KR20000049712A - 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝 제작 공법 - Google Patents

Abstract

동시에 2개의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 제작을 위해 중앙에서 볼트를 이용해 연결시킨 H형강의 중앙에 1개의 하중을 하향으로 재하하여 사하중에 의한 처짐곡선 형태로 소성변형시켜 거꾸로 위치시키고 다시 H형강의 중앙에 1개의 하중을 하향으로 재하하여 연결부를 제외한 하부플랜지에 케이싱 콘크리트를 피복시키고 하중을 제거한 후 연결된 볼트를 해체하여 분리시키며 이때 토류판과 함께 이용한 토류벽의 경우는 프리스트레스트 응력이 도입된 케이싱 콘크리트만 피복시켜 완성시키거나 또는 나머지 강형의 콘크리트도 피복시켜 완성시키고, 지하수위와 토압이 동반하여 작용하는 경우 즉, 지수효과도 동시에 거두고자 하는 경우는 프리스트레스트 응력이 도입된 케이싱 콘크리트 뿐만 아니라 나머지 강형에도 블록모양의 콘크리트를 피복시켜 완성시키는 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 제작 공법. 또한 제작시 재하시키는 하중의 위치는 토류벽 하중 상태에 따라 재하 위치를 변경 제작도 가능하다.

동시에 2개의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 제작을 위해 제3의 보와 끝단에서 볼트를 이용해 연결시킨 2개의 켄틸레버보 형식의 H형강 양끝단에 2개의 하중을 하향으로 재하하여 사하중에 의한 처짐곡선 형태로 소성변형시키고 다시 양끝단에 2개의 하중을 상향으로 재하하여 연결부와 제3의 보를 제외한 하부플랜지에 케이싱 콘크리트를 피복시키고 하중을 제거한 후 연결된 볼트를 해체하여 분리시키며 이때 토류판과 함께 이용한 토류벽의 경우는 프리스트레스트 응력이 도입된 케이싱 콘크리트만 피복시켜 완성시키거나 또는 나머지 강형의 콘크리트도 피복시켜 완성시키고, 지하수위와 토압이 동반하여 작용하는 경우 즉, 지수효과도 동시에 거두고자 하는 경우는 프리스트레스트 응력이 도입된 케이싱 콘크리트 뿐만 아니라 나머지 강형에도 블록모양의 콘크리트를 피복시켜 완성시키는 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 제작공법. 또한 제작시 재하시키는 하중의 위치는 토류벽 하중 상태에 따라 재하 위치를 변경 제작도 가능하다.

Description

프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝 제작 공법{.}

토류벽은 지하공사를 안전하고 원활하게 할 수 있도록 또한 굴착벽면의 암괴나 토사 등의 유입을 방지하기 위하여 설치하는 지하구조물로써 기존의 토류벽용 말뚝은 주로 H형강을 이용하여 토압에 저항케하였다. 그러나 H형강은 토사와 접하고 있으며 대부분이 지하수위 아래로 매입되므로 부식발생이 쉬울 뿐만 아니라 굴착깊이가 깊어질 경우 큰 토압을 저항하여야 함으로 단면이 거대해지고 또한 이를 지탱하기 위해서 상당한 양의 버팀대(strut)를 사용하여 횡방향 변형에 대비하여야만 했다. 이 상당한 양의 버팀대는 작업공간 확보면에서 장애요인이 되며 설치 및 제거 공정의 추가로 인해 공사비와 더불어 공사기간면에서도 불리한 요인으로 작용한다. 따라서 본 발명은 H형강과 이를 콘크리트로 피복하여 콘크리트에 프리스트레스트 응력을 도입시켜 강재와 콘크리트의 재료 역학적 잇점을 최대한 활용한 프리플렉스 합성보를 이용하여 굴착벽면의 토압을 지지할 수 있게 하는 토류벽용 말뚝 제작 공법으로써 강재에 콘크리트를 피복함으로써 부식 발생을 최소화할 수 있으며 말뚝 단면 자체의 감소로 인한 재료절감 효과와 단면 강성의 증가로 인한 버팀대의 양을 최소화할 수 있어 작업공간 확보와 공사비 그리고 공사기간면에서 향상된 새로운 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝 제작 공법을 제공하고자 한다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 단점을 해결하고자 하는 목적으로 안출되었으며, 이러한 목적달성을 위하여 종래의 H형강에 콘크리트를 피복하고 프리스트레스트 응력을 도입시켜 강재와 콘크리트의 재료역학적 장점을 최대한 활용한 프리플렉스 합성보를 이용해 토류벽용 말뚝을 제작함으로써 재료절감과 작업공간 확보 및 공사비와 공사기간을 단축시킬 수 있는 새로운 공법을 제시하고자 한다. 또한 직선형의 H형강에 사하중에 의한 처짐곡선 형태로 소성변형을 발생시켜 강형 생산시 미리 사하중에 의한 처짐에 대응하는 솟음을 붙이는 어려움과 번거로움을 탈피하고자 한다.

