의 일측 단면에서 길이방향으로 연장되어 상기 형강
상기 형강(110)의 상부플랜지(111) 상부면에 결합되는 보강연결재(J55)와, 상기 형강(110) 상부플랜지의 단부에 대응하여 설치되는 보강리브(J56)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장대 연속형 강합성 거더.