KR20090090904A - 하중을 재하(在荷)하여 강거더에 프리스트레싱을 도입하는방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 프리스트레스가 도입된 강(鋼) 거더를 제작하는 방법과, 이 방법에 의해 제작된 강 거더에 관한 것으로서, 강 거더를 공장에서 제작하는 중에 하중에 의한 프리스트레스를 도입함으로써 사하중 및 활하중에 의한 단면응력의 일부를 상쇄할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 단면이 T형상인 거더(1b)(이하 '제1거더'라 함)와 단면이 ⊥형상인 거더(1a)(이하 '제2거더'라 함)를 상하로 배치시켜 웨브를 서로 맞대어 용접함으로써 I형상 또는 H형상의 강(鋼) 거더를 제조하는 방법에 있어서, 상기 제1거더를 웨브가 아래로 향하도록 하여 양 단을 거치한 후에, 하중을 재하(在荷, 하중 인가)하여 제1거더의 플랜지에 압축응력을 도입한 상태에서, 제2거더의 웨브와 상기 제1거더의 웨브를 서로 맞대어 용접하여 일체화시켜 강 거더로 제작한 후에, 제1거더에 인가되고 있던 하중을 제거(해제)하고 강 거더를 다시 뒤집음으로써 프리스트레싱이 도입된 강(鋼) 거더 제작이 가능해진다.

프리스트레싱, 하중 재하, 예비응력, 상부형강과 하부형강의 용접

Description

하중을 재하(在荷)하여 강거더에 프리스트레싱을 도입하는 방법 {Method for introducing pre-stress into the steel girder}

본 발명은, 프리스트레스가 도입된 강(鋼) 거더를 제작하는 방법과, 이 방법에 의해 제작된 강 거더에 관한 것으로서, 강 거더를 공장에서 제작하는 중에 하중에 의한 프리스트레스를 도입함으로써 사하중 및 활하중에 의한 단면응력의 일부를 상쇄할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 단면이 T형상인 거더(1b)(이하 '제1거더'라 함)와 단면이 ⊥형상인 거더(1a)(이하 '제2거더'라 함)를 상하로 배치시켜 웨브를 서로 맞대어 용접함으로써 I형상 또는 H형상의 강(鋼) 거더를 제조하는 방법에 있어서, 상기 제1거더를 웨브가 아래로 향하도록 하여 양 단을 거치한 후에, 하중(p)을 재하(在荷, 하중 인가)하여 제1거더의 플랜지에 압축응력을 도입한 상태에서, 제2거더의 웨브와 상기 제1거더의 웨브를 서로 맞대어 용접하여 일체화시켜 강 거더로 제작한 후에, 제1거더에 인가되고 있던 하중을 제거(해제)하고 강 거더를 다시 뒤집음으로써 프리스트레싱이 도입된 강(鋼) 거더 제작이 가능해진다.

강(鋼) 거더의 단면 응력을 개선하기 위하여 프리스트레스(pre-stressed) 강(鋼) 거더가 사용되어 오고 있다. 프리스트레스 강(鋼) 거더는 통상적으로, I형강 또는 H형강(1)에 하중을 재하(載荷)하고, 설계 모멘트(MD)를 포괄하는 모멘트를 부여하여 I형강 또는 H형강(1)을 휘게 하고(프리플렉션), 이 상태에서 하부 플랜지에 콘크리트를 타설, 양생하고, 경화시킨 후에 하중을 제거하여, 하부 플랜지 콘크리트에 압축력을 도입하는 방법에 의해 제조되는 것이 일반적이었다.

이후에는, 종래 프리플렉션 방식의 프리스트레싱 거더의 제작방식에서 탈피하여, 시공단계에서 강(鋼) 거더의 일부 구간에 한시적으로 인위적인 온도구배를 부여하고 현장이음을 체결한 후, 부여된 온도구배를 제거하였을 때에 발생하는 단면력을 이용하여 강(鋼) 거더에 작용하는 사하중 및 활하중에 의한 단면응력의 일부를 상쇄하는 온도프리스트레싱 공법을 강(鋼) 거더에 적용시켜 휨 모멘트를 개선한 방식이 본원 발명의 발명자에 의해 제안된 바 있다.

