KR20010088998A - 가설교량 주거더에 있어 편향부를 이용한 프리스트레스트콤팩트 거더의 시공법과 그 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 편향부(Deviator)(16)가 설치되어있고 프리스트레스(prestress)를 도입한 교량 거더에 관한 것이다. 본 발명은 주로 도로교나 보도육교 등의 교량빔으로 적합하고 기타 건축물의 보나 지붕도리로 이용될 수 있는 것으로서, 편향부(16)를 이용한 효과에 의해 기존의 거더와 비교하여 부피와 무게를 줄이고 특히 슬림화와 장경간화 그리고 외력에 대한 내하력(하중에 견디는 힘)을 향상시킨 편향부를 이용한 프리스트레스트 콤팩트 거더(CPX;Compact Prestress Expanding girder)이다.

본 발명은 편향부(Deviator)(16)를 거더의 하단에 볼트에 의해 고정하여 그 하단부에 인장력이 도입된 강현부재를 지탱시켜 외부하중 작용 시 굽힘응력을 보다 안전하게 받아줄 수 있으며, 활하중이 재하되기 전 단계에서는 강현부재의 프리스트레싱에 의해 강현부재와 편향부 하단면 사이를 적정변형(처짐)량에 대비한 만큼 띄워 놓아 외부 하중에 의해 적정량의 변형(처짐)이 발생했을 시에 편향부와 접촉함으로서 강현부재가 더 큰 인장력을 받아서 프리스트레스 효과를 높이는 것을 특징으로 하는 편향부를 이용한 프리스트레스트 콤팩트 거더(CPX;Compact Prestress Expanding girder)이다.

상기의 편향부가 강현부재와 닿는 하단면은 강현부재가 그 축방향의 하중을 받을 수 있는 상태에서의 최소 곡률반경에 맞춰서 말발굽 형상으로 설계되어짐으로서 안전성을 확보하고 있다.

편향부의 설치에 의한 효과를 편향부 없이 프리스트레스를 도입하는 경우와 비교하면 결론적으로는 편향부가 있는 경우, 같은 크기의 부재와 같은 크기의 외부하중 하에서, 편향부가 없는 구조재 본체에 비해 내하력(하중에 견디는 힘)이 3∼4할(30∼40%) 정도 증가하게 된다. 이에 대한 정량적 비교는 [첨부1]에 첨부하였다.

Description

가설교량 주거더에 있어 편향부를 이용한 프리스트레스트 콤팩트 거더의 시공법과 그 구조 {COMPACT PRESTRESS EXPANDING GIRDER}

본 발명은 편향부(Deviator)(16)를 두고 프리스트레스(prestress)를 도입하는 강재보(Steel Beam)(10)로서 도로교나 보도육교 등에 적합하며 기타 건축물의 보나 지붕도리 등에도 활용이 가능하다.

기존의 도로교나 보도육교 등의 교량용 빔에는 일정 형상의 단면을 가진 압연철강재인 형강이나, 그 형강 및/또는 강판을 이음재료로 조립한 조립빔(built-up beam) 또는 조립상자형빔(built-up box beam)이 사용되었다.

이러한 교량용 빔은 상부에 작용하는 고정하중과 차량이나 군중에 의한 활하중에 의해서 빔의 중앙부분이 수직하중에 의해 아래로 휘는 방향의 힘을 받게 되는데 이러한 힘에 의해 아래로 휘는 변형이 기준 이상으로 발생되면 교량전체가 붕괴될 소지가 있으므로 그 수직 하중에 대한 충분한 내하력(외부하중에 버티는 힘)을 보유하도록 설계될 필요가 있다.

기존의 교량용 빔은 이러한 하중에 대한 내하력을 높이기 위해 재료 자체의 두께나 수직하중이 작용하는 방향으로 그 높이를 증가시켜 왔으며, 또는 하중이 집중하는 부분에 보강리브를 용접하여 사용하여 왔다. 그리고 필요시에는 빔 상부에 콘크리트 바단판을 일체화시켜 내하력을 증가시켜서 사용하여 왔다.

또 이보다 최근에 보수 보강에 쓰이는 내하력 증가를 위한 방법으로 기존 교량용 빔에 프리스트레스(prestress)를 빔의 하부에 도입하여 내하력을 증가시키는 공법을 사용하여 왔다. 그러나 본 발명과 같이 프리스트레스를 도입하는 강현부재(14,14')와 빔(girder)(10)의 사이에 편향부(Deviator)(16)를 설치하여 굽힘강도에 대응하는 내하력의 증가를 극대화시키지는 않았다.

상기의 기존 방법과 같이 재료 자체의 두께나 높이를 증가시키는 방법 또는 보강리브를 용접하는 방법에 의하면, 재료비가 증가할 뿐 아니라 무게와 부피가 증가하여 운반 및 시공시의 취급이 어려워 물류비 및 시공비를 증가시키는 주된 요인이 된다.

