KR20130067026A - 수직강관을 복부재로 이용한 합성거더 및 이를 이용한 교량시공방법 - Google Patents

Abstract

조립이 용이하면서도 구조적 효율성이 뛰어나 경제적으로 교량을 시공할 수 있는 수직강관을 복부재로 이용한 합성거더 및 이를 이용한 교량시공방법에 관한 것으로서, 수직강관을 조립식으로 콘크리트 상현재와 하현재에 설치되도록 하고, 상기 수직강관 내부에는 충전콘크리트가 콘크리트 상현재 형성시 함게 충전된다.

Description

수직강관을 복부재로 이용한 합성거더 및 이를 이용한 교량시공방법{COMPOSITE GIRDER WITH STEEL PIPE AND BRIDGE CONSTRUCTION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 수직강관을 복부재로 이용한 합성거더 및 이를 이용한 교량시공방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 조립이 용이하면서도 구조적 효율성이 뛰어나 경제적으로 교량을 시공할 수 있는 수직강관을 복부재로 이용한 합성거더 및 이를 이용한 교량시공방법에 관한 것이다.

종래 프리스트레스 합성트러스 보(10)는 도 1a와 같이 구조용 강판(강재)으로 만들어진 소정형상의 상현재(11), 그리고 압연형강 또는 강관을 이용해 제작된 복부재(12), 그리고 소정형상의 콘크리트 단면에 PS강선(13)을 이용해 프리스트레스를 도입시킨 하현재(14)로 각각 구성된다.

상기 상현재(11)는 합성트러스 보(10)의 자중과 콘크리트 바닥판(15) 하중으로 인해 압축력 또는 인장력을 받게 되는데, 강재로 만들어진 상현재는 인장력에는 강하지만 압축력에는 상대적으로 약하다는 구조거동상의 특성으로 인해 작용하는 압축력이 크거나 압축력을 받는 영역이 넓어질수록 상현재의 강재량은 증가하게 된다.

또한 합성 트러스보(10)의 복부재(12)와 하현재(14)는 하현재의 상부면에 강판으로 된 수평연결강판(16)을 매입한 후, 용접 또는 고장력볼트를 이용해 상기 수평연결강판(16)을 복부재(12)와 결합하는 구조를 가지고 있다.

따라서 수평연결강판 하면에는 하현재(14)와의 일체작용을 확보하기 위하여 다수의 스터드(17)를 형성시키는데, 용접 시 발생하는 열로 인해 수평연결강판(16)에는 휨변형이 발생하여 평면상태를 유지하기 어렵다는 문제점이 있었다. 이러한 휨변형이 발생하면 콘크리트 하현재(14)에 매입되는 깊이가 일정하지 않게 되어 수평연결강판과 하현재 접촉면(18)의 방수 처리가 어렵다는 문제점이 발생한다.

이러한 종래 합성 트러스보(10)의 문제점을 해결하기 위하여 소개된 복합 트러스보를 도 1b를 기준으로 살펴보면 다음과 같다.

즉 복합트러스 거더의 상현재(30)를 수평강판(31)과 콘크리트(32)로 된 합성구조로 형성시킨 다음, 바닥판 콘크리트(33)와의 합성시키기 위해 전단철근(34)을 배치하게 된다.

이에 압축을 받는 영역에서의 강재상현재(31)를 압축에 강하고 재료비가 저렴한 콘크리트(32)로 보강시킴으로써 상현강재에 요구되는 강재량이 크게 절감되고, 상현재(30)를 구성하는 수평강판(31)과 콘크리트(32) 사이의 일체작용을 확보하기 위하여 상기 수평강판의 상면에 스터드(35)를 구비하도록 한다.

도 1c는 이러한 복합 트러스보(30)의 복부재로서 강관을 사용할 때 복부재(61)와 콘크리트 하현재(64)와의 연결을 위한 격점구조의 구성을 도시한 것인데 이러한 격점구조(60)는 복부재(61)의 단부에 소정크기의 거세트판(62)을 설치한 다음, 상기 거세트판(62)을 수직연결판(63)을 이용해 서로 연결한 다음, 일정깊이로 콘크리트 하현재(64)에 매입시키고, 하현재(64)와 강결시키기 위하여 매입된 부분의 거세트판(62) 및 수직연결판(63)에 소정크기의 다수의 구멍(65)을 구비하도록 하고 이러한 구멍(65)에는 콘크리트 하현재(64)의 철근이 관통되도록 하여 강관인 복부재(61)와 콘크리트 하현재(64)가 서로 일체화되도록 한 것이다.

