KR20040088433A - 중공관을 내부에 장착한 복합거더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에 중공부가 형성되도록 제작되며, 필요할 경우 추가적으로 긴장재를 설치하여 프리스트레스가 도입되도록 제작된 복합거더에 관한 것으로써, 콘크리트 및 강재를 포함하는 합성재로 제작되는 복합거더에 있어서, 상기 합성재가 합성재를 거더 단면형상으로 용접 또는 절곡시켜 내부공간을 형성시키되 상부면이 개방된 외부합성재; 및 상기 내부공간에 중공부가 형성되도록 폐합되거나 상기 내부공간을 공간적으로 분리시킬 수 있도록 절곡되는 내부중공부를 포함하는 합성재로써, 외부합성재에 별도로 삽입되어 연결 결합되는 내부합성재;를 포함하도록 구성된다.

Description

중공관을 내부에 장착한 복합거더{An hollow hybrid girder}

본 발명은 중공관을 내부에 장착한 복합거더에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 내부에 중공부가 형성되도록 제작되며, 추가적으로 긴장재를 설치하여 프리스트레스가 도입되도록 제작된 복합거더에 관한 것이다.

종래의 거더(Girder)는 바닥판 또는 슬래브의 자중과 여기에 작용하는 하중을 지지하며, 전달받은 하중을 기둥 또는 교각에 전달하는 역할을 한다. 이러한 거더는 철근콘크리트(RC) 또는 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 구조가 오랜 기간 사용되어왔다. 이렇게 콘크리트가 사용되는 부재는 필연적으로 철근의 배근과 거푸집의 설치 및 해체가 수반되며, 하중의 작용과 환경의 영향으로 균열과 철근부식 등으로 인해 유지관리가 어렵고 수명이 단축되게 된다.

이러한 RC와 PSC 구조의 거더의 단점을 보완하기 위하여 도 1과 같이 최근 내부에 형성된 철근콘크리트 거더의 외부에 거푸집 겸용 보강재(11)가 둘러싼 복합거더(10,일본국 공개특허공보 특개평8-226189, 복합량(複合梁))가 개발되었다.

그러나 상기 복합거더(10)는 단순히 철근(12)이 배근된 콘크리트거더의 외부에 강재를 둘러싼 형식으로써 내부의 콘크리트가 인장에 저항하지 못하므로, 불필요한 인장측 콘크리트의 사용에 의해 자중이 크게 되며, 내부 인장측 보강을 위하여 철근배근이 필요하다. 따라서 장지간의 거더로써 큰 상부하중을 지지하기에는적합하지 않다는 문제점이 지적되었다.

본 발명의 목적은 전통적인 콘크리트구조물의 단점을 보완한 종래의 복합거더의 장점을 살리면서, 거더 내부의 철근배근작업이 필요 없으면서 기존 복합거더에서 약점으로 거론되는 단면의 비효율성과 큰 자중을 거더의 내부에 중공부를 두어 개선하고, 프리스트레싱을 도입하여 낮은 형고 대 지간장의 비를 가지고 상대적으로 장경간이 가능한 복합거더를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명과 관련된 종래의 복합거더를 도시한 것이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 외부합성재 및 내부합성재로 구성된 복합거더의 예를 도시한 것이다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 내부합성재의 예를 외부합성재와 함께 도시한 것이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 내부합성재에 긴장재고정구 및 PSC 긴장재를 함께 도시한 것이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 합성재로 제작된 복합거더과 슬래브가 결합된 상태를 도시한 것이다.

도 6a는 본 발명의 외부합성재 및 내부합성재로 구성된 합성재의 설치사시도 이고, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 합성재의 예를 도시한 것이다.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100:합성재 110:외부합성재

120:내부합성재 130:중공부

140:긴장재고정구 150:PSC긴장재

160:콘크리트 170:슬래브

180:전단연결재 200:복합거더

본 발명은 상기 기술적과제를 달성하기 위하여

첫째, 거더용 거푸집의 역할을 하는 강재를 포함하는 합성재의 단면을 단순 절곡 또는 용접하여 형성시킬 수 있도록 U형, 원형 또는 각형단면으로 합성재의 형상이 형성되도록 하였다.

이에 합성재를 가공하여 강재거푸집의 역할과 영구 내하부재로써의 역할을 함께 수행하도록 하였다.

둘째, 합성재의 내부에 중공부를 설치함으로써 거더의 경량화가 가능하도록 하였다. 나아가 상기 중공부를 설치하기 위하여 합성재를 외부 및 내부의 이중구조로 제작하였다.