또한 재료 자체의 두께나 높이를 증가시키거나 보강리브를 용접하여 높일 수 있는 강도에는 한계가 있으므로, 큰 하중을 감당하여야 하는 경우에 빔의 길이를 짧게 하거나 별도의 구조물을 시공하여야 한다. 따라서 이 경우에 교각의 수를 늘려야 하고 별도의 구조물을 추가 시공하여야 하므로 건설비가 크게 증가하는 문제가 발생한다.

이러한 문제점들은 비단 교량용 빔에서뿐만 아니라 각종 건축물이나 기계의 골격을 이루는 철골구조물에 있는 슬래브용 보에서도 마찬가지일 것이며, 또한 일방향의 횡하중이나 전단력이 작용하는 기둥이나 벽체의 경우에도 유사하게 나타나고 있는 실정이다.

상기 기존 방법 외에도 빔의 내하력을 높이기 위해 보수 보강에 간혹 쓰이고 있는 프리스트레스의 도입은 부재의 치수를 키우기 보다 외력에 대한 내하력이 향상되도록 압축응력과 인장응력이 작용되어 있는 프리스트레싱을 이용한 방법이나 본 발명과 같이 편향부(Deviator)를 설치하여 그 효과를 활용하지는 않은 방법이다.

본 발명의 목적은 재료 자체의 두께나 높이를 증가시키거나 보강리브를 용접하는 종래의 방법에 의한 보강의 한계점을 넘어서 한층 더 강도를 높일 수 있으며구조물 사양에 따라 강도의 조절 및 설계가 용이하도록, 외부에서 압축응력을 미리 작용시키는 프리스트레싱(prestressing)의 방법에 편향부의 효과를 추가함으로서 외력에 대한 내하력을 향상시킨 편향부를 이용한 프리스트레스트 콤팩트 거더를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 아울러 충분한 강도를 보유하면서도 부피가 작고 가벼우며 특히 슬림화(slim)되거나 장경간을 갖는 장력강재보를 제공하려는 것이다.

도 1은 본 발명을 적용하여 편향부(16)를 이용한 프리스트레스트 콤팩트 거더를 보인 사시도.

도 2는 본 발명 중 편향부(Deviator)(16)의 부분확대 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 구조재 본체(H형강, I형강) 11 : 웨브(web)

12 : 상부 플랜지(강판부재) 13 : 하부 플랜지(강판부재)

14,14' : 강현부재(강봉) 15,15' : 고정구(정착구)

16 : 편향부(Deviator)

20 : 편향부(Deviator) 21 : 상판부재(강판구조재)

22 : 편향부 기둥부재(H형강) 23 : 이탈 방지 부재(강판부재)

24 : 곡선부재(강판구조재)

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 구조재의 본체(10)에 강봉(14,14')을 사용하여 외부하중에 의한 휨의 변형방향에 대항할 수 있도록 압축응력 및 인장응력을 외부하중의 반대 방향으로 사전에 작용시켜 그 내하력을 높일 수 있다는데 착안, 구조재 본체(10)와 이 구조재 본체의 길이방향에 있는 정착구(15,15')에 고정 연결되어 그 양단측에서 상호 안쪽으로 잡아당겨지도록 긴장된 적어도 하나의 강현부재(14,14')와, 이 적어도 하나의 강현부재를 그 긴장된 상태에서 활모양으로 지탱하는 지지수단(편향부;Deviator)(16)을 포함하여, 상부에서 가해지는 외력에 대한 내하력을 높이기 위한 압축응력 및 인장응력이 미리 작용되어 있는 프리스트레스를 도입한 강재보를 구성하였다.

상기한 구조재 본체(10)에 편향부(16)와 강현부재(14,14')를 도입하는데 있어 본 발명에서는 조립식 장력강재보의 이점을 살리기 위해 편향부의 설치시에 편향부는 볼트(Bolt)에 의해 빔의 하부에 정착을 하게 되며 이때 편향부 설치를 위하여 주빔의 하부플랜지(13)에 뚫는 구멍에 의한 손실을 고려하여야 한다. 편향부에서는 변형(처짐)발생시 강현부재와의 접촉에 의한 수직의 힘만을 받으므로 편향부 자체의 무게만을 버틸 수 있는 볼트가 필요하므로 구멍의 수는 많지 않게 되며 또 여기에 사용하는 볼트 역시 고장력 볼트를 사용하여 편향부의 상부판(21)과 빔 하부 플랜지(13)를 압착시켜 거의 일체로 거동하게 하므로 빔 하부 플랜지(13)의 강성에는 문제가 없다.

또 빔에 하중이 작용시에 편향부 위치에서는 하중의 크기에 비례한 하향의 변형(처짐)이 발생하게 되며 이에 의해 편향부(16)의 하단이 강현부재(14)와 닿게 된다.

