KR200266433Y1 - 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔 - Google Patents

Abstract

본 고안은 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 프리스트레스트 합성빔용 강형에 프리플랙션 하중을 가할 때, 반복적인 과다 프리프랙션 하중에 의한 영구변형을 유도하지 않고서도 단 1회의 프리플랙션 하중만 가하여 상기 강형의 내부잔류응력을 제거할 수 있으며, 강형의 상부플랜지의 잔류응력도 제거하는 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔에 관한 것이며, 잔류변형율을 고려한 설계 프리플랙션 하중값에 해당하는 1차 프리플랙션 하중만을 가하여 내부잔류응력을 제거된 소정의 형상의 강형; 및 상기 1차 프리플랙션 하중을 제거한 후, 강형의 하부플랜지에 콘크리트를 타설하여 형성된 하부플랜지 콘크리트를 포함하는 프리스트레스트 합성빔으로서, 반복적인 과다 프리프랙션 하중에 의한 강형의 영구변형을 유도하지 않고 강형의 잔류응력을 제거된 것을 특징으로 한다.

Description

잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔{prestressed composite beam removed residual stress of girder}

본 고안은 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 프리스트레스트 합성빔용 강형(I형 또는 H형)에 프리플랙션 하중을 가할 때, 반복적인 과다 프리프랙션 하중에 의한 영구변형을 유도하지 않고서도 단 1회의 프리플랙션하중만 가하여 상기 강형의 내부잔류응력을 제거할 수 있으며, 잔류응력제거의 사각지대인 강형의 상부플랜지의 잔류응력도 효과적으로 제거할 수 있는 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔에 관한 것이다.

