KR20120114044A - 물량감축을 위한 중공교각의 철근 배근구조와 이를 적용한 중공교각의 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공 단면의 중공교각에 관한 기술로서, 더욱 상세하게는 횡방향 철근을 외측 횡철근과 보강 횡철근에 의한 삼각 구도로 구성하여 내측 횡철근의 생략 내지 감축을 실현한 중공교각의 철근 배근상세와 이를 바람직하게 적용한 중공교각의 시공방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 중공교각의 철근 배근구조는, 내부가 빈 중공 단면의 철근콘크리트 중공교각에서 중공 단면의 콘크리트 내부에 매입되는 철근 배근상세로서, 축방향 외측으로 배근되는 외측 주철근; 축방향 내측으로 외측 주철근 사이에 위치하도록 배근되는 내측 주철근; 횡방향 외측 주철근 바깥으로 외측 주철근을 둘러 감으면서 배근되는 외측 횡철근; 횡방향으로 2본의 외측 주철근과 그 사이에 위치한 1본의 내측 주철근을 연결하도록 배근되는 보강 횡철근;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

물량감축을 위한 중공교각의 철근 배근구조와 이를 적용한 중공교각의 시공방법{Reinforcing Bar Details of Hollow Pier for Material Quantity Reduction and Hollow Pier Construction Method Using the Same}

본 발명은 중공 단면의 중공교각에 관한 기술로서, 더욱 상세하게는 횡방향 철근을 외측 횡철근과 보강 횡철근에 의한 삼각 구도로 구성하여 내측 횡철근의 생략 내지 감축을 실현한 중공교각의 철근 배근상세와 이를 바람직하게 적용한 중공교각의 시공방법에 관한 것이다.

교량이 장대화되고 교각의 높이가 높아짐에 따라 교각의 자중 증가가 불가피한데, 그 결과 과도한 설계 지진력을 감소시킬 수 있는 교각의 필요성이 대두되었다. 이러한 필요에 의해 개발된 교각구조가 바로 중공 단면의 중공교각이다.

중공교각은 사용재료의 절감과 수화열 억제가 가능하여 경제적, 시공상 이점이 있다. 뿐만 아니라 중공교각은 동일한 단면적을 갖는 중실 단면의 중실교각과 내진성능이 유사한 것으로 평가되고, 비내진 상세를 갖는 중공교각도 어느 정도의 연성능력을 확보하는 것으로 평가된다. 이와 같은 이점이 인정되어 최근에는 고속도로 교량 및 기타 교량에 널리 적용되고 있다.

한편 교량의 교각은 상부하중을 축력으로 받아 지반으로 전달하는 구조재가 될 뿐만 아니라 지진과 같은 횡하중을 주요하게 저항하는 구조재가 된다. 그렇기 때문에 교각은 수직하중은 물론 횡하중에 대해서도 저항하도록 구조설계되어야 하며, 그 결과 교각은 소성힌지를 통해 반복하중에 대해 소성으로 변형할 수 있는 연성능력을 부여하도록 설계되고 있다.

현재 교각 소성힌지부의 연성을 확보하기 위한 방법으로 횡철근비 기준에 따른 구조설계가 가장 일반적이다. 다시 말해 도 1에서와 같이 횡철근에 의한 콘크리트의 심부 구속 효과로 콘크리트의 극한강도와 극한변형률이 크게 증대하기 때문에, 지진하중 등과 같은 반복하중을 받는 경우에 증대된 콘크리트의 강도와 변형률이 우수한 연성능력 및 복원력 특성으로 이어지도록 한 것이다.

그런데 교각의 구조설계를 위한 횡철근비 기준은 중실 단면의 중실교각 중심으로 정립되어 있으며, 아직까지 중공교각을 위한 명확한 기준이 정립되지 못한 실정이다. 이에 따라 중공교각은 일반적으로 중실교각으로 치환하여 설계기준에 제시되어 있는 횡철근비로 설계한다. 하지만 이러한 설계방법은 안전한 설계결과를 제공할 수 있지만 경제성과 합리성을 고려할 때 바람직하다고 보기는 어렵다.

