KR20030069766A - 연속 절곡 긴장재를 이용한 프리스트레스트 거더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2경간 이상의 연속 거더 교량에 거더의 형고 내에서 측면으로 돌출시킨 정착구를 이용하여 경간 중앙에서는 긴장재를 거더의 측면에 V형으로 절곡하여 배치하고 연속부에서는 상부 측면에 긴장재를 배치하여 프리스트레스(prestress)를 도입한 연속 교량 거더에 관한 것이다. 본 발명은 주로 도로교나 보도육교 등의 교량용 거더로 적합하고 기타 건축물의 보나 지붕도리로 이용될 수 있는 것으로서, 연속화 효과와 연속 긴장재의 사용 그리고 경간 중앙부에서 편향부(16)를 이용한 효과에 의해 기존의 거더와 비교하여 부피와 무게를 줄이고 특히 슬림화와 장경간화 그리고 외력에 대한 내하력(하중에 견디는 힘)을 향상시킨 연속 절곡 긴장재를 이용한 프리스트레스트 거더이다.

본 발명은 정착부(15,15')와 편향부(16)가 I형강 빔의 수직리브(stiffner)의 역할을 겸하면서 거더의 단면 외부 측면에서 프리스트레스를 가할 수 있도록 브라켓의 형태로 제작되어 긴장재(14,14')와 수직리브와의 간섭에 의한 리브의 절단 문제를 해결하여 안전성을 확보하고 있다.

상기의 측면 돌출시킨 정착부(15,15')를 이용하여 다경간 거더 각각의 경간 중앙부(교각과 교각 사이)에서는 하중 재하에 의한 처짐과 아래로 휘는 힘(정모멘즈)의 제어를 위해 측면에 V형으로 긴장재(14)를 배치하고, 경간 사이의 연속 지점부(교각에 걸친 부분)에서는 하중의 재하에 의해 발생하는 상부가 벌어지는 힘(부모멘트)을 제어하기 위하여 거더 상부 측면에 긴장재(14')를 배치하여 상부쪽에 프리스트레스(prestress)를 가함으로서 외부하중 작용 시 발생하는 굽힘응력을 거더 경간의 중앙부와 연속부에서 모두 안전하게 받아줄 수 있다.

상기의 경간 중앙부에는 거더 하단 측면에 편향부(Deviator)(16)를 고정하여 그 하단부에 인장력이 도입된 긴장재를 지탱시켜 외부하중 작용 시 굽힘응력을 보다 안전하게 받아줄 수 있으며, 외부 하중에 의해 적정량의 변형(처짐)이 발생했을 시에 편향부가 긴장재를 아래로 더 많이 누름으로서 긴장재가 더 큰 인장력을 받아서 프리스트레스 효과를 높이는 것을 특징으로 하는 연속 절곡 긴장재를 이용한 프리스트레스트 거더이다.

상기의 긴장재 사용 시 편향부가 긴장재와 닿는 하단면은 긴장재가 그 축방향의 하중을 받을 수 있는 상태에서의 최소 곡률반경에 맞춰서 말발굽 형상으로 설계되어짐으로서 안전성을 확보하고 있다.

Description

연속 절곡 긴장재를 이용한 프리스트레스트 거더{Prestressed Continuous Girder with Bended Tendon}

본 발명은 도로교나 보도육교 등의 교량용 빔(beam)으로 적합한 연속 절곡 장력 강재보에 관한 것으로서, 특히 외력에 대한 굽힘강도가 향상되도록 연속 경간에 대해서 압축응력과 인장응력이 하중 재하 전에 작용되어 있는 프리스트레싱(prestressing)을 이용한 연속 절곡 장력 강재보에 관한 것이다.

기존의 도로교나 보도육교 등의 교량용 빔에는 일정 형상의 단면을 가진 압연철강재인 형강이나, 그 형강 및/또는 강판을 이음재료로 조립한 조립빔(built-up beam) 또는 조립상자형빔(built-up box beam)이 사용되었다.