인위적 온도를 거더 또는 플레이트에 부여함으로써 거더에 프리스트레싱이 인가되게 하여 강(鋼) 구조물 또는 강 거더를 시공하는 방법에 관한 기술내용은 한국 공개번호 제10-2002-0026775호(온도프리스트레싱을 이용하여 제작된 강뼈대 구조물 및그의 시공방법) 및 공개번호 제10-2002-0024754호(온도 프리스트레싱을 이용한 연속 강거더의 시공방법)에 잘 나타나 있으며,

온도 프리스트레싱을 교량 보강공법에 접목한 기술내용은 공개번호 제10- 2002-0041719호(온도프리스트레싱을 이용한 교량의 보강공법)에서 잘 나타나 있다.

또한, 공개번호 제10-2003-0055061호(다단계 온도 프리스트레싱 공법을 이용한 PSC빔교의 연속화공법) 및 공개번호 제10-2002-0071272호(온도 프리스트레싱 보강재 접합방식을 이용한 교량의 보강공법), 공개번호 제10-2006-0098239호(온도 프리스트레싱 공법에 의한 일부 타정식 사장교의 시공방법) 등에도 온도 프리스트레싱을 적용한 기술이 상세히 나타나 있다.

그러나, 온도 프리스트레싱 공법은 강재의 가열온도, 가열부위를 최적의 조건으로 유지시켜야 하는 어려움이 있어, 정교한 기술력이 요구되고 있다.

본 발명은 강(鋼) 거더를 공장에서 제작하는 중에 하중을 재하하여 프리스트레싱을 부여함으로써 프리스트레스 강 거더를 생산하는 방법을 제안하는 것을 목적으로 하며, 나아가 프리스트레스 강 거더의 내하성능(耐荷性能)을 증대시키고 시공성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에서 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서 제시되는 프리스트레싱 도입 방법은,

단면이 T형상인 제1거더를 양 끝단을 웨브가 아래로 향하게 하여 양단을 단순 지지로 거치하는 제1단계와; 하중(p)을 상기 제1거더의 플랜지에 재하시켜 프리스트레스를 인가하는 제2단계와; 단면이 ⊥형상인 제2거더의 웨브와 상기 제1거더의 웨브를 길이방향으로 길게 서로 맞대어 일체화시켜 I형상의 강 거더를 제작하는 제3단계와; 상기 제2단계에서 재하된 하중을 제거하는 제4단계로 이루어진다.

이렇게 하여 제작된 강 거더는 상부 플랜지(즉, 제1거더의 플랜지)에 압축응력이 잔류하고 있기 때문에, 뒤집어서 사용하면 사하중 및 활하중에 의한 단면응력 의 상당 부분을 상쇄시키는 프리스트레스로 사용할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 강(鋼) 거더의 프리스트레싱 방법의 가장 큰 특징은, 시공단계에서 강(鋼) 거더에 온도 프리스트레싱을 실시하는 것이 아니라, 공장에서 실시되는 강(鋼) 거더 제작 과정에서 프리스트레싱을 부여할 수 있기 때문에, 현장에서 프리스트레싱을 실시하는 것에 비해 프리스트레싱 작업 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 현장 작업이 줄어들게 되므로 시공성이 크게 향상될 수 있다.

나아가, 와이어, 텐던 등과 같은 긴장재를 이용하여 강 거더를 프리스트레싱시키는 방식과는 달리, 강 거더의 외부에 아무런 부착물이 없이 프리스트레싱이 가능하기 때문에, 시공 단계에서 긴장재를 이용하여 다시 한번 더 프리스트레싱을 가능해진다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1a 내지 도 1c는 I형 또는 H형 강거더를 제작하는 일반적인 과정을 설명하는 개념도이고, 도 2는 본 발명에 의한, 강거더에 프리스트레싱을 도입하는 과정을 설명하는 도면이며, 도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 상부 형강의 종류를 나타낸 도면이다.

일반적으로, H형 또는 I형 거더는 지정된 규격으로 제조되어 유통되고 있는데, 기성 규격품의 높이(h1)는, 두께와 폭(w)에 따라 약간의 차이가 있기는 하지만, I형강의 경우에는 최대 600mm, H형강의 경우에는 최대 900mm에 불과하므로, 장지간 교량이나 철골구조물의 장경간용(張徑間用) 강(鋼) 거더로는 부적합한 경우가 많다. 장지간용 또는 장경간용 강(鋼) 거더의 높이(h2)는 900 ~ 1,200mm정도가 되어야 하기 때문이다.

