KR20010054105A - 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법에 관한 것으로, 구조체의 보강하고자 하는 영역에 따라 설정되는 캠버량(솟음량)를 갖도록 원호형으로 벤딩되어 형성된 탄성 프리플렉스 보강보의 중간부를 상기 구조체의 하부에 접촉시키고, 상기 탄성 프리플렉스 보강보가 펴지도록 양단부를 가압하여 밀어 올린 후, 상기 구조체와 탄성 프리플렉스 보강보를 결속하여, 구조체의 내하력을 증가시키는 방법을 제공한다.

이러한 본 발명은 사하중에 의한 휨 응력을 인장철근과 탄성 프리플렉스 보강보가 분담하게 하여 사하중에 대한 보강으로 활하중에 대한 저항능력을 증대시키는 이점이 있으며, 노후된 교량의 슬래브를 간편한 방법으로 시공하여 내하력을 증대시킴으로써 사용수명을 연장하여 장기간 안전하게 사용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법{METHOD TO REINFORCE THE ENDURANCE FORCE OF STRUCTURE USING TENSILE BEAM}

본 발명은 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법에 관한 것으로, 특히 구조물의 내하력을 증진시키기 위한 보강공법으로 사하중에 의한 휨 응력을 인장철근과 탄성 프리플렉스 보강보가 분담하게 하여 사하중에 대한 보강으로 활하중에 대한 저항능력을 증대시키도록 한 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법에 관한 것이다.

일반적으로 각종 구조물은 파손 및 붕괴 등의 각종 사고가 발생하지 않도록 관리에 만전을 기하고 있으나, 노후화된 구조물들은 갑자기 현실에 맞는 상태로 개축하기에는 시간적 경제적 손실이 너무 많아 불가능한 실정이므로 노후된 구조물을 보다 정확한 방법과 저렴한 공사비로 보강 및 보수하는 방법이 절실히 요구되고 있다. 그러나 현실은 노후된 구조물을 정확히 보강하는 기술 부족으로 인해 외국에서 도입된 낙후된 방식을 그대로 모방하여 사용하고 있는 실정이다.

본 출원인은 구조물의 여러 형태별 파손 원인을 분석하여 현실에 맞는 보강공사를 시행하고자 노력하던 중 만족하여야 할 요건을 충족하지 못하여 재가설하여야 할 상황까지 이르게 된 구조물을 효과적을 보강할 수 있는 본 공법을 개발하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점 및 결함을 해소하기 위하여 창안한 것으로, 구조물의 내하력을 증진시키기 위한 보강공법으로 사하중에 의한 휨 응력을 인장철근과 탄성 프리플렉스 보강보가 분담하게 하여 사하중에 대한 보강으로 활하중에 대한 저항능력을 증대시킬 수 있게 되는 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법을 제공하기 위한 것이다.

도 1 내지 도 11은 본 발명 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법에 관한 도면으로서,

도 1a 내지 도 1e는 보강공정을 단계적으로 보인 설명도.

도 2는 도 1e의 "A"부 확대 측단면도.

도 3은 도 1e의 "B"부 확대 측단면도.

도 4는 도 3의 A-A선 단면도.

도 5는 인상장치의 구성도.

도 6은 볼트의 부분 절결 사시도.

도 7은 본 발명이 적용되는 콘크리트 슬래브의 단면도.

도 8은 프리플렉스보강공법의 적용원리 설명도.

도 9는 보강후 단면력 변화 그래프.

도 10은 보강보의 설치위치 설명도.

도 11은 보강후 단면력 변화 설명도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 구조체 1' : 슬래브

1a : 관통공 1b : 고정공

2 : 탄성 보강재 2a : 볼트공

2': 탄성 프리플렉스 보강보 3 : 볼트

3a : 머리 3b : 몸통

3c : 수직 주입공 3d : 수평 주입공

4 : 너트 5 : 아스콘

5a : 작업면 6 : 좌굴방지재

10 : 에폭시 11 : 앵커볼트 정착지압판

12 : 에폭시 콘크리트층 20 : 인상장치

21 : 메인 펌프 22 : 실린더

23 : 유압잭 24 : 받침대

25 : 간격 지지강재 26 : 침하 방지강재

30 : 세트 앵커볼트 31 : 너트

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법은 구조체의 보강하고자 하는 영역에 따라 설정되는 캠버를 갖도록 벤딩되어 형성된 탄성 프리플렉스 보강보의 중간부를 상기 구조체의 하부에 접촉시키고, 상기 탄성 프리플렉스 보강보가 펴지도록 양단부를 가압하여 밀어 올린 후, 상기 구조체와 탄성 프리플렉스 보강보를 결속하여, 구조체의 내하력을 증가시키는 방법을 제공한다.