즉, 외부합성재에 내부합성재를 단순히 삽입하는 방식으로 거더의 합성재를 용이하게 제작할 수 있도록 내부합성재를 제작하고 상기 내부합성재에 의하여 중공부가 자연스럽게 형성되어 경량화를 가능하게 하였다.

셋째, 내부합성재 제작 시 미리 적절한 위치에 PS 긴장재 용 긴장재고정구를 부착시켜 놓음으로써 PS 긴장재의 설치 시 부가적인 작업공정을 생략할 수 있도록 하였으며, 상기 PS 긴장재에 의하여 거더의 인장응력에 대한 저항성능을 높일 수 있도록 하였다.

넷째, 내부합성재를 제작함에 있어 강재뿐만 아니라 중공부를 형성할 수 있는 다양한 재질의 재료를 사용하고 그 재질에 맞는 연결재를 두어 위치를 고정할 수 있으며, 중공부의 위치 및 크기를 필요에 따라 임의로 조정이 가능하도록 하였다.

본 발명을 보다 명확하고 용이하게 설명하기 위해서 이하 본 발명의 최선의 실시예를 첨부도면에 의하여 상세하게 설명하며, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명의 중공부가 형성된 합성재(100)는 거더 단면형상으로 용접 또는 절곡시켜 내부공간을 형성시키되 상부면이 개방된 외부합성재(110); 및 상기 내부공간에 중공부(130)가 형성되도록 폐합되거나 상기 내부공간을 공간적으로 분리시킬 수 있도록 절곡되는 합성재로써, 외부합성재에 별도로 삽입되어 연결 설치되는 내부합성재(120);를 포함하도록 하였다.

도 2a는 상기 합성재(100)를 조립상태도를 도시한 것이다.

상기 합성재는 외부합성재(110) 및 내부합성재(120)의 이중구조로 제작되어 내부합성재(120)를 외부합성재(110) 안쪽에 삽입한 후 내부합성재를 외부합성재에연결시키는 방식으로 서로 결합되며 외부합성재 및 내부합성재 모두가 공장제작되어 결합되므로 품질관리 및 제작이 매우 용이하다는 장점이 있다.

외부합성재(110)는 강판을 예로 하면, U형, 원형 또는 각형단면으로 형성되도록 하여 기성 제품을 사용하거나 절곡, 또는 용접하는 것이 바람직하다.

이에 외부합성재(110)를 U형 단면으로 제작하는 경우에는 하나의 강판을 2회 정도만 절곡시켜 외부합성재의 제작이 가능하게 된다.

이러한 외부합성재(110)는 구조적으로 작용하중에 의한 휨 인장응력이 제로인 중립축을 기준으로 중립축 하부인 외부합성재의 하면과 일부 측면은 인장응력에 저항하게 되며, 상기 중립축 상부인 외부합성재의 일부 측면 및 상부 내부에 형성될 콘크리트의 경우에는 압축응력에 저항하게 된다.

상기 내부합성재(120)는 중공부(130)를 형성시키기 위한 내부중공관(121), 내부중공부를 외부합성재 내부에 위치시키기 위한 연결재(122) 및 상부합성재(123)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 내부중공관(121)에 의하여 외부합성재(110) 내부에는 중공부(130)가 형성되는데 폐합된 구조 또는 비폐합구조로써 중공부가 형성될 수 있다.

폐합된 구조로 내부중공관(121)을 형성시킨 경우는 도 2a와 같이 사각단면을 포함한 다양한 형상의 폐합구조를 가지도록 형성시키게 되어 중공부(130)가 외부합성재 내부에 자연스럽게 형성되도록 하며,

비폐합된 구조로 내부중공관(121)을 형성시키는 경우는 내부중공관 자체로써 중공부가 형성되지는 않지만 도 2b와 같이 하부가 개방되어 양쪽으로 벌려져 외부합성재(110)의 내면에 접하도록 설치함으로써 외부합성재와 더불어 자연스럽게 중공부(130)가 형성되도록 할 수 있다.

이러한 중공부(130)가 형성되면 충전되는 콘크리트 양을 줄일 수 있어 거더의 자중을 현저하게 줄일 수 있어 거더 단면의 최적화가 가능하게 되며 중공부를 둘러싸고 있는 내부중공관(121)이 거더의 내부철근 역할도 분담하기 때문에 추가적인 철근배근작업이 없이도 소요의 강성을 충분히 확보할 수 있다는 장점이 있다.

도 2b의 합성재는 왼쪽부터 외부합성재(110), 내부합성재(120) 및 외부합성재와 내부합성재가 결합된 합성재(100)가 도시되어 있는데 외부합성재, 내부합성재 및 중공부에 각각 전단연결재 및 외부합성재의 내부 하부면에 걸쳐 내부보강판(190)이 설치될 수 있음을 보인 것이다.