이러한 교량용 빔은 상부에 작용하는 고정하중과 차량이나 군중에 의한 활하중에 의해서 빔의 중앙부분에 수직하중에 의해 아래로 휘는 방향의 힘을 받게 되는데 이러한 힘에 의해 아래로 휘는 변형이 발생되면 교량전체가 붕괴될 소지가 있으므로 그 수직 하중에 대한 충분한 굽힘강도를 보유하도록 설계될 필요가 있다.

연속 경간의 경우에는 연속빔의 지점부(중간 교각)에서 상부의 하중에 의해 오히려 위로 볼록하게 휘는 힘을 받게 되는데, 이 힘의 크기가 경간 중앙부의 아래로 휘는 힘보다 크기 때문에 이 힘에 대한 충분한 굽힘강도를 보유하기 위한 기술적인 문제 때문에 연속빔은 널리 사용되지 않고 있다.

기존의 교량용 빔은 이러한 하중에 대한 굽힘강도를 높이기 위해 재료 자체의 두께나 수직하중이 작용하는 방향으로 그 높이를 증가시켜 왔으며, 또는 하중이집중하는 부분에 보강리브를 용접하여 사용하여 왔다. 그리고 필요시에는 빔 상부에 콘크리트 바닥판을 일체화 시켜 굽힘강도를 증가시켰다. 또 이보다 발전된 기존 교량용 빔은 프리스트레스(prestress)를 빔의 하부에 도입하여 굽힘강도를 증가시키는 공법을 사용하여 왔다. 그러나 본 발명과 같이 프리스트레스를 경간 중앙에서는 하부에 도입하고 연속부분에서는 상부에 도입하여 재료의 증가 없이 굽힘강도를 극대화 시키지는 않았다.

상기와 같이 재료 자체의 두께나 높이를 증가시키는 방법 또는 보강리브를 용접하는 방법에 의하면, 재료비가 증가할 뿐 아니라 무게와 부피가 증가하여 운반 및 시공시의 취급이 어려워 물류비 및 시공비를 증가시키는 주된 요인이 되고 형하(주형하부;교량하부) 공간의 확보가 어렵게 된다.

또한 재료 자체의 두께나 높이를 증가시키거나 보강리브를 용접하여 높일 수 있는 강도에는 한계가 있으므로, 큰 하중을 감당하여야 하는 경우에 빔의 길이를 짧게 하거나 별도의 구조물을 시공하여야 한다. 따라서 이 경우에 교각의 수를 늘려야하고 별도의 구조물을 추가 시공하여야 하므로 건설비가 크게 증가하는 문제가 발생한다.

본 발명의 목적은 재료 자체의 두께나 높이를 증가시키거나 보강리브를 용접하는 종래의 방법에 의한 보강의 한계점을 넘어서 한층더 강도를 높일 수 있으며 연속화 시킴으로서 구조물 사양에 따라 강도의 조절 및 설계가 용이하도록, 외부에서 압축응력을 미리 작용시키는 프리스트레싱(prestressing)의 방법으로 외력에 대한 굽힘강도를 향상시킨 프리스트레싱을 이용한 연속 절곡 장력 강재보를 제공하는데 있다.