보다 구체적으로 본 발명 방법은 상기 구조체의 보강하고자 하는 영역에 따라 설정되는 캠버와 체결을 위한 볼트공을 갖도록 탄성 프리플렉스 보강보를 제작하는 제작단계와, 상기 구조체에 체결을 위한 관통공을 형성하는 천공단계와, 상기 탄성 프리플렉스 보강보의 중간부를 상기 구조체의 하부에 밀착시키는 밀착단계와, 상기 탄성 프리플렉스 보강보가 펴지도록 양단부를 인상장치로 밀어 올리는 인상단계와, 상기 구조체의 관통공과 탄성 프리플렉스 보강보의 볼트공에 볼트를 삽입하여 너트로 체결하는 체결단계와, 상기 인상장치를 철수시키는 단계를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 밀착단계에서 상기 구조체의 중간부에 형성된 고정공에 상기 탄성 프리플렉스 보강보의 중간부에 고정된 세트 앵커볼트를 삽입하여 고정하는 중간부고정단계를 더 포함하여 구성된다.

상기 탄성 프리플렉스 보강보는 원호형으로 벤딩되어 형성되고, 상기 탄성 프리플렉스 보강보의 양단부에 플랜지의 좌굴을 방지하기 위한 좌굴방지재를 개재하고 상기 볼트를 체결된다.

상기 탄성 프리플렉스 보강보로 이용되는 예를들어 SWS-520 이상의 구조용 강재는 고인장 강재로서 탄성한계 최대 인장력이 보통 강재 보다 50% 정도 크고, 응력 변형선도에서 높은 파괴점과 신장을 가지고 있다. 그래서 이 강재는 탄성 영역 범위 내에서 일정한 힘으로 구부린 후 가했던 힘을 제거하면 다시 원래의 상태대로 복원하려는 성질을 가지고 있다.

이 강재의 보강재를 일정한 굽힘을 주어 제작하여, 노후화된 구조물의 처짐이 심한 곳이나 균열이 많이 발생되어 붕괴 위험이 있는 곳의 상기 보강재를 하부에 밀착시키고, 일정한 힘으로 밀어올려 평편하게 한 상태에서 구조물과 일체화시키면 원래 형태로 되려는 복원력 때문에 구조물 하부를 계속 밀어 올려 내하력 증진에 탁월한 효과를 발휘하게 된다.

이러한 구조물 내하력 보강용 탄성빔 시공 순서는 빔이나, 플레이트 거더(plate girder)를 캠버(camber)가 주어진 상태로 공장에서 제작하고, 이 탄성 보강재를 현장으로 이동시켜 보강하고자 하는 교량의 슬래브(slab)와 같은 구조체의 하부에 거치하며, 상기 탄성 보강재의 하부에서 솟음량을 감소시키기 위하여 추상대를 설치한 후 인상장치로 정확한 힘을 가하여 탄성 보강재를 구조체의 하부에 밀착시킨다. 이후, 구조체와 탄성 보강재을 고정장치를 이용하여 고정시킨다. 이와 같이하여 구조체에 탄성 보강재가 완전히 고정되면 탄성 보강재가 처음 상태로 복원하려는 성질 때문에 처짐 및 활하중 사하중 응력 감소 효과를 나타내는 구조체에 하부지지 없이 완벽하게 보강할 수 있게 된다.

충진제는 콘크리트와 강재 사이의 간격이 일정하지 않으므로 완벽하게 일체화시키기 위하여 예를들어 에폭시를 사용한다. 주입방법은 콘크리트와 강재 사이를 에폭시 퍼티(epoxy putty)로 처리한 다음 주입구를 일정한 간격으로 배치하여 에폭시 퍼티가 완전히 경화된후 주입을 실시하며, 완벽한 주입확인을 위하여 중간중간에 ???에폭시 주입확인 배기구를 설치한다. 하부의 인상작업대와 인상기구는 주입된 에폭시가 완전히 경화된 후에 철수한다.

이하, 이와 같은 본 발명에 의한 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법을 첨부한 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 8은 본 발명 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법에 관한 도면으로서, 도 1a 내지 도 1d는 보강공정을 단계적으로 보인 설명도이고, 도 2는 도 1d의 "B"부 확대 측단면도, 도 3은 도 1e의 "A"부 확대 측단면도, 도 4는 도 3에 도시된 부분의 평면도를 각각 보인 것이며, 도 5는 인상장치의 구성도, 도 6은 볼트의 부분 절결 사시도를 각각 보인 것이다.

그리고, 도 7은 본 발명이 적용되는 콘크리트 슬래브의 단면도를 보인 것이고, 도 8은 프리플렉스보강공법의 적용원리 설명도이며, 도 9는 보강후 단면력 변화 그래프이다.

본 발명에 의한 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법은 먼저, 도1a와 같이 보강하고자 하는 구조체(1), 예를들어 교량의 슬래브(slab)(1')의 형태를 조사하여, 도 1b와 같이, 보강하고자 하는 범위에 따라 플레이트 거더(plate girder)와 같은 탄성 보강재(2), 예를들어 탄성 프리플렉스 보강보(2')를 캠버(camber)가 주어진 상태로 원호형으로 공장에서 제작하고, 이 원호형으로 굽혀진 탄성 프리플렉스 보강보(2')를 현장의 슬래브(1') 하부로 이동시켜, 도 1c와 같이 보강하고자 하는 슬래브(1')의 하부에 거치하며, 이어서 도 1d와 같이, 상기 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 하부에서 솟음량을 감소시키기 위하여 추상대를 설치한 후 인상장치로 정확한 힘을 가하여 탄성 프리플렉스 보강보(2')를 슬래브(1')의 하부에 밀착시킨다.