나아가 상기 내부중공관(121)은 내부거푸집의 역할을 통해 충전되는 콘크리트가 외부거푸집 및 내부거푸집 사이에 형성될 수 있도록 하는 역할을 자연스럽게 가지게 된다. 만약 폐합된 구조로 되어 있는 경우에는 중공부(130)를 제외한 공간에 콘크리트가 타설되며, 비폐합된 구조로 되어 있는 경우에는 도 2b와 같이 거더 상부에만 콘크리트가 충전되게 된다.

사실상, 충전되는 콘크리트의 역할은 거더 단면의 중립축 상부의 압축응력에 저항하는 역할을 하게 되므로 거더 하부에 반드시 충전될 필요성은 없기 때문에 비폐합구조로 내부중공관(121)을 형성시키는 것도 가능하게 된다.

이러한 내부중공관(121)의 형성 위치는 외부합성재(110)의 중앙부 또는 외부합성재(110)의 하부면에 접하도록 설치할 수 있으며 이는 충전되는 콘크리트 타설량과 추가 설치될 수 있는 PS 긴장재의 설치 위치 등을 고려하여 선택하면 된다.

도 3a 및 도 3b는 상기 내부중공관(121)의 다른 구체예들을 도시한 것이다.

도 3a의 경우에는 내부중공관(121)을 육각단면으로 형성시킨 경우를 도시한 것이며,

도 3b의 경우에는 폐합되거나 비폐합된 관형상이 아닌 상부합성재(123)로부터 연장되어 형성된 연결재(122)에 의하여 형성된 공간에 허니콤을 포함하는 내부중공재(124)가 추가로 더 설치된 경우를 도시한 것이다.

연결재(122)를 더 연장하여 허니콤인 내부중공재(124)를 감싸도록 형성시키는 경우로써, 길이방향으로 형성된 내부중공재(124)를 감싸면서 상부합성재(123)에 연결재가 연결됨으로서 내부중공재(124)가 상부합성재(123)에 지지되면서 위치고정되는 경우인데 이 경우에는 내부중공관(121)은 폐합 또는 비폐합된 관으로 형성되는 것이 아니라, 연결재에 의하여 자연스럽게 형성되는 공간에 해당되며 상기 공간에 허니콤인 내부중공재(124)가 더 형성되는 경우에 해당한다.

상기 내부중공부(121)의 위치를 구속시키기 위한 수단이 연결재(122) 및 상부합성재(123)이다.

상기 연결재(122)는 내부중공부(121)의 상부에 설치되거나 내부중공부를 둘러싸 고정시켜 상부합성재(123)에 연결되어 내부중공부(121)는 외부합성재(110)에 위치가 고정될 수 있게 된다.

상기 연결재(122)의 경우 내부중공부(121)를 상부합성재와 함께 외부합성재에 고정시키는 역할을 하므로 그 재질, 형상 등에 제한은 없으나 콘크리트 타설시충격이나 부력에 의해 내부중공부의 위치가 변하지 않을 정도의 강성은 확보할 수 있어야하며 연결와이어, 연결봉, 연결판으로 제작될 수 있다.

연결와이어의 경우 철근을 이용하는 경우라 볼 수 있고, 연결봉은 철근 보다는 약간 직경이 봉 형태의 연결재라 할 수 있고, 연결판은 와이어라기 보다는 판재형태의 연결재라 볼 수 있다.

연결와이어, 연결봉, 연결판 등 다양한 형태의 연결재(122)가 설치된 내부중공부(121)는 상부합성재(123)에 의하여 직접적으로 외부합성재(110)에 연결결합된다.

또한 내부합성재(120)의 내부 또는 외부에는 PS 긴장재가 고정될 수 있는 일종의 긴장재고정구(140)가 미리 설치되어 거더에 PS 긴장재(150)를 설치하는 경우 부속물설치에 의한 복잡한 작업공종을 배제시킬 수 있게 된다.

도 4a 및 도 4b는 PS 긴장재로써 강봉 또는 강연선을 이용하는 경우에 부착될 수 있는 상기 긴장재 고정구(140a,140b)를 도시한 것이다.

도 4a의 경우 강봉인 PS 긴장재(150)를 내부합성재(120)의 하부면 또는 측면에 설치하기 위하여 긴장재고정구(140a)를 내부합성재의 하부 측면 또는 내부중공관(121)에 설치한 경우이다.

