KR20050122996A - 상하부고정 응력보강 강재보의 보강공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건축 및 토목구조물의 구조부재 및 그 보강공법에 관한 것으로, 강재 H빔이나 I빔 또는 빌트업빔을 사용한 강재보에서 강봉에 의한 프리스트레스 힘을 적용한 상태에서 고강도 인장재를 상하부를 고정하여 낮은 형고의 장지간 보를 가능하게 하도록 한 응력보강 강재보 및 그 보강공법을 제안하는데 목적이 있다.

이를 위해 본 발명에서는 건축물이나 토목구조물에 슬래브를 지지하는 강재보가 보강되는 공법에 있어서, 하부에 정착구 및 강봉이 설치된 강형재에 프리스트레스를 도입하여 상단에 인장응력이 작용하고 하단에는 압축응력이 작용하도록 하는 단계;와 상기 강형재의 상부와 하부에 각각 고강도 강재가 강결접합되는 단계;와 강결접합된 합성 강재보에 가해진 프리스트레스를 해제하는 단계;와 정착구 및 강봉을 제거하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상하부고정 응력보강 강재보의 보강공법이 제안된다.

Description

상하부고정 응력보강 강재보의 보강공법 {Reinforcement Method of Upper and Lower Side Fixed Stress Reinforced Steel Beam}

본 발명은 건축 및 토목구조물의 구조부재 및 그 제조공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강재 H빔이나 I빔 또는 빌트업빔을 사용한 강재보에서 강봉에 의한 프리스트레스를 도입하여 낮은 형고의 장지간 보를 가능하게 하도록 한 상하부고정 응력보강 강재보에 관한 것이다.

일반적으로 강재 보(Steel beam)에는 자중 및 활하중에 의한 처짐을 고려하여 소정 간격마다 기둥이 연결된다. 이렇게 소정 간격마다 설치되는 기둥은 건축물 및 토목 구조물의 설계 및 미관의 가변성을 저하시키고 공사비를 상승시키는 요인이 되고 있다. 최근에는 건축물 및 토목 구조물의 기둥을 줄일 수 있게 하는 방안으로 프리스트레스 공법과 프리플렉스 공법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 적용한 건축물과 토목 구조물이 나타나고 있다.

프리스트레스(Prestress) 공법과 프리플렉스(Preflex) 공법은 자중에 의한 강재 보의 휨 모멘트를 반대방향의 휨 모멘트(Bending moment)를 가지는 프리스트레스를 가하여 상쇄하게 된다. 프리스트레스 공법은 교량과 같은 토목 구조물에 적용되고 있으며, 도 1과 같이 H 빔(1)의 하부 양끝단에 고정부재(2a,2b)를 설치하고 소정의 인장력을 가지는 인장선(3)의 양끝단을 고정부재(2a,2b)에 고정하게 된다.

그러나 도 1의 방식은 H 빔의 하부에 설치된 인장선(3)에 의해 프리스트레스가 적용된 강재보는 인장선(3)과 고정부재의 폭 만큼 강재보의 폭 즉, 형고가 높아지는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 발명자는 등록실용신안20-0234927호에서 도 2과 같은 형태의 인장선(3)을 제안하였다. 도 2는 장착부재(5a, 5b)와 삼각보강판(4a, 4b)의 용접설치 등 추가적인 작업이 발생하여 공기 지연 및 자재량 증가의 문제점이 있다.

도1 및 도2는 시간대별로 직사광선에 의해 강재보의 상하부에 온도차가 상당히 발생하여 상하부의 신축으로 가해진 프리스트레스력이 증감되어 구조적으로 위험해질 소지가 있으며 활하중에 의한 피로응력으로 강봉이 파단될 우려가 있는 단점이 있다.