이후, 도 1e와 같이, 슬래브(1')와 탄성 프리플렉스 보강보(2')를 고정장치를 이용하여 고정시키고, 이와 같이 하여 구조체에 탄성 보강재가 완전히 고정되면 탄성 보강재가 처음 상태로 복원하려는 성질 때문에 처짐 및 활하중 사하중 응력 감소 효과를 나타내는 구조체에 하부지지 없이 완벽하게 보강할 수 있게 된다.

탄성영역내에 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 단면의 복원성을 그대로 유지하면서 슬래브(1')의 하부에 밀착시키기 위해서는 일정한 힘으로 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 굽힘을 상쇄하는 방법이 도입되어야 하며, 이를 위해서는 정확한 계측 및 일정한 힘을 줄 수 있는 인상장치가 필요하다.

도 5는 이와 같은 인상장치(20)를 예시한 것으로, 이 인상장치(20)는 유압측정 게이지가 부착된 메인 펌프(21)와, 이 메인 펌프(21)의 실린더(22)에 승강 가능하게 결합되는 유압잭(23)과, 원형 강관과 같은 받침대(25)로 이루어져 있다.

이하, 이러한 시공작업을 실제 행함에 있어서 상기 탄성 프리플렉스 보강보(2')를 슬래브(1')의 하부로 이동시킬 때에는 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 손상 및 캠버 감쇄에 영향이 없도록 세심한 주의가 요구된다.

또, 탄성 프리플렉스 보강보(2')를 보강하여야 할 슬래브(1')의 위치에 정확히 장착시켜야 하므로 슬래브(1')의 관통공(1a)은 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 볼트공(2a)과의 거리를 측량기를 이용하여 측정하면서 오차가 발생하지 않도록 천공한다.

슬래브(1') 관통방법은 고속 코아드릴로 상부에서 관통하며, 이 때 슬래브(1') 상부에 있는 아스콘(5)을 일정한 면적 만큼 깨고, 콘크리트 상부에서 부터 코아 작업을 실시한다.

상기 슬래브(1')에 관통공(1a)을 형성한 후에는 도 3 및 도 4와 같이 상기 아스콘(5)을 깨낸 작업면(5a)에 앵커볼트 정착지압판(11)을 재치시키고, 이 앵커볼트 정착지압판(11)에 형성된 볼트공을 통하여 볼트(3)를 삽입하여 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 플랜지에 형성된 볼트공(2a)에 너트(4)로 체결하고, 일정한 높이까지 인상시키며, 이 때 탄성 프리플렉스 보강보(2')에 무리한 힘이 가하여지지 않도록 주의하여 작업한다. 상기 볼트(3)의 머리(3a) 하부에는 필요에 따라 앵커볼트 정착지압판(11)을 대신하여 머리(3a) 보다 약간 넓은 평와셔를 개재하고 볼트(3)를 체결할 수 있다.

상기 볼트(3)를 삽입한 후에는 상기 슬래브(1')의 관통공(1a)과 볼트(3) 사이에는 에폭시(10)를 충진하는 데 일반적인 주입방법으로는 완전한 주입이 이루어지지않으므로 특수 제작된 볼트(3)를 사용하여 주입하게 되며, 상기 아스콘(5)이 있던 작업면(5a)에는 무수축 에폭시 몰탈을 타설하여 에폭시 콘크리트층(12)을 형성함으로써 물이 스며들지 않도록 방수처리 한다.

상기 볼트(3)는 도 6과 같이 머리(3a)에서 몸통(3b)의 일정 깊이 까지 수직 주입공(3c)이 길이방향으로 형성되고, 이 수직 주입공(3c)의 하단부에서 수평 주입공(3d)이 폭방향으로 형성된 형태로 되어 있다.

상기 볼트(3)의 머리(3a)에서 수직 주입공(3c)을 통하여 에폭시(10)를 주입하면 수직 주입공(3c)과 수평 주입공(3d)을 통하여 흘러들어가 슬래브(1')의 관통공(1a) 내주면과 볼트(3)의 외주면 사이에 충진되어 완벽한 충진 효과를 얻을 수 있다.

이어서, 슬래브(1')와 탄성 프리플렉스 보강보(2')를 밀착시키기 위하여 보조장치인 인상장치(20)를 설치하며, 도 5와 같이, 원형 강관의 받침대(24), 유압잭(23), 메인 펌프(21), 간격 지지강재(25) 및 침하 방지강재(26)의 순서로 구조체(1)의 높이에 따라 배치한다. 이 때에는 유압잭(23)에 유압이 작용시 일정한 힘이 탄성 프리플렉스 보강보(2') 하부에 균일하게 전달되게 하기 위하여 정확한 수평 작업이 필요하다.

그리고, 메인 펌프(21)에 부착된 유압 게이지에 의해 탄성 프리플렉스 보강보(2')에 가해지는 톤(ton)량을 측정하여 과다 인상을 방지한다.

이 인상장치(20)는 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 하부에 2대를 설치하여 동시에 인상하며, 이 때 작업자들은 슬래브(1')와 탄성 프리플렉스 보강보(2')가 밀착될 때에 볼트(3)에 너트(4)를 돌려 일체화 작업을 실시한다.

