KR200358339Y1 - 프리스트레싱 구조물 - Google Patents

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KR200358339Y1
KR200358339Y1 KR20-2004-0014902U KR20040014902U KR200358339Y1 KR 200358339 Y1 KR200358339 Y1 KR 200358339Y1 KR 20040014902 U KR20040014902 U KR 20040014902U KR 200358339 Y1 KR200358339 Y1 KR 200358339Y1
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박대열
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주식회사 스틸코리아
박대열
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Abstract

본 고안은 교량이나 보도육교 또는 건축물의 보나 지붕의 보 등에 활용되는 프리스트레싱 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프리스트레싱을 위한 텐던을 강형재의 하부에 평행하게 장착하고, 강형재의 중앙에 텐던과 비부착상태로 형성되는 편향부재를 장착하여 교량 가설의 경제성을 극대화하고 가설구조물의 안정성을 최대화할 수 있도록 하는 프리스트레싱 구조물에 관한 것이다.
상기 프리스트레싱 구조물은 강형재; 상기 강형재의 양끝단부 하부면에 각각 장착되며, 상기 강형재의 하부면에서부터 하방으로 갈수록 수평길이가 좁아지도록 소정 높이(h1)로 형성되는 한쌍의 고정부; 상기 강형재와 평행하도록 상기 한쌍의 고정부의 하부측을 관통하여 고정되는 텐던; 및 상기 강형재의 하부면 중앙부에 장착되며, 상기 고정부의 높이(h1)보다 크지 않은 높이(h2)를 갖도록 형성되는 편향부재;를 포함하고, 상기 텐던에 인장력을 가하여 상기 강형재를 프리스트레싱하고, 상기 강형재의 처짐이 발생하면 상기 편향부재가 상기 텐던과 접촉하여 텐던에 의한 상향 수직력을 강형재에 전달하도록 한다.
또한 상기 프리스트레싱 구조물을 상호 결합시켜 형성되는 가설 교량을 제공한다.

Description

프리스트레싱 구조물{prestressing structure}
본 고안은 교량이나 보도육교 또는 건축물의 보나 지붕의 보 등에 활용되는 프리스트레싱 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프리스트레싱을 위한 텐던을 강형재의 하부에 평행하게 장착하고, 강형재의 중앙에 텐던과 비부착상태로 형성되는 편향부재를 장착하여 교량 가설의 경제성을 극대화하고 가설구조물의 안정성을 최대화할 수 있도록 하는 프리스트레싱 구조물에 관한 것이다.
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.
이와 같은 프리스트레싱을 구현하기 위해 상기와 같이 콘크리트에 내력을 부가하는 방법뿐 아니라 프리플렉스(Preflex) 합성보를 사용하는 방법이 있다. 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.
프리플렉스 합성보의 제조 공정을 통해 그 구조를 살펴보면 도 1에 도시된 바와 같다. 도 1에서, 먼저 (a)와 같이 I형 빔(101)을 캠버(??)가 주어진 상태로 제작한다. 그 후, 도 1(b)에서와 같이 I형 빔(101)의 상부에 프리플렉션(preflexion) 하중(Pf)을 설계하중의 약 10~20% 추가하여 가한다.
이와 같이 플리플렉션 하중(Pf)이 가해진 상태에서는 I형 빔(101)의 캠버가 거의 없는 상태가 되며, 이때 I형 빔(101)의 하부 플랜지에 콘크리트(103)를 타설하고 양생시키게 된다. (도 1(c)) 다음으로 프리플렉션 하중(Pf)을 제거하면 콘크리트에는 압축응력이 도입되고 원래 캠버는 감소된 상태가 된다. (도 1(d))
이와 같은 프리플렉스 합성보의 재하 하중에 의한 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.
한편, 도 2는 교량 보수 기술을 도시한 도면으로써, 보(201)의 노후화로 인하여 내구성이 저하되어 그 처짐이 허용 범위를 벗어나게 된(거의 파괴직전에 이른) 보를 대상으로 하여, 그 하부에 인장력을 가한 강선(204)이 보의 중앙부에서 수직 상향력으로 작용되도록 한 강선 배치를 한 것이다. 강선(204)은 보(201)의 하부에 고정부(207)를 통해 고정되어 있고, 보의 하부에 하방으로 돌출되어 있는 하부 돌출부(206)에 강선(204)이 접촉하여 수직상향력을 보에 전달하게 된다. 이는 강선의 수직 상향력에 의하여 단순히 처진 상태의 보를 보강해주는 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 것이다.
