KR200215238Y1 - 피에스시 빔 교량용 고강도 콘크리트의 구조물 - Google Patents
피에스시 빔 교량용 고강도 콘크리트의 구조물 Download PDFInfo
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Abstract
본 고안은 고강도 콘크리트(설계압축강도 600∼700kg/cm2)를 적용한 피에스시 빔(PSC BEAM)교량의 설계와 제작방법 및 작업성과 내구성이 확보된 피에스시 빔(PSC BEAM)용 고강도 콘크리트의 제조방법에 의해 제조된 구조물을 얻기 위한 것인 바,
현재까지 교량건설공법으로 많이 적용되고 있는 피에스시 빔(PSC BEAM)교량의 표준설계단면에는 거더 콘크리트 설계압축강도가 400Kg/cm2를 적용하여 거더의 간격이 2.5m이하이고 지간길이가 25m, 30m인 거더단면이 제시되고 있으나 본 고안의 실시로 품질관리가 용이하고 경제성과 내구성 및 안전성이 확보되는 고강도 콘크리트를 적용, 압축강도 증가에 따르는 허용인장응력, 허용압축응력의 증대효과를 이용하여 기존에 사용하고 있던 피에스시 빔(PSC BEAM)교량의 거더 높이를 증가시키지 않는 범위내에서 지간길이가 30m, 40m인 고강도 피에스시 빔(PSC BEAM)교량을 개발, 지간길이 및 거더간격의 증대효과를 도출함으로서 교각의 개수를 줄이거나 필요한 거더의 개수를 줄일 수 있는 경제적인 교량공법을 제공하는 뛰어난 효과가 있다.
Description
본 고안은 교량에 피에스시 빔 교량용 고강도 콘크리트의 구조물 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고강도 콘크리트(설계압축강도 600∼700kg/cm2)를 적용한 피에스시 빔(PSC BEAM)교량의 설계와 제작방법 및 작업성과 내구성이 확보된 피에스시 빔(PSC BEAM)용 고강도 콘크리트의 제조하여 고강도 콘크리트를 적용, 압축강도 증가에 따르는 허용인장응력, 허용압축응력의 증대효과를 이용하여 기존에 사용하고 있던 피에스시 빔(PSC BEAM)교량의 거더 높이를 증가시키지 않는 범위내에서 지간길이가 30m, 40m인 고강도 피에스시 빔(PSC BEAM)교량을 개발, 지간길이 및 거더간격의 증대효과를 도출함으로서 교각의 개수를 줄이거나 필요한 거더의 개수를 줄일 수 있는 교량에 사용되는 피에스시 빔(PSC BEAM)용 고강도 콘크리트의 설계에 의한 배합방법의한 구조물에 관한 것이다.
현재까지 교량건설공법으로 많이 적용되고 있는 피에스시 빔(PSC BEAM)교량의 표준설계단면에는 거더 콘크리트 설계압축강도가 400kg/cm2를 적용하여 거더의 간격이 2.5m이하이고, 지간길이가 25m, 30m인 거더단면이 제시되고 있으며, 그 이상의 지간에서는 강교나 피에스시 박스(PSC BOX)교 혹은 프리프렉스(PREFLEX)교로 시공되고 있다.
그러나, 이러한 종래의 교량들은 시공비용이 많이 소요될 뿐 아니라 강교의 경우에는 시공 후 유지관리비용이 많이 든다는 단점이 있으며 시공성 또한 상대적으로 떨어지기 때문에 거더 높이의 공간적 제약조건이 없을 경우 중소형 교량의 상당 부분은 피에스시 빔 형식의 교량으로 시공되고 있는 실정이다.
상기 고강도 콘크리트의 재료개발에 관한 연구는 지난 10여년간 국내의 학계 및 관련업계 연구소에서 꾸준히 추진되어 왔으나 현재까지는 이의 실용화를 위하여 토목구조물에 대한 직접적인 현장시공 실적이 미진한 편이다.
최근 들어 혼화제의 급격한 발달로 인해 600~ 700kg/cm2의 강도발현은 기존의 피에스시 박스(PSC BOX)교량에 적용하고 있는 400~ 450kg/cm2수준의 품질관리로도 충분히 얻을 수 있으며 다만 현장 타설시 작업성을 고려한 고강도 콘크리트의 배합설계와 이의 역학적 재 특성 및 성질을 규명하는 작업이 요구되고 있다.