또한 프리플렉스 공법은 규모가 큰 건축물에 적용되고 있으며, 도 3과 같이 H 빔(1)의 하부에 프리스트레스 부가용 철근 콘크리트(6)를 설치하여 강재 보에 프리스트레스를 적용하게 된다. 철근 콘크리트(6)는 H 빔(1)의 '∪' 자형 쳐짐을 상쇄하기 위하여 '∩'형의 휨 모멘트를 가지게 된다. 도 3과 같은 프리플렉스 공법은 강재 보의 자중을 크게 함은 물론 철근 콘크리트의 제작에 따른 공사비와 공사기간 연장의 문제점을 초래한다. 나아가, 프리플렉스 공법은 시간이 경과하여 H 빔(1)의 쳐짐량이 철근 콘크리트(6)의 프리스트레스양보다 커지게 될 때 철근 콘크리트(6)의 저면부터 전단파괴에 의한 크랙이 발생하는 문제점이 있다.

한편 본 발명의 발명자는 상술한 문제점을 해결하기 위해 등록실용신안(등록번호:20-0347040호)에서 형고의 장지간보를 가능하도록 하기 위해 강재보의 하부에 탄성재인 강형재와 상부에 탄성재인 인장재가 강결 접합되며 상기 강형재는 중앙부가 상방향으로 휘어진 프리플렉스보에 상단압축응력이 작용하도록 한 상태에서 인장재와 강결접합된 상부고정 프리플렉스 강재보를 제안하였다. 상기 강재보는 강재사용에 따른 자중을 감소시킬 수 있음에 따라 장스팬보를 구현하고 필요한 기둥의 수를 최소화할 수 있었다.

본 발명은 정착구 및 강봉이 적용되는 프리스트레스강재보에 대한 응용으로서 기존에 정착구 및 강재봉이 적용된 강재보를 손쉽게 보강하여 유지 및 보수를 효율적으로 하기 위한 것이다.

본 발명에서는 기존에 이미 설치되어 있는 정착구와 강재봉을 이용한 프리스트레스보에 있어서, 강재봉의 파단에 따른 위험을 회피하기 위해 강형재의 응력보강을 통해 안전하고 높은 내구 성능을 유지할 수 있는 강재보를 제공하는 데 목적이 있다.

또한 본 발명은 일반 강형재에 프리스트레스를 도입한 상태에서 고강도 강재를 강형재 상하부에 강결접합 후 프리스트레스를 해제하는 과정에서 강재보의 프리스트레스를 안정적으로 부여할 수 있으며 수거된 강재봉과 정착구를 다시 수거함으로써 강재보 설치에 따른 비용을 저감할 수 있는 강재보의 보강공법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상하부고정 응력보강 강재보 보강공법의 제1실시예에서는, 건축물이나 토목구조물에 슬래브를 지지하는 강재보가 보강되는 공법에 있어서, 정착구 및 강봉이 설치된 강형재(20)에 프리스트레스를 도입함으로써 상기 강형재의 상단에 인장응력이 작용하고 하단에는 압축응력이 작용하도록 하는 단계(S100);와 상기 강형재(20)의 상부와 하부에 각각 고강도 강재(30)가 강결접합되는 단계(S110);와 강결접합된 합성 강재보에 가해진 프리스트레스를 해제하는 단계(S120);와 합성보에 장착된 정착구 및 강봉을 제거하는 단계(S130);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 제1실시예에서는,

상기 고강도강재는 강재 H빔 이나 혹은 강재 I 빔 혹은 강판으로 형성된 것을 특징으로 하는 상하부고정 응력보강 강재보의 보강공법이 제안된다.

또한 제1실시예에 있어서,

상기 고강도강재는 개구부를 상방으로 향하도록 한 이중 ㄷ-채널(32) 혹은 개구부를 양측면으로 구성한 이중 ㄷ-채널(31)인 것을 특징으로 하는 상하부고정 응력보강 강재보의 보강공법이 제안된다.

