KR20020026775A - 온도프리스트레싱을 이용하여 제작된 강뼈대 구조물 및그의 시공방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

온도프리스트레싱을 이용하여 제작된 강뼈대 구조물 및 그의 시공방법

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 요지

본 발명은 강뼈대 구조물의 가설단계에서 인위적인 온도구배를 부여하였다가 현장이음 체결 후, 온도구배를 제거함으로써 사하중과 활하중에 의해 발생하는 응력과 반대되는 응력을 강뼈대 부재가 미리 갖도록 온도를 이용한 프리스트레스를 도입하는데 그 목적이 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 온도구배를 가하지 않은 강뼈대 부재를 설치하는 단계; 필요한 구간의 강뼈대 부재 단면에 온도구배를 가지도록 열원을 제공하는 단계; 상기 제공된 열원에 의해 온도구배를 가지는 강뼈대 부재의 현장이음을 수행하여 부정정 구조체로 거동하게 하는 단계; 및 상기 인위적 온도구배를 제거함으로써 상기 강뼈대에 사하중(고정하중)과 활하중(적재하중)에 의한 단면력과 반대되는 단면력이 발생되도록 온도프리스트레싱을 도입하는 단계를 포함한다.

4. 발명의 중요한 용도

온도응력을 이용하여 강뼈대 구조물에 사하중 및 활하중에 의해 발생하는 응력을 부분적으로 상쇄시킬수 있도록 하는 온도프리스트레싱 공법을 개발하는 것임.

Description

온도프리스트레싱을 이용하여 제작된 강뼈대 구조물 및 그의 시공방법{Construction Method of Thermal Prestressed Rigid Frame Structures.}

본 발명은 온도프리스트레싱 공법을 이용하여 강뼈대 구조물에 작용하는 부(-)의 휨모멘트 및 정(+)의 휨모멘트를 개선한 강뼈대 구조물 및 그의 시공방법에 관한 것으로, 특히 강뼈대 구조물의 일부 구간에 시공단계에서 한시적으로 인위적인 온도구배를 부여하고, 현장이음을 체결한 후 제거하여 이때 발생하는 단면력으로 사하중(고정하중) 및 활하중(적재하중)에 의한 단면력의 일부를 상쇄하여 구조물의 전체 거동을 개선하는 온도프리스트레싱을 이용하여 제작된 강뼈대 구조물 및 그의 시공방법에 관한 것이다.

토목이나 건축 분야에서 구조용 재료로 이용하는 강재는 강도가 높고 가공성이 우수하며 경제성이 뛰어나므로 구조물에 많이 사용되고 있다. 이러한 구조용 강재의 거동을 개선하기 위한 공법이 제시되고 있으나, 온도프리스트레싱을 이용한 거동 개선공법은 현재까지 제시되지 않고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 강뼈대의 거동을 개선하기 위하여 안출된 것으로써, 강뼈대 부재의 조립단계에서 일부 구간에 한시적인 온도구배를 부여하여 강뼈대 부재에 변형을 일으킨 후, 조립이 완성된 후 온도구배를 제거하여 사하중(고정하중) 및 활하중(적재하중)으로 인해 발생하는 응력에 반대되는 응력을 미리 도입하여 강뼈대 부재 단면의 상하부 플랜지에 작용하는 인장 및 압축응력을 감쇄시키는, 온도프리스트레싱 공법을 이용하여 제작된 강뼈대 구조물 및 그의 시공방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 간단한 장비구성으로 온도프리스트레싱 공법을 이용하여 제작된 강뼈대구조 및 그의 시공방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

