KR200205092Y1

KR200205092Y1 - 교각의 내진보강장치

Info

Publication number: KR200205092Y1
Application number: KR2020000017642U
Authority: KR
Inventors: 서호천
Original assignee: 주식회사케이.알
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2000-12-01
Also published as: KR20010114109A

Abstract

본 고안은 교량의 기둥인 교각에 설치되어 지진등과 같은 급격한 대변위가 발생되어도 교각이 지지될 수 있도록 하는 교각의 내진보강장치와 이 장치를 이용하는 시공법에 관한 고안이다.

본 고안은 상판을 적의 지지하도록 지면에 직립되어 설치되는 교각의 하단 외주에 부착되는 박판상의 지지판과, 상기 지지판의 상단부에 다수 부착되는 브라켓에 삽입되어 상기 교각에 형성되는 풋에 형성한 소정 깊이의 요홈에 삽입되는 다수의 보강철근; 상기 교각의 외주에 설치된 상기 보강철근들을 그 안에 수용하도록 등거리 이격되어 상기 풋의 위에 상기 보강철근의 높이와 일치되게 설치되는 외피; 상기 외피의 내부에 타설되어 양생되는 콘크리트;로 이루어진 것이다.

따라서, 본 고안은 교량의 전하중을 지탱하면서 지진에 직면하는 교각에 적용되는 적절한 내진구조를 제공하고자 안출된 것으로, 특히 기존에 이미 설치된 교량의 교각에 그대로 적용이 가능하면서, 손쉽고도 저렴하게 설치되도록 하는 장치 및 그 시공법을 제공하는 효과적이고 유용한 고안이다

Description

교각의 내진보강장치{A reinforced earthquake-proof device}

지진과 같이 일시에 큰 하중이 작용되어 대변위가 발생되면, 대형의 구축물들은 이러한 변위가 팽창 확대되므로 큰 손상을 받게되며, 심지어는 전복 피괴되는 경우도 발생될 수 있으며, 따라서, 특히 대형의 교량에는 이를 위한 대비가 잘 되있는 편인데, 예컨데, 교각과 상판간에 설치되는 내진용 교좌장치라던가, 상판의 낙교방지를 위한 장치등이 그것이다.

그러나, 지면에 직립되는 교각에 있어서는, 현재까지 내진용 교각으로서의 대비는 정격 설계하중에 예상 추가하중을 받아줄 수 있도록 교각의 규격을 키우는 것이 고작이었으며, 그나마 이러한 안전장치마저 소홀이 한 교량이 태반인데, 이제는 우리 나라도 지진의 안전지대가 아니라는 인식이 확산되면서, 이러한 대비책이 강구되고 있으며, 이러한 대비책의 일환으로서 특허공개공보 제99-78977∼9호에서는 내진 보강 기구가 개시되어 있으나, 이들도 목조건물에 적용되는 특수한 구조체로서 아직까지 교량의 교각에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

본 고안은 교량의 전하중을 지탱하면서 지진에 직면하는 교각에 적용되는 적절한 내진구조를 제공하고자 안출된 것으로, 특히 기존에 이미 설치된 교량의 교각에 그대로 적용이 가능하면서, 손쉽고도 저렴하게 설치되도록 하는 장치 및 그 시공법을 제공하고자 연구 완성된 것인데, 이를 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안의 다른 부분 구성상태도,

도 2는 도 1의 요부 발췌도 및 단면도,

도 3은 본 고안의 다른 구성상태도,

도 4는 본 고안의 다른 구성상태 발췌도,

도 5은 본 고안인 도 1 및 도 3 도시의 시공 공정도이다.

* 도면의 주요부 부호의 설명

1. 교각

11. 풋(Foot) 12. 요홈

2. 지지판

21. 브라켓 22. H빔

3. 보강철근

31. 수평철근

4. 콘크리트

5. 외피

6. 상판(Slab)

도 1은 본 고안인 내진보강장치의 구성상태도로서 내부의 요부를 알 수 있도록 콘크리트(4) 타설전의 상태도이고, 도 2a는 본 고안의 일 구성인 도 1중 일 요부인 A부의 발췌 확대상태도이고, 도 2b는 본 고안의 완성상태(콘크리트 타설후)에서 도 1의 B-B선에서 절단한 단면도이다.

