KR20140045819A - 에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더 및 그 제조방법 - Google Patents

에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가설교량이나 가설동바리와 같이 정해진 기간동안 사용되고 목적 달성 후에는 제거되는 임시구조물용 거더에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도분포가 도입된 보강재의 냉각 수축에 의해 주거더에 프리스트레스가 도입된 임시구조물용 거더 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 적절한 실시형태에 따른 온도 프리스트레스가 도입된 임시구조물용 거더는, 본체인 주거더; 주거더의 길이방향에 평행하게 주거더의 하부 한쪽 끝단에 접합된 제1 고정부재; 주거더의 길이방향에 평행하게 주거더의 하부 다른 한쪽 끝단에 접합된 제2 고정부재; 주거더의 중앙부 하부에 웨브의 축에 대칭으로 접합되고, 제1,2 고정부재에 비해 더 긴 높이를 가지는 중간지지대; 제1 고정부재에 한쪽 단부가 핀고정되고 다른 한쪽 단부가 가열에 의해 팽창되어 중간지지대에 핀고정되며 H자형 단면형상을 이루는 길이재로 구성된 제1 보강부재; 및 제2 고정부재에 한쪽 단부를 핀고정되고 다른 한쪽 단부가 가열에 의해 팽창되어 중간지지대에 핀고정되며 H자형 단면형상을 이루는 길이재로 구성된 제2 보강부재;를 포함하며, 제1,2 보강부재의 냉각 수축에 의해 주거더에 프리스트레스가 도입되는 것을 특징으로 한다.

Description

에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더 및 그 제조방법{Thermal prestressed girder for temporary structure using H-shaped steel member and method for manufacturing the same}
본 발명은 가설교량이나 가설동바리와 같이 정해진 기간동안 사용되고 목적 달성 후에는 제거되는 임시구조물용 거더에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도분포가 도입된 보강재의 냉각 수축에 의해 주거더에 프리스트레스가 도입된 임시구조물용 거더 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 교량설계에서 외부 프리스트레스를 도입한 장스팬화 및 효율적인 단면활용 등과 같은 연구가 활발하게 진행되고 있다. 강구조물에 프리스트레스를 도입하면 큰 하중에서 탄성변형의 극한값이 증가하게 되어 구조적으로 처짐을 줄일 수 있고, 경제적으로는 강재량을 줄일 수 있는 것으로 평가되었다. 우리나라에서도 과거와는 달리 하천부의 통수단면 확보나 넓은 도로 폭의 하부도로를 횡단할 수 있도록 가설교량 또는 가설동바리와 같은 임시구조물의 장스팬화가 사회적 요구로 제시되고 있는 추세에 있기 때문에 향후 장스팬 가설의 적용범위는 크게 확장될 것으로 기대된다.
대표적인 프리스트레스 도입 방법으로는 H형 강재 등과 같은 강재의 하부 플랜지의 양측 단부측에 단부 정착장치를 설치하고 강재의 중앙부에 중앙지지장치를 설치한 다음 이들을 다수개의 강봉 또는 강연선으로 서로 관통시키고 강봉 또는 강연선에 긴장력을 도입하여 H형 강재에 프리스트레스를 도입하는 기술이 있다.
그러나 이 기술은 고응력 상태의 강봉 또는 강연선이 외부에 노출되므로 부식에 취약하고 외부 충격에 의해 강봉 또는 강연선이 끊어질 수 있다는 단점을 가진다.
본 발명의 배경이 되는 기술로는 특허등록 제10-0944005호 '강거더에 프리스트레싱을 도입하는 방법 및 이 방법에 의해 제작된 강거더'(특허문헌 1)가 있다.
특허문헌 1에서는 단면이 역T자형인 제1 거더의 양단을 단순 지지하여 거치하는 제1단계, 가열에 의해 연신된 강판을 제1 거더의 하부 플랜지에 일체로 체결하는 제2단계, 강판을 냉각시킴으로써 제1 거더에 부모멘트가 작용하도록 프리스트레싱을 도입하는 제3단계, 단면이 T형상인 제2 거더를 제1 거더의 웨브 상부에 맞대어 일체화시켜 강거더를 제작하는 제4단계, 제2단계에서 체결되었던 강판을 제거하는 제5단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 강거더에 프리스트레스를 도입하는 방법을 개시한다.
특허문헌 1의 경우 강거더의 제작단계에서 프리스트레스를 도입함으로써 시공단계에서 프리스트레스를 도입하는 것에 비해 작업성과 시공성이 향상되는 이점은 있으나, 단면강성 증대효과가 작아 장지간화한 대형구조물에 적용시 처짐이 과도하게 발생하므로 프리스트레싱에 의한 효과적인 내하성능의 개선을 기대하기 어려울 수 있다.