교량에서 연속화에 의한 공법의 기술적인 문제 중의 하나가 경간 중앙에 하중이 재하되었을 시에 연속 지점부에 발생하는 상향으로 휘려는 부모멘트(b)의 제어이다. 본 발명에서는 연속화에 따른 연속 지점부에서의 부모멘트(b)를 제어하기 위하여 연속부의 상부 측면에 정착구(15')를 설치하여 연속부 상부가 벌어지려는 힘을 연속 긴장재(14')에 프리스트레스를 도입함으로서 효과적으로 제어할 수 있다. 연속화에 의한 부모멘트의 발생은 결국 같은 지간 길이의 단경간 교량에서 발생하는 경간 중앙의 정모멘트(a)(아래로 휘는 힘)를 연속부에서 분담하는 결과이기 때문에 연속교에서 부모멘트를 제어함으로 지간 중앙부에서 발생하는 모멘트를 아래 그림과 같이 a에서 a'로 줄이는 효과(a'＜a)이므로 필요한 거더의 단면 또한 줄일 수 있게 된다. 따라서 본 발명의 다른 목적은 프리스트레스에 의한 충분한 강도를 보유하면서도 보다 부피가 작고 가벼우며 특히 슬림화(slim)되거나 장경간화가 가능한 프리스트레싱을 이용한 연속 절곡 장력 강재보를 제공하려는 것이다.

본 발명에서 형고의 저하를 위해서 제시한 I형 강재 빔의 형고 내에서 프리스트레스를 도입하는 것은 거더의 진행방향에 배치되어 있는 수직 보강리브(stiffner)들이 걸리기 때문에 복잡한 문제가 될 수 있다. 본 발명에서는 이를 해결하기 위하여 긴장재의 정착구(15,15',20)와 편향부(Deviator)(16)의 형상을 강재빔 단면 밖 측면에 두어 브라켓의 형상을 취하도록 하였다. 여기에서 정착구와 편향부는 리브(stiffner)의 역할을 대신할 수 있으므로 정착부나 편향부의 설치에 별도의 용접작업이 추가로 필요없게 되는 이점이 있다.

본 발명의 목적은 재료 자체의 두께나 높이를 증가시키거나 보강리브를 용접하는 종래의 방법에 의한 보강의 한계점을 넘어서 한층 더 강도를 높일 수 있으며 구조물 사양에 따라 강도의 조절 및 설계가 용이하도록, 외부에서 압축응력을 미리 작용시키는 프리스트레싱(prestressing)의 방법에 연속부에서의 연속긴장재(14')의 도입과 경간 중앙에서의 절곡된 부분에서 편향부 효과를 추가함으로서 외력에 대한 내하력을 향상시킨 연속 절곡 긴장재를 이용한 프리스트레스트 거더를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 결국 충분한 강도를 보유하면서도 부피가 작고 가벼우며 특히 슬립화(slim) 되거나 장경간을 갖는 연속형의 프리스트레스 거더를 제공하려는 것이다.

도 1은 본 발명을 적용하여 연속 절곡 긴장재(14')를 이용한 프리스트레스트 거더를 보인 사시도.

도 2는 본 발명 중 정착부(15,15')의 부분확대 사시도.

도 3은 본 발명 중 편향부(16)의 부분확대 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 강형재(I-beam) 11 : 복부판

12 : 상부 플랜지 13 : 하부 플랜지

14 : 정모멘트부 긴장재 14' : 부모멘트부 연속 긴장재

15 : 정모멘트부 정착부 15' : 부모멘트부 정착부

16 : 편향부(Deviator)

20 : 정착부 21 : 측면버팀부재

22 : 보강부재 23 : 날개판

24 : 보조부재

30 : 편향부(Deviator) 31 : 측면버팀수직보강재

32 : 곡선부재 33 : 보강부재

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 교량용 빔이나 보도육교용 빔의 본체에 강선, 강봉 등의 긴장재를 사용하여 외부하중에 의한 휨의 변형방향에 대항할 수 있도록 압축응력 및 인장응력을 미리 작용시켜 그 굽힘강도를 높일 수 있다는데 착안, 강재 빔의 형고내에서 변형이 발생할 수 있는 방향에 대해서 프리스트레스를 도입하여 압축응력 및 인장응력을 미리 작용시킨 연속 장력 강재빔을 구성하였다.

상기한 강재 빔은 기존의 H형강 I형강 등의 형강재나 강판재를 그대로 또는 변형된 제작빔(built-up beam)을 사용할 수 있으며, 또한 그 형강재나 강판재 또는 제작빔을 이은 재료로 조립한 조립빔이나 조립상자형빔을 사용할 수 있다.