도1a 및 도1b는 일반적인 강뼈대 부재의 단면 및 인위적으로 도입한 온도구배를 나타낸 모식도

도2는 본 발명의 인위적인 온도구배를 부여한 강형을 조립대 위로 운반하는 과정을 나타낸 모식도

도3은 인위적인 온도구배를 부여하여 변형된 상태에서 현장이음을 체결했을 때 구조시스템의 형상을 나타낸 모식도

도4는 강뼈대 부재의 현장이음 체결을 완료한 후, 온도구배를 제거하였을 때 발생하는 변형을 나타내는 모식도

도5는 본 발명에 의한 강뼈대 구조물에 적용이 가능한 강부재 단면을 나타낸 모식도

도6a 내지 도6d는 도5에 도시된 강뼈대 부재 단면에 온도구배의 적용에 따른 형태를 나타낸 모식도

도7은 본 발명에 의한 강뼈대 구조물에서 온도구배 발생장치의 실시 예시도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 강거더, 2: 히터, 3: 온도측정센서, 4: 차양막

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 온도구배를 가하지 않은 강뼈대 부재를 설치하는 제 1 단계; 필요한 구간의 강뼈대 부재 단면에 온도구배를 가지도록 열원을 제공하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 제공된 열원에 의해 온도구배를 가지는 강뼈대 부재의 현장이음을 수행하여 부정정 구조체로 거동하게 하는 제 3 단계; 및 상기 제 3 단계 수행후 상기 인위적 온도구배를 제거함으로써 상기 강뼈대에 사하중(고정하중)과 활하중(적재하중)에 의한 단면력과 반대되는 단면력이 발생되도록 온도프리스트레싱을 도입하는 제 4 단계를 포함하는 강뼈대 구조물의 시공방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 강뼈대 구조물의 시공방법에서 강뼈대 부재에 온도구배를 발생시키는 장치는, 상기 강뼈대 부재에 설치되며 강뼈대 부재를 연결하여 체결이 완료될 때 까지 인위적인 온도구배를 부여하도록 열원을 제공하는 수단; 상기 강뼈대 부재에 장착되며 상기 열원제공 수단으로부터 설정된 온도구배가 유지되도록 제공되는 열원에 의해 변화되는 온도를 감지하여 출력하는 온도감지수단; 및 상기 온도감지수단의 신호를 인가받도록 연결되어 있으며 상기 강뼈대 부재의 연결이 완료될 때 까지 상기 강뼈대 부재에 소정 크기의 인위적 온도구배를 유지하도록 제어하는 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 강뼈대 구조물에서, 강뼈대 부재의 조립단계에서 일부 구간에 한시적인 온도구배를 부여하여 강뼈대 부재에 변형을 일으킨 후, 강뼈대 부재의 조립이 완성된 후 온도구배를 제거하여 사하중(고정하중) 및 활하중(적재하중)으로 인해 발생하는 응력에 반대되는 응력을 미리 도입하여 강뼈대 부재의 상·하부 플랜지에 작용하는 인장 및 압축응력을 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 강뼈대 구조물의 설계 및 시공법을 제공한다.

이하, 첨부된 도1 이하의 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

강뼈대 부재를 현장에 거치하고 현장이음을 하기 전에, 도1(a)와 같은 강부재 단면을 갖는 외부구속이 없는 강뼈대 부재의 일부구간에 열원을 이용하여 가열하여, 도1(b)와 같은 온도구배를 발생시키면, 강부재에는 무응력 상태의 변형이 일어난다.

상기의 강재 블록의 설치과정은 도2와 같으며, 상기의 변형이 발생한 상태를 유지시키면서 강재 블록을 현장이음으로 조립하면, 구조시스템은 열응력이 작용하지 않은 상태에서 도3과 같은 변형상태를 가진다.

상기의 현장이음이 완료된 후, 열원을 제거하면 강뼈대 구조물에는 도4와 같은 상향의 변형이 발생하는데, 이때에는 강뼈대 부재의 변형을 중간의 기둥에서 구속하여 강뼈대 구조물 전체에 프리스트레싱 효과의 응력이 발생하게 되며, 이때 발생하는 응력은 상기 강뼈대 구조물의 완성 후 사하중(고정하중) 및 활하중(적재하중) 등으로 인해 발생하는 응력을 감쇄시킬 수 있는 특징이 있다.