특허등록 제10-0944005호 '강거더에 프리스트레싱을 도입하는 방법 및 이 방법에 의해 제작된 강거더'
본 발명은 상술한 종래기술이 가지는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 강재 보강재의 온도변형 특성을 이용하여 임시구조물용 거더에 외부 프리스트레싱을 실시함으로써 장스팬화와 효율적 단면활용을 가능케 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 보강재로 H형 강재를 이용함으로써 프리스트레스 도입 효과 이외에 단면강성 증대로 처짐에 효율적으로 저항할 수 있는 임시구조물용 거더 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 적절한 실시형태에 따른 온도 프리스트레스가 도입된 임시구조물용 거더는, 본체인 주거더; 주거더의 길이방향에 평행하게 주거더의 하부 한쪽 끝단에 접합된 제1 고정부재; 주거더의 길이방향에 평행하게 주거더의 하부 다른 한쪽 끝단에 접합된 제2 고정부재; 주거더의 중앙부 하부에 길이방향에 평행하게 접합되고, 제1,2 고정부재에 비해 더 긴 높이를 가지는 중간지지대; 제1 고정부재에 한쪽 단부가 핀고정되고 다른 한쪽 단부가 가열에 의해 팽창되어 중간지지대에 핀고정되며 H자형 단면형상을 이루는 길이재로 구성된 제1 보강부재; 및 제2 고정부재에 한쪽 단부가 핀고정되고 다른 한쪽 단부가 가열에 의해 팽창되어 중간지지대에 핀고정되며 H자형 단면형상을 이루는 길이재로 구성된 제2 보강부재;를 포함하며, 제1,2 보강부재의 냉각 수축에 의해 주거더에 프리스트레스가 도입되는 것을 특징으로 한다.
이때 주거더는 상부 플랜지, 상부 플랜지와 간격을 두고 평행한 하부 플랜지, 상하부 플랜지에 수직하게 배치되어 이들을 연결하는 웨브가 H자형 단면형상을 이루는 길이재로 구성될 수 있다.
또한 제1,2 고정부재는 수평변과 수직변을 가지는 한 쌍의 ㄱ형강으로 이루어지며, 수직변이 주거더의 길이방향에 평행하게 결합되고 수평변은 주거더 하부 플랜지 하면에 접합되며, 수직변에는 제1,2 보강부재와 힌지결합을 위한 볼트홀이 천공되고, 각 ㄱ형강의 수직변은 일정한 간격으로 이격되게 설치될 수 있다.
또한 중간지지대는 수평변과 수직변을 가지는 한 쌍의 ㄱ형강으로 이루어지고, 한 쌍의 ㄱ형강의 수직변은 일정한 간격으로 이격되어 마주보게 배치되며, ㄱ형강의 수평변은 주거더 하부 플랜지 하면에 접합되고, 각 ㄱ형강의 수직변에는 제1,2 보강부재와 힌지결합을 위한 볼트홀이 천공될 수 있다.
또한, 제1 보강부재는 양단 일정구간의 상부 플랜지와 하부 플랜지를 제거하여 웨브 축이 주거더의 웨브축과 같은 선상에 위치하도록 한 상태로 웨브의 한쪽 끝단을 제1 고정부재의 수직변 사이의 간격에 삽입하여 제1 고정부재에 한쪽 단부가 핀고정되고, 웨브의 다른 한쪽 끝단을 중간지지대의 수직변 사이의 간격에 삽입하여 다른 한쪽 단부가 중간지지대에 핀고정되며, 제2 보강부재는 양단 일정구간의 상부 플랜지와 하부 플랜지를 제거하여 웨브 축이 주거더의 웨브 축과 같은 선상에 위치하도록 한 상태로 웨브의 한쪽 끝단을 제2 고정부재의 수직변 사이의 간격에 삽입하여 제2 고정부재에 한쪽 단부가 핀고정되고, 웨브의 다른 한쪽 끝단을 중간지지대의 수직변 사이의 간격에 삽입하여 다른 한쪽 단부가 중간지지대에 핀고정될 수 있다.
한편 중간지지대는 수평변과 수직변을 가지는 한 쌍의 ㄱ형강으로 이루어지고, 한 쌍의 ㄱ형강의 수직변은 일정한 간격으로 이격되어 마주보게 배치되며, ㄱ형강의 수평변은 주거더 하부 플랜지 하면에 접합되고, 각 ㄱ형강의 수직변에는 제1,2 보강부재와 힌지결합을 위한 슬롯홀이 천공되며, 슬롯홀은 제1,2 보강부재의 본래의 길이(L)와 가열후 팽창된 길이(L+ΔL)를 수용할 수 있는 길이로 경사지게 또는 아래쪽으로 볼록하게 일정한 곡률을 갖도록 천공될 수 있다.
또한 중간지지대의 마주보는 수직변 사이 제1,2 보강부재의 웨브 상부 공간에는 제1,2 보강부재의 팽창상태의 체결각도를 고정할 수 있도록 쐐기판이 더 설치될 수 있다.
여기서 쐐기판은 제1,2 보강부재 사이의 결합각도가 θ˚일 때, 아래쪽 한쪽 면의 경사각이 90-θ/2˚가 되고 다른 한쪽 면의 경사각이 90+θ/2˚이 되는 경사면이 서로 대칭되게 형성된 형상이 될 수 있다.
