KR20130106518A - 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복부경사재가 강재로 구성된 복합트러스 거더의 성능에 버금가고, 프리스트레스 콘크리트 거더 보다는 경량으로서 경제적 설계가 가능한 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더를 제공하려는 것으로서, 외부 하중에 의해 인장력이 발생하는 복부경사재와 하부재에 연속적으로 강선을 배치하고 프리스트레스를 도입하여 내부에 적정한 크기의 압축력을 미리 부여함으로써 인장력이 발생하지 않도록 하고, 프리스트레스가 도입되지 않은 나머지 부재에는 프리스트레스에 의한 구조체의 변형 및 사용 중 외부 하중에 의해 자연적으로 압축력이 도입되도록 함으로써 인장력은 존재하지 않고 압축력만 존재하는 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더를 특징으로 한다.

Description

트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더{TRUSS TYPE PRESTRESSED CONCRETE GIRDER}

본 발명은 복합트러스 거더에 버금가는 성능을 가지면서도 통상의 프리스트레스 콘크리트 거더에 비해 가볍고 시공성 및 경제성이 우수한 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더에 관한 것이다.

트러스 거더 중에는 철근 콘크리트 상현재와 강재 복부경사재 및 철근 콘크리트 하현재로 이뤄진 복합트러스 거더가 있다. 복합트러스 거더는 철근 콘크리트제 상부 및 하부 슬래브를 브이(V)형 강재 복부경사재로 연결한 것으로 공장 혹은 교량 시공 현장부근에서 세그먼트형으로 제작한 강재 복부경사재를 교량시공현장으로 운송 후 교축방향으로 배열하여 철근콘크리트 상부슬래브 및 하부 슬래브를 구축한 후 프리스트레스를 도입하는 방식으로 시공한다.

강재 복부경사재로 된 복합트러스 거더는 철근콘크리트제인 상부슬래브 및 하부슬래브와 강재 복부경사재의 연결부인 격점부를 구조적으로 안정시키기 위한 보강문제, 격점부와 상부 및 하부 슬래브 간의 선팽창계수 차이로 인한 슬래브의 균열 및 결합강도 저하에 대한 대책이 필수적으로 강구되어야 한다.

강재 복부경사재에도 프리스트레스를 도입하고 강선을 연속적으로 배치하면 구조적 효율성이 한층 높아지겠으나 강재의 변형 특성으로 인해 프리스트레스 도입이 원천적으로 불가능하다.

또한 강재 복부경사재를 갖는 복합트러스 거더에 비해 슬래브 및 복부경사재가 철근콘크리트 일체로 구성되어 슬래브와 복부경사재의 연결부인 격점부의 결합강도가 클 것으로 추정되는 트러스형 철근콘크리트제 거더는 압축력에는 강하지만 인장력에는 약한 콘크리트의 특성으로 인해 검토 대상에서 제외되어 왔다. 이는 프리스트레스가 도입되지 않은 철근콘크리트 복부경사재가 인장력에 충분히 대처할 수 없기 때문이다.

본 발명은 복부경사재가 강재로 구성된 복합트러스 거더에 상응하면서도 복부경사재가 강재로 구성된 기존의 복합트러스 거더의 연결부에서 발생하는 문제점을 해결하고 통상의 프리스트레스 콘크리트 거더에 비해 가볍고 시공성 및 경제성이 우수한 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더를 제공하는 것이다.

이 과제는 철근 콘크리트를 사용하여 일체로 연결된 트러스형태로 구성하고 외부 하중에 의해 인장력이 발생하는 복부경사재와 하부재, 또는 복부경사재와 상부재에 연속적으로 강선을 배치하고 프리스트레스를 도입하여 내부에 적정한 크기의 압축력을 미리 부여함으로써 인장력이 발생하지 않도록 하고, 프리스트레스가 도입되지 않은 부재는 프리스트레스에 의한 구조체의 변형 및 사용 중 외부 하중에 의해 압축력이 도입되도록 함으로써 인장력은 존재하지 않고 압축력만 존재하는 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더를 달성할 수 있다.

트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더는 전체 거더 중간을 중심으로 기울기가 대칭되는 철근 콘크리트제 복부경사재와 복부경사재의 하격점부를 경유하는 하부재를 일체상으로 구성하고, 상부재는 철근 콘크리트 또는 형강제 중에서 선택하여 결합하며, 상부 강선은 거더의 중간을 중심으로 대칭되는 복부경사재와 그 하부 격점부 및 해당 구간의 하부재를 경유한 후 해당 복부경사재측 상부 격점부에 이르게 설치하고 프리스트레스를 도입한 후 강선의 양단을 정착한다.

하부강선은 하부 격점부 및 하부재를 선택적으로 경유하도록 설치한다.