이로서 도 1a와 같이 하현재(14) 상면에 놓이는 수평연결판(16)과 스터드(17)를 제거함으로써, 스터드(17) 설치로 인해 생기는 수평연결강판(16)의 변형으로 인한 시공성 문제를 해결할 수 있도록 한 것이다.

하지만 이와 같이 복부재(61)를 콘크리트 하현재(64)에 매립시키는 방식은 정확한 복부재(61) 세팅 작업이 필요하며 콘크리트 하현재(61)의 철근을 수직연결판(64)의 구멍(65)에 삽입 시켜야 하므로 조립식으로 콘크리트 하현재를 제작할 수 없다는 한계가 발생하게 된다.

이에 본 발명은 합성거더(합성보, 합성빔)를 제작함에 있어서 제작공정을 최대한 단순화하여 조립 제작이 매우 용이할 뿐만 아니라, 복부재 내부에 콘크리트를 충전시켜 안정적인 상현재 지지가 가능하도록 함과 더불어 좌굴 등에 유리하여 구조적으로 효율적이면서도 경제적으로 합성거더를 제작할 수 있는 합성거더 및 이를 이용한 교량시공방법에 대한 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은

첫째, 경량화를 위해 합성거더의 상부와 하부는 콘크리트 상현재와 하현재로 각각 형성시키게 된다.

이러한 콘크리트 상현재와 하현재는 직육면체 콘크리트 판 형태로 제작하게 되며, 콘크리트 하현재 내부에는 긴장재가 설치되도록 하여 합성거더에 프리스트레스가 도입되도록 하게 된다.

이러한 콘크리트 상현재와 하현재는 통상 사용되는 교량용 거푸집을 이용하여 공장 등에서 제작하면 되므로 그 제작에 달리 숙련된 고도의 기술이 필요 없고 품질관리가 용이하여 경제적인 콘크리트 상현재와 하현재 제작이 가능하게 된다.

둘째, 이러한 콘크리트 상현재와 하현재는 조립식으로 복부재인 수직강관에 의하여 서로 결합시키게 된다.

이를 위해 상기 콘크리트 하현재에는 하부받침대를 설치하되 상기 하부받침대에는 복부재 세팅판을 설치하여 간단하게 수직강관을 콘크리트 하현재에 안착시켜 설치할 수 있도록 하였으며,

상기 콘크리트 상현재에는 상부받침대를 설치하되 상기 상부받침대에는 복부재 세팅판을 역시 설치하여 간단하게 수직강관 상단에 상부받침대를 안착 설치할 수 있도록 하였다.

이로서 상기 수직강관을 상부 및 하부받침대에 고정시키는 것만으로도 간단하게 합성거더 조립 제작이 완성될 수 있도록 하였다.

셋째, 상기 수직강관은 기성 강관을 소정의 길이로 절단하여 사용하게 되므로 그 제작 및 설치가 매우 간단해지면 내부에 콘크리트 상현재를 형성시키기 위한 콘크리트 타설 시 내부가 함께 충전되도록 함으로서 구조적으로 효과적인 콘크리트 복부재가 형성되도록 하였다.

즉, 상기 수직강관 자체도 하중지지역할을 일부 하게 되지만 내부에 수직강관에 의하여 구속되는 콘크리트는 작용하중을 보다 효과적으로 지지할 수 있도록 하였다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

이로서 본 발명에 의한 합성거더는

콘크리트 상현재와 하현재 및 수직강관과 상부받침대를 이용하여 간단하게 조립 제작할 수 있어 제작이 매우 신속하고, 제작을 위하여 비용이 많이 소요되는 강재 거푸집을 효율적으로 활용할 수 있어 보다 경제적인 합성거더 제작이 가능하게 된다.

또한 상기 합성거더는 프리캐스트 방식으로 모두 제작할 수 있기 때문에 품질관리가 매우 용이하여 효과적인 교량 시공에 이용할 수 있게 된다.

도 1a, 도 1b 및 도 1c는 종래 합성트러스보, 복합트러스 보 및 복합트러스보의 격점구조 사시도,
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 본 발명에 의한 수직강관을 복부재로 이용한 합성거더의 제작 순서도,
도 3은 본 발명에 의한 수직강관을 복부재로 이용한 합성거더의 완성사시도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 합성거더를 이용한 교량시공방법의 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

[ 콘크리트가 충전된 복부재를 이용한 합성거더(A) ]

본 발명의 합성거더(A)는 콘크리트 하현재(100), 수직강관(210) 내부에 충전콘크리트(230)로 충전된 복부재(200) 및 콘크리트 상현재(300)가 조립 되어 제작된다.