본 발명의 적절한 실시형태에 따른 온도 프리스트레스가 도입된 임시구조물용 거더의 제조방법은, (a) 주거더를 단순 지지되게 거치하는 단계; (b) 주거더의 하부플랜지 일단에 제1 고정부재와 타단에 제2 고정부재를 결합하고, 주거더의 중앙단 하부플랜지에 중간지지대를 고정시키는 단계; (c)제1 보강부재의 일단을 제1 고정부재에 힌지결합하고 제2 보강부재의 일단을 제2 고정부재에 힌지결합하는 단계; (d)제1,2 보강부재에 열원을 이용한 인위적 가열을 통해 제1,2 보강부재의 타단이 중간지지대에 연결될 수 있는 길이가 될 때까지 팽창시키는 단계; (e)일정 길이가 늘어난 제1,2 보강부재의 구속되지 않은 단부를 중간지지대에 힌지결합하는 단계; 및 (f)열원을 제거하여 자연스러운 온도하강에 의해 제1,2 보강부재가 수축하는 단계를 포함하는 것을 한다.
이때, (e) 단계에서, 제1,2 보강부재의 구속되지 않은 단부를 중간지지대에 힌지결합하기 전에 제1,2 보강부재의 팽창상태의 체결각도를 고정할 수 있도록 쐐기판을 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 강재 보강재의 온도변형 특성을 이용하여 도입된 프리스트레스가 임시구조물용 거더의 장스팬화와 효율적 단면사용을 가능케하고 그로 인해 임시구조물의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 보강재로 H형 강재를 이용함으로써 프리스트레스 도입 효과 이외에 단면강성 증대로 처짐에 저항할 수 있어 효율적인 고하중 장스팬 임시구조물을 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 발명의 일 실시 예에 따른 H형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더를 나타낸 정면도이다.
도 2는 주거더의 형상을 나타낸 사시도이다.
도 3은 제1 고정부재를 도시한 것으로, (가)는 정면도, (나)는 사시도, (다)는 (가)의 A-A선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 중간지지대를 도시한 것으로, (가)는 정면도, (나)는 사시도, (다)는 (가)의 B-B선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 제1 보강부재의 형상 및 그 양단의 핀접합을 위해 상부 플랜지와 하부 플랜지가 일정구간 제거된 제1 보강부재의 단부처리를 보여주는 정면도 및 사시도이다.
도 6은 중간지지대에 제1,2 보강부재의 일단이 핀접합되는 모습을 나타난 분해사시도이다.
도 7은 본 발명의 제조공정을 보여주는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예를 따른 온도프리스트레스가 도입된 임시구조물용 거더를 나타낸 정면도이다.
도 10은 도 9의 주요부분, 즉 주거더의 중앙부를 나타낸 분해사시도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중간지지대와 제1,2 보강부재의 결합방법을 나타낸 정면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 쐐기판의 형상구성을 설명하기 위한 도면이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1은 발명의 일 실시 예에 따른 H형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더를 나타낸 정면도이다.
도 1에서와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 임시구조물용 거더는 본체인 주거더(10), 주거더(10)의 하부 한쪽 끝단에 결합된 제1 고정부재(20a), 다른 한쪽 끝단에 결합된 제2 고정부재(20b), 주거더(10)의 중앙부 하부에 결합된 중간지지대(30), 제1 고정부재(20a)에 한쪽 단부가 핀고정되고 다른 한쪽 단부가 중간지지대(30)에 핀고정되는 제1 보강부재(40a), 및 제2 고정부재(20b)에 한쪽 단부가 핀고정되고 다른 한쪽 단부가 중간지지대(30)에 핀고정되는 제2 보강부재(40b)를 포함한다.
도 2는 주거더(10)의 형상을 나타낸 사시도이다.
도 2에서 보듯이, 주거더(10)는 상부 플랜지(11), 상부 플랜지(11)와 간격을 두고 평행한 하부 플랜지(12), 상하부 플랜지(11,12)에 수직하게 배치되어 이들을 연결하는 웨브(13)가 H자형 단면형상을 이루는 길이재로서 압연공정으로 제조되는 기성품이 될 수 있고 이들 각 부재를 별도로 준비하고 이들을 용접하여 제조되는 빌트-업(Built-up) 제품이 될 수 있다. 빌트-업으로 제조할 경우 단면 크기에 제약이 받지 않으며 상하부 플랜지의 폭과 강도를 달리할 수 있어 보다 효율적인 단면으로 구성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 주거더(10)에는 상부 플랜지(11)와 하부 플랜지(12) 사이에 웨브(13)에 직각방향으로 다수의 스티프너(14)를 일정간격을 두고 설치할 수 있다. 스티프너(14)는 주거더(10)의 플랜지나 웨브의 좌굴을 방지하기 위한 것이다.
도 1을 참조하면, 제1 고정부재(20a)와 제2 고정부재(20b)는 주거더(10)의 하부 플랜지(12)에 접합되는데, 그 위치는 주거더(10)를 지지하는 벤트(미도시)가 접합되는 면을 제공하기 위해 양쪽 끝단에서 각각 안쪽으로 일정거리 이격되어 설치된다. 제1 고정부재(20a)와 제2 고정부재(20b)는 각각 제1 보강부재(40a)와 제2 보강부재(40b)의 한쪽 끝단을 핀접합으로 단순 구속시키기 위해 설치된다.
도 3은 제1 고정부재(20a)를 도시한 것으로, (가)는 정면도, (나)는 사시도, (다)는 (가)의 A-A선을 따라 절단한 단면도이다.
제1 고정부재(20a)와 제2 고정부재(20b)의 구조는 동일하고 단지 설치위치에만 차이가 있으므로 아래에서는 제1 고정부재(20a)에 대해서만 설명한다.