트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더는 비트러스형 거더에서 발생하는 휨모멘트 및 전단력이 대폭 감소되는 대신 이들이 각기 분산되어 상부재에는 상당한 크기의 압축력, 하부재에는 상당한 크기의 인장력, 복부경사재에는 인장력과 압축력이 동시에 발생한다.

하부재와 복부경사재에서 발생하는 큰 인장력에 대응하는 압축 프리스트레스가 도입됨에 따라 부재 전체에 인장력은 존재하지 않고 압축력만 존재하게 함으로써 강제 복부경사재로 된 복합트러스 거더에 버금가는 성능을 발휘하면서도 통상의 프리스트레스 콘크리트 거더보다 매우 가벼워 경량화 설계가 가능하고, 제작원가도 저렴하며, 외관도 산뜻한 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더를 제공할 수 있다.

도 1은 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더의 예시도
도 2는 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더의 상부 강선 배치도
도 3은 도 2의 평면도
도 4는 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더의 하부 강선 배치도
도 5는 도 4의 평면도
도 6은 정착부의 상세도
도 7은 상부재측 휨모멘트도
도 8은 비트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더와 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더의 단면 효율 및 프리스트레스 효율대비도
도 9는 하부재와 복부경사재의 축력도
도 10은 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더의 복부경사재에 인장응력과 압축응력이 교대로 발생하는 구간의 상부강선의 배치예시도
도 11은 연속보일 경우 부모멘트 발생구간의 강선배치 예시도
도 12는 형고가 높은 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더의 예시도
도 13은 상부재를 강재 형강으로 적용할 경우의 예시도

도 1에서, 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더의 외형상 구조는 상부재(1)와 복부경사재(2,3), 하부재(4)와 단벽(5), 그리고 상격점부(8)와 하격점부(9)로 구성된다.

상부재(1)는 철근 콘크리트(100) 또는 형강재(110)이다. 형강재(110)로는 H형, I형, ㅁ형, ㅍ형, ㅛ형 등이 있다.

복부경사재(2)(3)는 철근 콘크리트제이며, 상격점부(8)와 하격점부(9)에 기준을 둔 대칭형이며 하부재(4)도 철근 콘크리트제다.

상부강선(6)은 경사재(2)와 하부재(4)에 프리스트레스를 도입하기 위한 것으로, 복판 경사재(2a)와 복판 하격점부(9a,9a') 그리고 중앙 하부재부(4a) 및 복판 복부경사재(3a)를 경유하여 복판 상격점부(8a,8a')간에 설치된 복판 상부강선(6a)과, 중간 복부경사재(2b)와 중간 하격점부(9b,9b') 그리고 중앙 하부재부(4a)와 중간 하부재(4b,4b') 및 중간 복부경사재(3b)를 경유하도록 중간 상격점부(8b,8b')간에 설치된 중간 상부강선(6b)과, 외측 복부경사재(2c,3c)와 외측 하격점부(9c,9c') 그리고 중앙 하부재부(4a)와 중간 하부재부(4b,4b') 및 외측 하부재부(4c,4c')를 경유하여 외측 상격점부(8c,8c')에 이르도록 설치된 외측 상부강선(6c)이 있다.

그리고 하부강선(7)은 복판 하부재부(4a)를 관통하도록 복판 하격점부(9a,9a')간에 설치된 복판 하부강선(7a)과, 중앙 하부재부(4a)와 중간 하부재(4b,4b')를 관통하도록 중간 하격점부(9b,9b')간에 설치된 중간 하부강선(7b)과, 중앙 하부재부(4a)와 중간 하부재부(4b,4b') 및 외측 하부재(4c,4c')를 경유하도록 외측 하격점부(9c,9c')간에 설치된 외측 하부강선(7c)이다.

복판 상격점부(8a,8a')간에 설치된 복판 상부강선(6a)이 그 중 가장 짧고, 외측 상격점부(8c,8c')간에 설치된 외측 상부강선(6c)이 가장 길다. 복판 하격점부(9a,9a')간에 설치된 복판 하부강선(7a)도 그 중 가장 짧고, 외측 하격점부(9c,9c')간에 설치된 외측 하부강선(7c)은 그 중 가장 길다.

복판 상부강선(6a)과 중간 상부강선(6b) 및 외측 상부강선(6c), 그리고 복판 하부강선(7a)과 중간 하부강선(7b) 및 외측 하부강선(7c)은 각기 한 쌍을 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더의 폭 중심을 기준으로 대칭되게 배치하여 좌우 균형을 맞춘다.

트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더용 철근 조립은 하부재용 거푸집 위에서 하격점부(9)를 포함해 해 개시하여 복부경사재(2)(3) 및 상격점부(8) 순으로 작업한다. 복부경사재(2)(3)와 하부재(4)에는 프리스트레스 도입용 강선을 관통시키기 위한 쉬스관이 설치되는 것은 물론이며, 복부경사재(2)(3)와 하부재(4)의 철근을 조립한 후 해당 쉬스관에 각 상부강선(6)과 하부강선(7)을 설치한다.