본 실시 예에서는 상기 강뼈대 부재 단면이 10℃∼100℃의 온도구배를 가지도록 조절한 예를 제시하고 있다. 이때, 상기 강뼈대 부재 단면의 상단부가 가지는 상온은 대기온도에 의해 강뼈대의 상부플랜지가 유지하는 온도를 의미하며, 도1에 예시된 상기 강뼈대 부재 단면에 작용하는 온도구배는 상기 강뼈대 부재 단면의 상단부와 하단부의 온도차이만을 나타내는 온도구배이다.

한편, 본 실시예에서는 상기 강뼈대 구조물의 경우에는 도5에 도시된 바와 같이 I-형 단면으로 한정한 예를 제시하고 있지만, 이에 국한하는 것은 아니며 경우에 따라 H-형 단면이나 기타 강부재 단면을 이용할 수도 있으며, 온도프리스트레싱이 도입된 강뼈대의 거더들에는 합성형 바닥판이나 비합성형 바닥판이 설치될 수 있다. 또한, 인위적 온도구배를 적용하지 않는 뼈대구조의 부재에는 어떠한 형식이나 형상의 부재도 이용될 수 있다.

상기 도5에 도시된 강형 단면은 필요에 따라 도6a 내지 도6d에 도시된 바와 같은 온도구배를 가질 수 있다.

한편, 상기 강부재 단면에 온도구배를 부여하기 위한 본 발명의 온도구배 발생 장치는 도7에 도시된 바와 같다.

도7은 전열선에 의한 히터를 이용하여 강부재 단면에 온도구배를 부여하는 장치를 나타낸 것으로, 도면에 도시된 바와 같이 상기 강부재(1)에 부착 설치되어 체결이 완료될 때까지 온도구배를 부여하도록 열원을 제공하는 히터(2)와, 상기 강부재(1)에 장착되며 히터(2)로부터 제공되는 열원의 온도가 설정된 온도구배가 되도록 조절하는 온도측정센서(3)와, 상기 온도측정센서(3)의 신호를 인가받을 수 있으며 상기 강뼈대 부재가 체결이 완료될 때까지 소정 온도구배를 유지하도록 제어하는 콘트롤러로 구성된다. 여기서, 상기 히터(2)는 하부플랜지와 복부판 그리고 상부플랜지중 적어도 한 부위를 가열점으로 하여 배치하며, 필요에 따라 상기 강부재(1)에 제공되는 온도가 외부 대기온도로부터 영향을 받지 않도록 상기 강부재(1)의 둘레에 보온단열재를 설치할 수도 있다. 또한, 필요에 따라 차양막(4)을 설치하여 태양복사열에 의해 다른 온도분포를 갖지 않도록 한다.

상기와 같이 소정 가열장치를 이용하여 강뼈대 부재의 일부구간에 온도구배를 부여함으로써 상기 구조물에 유리한 단면력이 형성되도록 하는 강뼈대 구조물의 시공방법을 일반적인 뼈대구조물을 대상으로 설명하면 다음과 같다.

도2와 같이 열원을 가하지 않은 강뼈대 부재를 현장에 거치한 후, 강뼈대 부재의 일부 구간에 열원을 제공할 수 있는 히터를 필요한 온도구배에 따라 설치한 후 열원을 제공하되, 도6에 도시된 예시와 같이 필요한 온도분포를 가지도록 온도조절 콘트롤러를 이용하여 열원온도를 조절하면서 상기 강뼈대 부재의 단면에 온도구배를 부여한다.

그리고, 상기의 강뼈대 부재의 단면에 필요한 온도구배가 형성되면 강뼈대 부재의 조립을 완료하고, 상기 강뼈대 부재에 인위적으로 제공하였던 열원을 제거하면 온도구배가 역으로 형성되는 효과에 의해 강뼈대 구조물에 열변형과 그에 따른 응력이 발생하게 되는데, 경간 중앙부 및 단부에서 사하중(고정하중) 및 활하중(적재하중)으로 인해 발생하는 응력에 반대되는 응력이 도입되므로 강뼈대의상하부 플랜지에 작용하는 인장 및 압축응력을 감쇄시킬 수 있는 효과가 있다.