프리스트레스트 합성빔용 I형 또는 H형 강형을 제작할 때, 소정 두께의 압연강판을 일정한 형상으로 가공하여 상부플랜지, 복부 및 하부플랜지 부재를 제작하여 각각의 상기 부재를 소정의 형상으로 결합하는 과정에서, 상기 압연과정의 경우 회전하는 압연기의 롤러 사이에 가열된 강철을 넣어 막대기 모양이나 판 모양으로 성형되면서 강판내부에 잔류응력이 잔존할 뿐만 아니라, 상기 용접과정의 경우 용접에 의해 강판의 재료인 금속내부조직이 강한 열을 받은 후 식는 과정에서 열을 직접 받는 부분과 그 주변부위의 경계면 부위에서의 불균일한 소성변형에 의하여 강형에 잔류응력이 또 다시 누적되어 잔존하게 된다. 상기와 같은 잔존응력은 프리스트레스트 합성빔에 프리스트레스를 도입할 때, 상기 강형의 하부플랜지에 타설되는 하부플랜지콘크리트에 도입되는 프리스트레스 즉 압축응력을 설계 시 예측되는 값보다 낮은 값으로 도입되는 결과를 초래한다.(통상 압연과정에서 발생하는 잔류응력은 설계 시 무시되고, 용접과정에서의 잔류응력이 주요 제거대상이다. 이하 본 고안의 경우 용접과정에서 발생하는 강형의 잔류응력의 제거가 주목적이 된다.) 이러한 I형 강형에 잔존하는 잔존응력을 제거하는 방법으로 고안된 것이 특허등록 제 1163호로서 도1a와 같이 중앙부분이 상부로 소정의 솟음(δ₁)처리된 프리스트레스트 합성빔용 강형(I형)의 양단을 지지한 상태에서 탄성한계 내의 1차 프리플랙션 하중(P1)을 가하여 도1b와 같이 소정의 캠버(δ₂)를 갖도록 하고, 상기 프리플랙션 하중(P1)을 제거하여, 도1c와 같이 캠버(δ₃)를 갖는 상태로 탄성 복귀시켜 I형 강형의 제작 시 발생된 내부 잔류응력을 제거하고, 다시 상기 1차 프리플랙션하중(P1)과 동일한 크기의 2차 프리플랙션하중(P2)를 가하여 캠버(δ₂)와 동일한 캠버(δ₄)를 갖도록 한 상태에서, 도1d와 같이 I형 강형의 하부플랜지 콘크리트에 콘크리트를 타설한 후 양생하여 상기 2차 프리플랙션하중(P2)을 제거하여, 도1e와 같이 I형 강형의 탄성복귀에 따라 하부플랜지 콘크리트에 프리스트레스트 즉 압축응력이 도입되면서 최종적으로 캠버(δ)를 갖는 프리스트레스트 합성빔을 제작하는 것이다. 이를 도2의 응력-변형율 선도를 기준으로 설명하면 다음과 같다. I형 강형(10)에 1차 프리플랙션 하중(P1)을 가하면 I형 강형은 O점에서 A점까지의 라인의 A점까지의 라인의 A점에 해당하는 인장응력(σse)을 받고, O 점에서 C점에 해당하는 변형(δ₁+δ₂)이 발생하게되며, 상기 1차 프리플랙션 하중은 I형 강형의 탄성한계 내에 설정되더라도 상기 I형강형은 내부의 잔류응력에 의하여 A점에서 O′으로 복귀하게 된다. 이 상태에서 다시 2차 프리플랙션하중(P2)을 가하면, I형 강형은 O′에서 A점을 향하여 변형되며, 이때 2차 프리플랙션하중(P2)을 1차 프리플랙션하중(P1)과 동일한 크기로 하면 A점까지 변형되어 σse 만큼의 인장응력을 받게되며, O′에서 C만큼의 변형이 수반된다. 다음 상기 2차 프리플랙션 하중(P2)를 가한 상태에서 I형 강형의 하부플랜지에 하부플랜지콘크리트(20)를 타설하여 양생시킨 후 2차 프리플랙션하중을 제거하면, I형 강형에는 σsp 만큼의 프리스트레스트 즉 인장응력이 도입되면서 O에서 H 까지의 인장변형이 수반되며, 하부플랜지콘크리트에는 σcp 만큼의 프리스트레스트 즉 압축응력이 도입되면서, C에서 H만큼 압축변형이 수반된다. 따라서 프리스트레스트 합성빔은 1차 프리플랙션 하중을 가한 후 제거하면서 영구변형을 수반하면서 내부잔류응력을 제거한 상태에서 2차 프리플랙션 하중을 가하여 프리스트레스트 합성빔을 완성시켜, 시공 후 설계강도가 실제강도 이상으로 되는 것을 방지하여 프리스트레스트 합성빔의 균열을 방지할 수 있다. 즉 설계 시 I형강형의 응력-변형률 선도는 O′에서 A 라인을 기준을 설계하게 된다.

하지만 1차 및 2차 프리플랙션하중을 이용하여 I형 강형에 잔존하는 내부응력 제거하는 방법의 문제점을 프리스트레스트 합성빔의 제작 응력-변형률 선도를 기준으로 설명하면 다음과 같다.