본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 교량 등의 구조물 가설의 경제성을 극대화하고, 가설 구조물의 안정성을 최대화하며 이와 동시에 시공성도 향상시키기 위하여 새로운 개념의 외부 프리스트레싱(Prestressing) 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 고안은 새로운 개념의 외부 프리스트레싱 구조물을 제공하여 종래의 프리스트레스트 합성보(예를 들면, 프리플렉스 보, PSC보 등)의 구조역학상의 한계를 극복할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 프리플렉스 합성보의 제조 공정을 나타낸 것이다.
도 2는 교량 보수 기술을 도시한 것이다.
도 3은 본 고안인 외부 프리스트레싱 강재보의 사시도를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 'A'부분을 자세히 도시한 것으로써 고정부를 나타낸 것이다.
도 5는 도 4에서의 슬릿 부분의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 6은 본 고안인 프리스트레싱 구조물의 편향부재를 나타낸 것이다.
도 7은 편향부재의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 8은 편향부재의 하부면에 형성된 가이드 홈을 도시한 것이다.
도 9는 편향부재 하부면과 텐던이 닿은 모습을 도시한 것이다.
도 10은 본 고안인 프리스트레싱 구조물을 상호 결합시켜 교각안에 거치한 상태를 도시한 도면이다.
도 11은 본 고안인 프리스트레싱 구조물의 거동 매카니즘을 도시한 것이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
101 : I형 빔 103 : 콘크리트
201 : 보 204 : 강선
206 : 하부 돌출부 207 : 고정부
10 : 강형재 20 : 고정부
25 : 슬릿 26 : 관통구멍
30 : 텐던 40, 50 : 편향부재
43, 53 : 이탈방지부재 57 : 가이드 홈
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 고안은 강형재; 상기 강형재의 양끝단부 하부면에 각각 장착되며, 상기 강형재의 하부면에서부터 소정 높이(h1)로 형성되는 한쌍의 고정부; 상기 강형재와 평행하도록 상기 한쌍의 고정부의 하부측을 관통하여 고정되는 텐던; 및 상기 강형재의 하부면 중앙부에 장착되며, 상기 고정부의 높이(h1)보다 크지 않은 높이(h2)를 갖도록 형성되는 편향부재;를 포함하고, 상기 텐던에 인장력을 가하여 상기 강형재를 프리스트레싱하고, 상기 강형재의 처짐이 발생하면 상기 편향부재가 상기 텐던과 접촉하여 텐던에 의한 상향 수직력을 강형재에 전달하도록 하는 프리스트레싱 구조물을 제공한다.
상기 텐던은 초기상태에서 상기 편향부재와 접촉되지 않는 것이 바람직하다.
또한 상기 고정부는 상기 강형재의 하부면에 부착되어 고정되는 상부면, 상기 상부면과 수직으로 절곡되어 형성되는 측면, 및 상기 측면과 연결되고 상기 상부면과 소정 높이(h1) 만큼 평행하게 이격되어 형성되며 상부면보다 수평길이가 좁게 형성되는 하부면을 포함하고, 상기 측면에는 고정부의 높이방향으로 소정 길이(l)의 슬릿이 형성되어, 상기 슬릿을 통해 상기 텐던의 고정위치를 조정할 수 있는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 슬릿의 길이(l)가 전체 고정부의 높이(h1)의 절반보다 작은 것일 수 있다.
상기 프리스트레싱 구조물의 고정부는 상기 강형재의 하부면에 부착되어 고정되는 상부면, 상기 상부면과 수직으로 절곡되어 형성되는 측면, 및 상기 측면과 연결되고 상기 상부면과 소정 높이(h1) 만큼 평행하게 이격되어 형성되며 상부면보다 수평길이가 좁게 형성되는 하부면을 포함하고, 상기 측면에는 고정부의 높이방향으로 적어도 2개의 관통구멍이 형성되어, 상기 텐던의 관통위치를 변경하도록 하여 상기 텐던의 위치를 조정할 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 한 쌍의 고정부의 관통구멍은 서로 동일한 높이에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 프리스트레싱 구조물의 상기 편향부재의 하부는 소정 곡률을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 편향부재의 하부는 소정 곡률로 하방으로 돌출되는 한쌍의 접촉부를 갖고, 상기 강형재의 처짐 발생시에 상기 한쌍의 접촉부가 상기 텐던에 접촉하게 되어 두개의 접촉점을 형성하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 편향부재의 양측면에는 텐던의 이탈을 방지하도록 하는 이탈방지부재를 형성하는 것일 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 편향부재의 하부면에는 상기 텐던이 들어맞을 수 있는 폭의 가이드홈이 형성되어 텐던의 이탈을 방지하는 것일 수 있다.