도 2는 종래 중공교각의 철근 배근상세를 보여준다. 도 2(a)(b)는 가장 일반적인 종래 중공교각(10)의 철근 배근상세인데, 보는 바와 같이 종래 중공교각(10)은 축방향으로 내?외측 주철근(11a, 11b)을 배근하고, 내?외측 주철근(11a, 11b)을 각각 둘러 감도록 내?외측 횡철근(12a, 12b)을 배근하고, 내?외측 주철근(11a, 11b)을 동시에 둘러 감도록 보강 횡철근(13)으로 배근하는 방식이다. 이 방식은 배근공간 확보가 어렵고 내?외측 횡철근(12a, 12b)과 보강 횡철근(13) 사이에 간섭이 생기기 쉬워 배근작업이 상당히 복잡하다.

도 2(c)(d)는 현재 현장에서 일반적으로 적용되고 있는 철근 배근상세인데, 보는 바와 같이 보강 횡철근(13)으로 내?외측 주철근(11a, 11b)을 둘러 감지 않은 채 단순 연결하면서 배근하는 방식이다. 이 방식은 도 2(a)(b)의 방식보다 내?외측 횡철근(12a, 12b)과 보강 횡철근(13) 사이에 간섭 문제를 개선하지만 배근의 어려움을 여전히 안고 있다.

본 발명은 상기한 종래 중공교각의 철근 배근 문제를 개선하고자 개발된 것으로, 다음과 같은 기술적 과제를 갖는다.

첫째, 경제성과 합리성을 고려한 중공교각의 새로운 철근 배근상세를 제공하고자 한다.

둘째, 배근작업이 용이한 중공교각의 철근 배근상세를 제공하고자 한다.

셋째, 새로운 철근 배근상세에 의한 중공교각의 바람직한 시공방법을 제공하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 내부가 빈 중공 단면의 철근콘크리트 중공교각에서 중공 단면의 콘크리트 내부에 매입되는 철근 배근상세로서, 축방향 외측으로 배근되는 외측 주철근; 축방향 내측으로 외측 주철근 사이에 위치하도록 배근되는 내측 주철근; 횡방향 외측 주철근 바깥으로 외측 주철근을 둘러 감으면서 배근되는 외측 횡철근; 횡방향으로 2본의 외측 주철근과 그 사이에 위치한 1본의 내측 주철근을 연결하도록 배근되는 보강 횡철근;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중공교각의 철근 배근구조를 제공한다.

또한, 본 발명은 기초부, 중공부, 코핑부로 구분되는 중공교각을 철근콘크리트 구조로 시공하기 위한 방법으로서, 철근을 배근하고 콘크리트 타설하면서 기초부를 시공하는 제1단계; 상기한 중공교각의 철근 배근구조에 따라 중공부 철근을 배근하고 콘크리트를 타설하면서 중공부를 시공하는 제2단계; 철근을 배근하고 콘크리트를 타설하면서 코핑부를 시공하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공교각의 시공방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 철근콘크리트 중공교각에서 내측 횡철근의 생략 내지 감축이 가능하고 중공비를 향상시킬 수 있으며, 그 결과 경제적인 중공 단면을 도출할 수 있다.

둘째, 경제적인 중공 단면의 도출로 중공교각의 물량감축을 실현할 수 있으며 이에 따라 시공원가를 절감하고 탄소배출을 줄일 수 있다.

셋째, 배근작업이 불편한 내측 횡철근을 생략 내지 감축할 수 있기 때문에 전반적으로 중공교각 시공과정에서 철근 배근의 시공성 향상시킬 수 있으며, 나아가 공기 단축을 실현할 수 있다.

도 1은 구속된 콘크리트와 비구속된 콘크리트의 거동특성을 나타낸다.
도 2는 종래 중공교각의 철근 배근상세를 보여준다.
도 3은 중공 원형 단면에서 중립축의 위치에 따른 콘크리트의 응력 상태를 나타낸다.
도 4는 중공 원형 단면에 작용하는 응력 상세를 나타낸다.
도 5는 중공 원형 단면의 거동특성을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 중공교각의 철근 배근구조를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 중공교각의 철근 배근구조의 배근 상세에 대한 다양한 실시예를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 중공교각의 시공방법에 대한 일실시예이다.