상기한 긴장재의 지지수단으로서는 강재 빔의 단부나 수직리브를 활용하여 브라켓 형태의 지지수단(정착부)(15,15')을 강재 빔에 직접 고정하여 강재 빔의 형고 내측면에서 프리스트레스의 도입이 가능하게 한다. 정착구는 그 뒷판(21)에 고정되는 너트에 의해 브라켓에 압축방향의 힘을 주게 된다. 이 압축력은 삼각형 강판부재(23)에 의해 버팀부재(22)에 전달이 되며 보조부재(24)에 의해 강재 빔(10)에 분배되게 되므로 안정하다. 결과적으로 강재빔 단면 내에 긴장재(14,14')가 놓이지 않게 되므로 시공 시에 발생할 수 있는 보강리브(stiffner)들과의 겹침에 의한 리브의 절단 문제를 해결할 수 있고, 형고 또한 낮출 수가 있다.

또 빔에 하중이 작용 시에 편향부 위치에서는 하중의 크기에 비례한 하향의 변형(처짐)이 발생하게 되며 이에 의해 편향부(16)의 하단이 긴장재(14)를 아래로 누르게 된다. 편향부 역시 강재빔의 측면에 설치가 되어 리브(stiffner)와의 간섭은 없게 된다.

편향부와 긴장재는 교량의 사용 상태 하에서 차량이나 군중에 의한 활하중이 작용할 시에는 팽팽히 긴장되어 있는 긴장재가 더 늘어나려는 성질에 의해 더 많은프리스트레스를 도입한 것과 같은 효과가 생기게 되고 외부 하중에 대항한 응력이 생기게 된다. 설계시에 사용 변형(처짐) 하에서 긴장재에 작용하는 응력이 긴장재의 최대 용량에 못 미치게 설계를 하여 추가로 발생 가능한 변형에 대해서도 긴장재가 거더보다 먼저 파괴에 도달하지 않도록 설계하여 안전하게 된다.

또 편향부가 긴장재와 닿는 부분은 말발굽 형상을 하고 있는데 이의 곡률 역시 긴장재의 성질에 따라 설계 제작된다. 긴장재가 휘어서도 축방향의 인장되는 힘을 견딜 수 있는 최소의 곡률반경에 맞추어 편향부의 곡률(32)은 정해지게 된다.

본 발명에서는 이러한 정착구(15,15')와 편향부(16)의 형상에 의해서 강재 빔에서 연속거더의 형태를 가능하게 한다. 또 연속화에 의해서 정모멘트가 감소하고 연속 긴장재(14')에 의해서 연속화에 의해 발생하는 부모멘트를 제어함으로서 강재빔의 단면 감소와 형하 공간 확보의 효과가 있다. 형하 공간의 확보는 입체교차로 등에서의 상부 도로 전체 높이를 줄이는 효과와 하천에 설치 시 유수의 통수 단면적을 확보할 수 있어 안전성을 확보할 수 있다.

본 발명에 따른 프리스트레싱을 이용한 연속 장력 강재보는 긴장재에 의한 압축 및 인장응력이 작용되어 있으므로, 그 긴장재의 긴장력(tension)에 상응하여 보강된 굽힘강도를 보유한다. 즉, 강재 빔 자체의 두께나 높이에 비하여 훨씬 증대된 강도를 보유할 수 있게 되므로, 동일 하중을 기준으로 할 때 그 부피와 무게를 줄일 수 있고 특히 슬림화와 장경간화가 가능해진다.