본 발명의 제2실시예에 따르면,

정착구 및 강봉이 설치된 강형재(20)에 프리스트레스를 도입함으로써 상단에 인장응력이 작용하고 하단에는 압축응력이 작용하도록 하는 단계(S200);와

상기 강형재의 상부와 하부에 고강도강재(30)가 강결접합되는 단계(S210);와

상기 강결접합된 합성강재보에 가해진 프리스트레스를 해제하는 단계(S220)와;

합성보에 장착된 정착구 및 강봉을 제거하는 단계(S230);와 상기 응력보강된 합성강재보들을 기둥사이의 중앙부에 배치하는 단계;와

상기 응력보강된 또 다른 합성강재보들을 180도 회전시켜 지점부에 배치하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연속교의 현장보강공법이 제안된다.

이하, 본 발명의 실시 예들을 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 제1실시예에 따른 상하부고정 응력보강 강재보의 제조공법을 살펴보면 우선 도 4는 정착구 및 강봉이 설치된 일반강형재(20)에 프리스트레스를 도입하는 것을 나타낸다. 본 발명에 따른 강재보는 이미 설치되어 있는 강재봉과 정착구에 대해 적용하기 위해 제안되었으나, 신규로 제작되는 보에 적용하는 것도 가능하다.

첫 번째 단계에서 상기 강형재는 도4와 같이 일반적으로 강재 H빔을 사용한다.

또한 도 4는 강형재(20)의 상부에 인장응력이 하부에 압축응력이 발생한 응력분포도를 도시하고 있다.

프리스트레스 도입과정에서 축력(P) 및 부모멘트(M)에 의한 응력이 발생한다.

(인장), (압축)

여기에서, 는 프리스트레스 도입시의 강형재 상단의 응력이고,

는 프리스트레스 도입시의 강형재 하단의 응력이고,

는 강형재의 단면적이고 는 강형재의 단면2차모멘트이고,

는 중립축에서 강형재상단까지의 거리이고,

는 중립축에서 강형재하단까지의 거리이다.

여기에서 편심거리(e)를 크게 함으로써 축력에 대한 영향보다 모멘트에 대한 영향력을 확대시킬 수 있고, 따라서 강형재 상단에는 인장이 하단에는 압축응력이 발생한다.

다음 단계는 강결접합단계로서 도 5에 도시되어 있는데, 이는 강형재(20)에 프리스트레스가 도입된 상태를 유지하면서 고강도강재(30)가 상기 강형재의 상하부에 위치하여 일체형성된 상태를 나타낸다. 이러한 고강도강재 강결접합은 볼트체결 혹은 용접에 의해 이루어진다.

또한 고강도강재로서 강판(30)이 사용될 수 있으나 강성을 더욱 증대시키기 위해서는 강재 H빔, I빔 등이 사용될 수 있으며 혹은 현장에서 제작되는 임의의 형상의 빌트업빔(33), 혹은 ㄷ-채널(31, 32) 등이 있는데, 이는 도 8a, 도 8b, 도 8c에 그 형상이 도시되어 있다. 본 발명에서 고강도 강재라 함은 강형재보다 항복응력이 상위인 강재로서, 포스텐 강재(포스코사 제품), 혹은 TMCP형 고장력강판(포스코사 제품), 혹은 동일한 강종으로 항복응력이 높은 상위기종, 또는 기타 항복응력이 높은 강종을 의미한다.

또한 도 6a는 강형재의 상부와 하부에 고강도강재가 일체형성되면서 프리스트레스를 해제시킨 상태 및 이 때의 응력상태를 도시한 것이다.

강형재와 고강도강재를 강결시킨 합성강재보(10)의 상단에는 압축응력이 작용하고 하단에는 인장응력이 작용하게 된다.

프리스트레스 해제시에 발생되는 응력은 다음과 같다.

(압축)

(인장)

(압축)

(인장)

여기서, 는 프리스트레스 해제시의 상부 고강도강재 상단의 응력이고,

는 프리스트레스 해제시의 하부 고강도강재 하단의 응력이고,

는 프리스트레스 해제시의 상부 고강도강재 상단의 응력이고,

는 프리스트레스 해제시의 하부 고강도강재 하단의 응력이고,

는 중립축에서 상부 고강도 강재 상단까지의 거리이고,

는 중립축에서 하부 고강도 강재 하단까지의 거리이고,

는 합성단면의 단면적이고, 는 합성단면의 단면2차모멘트이다.