편향부와 강현부재는 교량의 사용 상태 하에서 차량이나 군중에 의한 활하중이 작용하기 전에는 띄워놓고 활하중에 의한 일정 변형이 발생하여 편향부와 강현부재가 닿았을 시에는 팽팽히 긴장되어 있는 강현부재가 더 늘어나려는 성질에 의해 더 많은 프리스트레스를 도입한 것과 같은 효과가 생기게 되고 외부 하중에 대항한 응력이 생기게 된다. 설계시에 사용 변형(처짐) 하에서 강현부재에 작용하는 응력이 강현부재의 최대 용량에 못 미치게 설계를 하여 추가로 발생 가능한 변형에 대해서도 강현부재가 거더보다 먼저 파괴에 도달하지 않도록 설계하여 안전하게 된다.

또 편향부(16)가 강현부재(14,14')와 닿는 부분은 말발굽 형상을 하고 있는데 이의 곡률 역시 강현부재의 성질에 따라 설계 제작되어진다. 강현부재가 휘어서도 축방향의 인장되는 힘을 견딜 수 있는 최소의 곡률반경에 맞추어 편향부의 곡률(24)은 정해지게 된다.

상기한 구조재 본체는 기존의 H형강 I형강 등의 형강재나 강판재를 그대로 또는 변형된 제작빔(Built-up Beam)을 사용할 수 있으며, 또한 그 형강재나 강판재 또는 제작빔을 이음재료로 조립한 조립빔이나 조립상자형 빔을 사용할 수 있다.

이상의 실시예에서 설명된 바와 같이 본 발명에 의하면, 교량빔이나 각종 구조물의 철골 구조재에 대하여 강현부재를 이용, 압축 및 인장응력을 작용시켜 외력에 대한 내하력을 증가시키므로, 동일하중에 대하여 기존에 쓰이고 있는 구조재 본체의 두께와 높이 등을 크게 줄일 수 있는 한편, 동일 두께와 높이로 할 때 훨씬 높은 강도를 보유하면서도 장경간화가 가능한 구조재 또는 구조물을 제공할 수 있게 된다.

또 편향부 없이 프리스트레스를 도입하는 경우와 비교하여도 결론적으로는 편향부가 있는 경우, 같은 크기의 부재와 같은 크기의 하중 하에서, 편향부가 없는 구조재 본체에 비해 내하력(하중에 견디는 힘)이 3∼4할(30∼40%) 정도 증가하게 된다. 이에 대한 정량적 비교는 [첨부1]에 첨부하였다.

따라서 본 발명에 의하면, 철골구조재의 재료비를 절감하는 동시에 부피와 무게의 감소를 통해 그 운반 및 시공을 위한 취급이 용이한 효과가 제공된다. 특히 본 발명은 슬림화된 교량빔을 제공함으로서 입체교차로 등의 높이를 낮출 수 있게 되므로 시공비를 크게 절감하는 효과가 제공되는 것이다.

한편, 동일 구조재 본체의 두께와 높이를 기준으로 하면 훨씬 높아진 강도를 보유하므로 구조물의 안정성을 높일 수 있게 되며, 뿐만 아니라 교량빔의 경우 그길이를 더 연장시킬 수 있게 되므로 교각의 수를 줄일 수 있는 등 건설비를 획기적으로 절감할 수 있는 것이다.

Claims (5)

1. 구조재 본체(10)와 이 구조재 본체의 길이방향에 있는 정착구(15,15')에 고정연결되어 그 양단부가 상호 안쪽으로 잡아당겨지도록 긴장된 적어도 하나의 강현부재(14,14')의 중앙부를 활모양으로 지탱하는 지지수단(편향부)(16)을 이용하여 프리스트레싱에 의한 압축 및 인장응력이 미리 작용되어 있는 편향부를 이용한 프리스트레스트 콤팩트 거더.
2. 제 1항에 있어서, 상기 구조재 본체(10)에 별도의 지지부재(편향부)(16)를 늘어 뜨려서 볼트에 의해 고정하고 그 지지부재의 하단부가 상기 강현부재(14,14')를 지탱하여 외부하중 작용시 굽힘응력을 보다 안전하게 받아줄 수 있음을 특징으로 하는 편향부를 이용한 프리스트레스트 콤팩트 거더.
3. 제 1항에 있어서, 강현부재(14,14')와 닿는 지지부재(16)의 하단면(24)의 형상이 강현부재가 하중을 받을 수 있는 상태에서의 최소 곡률반경에 맞춤을 특징으로 하는 편향부를 이용한 프리스트레스트 콤팩트 거더.
4. 활하중이 재하되기 전 단계에서 강현부재(14,14')의 프리스트레싱에 의해 강현부재와 지지부재 하단면(24) 사이를 적정 변형(처짐)량에 대비한 만큼 띄워 놓은 것을 특징으로 하는 편향부를 이용한 프리스트레스트 콤팩트 거더.
5. 제 4항에 있어서, 외부의 하중에 의해 적정량의 변형(처짐)이 발생했을 시에 강현부재(14,14')가 지지부재(16)에 의해 더 큰 인장력을 받아서 프리스트레스 효과를 높이는 것을 특징으로 하는 편향부를 이용한 프리스트레스트 콤팩트 거더.