이하 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 중공 원형 단면에서 중립축의 위치에 따른 콘크리트의 응력 상태를 나타낸다. 보는 바와 같이 중공교각의 경우 단면 내부가 일정 비율만큼 채워져 있지 않기 때문에 중공비에 따라 중립축 위치가 달라지는 것을 알 수 있다. 이로부터 중공교각은 중공비에 따라 최종파괴 형태가 다르다고 할 수 있다. 다시 말해 파괴시 중립축이 중공 단면내부에 있다면 중실교각과 동일하게 중립축을 기준으로 압축력과 인장력이 단면에 공존하게 되지만, 중립축이 중공 내부에 있다면 중립축을 기준으로 단면 전체가 압축력을 받기 때문에 상대적으로 취성적인 파괴 거동을 보일 수 있다. 한편 중공교각은 축력이 크고 단면이 얇거나 축방향 철근비가 클 경우 그 중립축이 중공 내부에 위치한다.

도 4는 중공 원형 단면 상세(a)와 이에 작용하는 응력 상세(b)를 나타낸다. 도 4(b)에서 보는 바와 같이 중공 단면은 연직하중 작용시 포아송 비에 의해 콘크리트가 팽창하므로 횡철근에는 일정한 인장력이 발생하고, 중공 단면의 내측에는 아치 거동에 의해 압축력이 작용한다. 그런데 외측에 배근된 횡철근은 프아송 비만큼 늘어난 인장력에 의해 횡구속 능력이 발휘되어 부재의 소성 거동에 영향을 미치지만, 내측에 배근된 횡철근은 단면의 아치 거동에 의한 압축력의 작용으로 횡구속력이 상쇄되기 때문에 부재의 소성거동 능력에 미치는 영향이 미미하다고 할 수 있다.

도 5는 중공 원형 단면의 거동특성을 나타낸다. 도 5(a)에서 같이 중공 원형 단면에서 콘크리트 요소는 축방향(axial) 응력(f1)과 원주방향(circumferential)의 응력(f2)이 작용하나 방사방향(radial)으로는 구속 응력이 존재하지 않을 경우 2축 구속 상태가 되며, 이에 따라 도 5(b)에서와 같이 취성 파괴할 가능성이 있다.

본 발명은 상기한 같은 중공 단면의 거동 특성을 고려하여 경제성과 합리성을 동시에 만족시킬 수 있는 중공교각의 새로운 철근 배근상세로 개발되어 제안되었다. 도 6은 원형과 사각형 중공교각(100)을 예로 들어 본 발명에 따른 중공교각(100)의 철근 배근구조에 대한 실시예를 보여주는데, 팔각형, 타원 등 다른 형태의 중공교각에도 적용될 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 중공교각(100)의 철근 배근구조는 횡방향 철근을 외측 횡철근(120a)과 보강 횡철근(130)에 의한 삼각 구도로 구성한다는데 특징이 있다. 구체적으로 본 발명은 중공교각(100)의 철근 배근을 위해, 축방향 외측으로 외측 주철근(110a)을 배근하고, 축방향 내측으로 외측 주철근(110a) 사이에 위치하도록 내측 주철근(110b)을 배근하고, 횡방향 외측 주철근(110a) 바깥으로 외측 주철근(110a)을 둘러 감으면서 외측 횡철근(120a)하고, 횡방향으로 2본의 외측 주철근(110a)과 그 사이에 위치한 1본의 내측 주철근(110b)을 연결하여 삼각 구도를 형성하도록 보강 횡철근(130)을 배근한다.

본 발명에서 내?외측 주철근(110a, 110b)의 이음과, 외측 횡철근(120a) 및 보강 횡철근(130)의 갈고리 끝단 처리는 통상의 방법을 따르면 되며, 또한 외측 횡철근(120a) 및 보강 횡철근(130)은 폐합띠철근 또는 나선철근을 채용할 수도 있다. 가령 소성힌지 구간에서는 내?외측 주철근(110a, 110b)을 겹침이음하지 않으면서 가급적 완전 기계적 이음으로 처리하도록 하며, 소성힌지 구간 이외에서는 전체 내?외측 주철근(110a, 110b) 중 1/2을 초과하여 겹침이음하지 않도록 한다. 또한 외측 횡철근(120a)은 폐합띠철근으로 채택한 경우라면 양단을 지름의 6배와 80mm 중 큰 값 이상의 연장길이를 갖는 135°갈고리로 처리하고, 나선철근으로 채용한 경우라면 양단을 지름의 6배와 80mm 중 큰 값 이상의 연장길이를 갖는 135°갈고리로 처리하면서 이 갈고리가 주철근에 걸리게 배근한다. 한편 보강 횡철근(130)은 한쪽 단이 지름의 6배와 80mm 중 큰 값 이상의 연장길이를 갖는 135°이상의 갈고리로 처리하고 다른 쪽 단이 지름의 6배 이상의 연장길이를 갖는 90°이상의 갈고리로 처리한다. 그리고 외측 횡철근(120a)을 나선철근으로 채용한 경우에는 소성힌지 구간에서 겹침이음 대신에 기계적 연결이나 완전 용접이음으로 처리한다.

