KR20080087250A - 연속교의 프리스트레싱 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철근 콘크리트 상판 및 강재 거더에 의해 합성 단면으로 구성된 연속교의 프리스트레싱 장치에 관한 것으로서, 거더(20) 중 연속교의 하나의 지간(L)에 해당하는 영역 내부로서, 도심(C)보다 낮은 위치에 설치된 한 쌍의 정착구(100); 연속교의 길이방향으로 설치됨과 아울러, 한 쌍의 정착구(100)에 의해 양단이 정착된 긴장재(200);를 포함하는 구조를 제시함으로써, 철근 콘크리트 상판과 강재 거더의 합성 단면이 갖는 구조역학적 원리를 효율적으로 적용하여, 경제성과 안전성을 극대화하고 시공성이 우수한 프리스트레싱 장치를 제공한다.

프리스트레스, 연속교, 교량, 합성

Description

연속교의 프리스트레싱 장치{PRESTRESSING APPARATUS FOR CONTINUOUS BRIDGE}

도 1 내지 7은 종래의 기술을 설명하기 위한 것으로서,

도 1은 연속교의 측면도.

도 2는 연속교의 모멘트도.

도 3은 비합성 교량의 단면도.

도 4는 비합성 교량의 프리스트레싱 장치의 측면도.

도 5는 합성 교량의 단면도.

도 6은 도 5의 부분 확대도.

도 7은 박스 거더가 적용된 합성 교량의 단면도.

도 8 내지 13은 본 발명에 의한 프리스트레싱 장치를 설명하기 위한 것으로서,

도 8은 제1실시예의 사시도.

도 9는 제1실시예의 측면도.

도 10은 프리스트레싱 장치에 의해 발생하는 연속교의 모멘트도.

도 11은 도 2와 도 10의 합산에 의한 모멘트도.

도 12는 제2실시예의 사시도.

도 13은 긴장재의 최소길이에 관한 그래프.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

10 : 철근 콘크리트 상판 20 : 강재 거더

21 : 웹 22 : 하부 플랜지

100 : 한 쌍의 정착구 200 : 긴장재

C : 도심 L : 지간

본 발명은 토목 분야에 관한 것으로서, 상세하게는, 교량의 프리스트레싱(Pre-Stressing) 장치에 관한 것이다.

연속교(Continuous Bridge)란, 도 1에 도시된 바와 같이, 상부의 상판(1) 및 거더(2)가 복수의 교대 또는 교각(3)에 의해 지지되어 3 이상의 지점을 가짐에 따라, 복수의 지간(支間)(L)이 형성되는 교량을 말하며, 이에 대응하여 단 하나의 지간을 갖는 교량을 단순교라 한다.

이러한 연속교에 사하중 및 활하중이 작용하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 지간(L)의 중간부에는 정(正)모멘트가 발생하고 지점부에는 부(負)모멘트가 발생한다.

단순교에 발생하는 최대 정모멘트의 크기는 같은 조건의 연속부재에서 발생하는 지점부 최대 부모멘트와 지간(L) 중간부 최대 정모멘트의 절대값을 더한 것과 거의 같으므로, 연속교로 설계하는 것이 최대 설계 휨 모멘트의 크기를 감소시킬 수 있다는 점에서 유리하다.

이러한 장점으로 인해 최근 가설되고 있는 교량의 80~90%가 연속교로 시공되고 있는 실정이다.

도 3은 철근 콘크리트 재질에 의해 형성되는 상판(1) 및 거더(2)의 단면으로서, 단면의 도심(C)이 거의 중앙부에 위치된 경우를 도시한 것이다.

이러한 단면 구조의 연속교에서는 도 4에 도시된 바와 같이 긴장재를 배치하여 프리스트레스에 의한 내부 모멘트를 형성함으로써, 도 2에 도시된 바와 같은 외부 하중에 의한 모멘트와 상쇄시킬 수 있다.

즉, 정모멘트 발생구간에는 부모멘트 형성용 긴장재(4)를 거더(2)의 도심(C) 하부에 배치하고, 부모멘트 발생구간에는 정모멘트 형성용 긴장재(5)를 거더(2)의 도심(C) 상부에 배치하여, 정부모멘트의 상호 상쇄에 의해 최종적인 휨 모멘트의 발생을 최소화할 수 있는 것이다.