첫째, 도3과 같이, 0점에서 A′점으로 1차 프리플랙션하중(1.078×강형의 항복강도)을 가한 후, 이를 제거하면 A′점에서 점 C로 탄성 복귀하게 된다. 이에 다시 C점에서 2차 프리프랙션하중(0.98 ×강형의 항복강도)을 가하게되면 I형 강형은 A점에서의 인장응력 및 변형을 가지게 된다. 이러한 내부잔류응력에 의한 잔류변형을 고려한 1차 및 2차 프리플랙션 하중의 크기는 I형 강형의 경우 항복강도 이전까지 이론적으로 응력-변형률 선도에서 탄성적 거동을 한다고 설계 상 설정되어 있지만, 강형의 항복강도의 98%에 일률적으로 10%를 추가하여 상기 1차 프리플랙션하중을 재하한 후, 강형의 항복강도의 98%에 해당하는 2차례의 프리플랙션하중의 재하는 잔류응력에 의한 잔류변형을 제거하는 방법을 적용하고 있는 실정이다. 그러나 강형의 항복강도의 98%에 일률적으로 10%를 추가하여 프리플랙션하중을 재하하는 것은 분명 강형의 탄성범위를 일탈하는 것이 분명하지만 I형 강형은 설계 및 제작에 따라 그 크기 및 형상이 변형될 수 있고, 강판 및 용접시공의 정도에 따라 잔존하는 잔류응력에 의한 잔류변형이 일정하지 않아 I형 강형의 잔류응력을 일일이 잔류응력 측정장치로 검사하여 차별화된 프리플랙션하중을 재하하는 것이 매우 번거롭고 비경제적이기 때문에, 일률적으로 10%의 프리프랙션 하중 증가분치를 적용하는 것이다. 하지만 보다 경제적이고 효율적인 교량시공이라는 설계기본원칙상 과다한 프리플랙션 하중을 먼저 재하한 후, 또 다시 항복강도에 근접한 프리플랙션 하중을 반복하여 재하 하는 것은 많은 시간과 비용이 소요된다는 점에서 매우 비효율적이며, 나아가 I형 강형의 항복강도를 초과하는 1차 프리플랙션하중을 일정시간 I형 강형에 재하하는 경우 I형 강형의 재료적손상을 입히게 되고, 이러한 재료적 손상은 I형 강형의 내구성에 영향을 미치고 종국적으로 I형강형을 이용하는 프리스트레스트 합성빔의 내구성저하에 따른 교량시공의 하자로 이어질 수 있다는 문제점이 있다. 즉 프리스트레스트 합성빔의 제작과정에 있어, 프리플랙션하중을 2회에 걸쳐 I형 강형의 항복강도 이상 및 추가적인 항복강도에 해당하는 프리플랙션 하중을 반복하여 재하하지 않고서도 안정된 프리스트레스트 합성빔의 제작방법이 절실히 요구되었으며,

둘째, I형 강형의 경우 용접에 의한 현장 및 공장제작시 상부플랜지 및 하부플랜지의 복부와의 접합부(용접에 의한 결합이기 때문이다)에 내부잔류응력이 집중되어 있으며, 그 크기도 거의 차이가 없음에도 불구하고, 프리플랙션하중을 I형 강형의 상부면에 소정의 간격을 두고 일정시간 가하여 하부플랜지는 인장응력을 받는 반면, 상부플랜지는 압축응력을 받게함으로서 강형의 내부잔류응력을 제거하고있으나, 이는 결론적으로 인장응력을 받는 하부플랜지 부위의 내부잔류응력만을 제거하는 방법에 국한되고 있는 실정이다.(내부잔류응력은 강형이 인장응력을 받는 상태에서 제거되며 압축응력을 받는 상태에서는 제거되지 않는다). 결국 압축응력을 받는 상부플랜지는 잔류응력 제거 효과가 없거나 미미함에도 불구하고, 이에 대한 고려가 프리스트레스트 합성빔의 설계 및 제작과정에 전혀 반영되지 않고 있어, 이를 고려한 프리스트레스트 합성빔의 내부잔류응력 제거방법이 절실히 요구되었다.

본 고안은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 고안의 목적은 종래의 프리플랙션하중을 2회에 걸쳐 반복 재하 함으로서 I형 또는 H형 강형의 영구변형을 유도하지 않고서도 I형 또는 H형 강형에 잔존하는 잔류응력을 제거할 수 있는 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔을 제공하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 프리스트레스트 합성빔의 상부 및 하부플랜지 접합부위에 존재하는 내부잔류응력을 효과적으로 제거할 수 있는 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔을 제공하는 것이다.

본 고안의 또 다른 목적은 프리스트레스트 합성빔의 제작과정에서 시간 및 비용이 많이 소요되는 프리플랙션 하중재하공정의 단계를 단순화하면서도, 안정된 프리스트레스트 합성빔의 제작이 가능하여 작업공기를 단축할 수 있고 이로서 공사비를 절감할 수 있어 매우 효율적인 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔을 제공하는 것이다.

도1a,도1b,도1c,도1d 및 도1e는 종래의 프리스트레스트 합성빔의 제작순서도이다.

도2는 도1의 방법으로 제작된 프리스트레스트 합성빔의 프리스트레스트 도입상태를 도시한 응력-변형률선도이다.

도3은 도1의 방법으로 제작된 프리스트레스트 합성빔 잔류응력제거방법의 문제점을 도시한 응력-변형률선도이다.