상기와 같이 시공을 완료함으로써 강뼈대 구조물의 정모멘트부 및 부모멘트부는 사하중(고정하중) 및 활하중(적재하중)에 의해 발생하는 응력과 반대되는 프리스트레싱을 미리 갖게 되며, 이는 구조시스템이 수명을 다하거나 현장이음부을 해체하지 않는 시점까지 유지하게 되는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 본 발명에 따르면, 강뼈대 구조물의 조립단계에서 강뼈대 부재의 현장이음을 하기 전에 인위적인 온도구배를 부여하여 변형을 유발하였다가, 강뼈대 부재의 현장이음을 체결한 후 인위적으로 제공하였던 열원을 제거하면 온도구배가 역으로 형성되는 효과에 의해 구조시스템에는 변형과 응력이 발생하게 되는데, 경간 중앙부 및 단부에서 사하중(고정하중) 및 활하중(적재하중)으로 인해 발생하는 응력에 반대되는 응력이 도입되므로 강뼈대 부재 단면의 상하부 플랜지에 작용하는 인장 및 압축응력을 감쇄시켜, 결과적으로 강뼈대 부재의 단면을 감소할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 소정 위치에 열원을 가하지 않은 강뼈대 부재들을 설치하고 현장이음은 체결하지 않는 제1 단계;

   상기 강뼈대 부재의 일부 구간에 온도구배를 가지도록 열원을 제공하여 강뼈대 부재의 변형을 유발하는 제2 단계;

   상기 제2 단계에서 제공된 열원에 의해 소정의 온도구배를 가지는 강뼈대 부재들을 현장이음을 통해 연결하는 제3 단계;

   상기 제3 단계 수행 후, 상기 강뼈대 부재단면에 형성된 인위적 온도구배를 제거함으로써 구조시스템의 정모멘트부와 부모멘트부에서 사하중(고정하중)과 활하중(적재하중)에 의해 강뼈대 부재 단면에 발생하는 응력을 감쇄시키는 단면력이 발생하는 제4 단계를 포함하는 강뼈대 구조물의 시공방법.
2. 제 1항에 있어서,

   제1 단계에서의 강뼈대 부재 단면이 I-형 단면, H-형 단면 및 통상적인 강부재 단면 중 어느 하나의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 강뼈대 구조물의 시공방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제2 단계는 상기 강뼈대 부재 단면의 하단부에 설정온도를 유지시키고,상단부로 갈수록 상기 설정 온도보다 작은 온도로 분포되도록 하여 소정크기의 온도구배를 형성하는 강뼈대 구조물의 시공방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 강뼈대 부재의 상단부의 온도는 자연대기 상태하의 강뼈대 부재의 온도이거나, 인위적인 열원에 의해 강뼈대 부재의 열전달로 인해 발생하는 온도인 것을 특징으로 하는 강뼈대 구조물의 시공방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 강뼈대 부재단면에 형성되는 온도구배는 10℃∼100℃중 어느 한 온도인 것을 특징으로 하는 강뼈대의 시공방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제4 단계에서 열원제거 시기는 상기 강뼈대 부재의 현장이음이 완료되어 부정정 구조체로 거동하는 시점으로 정한 것을 특징으로 하는 연속 강뼈대의 시공방법.
7. 상기 강뼈대 구조물의 시공단계에서 현장이음을 체결하지 않은 강재 블록에 인위적인 온도구배를 부여하여 강뼈대의 변형을 발생시키고, 현장이음을 체결하여 부정정 구조체로 거동을 하는 시점에서 온도구배를 제거하여 이때 발생하는 응력으로 사하중(고정하중) 및 활하중(적재하중)에 의해 강뼈대에 발생하는 응력을 부분적으로 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 강뼈대의 시공방법.