한편, 도 5 내지 7에 도시된 바와 같이, 철근 콘크리트 상판(10)과 강재 거더(20)가 전단 연결재(스터드)에 의해 결합하여 외력에 대해 합성 단면으로 작용하도록 하는 구조를 합성 교량이라 하는데, 이는 서로 다른 재료의 장점을 활용한 것으로서, 비합성 교량에 비해 구조적으로 유리하여 경제적이므로 매우 널리 사용되고 있다.

도 5,6은 강재 거더(20)로서 I형 거더가 적용된 경우를 도시한 것이고, 도 7은 박스형 거더가 적용된 경우를 도시한 것이다.

그런데, 종래에는 이러한 합성 교량에 프리스트레싱을 도입함에 있어서, 상술한 비합성 교량의 프리스트레싱 공법을 그대로 적용하고 있었는바 문제점으로 지적되어 왔다.

합성 교량은 도 6에 도시된 바와 같이, 거더(20)의 단면적이 콘크리트 상판(10)의 단면적에 비해 훨씬 작기 때문에, 그 단면의 도심(C)이 극단적으로 상부에 치우침에 따라, 거더(20)의 상부 플랜지 부근이나 콘크리트 상판(10) 내부에 위치한다는 특수성을 갖는다.

따라서, 도 3,4와 같은 비합성 교량에서는 도심(C)이 거의 중앙부에 위치하므로, 도심(C)의 상부나 하부에 여유공간이 충분하므로, 부모멘트 형성용 긴장재(4)나 정모멘트 형성용 긴장재(5) 모두의 정착을 위한 공간을 충분히 확보할 수 있음에 비해, 합성 교량은 도심(C)의 상측에 정모멘트 형성용 긴장재(5)를 정착할 공간이 사실상 없는 것이다.

종래에는 이러한 구조역학적 원리를 무시하고, 지점부 부근에서 발생하는 부모멘트를 줄이기 위한 목적으로 지점부의 거더(2)의 상단에 정모멘트 형성용 긴장재(5)를 정착하는 방식을 취하였으나, 이는 사실상 도심(C)의 하부에 위치하게 되므로, 부모멘트의 상쇄에 전혀 효과가 없을 뿐만 아니라, 오히려 부모멘트를 더욱 증대시켜 역학적으로 불리한 구조를 자초하는 것이었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 철근 콘크리트 상판과 강재 거더의 합성 단면이 갖는 구조역학적 원리를 효율적으로 적용 하여, 경제성과 안전성을 극대화하고 시공성이 우수한 연속교의 프리스트레싱 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 철근 콘크리트 상판 및 강재 거더에 의해 합성 단면으로 구성된 연속교의 프리스트레싱 장치에 있어서, 상기 거더 중 상기 연속교의 하나의 지간에 해당하는 영역 내부로서, 상기 도심보다 낮은 위치에 설치된 한 쌍의 정착구; 상기 연속교의 길이방향으로 설치됨과 아울러, 상기 한 쌍의 정착구에 의해 양단이 정착된 긴장재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속교의 프리스트레싱 장치를 제시한다.

상기 거더는 단면이 박스 형상인 것이 바람직하다.

상기 거더는 단면이 I 형상이고, 상기 한 쌍의 정착구는 상기 거더의 좌우에 대칭구조로서 설치된 것이 바람직하다.

상기 정착구는 상기 거더의 하부 플랜지 및 웹에 결합한 것이 바람직하다.

상기 긴장재의 최소길이는 상기 긴장재에 의한 부모멘트가, 상기 한 쌍의 정착구 및 긴장재의 중량에 의한 정모멘트 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 긴장재의 최소길이는 상기 연속교의 지간의 30% 이상인 것이 바람직하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

도 8 이하에 도시된 바와 같이, 본 발명은 기본적으로 철근 콘크리트 상판(10) 및 강재 거더(20)에 의해 합성 단면으로 구성된 연속교의 프리스트레싱 장 치에 관한 것이다.