이후의 작업은 하부재용 콘크리트의 타설과 양생, 복부경사재 및 상격점부용 거푸집의 조립과 콘크리트 타설, 거더의 전반에 걸쳐 상격점부(8) 간에 철근을 조립하고 콘크리트를 타설하여 양생하면 철근 콘크리트제 상부재(100)를 가진 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더가 된다(도 1a). 상부재와 하부재 및 경사재용 거푸집을 모두 조립하고 하부재용 콘크리트 타설 양생 후에 복부경사재와 상부재의 콘크리트 일괄 타설 양생하는 것도 가능하다.

상부강선(6)과 하부강선(7)은 트러스형 프리스트레스 콘크리트 빔의 폭 중앙을 중심으로 등간격으로 배치하여 도입되는 프리스트레스가 좌우로 균형이 이뤄지게 한다.

상부강선(6)과 하부강선(7)이 간섭하게 설치되면 양측 강선 사이에 콘크리트 부분에 공동이 커져서 결합력이 저하되기 때문에 단면강도가 떨어지고, 외부 하중에 대하여 반응할 반응속도의 차이로 인하여 강선 간에 마찰이 일어나고 강선과 콘크리트 간의 마찰도 발생하여 강선의 마모촉진, 콘크리트의 파손과 그로 인한 동공의 확장으로 사후 강도가 급격이 저하될 우려가 있으므로 상부강선(6)과 하부강선(7)은 서로 간섭하지 않도록 적당히 이격시킨다.

도 6에서, 각 상격점부(8)와 하격점부(9), 하부재(4)의 단부에 마련된 정착구좌(10) 마다 정착판 구비형 정착구(11)를 설치하여 그리로 삐져나온 각 상부강선(6)과 하부강선(7)의 단부를 관통시키고, 짧은 하부 및 상부강선에서부터 장척의 하부 및 상부강선의 순으로 설계치에 상당하는 적정한 프리스트레스를 도입하고 정착한다.

트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더는 도 8에서 보듯이, 비트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더에 비해 프리스트레스와 단면의 낭비가 전무하다시피 하므로 단면 활용도가 크며, 작은 긴장력으로도 비트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더와 동일한 효율의 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더를 얻을 수 있다. 이에 따라 비트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더와 동일 형고, 동일 성능의 것일지라도 거더의 중량을 대폭 감량할 수 있는가 하면, 동일 중량의 재료로 더 긴 장척(장경간용)의 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더도 제작할 수 있다.

트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더의 경량화 설계가 가능함에 따라 거치식 공법으로 교량을 건설할 경우 비트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더로는 불가능한 장척의 빔도 크레인으로 인상하여 교각 위에 신속하고도 안전하게 거치할 수 있다. 경량화 설계가 가능함에 따라 상부 슬래브 일체형 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더로 제작해도 크레인으로 인상하여 거치할 수 있다.

복부경사재(2,3)와 하부재(4)의 위치별 축력의 크기 변화는 상부강선(6)과 하부강선(7)으로 긴장력을 조절한다.

정착구의 위치 선정이 편리하므로 강선을 배치하기가 용이하며, 편차 블록(Deviation block)과 같은 돌출형 정착구가 불필요하고, 연속보에서 지점부측 상현재의 인장력 발생구간에 프리스트레스를 도입하기도 용이하다. 유지관리상 강선 등의 배치가 간편 용이하고, 연속교에도 적용성이 우수하다.

동일한 중량의 비트러스형 구조와 트러스형 구조를 비교(기준: 형고 2.5m, 길이 50m, 동일 중량)한 결과 자중에 의한 처짐은 비트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더는 96mm, 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더는 47mm로 나타났다. 이로 미뤄보아, 단순 산술적으로도 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더가 비트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더에 비해 2배 가량 효율이 높은 것으로 추정된다.

이하의 표는 비트러스형 구조와 트러스형 구조를 비교한 것이다.

트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더에 프리스트레스가 도입됨에 따라 하부재 및 복부경사재에서 발생하는 인장력은 완전 제거되고 축력만 작용하는 구조물로 변화된다. 이에 따라 프리스트레스를 허비하지 않고 적정한 프리스트레스를 균등하게 배분하여 도입할 수 있다.

이하의 표는 위에서 언급된 트러스형 구조에 프리스트레스를 도입시킨 결과이다.

도 11에서, 인접한 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더(G1,G2)의 상부재(1,1')에 있어서 접속단을 기준으로 대칭되는 상격점부(9c',9c)(9b',9b) 간에 연결 강선(12a)(12b)을 설치하고 프리스트레스를 도입하여 상부재(1,1')의 단부가 만나는 곳을 고정지점으로 하고 휨모멘트에 저항하는 연속보로도 설계할 수 있다.