이러한 장지간 또는 장경간용 강(鋼) 거더는, 도 1에 도시된 바와 같이, I형강 또는 H형강(1)의 웨브 중간을 절단하여 ⊥형 거더(1b)와 T형 거더(1a)로 분할한 후에, 웨브와 동일한 두께의 보조강재(3)를 ⊥형 거더(1b)와 T형 거더(1a) 사이에 배치하여 용접으로 일체화시켜 제작하게 된다(도 1a 참조). 또 다른 방법으로는, 도 1b에 도시되어 있는 바와 같이, I형강 또는 H형강(1)의 웨브 중간을 절단하여 ⊥형 거더(1b)와 T형 거더(1a)로 분할한 후에, 별도 제작된 T형상 거더(2)를 ⊥형상 거더(1b)의 웨브 상부에 배치하여 용접으로 일체화시켜 제작하기도 하며(도 1b 참조), 경우에 따라서는 일반 강재를 용접하여 플랜지와 웨브를 구성하기도 한다.

이러한 방법에 의해 장지간 또는 장경간용 강(鋼) 거더는 충분한 높이(h2)를 확보할 수 있게 되는데, 본 발명은, 제작완료된 강 거더를 프리스트레싱하는 것이 아니라, 강(鋼) 거더를 제작하는 중에 프리스트레싱을 부여하는 공정을 갖는 점에 큰 특징이 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 프리스트레스(Pre-Stressed) 강 거더의 제작방법은, 제1단계로서 단면이 T형상인 제1거더(10)의 양단을, 웨브(10a)가 아래쪽이 되고 플랜지(10b)가 상부에 위치되게 하여 거치한다. 제1단계를 도 2a에 도시하였다.

다음 단계는, 상기 제1거더의 플랜지(10b)에 하중(p)을 재하(在荷)하는 제2단계이다. 이 때, 재하되는 하중은 거더의 길이방향으로 균일한 균등 분포 하중이 바람직할 것이나, 거더가 적용될 구조물의 특성이나, 특별히 응력분포를 개선하고자 하는 구간이 있는 경우에는 해당 지점에 집중하중을 재하하는 것도 가능하며, 일정한 구간에 대한 균등분포하중과 특정 지점에 작용하는 집중하중을 병행하여 재하할 수도 있다.

하중(p)이 재하되면, 상기 제1거더에는 모멘트(M₁)에 의해 처짐이 발생되면서 하부(즉, 웨브(10a))에는 인장응력이 발생하고, 상기 제1거더의 중립면(Netural Plane)의 상부, 즉 플랜지(10b)에는 반대로 압축응력이 발생된다. 도 2b는 제2단계를 설명하고 있다.

하중을 재하하는 제2단계에 있어서, 하중 재하위치, 재하되는 하중의 종류에 따라 발생되는 모멘트 분포는 재료역학에서 일반적으로 잘 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

다음 제3단계로서, 모멘트(M₁)에 의한 프리스트레스가 도입된 제1거더에 대해, 도 1b의 맨 오른쪽 그림과 같이, 단면이 ⊥형상인 제2거더(20)를 상기 제1거더(10)의 웨브(10a) 하부에 맞대어 용접으로 일체화시킨다. 필요에 따라서는 도 1a에 도시된 바와 같이, 보조강재(3)를 상기 제1거더(10)의 웨브(10a)와 제2거더(20)의 웨브 사이에 배치하여 각각 맞대어 용접으로 일체화시킬 수도 있는데, 이와 같은 정도의 변경은 당연히 본 발명의 범위에 포함되어야 한다. 도 2c는 제3단계를 설명하기 위해 그려진 도면이며, 도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d는 제거더의 다양한 형태들을 예시적으로 나타낸 그림이다.

제3단계는 본 발명에 있어서 가장 중요한 단계이다. 상기 제3단계는 제1거더의 웨브(10a)에 인장응력이 작용하고 있는 상태(즉, 제1거더의 웨브(10a)가 인장된 상태)에서, 상기 웨브 저면에 제2거더(20)를 맞대어 용접을 한다는 점이 가장 큰 특징이다.