도4는 본 고안의 구체예인 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔의 응력-변형률 선도이다.

도5a,도5b,도5c 및 도5d는 본 고안의 구체예인 프리스트레스트 합성빔의 제작순서도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10:강형 20:하부플랜지콘크리트

본 고안은 프리스트레스트 합성빔의 효율적인 제작 및 효율적인 품질관리방법이 가능하도록, I형 또는 H형 강형에 잔존하는 잔류응력을 제거된 프리스트레스트 합성빔을 제공하는 것으로서, 이는 I형 또는 H형 강형의 반복 과하중에 의한 영구변형을 유도하지 않아, 강형에 무리가 가지않는 1차례의 프리플랙션 하중만을 가하여 강형의 내부잔류응력을 제거하고, I형 또는 H형 강형의 상부플랜지 부위의 잔류응력도 함께 제거될 수 있도록 강형의 하부플랜지 및 상부플랜지 양자에 동일하게 강형에 무리가 가해지지 않는 프리플랙션 하중을 재하하는 것에 특징이 있으며, 이러한 방법으로 제작되어 작업공정이 단축되고 이로서 공사비가 절감되는 프리스트레스트 합성빔을 제공한다.

이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 도4 및 도5를 기준으로 설명한다. 본고안의 실시예는 프리스트레스트 합성빔의 제작에서, I형 강형 또는 H형 강형과 같이 프리스트레스트 합성빔의 내부에 매설되는 강형에 잔존하는 잔류응력을 영구변형으로 유도하지 않고 제거시킨 프리스트레스트 합성빔에 그 특성이 존재하므로, 이하 그 제작방법을 통하여 상세히 설명하며, 통상의 프리스트레스트 제작방법은 기존의 프리스트레스트 합성빔 제작방법과 동일한 방법으로 제작되므로 이에 대한 상세 설명은 생략한다.

본 고안의 실시예인 프리스트레스트 합성빔의 I형 또는 H형 강형에 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔은 잔류변형율을 고려한 설계 프리플랙션 하중값에 해당하는 1차 프리플랙션 하중만을 가하여 내부잔류응력을 제거된 소정의 형상의 강형; 및 상기 1차 프리플랙션 하중을 제거한 후, 강형의 하부플랜지에 콘크리트를 타설하여 형성된 하부플랜지 콘크리트를 포함한다.

강형은 역학적 특성이 우수한 단면의 I형 강형을 이용하는 것이 바람직하지만 반드시 이에 한정되는 것이 아니며 이하 I형 강형을 기준으로 설명한다. 프리플랙션 하중을 프리스트레스트 합성빔에 도입하기 위하여, 미리 중앙상부가 솟음처리된 것을 이용하는 것은 통상의 프리스트레스트 합성빔을 제작하는 것과 동일하다.

즉, 도5a 내지 도5d에서 알 수 있듯이, 상기 솟음처리된 I형 강형(도5a)에 한 번의 프리플랙션하중을 재하하여(도5b) I형 강형에 잔존하는 잔류응력이 제거된상태에서, I형 강형의 하부플랜지에 하부플랜지 콘크리트를 타설한 후 양생하고(도5c), 상기 프리프랙션하중을 제거하여 프리스트레스트 합성빔(도5d)을 완성시킨다. 이때 I형 강형의 잔류응력이 제거되는 과정을 I형 강형에 프리플랙션하중을 도입하는 과정에서의 응력-변형률선도인 도4를 기준으로 설명하면 다음과 같다.