도 3에 도시된 제1 고정부재(20a)는 예시적인 것으로, 수평변(21a)과 수직변(22a)을 가지는 한 쌍의 ㄱ형강(앵글)으로 이루어진다. 이때 각 앵글의 수직변(22a) 사이에 나중에 설명되는 보강부재 웨브(43)가 삽입될 수 있도록 보강부재 웨브(43)의 두께(t)에 대응되는 이격거리를 두고 마주보게 배치한 후 앵글의 수평변(21a)을 주거더 하부 플랜지(13) 하면에 접합한다. 접합은 볼트 또는 용접 접합 등 이 분야에서 공지된 임의의 접합방법이 사용될 수 있다. 앵글의 수직변(22a)에는 제1 보강부재(40a)와의 볼트결합을 위해 볼트홀(23a)이 천공되어 있다. 제2 고정부재(20b)는 제1 고정부재(20a)와 그 구조가 동일하며 설치의 위치만이 주거더(10)의 중앙부로부터 대칭된다. 제1,2 고정부재(20a)(20b)는 제1,2 보강부재(40a)(40b)와 핀접합을 제공할 수 있는 것이면 되므로 단면의 크기나 형상은 도 3에 도시된 것에 한정되지 않는다.
도 4는 중간지지대(30)를 도시한 것으로, (가)는 정면도, (나)는 사시도, (다)는 (가)의 B-B선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4에 도시된 중간지지대(30)는 예시적인 것으로, 주거더(10)의 하단에 웨브(13)의 축에 대칭으로 접합되는 한쌍의 ㄱ형강으로 이루어진다. 이때 각 ㄱ형강의 수직변(32)은 나중에 설명되는 보강부재 웨브(43)의 두께(t)에 대응되는 이격거리를 두고 마주보게 배치되며, ㄱ형강의 수평변(31)은 주거더 하부 플랜지(13) 하면에 접합된다. ㄱ형강의 수직변(32)에는 제1,2 보강부재(40a)(40b)와의 볼트결합을 위해 볼트홀(34)이 천공되어 있다. 단면을 보강할 필요가 있는 경우 ㄱ형강의 수평변(31)과 수직변(32)에 직각으로 접합되는 리브플레이트(33)가 더 설치될 수 있다. 리브플레이트(33)는 판상 또는 두께가 얇은 부분을 보강하기 위하여 덧붙이는 부재를 말한다. 중간지지대(30)는 제1,2 보강부재(40a)(40b)와 사이의 핀접합을 제공할 수 있는 것이면 되고 단면의 크기나 형상이 도 4에 도시된 것에 한정되지 않는다.
중간지지대(30)는 주거더(10)의 중앙부 하부 플랜지(12) 하면에 고정되며 그 높이가 제1,2 고정부재(20a)(20b)보다 일정길이 높아 제1,2 보강부재(40a)(40b)를 주거더(10)의 하부 플랜지(12)로부터 일정하게 이격되도록 배치한다. 이에 따라 도 1에 도시된 것처럼 제1,2 보강부재(40a)(40b)가 전체적으로 V자 형상이 되도록 한다.
또한 중간지지대(30)는 후술하는 인위적 열원에 의해 팽창된 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 한단과 볼트 접합되어 단순구속하는 역할을 한다.
도 5는 제1 보강부재(40a)의 형상 및 그 양단의 핀접합을 위해 상부 플랜지와 하부 플랜지가 일정구간 제거된 제1 보강부재의 단부처리를 보여주는 정면도 및 사시도이다.
도 5에서 보이는 제1 보강부재(40a)는 한쪽 단부가 제1 고정부재(20a)에 핀접합되고, 그 길이는 다른쪽 단부가 중간지지대(30)에 닿기에는 짧은 H형강으로 구성되며, 웨브(43a) 축이 주거더의 웨브(13)축과 같은 선상에 위치하도록 접합된다. 제1 보강부재(40a)의 한쪽 끝단은 제1 고정부재(20a)에, 다른 한쪽 끝단은 중간지지대(30)에 핀접합되는데 이를 용이하게 하기 위하여 그 양단 일정구간의 상부 플랜지(41a)와 하부 플랜지(42a)를 제거한다. 상부 플랜지(41a)와 하부 플랜지(42a)가 제거된 부분의 웨브(43a)에는 핀접합을 위한 볼트홀(44a)이 천공되어 있다.
제2 보강부재(40b)는 제1 보강부재(40a)와 그 구조가 동일하며 설치의 위치만이 주거더(10)의 중앙단으로부터 대칭된다.
제1,2 보강부재(40a)(40b)는 강재를 재료로 하며 인위적 가열시 팽창 변형이 발생한다. 후술되는 인위적 가열에 의한 팽창과 자연적 온도하강으로 인한 수축의 단계를 통해 온도하중을 주거더(10)에 재하하는 역할을 한다.
도 6은 중간지지대에 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 일단이 핀접합되는 모습을 나타난 분해사시도이다.