본 고안은, 상판(6)을 적의 지지하도록 지면에 직립되어 설치되는 교각(1)의 하단 외주에 부착되는 박판상의 지지판(2); 상기 지지판(2)의 상단부에 부착되는 브라켓(21)에 삽입되어 상기 교각(1)에 형성되는 풋(11)에 형성한 소정 깊이의 요홈(12)에 삽입되는 다수의 보강철근(3); 상기 교각(1)의 외주에 설치된 상기 보강철근(3)들을 그 안에 수용하도록 등거리 이격되어 상기 풋(11)의 위에 상기 보강철근(3)의 높이로 설치되는 외피(5); 상기 외피(5)의 내부에 타설되어 양생되는 콘크리트(4);로 이루어진 것임을 특징으로 하면 바람직하다.

도 3a는 본 고안의 또 다른 구성상태 일부 발췌도이다.

상기한 구성에 있어서, 상기 브라켓(21)이 통상적인 H빔(22)으로 되고, 상기 보강철근(3)이 상기 H빔(22)의 웨브부에 천공된 홀에 삽입되어 설치된 것임을 특징으로 하면 보다 바람직하다.

도 4는 본 고안의 다른 구성상태 발췌도로서 도 1과 동일하게 콘크리트(4)타설전의 상태를 도시하였다.

상기한 구성에 있어서, 상기 보강철근(3)을 수평둘레로 연결 고정하는 적어도 1개의 수평철근(31)을 포함하는 것을 특징으로 하면 보다 바람직하다.

도 3b는 본 고안의 바람직한 변형구성을 제시하는 일부상태 발췌도이다.

상기한 구성과 더불어, 상기 브라켓(21)의 아래에서 지지판(3)에 부착되는 H빔(22)을 추가하고, 상기 보강철근(3)이 상기 H빔(22)의 중앙 홀을 관통하도록 설치된 것으로 하는 변형예도 구조적인 면에서는 바람직하다.

도 5는 본 고안인 도 1 및 도 3 도시의 시공 공정도이다.

본 고안의 장치는 다음의 방식으로 시공되는데, 이는 본 고안의 실시형태를 시공하는 다양한 시공방식중 바람직한 하나의 예를 들은 것으로 본 고안이 본 시공법으로 한정되는 것이 아님은 명백하다.

상판(6)을 적의 지지하도록 지면에 직립되어 설치되는 교각(1)의 하단 외주에 박판상의 지지판(2)을 부착시키고; 상기 지지판(2)의 상단부에 다수의 브라켓(21)을 부착하여 이 브라켓(21)에서 상기 교각(1)에 형성되는 풋(11)에 형성된 소정 깊이의 요홈(12)간에 다수의 보강철근(3)을 삽입시키고; 상기 교각(1)의 외주에 설치된 상기 보강철근(3)들을 그 안에 수용하도록 등거리 이격되어 상기 풋(11)의 위에 외피(5)를 세우고; 상기 외피(5) 안에 콘크리트(4)를 타설하여 양생하여 본 고안의 시공을 완료한다.

본 고안의 일 구성에 의하면, 지지판(2)은 박판상으로 되어 상판(6)을 적의 지지하도록 지면에 직립되어 설치되는 교각(1)의 하단 외주에 부착되는데, 박판상으로 되어 교각(1)의 하단 외주를 둘러씌우고 피스 또는 스터드볼트등으로 교각에 박아서 부착시키는 것이므로 교각(1)내의 기초철근이 손상되지 않아서 기본 설계하중을 손상시키지 않게 된다.