여기서 축력(P)보다 모멘트(M)의 영향이 크므로 합성단면의 상단에 압축이, 하단에 인장이 발생한다.

도6b는 프리스트레스 도입시와 해제시의 응력을 중첩 도시한 것으로서 A₁, I₁에 비해 A₂, I₂가 상당량 증가함으로써 (상부 고강도 강재 상단의 응력)는 압축응력이, (강형재 상단의 응력)는 인장응력이, (강형재 하단의 응력)는 압축응력이, (하부 고강도 강재 하단의 응력)는 인장응력이 발생되어 강형재에 응력이 보강됨을 도시하고 있다.

도 7a는 합성강재보에 활하중이 재하된 상태와 응력분포도를 도시한 것이다.

여기서 (압축), (압축)

(인장), (인장)

는 활하중 재하시의 상부 고강도 강재 상단의 응력이고,

는 활하중 재하시의 하부 고강도 강재 하단의 응력이고,

는 활하중 재하시의 강형재 상단의 응력이고,

는 활하중 재하시의 강형재 하단의 응력이고,

는 활하중모멘트이다.

도 7b는 보강된 응력과 활하중 응력을 중첩함을 도시하고 있다.

여기에서 강형재 상하단의 응력(, )은 서로 응력이 상당히 상쇄되는 효과를 가져옴을 알 수 있고, 상하부의 고강도 강재의 응력(, )은 더욱 불리한 응력상태로 진행되었으나 고강도 강재의 특성상 문제가 발생될 여지가 없다.

이상과 같은 결과로서 상기 합성 강재보에서 강형재 상하단에 작용하는 응력을 완화함으로써 기존 보의 보강할 수 있을 뿐만 아니라 신규제작 시 낮은 형고의 장지간보가 가능하게 되는 것이다. 또한 도 8a, 도 8b, 도 8c, 도 8d, 도 8e, 도 8f, 도 8g에서는 고강도 강재를 다양하게 변형한 실시 예를 도시한 것으로서 도 8a, 도 8e는 개구부를 양측면으로 형성한 이중 ㄷ-채널(31)이며 도 8b, 도 8f는 개구부를 상향하도록 형성한 이중 ㄷ-채널(32)이다.

도 9에서는 상술한 보강공법을 단계별로 도식화한 것으로서, 먼저 정착구 및 강봉이 설치된 강형재에 프리스트레스를 도입하는 단계(S100), 고강도 강재 강결 접합단계(S110), 프리스트레스 해제단계(S120), 합성보에 장착된 정착구 및 강봉을 제거하는 단계(S130)를 거쳐 합성강재보의 보강이 완료되며 상기 합성강재보를 현장에 가설하기 하는 현장가설단계(S140)을 포함되어 구성된다. 상기 합성강재보는 앞서 설명한 바와 같이 180도 회전되지 않은 상태, 즉, 턴오버단계를 거치지 않은 상태에서는 단순교 및 연속교의 중앙부에 배치되어 활하중으로서 정모멘트를 받도록 한다.

한편, 상기와 같은 공법으로 보강된 본 발명의 제1실시예에 따른 상하부고정 응력보강 강재보에 대해 설명하면, 탄성재인 강형재(20)와, 상기 강형재의 상부와 하부에는 각각 고강도강재(30)가 강결접합되어 이루어지되, 상기 강형재는 상단에 인장응력이 작용하고 하단에는 압축응력이 작용하도록 한 상태에서 상기 상부와 하부의 고강도강재와 볼트체결 혹은 용접으로 강결접합됨으로써 상기 강형재의 상부에 인장응력이 도입되고 강형재의 하부에는 압축응력이 발생되어 강형재에 응력이 보강됨을 특징으로 한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 연속교의 현장가설공법에 대해 설명한다. 먼저 정착구 및 강봉이 설치된 강형재(20)에 프리스트레스를 도입하는 단계(S200)와 상기 강형재의 상부와 하부에 고강도강재(30)가 강결 접합되는 단계(S210)와 상기 강결 접합된 합성강재보에 프리스트레스를 해제하여 강형재에 응력을 보강하는 단계(S220), 합성보에 장착된 정착구 및 강봉을 제거하는 단계(S230)와 상기 응력 보강된 합성강재보들을 단순교 및 연속교 중앙부에 배치하는 단계와 상기 응력 보강된 또 다른 합성강재보들을 180도 회전시켜 기둥사이의 지점부에 배치하는 단계가 포함된다. 즉, 단순교 및 연속교 중앙부에는 턴오버되지 않은 합성강재보를 배치하고 연속교 지점부에는 턴오버된 합성강재보를 배치하여 연속교의 정모멘트 혹은 부모멘트에서 활하중을 상쇄시키게 된다.