또한 본 고안의 목적을 달성하기 위하여
강형재; 상기 강형재의 양끝단부 하부면에 각각 장착되며, 상기 강형재의 하부면에서부터 하방으로 갈수록 수평길이가 좁아지도록 소정 높이(h1)로 형성되고, 상기 강형재의 하부면에 부착되어 고정되는 상부면, 상기 상부면과 수직으로 절곡되어 형성되는 측면, 및 상기 측면과 연결되고 상기 상부면과 소정 높이(h1) 만큼 평행하게 이격되어 형성되는 하부면을 포함하는 한쌍의 고정부; 상기 강형재와 평행하도록 상기 한쌍의 고정부의 하부측을 관통하여 고정되는 텐던; 및 상기 강형재의 하부면 중앙부에 장착되며, 상기 고정부의 높이(h1)보다 크지 않은 높이(h2)를 갖도록 형성되는 편향부재;를 포함하고, 상기 고정부, 편향부재 및 텐던이 장착된 강형재 다수개를 교각 위에 거치시킨 후, 상기 텐던에 인장력을 가하여 상기 각각의 강형재가 캠버를 갖도록 프리스트레싱을 하여 형성되는 가설 교량을 제공한다.
상기 프리스트레싱을 하여 형성되는 가설교량의(이후 가설교량) 상기 고정부의 측면에는 고정부의 높이방향으로 전체 고정부의 높이(h1)의 절반보다 작은 길이(l)의 슬릿이 형성되어, 상기 슬릿을 통해 상기 텐던의 고정위치를 조정할 수 있는 것이 바람직하다.
또한 가설교량의 상기 한쌍의 고정부의 각각의 측면에는 고정부의 높이방향으로 적어도 2개의 관통구멍이 형성되어, 상기 텐던의 관통위치를 변경하도록 하여 상기 텐던의 위치를 조정할 수 있으며, 상기 한쌍의 고정부의 관통구멍은 서로 동일한 높이에 형성될 수 있다.
또한 상기 편향부재의 하부는 소정 곡률로 하방으로 돌출되는 적어도 하나의 접촉부를 갖고, 상기 강형재의 처짐 발생시에 상기 적어도 하나의 접촉부가 상기 텐던에 접촉하게 되어 적어도 하나의 접촉점을 형성하도록 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 편향부재의 양측면에는 텐던의 이탈을 방지하도록 하는 이탈방지부재를 형성할 수 있으며, 또한 상기 편향부재의 하부면에는 상기 텐던이 들어맞을 수 있는 폭의 가이드홈이 형성되어 텐던의 이탈을 방지하는 것이 바람직하다.
이하 본 고안에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 고안인 외부 프리스트레싱 강재보의 사시도를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 대로 본 고안 외부 프리스트레싱 강재보는 4개의 부재, 즉 저강도 탄성재인 강형재(10)와, 고강도 탄성재인 텐던(강봉이나 강연선 또는 strand)(30)과, 편향부재(Deviator)(40) 그리고 고정부(Anchorage)(20)로 이루어져 있다.
강형재
강형재(10)는 I형강, 이를 변형한 제작빔 또는 이들을 조립한 조립빔이나 조립상자형 빔 등을 의미한다. 본 실시예에서 강형재(10)는 I-빔을 예를 들어 설명하였다.
고정부
강형재(10)의 하부에는 고정부(20)가 장착된다. 고정부(20)는 강형재(10)의 하부면 양쪽 끝단에 각각 한쌍을 이루면서 장착된다. 고정부(20)의 형상은 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이 강형재와 접촉하는 부분이 그 하부 부분보다 길게 뻗어있는 형상을 갖게 된다. 즉, 상기 강형재(10)의 하부면에서부터 하방으로 갈수록 수평길이가 좁아지도록 소정높이(h1)로 형성된다.
상기 고정부(10)의 재질은 상기 강형재와 같이 저강도의 탄성재로 동일하게 형성될 수 있으며, 후술하는 텐던으로부터의 인장력에 충분히 견딜 수 있는 재질을 사용하게 된다.