게다가, 다수의 보강철근(3)들이 상기 지지판(2)의 상단부에 다수 부착되는 브라켓(21)에 삽입되어 상기 교각(1)을 지지하는 풋(11)에 형성된 소정 깊이의 요홈(12)에 삽입되어 설치되므로 보강부의 뼈대를 이루는 보강철근(3)들은 풋(11)에 심어져서 큰 지지력을 부여하게 된다. 이때, 풋(11)은 교각(1)의 하단에서 연약지반 등에 의하여 교각(1)이 침하되지 않도록 설치되는 어떠한 형상의 구조체라도 모두 이에 포함되는 것이며, 이 풋이 수면하에 잠겨 있거나, 또는 너무 작아서 상술한 구조체로 하기 곤란한 경우에는 별도로 구조체를 부착하여 시공할 수도 있으며, 이러한 시공일지라도 본 고안의 일 실시형태에 지나지 않으므로 본 고안의 기술적 범위내이다.

또한, 외피(5)는 상기 교각(1)의 외주에 설치된 상기 보강철근(3)들을 그 안에 수용하도록 등거리 이격되어 상기 풋(11)의 위에 상기 보강철근(3)의 높이로 설치되고; 콘크리트(4)는 상기 외피(5)의 내부에 타설되어 양생되므로, 결국 지지판(2)과 보강철근(3)과 외피(5) 및 콘크리트(4)가 지진시에 가장 큰 외력이 작용되어 교각(1)의 파손이 예상되는 소정부위{교각(1)의 하단에서 1/3이하 부분} 외주를 덧씌워서 지지력을 향상시키게 되며, 특히 지지판(2)은 교각(1)의 외주에 또한 외피(5)는 보강되는 콘크리트(4)의 외주에 긴밀히 부착되므로 지진등의 큰 외력이 작용되어도 교각(1)의 콘크리트 및 보강용의 콘크리트(4) 등이 터져서 파괴되는 현상을 방지할 수 있어서 효과적인 보강수단으로 된다.

본 고안의 다른 구성에 의하면, 상기 브라켓(21)이 통상적인 H빔(22)으로 되고, 상기 보강철근(3)이 상기 H빔(22)의 웨브부에 천공된 홀에 삽입되어 설치된 것이므로, 자재를 통상적인 H빔(22)으로 사용할 수 있도록 하여 제작 및 설치의 편의를 기할 수 있는데, 다만 교각(1)의 각주형이 아니고 원기둥형일 때에는 H빔(22)을 기둥의 외주와 일치하게 원형으로 휘어서 사용하여야 하므로 작업이 어려워질 수 있으나, 상기 H빔(22)은 보강철근(3)의 지지체로 기능하는 것이므로 반듯이 교각(1)의 외주에 정밀하게 밀착되어야 그 기능을 완전히 발휘하는 것이 아니므로 어느정도의 오차가 허용되는 것이고, 보강철근(3)이 H빔(22)의 중앙부인 웨브부에 천공된 홀에 삽입될 때 H빔(22)의 리브 상부에서 너트로 체결하는 방식을 사용하면 설치가 편하면서 수직으로 설치하기 손쉬우며, H빔(22)에 천공을 하지 않고 리브 하면에 너트등을 용접 등으로 부착시켜서 이에 보강철근(3)이 삽장되도록 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

본 고안의 또 다른 구성에 의하면, 상기 보강철근(3)을 수평둘레로 연결 고정하는 적어도 1개의 수평철근(31)을 포함하는 것이므로, 보강철근(3)은 브라켓(21)에 의해 지지되면서 그 중간부 하나 또는 다수의 위치에 수평철근(31)이 격자형으로 연결되어 고정되므로 후에 타설되는 콘크리트(4)에 매입될 때 콘크리트(4)의 배력철근으로 기능하여 견고한 뼈대를 이루게 된다. 이때, 수평철근(31)을 보강철근(3)에 연결하는 방식으로는, 이들간에 서로 직교되는 위치를 태그웰딩(Tag-wealding)하거나, 보다 손쉬운 방식은 직교되는 부분을 철사로 묶어서 고정하는 방식이며, 비록 보강철근(3)과 수평철근(31)간에 견고한 결합이 이루어지지 않더라도, 이들 모두는 콘크리트(4)내에 매입되므로 강도에는 전혀 문제가 되지 않는다.