도 12는 본 발명에 따른 강재보에 대한 효과를 검증하기 위해 전산해석을 수행한 강재보의 단면제원을 도시한 것이다. 단위는 [mm]이며 라멘교에 적용되는 강재보를 대상으로 하였다. 본 전산해석은 정착구에서 120 톤의 힘으로 당겨준 다음 상하부에 고강도 인장재를 적용한 것이다. 아래도표에서와 같이 라멘교의 중앙부인 정모멘트구간에서는 상부플랜지가 41 kgf/cm²인 인장응력을 나타내었고, 하부플랜지가 -385.4 kgf/cm²인 압축응력을 나타내었다. 여기에서 활하중을 재하하게 되면 응력이 서로 상쇄되는 것이다. 라멘교의 지점부인 부모멘트 구간에서는 더욱 큰 효과를 나타내고 있다. 또한 같은 보의 제원을 연속교에 적용하여 계산하였다. 이 는 100 톤의 하중으로 당겨준 다음 고강도 강재를 적용한 결과이다. 라멘교의 경우에서 보다 프리스트레스 응력이 더욱 크게 나타나 보강효과가 더욱 큼을 알 수 있다.

	라멘교(kgf/cm2)		연속교(kgf/cm2)
	정모멘트구간	부모멘트구간	정모멘트구간	부모멘트구간
상부보강판 :	-276.6		-543
상부플랜지 :	+41	-235.4	460	-460
하부플랜지 :	-385.4	+275	-747.1	747.1
하부보강판	+953.4		1106.4

상술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 강재보는 정착구와 강재봉이 이미 설치되어 있는 프리스트레스 강재보에 있어서, 직사광선에 의해 강재보의 상하부에 온도차가 상당히 발생하여 상하부의 신축으로 가해진 프리스트레스력이 증감되어 구조적으로 위험해질 소지가 있거나 계속된 과도한 활하중에 의한 피로응력으로 강봉이 파단될 우려가 있는 강재보에 이미 설치된 정착구 및 강봉을 이용하여 간단히 고강도 강재를 부착함으로써 내구성을 향상시키는 효과를 제공한다.

또한 강재사용에 따른 자중이 감소함으로써 장스팬의 보를 구현하게 되므로 고층 건축물을 설계할 수 있을 뿐만 아니라 필요한 기둥의 수를 최소화하여 가변성 있는 공간을 충분히 확보하게 되므로 장지간 교량, 낮은 형고의 교량, 공연장, 백화점, 주차장 및 체육관 등과 같은 토목 구조물 및 건축물의 미관성을 높이고 설계 가변성을 확보할 수 있다.

또한 본 발명에서는 높은 비용이 소요되는 정착구 및 강봉을 다시 수거하여 재활용함으로써 프리스트레스 강재보의 설치비용을 저감하는 효과를 제공한다.

