KR200297321Y1 - 프리스트레스를 도입한 강재보 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량이나 보도육교 또는 건축물의 보나 지붕의 보 등에 활용되는 강재보 및 그 제작방법과 그 강재보에 의한 교량 시공방법에 관한 것으로 3개의 부재, 즉 저강도 탄성재인 강형재(I형강, 이를 변형한 제작빔 또는 이들을 조립한 조립빔이나 조립상자형 빔; 이하 설명의 편의를 위해 강형재는 I-Beam으로 사용키로 함)와, 고강도 탄성재인 텐던(Tendon)(강봉이나 강선 또는 strand)과 정착부(Anchorage)로 이루어진 것이다.

이들 3개 부재의 상호 결합관계를 보면, I빔(I-Beam)에는 그 하단 양단부 부근에 정착부가 형성되어 있으면서 텐던은 I빔(I-Beam)과 평행하게 소정의 편심거리(△)를 두고 정착부에 정착되어 거동하게 된다.

Description

프리스트레스를 도입한 강재보{Prestressed steel beam}

본 발명은 교량이나 보도육교 또는 건축물의 보나 지붕의 보 등에 활용되는 강재보 및 그 제작방법과 그 강재보에 의한 교량 시공방법에 관한 것으로 교량 등의 구조물 가설의 경제성을 극대화하고, 가설 구조물의 안정성을 최대화하며 이와 동시에 시공성도 향상시키기 위하여 새로운 개념의 외부 프리스트레싱(Prestressing) 강재보를 창안하는데 본 발명의 목적이 있다.

또 다른 목적으로는 프리스트레스트(Prestressed) 합성보(예, 프리플랙스 보, PSC 보 등)의 구조역학상의 한계(장대화의 한계, 재하 하중 수용 능력의 한계, 프리스트레스 손실량 보정의 한계)를 극복하고자 함에 본 발명의 또다른 목적이 있다.

일반적으로 프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete(PSC))란 '외력에 의하여 일어나는 응력을 소정의 한도까지 상쇄할 수 있도록 미리 인위적으로 그 응력의 분포와 크기를 정하여 내력(內力)을 준 콘크리트'라고 정의할 수 있다. 이와 같이 외력에 의해 교량의 하부에 발생하는 인장응력을 상쇄하기 위하여 미리 인위적으로 콘크리트에 준 응력을 프리스트레스(Prestress)라고 하며, 콘크리트에 프리스트레스를 주는 일을 프리스트레싱(Prestressing)이라 한다.

본 발명의 외부 프리스트레싱 강재보도 프리스트레싱과 관련이 있으면서 역학적으로 독특한 구조형태를 이루고 있는 새로운 개념의 프리스트레스트 조합보라고 할 수 있는데, 이에 대한 기술적 특징 및 역학적 특징을 좀더 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위하여 프리스트레싱의 관점에서는 프리플렉스 보와, 그리고 구조형태의 관점에서는 교량 보수 기술과 가장 가깝게 그 유사점이 엿보일 수 있기 때문에 이 둘을 대상으로 하여 이들과 본 발명의 강재보와의 차이점에 대하여 살펴보기로 하겠으며, 그 결과에 의해 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제도 도출이 될 것이기 때문에 그런 다음 본 발명에서 제시하는 새로운 개념의 외부 프리스트레싱 강재보에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 프리플렉스(Preflex) 합성보에 대하여 살펴보면(도3), 프리플렉스 합성보는 인장에 강한 I형 강재와, 압축에 강한 콘크리트를 합성시켜 프리스트레스를 도입시킨 역학적 특성을 갖는 보로서 프리스트레싱은 I형 강재에 의하여 이루어지고, 이에 대응되는 I형 강재의 인장측 플랜지(즉, 하부 플랜지)에 타설된 콘크리트에는 압축응력의 프리스트레스가 도입되도록 한 것이다. 재하 하중에 의한 프리플렉스 합성보의 거동 메카니즘을 살펴보면, 프리플렉스 합성보는 역학적 특성상 재하 하중에 대하여 상향으로 솟은 캠버(Camber)의 범위 내에서만 거동이 가능하기 때문에 프리플렉스 합성보는 캠버(Camber)=0 에서 최대의 재하 하중을 지지할 수 있게 된다.