여기서, 거더(20) 중 연속교의 하나의 지간(L)에 해당하는 영역 내부로서, 도심(C)보다 낮은 위치에 설치된 한 쌍의 정착구(100); 연속교의 길이방향으로 설치됨과 아울러, 한 쌍의 정착구(100)에 의해 양단이 정착된 긴장재(200);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

즉, 도 8,9에 도시된 바와 같이, 복수의 지간(L)에 걸쳐 긴장재(200)를 배치하는 것이 아니라, 각각의 지간(L) 내부 영역에 각각 긴장재(200)를 배치하여 정착할 수 있도록 하고, 지점부 주위에는 별도의 긴장재의 배치를 생략한 것이다.

위와 같은 구조를 취하는 본 발명의 구조역학적 원리는 다음과 같다.

도 2,10,11은 3경간 연속보의 모멘트도에 관한 것으로서, 도 2는 외력에 의해 발생하는 모멘트, 도 10는 본 발명에 의한 프리스트레싱 장치에 의해 발생하는 모멘트, 도 11은 도 2와 도 10의 모멘트를 합산한 모멘트를 나타낸 것이다.

철근 콘크리트 상판(10) 및 강재 거더(20)에 의해 합성 단면으로 구성된 연속교에, 본 발명에 의한 프리스트레싱 장치에 의해 프리스트레싱이 인가되는 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 지간 중간부에는 부모멘트가 발생하고 지점부에는 정모멘트가 발생함을 확인할 수 있는데, 여기서 다음과 같은 2가지 사항을 주목해야 한다.

첫째는 지점부 부근에 별도의 프리스트레싱이 가해지지 않았음에도 불구하고 정모멘트가 발생한다는 점으로서, 그 이유는 다음과 같다.

상판(10) 및 거더(20)로 구성된 합성 단면의 자유물체도를 기준으로 볼 때, 프리스트레싱 구간에는 도심 하단에 압축응력이 발생하고, 나머지 구간(지점부 부근)에는 도심 하단에 인장응력이 발생한다.

이는 외력, 지점 반력 등과 관계없이 상판(10) 및 거더(20)로 구성된 합성 단면에서 교축 방향으로 힘의 평형을 유지하려는 구조역학적 원리에 기인한다.

따라서 프리스트레싱 구간에는 위 압축응력으로 인하여 부모멘트가 발생하고, 나머지 구간(지점부 부근)에는 위 인장응력으로 인하여 정모멘트가 발생하는 것이다.

둘째는 이와 같이 간접적으로 발생하는 정모멘트의 크기가 상당히 크다는 점으로서, 그 이유는 다음과 같다.

상술한 바와 같이 합성 단면에 있어서는 도심(C)의 위치가 극단적으로 높게 형성되므로, 도심(C)에서 단면 상단까지의 거리에 비해 단면 하단까지의 거리가 월등히 크게 된다.

따라서, 단면의 하단에 정착된 긴장재의 프리스트레싱 힘은 대단히 긴 팔길이를 가지고 모멘트를 일으키게 되는바, 프리스트레싱 힘이 작더라도 이에 의해 발생하는 부모멘트의 크기는 대단히 큰 것이 되고, 이와 힘의 평형을 이루기 위해 간접적으로 발생하는 정모멘트의 크기도 당연히 크게 되는 것이다.

교각(30) 및 교대에 거치된 합성 단면의 상판(10) 및 거더(20)에 이와 같은 프리스트레싱 힘을 인가하는 경우, 지간 중간부에서는 외력에 의한 정모멘트가 본 발명의 프리스트레싱 장치에 의해 직접적으로 발생하는 부모멘트에 의해 감소되고, 지점부에서는 외력에 의한 부모멘트가 상기와 같이 간접적으로 발생하는 정모멘트 에 의해 감소되므로, 최종적인 휨 모멘트의 발생을 최소화할 수 있다.