[도 1] 인장을 받는 전형적인 구조용강의 응력-변형률 선도

[도 2] 토압에 의한 일반적인 측압분포도

[도 3] 본 발명의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝 제작을 위한 H형강에 소성변형을 발생시키는 공정도 (방법 1)

[도 4] 본 발명의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝 제작 공정도 (방법 1)

[도 5] 본 발명의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝 제작을 위한 H형강에 소성변형을 발생시키는 공정도 (방법 2)

[도 6] 본 발명의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝 제작 공정도 (방법 2)

[도 7] 본 발명의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 단면도

[도 8] 본 발명의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽의 완성도

＜ 도면의 주요부분에 대한 설명＞

1. 연결부 2. 케이싱 콘크리트 3. 제3의 보

4. 켄틸레버보 형식의 H형강 5. 블록모양의 콘크리트

본 발명의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝 제작을 위한 H형강에 사하중에 대응하는 처짐곡선 형태로 소성변형을 발생시키기 위해 강재의 재료적인 특징을 제1도의 그래프를 이용하여 설명하면 다음과 같다.

제1a도의 그래프는 인장을 받는 전형적인 구조용강의 응력-변형률 선도이다. 변형률을 수평축에, 응력은 수직축에 나타내었다. 그래프에서 보는바와 같이 O점에서 A점까지는 직선인데, 이 영역에서는 응력과 변형률은 비례하며 재료의 거동은 선형이라 불린다. 또한 A점을 지나서는 응력과 변형률 사이의 선형관계가 더 이상 유지되지 않는데 이때 A점을 비례한도(proportional limit)라 부른다. 비례한도를 넘어 하중을 점차로 증가해가면 응력에 비해 변형률이 훨씬 급속도로 증가하며, 응력-변형률곡선은 경사가 점차로 작아지다가 수평이 되는 점 B에 도달하게 된다. 이 점으로부터 즉, B점에서 C점까지는 인장력은 거의 증가하지 않더라도 상당한 변형이 일어난다. 이런 현상을 재료의 항복(yielding)이라 하며 B점의 응력을 항복응력(yielding stress) 또는 항복점(yielding point)이라고 한다. 그리고 B점에서 C점까지의 영역에서는 재료가 완전소성(perfectly plastic) 상태로 되어 작용하중의 증가없이도 변형이 일어난다. BC영역의 항복과정에서 큰 변형률이 생긴 후, 강은 변형경화(strain harden)가 시작되는데 이 때 재료는 원자 및 결정 구조의 변화를 일으키며 더 이상의 변형에 대한 재료의 저항력을 증가시킨다. 따라서 인장력이 증가해야 추가적인 신장이 일어나며 응력-변형률 선도는 C점에서 D점까지 양의 경사를 가지게 된다. 즉 하중은 결국 최대치까지 도달하게 되며 이 때의 응력을 극한응력(ultimate stress)이라 한다. 또한 이 점을 넘어서면 하중이 감소하는데도 재료는 계속 늘어나서 E점에서 파괴(fracture)가 일어난다.