한편, 상기한 시공작업의 중간에는 슬래브(1')와 보강빔(2')을 보다 견고하고 쉽게 결속하기 위하여 중간부 고정단계를 행할 수 있으며, 이 중간부 고정단계는 보강빔(2')의 중간부에 도 2와 같이 세트 앵커볼트(30)를 양쪽에 용접하거나 너트(31)로 나사체결하여 고정하고, 슬래브(1')의 하면 중간부에는 고정공(1b)을 천공하여 슬래브(1')에 보강빔(2')을 밀착시키는 단계에서 보강빔(2')에 구비된 세트 앵커볼트(30)가 슬래브(1')의 고정공(1b)에 삽입 고정되도록 하다.

도 2에서 10'는 앵커볼트(30)를 견고하게 고정하기 위한 에폭시 그라우트를 보인 것이다.

상기와 같은 작업을 행하여 슬래브(1')와 보강빔(2')의 관통볼트 체결작업이 완료되면 하부의 인상장치(20)를 철거하고 에폭시(10) 주입상태를 관찰하여 일체 여부를 재확인 한다. 마무리 작업은 도장작업 및 보호 캡 작업으로 슬래브(1') 하부에 손상 및 부식방지를 위해 녹발생 우려 부위에 그리스를 바르고 강재 보호 박스를 제작하여 마무리한다.

[실시예1]

도 7은 본 발명이 적용되는 콘크리트 슬래브의 단면도를 보인 것이고, 도 8에서 (a)는 단순보의 슬래브(1')에 탄성 프리플렉스 보강재(2)를 결속한 형태를 나타낸다. 그리고 (b)는 슬래브(1')의 사하중 휨모멘트를 나타내고, (c)는 탄성 프리플렉스 보강빔(2')의 휨모멘트(상향력)을 나타내며, (d)는 프리플렉스보강공법에 의해 휨모멘트가 보강된 형태를 나타내고 있다.

이하, 도 7 내지 도11을 참조하여 본 발명을 지간이 L1인 단순보에 적용한 경우를 실시예로 들어 설명하면 다음과 같다.

1) 먼저, 도 8a와 같은 형태의 단순보에서 사하중에 의해 발생된 휨응력에 대한 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 상향력 결정에 대하여 살펴보면, 사하중에 의한 최대 휨모멘트 (Md)(도 8조)는 다음식과 같고,

탄성 프리플렉스 보강보(2')에 의한 상향력 모멘트(Mp)는 다음식과 같다.

탄성 프리플렉스 보강보(2')의 상향력은 사하중에 의한 휨 모멘트를 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 분담량에 따라서 결정되며, 사하중에 의한 휨모멘트와 보강강재에 의한 상향력의 차이만큼이 기존구조물의 사하중에 대한 보강량이 된다.

2)탄성 프리플렉스 보강보(2')의 제작

탄성 프리플렉스 보강보(2')의 길이는 기존 구조물의 작업조건과 현장 여건에 따라서 결정되어야 하며, 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 길이가 길어지면 솟음량은 증가를 한다.

탄성 프리플렉스 보강보(2')는 솟음량에 대하여 보강재가 직선으로 변형하면서 상향력을 발휘하며, 솟음량은 사용강재의 단면성질과 길이 및 사하중에 대한 보강량이 결정이되면 다음과 같은 방법으로 결정한다.

여기서, P = 보강보 지간중앙점에서 발생되는 상향력, L = 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 길이, E = 사용강재의 탄성계수, I = 사용강재의 단면2차모멘트,

다음으로 프리플렉스보강공법의 작업순서는 다음과 같다.

1) 노후교량에 대한 선행 작업

탄성 프리플렉스 보강보(2')가 분담하게 될 휨모멘트가 결정이 되면 보강강재가 상향력을 발휘할 수 있는 강재의 단면과 길이 및 솟음량이 결정된다.

탄성 프리플렉스 보강보(2')의 정착위치에 정밀한 시공측량을 통하여 슬래브(1')의 양단에는 구조물을 관통하는 천공을 실시한다.

천공작업시에는 앵커볼트(3)와의 공차를 고려하여 천공을 실시하고, 천공작업은 수직도가 유지될 수 있도록 정밀하게 시공되어야 한다.

기존 구조물 앵커볼트(3) 체결위치의 상면 슬래브(1')에는 앵커볼트 정착지압판(11) 설치와 작업공간확보를 위한 작업을 선행한다.

2) 탄성 프리플렉스 보강보(2') 제작 및 설치위치

탄성 프리플렉스 보강보(2')가 분담하게 될 휨응력을 유발할 수 있는 강재보를 제작하는데 사용강재와 강재보의 상향력에의하여 솟음량을 결정하여 제작한다.

기존 구조물의 최대 휨모멘트 발생위치와 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 상향력이 작용할 중앙점이 일치하도록 제작한다.

3) 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 설치

탄성 프리플렉스 보강보(2')의 설치작업은 현장여건에 따라서 여러가지 방법이 적용될 수 있다.