내부합성재의 하부 측면에 강봉(150)을 설치하기 위한 긴장재고정구의 경우에는 강봉을 감싸면서 엇갈려 내부합성재(120)의 하부면에 고정되는 와이어의 형태로 긴장재고정구(140a)가 형성될 수 있으며, 내부중공관(121)에 강봉을 설치하기 위한 긴장재고정구(140a)의 경우에는 강봉(150)을 감쌀 수 있도록 고리형상으로 형성된 돌출부가 형성된 측판을 내부중공관의 내면,외면 등에 부착시켜 형성시킬 수 있다.

도 4b의 경우 강연선인 PS 긴장재(150)를 내부합성재(120)의 하부면에 설치하기 위하여 내부합성재(120)의 하부면에 설치된 하부판으로부터 하향 돌출된 고리형상의 고정재(141b)가 형성되어 상기 고정재(141b)에 강연선이 삽입되어 설치되는 경우이다.

위에서 살펴본 외부합성재(110)와 내부합성재(120) 사이에는 내부중공부(121)에 의하여 분리된 공간에 콘크리트(160)가 충전된다. 이로써 콘크리트와 외부합성재 및 내부합성재가 서로 합성되어 구조부재로서 거더의 역할을 할 수 있게 되며 합성재의 상부에는 도 5a 및 도 5b와 같이 슬래브(170)가 형성된다.

상기 콘크리트(160)와 합성재(110,120)의 합성작용을 증진시키기 위하여 외부합성재의 내면에는 다수의 전단연결재(180,stud)를 형성시킬 수 있으며, 외부합성재 상부의 경우 슬래브(170)와의 결합을 위하여 추가적인 전단연결재를 설치하게 된다.

도 5a의 경우 도 5b와 비교하여 내부합성재(120)가 외부합성재(110)의 내부 하부면까지 하강되어 설치되어 있음을 알 수 있는데, 이는 중공부의 크기 및 위치가 변경될 수 있음을 도시한 것이며, 특히 도 5b의 경우에는 외부합성재의 하부면에도 추가적으로 전단연결재(180)가 설치되어 있음을 알 수 있다.

외부합성재, 내부합성재 및 콘크리트가 서로 합성되어 제작된 복합거더에는 추가적으로 PS 긴장재에 의하여 압축프리스트레스를 도입시킴으로써 거더 단면을최적화하면서도 보다 형고가 낮고 장지간의 거더 제작이 가능할 수 있는데, 이러한 PS 긴장재(150)는 역학적 성능향상을 위하여 거더 내부의 적절한 위치에 설치하되 위에서 살펴본 긴장재고정구(140)를 이용하는 경우 그 설치가 매우 간단해질 수 있다는 장점이 있다.

도 6a는 위에서 살펴본 외부합성재 및 내부합성재로 구성된 합성재(100)의 설치사시도이며, 도 6b 및 도 6c는 상기 합성재의 구체예를 사시도로 도시한 것이다.

도 6a와 같이 외부합성재(110)에 내부합성재(120)이 삽입되어 최종적으로 본 발명의 합성재(100)이 완성될 수 있다.

도 6b의 경우 U형 단면의 외부합성재(110) 내부에 연결재 및 상부합성재에 의하여 내부합성재가 전 길이에 걸쳐 설치되며, 도 6c의 경우 내부합성재가 외부합성재의 양 단부로부터 안쪽으로 이격되어 설치되어 있다.

이때 외부합성재(110)의 단부면은 폐합되어 설치되어 내부에 콘크리트가 누출되지 않도록 하게된다.

내부합성재의 설치 길이 및 형상을 조정하는 것은 도입되는 긴장재의 형태 및 배치와 관련이 있다.

특히 외부합성재(110)에 내부합성재(120)의 상부합성재(123)에 의하여 연결되는데 이는 용접에 의할 수도 있고 다른 기계적이음방법도 가능하다.

본 발명의 합성재에 의하여 제작된 거더은 길이를 조정하여 분절시켜 제작한 후 현장에서 조립하여 설치할 수 있는데 프리스트레스가 도입되지 않는 중,소 경간일 경우 모든 과정이 공장제작이 가능하며, 장경간의 경우 분절 제작된 합성재만을 공장제작하여 현장 운반 후 분절된 합성재를 용접연결 한 후, 콘크리트를 타설하고 프리스트레스를 도입시킬 수 있다.