제1b도는 위 제1a도의 응력-변형률 선도를 간략화해서 나타낸 그래프이다. 만일 주어진 하중의 작용에 의하여 재료에 생긴 변형이 하중이 제거될 때 없어지면 그 재료는 탄성적이고 선형적으로 거동한다고 말한다. 그러나 만일 항복점에 도달하면 위에서 기술한 바와같이 항복이 일어나고 하중이 제거될 때 응력과 변형률은 하중곡선의 직선부 AB에 평행한 선 CD를 따라 선형적으로 감소한다. 하중이 제거된 후에 변형률이 영으로 돌아가지 않는 것은 재료에 영구변형 또는 소성변형이 일어난 것을 나타낸다. 제1b도에서 AD 구간은 소성변형에 의한 잔류변형치를 나타낸 것이다.

따라서 본 발명은 현재 사용되고 있는 대부분의 공법이 재료의 탄성역만을 고려해서 강형에 미리 사하중에 의한 처짐에 대응하는 솟음을 붙이는 어려움과 번거로움을 감수해야 하는 것과는 달리 직선형으로 제작된 H형강에 소정의 공정을 거쳐 소성변형에 의한 설계상의 솟음을 조절하고, 기존 공법이 H형강만을 이용해 굴착벽면의 토압에 저항케하여 단면이 커지고 지하수위로 인해 강재의 부식이 발생하며 횡방향 변형에 대비하기 위해 상당한 양의 버팀대(strut)을 사용함으로 작업공간과 공사비 그리고 공사기간면에서 불리한 것과는 달리 이를 본 발명에 의한 공정에 따라 제작된 프리플렉스 합성보 말뚝으로 대체하여 재료절감과 작업공간 확보 및 공사비와 공사기간을 단축시킬 수 있는 새로운 공법을 제시하고자 한다.

본 발명의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝 제작 공정을 도면을 이용하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 제2도는 토사에 의한 일반적인 측압분포를 나타내는 것으로써 측압은 깊이에 비례하여 증대하는 삼각형 분포가 된다. 따라서 인장력을 받는 프리플렉스 합성보의 콘크리트에도 측압의 삼각형 분포에 따라 압축응력이 도입되어야 한다. 이때 콘크리트에 프리스트레스트 응력을 도입시키기 위한 방법은 단순보형식의 H형강 중앙을 볼트로 연결하고 콘크리트 피복 후에 분리시키는 방법과 2개의 캔틸레버보 형식의 H형강을 제3의 보와 볼트로 연결하고 콘크리트 피복 후에 분리시키는 두가지 방법이 있다. 여기서 물론, 보의 중앙부를 볼트로 연결하지 않고 1개의 보로 제작하여 중앙부 또는 필요한 말뚝길이만큼을 절단하는 방법도 있다.

제3도와 제4도는 위에서 언급한 두가지 방법 중의 전자의 방법이다.

제3도는 본 발명의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝을 제작하기 위한 1단계 공정으로써 직선형의 H형강에 사하중에 의한 처짐에 대응하는 솟음을 주는 과정을 나타내고 있다.

제3a도는 동시에 2개의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝을 제작하기 위해 중앙에 볼트를 이용해 연결(1)시킨 H형강을 단순지지시켜 놓은 상태도이다.

제3b도는 제3a도의 H형강보 중앙에 1개의 하중(P)을 탄성범위를 초과하여 하향으로 가함으로써 사하중 재하시 최대 휨모멘트가 발생하는 위치 즉, 보의 중앙에 꼭지점을 갖는 포물선 형태의 소성변형을 발생시키는 공정을 보이고 있다. 제3c도는 위의 과정으로부터 포물선 형태로 소성변형된 H형강보의 사시도이다.

제4도는 제3도의 과정에서 하향으로 소성변형된 H형강보를 뒤집어 놓은 상태(제4a도 참조)에서 콘크리트에 프리스트레스트 응력을 도입시키는 과정을 보이고 있다.