덧붙이건대, 공장에서 혹은 교량 건설현장 인근의 제작장에서 복부경사재(2,3)의 상격점부(8) 또는 하격점부(9)의 중앙을 기준으로 등분한 쉬스관 내장형 세그먼트로 제작해 교량시공현장으로 운반하여 일렬로 늘어놓고 세그먼트의 쉬스관에 길고 짧은 상부강선(6)과 하부강선(7)을 삽입한 후 소정의 프리스트레스를 도입할 수도 있다. 이렇게 하면 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더의 작업시간을 단축할 수 있다.

도 12에서 보듯이 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더의 형고가 높으면 복부경사재(2)(3)의 각도가 커져서 상부강선을 배치하기 곤란해질 수 있다. 이 점을 고려하여 도 9와 같이 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더를 적정 간격으로 등분하고, 각 분할점마다 상부재(1)와 하부재(4)를 수직으로 잇는 수직재(13)를 일체상으로 형성함과 동시에 인접한 수직재(13)간에 복부경사재(2)(3)를 설치하여 상부강선(6)의 각도를 줄인다.

도 13에서 보듯이 시공시에 거더 중량을 줄이기 위해 상부재(1) 위에 스터드 등의 전단연결재(120,121)가 부착된 H형강, I형강 등의 형강을 교축방향으로 설치하여 고정하고 크레인 등으로 교각 위에 거치한 후 상현보강재에 철근을 조립하고 콘크리트를 타설하여 상부 슬래브를 구축할 수도 있다.

1: 상부재
2,3: 복부경사재
4: 하부재
6: 상부강선
7: 하부강선
8: 상격점부
9: 하격점부
12a,12b: 연결 강선
13: 수직재
100: 철근 콘크리트제 상부재
110: 형강제 상부재

Claims (4)

1. 철근 콘크리트 하부재(4) 상의 하격점부(9)마다 방향이 상반되는 철근 콘크리트 복부경사재(2)(3)가 일체상으로 형성되고 인접한 복부경사재(2)(3)의 상단이 만나는 곳은 상격점부(8)가 되며, 외부하중에 의해 인장력이 발생되는 복부경사재(2)(3)와 하부재(4)에 연속하는 강선(6)을 배치된 것을 특징으로 하는 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더.
   
2. 제1항에 있어서, 상부 강선(6)은 외부하중에 의해 발생한 인장력이 상호 유사한 크기로 대칭되는 거더 중앙부 인근을 중심으로 복부경사재(2)(3)와 그 하격점부(9) 및 해당 구간의 하부재(4)를 경유한 후 해당 복부경사재측 상격점부(8)에 이르게 설치하고 프리스트레스를 도입한 후 강선(6)의 양단을 정착하고, 하부 강선(7)은 하격점부(9) 및 하부재(4)를 선택적으로 경유하도록 설치한 것을 특징으로 하는 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더.
   
3. 제1항에 있어서, 상부 강선(6)은 복판 복부경사재(2a)와 복판 하격점부(9a,9a') 그리고 중앙 하부재부(4a) 및 복판 복부경사재(3a)를 경유하여 복판 상격점부(8a,8a')간에 설치된 복판 상부강선(6a)과, 중간 복부경사재(2b)와 중간 하격점부(9b,9b') 그리고 중앙 하부재부(4a)와 중간 하부재(4b,4b') 및 중간 복부경사재(3b)를 경유하도록 중간 상격점부(8b,8b') 간에 설치된 중간 상부강선(6b)과, 외측 복부경사재(2c,3c)와 외측 하격점부(9c,9c') 그리고 중앙 하부재부(4a)와 중간 하부재부(4b,4b') 및 외측 하부재부(4c,4c')를 경유하여 외측 상격점부(8c,8c')에 이르도록 설치된 외측 상부강선(6c)을 포함하고, 하부 강선(7)은 복판 하부재부(4a)를 관통하도록 복판 하격점부(9a,9a')간에 설치된 복판 하부강선(7a)과, 중앙 하부재부(4a)와 중간 하부재(4b,4b')를 관통하도록 중간 하격점부(9b,9b') 간에 설치된 중간 하부강선(7b)과, 중앙 하부재부(4a)와 중간 하부재부(4b,4b') 및 외측 하부재(4c,4c')를 경유하도록 외측 하격점부(9c,9c') 간에 설치된 외측 하부강선(7c)을 포함하는 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더.
   
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상격점부(8)간은 철근 콘크리트 상부재(100) 또는 형강 상부재(110) 중의 어느 하나로 연결된 트러스형 프리스트레스 콘크리트 거더.

Images