먼저, 상기 콘크리트 하현재(100)는 도 2a와 같이 합성거더(A)의 연장길이에 대응하는 길이를 가지면 소정의 두께를 가진 프리캐스트 콘크리트 바닥판으로 제작하게 된다(직육면체 콘크리트 패널 형태)

이러한 콘크리트 하현재(100)에는 내부에 미리 길이방향으로 쉬스를 매립 설치하여 추후 쉬스에 긴장재(110)를 배치하여 콘크리트 하현재(100)에 프리스트레스가 도입될 수 있도록 하게 된다.

물론 이러한 방식은 포스트 텐션방식이지만 프리텐션 방식으로 프리스트레스가 도입되도록 할 수도 있다.

이때 상기 콘크리트 하현재(100) 상면에는 후술되는 복부재(200) 설치를 위한 하부받침대(120)를 설치하여 상부가 외부에 노출되도록 설치하게 된다.

이러한 하부받침대(120)는 받침판(121)이 콘크리트 하현재(100)에 스터드(122)에 의하여 고정되어 상면이 콘크리트 하현재(100)의 상면과 동일한 높이로 형성되어 상면이 노출되도록 하게 된다.

또한, 상기 받침판(121)의 상면 외곽 둘레에는 후술되는 복부재(200)가 끼워져 안착되도록 형성된 다수의 복부재 세팅판(123)이 서로 이격되어 설치된다.

이로서 본 발명의 복부재(200)는 위치 세팅을 위하여 별도의 노력을 기울이지 않고서도 복부재(200)를 하부받침대(120)에 용이하게 안착시켜 조립할 수 있게 된다.

또한 상기 복부재 세팅판(123)의 내측에는 받침판(121)을 관통하여 하부가 콘크리트 하현재(100)에 고정되며 상방으로 연장되어 상부가 외부에 노출되도록 형성된 복부재 합성봉(124)이 역시 다수 이격 설치된다.

이러한 복부재 합성봉(124)은 체결너트에 의하여 받침판(121)에 위치 고정시켜 거더 제작 중 충격 등에 의하여 휘어지거나 변형되지 않도록 하게 된다.

이에 미리 제작장에서 설치한 콘크리트 하현재용 거푸집(미도시)에 긴장재(110, 포스트텐션 방식의 경우)와 하부받침대(120)를 미리 세팅하고 콘크리트를 타설하여 하부받침대(120)가 일체화된 콘크리트 하현재(100)를 제작하게 된다.

다음으로 도 2b와 같이 상기 수직강관 내부에 콘크리트가 충전된 복부재(200)는 먼저 수직강관(210)을 소정의 높이를 가지도록 강관을 절단하여 준비하게 된다.

이러한 강관은 일정한 직경을 가진 것으로서 기성제품을 구입하여 절단하면 간단하게 수직강관으로 이용이 가능하므로 달리 가공에 많은 비용이 필요 없다는 장점이 있게 된다.

이에 상기 수직강관(210)은 앞서 살펴본 하부받침대(120)를 구성하는 받침판(121)에 형성된 복부재 세팅판(123)에 끼워져 저면이 받침판(121)의 상면에 지지되도록 하게 된다.

즉, 수직강관(210)의 무게는 구입한 강관의 두께 및 직경에 따라 중량이 다르긴 하지만 상당한 무게를 가지게 되므로 이를 인양하여 콘크리트 하현재에 정확하게 세팅하는 작업은 사실상 용이하지 않다.

이에 본 발명은 조립 설치의 단순화를 위하여 복부재 세팅판(123)에 수직강관(210)이 끼워져 설치되도록 함으로서 간단하게 수직강관(210)을 콘크리트 하현재(100)에 설치할 수 있도록 한 것이다.

이와 같이 수직강관(210)을 복부재 세팅판(123)에 의하여 하부받침대(120)에 안착시키면 하부받침대(120)와 수직강관(210)을 용접에 의하여 고정시킬 수 있는데 위치가 안착되어 있으므로 용접작업이 수월하고 만약 용접에 의한 품질확보 등이 우려되면 미도시한 앵글을 등을 이용하여 볼트를 이용하여 하부받침대(120)의 받침판(121)에 체결시켜 고정시키면 된다.

이와 같이 복부재(200)를 수직강관(210)으로 설치하면 세팅이 용이할 뿐만 아니라 콘크리트 상현재(300)로부터 전달되는 하중을 축하중(수직하중)에 의하여 정확하게 콘크리트 하현재(100)에 의하여 전달할 수 있으므로 합성거더의 단면력 계산이 간단해져 설계 및 제작에 매우 유리하다.