도 4 및 도 5에서, 고정부(10)는 강형재(10)의 하부면에 부착되어 고정되는 상부면(21)을 갖는다. 고정부(10)는 상기 상부면(21)과 수직으로 절곡되어 형성되는 측면(22)을 포함하고, 또한 측면과 연결되는 하부면(23)은 상기 상부면과 소정 높이(h1) 만큼 평행하게 이격되어 형성된다.
도 4는 도 3의 A부분을 자세히 도시한 것으로써, 고정부를 나타낸 것이다. 측면(22)은 상기 상부면(21)과 수직으로 절곡되어 형성되며, h1 높이를 가진다. 상기 측면(22)에는 소정 길이(l)의 슬릿(25)이 형성되며, 상기 슬릿을 통해 텐던(30)의 고정위치를 조절할 수 있다. 상기 슬릿의 길이는 측면(22)에서 받을 압력의 고르게 분포하게 하여 고정부를 안정시키기 위해 전체 고정부의 높이(h1)의 절반보다작은 것이 바람직하다. 또한 도 5는 도 4에서의 슬릿 부분의 다른 실시예를 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 것처럼 텐던(30)의 위치를 조정하기 위하여 측면에 적어도 두 개 이상의 관통구멍(26)을 천공시킬 수 있다. 좌우 양측의 고정부에 형성되는 관통구멍(26)은 서로 동일한 높이에 형성되는 것이 바람직하다.
텐던
텐던(30)은 강봉 또는 강연선, 스트랜드(strand)가 될 수 있다. 텐던(30)은 상기 강형재(10)와 평행하도록 상기 고정부(20)에 고정된다. 텐던(30)은 바람직하게는 한쌍이 장착되며, 좌우 양측의 고정부(20)에 각 끝단이 고정된다. 텐던(30)은 고정부에 고정될 때 인장장치(예를 들면, 유압잭)를 통해 당겨진 상태가 되며, 이를 통해 상기 강형재(10)에 상향 캠버를 주게 된다.
따라서 텐던(30)은 인장력을 견딜 수 있도록 형성되어야 하므로, 상기 강형재에 비해 고강도의 탄성재로 형성되는 것이 바람직하게 된다. 상기 텐던(30)은 도 4에서와 같은 경우, 고정부(20)의 슬릿(25)을 통과하여 위치가 고정된다. 텐던(30)은 고정부(20)의 외부에서 인장장치(도시하지 않음)에 의해 인장될 수 있으며, 이를 너트와 같은 고정수단에 의해 고정부의 슬릿(25)외측에서 고정한다.
또한, 텐던(30)은 중공 유압잭(29)을 외측으로 밀어 인장시킬 수 있다. 중공 유압잭(29)에 유압기구를 넣어 텐던을 편향부재의 반대편측으로 밀게 되며, 긴장된 텐던을 상기 텐던(30)에 체결된 너트(24)로 고정시킨다. 상기 텐던(30)은 도 5에서와 같이 관통구멍(26)을 통과하여 너트와 같은 고정수단으로 고정시키는 것도 가능하다.
편향부재
도 6은 본 고안인 프리스트레싱 구조물의 편향부재(40)를 나타낸 것이다. 상기 강형재(10)의 하부면(13) 중앙부에 장착되는 편향부재(40)는 상부면(41), 측면(42), 하부면(44)를 포함한다. 편향부재(40)의 상부면(41)은 상기 강형재(10)의 하부면(13)에 부착되어 상기 편향부재(40)를 강형재(10)에 고정시킨다. 상기 상부면(41)에 수직으로 형성된 측면(42)은 고정부의 높이인 h1보다 높지 않은 높이(h2)를 갖도록 형성된다.
또한 상기 편향부재(40)의 하부(44)는 소정 곡률을 가지며 하방으로 돌출된다. 상기 강형재(10) 상부면(12)이 반복되는 하중의 인가를 통해 어느 정도의 압력으로 눌려질 때에 편향부재(40)의 하부(44)는 텐던(30)과 접촉하게 된다.
바람직하게는 도 7에서와 같이 편향부재(50)가 한 쌍의 접촉부(하부, 54)를 갖도록 형성할 수 있다. 도 6과 같이 편향부재(40)가 텐던(30)과 접촉하게 되는 접촉부가 한곳인 경우보다 도 7에 도시한 바와 같이 텐던(30)에 접촉하는 접촉부(54)가 두곳이 되면, 상기 강형재(10)에 전달되는 하중이 절반으로 분산되어 텐던에 가해지게 되며, 이는 텐던의 파단을 방지하고 수명을 보다 연장시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.