도 1 및 도 2는 종래의 프리스트레스 공법이 적용된 강재보를 나타내는 단면도이고,

도 3은 종래의 프리플렉스 공법이 적용된 강재보를 나타내는 단면도이고,

도 4는 강봉에 의해 프리스트레스가 도입된 강형재 및 응력분포를 도시한 것이고

도 5는 프리스트레스가 도입된 상태에서 강형재에 고강도강재를 상부와 하부에 강결접합한 합성강재보와 합성강재보의 응력상태를 도시한 것이고,

도 6a는 프리스트레스를 해제시킬 때의 합성 강재보 및 응력분포를 도시한 것이고,

도 6b는 프리스트레스 도입 및 제거단계를 거친 후 최종적으로 강형재에 응력이 보강된 상태를 도시한 것이고,

도 7a는 정착구 및 강봉을 제거한 후 활하중이 재하된 상태의 합성강재보 및 응력분포를 도시한 것이고 ,

도7b는 응력보강된 합성 강재보에 활하중응력이 추가되었을 때 최종응력상태를 도시한 것이고,

도 8a, 도 8b, 도 8c, 도 8d, 도 8e, 도 8f, 도 8g는 고강도강재의 다양한 변형예를 보여주는 예시도이며,

도 9는 본 발명에 따른 제1실시예인 응력보강 강재보의 보강공법을 단계별로 도식화한 것이며,

도 10은 본 발명에 따른 제2실시예인 응력보강 강재보가 단순교 및 연속교의 중앙부에 위치할 때의 보강공법을 단계별로 도식화한 것이며,

도 11a는 본 발명에 따른 응력보강 강재보의 단순교에서의 배치상태를 도시한 것이고,

도 11b는 본 발명에 따른 응력보강 강재보의 연속교에서의 배치상태를 도시한 것이고,

도 12는 본 발명에 따른 응력보강 강재보의 전산해석에 사용된 제원을 도시한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10, 40 : 합성강재보 20 : 강형재

30 : 고강도강재 31,32 : ㄷ채널

33 : I형강, H형강 및 빌트업빔

S100, S200 : 정착구 및 강봉이 설치된 강형재에 프리스트레스 도입단계

S110, S210 : 고강도 강재 강결접합단계

S120, S220 : 가해진 프리스트레스 해제단계

S130, S230 : 정착구 및 강봉제거단계

S140 : 단순교 및 연속교 중앙부 가설단계

S240 : 턴오버단계

S250 : 연속교 지점부 가설단계

Claims (4)

1. 건축물이나 토목구조물에 슬래브를 지지하는 강재보가 보강되는 공법에 있어서,

   정착구 및 강봉이 설치된 강형재(20)에 프리스트레스를 도입함으로써 상기 강형재의 상단에 인장응력이 작용하고 하단에는 압축응력이 작용하도록 하는 단계(S100);와

   상기 강형재(20)의 상부와 하부에 각각 고강도 강재(30)가 강결접합되는 단계(S110);와

   강결접합된 합성 강재보에 가해진 프리스트레스를 해제하는 단계(S120);와 합성보에 장착된 정착구 및 강봉을 제거하는 단계(S130);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상하부고정 응력보강 강재보의 보강공법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 고강도강재는 강재 H빔 이나 혹은 강재 I 빔 혹은 강판으로 형성된 것을 특징으로 하는 상하부고정 응력보강 강재보의 보강공법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 고강도강재는 개구부를 상방으로 향하도록 한 이중 ㄷ-채널(32) 혹은 개구부를 양측면으로 구성한 이중 ㄷ-채널(31)인 것을 특징으로 하는 상하부고정 응력보강 강재보의 보강공법.
4. 정착구 및 강봉이 설치된 강형재(20)에 프리스트레스를 도입함으로써 상단에 인장응력이 작용하고 하단에는 압축응력이 작용하도록 하는 단계(S200);와

   상기 강형재의 상부와 하부에 고강도강재(30)가 강결접합되는 단계(S210);와

   상기 강결접합된 합성강재보에 가해진 프리스트레스를 해제하는 단계(S220)와;

   합성보에 장착된 정착구 및 강봉을 제거하는 단계(S230);와 상기 응력보강된 합성강재보들을 기둥사이의 중앙부에 배치하는 단계(S240);와

   상기 응력보강된 또 다른 합성강재보들을 180도 회전시켜 지점부에 배치하는 단계(S250);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연속교의 현장보강공법.