재하 하중이 최대 재하 하중보다 커져서 캠버(Camber)=0 이하로 처지게 되면, 프리플렉스 합성보의 하부 콘크리트에 인장응력이 작용되어 균열이 발생하게 되고, 이러한 균열상태에 이르면 프리플렉스 합성보는 파괴되었다고 보는 것이 일반적인 개념이다. 따라서, 프리플렉스 합성보의 결점으로는 프리플렉스 합성보는 캠버(camber) = 0 이하에서는 더 이상 재하 하중을 받을 수 없다는 구조역학상의 한계 때문에 장대화의 한계 및 재하 하중 수용능력의 한계에 문제점이 있고, 또 프리플렉스 합성보는 I형 강재와 콘크리트가 합성된 일체적 결합으로 이루어진 것이므로 분리가 불가능하여 시공 후 프리스트레스 손실량 보정이 곤란하다는 결점이 있다.

다음으로 교량 보수 기술과의 관계를 살펴보면(도4), 보의 노후화로 인하여 내구성이 저하되어 그 처짐이 허용의 범위를 벗어나 거의 파괴직전에 이른 보를 대상으로 하여 그 측면부에 인장력을 가한 강선이 보의 중앙부에서 수직 상향력으로 작용되도록 한 강선 배치를 한 것으로서, 강선의 수직 상향력에 의하여 단순히 처진 상태의 보를 보강해 주고자 하는 기술이다.

이러한 교량 보수 기술은 보의 처짐을 근원적으로 해결하기 보다는 임시적으로 조치하는 수단에 불과하며, 이렇게 배치된 강선의 작용에도 불구하고 처진 보에는 전혀 프리스트레스의 개념이 도입될 수도 없고, 또 그럴만한 기술적 여지도 전혀 없는 것이므로 프리스트레스 도입은 처음부터 불가한 것이라 하겠다.

따라서, 교량 보수 기술은 외관과 형태가 본 발명과 비슷하게 보일지는 모르나 보에 프리스트레스를 도입하기 위한 기술도, 보의 장대화를 위한 기술도 아닌, 단지 파괴위험 수준에 이른 처진 보를 긴장력과 강선배치에 의하여 임시적으로 지지해주는 기술에 불과하기 때문에 본 발명의 외부 프리스트레싱 강재보와는 기술 본질상 전혀 상이한 것이므로 이는 본 발명과 비교하여 전혀 고려의 대상이 될 수 없는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 다음과 같다.

첫째, 프리스트레스트 합성보(Preflex, PSC)의 구조역학상의 한계와, 이로부터 파생되는 장대화의 한계 및 재하 하중의 수용능력의 한계, 그리고 시공 후 손실량 보정이 자유롭지 못한 한계성을 해결하고자 하는데 있고,

둘째, 상기의 한계성을 극복하는 것을 포괄하면서도 전혀 새로운 개념의 외부 프리스트레싱 강재보를 탄생시키고자 하는데 그 주안점을 두고 있다.

도 1은 본 발명을 적용한 프리스트레스를 도입한 강재보의 사시도.도 2는 본 발명 프리스트레싱 강재보와 재하 하중과의 거동 관계를 나타내는 설명도.(a) : 강형재 (I-beam)(b) : 본 발명 프리스트레를 도입한 강재보에 프리스트레싱이 가해지지 않은 상태도(c) : 텐던에 프리스트레싱을 가한 상태도 (캠버량 e1 발생)(d) : 하중 재하시 거동(e) : 재하 하중이 제거되어 (c)의 상태로 회복된 상태도도 3은 종래의 프리플렉스(Preflex) 빔 거동을 나타내는 설명도.(a) : 강형재 (I-Beam)(b) : 솟음치(e) 도입(c) : 콘크리트 타설 및 양생(d) : 하중 재하시 거동 한계도 4는 종래의 교량 보수보강을 나타내는 설명도.(a) : 노후화된 교량 (처짐 e 발생)(b) : 인장력(T)에 의한 수직 상향력(V) 발생

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 강형재(I-Beam) 11 : 복부판

12 : 상부플랜지 13 : 하부플랜지

20 : 텐던(Tendon; 긴장재)

30 : 정착부(Anchorage)e1 : 솟음에 의한 간격 (e1) △ : 편심길이(△)T : 인장력(T) V : 수직 상향력(V)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 본 발명이 추구하는 "외부 프리스트레싱 강재보"를 통해서 한꺼번에 모두 다 해결되는 것이므로 외부 프리스트레싱 강재보의 기술적 구성과 거동 메카니즘(Mechanism) 등을 시작으로 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