도 6 및 도 7의 편향부재(40,50)의 하부 접촉부(44,54)의 양측면에는 텐던(30)의 이탈을 방지하기 위하여 이탈 방지 부재(43,53)를 형성시킬 수 있다.또한 도 8에 도시하였듯이 편향부재(50)의 하부면(54)에는 상기 텐던(30)이 들어 맞을 수 있는 폭의 가이드홈(57)이 형성되어 텐던(30)의 이탈을 방지하도록 하는 것도 가능하다.
편향부재(40)의 하부(44) 형상은 고강도 텐던(30)이 수직하중을 받을 수 있는 상태에서의 최소곡률반경과 동일한 곡률반경을 갖도록 형성한다. 만약, 텐던(30)이 편향부재(40)를 통해 아래로 눌려서 최소곡률반경에 도달하였는데 편향부재(40)의 하부면(44)이 수평면이된다면, 반복 하중을 받는 텐던(30)이 편향부와 닿은 모서리 부분에서 쉽게 파손되기 때문에 적어도 그 하부면(44) 형상을 텐던(30)의 최소곡률반경이 되게 한 것이다.
강형재인 I빔(I-Beam)(10)의 하단 중앙부에 편향부재(40)의 상부면(41)을 고정 시키는 방식에 있어서는 I빔(I-Beam)(10)의 하부 플랜지(13)와 편향부재(40)의 상부면(41)에 구멍을 뚫어 고장력 볼트(도시하지 않음)로 고정시키는 것이 용접에 의한 것보다 유리한 방식이라 할 수 있다.
텐던의 위치 조절
본 고안은 상기 텐던(30)이 강형재(10)로부터 소정거리(h1) 이격되어 강형재(10)와 평행하게 설치되는 것을 특징으로 하며, 또한 최초상태에서 편향부재(40)가 상기 텐던(30)과 접촉하지 않을만한 길이(h2)로 편향부재(40)가 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 편향부재와 텐던이 소정거리로 이격되어 있다. 또한 본 고안에 의한 교량의 가설시에 가설 조건에 따라 텐던(30)과 편향부재(40) 사이의 간격을 조절할 수 있도록 고정부(20)에 슬릿(25) 또는 관통구멍(26)을 형성한 것을 특징으로 한다.
고정부(20)에 형성된 슬릿(25) 또는 관통구멍(26)은 텐던(30)이 강형재(10)로부터 이격되는 거리(h1)를 조절할 수 있게 한다. 텐던에 인장력을 가한 후의 강형재의 캠버로 인해 편향부재는 상부로 캠버량만큼 솟구치게 되며, 이러한 상향 캠버로 인하여 편향부재와 텐던 사이의 간격이 미리 산정된 설계값보다 크게 될 수 있다. 따라서 실제 시공시에 이를 조정할 필요가 발생할 수 있으며, 이를 위해 고정부에 텐던의 수평위치를 조절할 수 있는 조절수단을 형성하는 것이다.
프리스트레싱 구현
이상에서 살펴본 각 부재의 상호 결합관계를 살펴보면, 강형재인 I빔(I-Beam)(10)에는 그 하단 양단부 부근에 고정부(20)가 형성되어 있으면서 그 하단 중앙부에 수직상의 편향부재(40)가 부착 고정되어 있다. 텐던(30)은 I빔(I-Beam)(10)과 평행하게 소정의 편심거리를 두고 고정부(20)에 정착되어 있으며, 편향부재(40)는 I빔(I-Beam)(10)과 텐던(30) 사이에 위치되어 있다.
도 10은 상기와 같이 상호 결합된 본 고안에 의한 프리스트레싱 구조물을 교각(91)에 거치한 상태를 도시한 도면이다. 도 10에서와 같이 여러 개의 프리스트레싱 구조물(90)을 나란히 배열하면 강형재(10)의 상부면이 교량의 하부 바닥면을 이루게 된다.
본 고안에서 부착 고정된 I빔(I-Beam)(10)과는 달리, 편향부재(40)의 길이는I빔(I-Beam)(10)과 텐던(30)이 평행하게 유지하고 있는 편심거리와 동일하거나 약간 클 정도이다. 따라서 상기 텐던(30)은 초기상태에서 편향부재(40)와 접촉되지 않는다.