따라서, 본 고안은 상기의 문제점을 안출한 것으로, 본 고안의 목적은 현재 교량 건설공법 중 주로 교량지간이 25m~30m인 범위에 널리 적용되고 있는 피에스시 빔(PSC BEAM)교량에 있어서 콘크리트 강도증가에 따른 재료의 잇점을 이용하여 기존의 피에스시 빔(PSC BEAM)교량보다 거더 간격의 증대 또는 지간길이의 증대효과를 도출하여 경제적이고 안전성이 확보된 새로운 교량건설공법을 제공함과 동시에 고강도 콘크리트의 적용을 위한 재료개발 및 이의 역학적 특성을 규명하여 현장 적용이 가능한 최적 배합설계에 의한 구조물을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 고안의 다른 목적은 지간길이 및 거더간격의 증대효과를 도출함으로서 교각의 개수를 줄이거나 필요한 거더의 개수를 줄일 수 있는 교량에 사용되는 피에스시 빔(PSC BEAM)용 고강도 콘크리트의 설계에 의한 배합방법 및 그 구조물을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은 고강도 콘크리트용 적정 재료로서 3종 시멘트와 1종 시멘트를 선정하여 요구되는 목표설계강도에 대한 최적배합설계를 실시하였으며 이들 배합설계에 대한 제반 물성을 연구, 검토함으로서 그 역학적 특성 및 내구성을 검증하였다, 또한, 현장 실용화를 위한 슬럼프(Slump) 경시변화 특성을 개선하기 위하여 실내시험 및 현장시험을 통하여 도출된 최적량의 지연형 고성능 AE감수제를 적용하여 현장까지의 운반가능시간을 90분 정도까지 증가시킴으로서 현장 적용성을 대폭 향상시켰으며, 고강도 콘크리트의 적용에 있어서 문제점으로 지적되어온 단위 시멘트량의 증가에 따른 수화열 균열 문제를 해결하기 위하여 고강도 콘크리트에 적합한 최적의 증기양생기법을 제시하였다.
이상과 같이 개발된 고강도 콘크리트를 실제의 교량용 실험부재로 제작, 이들 실험부재에 대하여 정적재하실험, 피로실험 및 장기거동 실험을 통하여 고강도 피에스시 빔(PSC BEAM) 교량의 충분한 구조적 안정성 및 사용성을 확보하였다.
도 1은 기존 피에스시 빔(PSC BEAM)교량을 도시한 단면도,
도 2는 본 고안의 바람직한 실시예의 교량에 사용되는 피에스시 빔(PSC BEAM) 교량용 고강도 콘크리트의 구조물 설계 및 제조방법에 의해 거더의 수를 줄인 구조물을 도시한 교량의 단면도,
도 3은 본 고안에 따른 거더 높이별 설계압축강도와 지간길이 및 거더간격의 변화도,
도 4는 본 고안에 따른 설계압축강도별 거더높이와 지간길이 및 거더간격의 변화도,
도 5a,5b는 본 고안에 따른 지간길이 30m 및 40m인 교량의 거더 단면도,
도 6은 본 고안에 따른 고강도 콘크리트에 적합한 증기양생 주기도,
도 7은 본 고안에 따른 각 배합별 재령기간에 대한 설계압축강도,
도 8은 본 고안에 따른 각 배합별 건조수축 특성도,
도 9는 본 고안에 따른 각 배합별 크리프 특성도,
도 10은 본 고안에 따른 각 배합별 염이온투수 특성도,
도 11은 대형부재 구조실험을 통한 실험부재와 전산해석결과의 하중-처짐곡선 비교표,
도 12는 지간길이 40m인 합성부재의 하중-처짐 곡선도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 방호벽 20 : 포장
30 : 슬래브 40 : 거더
50 : 상부플랜지 60 : 복부
70 : 하부플랜지
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 고안의 피에스시 빔(PSC BEAM)용 고강도 콘크리트의 설계에 의한 배합방법은 지간길이 30m 내지 40m의 범위에 해당하는 피에스시 빔(PSC BEAM)교량의 제작방법 중, 작업성과 내구성이 확보된 피에스시 빔용 고강도 콘크리트의 설계압축강도 600∼700kg/cm2배합설계를 하기 위해 고강도 콘크리트 제조방법에 있어서, 표1과 같은 혼합비율로 배합한 특징이 있다.