보통 일반 후판(두꺼운 강판)을 겹겹이 사용하여 제작된 I형 강형의 잔류응력에 의한 내부잔류변형은 약 7%~13%으로서 일정하지가 않다. 이러한 강형의 내부잔류변형량을 고려하여 강형 내부잔류응력을 제거하는 방법을 살펴보면, 도4의 응력-변형률선도와 같이 프리플랙션하중 재하 시 잔류변형 10%를 고려하여 I형 강형을 제작을 하였을 경우 이론적인 하중 재하는 종래의 방법에 의하면 프리플랙션하중 0.98fy의 10%를 할증된 값으로 하중 재하를 하여야하나(점A´) 설계 캠버(솟음)를 10%할증한 변형률(점D)을 갖더라고 하중 증가(점A) 없이 도달되어진다. 즉 프리플랙션하중 재하시 굳이 상기 종래기술과 같이 A´점까지 프리플랙션하중을 가하지 않더라도 내부잔류응력이 소멸되어 짐에도 불구하고(강형이 항복하는 A점에서 추가적인 하중증가 없이도 강형의 변형이 진행됨을 간과하는 것이다) I형 강형에 무리한 하중을 재하하는 비효율적인 제조공정(종래기술의 과도한 1차 프리플랙션 하중)이 추가된다는 것을 의미하며, 본 고안이 제거하고자하는 작업공정이 된다. 이러한 작업공정은 강형의 제작공정에 상당한 시간(한개 또는 수개의 강형에 가해지는 프리플랙션하중의 재하횟수는 교량의 길이에 따라 프리플랙션하중의 재하시간이 보통 수시간에서 수일에 걸쳐 진행되기 때문에 재하공정을 한번이라도 줄일 수 있다면 교량전체 제작공기는 종래의 방법과 비교하여 상당한 차이를 가질수 있으며, 비용적 적으로도 대형장비가 이용되는 만큼 종래의 방법은 상당한 제작비의 비효율성을 수반하게된다. 본원 고안과 같이 단 한번의 프리플랙션하중을 즉 도4의 점 A까지 가함으로서 최종적으로 강형의 잔류응력 제거량을 살펴보면 잔류변형률의 선분CD(선분OO′)가 되는 것이며 최종 변형률은 설계변형률 선분OD(선분O′C)로 동일하게 되어 하부플랜지 콘크리트타설 및 프리플랙션하중 제거 후 설계하중이 작용하는 동안 선분OB 즉 탄성범위에 있게되어 설계와 시공의 일체성을 이룰 수 있다. 즉 강형의 응력-변형률선도는 잔류응력 제거후 설계하중이 작용하는 동안 응력축은 강형 고유의 축F에 있게 되어, 설계 시 잔류응력에 의한 잔류변형에 기준과 실제 강형에 가해지는 실제하중의 거동이 일치하게 되어 보다 비용, 제작공기의 면에서 효율적인 프리스트레스트 합성빔의 제작 및 이를 이용한 시공이 가능하게되는 것이다.

결국, 과도한 프리플랙션하중(0.98fy)을 최소화(1회)하여 내부잔류응력을 제거함으로써 여타의 반복 재하에의한 내부잔류응력 방법은 내부잔류응력 제거와 더불어 소성변형을 초래할 수 있는 유해한 시공공법을 개선할 수 있으며 작업단계를 개선함으로써 공기를 단축할 수 있어 경제적인 시공공법이 된다. 주의해야할사항은 I형 강형 제작 시 잔류변형을 고려하여 제작하되 I형 강형의 재료마다 잔류응력은 각각 다르므로 잔류변형 제거 시 설계 프리플랙션하중 이상을 재하하면 I형 강형 자체 재료손상을 가져올 수 있으므로 설계 변형(솟음)과 설계하중의 상관관계를 항상 일정하게 지켜지도록 시공을 해야하며, 이는 작업조건에 따른 설계시방서가 미리 작성됨으로서 해결 가능하다.