본 고안의 외부 프리스트레싱 강재보의 프리스트레싱에 의한 거동관계를 살펴보면, 텐던(30)을 프리스트레싱 하면, 양단 고정부(20)에 의하여 텐던(30)의 인장력이 I빔(I-Beam)(10)에 전달되면서 I빔(I-Beam)(10)에 솟음이 발생되고, 이와 동시에 I빔(I-Beam)(10)의 중앙부에 고정되어 있는 편향부재(40) 역시 솟음치 만큼 텐던(30)으로부터 이격된다. 즉, 텐던(30)의 인장력과 I빔(I-Beam)(10)의 압축력으로 인하여 내력 모멘트 커플이 발생하게 된다.
도 11은 본 고안인 외부 프리스트레싱 강재보의 거동 매카니즘을 도시한 것이다.
본 고안의 외부 프리스트레싱 강재보는 재하 하중에 의하여 1단계 거동인 상향 캠버(Camber) 거동과, 2단계 거동인 하향 처짐 거동의 순으로 거동 메카니즘이 이루어지고 있다. 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
1단계 상향 캠버(Camber) 거동에서는 상부 재하 하중은 텐던(30)과 I빔(I-Beam)(10)에 의하여 이루어진 캠버(Camber)(e1) 범위 내에서만 지지되고(도11(c)), I빔(I-Beam)(10)이 수평이 된 상태, 즉 캠버(Camber)=0에서 최대 재하 하중(Wmax)을 지지하게 되며(도11(d-1)), 편향부재(40)는 캠버(Camber)=0(e1=0)에 이르는 동안아무런 역할을 하지 않는 상태이다.
상부 재하 하중(Wmax+??W)이 최대 재하 하중(Wmax)을 넘어서게 되면, 2단계 하향 처짐 거동이 일어나게 되면서 I빔(I-Beam)(10)은 캠버(Camber)=0 이하(e2)로 처지게 되고, 이와 함께 편향부재(40)는 텐던(30)을 하향으로 누르게 되어 내리 눌린만큼 텐던(30)에는 추가인장력이 도입되고, 추가인장력을 도입 받은 고강도 텐던(30)은 다시 편향부재(40)를 통해 상향 수직력을 I빔(I-Beam)(10)에 전달하여 이를 떠받치는 방향으로 힘을 증가시키므로 I빔(I-Beam)(10)의 내하력이 증가하게 되고, 그만큼 안전성을 확보할 수 있게 된다. (도11(d-2))
1단계 및 2단계 거동 메카니즘을 I빔(I-Beam)(10)의 하부플랜지(13)(즉, 인장 플랜지)의 관점에서 살펴보면, 1단계 상향 캠버(Camber) 거동에서는 하부 플랜지(13)가 압축응력을 유지하다가 2단계 하향 처짐 거동에 이르면 I빔(I-Beam)(10)의 하부플랜지(13)는 인장응력으로 전환되는 역학 관계를 이루고 있게 된다. I빔(I-Beam)(10)의 하부 플랜지(13)는 상부 재하 하중의 크기에 따라 압축응력 또는 인장응력으로 순환되는 역학적 특성을 지닌 거동 메커니즘을 갖게 된다.
또한 1단계 및 2단계 거동 메카니즘을 편향부재(40)의 관점에서 살펴보면 1단계 상향 캠버(Camber) 거동(e1)에서는 캠버(Camber)=0 인 위치에서만 편향부재(40)가 텐던(30)과 접면하게 되고, 캠버(Camber)(e1)가 주어져 있는 동안에는 편향부재(40)는 I빔(I-Beam)(10)의 중앙부 하단에 매달린 채 텐던(30)과 이격되어 있는 상태가 유지되고, 2단계 하향 처짐 거동(e2)에서는 텐던(30)과 접면되기시작한 편향부재(40)가 상부 재하 하중에 의하여 텐던(30)을 아래로 누르면서 추가적인 인장력을 텐던(30)에 전달하게 되고, 텐던(30)에 전달된 추가적인 인장력은 다시 편향부재(40)를 통해 I빔(I-Beam)(10)이 처지는 것을 저지하는 힘으로 작용되기 때문에 이와 같은 대응된 두 힘의 상승작용에 의하여 본 고안의 외부 프리스트레싱 강재보에는 내하력이 그만큼 증진되는 방향으로 거동 메카니즘이 이루어지고 있음을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 결과적으로 본 고안의 외부 프리스트레싱 강재보는 거동 메카니즘이 프리플렉스, PSC 합성보와는 달리 2단계 하향 처짐 거동에서도 상부 재하 하중을 받을 수 있는 역학 구조로 이루어졌기 때문에 재하 하중의 수용능력이 기존의 프리플렉스, PSC 합성보에 비하여 훨씬 클 뿐만 아니라 이에 따라 그만큼 장대화가 가능하고 경제적인 시공도 가능하게 된 것이다.