나아가, 본 발명에 의한 프리스트레싱 장치는 각각의 지간마다 비교적 짧은 길이의 긴장재를 정착하는 구성을 취하지만, 상술한 바와 같이 합성 단면의 특수성으로 인하여 이러한 프리스트레싱 힘에 의해 발생하는 부모멘트 및 정모멘트는 상당히 큰 것이므로, 외력에 의한 모멘트를 감소시키기에 전혀 부족함이 없는 것이다.

도 11은 외력에 의한 도 2의 모멘트와, 본 발명에 의한 프리스트레싱 장치에 의해 발생하는 도 10의 모멘트를 합산한 모멘트를 나타낸 것이다.

이는 지간 중간부의 외력에 의한 정모멘트가 감소함은 물론, 지점부 부근에 별도의 프리스트레싱이 인가되지 않았음에 불구하고, 지점부의 외력에 의한 부모멘트도 상당히 감소함을 확인할 수 있도록 한다.

이하, 본 발명에 의한 프리스트레싱 장치의 구체적 구성에 관한 실시예에 대하여 설명한다.

합성 단면을 형성하는 강재 거더(20)는 단면이 박스 형상, I 형상 기타 어떠한 형상을 취하더라도 관계없이 본 발명에 의한 프리스트레싱 장치가 적용될 수 있다.

도 8,9,12는 강재 거더(20)가 I 형 단면을 취하는 경우의 실시예를 도시한 것이다.

이와 같이 거더(20)의 단면이 I 형 구조를 취하는 경우, 상기 한 쌍의 정착구(100)는 거더(20)의 좌우 양측에 한 쌍씩 대칭구조로서 설치되고, 이에 따라 2개 의 긴장재(200)가 거더(20)의 좌우 양측에 정착되도록 하는 것이 구조적 안정성 측면에서 바람직하다.

정착구(100)는 도심(C)보다 낮은 위치에 설치됨으로써, 이에 정착된 긴장재(200)가 부모멘트를 발생하도록 하는 것이면 상기 본 발명의 목적을 달성함에 지장이 없는 것이나, 발생하는 부모멘트의 크기를 크게 하기 위해서는 가급적 도심(C)의 하단에 인접하여 설치되는 것이 바람직하다.

도 8,12는 정착구(100)가 박스형 구조로서 형성되어, I형 거더(20)의 웹(21) 및 하부 플랜지(22)에 동시에 용접결합한 실시예를 도시한 것이다.

이러한 구조를 취하는 경우, 큰 프리스트레싱 힘이 웹(21) 및 하부 플랜지(22)에 골고루 분포된다는 장점이 있다.

긴장재(200)는 도 8에 도시된 바와 같이, 거더(20)의 일측에 하나만 설치된 구조를 취할 수도 있고, 도 12에 도시된 바와 같이, 거더(20)의 일측에 여러개가 설치된 구조를 취할 수도 있다.

긴장재(200)의 수에 따른 프리스트레싱 힘의 크기는 긴장재(200)의 긴장 및 정착에 따른 손실을 고려하여, 강재 거더(20)의 단면 크기를 최적화할 수 있는 정도로 정해져야 한다.

이하, 한 쌍의 정착구(100) 사이에 정착되는 긴장재(200)의 길이의 최대값 및 최소값에 대하여 설명한다.

긴장재(200)의 최대길이는 프리스트레싱에 의해 발생하는 부모멘트가 외력에 의해 지점부에 발생하는 부모멘트를 증가시키지 않는 정도가 한계가 되며, 이는 타 각종 변수를 고려하여 교량의 설계에 반영되어야 한다.

긴장재(200)의 최소길이는 정착구(100) 및 긴장재(200)에 의해 구성되는 프리스트레싱 장치의 중량을 고려하여 정해진다.

거더(20)에 정착구(100) 및 긴장재(200)가 설치되는 경우, 그 중량이 거더(20)의 자중을 증대시키는 요인으로 작용하므로, 외력과 같이 정모멘트를 발생시키게 된다.

따라서 그 정착구(100) 및 긴장재(200)의 프리스트레싱 힘에 의해 발생하는 부모멘트가 최소한 위 정모멘트 이상이 되어야 이들 부재를 설치하는 의미가 있을 것인바, 결론적으로 긴장재(200)의 최소길이는 긴장재(200)에 의한 부모멘트가, 한 쌍의 정착구(100) 및 긴장재(200)의 중량에 의한 정모멘트 이상이 되도록 하여야 하는 것이다.