탄성 프리플렉스 보강보(2')의 인상작업을 위한 인상 작업대를 설치하는 경우에는 지반이 부등침하가 발생하지 않도록 하여야 하며, 유압잭(23)에 의한 상향력이 탄성 프리플렉스 보강보(2')에 균일하게 전달되도록 하고, 유압에 의하여 슬래브(1')가 상향처짐이 발생하지 않도록 유의 시공하여야 한다.

4) 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 정착

탄성 프리플렉스 보강보(2')의 양단과 기존구조물과의 정착은 특수제작된 앵커볼트(3)를 사용하여 정착시켜야 하며, 앵커볼트(3)와 콘크리트가 접하게 되는 부분은 앵커볼트 정착지압판(11)을 설치하도록 한다.

탄성 프리플렉스 보강보(2') 양단과 중앙점의 정착위치에는 기존 구조물과 정착기구와의 완전한 밀착을 통하여 정착효과를 높이고 에폭시를 사용한 경우에는 완전히 경화한 후에 인상장치(20)를 철수한다.

5) 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 설치상태

탄성 프리플렉스 보강보(2')의 양단 앵커정착위치에는 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 국부적인 찌그러짐을 예방하기 위하여 수직보강재인 좌굴방지재(6)를 설치한다.

미리 제작된 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 정확한 성능을 발휘하기 위하여서는 솟음량이 기존구조물과 수평으로 일체가 되어야 하므로 설치전 솟음량과 설치후탄성 프리플렉스 보강보(2')의 수평정도를 비교하여 시공정도를 판단한다.

다음으로 프리플렉스보강공법의 적용검토를위한 구조계산 예를 살펴보면 다음과 같다.

본 공업의 적용가능성과 문제점을 구체적으로 파악하기 위해, 국내에서 70-80년대 많이 적용했던 건설교통부(당시:건설부) "도로교상부구조표준도"에 실려있는 단순 슬래브교 3연속 슬래브교를 모델로 설정하여, 본 공법을 적용하였을때의 단면력과 철근응력 등의 변화를 조사하였으며, 여기에는 단순 슬래브교에 대한 내용을 예시하였다.

1 보강전

(1) 구조계산 대상 교량제원

(2) 단면제원은 도 7에 도시된 콘크리트 슬래브의 단면참조

(3) 재료상수

구조계산 대상 교량은 표준 도면의 단면제원과 재료의 물리적 성질을 사용하여 철근의 허용응력은를 적용하였고, 콘크리트설계 압축강도는를 구조계산시 적용하였다.

(4) 해석을 위한 제원

콘크리트 슬래브 교량의 차도폭이 약 9m(2차선)에 해당되므로 보강프리플렉스보 4본을 대략 등간격으로 배치하여 보강하는 것이 합리적이라고 하겠다. 그래서, 슬래브(1')를 횡방향으로 4등분하여 1/4개의 종방향 슬래브 대(strip)에 대하여 간략하게 해석해도 본 발명의 목적에 충분하다고 판단하였다. 해석에 사용한 단면제원 및 단면 성질은 다음 표와 같다.

(5) 작용하중

사하중은 횡단면에 아스팔트 단위중량으로 2.3, 콘크리트 단위중량으로 2.4를 사용하였다.

(6) 최대 단면력

사하중에 의한 1/4슬래브대의 최대 휨모멘트와 최대 전단력을 계산하면 다음표와 같으며, 도시하면 도 9a,9b와 같다.

2. 프리플렉스 보강공법의 적용

1) 보강량의 결정

위에서 정리한 해석결과를 주인장철근의 응력 관점에서 살펴보면, 총응력 732kg/㎠ 중에서 슬래브(1') 자중이 차지하는 응력이 485 kg/㎠으로 66%에 해당한다. 일반적으로 슬래브교에서 총설계하중에서 사하중이 차지하는 비율이 50-70%에 해당한다. 그래서, 여기서는 사하중에 의한 주철근 인장응력의 50%에 해당하는 양을 탄성 프리플렉스 보강보(2')가 분담하도록 가정하여 계산하였다.

이렇게 감소된 철근응력은 활하중을 저항하는데 사용할 수 있게 되기 때문에 결과적으로 그만큼 교량의 내하력이 증가된다.

앞에서 계산한 지간중앙의 사하중 모멘트가 69.2 tm이므로, 이 양의 1/2에 해당하는 모멘트는 34.6tm의 보강이 필요하다.

2) 프리플렉스 강재의 제원결정

보강용 프리플렉스 강재의 전 길이는 지점부근에서 작업공간 확보를 위하여교량 지간의 약(3/4)L(L:교량 순지간)에 해당하는 8m로 하는것이 합리적이라 판단된다. 그러면, 탄성 프리플렉스 보강보(2')가 분담하게 될 모멘트는 다음식과 같이 34.6tm 이므로

탄성 프리플렉스 보강보(2') 중앙에서 상향력()는 17.3 ton이 필요하게 된다.

탄성 프리플렉스 보강보(2')의 위치는 도 10과 같이 고정하중에 대한 최대 휨 모멘트를 나타내는 지간중앙위치와 보강보의 중심을 일치하도록 설치한다.

탄성 프리플렉스 보강보(2')로 사용될 강재는 SWS570을 사용하고, 허용휨강도의 대략 1/2정도(나머지 1/2은 보강후의 활하중에 저항할 수 있는 여분의 강도) 수준으로 앞에서 계산한 8m길이의 34.6ton의 모멘트를 저항하기 위해서는 대략 H-300x300x10x15 단면의 구조형강이 필요하게된다.