본 고안의 설치 시방을 실시예를 들어 설명한다.

<실시예>

먼저, 상판(6)을 적의 지지하도록 지면에 직립되어 설치되는 교각(1)의 하단 외주에 박판상의 외피(5)를 부착시켰다(도 5a 상태). 이때, 교각(1)은 가로 ×세로 ×높이(2m ×2.5m ×20m)의 입방체 로서 최대 연직하중(사하중+활하중)은 400Ton이고 최대 수평하중(지진시)은 100Ton으로 하여 설계하였고, 지지판(2)은 2mm두께의 박판 스틸을 사용하여 교각(1)의 하단에 밀착하여 둘러붙였다(도 5a 상태).

다음, 상기 지지판(2)의 상단부에 다수의 브라켓(21)을 부착하여 이 브라켓(21)에서 상기 교각(1)에 형성되는 풋(11)에 형성된 소정 깊이의 요홈(12)간에 다수의 보강철근(3)을 삽입시켰다(도 1 상태). 이때, 보강철근(3)은 직경 18mm 철근을 50㎝ 간격으로 배치하였다.

마지막으로, 상기 교각(1)의 외주에 설치된 상기 보강철근(3)들을 그 안에 수용하도록 등거리 이격되어 상기 풋(11)의 위에 상기 보강철근(3)의 높이로 외피(5)를 세워서(도 5b 상태) 상기 외피(5) 안에 콘크리트(4)를 타설하여 양생하였다. 이때, 외피(5)는 5mm두께의 스틸판이였고, 지지판(2)과 외피(5)의 간격은 25mm이었다.

상기 요홈(12)은 풋(11)중 기초철근이 없는 위치에 드릴등으로 천공하여 형성할 수 있으며, 앵커철근(32)은 이 요홈(12)내에 강력하게 삽입하여 설치되는 것인데, 다른 시공법으로서 앵커철근(31)들을 최초 교량설치시에 미리 설계에 반영하므로서 풋(11)내의 기초철근에 부착(용접하거나 철사등으로 묶어서)하여 풋(11)위로 소정 높이 돌출되게 설치하면 보다 바람직하며, 또다른 설치 시방으로는 기 설치된 교량일지라도 풋(11)의 각 설치 위치를 절개하여 기초철근을 노출시키고 이에 부착한 후 풋(11)용의 콘크리트를 재 타설하여 완성하는 방식도 사용될 수 있으며, 이러한 방식을 채용하더라도 본 고안의 기술적 사상을 그대로 이용하는 것이므로 본 고안의 기술적 범위를 넘어서지 않음은 명백하다.

본 실시예로 보강된 교각과 일반교각간의 강도를 비교하면 다음과 같다.

콘크리트의 압축강성 σ_ck= 270㎏/㎠이고, 콘크리트의 탄성계수 E_c= 2.5 ×10⁵㎏/㎠이며, 단면적 Ac는 가로 ×세로 = 5.0㎡이므로,

[식 1] Z = LW²/6 (L은 가로, W는 세로)

이를 식 1에 대입하여 일반 교각의 단면계수 Zc를 구하면,

Zc = 2.5 ×2²/6 = 1.667㎥ 이 된다.

SS400(강)의 인장응력 σ_sy= 2500㎏/㎠이고, 강의 탄성계수 E_s= 2.1 ×10⁶㎏/㎠이므로,

[식 2] η = E_s/E_c

이를 식 2에 대입하여 강의 콘크리트 환산 단면적 값 η를 구하면,

η = 2100000/250000 = 8.4 가 되며,

[식 3] Acs = Ac + As (Acs는 강·콘크리트 복합체의 환산 단면적, As는 강의 단면적)

본 고안의 보강교각의 환산 단면적은,

Acs = 2.05 ×2.55 + 8.4 ×(9 ×0.002 + 9.2 ×0.005 + 0.00025 ×18) = 5.80이며, 보강교각의 단면계수는 식 1에서 Zcs = 2.55 ×2.05²/6 = 1.786 이고,