본 발명 외부 프리스트레싱 강재보는 3개의 부재, 즉 저강도 탄성재인 강형재(I형강, 이를 변형한 제작빔 또는 이들을 조립한 조립빔이나 조립상자형 빔; 이하 설명의 편의를 위해 강형재는 I-Beam으로 사용키로 함)(10)와, 고강도 탄성재인 텐던(강봉이나 강연선 또는 strand)(20)과 정착부(Anchorage)(30)로 이루어져 있다.

이들 3개 부재의 상호 결합관계를 살펴보면, I빔(I-Beam)(10)에는 그 하단 양단부 부근에 정착부(30)가 형성되어 있고, 텐던(20)은 I빔(I-Beam)(10)과 평행하게 소정의 편심거리(△)를 두고 정착부(30)에 정착되어 있다. (도1)

본 발명의 외부 프리스트레싱 강재보의 프리스트레싱에 의한 거동관계를 살펴보면, 텐던(20)을 프리스트레싱 하면, 양단 정착부(30)에 의하여 텐던(20)의 인장력이 I빔(I-Beam)(10)에 전달되면서 I빔(I-Beam)(10)에 솟음이 발생된다. 역학적 특징으로는 텐던(40)의 인장력과 I빔(I-Beam)(10)의 압축력으로 인하여 내력 모멘트 커플이 발생하는 점에 있다.

이제, 외부 프리스트레싱 된 강재보가 재하 하중에 의하여 어떻게 거동되는가에 대한 그 거동 메카니즘을 살펴보기로 한다.

본 발명의 외부 프리스트레싱 강재보는 재하 하중에 의하여 상향 솟음(Camber) 거동을 하게 된다. 상향 캠버(Camber) 거동에서는 상부 재하 하중은 텐던(20)과 I빔(I-Beam)(10)에 의하여 이루어진 캠버(Camber) 범위 내에서만 지지되고, I빔(I-Beam)(10)이 수평이 된 상태, 즉 캠버(Camber)=0에서 최대 재하 하중(w_max)을 지지하게 된다.

본 발명 프리스트레를 도입한 강재보의 거동 메카니즘을 I빔(I-Beam)(10)의 하부플랜지(13)(즉, 인장플랜지)의 관점에서 살펴보면, 상향 캠버(Camber) 거동에서는 하부 플랜지(13)가 압축응력을 유지하다가 하향 처짐 거동에 이르면 I빔(I-Beam)(10)의 하부플랜지(13)는 인장응력으로 전환되는 역학 관계를 이루고 있어 I빔(I-Beam)(10)의 하부 플랜지(13)는 상부 재하 하중의 크기에 따라 압축응력 또는 인장응력으로 순환되는 역학적 특성을 지닌 거동 메카니즘이라고도 말할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 결과적으로 본 발명의 프리스트레스를 도입한 강재보는 거동 메카니즘이 프리플렉스, PSC 합성보와는 달리 재하 하중의 수용능력이 기존의 프리플렉스, PSC 합성보에 비하여 훨씬 클 뿐만 아니라 이에 따라 그만큼 장대화가 가능하고 경제적인 시공도 가능하게 된 것이다.

지금까지는 외부 프리스트레싱 강재보의 거동 메카니즘을 중심으로 설명하였고, 이제부터는 중요한 세부 사항을 중심으로 설명해 보기로 한다.

그 다음으로 본 발명의 외부 프리스트레싱 강재보는 부착식 강재 합성보와는 달리 I빔(I-Beam)(10) 상의 정착부(30)에 텐던(20)이 비부착 조립식으로 정착되어 있기 때문에 시공 후에도 프리스트레스 손실 보정을 더욱 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다.

지금까지 본 발명 외부 프리스트레싱 강재보의 설명을 다음과 같은 역학적 특징으로 정리할 수 있다.

① 텐던(20)에서의 인장력과 I빔(I-Beam)(10)에서의 압축력으로 인한 모멘트 커플이 발생하고,

② 프리스트레싱은 I빔(I-Beam)(10)의 인장 플랜지(13)에서의 항복을 지연시킨다.