특히 2단계 하향 처짐 거동에 있어서 편향부재(40)의 효과에 대하여 살펴보면, 텐던(30)과 편향부재(40)가 있는 경우에는 편향부재(40)에서만 I빔(I-Beam)(10)과 일체로 거동하기 때문에 구조 역학적으로 프리스트레싱에 의한 모멘트의 손실이 없고, 오히려 텐던(30)의 긴장량이 증가하게 된다. 그러나, 텐던(30)만 있고 편향부재(40)가 없는 경우에는 I빔(I-Beam)(10)과 텐던(30)의 편심거리 만큼 프리스트레싱에 의한 모멘트 감소가 발생하기 때문에 그만큼 내력 모멘트의 감소가 있게 된다.
동일 크기의 부재 및 동일 하중의 조건하에서 실험한 결과에 의하면 일반 구조용 I형강재 보다는 편향부재(40)를 설치한 I빔(I-Beam)(10)의 내하력이 약 50% 이상 증가됨을 알 수 있었고, 편향부가 없고 텐던(30)만 있는 I빔(I-Beam)(10) 보다는 30~40% 정도의 내하력 증진 효과가 있음을 알 수 있었다.
또한 본 고안의 외부 프리스트레싱 강재보는 부착식 강재 합성보와는 달리 I빔(I-Beam)(10) 상의 고정부(30)에 텐던(30)이 비부착 조립식으로 정착되어 있기 때문에 시공 후에도 프리스트레스 손실 보정을 더욱 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다.
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 가능하게 된다.
이상과 같이 본 고안에 의하면 교량이나 보도육교 또는 건축물의 보나 지붕의 보 등에 활용되는 프리스트레싱 구조물을 제공하여, 교량 등의 구조물 가설의 경제성을 극대화할 수 있으며, 가설 구조물의 안정성을 최대화하고 시공성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 고안은 종래의 프리스트레스트 합성보(예를 들면, 프리플렉스 보, PSC보 등)의 구조역학상의 한계를 극복할 수 있도록 하는 프리스트레싱 구조물을 제공할 수 있다.
또한 본고안은 기존 기술과는 달리 구조 역학상의 한계(장대화의 한계, 재하 하중 수용능력의 한계)를 극복할 수 있고, 고정부와 텐던의 연결이 완전 고정이 아닌 조립식으로 되어 있고, 텐던의 위치를 조정할 수 있으므로 사용 중에 프리스트레스의 손실량 보정 또는 교량 등급의 상향 조정이 가능한 효과가 있다.
한편, 동일 주형의 두께와 높이를 기준으로 하면 종래의 프리스트레스트 합성보에 비해 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.
본 고안은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 실용신안등록청구범위에 의해 마련되는 본 고안의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 고안이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (16)

  1. 강형재;
    상기 강형재의 양끝단부 하부면에 각각 장착되며, 상기 강형재의 하부면에서부터 소정 높이(h1)로 형성되는 한쌍의 고정부;
    상기 강형재와 평행하도록 상기 한쌍의 고정부의 하부측을 관통하여 고정되는 텐던; 및
    상기 강형재의 하부면 중앙부에 장착되며, 상기 고정부의 높이(h1)보다 크지 않은 높이(h2)를 갖도록 형성되는 편향부재;를 포함하고,
    상기 텐던에 인장력을 가하여 상기 강형재를 프리스트레싱하고, 상기 강형재의 처짐이 발생하면 상기 편향부재가 상기 텐던과 접촉하여 텐던에 의한 상향 수직력을 강형재에 전달하도록 하는 프리스트레싱 구조물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 텐던은 초기상태에서 상기 편향부재와 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 구조물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 고정부는 상기 강형재의 하부면에 부착되어 고정되는 상부면, 상기 상부면과 수직으로 절곡되어 형성되는 측면, 및 상기 측면과 연결되고 상기 상부면과 소정 높이(h1) 만큼 평행하게 이격되어 형성되며 상부면보다 수평길이가 좁게 형성되는 하부면을 포함하고,
    상기 측면에는 고정부의 높이방향으로 소정 길이(l)의 슬릿이 형성되어, 상기 슬릿을 통해 상기 텐던의 고정위치를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 구조물.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 슬릿의 길이(l)는 전체 고정부의 높이(h1)의 절반보다 작은 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 구조물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 고정부는 상기 강형재의 하부면에 부착되어 고정되는 상부면, 상기 상부면과 수직으로 절곡되어 형성되는 측면, 및 상기 측면과 연결되고 상기 상부면과 소정 높이(h1) 만큼 평행하게 이격되어 형성되며 상부면보다 수평길이가 좁게 형성되는 하부면을 포함하고,