[식 4] Mmax = Hmax ×h

최대 휨모멘트 Mmax는 상기 식 4에 의하여 100 ×20 = 2000Ton·m 이고,

[식 5] σp = Vmax/A (Vmax는 최대 연직하중)

일반교각과 보강교각의 평균압축응력(σpc와 σpcs)을 상기 식 5로 구하면,

σpc = 400,000/5 ×10⁴= 8.0㎏/㎠ 이고,

σpcs = 400,000/5.80 ×10⁴= 6.90㎏/㎠ 이며,

[식 6] σb = Mmax/Z

일반교각과 보강교각의 최대 휨응력(σbc와 σbcs)을 상기 식 6으로 구하면,

σbc = 2000 ×10⁵/1.667 ×10⁶= 120.0㎏/㎠ 이고,

σbcs = 2000 ×10⁵/1.786 ×10⁶= 112.0㎏/㎠ 이 된다.

그런데, 구조물이 외부에 작용하는 힘에 대하여 얼마만큼 견딜 수 있는가가 설계의 주안점이며, 이를 위험지수(Demage Index ; DI)라 하여 DI가 클수록 안전한 구조물로 판단하는데, 이는 압축강도와 응력의 비인 식 7로 표시되며,

[식 7] DI = Ca / D (Ca는 구조물의 압축강도, D는 응력 임)

상기 식 7에 의하여 기존교각과 보강교각의 강성을 구하면 표 1과 같다.

[표 1]

	응력(Demand)(㎏/㎠)	압축강도(㎏/㎠)	강성(DI)	비 고
연직강성(㎏/㎠)	기존교각	8.0	270	33.75	15.9%증가
연직강성(㎏/㎠)	보강교각	6.9	270	39.13	15.9%증가
수평력에의한휨강성(㎏/㎠)	기존교각	120.0	270	2.25	9.92배 증가
수평력에의한휨강성(㎏/㎠)	보강교각	112.0	2500	22.32	9.92배 증가

연직강성은 기존교각과 보강교각간에 예상되는 효과 이상의 큰 차이가 없고 약간 증가되는 정도이었으나, 이는 기존교각으로도 충분한 하중지지가 되므로 요점이 되지 않으며, 지진등이 발생하면 가장 크게 작용되는 것이 휨강도이며, 이는 약 10배에 달하는 큰 증가를 보였는데, 휨모멘트가 최초로 미치는 외피가 SS400의 스틸로 되어 있어서 보강교각 전체가 휨강성에서는 스틸로 기능하기 때문으로 판단된다.

본 고안은 교량의 전하중을 지탱하면서 지진에 직면하는 교각에 적용되는 적절한 내진구조를 제공하고자 안출된 것으로, 특히 기존에 이미 설치된 교량의 교각에 그대로 적용이 가능하면서, 손쉽고도 저렴하게 설치되도록 하는 장치 및 그 시공법을 제공하는 효과적이고 유용한 고안이다.

Claims

상판(6)을 적의 지지하도록 지면에 직립되어 설치되는 교각(1)의 하단 외주에 부착되는 박판상의 지지판(2);

상기 지지판(2)의 상단부에 부착되는 브라켓(21)에 삽입되어 상기 교각(1)에 형성되는 풋(11)에 형성한 소정 깊이의 요홈(12)에 삽입되는 다수의 보강철근(3);

상기 교각(1)의 외주에 설치된 상기 보강철근(3)들을 그 안에 수용하도록 등거리 이격되어 상기 풋(11)의 위에 설치되는 외피(5);

상기 외피(5)의 내부에 타설되어 양생되는 콘크리트(4);

로 이루어진 것임을 특징으로 하는 교각의 내진보강장치.
제 1항에 있어서,

상기 브라켓(21)이 통상적인 H빔(22)으로 되고, 상기 보강철근(3)이 상기 H빔(22)의 웨브부에 천공된 홀에 삽입되어 설치된 것임을 특징으로 하는 교각의 내진보강장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 보강철근(3)을 수평둘레로 연결 고정하는 적어도 1개의 수평철근(31)을 포함하는 것을 특징으로 하는 교각의 내진보강장치.