도 2에 도시한 바와 같이 현재 2차선 피에스시 빔(PSC BEAM)교량에 있어서 거더의 간격은 분리구간, 비 분리구간으로 나누어져 각각 2.1m 내지 2.5m 가 적용되고 있는 바, 본 고안에서와 같이 고강도 콘크리트를 적용하여 거더의 간격을 3.3m까지 증가시킬 수 있다면 분리, 비분리 구간의 구분없이 거더의 간격을 동일하게 조정하여 필요한 거더 개수를 1개 내지 2개를 줄일 수 있는 경제적 잇점을 도출해 낼 수 있으며, 특히 다경간화된 장대교량일 경우 공사비 절감효과는 더욱 커지게 된다.
도 3 및 도 4는 고강도 피에스시 빔(PSC BEAM)교량의 최적단면을 결정하기 위하여 설계변수(설계압축강도, 거더높이, 거더간격, 지간길이 등)를 설정한 후 각각의 경우에 대하여 구조해석을 수행한 최종 결과를 도시한 그림들이다.
상기 그림에서와 같이 대각선 방향의 경계선을 기준으로 우측상향의 범위는 허용응력의 범위를 벗어나는 경우이며 따라서 설계 조건을 만족하기 위해서는 경계선을 기준으로 좌측하단의 범위내에 있어야만 모든 설계 조건들을 충족시키게 된다.
본 고안의 바람직한 실시예를 들어 설명하면, 도 3의 거더높이(H)=230cm인 그래프 상에서 지간길이 40m와 거더간격 3.3m인 설계조건을 만족시키려면 거더의 설계압축강도가 600 kg/cm2이상이 되어야 함을 보여주고 있으며, 도 4의 설계강도 600kg/cm2인 그래프 상에서 지간길이 40m와 거더간격 2.5m인 설계 조건을 만족시키려면 거더의 높이(H)가 185cm 이상이 되어야만 한다.
도 5a, 5b에 도시한 고강도 콘크리트(설계압축강도 600∼700kg/cm2)를 적용하여 지간길이 30m, 40m의 범위에 해당하는 피에스시 빔(PSC BEAM)교량에 있어서, 거더의 상부플랜지(50)의 폭을 100cm, 두께를 15cm로 하고, 복부(60)의 높이를 125cm 내지 155cm, 두께를 22cm로 하며, 하부플랜지(70)의 폭을 72cm, 두께를 20cm를 갖도록 형성하였다.
상기와 같은 거더는 교량의 2차선 도로의 경우에 도로의 폭이 12.6m 당 4개를 설치함으로 거더의 수를 줄임으로써, 비용을 절감할 수 있는 특징이 있다.
다음, 아래 표 1은 현장 타설시 슬럼프 18±3cm가 되도록 작업성을 확보한 고강도 콘크리트의 배합설계표이다. 현장까지의 운반 소요시간을 90분내의 거리까지 가능하도록 충분한 작업성을 확보하기 위해서 최적량의 고성능 감수제를 사용하였으며, 또한 증기양생 작업시 높은 수화열에 의한 균열 발생을 제어하기 위하여 도 6과 같이 증기양생주기와 최고 온도를 45℃로 제한하도록 하는 개선된 증기양생 기법을 적용하였다. 즉, 콘크리트의 응결특성을 반영하여 약 2시간에 걸쳐 충분한 전치양생을 실시한 후, 콘크리트에 공급하는 온도의 상승을 시간당 12.5℃로 조절하여 급격한 수화반응을 방지하여야 하며, 최고온도인 45℃에서의 지속시간을 12시간으로 하는 방안을 제시하였다.
도 7은 이들 배합에 대한 재령별 압축강도를 나타내는 그래프이며, 발현된 값들은 28일 설계압축강도 및 프리스트레스 도입시(14일)의 강도 요구조건(28일 설계강도의 80%이상)을 모두 충족한 결과를 보여준다.
도 8은 각 배합에 대한 건조수축량을 나타내는 그래프이며, 실험결과 기존에 적용하는 400kg/cm2과 비교하여 강도가 증가할수록 건조수축량이 감소하는 경향을 보여준다. 이러한 효과는 프리스트레스량의 감소를 최소화하여 부재의 강성을 증대시켜준다.
도 9는 각 배합에 대한 크리프 실험결과를 나타내는 그래프이며, 현행 도로교시방서에서 제시된 크리프계수에 비하여 작은 값을 보여주고 있으며 결국 고강도화에 따른 크리프변형이 감소됨을 보여준다.