도 6에 도시된 것처럼, 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 웨브에 천공된 볼트홀(43a)(43b)과 중간지지대(31)의 수직변(32)에 천공된 볼트홀(34)이 일치될 때까지 제1,2 보강부재(40a)(40b)를 가열·팽창시킨 후 볼트(50)를 관통시키고 너트를 체결한다. 그에 따라 팽창된 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 양단이 구속된다. 이 상태에서 자연적 온도하강으로 인해 제1,2 보강부재(40a)(40b)가 수축하게 되면 주거더(10)에 온도하중이 재하된다. 그에 따라 주거더(10)에는 상향 솟음이 발생하여 하부 플랜지(12)에는 압축응력이 그리고 상부 플랜지(11)에는 인장응력이 각각 발생하게 된다.
아래에서는 이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 임시구조물용 거더의 제조공정을 도 7를 참조하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 제조공정을 보여주는 순서도이다.
먼저 (a)에서와 같이, 주거더(10)를 단순 지지되게 배치한다.
이어서 (b)에서와 같이, 주거더(10)의 하부 플랜지(12) 양쪽 끝단에서 일정거리 이격하여 제1 고정부재(20a)와 제2 고정부재(20b)를 용접 또는 볼트 접합 등 이 분야에서 공지된 임의의 방법으로 견고하게 결합한다. 또한 주거더(10)의 중앙부 하부 플랜지에 중간지지대(30)를 이 분야에서 공지된 방법 중에서 적절히 선택하여 견고하게 고정시킨다.
계속해서 (c)와 같이, 제1 보강부재(40a)의 한쪽 끝단을 제1 고정부재(20a)에 회전 가능하게 볼트로 체결하고 제2 보강부재(40b)의 한쪽 끝단을 제2 고정부재(20b)에 회전 가능하게 볼트 체결한다.
다음으로 (d)에서와 같이, 다른쪽 단부를 구속하지 않은 상태인 제1,2 보강부재(40a)(40b)에 열원을 이용한 인위적 가열을 통해 제1,2 보강부재(40a)(40b)를 팽창시킨다. 가열은 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 다른쪽 단부가 중간지지대(30)에 연결될 수 있는 길이로 늘어날 때까지 계속된다.
이어서 (e)와 같이, 일정 길이로 늘어난 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 구속되지 않은 단부를 중간지지대(30)에 볼트로 힌지접합한다.
마지막으로 제1,2 보강부재(40a)(40b)로부터 열원을 제거한다. 그에 따라 제1,2 보강부재(40a)(40b)가 수축되면서 주거더(10)에 상향 솟음이 발생한다.
주거더에 프리스트레스가 도입되는 메커니즘을 도 8을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 메카니즘을 설명한다.
외부구속이 없는 상태에서 제1,2 보강부재(40a)(40b)를 열원을 이용하여 가열하면 무응력 상태의 팽창변형이 발생한다. 팽창변형이 발생한 상태를 유지시키면서 제1,2 보강부재(40a)(40b)를 기 설치된 중간지지대(30)에 볼트체결하여 힌지접합하면, 구조 시스템은 무응력 상태를 유지한다.
볼트 체결이 완료된 후, 제1,2 보강재(40a)(40b)에 작용시켰던 열원을 제거하면, 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 온도하강에 의한 수축이 발생함으로 인해 주거더(10)의 하부에 압축력을 발생시켜 도 8의 (가)와 같이 부(-)모멘트를 갖게 된다. 이렇게 부가된 온도하중은 주거더(10)에 휨변형, 즉 주거더(10)의 중심축 상부에는 인장응력이 중심축 하부에는 압축응력이 발생하는 상향 솟음이 발생한다. 따라서 주거더(10)의 하부 플랜지(12)에는 압축응력이 도입된다.
한편, 온도하중이 재하된 후 주거더(10)는 탄성범위 내에 있으므로 휨변형량은 인장력의 크기, 온도하중의 크기에 선형비례한다. 따라서 도입되어야 할 프리스트레스의 크기에 따라 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 팽창, 수축의 변화량을 계산하고 이에 따른 위치에 볼트홀을 천공해두어 중간지지대(30)의 볼트홀과 서로 일치시키는 것으로 주거더(10)에 재하하는 온도하중을 간편하게 조절할 수 있다.
도 8의 (나)는 상기 제1,2 보강재(40a)(40b)의 온도하강에 의한 수축변형에 따라 상기 교량에는 사하중(고정하중) 및 활하중 등으로 인해 발생하게 되는 변형 및 단면력과 반대되는 변형과 단면력이 발생하여 기존 교량시스템에 가해지는 응력을 감쇄시킬 수 있는 본 발명의 특징을 보여준다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예를 따른 온도프리스트레스가 도입된 임시구조물용 거더를 나타낸 정면도이고, 도 10은 도 9의 주요부분, 즉 주거더의 중앙부를 나타낸 분해사시도이다.
본 실시 예는 중간지지대(30)와 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 접합형식만 상이할 뿐 그 외의 다른 구성은 앞서 설명한 실시 예와 동일하므로 반복된 설명은 생략한다.
중간지지대(30)는 주거더(10)의 하단에 웨브(13)의 축에 대칭으로 접합되는 한쌍의 ㄱ형강으로 이루어진다. 이때 각 ㄱ형강의 수직변(32)은 나중에 설명되는 보강부재 웨브(43)의 두께(t)에 대응되는 이격거리를 두고 마주보게 배치되며, ㄱ형강의 수평변(31)은 주거더 하부 플랜지(12) 하변에 접합된다. ㄱ형강의 수직변(32)에는 제1,2 보강부재(40a)(40b)와의 볼트접합을 위한 슬롯홀(34a)이 천공되어 있다. 앞서 설명한 실시 예에서는 중간지지대(30)에 볼트접합을 위해 원형의 볼트홀(34)을 천공하였지만 본 실시 예에서는 중간지지대(30)에 슬롯홀(34a)을 적용한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중간지지대와 제1,2 보강부재의 결합방법을 나타낸 정면도이다.