③ 프리스트레싱에 의하여 I빔(I-Beam)(10)의 하부플랜지(13)에서 압축응력과 인장응력이 순환하게 된다.

④ 고강도 텐던(20)으로 저강도 I빔(I-Beam)(10) 강재를 대체함으로서 경제적으로 우수함을 보여주고 있다.

⑤ 텐던(20)에 프리스트레싱을 가함으로서 생기는 결과로 구조물의 부정정여력(Redundancy)이 증가하고 이는 구조물의 안전성을 향상시킨다.

한편, 외부 프리스트레싱 강재보로서 교량을 시공하는 방법에 대하여 설명하면, 상기에서 설명한 바와 같은 구성을 갖는 외부 프리스트레싱 강재보는 텐던에 프리스트레싱을 시키지 않은 상태까지는 공장에서 제작이 가능하며, 이렇게 제작된 강재보를 교각 위에 거치 시킨 후 현장에서 텐던에 프리스트레싱 함으로서 공장 규격화되어 생산된 강재보를 현장에서 프리스트레싱 작업을 더해 교량 가설을 완성하는 시공 방법이다.

이와 같이 구성된 외부 프리스트레싱 강재보는 텐던에 프리스트레싱을 도입함으로서 플랜지(13)의 항복을 지연시키므로 장대화가 가능하고, 부정정여력(Redundancy)이 향상되어 강재보의 안전성이 확보되며, 또한 경제적인 시공이 가능할 뿐 아니라 공장에서 규격화 및 표준화가 가능한 효과를 지닌 유용한 발명이다.

상기한 것과 같이 본 발명 기술에 의하면, 교량이나 보도육교 또는 건축물의 보나 지붕의 보 등에 활용되는 강재보를 발명함으로서 교량 등의 구조물 가설의 경제성을 극대화하고, 가설 구조물의 안정성을 최대화하며 이와 동시에 시공성도 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또 기존 기술과는 달리 구조 역학상의 한계(장대화의 한계, 재하 하중 수용능력의 한계)를 극복할 수 있고, 정착부(30)와 텐던(20)의 연결이 완전 고정이 아닌 조립식으로 되어 있으므로 사용 중에 프리스트레스의 손실량 보정 또는 교량 등급의 상향 조정이 가능한 효과가 있다.

한편, 동일 주형의 두께와 높이를 기준으로 하면 훨씬 높아진 내하력을 보유하므로 구조물의 안정성을 높일 수 있게 되며, 뿐만 아니라 교량 빔의 경우 그 길이를 더 연장시킬 수 있게 되므로 교각의 수를 줄일 수 있는 등 건설비용을 획기적으로 절감할 수 있고 외관상으로도 미려한 외관을 확보할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 저강도 탄성재인 강형재(10)와, 고강도 탄성재인 텐던(20)과 정착부(30)로 이루어지고, 강형재에는 그 하단 양 단부 부근에 정착부(30)가 형성되어 있으면서 텐던(20)은 편심거리(△)를 두고 강형재와 평행하게 정착부(30)에 정착되는 구성이며, 텐던(20)에 프리스트레싱을 가함을 특징으로 하는 프리스트레스를 도입한 강재보
2. 저강도 탄성재인 강형재(10)와, 고강도 탄성재인 텐던(20)과 정착부(30)로 이루어지고, 강형재에는 그 하단 양 단부 부근에 정착부(30)가 형성되어 있으면서 텐던(20)은 편심거리(△)를 두고 강형재(10)와 평행하게 정착부(30)에 정착되며, 이들이 결합된 상태에서 재하 하중에 의하여 상향 솟음(Camber) 거동과 하향 처짐 거동이 일어나도록 구성함을 특징으로 하는 프리스트레스를 도입한 강재보
3. 저강도 탄성재인 강형재(10)와, 고강도 탄성재인 텐던(20)과 정착부(30)로 이루어지고, 강형재에는 그 하단 양단부 부근에 정착부(30)가 형성되어 있으면서 텐던(20)은 편심거리(△)를 두고 강형재와 평행하게 정착부(30)에 정착되며, 이들이 결합된 상태에서 재하 하중에 의하여 I빔(I-Beam)(10)의 하부 플랜지(13)가 압축응력 또는 인장응력으로 순환 가능하도록 구성됨을 특징으로 하는 프리스트레스를 도입한 강재보
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