제4b도는 H형강의 하부플랜지에 콘크리트를 피복시켜 프리스트레스트 응력을 도입시키기 위하여 만곡된 H형강보의 중앙에 1개의 하중(P)을 하향으로 가한 상태와 이에 의한 모멘트도를 나타내고 있다.

제4c도는 보가 1개의 하중이 재하된 상태에서 연결부(1)를 제외한 H형강보의 하부플랜지에 케이싱 콘크리트(2)를 피복시킨 상태도이다.

제4d도는 케이싱 콘크리트가 양생된 후 가해졌던 하중을 제거시키고 연결된 볼트를 해체하여 분리시킴으로써 토압에 의해 발생되는 응력에 상반되는 프리스트레스트 응력이 도입된 2개의 프리플렉스 합성보로 변환된 상태와 이로 인해 케이싱 콘크리트에 프리스트레스트 응력이 도입된 응력도이다.

제4e도는 제4d도에서 제작된 프리플렉스 합성보의 나머지 강형에 블록모양의 콘크리트(5)를 피복한 상태도이다. 여기서 제8a도, 제8b도와 같이 토류판을 함께 이용한 토류벽의 경우는 프리스트레스트 응력이 도입된 케이싱 콘크리트(2)만 피복된 상태(제7a도 참조)로 제작을 마치거나(제8a도 참조) 또는 제8b도와 같이 나머지 강형에 콘크리트(5)를 피복시켜(제7b도 참조) 제작을 마치고, 제8c도와 같이 지하수위와 토압이 동반하여 작용하는 경우 즉, 지수효과도 동시에 거두고자 하는 경우는 나머지 강형에 블록모양의 콘크리트(5)를 피복시켜(제7c도 참조) 제작을 마친다. 이러한 공정을 거쳐 완성된 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 사시도가 제4f도이다. 또한 제작시 재하시키는 하중의 위치는 토류벽 하중 상태에 따라 재하 위치를 변경 제작도 가능하다.

본 발명의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류판용 말뚝 제작 공법의 또 다른 방법이 제5도와 제6도이다.

제5도는 본 발명의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝을 제작하기 위한 또 다른 방법의 1단계 공정으로써 직선형의 H형강에 사하중에 의한 처짐에 대응하는 솟음을 주는 과정을 나타내고 있다.

제5a도는 동시에 2개의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝을 제작하기 위해 제3의 보(3) 양끝단에 볼트를 이용하여 제작하고자 하는 프리플렉스 합성보의 H형강(4)을 연결(1)한 상태와 지점 상태를 보이고 있다.

제5b도는 제5a도의 H형강보 양끝단에 2개의 하중(P)을 탄성범위를 초과하여 하향으로 가함으로써 사하중 재하시의 포물선 형태로 소성변형을 발생시키는 공정을 보이고 있다. 제5c도는 위의 과정으로부터 포물선형태로 소성변형된 H형강보의 사시도이다.

제6도는 제5도의 과정에서 상향으로 소성변형된 H형강보를 그대로 놓은 상태(제6a도 참조)에서 콘크리트에 프리스트레스트 응력을 도입시키는 과정을 보이고 있다.

제6b도는 H형강의 하부플랜지에 케이싱 콘크리트를 피복시켜 프리스트레스트 응력을 도입시키기 위하여 만곡된 H형강보의 양끝단에 2개의 하중(P)을 상향으로 가한 상태와 이에 의한 모멘트도를 나타내고 있다.

제6c도는 보가 2개의 하중이 재하된 상태에서 제3의 보(3)와 연결부(1)를 제외한 H형강보의 하부플랜지에 케이싱 콘크리트(2)를 피복시킨 상태도이다.

제6d도는 케이싱 콘크리트가 양생된 후 가해졌던 하중을 제거시키고 연결된 볼트를 해체하거나 일체화된 1개의 보를 사용했을 경우에 절단하여 분리시킴으로써 토압에 의해 발생되는 응력에 상반되는 프리스트레스트 응력이 도입된 2개의 프리플렉스 합성보로 변환된 상태와 이로 인해 케이싱 콘크리트에 프리스트레스트 응력이 도입된 응력도이다.