슬롯홀은 도시된 것처럼 일정한 곡률을 갖고 아래쪽으로 볼록한 형상이 되거나, 또는 직선으로 경사진 형상이 될 수 있다. 즉, 슬롯홀은 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 본래의 길이(L)와 가열후 팽창된 길이(L+ΔL)를 수용할 수 있는 길이로 천공된다. 따라서 가열 전에는 "P1" 위치에 가체결되고 가열함에 따라 팽창되어 슬롯홀을 따라 아래에 이동된 후 "P2" 위치에서 고정된다. 중앙지지대(30)에는 제1,2 보강부재(40a)(40b)와의 접합을 위한 슬롯홀(34a) 외에 나중에 설명되는 쐐기판(36)과의 접합을 위한 추가적 볼트홀(35)이 천공되어 있다.
보강부재 웨브(43)의 두께(t)에 대응되는 이격거리를 두고 마주보게 배치된 한 쌍의 ㄱ형강 사이 공간(S1)에는 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 웨브(43)부분이 삽입되고 그 상부 공간(S2)에 쐐기판(36)이 삽입된다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 쐐기판의 형상구성을 설명하기 위한 도면이다.
쐐기판(36)은 보강부재 웨브(43)의 두께(t)와 같은 두께(t)를 갖는 판형으로 중앙지지대(30)의 볼트홀(35)에 대응하는 볼트홀(37)이 천공되어 있으며 중앙지지대(30)와 볼트접합된다. 쐐기판(36)의 형상은 그 하부에 삽입되는 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 팽창상태의 체결각도를 고정할 수 있도록 팽창상태의 체결각도에 대응하여 결정된다. 예를 들어, 제1,2 보강부재(40a)(40b) 사이의 결합각도가 θ˚일 때, 쐐기판(36)은 한쪽 면의 경사각이 90-θ/2˚가 되고 다른 한쪽 면의 경사각이 90+θ/2˚이 되는 경사면이 서로 대칭되게 형성된 형상이 될 수 있다. 그러나 쐐기판(30)이 제1,2 보강부재(40a)(40b)와 접합되는 면의 형상은 이러한 경사면에 한정되지 않으며 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 팽창상태의 체결각도를 고정할 수 있다면 그 형상에 특변한 제한은 없다.
이상과 같이 구성된 본 실시 예의 제조공정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 7의 (a)에서와 같이, 주거더(10)를 배치한 후 (b)와 같이, 그 하부 플랜지(12) 양쪽 끝단에 제1 고정부재(20a)와 제2 고정부재(20b)를, 주거더(10)의 중앙단 하부 플랜지(12)에 중간지지대(30)를 결합시킨 후, (c)와 같이, 제1 보강부재(40a)의 한단을 제1 고정부재(20a)에 볼트로 체결하고 제2 보강부재(40b)의 한단을 제2 고정부재(20b)에 볼트 체결하는 단계는 앞서 설명한 실시 예와 동일하다.
본 실시 예에서는 다음 단계로, 도 11에서 보이듯 길이(L)의 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 타단을 중간지지대(30)의 슬롯홀(34a)의 상단부(P1)에 볼트로 가체결한다. 이어서, 제1,2 보강부재(40a)(40b)에 열원을 이용한 인위적 가열을 통해 제1,2 보강부재(40a)(40b)를 팽창시킨다. 가열은 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 길이가 L+ΔL이 될 때까지, 즉 가체결된 볼트접합부가 슬롯홀(34a)의 하단부(P2)쪽에 다다를 때까지 계속된다. 계속해서, 중간지지대(30)인 한쌍의 ㄱ형강 사이 상부 공간(S2)에 쐐기판(36)이 삽입되고 볼트로 체결된다. 다음으로, 제1,2 보강부재(40a)(40b)와 중간지지대(30)에 가체결되어있던 볼트(50)를 슬롯홀(34a)의 하단부(P2)에서 완전 체결한다.
마지막으로, 제1,2 보강부재(40a)(40b)로부터 열원을 제거한다. 그에 따라 제1,2 보강부재(40a)(40b)가 수축되면서 주거더(10)에 상향 솟음이 발생하면서 프리스트레스가 도입되게 된다.
본 실시 예에서 제1,2 보강부재(40a)(40b)는, 앞서 설명한 실시 예와는 달리, 제1,2 고정부재(20a)(20b)에 일단만 고정된 단계가 아니라 타단도 중간지지대(30)에 체결된 후에 가열이 이루어진다. 이후, 가열에 의해서 제1,2 보강부재(40a)(40b)는 팽창되어 그 길이가 본래의 길이(L)에서 팽창한 길이(L+ΔL)로 늘어난 후 무응력상태를 유지해야 되므로, 중간지지대(30)에 체결된 볼트체결의 위치가 고정되지 않아야하고 그에 따라 그 체결은 완전체결이 아닌 가체결되어야 한다. 즉, 도 11에서 보이듯, 가체결은 제1,2 고정부재(20a)(20b)와 중간지지대(30)의 체결의 위치가 슬롯홀(34a)의 상단부(P1)에서 제1,2 고정부재(20a)(20b)의 길이의 팽창이 발생한 후에는 슬롯홀(34a)의 하단부(P2)로 자유로운 이동이 가능하도록 한다.