3)프리플렉스보의 솟음(camber)량 결정

앞에서 본 공법의 기본 원리를 설명한 바와 같이, 보강용 강재에 미리 솟음을 갖는 솟음량은 보강정도를 결정하는 매우 중요한 값이다. 보강 강재의 프리플렉스가 양단 앵커볼트(3)에 의해 직선으로 변형되면서 슬래브(1') 하부에 상향력을 발생시키는 원리이기 때문에, 앞에서 계산한 상향력 17.3 ton과 보강 강재 보의 길이 8m를 적용하여 탄성처짐량 계산식에 의해 소요 솟음량을 계산하면 다음식과 같다.

여기서, P = 17.3ton, L = 8m, E = 2.0 ×E6 kg/㎠, I = 20400을 적용하였다. 산정한 솟음량 4.52cm는 순수 탄성이론에 의해 계산된 값이고, 현실적으로 제작오차 국부적 변형, 기존 슬래브(1')의 프리플렉스 상향력에 의한 상향 처짐등에 의한 손실을 대략적으로 보완하고, 시공상의 편리를 고려하여 50mm로 결정하면 합리적이라 하겠다.

4) 프리플렉스보의 설치

보강용으로 사전 제작한 프리플렉스강재는 양단에 수직으로 배치하는 앵커볼트(3)에 의해 그림 9와 같이 설치한다. 본 실시예에서 소요 앵커볼트(3)는 길이가 긴 특성상 연강으로 된 강봉을 특수하게 제작하여 사용하여야 한다. 사용강봉의 허용인장을 1500kg/㎠이 된다. 따라서, 앵커볼트(3)의 소용 단면적은 다음식과 같다.

As,b = 8650/750 = 11.5 ㎠

기존 슬래브(1') 구체의 손상을 최소화하면서 시공성을 고려하여 직경 22mm 앵커볼트(3)를 적용한다면, 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 각 단에 4개의 앵커볼트(3)가 소요된다. 기존 슬래브(1')에 앵커볼트(3) 설치를 위한 천공작업시에는 정착을 위한 공차를 두고 천공을 해야하며, 수직이 유지될 수 있도록 주의하여 시공을 한다.

앵커볼트(3)의 정착으로 인한 보강용 강재 하부플랜지의 국부적 찌그러짐을 방지하기 위해서는 도 3과 같이 강재 단부에 수직 보강재인 좌굴방지재(6)를 설치해야 한다.

(5) 앵커볼트(3)의 앵커볼트 정착지압판(11)

기존 슬래브(1')의 상면에 앵커볼트(3)와 너트의 정착을 위해 앵커볼트 정착지압판(11)을 설치해야 한다. 이 앵커볼트 정착지압판(11) 아래의 콘크리트 응력은 3축압축상태이므로, 1축압축상태의 허용압축응력보다 훨씬 큰 값이 되지만, 여기서는 1축 압축상태의 허용압축용력을 허용지압강도로 가정을 하였다. 앵커볼트(3)에 의한 총 지압력이 8.65 ton이고, 보강 후에 작용하는 활하중에 대한 여유분을 고려하여 최대 지압응력을 허용지압응력의 약 1/2로 보면, 소요 지압면적은 206㎠이 산출된다. 따라서, 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 플랜지 폭이 30cm이므로 앵커볼트(3)를 정착하기 위한 앵커볼트 정착지압판(11)은 30x20 ㎠ 크기로 하고, 판 두께는 15mm 정도면 충분할 것이다.

(6) 프리플렉스 상향력의 손실

본 공법에서도 프리스트레스트 콘크리트와 같이 초기 프리스트레스 손실이 발생하며, 손실을 유발시키는 원인은 대략 다음과 같이 추정할 수 있다.

가) 프리플렉스 상향력 의한 슬래브(1')의 상향 처짐

도 10에 보인것과 같이 초기 프리플렉스 상향력 17.3ton에 의한 슬래브(1')의 상향처짐이 발생하여 그 만큼 손실이 발생한다. 구조계산에 의해 이 처짐량을 계산한 결과 약 1.6mm가 산출되었다. 이 값은 프리플렉스 상향력의 0.55ton 감소량에 해당하는 것으로서, 손실율은 3.2%에 해당한다.

나) 앵커볼트 정착지압판(11)의 변형과 지압응력에 의한 콘크리트 변형에 의한 손실

사용된 앵커볼트 정착지압판(11)의 변형은 판두께에 따라 달라진다. 본 실시예에서 실제 지압응력이 14.4kg/㎠ 정도이기 때문에 판의 변형은 무시할 수 있는 량이며, 또한, 이 지압응력에 의한 콘크리트 구체의 변형도 1/100mm단위로 충분히 무시할 수 있다고 하겠다.

다)앵커볼트(3)에 의한 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 하부 플랜지 변형에 의한 손실

탄성 프리플렉스 보강보(2')의 양단이 수직 스티프너인 좌굴방지재(6)에 의해 충분히 보강되어 있다면, 플랜지의 변형은 무시할 수 있을 정도로 적을 것이다.