이상의 실시예에서 설명된 바와 같이 본 발명에 의하면, 교량빔에 대하여 긴장재를 이용, 압축 및 인장응력을 작용시켜 외력에 대한 굽힘강도를 증가시키므로, 동일 하중에 대하여 강재 빔의 두께와 높이 등을 크게 줄일 수 있는 한편, 동일 두께와 높이로 할 때 훨씬 놓은 강도를 보유하면서도 장경간을 확보할 수 있는 구조물을 제공할 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 의하면 철골구조재의 재료비를 절감하는 동시에 부피와 무게의 감소를 통해 그 운반 및 시공을 위한 취급이 용이한 효과가 제공된다. 특히 본 발명은 슬림화된 교량빔을 제공함으로써 입체교차로 등의 높이를 낮출 수 있게 되므로 시공비를 크게 절감하는 효과가 제공되는 것이다.

한편, 동일한 강재 빔의 두께와 높이를 기준으로 하면 훨씬 높아진 강도를 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 건설비를 획기적으로 절감할 수 있다.

Claims (6)

1. 2경간 이상의 강재 빔(10)과 이 강재 빔의 길이방향에 있는 측면으로 돌출시킨 정착구(15,15')에 고정 연결되어 그 양단부가 상호 안쪽으로 잡아당겨지도록 긴장된 적어도 하나의 연속부 상부의 연속 강현부재(14')와, 적어도 하나의 경간 중앙 측면에 절곡 배치되어진 긴장재(14) 그리고 이 긴장재 중앙부를 활모양으로 지탱하는 지지수단(편향부)(16)을 이용하여 연속 거더의 경간 중앙부 및 연속부에 프리스트레싱에 의한 사용하중과 반대 방향의 압축 및 인장응력이 미리 작용되어 있는 연속 절곡 긴장재를 이용한 프리스트레스트 거더.
2. 제 1항에 있어서, 상기 강재 빔(10)에 수직 리브(수직 보강재;stiffner)의 역할을 겸하면서 강재 빔의 단면 외부 측면에서 프리스트레스를 가할 수 있도록 제작된 브라켓 형태의 정착부(15,15')와 편향부(16)를 설치함으로서 수직 리브와의 간섭을 없앤 것을 특징으로 하는 연속 절곡 긴장재를 이용한 프리스트레스트 거더.
3. 제 1항에 있어서, 측면 돌출시킨 정착부(15,15')를 이용하여 다경간 거더 각각의 경간 중앙부에서는 하중 재하에 의한 처짐과 아래로 휘는 힘(정모멘트)의 제어를 위해 하단 측면에 긴장재(14)를 배치하고, 경간 사이의 연속 지점부에서는 하중의 재하에 의해 발생하는 상부가 벌어지는 힘(부모멘트)을 제어하기 위하여 상단 측면에 긴장재(14')를 배치하여 상부쪽에 프리스트레스(prestress)를 가함으로서외부하중 작용시 발생하는 굽힘응력을 거더 경간의 중앙부와 연속부에서 모두 안전하게 받아줄 수 있음을 특징으로 한는 연속 절곡 긴장재를 이용한 프리스트레스트 거더.
4. 제 1항에 있어서, 긴장재(14)와 닿는 지지부재(16)의 하단면(32)의 형상이 긴장재가 하중을 받을 수 있는 상태에서의 최소 곡률반경에 맞춤을 특징으로 하는 연속 긴장재를 이용한 프리스트레스트 거더.
5. 활하중이 재하되기 전 단계에서 연속 지점부의 긴장재(14)의 프리스트레싱에 의해 긴장재와 지지부재 하단면(32) 사이를 적정 변형(처짐)량에 대비한 만큼 띄워 놓은 것을 특징으로 하는 연속 절곡 긴장재를 이용한 프리스트레스트 거더.
6. 제 5항에 있어서, 외부의 하중에 의해 적정량의 변형(처짐)이 발생했을 시에 긴장재(14)가 지지부재(16)에 의해 더 큰 인장력을 받아서 프리스트레스 효과를 높이는 것을 특징으로 하는 연속 절곡 긴장재를 이용한 프리스트레스트 거더.