또한 중간지지대(30), 즉 한 쌍의 ㄱ형강 사이의 상부공간(S2)에 삽입되어 중간지지대(30)와 볼트접합되며, 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 웨브(43)의 두께(t)와 같은 두께(t)를 가지는 평판인 쐐기판(36)은 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 수축변형에 따라서 볼트체결 위치가 완전체결된 슬롯홀(34a)의 하단부(P2)에서 다시 처음의 가체결 위치(P1)로 복귀하려는 제1,2 보강부재(40a)(40b)를 구속함에 그 목적이 있다. 즉, 제1,2 보강부재(40a)(40b)가 열원이 제거되어 수축변형하기 이전에 쐐기판(36)을 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 상부에 체결해놓음으로써 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 위치를 고정시켜 제1,2 보강부재(40a)(40b)를 압축상태로 구속한다.
상기와 같이 발생한 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 수축에 의한 압축력은 주거더(10)의 하부에 압축력을 발생시켜 부(-)모멘트를 갖게 된다. 이렇게 부가된 온도하중은 주거더(10)에 휨변형, 즉 주거더(10)의 중심축 상부에는 인장력이 중심축 하부에는 압축력이 발생하는 솟음이 발생한다. 따라서 주거더(10)의 하부 플랜지에는 압축응력이 도입된다.
한편, 온도하중이 재하된 후 주거더(10)는 탄성범위 내에 있으므로 휨변형량은 인장력의 크기, 온도하중의 크기에 선형비례한다. 따라서 도입되어야 할 프리스트레스의 크기에 따라 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 팽창, 수축의 변화량(ΔL)을 계산하고, 팽창된 상태의 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 체결각도에 따라 제작되는 쐐기판(36)으로 제1,2 보강부재(40a)(40b)를 구속하는 것으로 주거더(10)에 재하하는 온도하중을 간편하게 조절할 수 있다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
10: 주거더 11: 주거더의 상부플랜지
12: 주거더의 하부플랜지 13: 주거더의 웨브
14: 주거더의 스티프너 20a: 제1 고정부재
20b: 제2 고정부재 21a: 수평변
22a: 수직변 23a: 볼트홀
30: 중간지지대 31: 수평변
32: 수직변 33: 리브플레이트
34: 볼트홀 34a: 슬롯홀
35: 추가볼트홀 36: 쐐기판
37: 볼트홀 S1: 상부공간
S2: 하부공간 P1: 상단부
P2: 하단부 40a: 제1 보강부재
40b: 제2 보강부재 41a: 상부플랜지
42a: 하부플랜지 43a: 웨브
44a: 볼트홀 50: 볼트

Claims (10)

  1. 본체인 주거더(10);
    주거더(10)의 길이방향에 평행하게 주거더(10)의 하부 한쪽 끝단에 접합된 제1 고정부재(20a);
    주거더(10)의 길이방향에 평행하게 주거더(10)의 하부 다른 한쪽 끝단에 접합된 제2 고정부재(20b);
    주거더의 중앙부 하부에 길이방향에 평행하게 접합되고, 제1,2 고정부재에 비해 더 긴 높이를 가지는 중간지지대(30);
    제1 고정부재(20a)에 한쪽 단부가 핀고정되고 다른 한쪽 단부가 가열에 의해 팽창되어 중간지지대(30)에 핀고정되며 H자형 단면형상을 이루는 길이재로 구성된 제1 보강부재(40a); 및
    제2 고정부재(20b)에 한쪽 단부가 핀고정되고 다른 한쪽 단부가 가열에 의해 팽창되어 중간지지대(30)에 핀고정되며 H자형 단면형상을 이루는 길이재로 구성된 제2 보강부재(40b);를 포함하며,
    제1,2 보강부재(40a)(40b)의 냉각 수축에 의해 주거더에 프리스트레스가 도입되는 것을 특징으로 하는 에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더.
  2. 청구항 1에 있어서,
    주거더(10)는,
    상부 플랜지(11), 상부 플랜지(11)와 간격을 두고 평행한 하부 플랜지(12), 상하부 플랜지(11,12)에 수직하게 배치되어 이들을 연결하는 웨브(13)가 H자형 단면형상을 이루는 길이재로 구성된 것을 특징으로 하는 에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제1,2 고정부재(20a)(20b)는,
    수평변(21a)(21b)과 수직변(22a)(22b)을 가지는 한 쌍의 ㄱ형강으로 이루어지며, 수직변(22a)(22b)이 주거더(10)의 길이방향에 평행하게 결합되고, 수평변(21a)(21b)은 주거더 하부 플랜지(12) 하면에 접합되며, 수직변(22a)(22b)에는 제1,2 보강부재(40a)(40b)와 힌지결합을 위한 볼트홀(23a)이 천공되고, 각 ㄱ형강의 수직변(22a)(22b)은 일정한 간격으로 이격되게 설치된 것을 특징으로 하는 에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더.