도 10은 콘크리트 내구성향상의 척도인 콘크리트 조직의 치밀성을 판단할 수 있는 염이온 침투실험에 대한 결과를 나타내는 그래프이며 기존에 피에스시 빔(PSC BEAM)에 적용하는 400kg/cm2와 비교하여 고강도화 됨에 따라 침투성이 크게 감소함을 보여준다.
도 11은 본 고안에 따른 고강도 콘크리트를 적용하여 제작한 합성부재에 대하여 구조실험에서 얻은 중앙점의 하중-처짐 곡선과 구조해석에서 얻은 하중-처짐 곡선을 비교한 것이다. 구조실험에서 얻은 결과와 비선형성을 고려한 유한요소해석결과가 거의 유사하게 나타남을 보여주고 있다.
도 12는 40m 지간길이를 갖는 고강도 피에스시 빔(PSC BEAM) 교량의 합성부재에 대하여 비선형 유한요소해석을 통한 하중-처짐 곡선이다.
예컨대, 본 고안은 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 실용신안등록청구범위에 의해 마련되는 본 고안의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 고안이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 고안에 의한 고강도 콘크리트를 사용함으로써 거더 콘크리트의 강도증가에 따른 허용인장응력과 허용압축응력의 증대효과를 이용하여 기존의 피에스시 빔(PSC BEAM) 교량보다 지간길이를 증대시키거나 거더의 간격을 넓힘으로서 필요한 교각 개수의 감소효과 및 거더 개수의 감소효과를 도출, 보다 경제적인 교량 건설공법으로 적용될 수 있다. 아울러 기존의 피에스시 빔(PSC BEAM) 교량보다 내구성이 향상되어 구조물의 내구년한이 증대되고 사후 유지관리 비용이 감소되는 효과를 기대할 수 있으며, 고강도 콘크리트를 피에스시 빔(PSC BEAM) 교량에 적용함으로서 고강도화에 따른 콘크리트의 균열발생에 대한 저항성, 내투수성의 증진효과, 건조수축, 크리프 같은 체적변화의 감소효과와 함께 탄성계수의 증가로 인한 프리스트레스의 손실량 감소 등 여러 가지 복합적인 효과가 있다. 또한, 피에스시 빔(PSC BEAM)교량의 단점으로 지적되어온 거더의 하단측 형하공간의 제약조건을 극복하기 위하여 기존 교량구조에 적용되었던 거더간격 2.5m을 그대로 유지했을 경우 고강도 콘크리트를 적용한다면 지간길이가 40m일 경우 거더의 높이를 기존 2.35m에서 1.85m로 50cm 줄일 수 있고, 시공단가가 상대적으로 높은 프리프렉스 (PREFLEX)교량의 대체 효과가 가능해 진다. 특히, 다수의 실험을 통하여 설계강도에 적합한 최적의 '증기양생온도 주기'를 제시하여 고강도 피에스시 빔 제작시 발생될 수 있는 수화열에 의한 균열발생 문제점을 방지하는 동시에 본 고안이 목표로 하는 콘크리트의 적정강도 발현을 구현하는 효과가 있으므로 교량건설산업상 매우 유용한 고안인 것이다.
Claims (2)
- 고강도 콘크리트를 적용하여 지간길이 30m, 40m의 범위에 해당하는 피에스시 빔(PSC BEAM)교량에 있어서,상기 고강도 콘크리트(설계압축강도 600∼700kg/cm2)로 제조한 거더의 상부플랜지(50)의 폭을 100cm, 두께를 15cm로 하고, 복부(60)의 높이를 125cm 내지 155cm, 두께를 22cm로 하며, 하부플랜지(70)의 폭을 72cm, 두께를 20cm로 하는 것을 특징으로 하는 피에스시 빔(PSC BEAM) 교량용 고강도 콘크리트의 구조물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 거더는 교량의 2차선 도로의 폭이 12.6m 당 4개를 설치함을 특징으로 하는 피에스시 빔(PSC BEAM) 교량용 고강도 콘크리트의 구조물.
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|---|---|---|---|---|
| CN108060634A (zh) * | 2017-12-04 | 2018-05-22 | 湖南大学 | 双工字形超高性能混凝土-普通混凝土组合梁桥梁结构及其施工方法 |
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