상기 제3단계 작업의 결과, 상기 제1거더의 웨브(10a)는 인장상태를 유지한 채로 제2거더(20)에 의해 구속된다. 그러므로, 상기 제1거더의 플랜지 상부에서 재하되고 있는 하중은 제1거더의 상부 플랜지에 여전히 압축응력을 발생시키고 있기는 하지만, 상기 제1거더의 웨브(10a) 하단부가 제2거더(20)에 의해 이미 구속되어버렸기 때문에, 만약 재하되고 있는 하중을 제1거더의 플랜지에서부터 제거한다 하더라도, 재하 하중에 의해 제1거더에 인가되고 있던 프리스트레스는 완전히 소멸되지 않고(인가되었던 프리스트레스의 일부는 소멸될 수도 있음), 제2거더(20)에 의해 계속 유지된다.

그러므로, 이제 마지막 단계로서, 재하 하중을 제1거더로부터 제거함으로써, 프리스트레스가 도입된 강(鋼) 거더의 제작이 완료된다. 도 2d는 제4단계를 설명하는 그림이다.

상기와 같은 과정에 의해 제작되는 프리스트레스 강 거더는 정모멘트의 프리스트레스가 도입되어 있으므로, 구조물에 시공할 때에는, 압축응력이 도입된 상부 플랜지가 하부에 위치되고, 하부 플랜지가 상부에 위치되도록, 뒤집어서(Turn over) 사용되어야 한다. 도 2e는 본 발명에 의해 제작된 강 거더를, 압축응력이 인가되어 있는 플랜지는 아래로, 인장응력이 인가되어 있는 플랜지는 위로 위치하도록 바로 세워 놓은 상태를 도시한 것이다.

본 발명에 의한 강 거더는, 거더 자체만으로도 프리스트레스가 유지되므로, 프리스트레스가 거더에 유지되도록 하기 위한 외부적인 구속요소(예를 들어, 탠던이나 압축콘크리트 등)가 존재하지 않는다. 즉, 강 거더에 아무런 부착물이 없다.

그러므로, 본 발명에 의한 프리스트레스(pre-stressed) 강 거더에 대해, 와이어 또는 탠던을 이용하여 추가적으로 프리스트레스를 부여하는 것이 용이하다. 추가적인 프리스트레스를 도입하는 탠던이 설치될 브라켓의 설치공간이 충분히 넉넉하기 때문이다.

도 3은 본 발명에 의해 제작된 강 거더의 상부 플랜지에, 가열에 의해 신장(伸張)된 강판(30a)을 일체로 체결한 후 상온으로 냉각시키는 방식에 의해 추가적인 프리스트레싱을 강 거더에 인가할 수 있음을 설명하는 도면이다. 추가적인 온도프리스트레싱 방법은, 상기 제4단계가 완료된 강거더에서 압축응력이 잔류하고 있는 플랜지에, 가열에 의해 연신(延伸)된 강판(30a)을 일체로 체결하는 제5단계와; 상기 강판을 냉각시킴으로써 상기 강거더에 추가 모멘트(M₂)가 작용하도록 프리스트레싱을 도입하는 제6단계를 더 포함하여 구성된다.

본 발명의 강 거더에 있어서, 상기 제2거더(20)는 제1거더의 웨브(10a) 하단부에 용접되어 있으므로, 인장상태에 있는 제1거더의 웨브(10a)가 원래 상태로 복귀되지 못하게 구속하는 역할을 하게 되므로, 제1거더의 웨브(10a) 하단부에 용접된 제2거더(20)는 압축응력을 받게 된다. 즉, 본 발명에 의한 강 거더의 프리스트레싱 효과는 제2거더(20)의 압축 강성에 의해 결정되는 것이다.

그러므로, 제2거더(20)의 압축 강성을 높이기 위해서는 제2거더(20)의 단면을 크게 하거나, 도 4c 또는 도 4d에 도시한 바와 같이 압축에 강한 큰크리트 슬라브 또는 콘크리트 상판을 제2거더의 플랜지(20b)에 일체로 합성, 성형되어 이루어지는 것이 특히 유리하다. 제2거더(20)의 플랜지(20b)와 콘크리트 상판(40) 사이의 견고한 결합을 위하여 전단연결재(21)가 구비되는 것이 바람직하다.