도 13은 정착구(100)와 긴장재(200)로서 일반적으로 사용되는 중량이 가해지는 경우를 전제로, 긴장재, 지간, 프리스트레싱 장치의 중량에 관한 시뮬레이션의 결과를 도시한 그래프이다.

여기서, X축은 교량의 지간의 길이에 대한 긴장재의 길이의 비(긴장재/지간)를 의미하고, Y축은 거더의 중량에 대한 프리스트레싱 장치가 적용된 거더의 중량의 비(프리스트레싱 거더/일반 거더)를 의미한다.

도 13에 도시된 바와 같이, X축이 약 0.3 이상인 경우에만 전체 중량을 줄이는 효과가 나타났으므로, 긴장재(200)의 최소길이는 연속교의 지간(L)의 30% 이상인 것이 바람직하다는 결과가 된다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

본 발명에 의한 연속교의 프리스트레싱 장치는 다음과 같은 효과를 얻도록 한다.

첫째, 종래와 같이 지점부 부근에 유해한 프리스트레싱 힘을 인가하지 않으므로, 교량의 안전성을 확보할 수 있도록 한다.

둘째, 효율적인 프리스트레싱의 인가로 인하여 주형의 형고를 감소시켜 교량의 미관을 개선할 수 있고, 가격이 비싼 강재의 사용량을 현저히 절감할 수 있다.

셋째, 종래 도 4의 예와 같이, 긴장재의 절곡 또는 만곡 배치를 위하여, 긴장재의 연결작업, 가설재를 이용한 보의 제작과 거치 작업 등을 실시할 필요가 전혀 없으므로, 비용과 수고를 절감할 수 있다.

넷째, 긴장재의 수 및 배치에 대한 변경이 얼마든지 용이하게 가능하므로, 적용성이 대단히 우수하다.

다섯째, 경간이 아무리 많은 경우라도 적용이 가능하다.

여섯째, 상대적으로 긴 지간의 형성을 가능하게 하므로(교각 사이의 거리를 길게 할 수 있으므로), 교각의 시공에 따른 수고, 비용을 줄일 수 있고, 우수한 미관을 형성할 수 있다.

일곱째, 주형이 2 또는 3개로 구성된 소수 거더교의 경우 부정정여력(Redundancy) 증가를 위한 기술적 프리스트레싱 공법으로 사용될 수 있다.

여덟째, 긴장재, 정착구의 교체 또는 긴장재의 재긴장 작업이 용이하므로, 교량의 내구연한을 연장할 수 있고, 구조물의 유지관리 비용을 절감할 수 있다.

Claims (6)

1. 철근 콘크리트 상판 및 강재 거더에 의해 합성 단면으로 구성된 연속교의 프리스트레싱 장치에 있어서,

   상기 거더 중 상기 연속교의 하나의 지간에 해당하는 영역 내부로서, 상기 도심보다 낮은 위치에 설치된 한 쌍의 정착구;

   상기 연속교의 길이방향으로 설치됨과 아울러, 상기 한 쌍의 정착구에 의해 양단이 정착된 긴장재;를

   포함하는 것을 특징으로 하는 연속교의 프리스트레싱 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 거더는 단면이 박스 형상인 것을 특징으로 하는 연속교의 프리스트레싱 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 거더는 단면이 I 형상이고, 상기 한 쌍의 정착구는 상기 거더의 좌우에 대칭구조로서 설치된 것을 특징으로 하는 연속교의 프리스트레싱 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 정착구는 상기 거더의 하부 플랜지 및 웹에 결합한 것을 특징으로 하는 연속교의 프리스트레싱 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 긴장재의 최소길이는

   상기 긴장재에 의한 부모멘트가, 상기 한 쌍의 정착구 및 긴장재의 중량에 의한 정모멘트 이상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 연속교의 프리스트레싱 장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 긴장재의 최소길이는

   상기 연속교의 지간의 30% 이상인 것을 특징으로 하는 연속교의 프리스트레싱 장치.

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