결과적으로, 프리플렉스 상향력의 손실율은 위에서 언급한 내용외에 다른요인을 포함한다고 할지라도, 총 5%를 초과하지 않으리라 판단된다.

(7) 전단연결재 설계

탄성 프리플렉스 보강보(2')로 보강후에 차량하중이 재하되면, 이 활하중은 기존 슬래브(1')와 보강 강재가 서로 분담하게 된다. 이때 슬래브(1')와 탄성 프리플렉스 보강보(2')가 전단연결재에 의해 충분히 합성되어 있다면, 합성작용에 의해 활하중을 효과적으로 저항한다. 반면에 전단열결제를 설치하지 않는다면, 슬래브(1')와 탄성 프리플렉스 보강보(2')가 비합성상태에서 활하중을 저항하게 된다.

도로교표준시방서에 따라 전단연결재를 계산해보면, 8m 전장의 보강재 상부 플랜지에 직경 22mm의 스터드가 20cm 간격의 2열 배치된 총 40개가 필요하게 된다.

현실적으로, 위와 같은 전단연결재를 설치한다는 것은 슬래브(1') 구체의 손상, 기존 인장철근의 손상등의 해로운 영향 뿐만아니라, 실제 설치하기도 상당히 어려우며, 설치한다 하더라도 완전한 기능을 발휘하리라고 기대하기는 어렵다고 생각된다. 그래서 전단연결재를 설치않은 비합성상태로 활하중에 저항하도록 하든지, 또는, 합성보와 비합성보의 차이만큼에 해당하는 보강량을 더 증가시켜서 동일한 보강효과를 기대하는 것이 더 합리적이라고 판단된다.

(8) 교량과 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 연결방법

교량과 탄성 프리플렉스 보강보(2') 양단의 고정점은 고장력 앵커볼트(3)가 관통하여 체결될 수 있도록 천공기로 관통을 시킨 후에 탄성 프리플렉스 보강보(2')와 구조물을 고정시킨다. 교량 상부 아스콘이 있던 부위는 무수축 에폭시 몰탈을 타설하여 물이 스며들지 않도록 방수처리하며, 관통구멍과 관통 앵커볼트(3) 사이는 에폭시로 충진하는데 일반적인 주입법으로는 완전하게 주입되지 않으므로, 특수 제작된 도 6과 같은 앵커볼트(3)를 사용하여 주입공극을 메워야한다. 특수 앵커볼트(3)는 머리부분을 관통하여 앵커볼트(3) 중앙부위로 에폭시가 충진되도록 고안하여 제작한 것으로 이는 천공 콘크리트면 사이에 에폭시의 완벽한 충진효과를 기대할 수 있게 고안되었다.

탄성 프리플렉스 보강보(2') 중간 위치에서 구조물과는 앵커볼트(3)를 사용하여 구조체와 일체화 시킨다. 구조물과 관통앵커볼트(3) 체결작업이 완료되면 하부인상장치(20)를 철거하여 에폭시 주입상태를 확인하여 일체여부를 재확인한다. 마무리 작업은 도장작업 및 보호캡 작업으로 구조물 하부에 손상 및 부식방지를 위해 녹 발생우려 부위에 그리스를 바르고 강재보호 박스를 제작하여 마무리한다.

3. 프리플렉스보강후 단면력의 변화는 다음표 및 도 11과 같다.

단순 슬래브(1') 1/4대에 대한 프리플렉스 보강을 한후 사하중에 대한 보강전후의 단면력의 변화를 비교하여 보면, 탄성 프리플렉스 보강보(2')가 지간중앙 사하중에 의하여 발생된 휨모멘트의 50%를 분담하도록 보강을 한 결과, 지간 중앙에서의 휨 모멘트에 대한 보강은 탄성 프리플렉스 보강보(2')가 50%를 분담하는것으로 나타났다. 기존 구조물에 프리플렉스의 작용은 지간중앙에서는 상향력을 나타내며, 보강 강재 양단에서는 하향력을 작용하게 된다. 보강재 양단의 위치에서는 기존 전단력으 50% 감소를 보이고, 기간중에서는 상향력에 의하여 전단력(8.6ton)이 발생을 하였으나, 그 발생정도는 콘크리트 슬래브(1')교에서는 큰 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.

[실시예2]

슬래브 교량의 연장 35.95m인 블록1과 연장 35.95m인 블록2의 현장조사 및 구조 안정 검토를 실시한 결과 당초 구조 계산서에 의하면 상부구조 슬래브의 정모멘트 구간에 주철근이 D32 ⓐ10cm 로 배근하도록 되어 있으나, 시공은 D29 ⓐ15 cm로 시공되어 있다.

이 슬래브교량에 대하여 본 발명의 탄성 프리플렉스 보강공법에 따라 다음과 같은 구체적인 보강공법을 실시하였다.

보강방법의 작업 난이도 및 보강효과 측면에서 다른 타공법보다 우수하고 사하중 철근의 하중 응력이 1401 kg/㎠로 시방서의 허용응력 1500 kg/㎠에 거의 육박하는 상태로서 활하중에 저항하는 여유분이 100kg/㎠ 밖에 되지않는 실정이어서 구조물의 안정성과 사용성을 만족 시키는 보강방법을 강구하던중 적극적인 방법 즉, 활하중에 의한 인장응력 감소 뿐만 아니라 사하중에 의해 현재 발생되어 잇는 사하중 응력을 감소시키는 방법이 포함되어있는 본 발명의 공법을 실행하게 된 것이다.