  4. 청구항 3에 있어서,
    중간지지대(30)는,
    수평변(31)과 수직변(32)을 가지는 한 쌍의 ㄱ형강으로 이루어지고, 수직변(32)이 주거더(10)의 길이방향에 평행하게 결합되며, 한 쌍의 ㄱ형강의 수직변(32)은 일정한 간격으로 이격되어 마주보게 배치되고, ㄱ형강의 수평변(31)은 주거더 하부 플랜지(12) 하면에 접합되고, 각 ㄱ형강의 수직변(32)에는 제1,2 보강부재(40a)(40b)와 힌지결합을 위한 볼트홀(34)이 천공된 것을 특징으로 하는 에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제1 보강부재(40a)는,
    양단 일정구간의 상부 플랜지(41a)와 하부 플랜지(42a)를 제거하여 웨브(43a) 축이 주거더의 웨브(13)축과 같은 선상에 위치하도록 한 상태로 웨브(43a)의 한쪽 끝단을 제1 고정부재(20a)의 수직변(22a)(22a) 사이의 간격에 삽입하여 제1 고정부재(20a)에 한쪽 단부가 핀고정되고, 웨브(43a)의 다른 한쪽 끝단을 중간지지대(30)의 수직변(32)(32) 사이의 간격에 삽입하여 다른 한쪽 단부가 중간지지대(30)에 핀고정되며,
    제2 보강부재(40b)는,
    양단 일정구간의 상부 플랜지(41b)와 하부 플랜지(42b)를 제거하여 웨브(43b) 축이 주거더의 웨브(13)축과 같은 선상에 위치하도록 한 상태로 웨브(43b)의 한쪽 끝단을 제2 고정부재(20b)의 수직변(22b)(22b) 사이의 간격에 삽입하여 제2 고정부재(20b)에 한쪽 단부가 핀고정되고, 웨브(43b)의 다른 한쪽 끝단을 중간지지대(30)의 수직변(32)(32) 사이의 간격에 삽입하여 다른 한쪽 단부가 중간지지대(30)에 핀고정되는 것을 특징으로 하는 에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더.
  6. 청구항 3에 있어서,
    중간지지대(30)는,
    수평변(31)과 수직변(32)을 가지는 한 쌍의 ㄱ형강으로 이루어지고, 한 쌍의 ㄱ형강의 수직변(32)은 일정한 간격으로 이격되어 마주보게 배치되며, ㄱ형강의 수평변(31)은 주거더 하부 플랜지(13) 하면에 접합되고, 각 ㄱ형강의 수직변(32)에는 제1,2 보강부재(40a)(40b)와 힌지결합을 위한 슬롯홀(34a)이 천공되며, 슬롯홀(34a)은 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 본래의 길이(L)와 가열후 팽창된 길이(L+ΔL)를 수용할 수 있는 길이로 경사지게 또는 아래쪽으로 볼록하게 일정한 곡률을 갖도록 천공된 것을 특징으로 하는 에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더.
  7. 청구항 6에 있어서,
    중간지지대(30)의 마주보는 수직변(32) 사이 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 웨브(43) 상부 공간(S2)에는 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 팽창상태의 체결각도를 고정할 수 있도록 쐐기판(36)이 더 설치된 것을 특징으로 하는 에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더.
  8. 청구항 7에 있어서,
    쐐기판(36)은,
    제1,2 보강부재(40a)(40b) 사이의 결합각도가 θ˚일 때, 아래쪽 한쪽 면의 경사각이 90-θ/2˚가 되고 다른 한쪽 면의 경사각이 90+θ/2˚이 되는 경사면이 서로 대칭되게 형성된 형상이 되는 것을 특징으로 하는 에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더.
  9. (a) 주거더(10)를 단순 지지되게 거치하는 단계;
    (b) 주거더(10)의 길이방향에 평행하게 주거더의 하부 플랜지 일단에 제1 고정부재(20a)와 타단에 제2 고정부재(20b)를 결합하고, 주거더(10)의 중앙단 하부 플랜지에 중간지지대(30)를 고정시키는 단계;
    (c) H자형 단면형상을 이루는 길이재로 구성된 제1 보강부재(40a)의 일단을 제1 고정부재(21)에 힌지결합하고 H자형 단면형상을 이루는 길이재로 구성된 제2 보강부재(40b)의 일단을 제2 고정부재(20b)에 힌지결합하는 단계;
    (d) 제1,2 보강부재(40a)(40b)에 열원을 이용한 인위적 가열을 통해 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 타단이 중간지지대(30)에 연결될 수 있는 길이가 될 때까지 팽창시키는 단계;
    (e) 일정 길이로 늘어난 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 구속되지 않은 단부를 중간지지대(30)에 힌지결합하는 단계;
    (f) 열원을 제거하여 자연스러운 온도하강에 의해 제1,2 보강부재(40a)(40b)가 수축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    (e) 단계에서, 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 구속되지 않은 단부를 중간지지대(30)에 힌지결합하기 전에 제1,2 보강부재(40a)(40b)의 팽창상태의 체결각도를 고정할 수 있도록 쐐기판(36)을 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더의 제조방법.
KR1020120112053A 2012-10-09 2012-10-09 에이치형 강재를 이용하여 온도 프리스트레스를 도입한 임시구조물용 거더 및 그 제조방법 KR101431126B1 (ko)

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