상기와 같은 1차례의 프리플랜션하중을 I형 강형의 상부면에 직접 재하하는 경우에, I형 강형의 하부플랜지에는 인장응력이 가해지고, I형 강형의 상부플랜지에는 압축응력이 가해지게 되는데, 이때 I형 강형의 하부플랜지 부위에 존재하는 내부잔류응력(특히 용접에 의한 것)은 상기 인장응력에 의해서 제거되는 반면, 상부플랜지 부위에 존재하는 잔류응력은 그 크기면에서 하부플랜지와 거의 동일함에도 압축응력만 가해질 뿐이어서 실제로 제거되지 않은 상태가 될 수 있는데, 이러한 상부플랜지 잔류응력이 계속 잔존하더라도 안정성 확보(상부플랜지의 압축좌굴에 의한 파괴가 되지 않을 정도로 설계되는 경우)에 문제가 없는 경우에는 상기와 같이 1차례의 프리플랙션하중을 I형 강형에 재하하는 것으로 프리스트레스트 합성빔의 제작이 가능하지만, 프리스트레스트 합성빔을 이용한 교량 완공후, 프리스트레스트 합성빔의 시간이 지남에 따른 내구성의 저하로 외부하중의 반복적인 재하에 따라 잔류응력이 제거되지 않은 상태의 압축플랜지는 압축좌굴파괴가 발생할 수 있고(I형 강형의 내구성저하로 인한 것), 압축플랜지의 압축 및 인장을 반복함에 따라(교통하중과 같은 외부하중이 교량을 통과하는 경우 일시적으로 I형 강형의 상부플랜지에 압축응력이 가해지고 , 차량이 교량을 벗어나게 되면 I형 강형의 상부플랜지에 일시적으로 인장응력이 가해지게 되므로 상부플랜지 부위에 잔존하는 잔류응력이 시간이 지남에 따라 제거되는데, 이러한 I형 강형의 상부플랜지의 잔류응력의 단계적인 감소량 만큼, 프리스트레스트 합성빔을 이용한 교량의 처짐을 유발할 수 있어 교량의 사용성에 문제가 발생할 여지가 있는 경우에는 상기 상부플랜지 부위에 존재하는 잔류응력을 제거할 필요가 있다. 이러한 경우에는 상술한 1차례의 프리플랜션하중을 I형 강형에 재하하여 하부플랜지의 잔류응력을 제거한 후, 도면에는 도시하지 않았으나 상기 I형 강형을 뒤집어 상기 하부플랜지가 상부플랜지로서 다시 1차례의 프리플랙션하중이 가해짐으로서 잔류응력이 제거되게 하여, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있다. 결국 상부플랜지 및 하부플랜지에 존재하는 잔류응력을 1차례씩 프리플랙션 하중(0.98fy)을 가함으로서 제거하게된다.

본 고안은 종래의 프리플랙션하중을 2회에 걸쳐 재하하여 I형 또는 H형 강형의 영구변형을 유도하지 않고서도 I형 또는 H형 강형에 잔존하는 잔류응력을 제거할 수 있으며, 상부플랜지 및 하부플랜지에 존재하는 잔류응력을 동시에 제거하는 방법으로 프리스트레스트 합성빔을 제작하므로, 안정된 프리스트레스트 합성빔의 제작이 가능하면서도, 프리스트레스트 합성빔의 제작과정에서 시간 및 비용이 많이 소요되는 프리플랙션 하중 재하 공정의 단계를 단순화하여 작업공기를 단축할 수 있고 이로서 공사비를 절감할 수 있어 매우 효율적인 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔을 제공한다.

Claims (3)

1. 잔류변형율을 고려한 설계 프리플랙션 하중값에 해당하는 1차 프리플랙션 하중만을 가하여 내부잔류응력을 제거된 소정의 형상의 강형; 및

   상기 1차 프리플랙션 하중을 제거한 후, 강형의 하부플랜지에 콘크리트를 타설하여 형성된 하부플랜지 콘크리트;

   를 포함하는 프리스트레스트 합성빔으로서, 반복적인 과다 프리프랙션 하중에 의한 강형의 영구변형을 유도하지 않고 강형의 잔류응력이 제거된 것을 특징으로 하는 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔.
2. 제1항에서, 상기 1차 프리플랙션 하중은 설치된 강형의 상부플랜지에만 1차 프리플랙션 하중이 가해지는 것을 특징으로 하는 잔류응력이 제거된 프리스트레스트 합성빔.
3. 제2항에서, 상기 1차 프리플랙션 하중이 가해진 강형은 강형을 뒤집어 하부플랜지가 상부플랜지가 되도록 위치시킨 후, 상기 1차 프리플랙션 하중과 동일한 크기의 2차 프리플랙션하중이 추가로 더 가해진 강형인 것을 특징으로 하는 잔류응력이 제건된 프리스트레스트 합성빔.