사용 탄성 프리플렉스 보강보(2')는 단면:300 ×300 ×10 ×15인 H형 빔이고, 전길이 8.7 M, 단면2차 모멘트 20,400, 탄성계수 2.0 E 06kg/㎠, 사용재질 SWS 520, 허용응력 2100 kg/㎠이다.

그리고, 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 허용 모멘트는 다음식과 같이 계산되었다.

4) 캠버량 결정

여기서, 처짐 5.62cm는 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 초기 캠버량임.

안전진단결과 탄성 프리플렉스 보강보(2')의 초기 솟음량 5.62 cm 를 주어 구조체 하부에 탄성영역 한계에서 부착시켜 보강할 경우 2P = 16.72 ton (지간 중앙에 작용해야 하는 하중크기) 탄성 프리플렉스 보강보(2') 에 의해 보강 받게 된다.

프리플렉스에 의한 보강방법은 프리플렉스에 의한 사하중 응력의 감소와 활하중에 대한 단면강성의 증가가 가장 큰 효과라 할 수 있다. 즉 프리플렉스에 의한 상향력은 사하중 크기를 감소시키는 역할을 하며 지점앵커와 지간 중앙부에서 전단연결재 기능의 앵커를 이용하여 탄성 프리플렉스 보강보(2')을 슬래브(1')에 고정시킴으로서 슬래브(1')와 H빔의 합성작용에 의한 강성증가는 활하중에 의한 응력의 크기를 감소 시키는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 사하중에 의한 휨 응력을 인장철근과 탄성 프리플렉스 보강보가 분담하게 하여 사하중에 대한 보강으로 활하중에 대한 저항능력을 증대시키는 이점이 있으며, 노후된 교량의 슬래브를 간편한 방법으로 시공하여 내하력을 증대시킴으로써 사용수명을 연장하여 장기간 안전하게 사용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 구조체의 보강하고자 하는 영역에 따라 설정되는 캠버를 갖도록 벤딩되어 형성된 탄성 보강재를 상기 구조체의 하부에 접촉시키고, 상기 탄성 보강재가 펴지도록 양단부를 가압하여 밀어 올린 후, 상기 구조체와 탄성 보강재를 결속하여, 구조체의 내하력을 증가시킴을 특징으로 하는 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구조체의 보강하고자 하는 영역에 따라 설정되는 캠버와 체결을 위한 볼트공을 갖도록 탄성 프리플렉스 보강보를 제작하는 제작단계와, 상기 구조체에 체결을 위한 관통공을 형성하는 천공단계와, 상기 탄성 프리플렉스 보강보의 중간부를 상기 구조체의 하부에 밀착시키는 밀착단계와, 상기 탄성 프리플렉스 보강보가 펴지도록 양단부를 인상장치로 밀어 올리는 인상단계와, 상기 구조체의 관통공과 탄성 프리플렉스 보강보의 볼트공에 볼트를 삽입하여 너트로 체결하는 체결단계와, 상기 인상장치를 철수시키는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 구조체와 탄성 프리플렉스 보강보를 균일하게 밀착시키기 위하여 상기 인상장치를 상기 탄성 프리플렉스 보강보의 양단 하부에 각각 수평으로 설치하고, 원형 강관 받침대, 유압잭, 메인 펌프, 간격 지지강재 및 침하방지강재의 순서로 구조체의 높이에 따라 배치한 후, 상기 메인 펌프에 부착된 유압 게이지에 의해 가압량을 측정하면서 상기 탄성 프리플렉스 보강보의 양단부를 인상함을 특징으로 하는 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 구조체의 상면에 적층된 아스콘을 깨낸 작업면에 앵커볼트 정착지압판을 재치시키고, 이 앵커볼트 정착지압판에 형성된 볼트공을 통하여 상기 탄성 프리플렉스 보강보를 체결하기 위한 볼트를 삽입하며, 상기 아스콘이 있던 작업면에는 에폭시 콘크리트층을 형성하여 방수처리함을 특징으로 하는 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 구조체의 관통공에 상기 볼트를 삽입한 후, 상기 볼트의 수직 주입공과 수평 주입공으로 에폭시를 주입하여 상기 슬래브의 관통공의 내주면과 상기 볼트의 외주면 사이에 상기 에폭시를 충진시킴을 특징으로 하는 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 밀착단계에서 상기 구조체의 중간부에 형성된 고정공에 상기 탄성 프리플렉스 보강보의 중간부에 고정된 세트 앵커볼트를 삽입하여 고정하는 중간부 고정단계를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성 프리플렉스 보강보는 원호형으로 벤딩된 것임을 특징으로 하는 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성 프리플렉스 보강보의 양단부에 플랜지의 좌굴을 방지하기 위한 좌굴방지재를 개재하고 상기 볼트를 체결된 것을 특징으로 하는 탄성빔을 이용한 구조물 내하력 증진 보강공법.