또한, 후술되는 바와 같이 수직강관(210)이 차지하는 단면적은 종래 복합 트러스보와 달리 내부에 충전되는 충전콘크리트(230)에 의하여 훨씬 커지기 때문에 콘크리트 상현재(300)로부터 전달되는 하중을 실질적으로 저항하는 구조부재로 역할을 할 수 있으므로 콘크리트 상현재(300)와 콘크리트 하현재(100)의 단면을 최적화 할 수 있게 된다.

또한 수직강관(210)의 내부에 충전되는 충전콘크리트(230)에 대한 거푸집 역할을 하기 때문에 복부재(200)를 콘크리트부재로 제작하기 용이하며 상기 충전콘크리트(230)가 수직강관(210)에 의하여 구속되므로 축력 지지에 매우 유리하고 합성거더의 좌굴 등에 매우 유리하게 된다.

이러한 충전콘크리트(230) 충전방법은 후술하기로 한다.

다음으로 상기 수직강관(210) 상면에는 도 2c와 같이 콘크리트 상현재(300)를 설치할 수 있는 상부받침대(220)를 설치하게 된다.

상기 상부받침대(220)는 콘크리트 상현재(300)를 용이하게 지지할 수 있도록 설치하는 것으로서 하부받침대(120)와 다른 점은 상면에 콘크리트 충전홀(221)이 각각 형성되어 있다는 점이다.

이는 상기 콘크리트 충전홀(221)을 통해 충전콘크리트(230)가 수직강관(210)에 용이하게 충전될 수 있도록 하기 위함이다.

이러한 상부받침대(220)는 받침판(222) 저면에 충전콘크리트와 합성시키기 위한 스터드(223)가 형성되도록 하고 수직강관(210)과 받침판 저면 둘레를 따라 복부재 세팅판(224)이 서로 이격 형성되도록 하여 상부받침대(220)를 수직강관(210) 상단에 역시 용이하게 끼워 설치할 수 있도록 하게 된다.

이에 역시 상부받침대(220)를 복부재 세팅판(224)에 의하여 수직강관(210)의 상단에 안착시키면 상부받침대(220)와 수직강관(210)을 용접에 의하여 고정시킬 수 있는데 역시 수직강관의 위치가 안착되어 있으므로 용접작업이 수월하고 만약 용접에 의한 품질확보 등이 우려되면 역시 미도시한 앵글을 등을 이용하여 볼트를 이용하여 상부받침대(220)에 체결시켜 고정시키면 된다.

이러한 상부받침대(220)는 수직강관(210) 각각의 상단에 설치하게 된다.

다음으로는 이러한 상부받침대(220)까지 수직강관(210)에 설치한 이후에 긴장재(110)를 긴장 후 정착시켜 콘크리트 하현재(100)에 프리스트레스가 도입되도록 하게 된다. 이는 도입되는 프리스트레스가 거더의 중립축을 기준으로 하방에 도입되도록 하여야 거더 하부에 작용하는 인장력에 효과적으로 저항할 수 있기 때문이다.

다음으로 상기 콘크리트 상현재(300)는 도 2d와 같이 상부받침대(220) 상면이 매립되도록 미도시된 거푸집 등을 이용하여 콘크리트 하현재(100)와 같이 형성시키게 된다.

이때 타설되는 콘크리트(콘크리트 상현재용)는 수직강관(210)의 상면에 형성된 콘크리트 충전홀(211)을 통해 수직강관(210) 내부까지 충전되도록 하게 되며 그 충전여부를 콘크리트 충전홀(211)을 통해 육안으로 확인할 수 있으므로 충전여부에 대한 확인이 용이하게 된다.

또한 상기 수직강관(210)에 충전된 충전콘크리트(230)는 상부받침대(220)와 하부받침대(120)에 수직강관(210) 내부로 연장 형성된 각각의 스터드(223)와 복부재 합성봉(124)에 의하여 수직강관(210)과 일체화 거동할 수 있게 된다.

나아가 긴장재(110)중 긴장, 정착시키지 않고 남은 것들을 추가로 긴장 정착시켜 소요의 프리스트레스를 합성거더에 추가 도입할 수 있다.

이에 최종 도 3과 같이 본 발명에 의한 합성거더(A)가 최종 완성되어 있음을 알 수 있으며, 콘크리트 하현재(100), 복부재(200) 및 콘크리트 상현재(300)로서 간단하게 조립 제작될 수 있음을 알 수 있다.

[ 콘크리트가 충전된 복부재를 이용한 합성거더(A)를 이용한 교량시공방법 ]

먼저, 도 4a와 같이 합성거더(A)를 공장 등에서 먼저 제작하게 된다.