도 4와 같이, 압축력에 강한 콘크리트 상판(40)을 제2거더(20)의 플랜지에 일체로 성형함으로써, 제1거더의 프리스트레스를 최대한으로 유지시킬 수 있게 된다. 즉, 상기 콘크리트 상판(40)은 제2거더(20)의 플랜지가 압축되는 것을 방지(구속)함으로써, 제1거더 플랜지에 인가되었던 압축응력은 복원되지 못하고 계속 압출응력 상태를 유지하게 되는 것이다.

상기 콘크리트 상판(40)이 결합된 제2거더는, 제2거더(20)를 준비하는 과정 중에 콘크리트 상판(40)을 타설하여 제작되는 것이 작업 공정상 편리하므로, 품질이 우수하고 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 의해 제작된 강(鋼) 거더는, 탠던이나 압축콘크리트 등과 같은 외부적인 구성요소에 의해 프리스트레스가 유지되는 것이 아니라, 거더 자체만으로도 프리스트레스가 유지된다는 점에서 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 강선, 텐던 등의 부속부재들이 거더의 외주면에 부착되어 있지 않기 때문에, 시공이 간편해진다.

둘째, 설계조건이나 구조물의 특성에 따라서는 큰 프리스트레스가 요구되는 경우가 있을 수 있는데, 프리스트레싱이 도입된 강 거더에 대해 텐던 또는 온도프리스트레싱방식에 의해 추가적인 프리스트레스 도입이 용이하다. 탠던(tanden)이나 압축콘크리트 등과 같은 외부적인 구성요소에 의해 프리스트레스가 유지되고 있는 종래 일반적인 거더의 경우에는, 프리스트레스를 더 추가하기 위해서는 텐던을 더 추가하여야 하는데, 텐던이 추가될 공간의 제약이 있기 때문에 프리스트레스를 추 가하는 것은 현실적으로 어려웠다.

본 발명에 의해 제작된 강 거더는, 시공단계에서 강(鋼) 거더에 온도 프리스트레싱을 실시하는 것이 아니라, 공장에서 강(鋼) 거더 제작하는 중에 프리스트레싱을 부여하기 때문에, 공사현장에서 프리스트레싱을 실시하는 것에 비해 프리스트레싱 작업 효과가 증대될 수 있을 뿐만 아니라, 현장 작업이 줄어들게 되므로 시공성이 크게 향상될 수 있다.

본 발명에 의해 제작된 강 거더는 장지간용 또는 장경간용 강(鋼) 거더로서 매우 유용하게 활용될 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 I형 또는 H형 강거더를 제작하는 일반적인 과정을 설명하는 개념도

도 2는 본 발명에 의한, 강거더에 프리스트레싱을 도입하는 과정을 설명하는 개념도

도 3은 본 발명에 의해 제작된 강 거더에 대해, 2차로 온도프리스트레싱을 인가하는 과정을 설명하는 도면

도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 상부 형강의 종류를 나타낸 설명도

Claims (4)

1. 단면이 T형상인 제1거더(10)를 웨브가 아래로 향하게 하여 양단을 단순 지지로 거치하는 제1단계;

   상기 제1거더의 플랜지에 하중을 재하하여 상기 제1거더에 정(+)모멘트가 작용하도록 프리스트레싱을 도입하는 제2단계;

   단면이 ⊥형상인 제2거더(20)를 상기 제1거더의 웨브 하부에 길이방향으로 길게 맞대어 일체화시켜 강거더를 제작하는 제3단계;

   상기 제2단계에서 재하된 하중을 제거하는 제4단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 강거더에 프리스트레싱을 도입하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   가열에 의해 연신(延伸)된 강판(30a)을, 상기 제4단계에 의해 제작된 강거더의 압축응력이 잔류하고 있는 플랜지에 일체로 체결하는 제5단계;

   상기 강판을 냉각시킴으로써 상기 강거더에 추가 모멘트가 작용하도록 프리스트레싱을 도입하는 제6단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강거더에 프리스트레싱을 도입하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제2거더의 플랜지에는 압축응력에 강한 콘크리트 상판이 전단연결부재에 의해 일체로 합성, 성형되어 이루어진 것을 특징으로 하는 강거더에 프리스트레싱을 도입하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나의 방법에 의해 제작된 프리스트레싱 강 거더.

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