본 발명은 건설용 복합거더를 제작하는데 있어, 콘크리트의 타설과 양생에 필요한 거푸집을 대용하며 영구적인 내하구조물로 사용되는 외부합성재 및 내부합성재로 인해 콘크리트의 균열을 방지하고 공장제작이 가능하여 품질관리와 기계화 및 자동화로 공기단축에 효과적이다. 또한 거더 내부에 중공부를 두어 콘크리트의 양을 줄여 자중을 경감시킴으로 인해 기존 콘크리트 거더에 비해 장경간의 시공이 가능하며, 합성재로 사용되는 강재로 인해 거더 내부의 철근배근이 불필요하여 인건비와 공기를 줄일 수 있다. 또한 거더의 단면이 박스형태로써 기존의 I형이나 T형 등과 비교하여 비틀림 강성이 큰 장점이 있으며, 시공 및 제작 시 작업성이 좋으며 전도에 대한 안정성 또한 높다. 나아가 거더를 연속화 할 경우 보다 장지간의 거더 시공이 가능하며, 연속지점부의 부모멘트도 상부합성재에 의해 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한 공장제작으로 중소지간용 거더의 경우 현장운반하여 신속시공이 가능하며, 종래의 유사한 합성거더와 비교하여 제작공정이 매우 단순하고, 유지관리나 미관 측면에서 보다 유리하다.

기타 새로운 복합소재의 합성거더와 비교하여 기존의 주 건설재료인 강재와 콘크리트를 주로 활용하여 역학적 특성과 장기거동의 예측, 설계 및 유지관리 등이 용이하며, 단순하여 시공이 간편한 장점 등이 있다.

Claims (10)

1. 콘크리트 및 강재를 포함하는 합성재로 제작되는 복합거더에 있어서, 상기 합성재(100)는,

   합성재를 거더 단면형상으로 절곡 또는 용접시켜 내부공간을 형성시키되 상부면이 개방된 외부합성재(110); 및

   상기 외부합성내의 내부공간에 중공부(130)가 형성되도록 폐합되거나 상기 내부공간을 공간적으로 분리시킬 수 있도록 절곡되는 내부중공관(121)을 포함하는 합성재로써, 외부합성재(110)에 별도로 삽입되어 연결 결합되는 내부합성재(120); 를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 중공관을 내부에 장착한 복합거더.
2. 제 1항에 있어서, 상기 외부합성재(110)는 U형, 원형 및 각형단면 중 어느 하나로 제작되며, 강판의 절곡 또는 용접을 통해 제작되는 것을 특징으로 하는중공관을 내부에 장착한 복합거더.
3. 제 1항에 있어서, 상기 내부합성재(120)는 외부합성재의 상부에 형성되는 상부합성재(123); 상기 상부합성재(123)에 연결재(122)에 의하여 위치고정되는 내부중공관(121)을 포함하는 것을 특징으로 하는 중공관을 내부에 장착한 복합거더.
4. 제 3항에 있어서, 상기 내부중공관(121)은 폐합되거나 비폐합된 관형상이 아닌 상부합성재(123)로부터 연장되어 형성된 연결재(122)에 의하여 형성된 공간으로 도 형성될 수 있으며, 상기 공간에는 허니콤을 포함하는 내부중공재(124)가 추가로 더 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 중공관을 내부에 장착한 복합거더.
5. 제 3항에 있어서, 상기 연결재(122)는 연결와이어, 연결봉 및 연결판 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 중공관을 내부에 장착한 복합거더.
6. 제 1항에 있어서, 상기 내부합성재의 내부중공관에 프리스트레스 도입을 위한 PS 긴장재(150)가 연결되어 구속될 수 있도록 긴장재고정구(140a,140b)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 중공관을 내부에 장착한 복합거더.
7. 제 1항 또는 제 6항에 있어서, 상기 외부합성재 내부의 내부합성재에 의하여 형성된 중공부를 제외한 공간에, 무근콘크리트를 포함한 충전재가 더 충전되는 것을 특징으로 하는 중공관을 내부에 장착한 복합거더.
8. 제 7항에 있어서, 상기 외부합성재와 내부합성재 사이 또는 내부중공부에는 PS 긴장재가 설치되어 거더 단부에 긴장 후 정착됨으로써, 복합거더에 프리스트레스가 도입되는 것을 특징으로 하는 중공관을 내부에 장착한 복합거더.
9. 제 1항에 있어서, 상기 외부합성재 및 내부합성재에 전단연결재(180) 또는전단연결재(180)과 내부보강판(190)이 더 설치되는 것을 특징으로 중공관을 내부에 장착한 복합거더.
10. 제 1항에 있어서, 상기 외부합성재의 길이는 내부합성재의 길이보다 적어도 크게 형성되며, 내부합성재의 길이가 외부합성재의 길이보다 작을 경우에는 외부합성재의 단부면이 폐합된 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 중공관을 내부에 장착한 복합거더.