이러한 합성거더(A)에 있어 콘크리트 상현재(300)와 수직강관(210)에 충전되는 충전콘크리트(230)는 현장에서 직접 제작함으로서 합성거더(A)의 무게를 최소화하여 운반하여 현장에 반입시킬 수도 있다.

이러한 합성거더(A)는 도 3과 같이 콘크리트 하현재(100), 충전콘크리트가 충전된 수직강관(210), 콘크리트 상현재(300)를 포함하여 구성되며 콘크리트 하현재(100)에 형성된 긴장재(110)에 의하여 프리스트레스가 도입된 상태이다.

이러한 합성거더(A)는 미리 시공된 교량하부구조(B)에 거치된다.

이러한 교량하부구조(B)는 교대, 교각을 포함하며 본 발명에서는 양 교대가 서로 교축방향으로 마주보도록 설치되며 상기 교대 사이에 합성거더(A)가 거치되는 단경간 교량을 기준으로 살펴본다.

이에 양 교대가 시공되면 기중기 등 인양장치를 이용하여 교량하부구조 사이에 횡방향으로 다수를 교량받침(미도시)을 이용하여 거치하게 된다.

다음으로는 도 4b와 같이 상기 합성거더(A) 상면에 미도시된 거푸집 등을 이용 또는 데크플레이트를 이용하여 슬래브(S)를 시공하여 최종 교량을 완성시킬 수 있도록 하게 된다.

100: 콘크리트 하현재
110: 긴장재
120: 하부받침대
121: 받침판
122: 스터드
123: 복부재 세팅판
124: 복부재 합성봉
200: 복부재
210: 수직강관
220: 상부받침대
221: 콘크리트 충전홀
222: 받침판
223: 스터드
224: 복부재 세팅판
230: 충전콘크리트
300: 콘크리트 상현재
A: 본 발명의 합성거더
B: 교량하부구조
S: 슬래브

Claims (5)

1. 패널 형태로서 두께(T)를 가진 콘크리트 하현재(100);
   상기 콘크리트 하현재의 상면에 상면이 노출된 받침판(121)과 상기 받침판 상면 둘레에 설치된 복부재 세팅판(123)을 포함하는 하부받침대(120);
   상기 복부재 세팅판이 외주면이 접하도록 끼워져 고정된 수직강관(210) 및 상기 수직강관 상단에 끼워져 설치되며 콘크리트 충전홀이 상면에 형성된 받침판(222)과 상기 받침판 저면 둘레에 설치된 복부재 세팅판(224)을 포함하는 상부받침대(220);를 포함하는 복부재(200); 및
   상기 상부받침대의 받침판이 매립되도록 형성된 콘크리트 상현재(300);를 포함하여 상기 콘크리트 상현재를 형성시키기 위한 콘크리트 타설시 콘크리트가 콘크리트 충전홀을 통해 수직강관 내부에 충전되어 수직강관 내부에 충전콘크리트(230)가 콘크리트 상현재(300)와 함께 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 수직강관을 복부재로 이용한 합성거더.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 하부받침대의 받침판 저면에는 스터드(122)가 형성되어 콘크리트 하현재에 받침판이 고정되도록 하며, 상기 하부받침대의 받침판에는 받침판을 관통하여 하부가 콘크리트 하현재에 고정되며 상방으로 연장되어 상부가 외부에 노출되도록 형성된 복부재 합성봉(124)이 다수 형성되어 상기 복부재 합성봉에 의하여 충전콘크리트가 수직강관과 일체로 거동하도록 하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 수직강관을 복부재로 이용한 합성거더.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 상부받침판의 받침판 저면에는 스터드(223)가 형성되어 상기 스터드에 의하여 충전콘크리트가 수직강관과 일체로 거동하도록 하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 수직강관을 복부재로 이용한 합성거더.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 콘크리트 하현재 내부에는 길이방향으로 연장된 긴장재(110)가 더 설치되도록 하여 프리스트레스가 도입되도록 하며 상기 긴장재는 콘크리트 상현재가 설치되기 이전에 일부가 긴장 후 정착되도록 하고 나머지 긴장재는 콘크리트 상현재가 설치된 이후에 긴장 후 정착되도록 하는 것을 특징으로 하는 수직강관을 복부재로 이용한 합성거더.
5. 교량하부구조를 설치하고,
   상기 제 1항의 합성거더(A)를 교량하부구조(B)에 거치시키고,
   상기 합성거더의 상부에 슬래브(S)를 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직강관을 복부재로 이용한 합성거더를 이용한 교량시공방법.

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