상기와 같은 배근은 내?외측 주철근(110a, 110b)이 내측보다 외측에 상대적으로 더 많이 배근되어 도 2의 배근구조보다 유리한 거동 특성을 나타낸다. 또한 외측 횡철근(120a)과 보강 횡철근(130)의 안정적인 삼각 구도에 의한 구속 응력으로 콘크리트의 3축 구속을 실현할 수 있기 때문에 취성 파괴에 유리하게 저항할 수 있다. 이에 따라 소성거동 능력에 미미한 내측 횡철근(120b)을 생략 내지 감축하여도 안정적인 내진 상세가 된다.

도 7은 본 발명에 따른 중공교각(100)의 철근 배근구조에서 배근상세에 대한 다양한 실시예를 보여준다. 도 7(a)는 보강 횡철근(130)을 폐합띠철근(130a)으로 배근한 예이고, 도 7(b)는 도 7(a)에 내측 횡철근(120b)을 더 배근한 예이고, 도 7(c)는 보강 횡철근(130)을 나선철근(130b)으로 배근한 예이다. 내측 횡철근(120b)은 내측 주철근(110b) 안쪽으로 내측 주철근(110b)을 둘러 감으면서 배근하면 되는데, 소성거동 능력에 미치는 영향이 미미하기 때문에 외측 횡철근(120a)보다 넓은 간격으로 배근하면 된다. 내측 횡철근(120b)도 외측 횡철근(120a)과 마찬가지로 이음과 끝단을 처리하는 것은 물론이다.

도 7(d)와 도 7(e)는 보강 횡철근(130)을 비폐합철근(130c, 130d)으로 배근한 예이다. 비폐합철근(130c, 130d)은 외측 주철근(110a)과 내측 주철근(110b) 사이만을 연결하고 외측 주철근(110a) 상호 간은 연결하지 않게 배근되어 외측 횡철근(120a)과 함께 어울러 삼각 구도로 완성되는 형태가 되는데, 본 발명에서는 2본의 외측 주철근(110a) 사이를 연결하지 않음에 따라 비폐합철근(130c, 130d)으로 명명한다. 도 7(d)에서는 양끝단 갈고리를 가지는 ∧형의 비폐합철근(130c)을 확인할 수 있는데, 1본의 비폐합철근(130c)으로 1본의 내측 주철근(110b)을 감으면서 2본의 외측 주철근(110a) 각각에 정착 배근하고 있다. 도 7(e)에서는 양끝단 갈고리를 가지는 ?형의 비폐합철근(130d)을 확인할 수 있는데, 2본의 비폐합철근(130d)으로 내측 주철근(110b)과 외측 주철근(110a) 사이를 각각 연결하면서 정착 배근하고 있다. 다만 비폐합철근(130c, 130d)은 비폐합철근(130c, 130d)과 외측 횡철근(120a)이 서로 연속하게 이어지도록 배근해야 할 것이며, 그래야 비폐합철근(130c, 130d)에 의한 효과적인 구속효과를 기대할 수 있다.

한편 본 발명은 기초부, 중공부, 코핑부로 구분되는 중공교각(100)을 철근콘크리트 구조로 시공하기 위한 방법을 제안하는데, 도 8은 본 발명에 따른 중공교각(100)의 시공방법에 대한 일실시예이다. 이를 참고하여 중공교각(100)의 시공방법을 단계적으로 살펴본다.

(1)제1단계

철근을 배근하고 콘크리트 타설하면서 기초부를 시공한다. 기초부는 통상의 방법으로 시공하면 된다.

(2)제2단계

도 6에서와 같은 배근구조로 철근을 배근하고 콘크리트를 타설하면서 중공부를 시공한다. 철근 배근을 제외하고 중공부 시공도 통상의 방법으로 시공하면 된다.

본 발명에서는 슬립폼을 이용한 시공방법을 일실시예로 제안하는데, 이 경우에는 슬립폼을 설치하는 제2A단계; 중공부 철근을 배근하는 제2B단계; 중공부 콘크리트를 타설 양생하는 제2C단계; 슬립폼을 인상하는 제2D단계; 상기 제2B단계 내지 제2D단계를 반복 실시하는 제2E단계;로 진행하면 된다. 중공부 시공을 완료한 후에는 슬립폼을 해체하며, 슬립폼의 이용으로 중공부의 연속시공이 가능해져 공기단축이 기대된다.