    상기 측면에는 고정부의 높이방향으로 적어도 2개의 관통구멍이 형성되어, 상기 텐던의 관통위치를 변경하도록 하여 상기 텐던의 위치를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 구조물.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 한쌍의 고정부의 관통구멍은 서로 동일한 높이에 형성되는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 구조물.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 편향부재의 하부는 소정 곡률을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 구조물.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 편향부재의 하부는 소정 곡률로 하방으로 돌출되는 한쌍의 접촉부를 갖고, 상기 강형재의 처짐 발생시에 상기 한쌍의 접촉부가 상기 텐던에 접촉하게 되어 두개의 접촉점을 형성하는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 구조물.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 편향부재의 양측면에는 텐던의 이탈을 방지하도록 하는 이탈방지부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 구조물.
  10. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 편향부재의 하부면에는 상기 텐던이 들어맞을 수 있는 폭의 가이드홈이 형성되어 텐던의 이탈을 방지하는 것을 특징으로 하는 프리스트레싱 구조물.
  11. 강형재;
    상기 강형재의 양끝단부 하부면에 각각 장착되며, 상기 강형재의 하부면에서부터 하방으로 갈수록 수평길이가 좁아지도록 소정 높이(h1)로 형성되고, 상기 강형재의 하부면에 부착되어 고정되는 상부면, 상기 상부면과 수직으로 절곡되어 형성되는 측면, 및 상기 측면과 연결되고 상기 상부면과 소정 높이(h1) 만큼 평행하게 이격되어 형성되는 하부면을 포함하는 한쌍의 고정부;
    상기 강형재와 평행하도록 상기 한쌍의 고정부의 하부측을 관통하여 고정되는 텐던; 및
    상기 강형재의 하부면 중앙부에 장착되며, 상기 고정부의 높이(h1)보다 크지 않은 높이(h2)를 갖도록 형성되는 편향부재;를 포함하고,
    상기 고정부, 편향부재 및 텐던이 장착된 강형재 다수개를 교각 위에 거치시킨 후, 상기 텐던에 인장력을 가하여 상기 각각의 강형재가 캠버를 갖도록 프리스트레싱을 하여 형성되는 가설 교량.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 고정부의 측면에는 고정부의 높이방향으로 전체 고정부의 높이(h1)의 절반보다 작은 길이(l)의 슬릿이 형성되어, 상기 슬릿을 통해 상기 텐던의 고정위치를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 가설 교량.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 한쌍의 고정부의 각각의 측면에는 고정부의 높이방향으로 적어도 2개의 관통구멍이 형성되어, 상기 텐던의 관통위치를 변경하도록 하여 상기 텐던의 위치를 조정할 수 있으며, 상기 한쌍의 고정부의 관통구멍은 서로 동일한 높이에 형성되는 것을 특징으로 하는 가설 교량.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 편향부재의 하부는 소정 곡률로 하방으로 돌출되는 적어도 하나의 접촉부를 갖고, 상기 강형재의 처짐 발생시에 상기 적어도 하나의접촉부가 상기 텐던에 접촉하게 되어 적어도 하나의 접촉점을 형성하는 것을 특징으로 하는 가설 교량.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 편향부재의 양측면에는 텐던의 이탈을 방지하도록 하는 이탈방지부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 가설 교량.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 편향부재의 하부면에는 상기 텐던이 들어맞을 수 있는 폭의 가이드홈이 형성되어 텐던의 이탈을 방지하는 것을 특징으로 하는 가설 교량.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101439734B1 (ko) * 2013-01-23 2014-09-17 (주)더나은구조엔지니어링 효율적인 보강모멘트 도입이 가능한 긴장재 정착장치
KR101549782B1 (ko) * 2014-04-01 2015-09-07 서울시립대학교 산학협력단 각도 조절이 가능한 외부 포스트텐션용 슬라이딩 정착장치

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