제6e도는 제6d도에서 제작된 프리플렉스 합성보의 나머지 강형에 블록모양의 콘크리트(5)를 피복한 상태도이다. 여기서도 마찬가지로 제8a도, 제8b도와 같이 토류판을 함께 이용한 토류벽의 경우는 프리스트레스트 응력이 도입된 케이싱 콘크리트(2)만 피복된 상태(제7a도 참조)로 제작을 마치거나(제8a도 참조) 또는 제8b도와 같이 나머지 강형에 콘크리트(5)를 피복시켜(제7b도 참조) 제작을 마치고, 제8c도와 같이 지하수위와 토압이 동반하여 작용하는 경우 즉, 지수효과도 동시에 거두고자 하는 경우는 나머지 강형에 블록모양의 콘크리트(5)를 피복시켜(제7c도 참조) 제작을 마친다. 이러한 공정을 거쳐 완성된 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 사시도가 제6f도이다. 또한 제작시 재하시키는 하중의 위치는 토류벽 하중 상태에 따라 재하 위치를 변경 제작도 가능하다.

본 발명의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝 제작 공법은 직선형으로 제작된 H형강에 소정의 공정을 거쳐 소성변형에 의한 설계상의 솟음을 조절할 수 있고, 강재에 콘크리트를 피복함으로써 부식 발생을 최소화할 수 있으며 말뚝 단면 자체의 감소로 인해 재료비를 절감할 수 있으며 단면 강성의 증가로 인한 버팀대의 양을 최소화할 수 있어 작업공간 확보와 공사비 그리고 공사기간을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 동시에 2개의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 제작을 위해 중앙에서 볼트를 이용해 연결시키거나 일체화된 1개의 H형강의 중앙에 하중을 하향으로 재하하여 사하중에 의한 처짐곡선 형태로 소성변형시킨 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝 제작을 위한 H형강 제작 공법
2. 동시에 2개의 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 제작을 위해 제3의 보와 끝단에서 볼트를 이용해 연결시킨 2개의 켄틸레버보 형식의 H형강 양끝단에 하중을 하향으로 재하하여 사하중에 의한 처짐곡선 형태로 소성변형시킨 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝 제작을 위한 H형강 제작 공법
3. 청구항1에서 제작된 H형강을 거꾸로 위치시켜 H형강의 중앙에 하중을 하향으로 재하하여 연결부를 제외한 하부플랜지에 케이싱 콘크리트를 피복시키고 하중을 제거한 후 연결된 볼트를 해체하여 분리시키거나 일체화된 H형강을 사용했을 경우 절단시킴으로써 토압에 의해 발생되는 응력에 상반되는 프리스트레스트 응력이 도입된 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 제작 공법
4. 청구항2에서 제작된 H형강을 그대로 놓고 양끝단에 하중을 상향으로 재하하여 연결부와 제3의 보를 제외한 하부플랜지에 케이싱 콘크리트를 피복시키고 하중을 제거한 후 연결된 볼트를 해체하여 분리시킴으로써 토압에 의해 발생되는 응력에 상반되는 프리스트레스트 응력이 도입된 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 제작 공법
5. 청구항3과 청구항4에 있어 토류판과 함께 이용한 토류벽의 경우는 프리스트레스트 응력이 도입된 케이싱 콘크리트만 피복시켜 완성시키는 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 제작 공법
6. 청구항3과 청구항4에 있어 지하수위와 토압이 동반하여 작용하는 경우 즉, 지수효과도 동시에 거두고자 하는 경우는 프리스트레스트 응력이 도입된 케이싱 콘크리트 뿐만 아니라 나머지 강형에도 블록모양의 콘크리트를 피복시켜 완성시키는 프리플렉스 합성보를 이용한 토류벽용 말뚝의 제작 공법