한편 중공부 철근 배근은, 현장에서 내?외측 주철근(110a)을 배근한 후 외측 횡철근(120a)을 배근한 다음 보강 횡철근(130)을 배근하면서 실시하는 것은 물론, 공장에서 내?외측 주철근(110a, 110b), 외측 횡철근(120a), 보강 횡철근(130)이 미리 조립된 철근조립체를 현장에 반입하여 양중하면서 실시하는 것도 가능하다.

(3)제3단계

철근을 배근하고 콘크리트를 타설하면서 코핑부를 시공한다. 코핑부도 마찬가지로 통상의 방법으로 시공하면 된다. 이로써 중공교각(100)이 완성된다.

이상에서 본 발명은 구체적인 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환, 부가 및 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

10, 100: 중공교각
11a, 110a: 외측 주철근
11b, 110b: 내측 주철근
12a, 120a: 외측 횡철근
12b, 120b: 내측 횡철근
13, 130: 보강 횡철근
130a: 폐합띠철근
130b: 나선철근
130c, 130d: 비폐합철근
14, 140: 콘크리트

Claims (8)

1. 내부가 빈 중공 단면의 철근콘크리트 중공교각(100)에서 중공 단면의 콘크리트 내부에 매입되는 철근 배근상세로서,
   축방향 외측으로 배근되는 외측 주철근(110a);
   축방향 내측으로 외측 주철근(110a) 사이에 위치하도록 배근되는 내측 주철근(110b);
   횡방향 외측 주철근(110a) 바깥으로 외측 주철근(110a)을 둘러 감으면서 배근되는 외측 횡철근(120a);
   횡방향으로 2본의 외측 주철근(110a)과 그 사이에 위치한 1본의 내측 주철근(110b)을 연결하여 삼각 구도를 형성하도록 배근되는 보강 횡철근(130);
   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중공교각의 철근 배근구조.
2. 제1항에서,
   상기 외측 횡철근(120a)은, 폐합띠철근 또는 나선철근인 것을 특징으로 하는 중공교각의 철근 배근구조.
3. 제1항에서,
   상기 보강 횡철근(130)은, 폐합띠철근(130a) 또는 나선철근(130b)이거나, 외측 주철근(110a)과 내측 주철근(110b) 사이만을 연결하고 외측 주철근(110a) 상호 간은 연결하지 아니한 비폐합철근(130c, 130d)인 것을 특징으로 하는 중공교각의 철근 배근구조.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
   횡방향 내측 주철근(110b) 안쪽으로 내측 주철근(110b)을 둘러 감으면서 배근되되, 상기 외측 횡철근(120a)보다 넓은 간격으로 배근되는 내측 횡철근(120b);을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중공교각의 철근 배근구조.
5. 기초부, 중공부, 코핑부로 구분되는 중공교각(100)을 철근콘크리트 구조로 시공하기 위한 방법으로서,
   철근을 배근하고 콘크리트 타설하면서 기초부를 시공하는 제1단계;
   제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따라 중공부 철근을 배근하고 콘크리트를 타설하면서 중공부를 시공하는 제2단계;
   철근을 배근하고 콘크리트를 타설하면서 코핑부를 시공하는 제3단계;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공교각의 시공방법.
6. 제5항에서,
   상기 제2단계는, 슬립폼을 설치하는 제2A단계; 중공부 철근을 배근하는 제2B단계; 중공부 콘크리트를 타설 양생하는 제2C단계; 슬립폼을 인상하는 제2D단계; 상기 제2B단계 내지 제2D단계를 반복 실시하는 제2E단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공교각의 시공방법.
7. 제6항에서,
   상기 제2B단계는, 내?외측 주철근(110a, 110b)을 배근한 후 외측 횡철근(120a)을 배근한 다음 보강 횡철근(130)을 배근하면서 실시하는 것을 특징으로 하는 중공교각의 시공방법.
8. 제6항에서,
   상기 제2B단계는, 내?외측 주철근(110a, 110b), 외측 횡철근(120a), 보강 횡철근(130)이 조립된 철근조립체를 양중하면서 실시하는 것을 특징으로 하는 중공교각의 시공방법.

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