KR20140109587A - 블록을 이용한 조립식 교각의 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량의 하부구조인 교각을 프리캐스트 블록을 이용하여 쌓기식으로 만드는 조립식 교각에 관한 것이다.
본 발명은 프리캐스트 상하블록간 연결을 위한 별도의 연결장치(커플러 또는 강봉 등)를 없애는 대신, 상하블록의 연결부를 요철형태로 만듦으로서, 하블록위에 상블록을 끼운 뒤 간단히 채움재(예: 무수축콘크리트 등)를 채움으로서 조립식 교각을 완성시키는 것이 특징이다. 상기에서 단절된 응력 전달은 수평면상 중첩되게 배치된 수직 주철근 사이의 전단마찰력(이는 채움재가 담당)에 의해 응력을 전달하는 구조이다.

Description

블록을 이용한 조립식 교각과 그 시공방법{Precast Pier and Construction Method}

본 발명은 교량의 하부구조인 교각을 프리캐스트 블록을 이용하여 쌓기식으로 만드는 조립식 교각에 관한 것이다.

최근에 콘크리트 구조물의 대규모화, 고강도화, 초경량화, 장수명화, 기능화 등의 요구에 부응하기 위하여 프리캐스트 콘크리트를 이용한 조립식 구조에 대한 관심이 증가하고 있다.

특히 최근 들어 교량 하부구조에 대한 프리캐스트 조립식 기술의 적용이 활발하게 이루어져 왔다. 이는 프리캐스트 조립식 기술이 종래의 현장타설 콘크리트 시공으로 인해 발생하는 문제점을 상당히 해결해 주기 때문이다.

조립식 시공 시스템은 다음과 같은 주된 요인으로 활발하게 적용되고 있다. 첫째, 프리캐스트 조립식 교각은 관리 시스템이 잘 갖추어진 환경에서 사전제작 되기 때문에 현장타설시 발생하는 제약사항이 없어 품질과 경제성을 향상시킬 수 있다.

둘째, 사전에 교량 부재를 제작장에서 제작함으로써 공사 현장의 안전성을 높일 수 있다.

셋째, 환경피해를 최소화 할 수 있는데 이는 현장에서의 대형 장비의 사용이나 사용 기간을 줄일 수 있기 때문이다.

마지막으로, 품질을 높이고 생애주기비용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

조립식 교각 공법은 각각의 블록을 공장 또는 현장에서 만든 뒤, 현장에서 블록을 쌓아 올려 교각을 완성하게 되는데, 상하 블록간 연결은 철근 또는 강봉 등을 사용하여 연결부를 일체화시키고 있다.

[문헌1] 10-0099113, 조립식 교각 및 기둥구조물과 그 시공방법

[문헌2] 10-2000-0041440, 프리캐스트 콘크리트블록을 이용한 교각구조물 시공방법 및 그 구조물

[문헌3] 20-0324563, 조립식 교각 구조물

[문헌4] 10-0549649, 프리캐스트 조립구조에 의한 교각 구조물

[문헌5] 20-0414671, 콘크리트 충진 조립식 기둥 및 그 조립구조

[문헌6] 10-0605302, 조립식 교각 구조물

[문헌7] 20-0424776, 프리캐스트 콘크리트 중공관 거푸집을 이용한 콘크리트교각

[문헌8] 10-0639255, 전단저항덕트 및 이를 이용한 프리캐스트 부재의 연결구조

[문헌9] 10-0643575, 조립식 프리캐스트 합성 교각 구조물 및 그 시공방법

[문헌10] 10-0704874, 강관으로 전단을 보강한 조립식 콘크리트 교각 구조

[문헌11] 10-0704737, 프리캐스트 수중조립식 교각구조물

[문헌12] 10-0713690, 내부구속 중공 콘크리트 충전유닛을 사용한 조립식교각 및 그 시공방법

[문헌13] 10-0738999, 강재 덕트를 이용한 조립구조를 가지는 프리캐스트콘크리트 세그먼트 및 그 연결 조립구조

[문헌14] 10-0762166, 프리캐스트 교각 구조물 및 그 시공 방법

[문헌15] 10-0776774, 강재 덕트를 이용한 조립구조를 가지는 프리캐스트콘크리트 교각 세그먼트의 제작방법

[문헌16] 10-0804125, 프리캐스트 콘크리트 부재의 연결장치, 이를 이용한 조립식교각 구조물 및 그 시공방법

[문헌17] 10-0860591, PC 블록을 이용한 수직구조물 축조공법

[문헌18] 10-0895033, 프리캐스트 기둥유니트 및 이를 이용한 기둥구조물 시공방법

[문헌19] 10-0909277, 강관이 구비된 교각 기초 및 이를 이용한 교각의 조립 구조

조립식 공법에서 가장 중요한 것은 블록간 연결이다. 본 과제에서 말하는 블록이란 코핑과 기둥 그리고 기초(현장타설)를 말한다. 즉 블록간 연결이란 코핑과 기둥, 기둥과 기둥, 기둥과 기초의 연결을 의미한다.

종래의 조립식 공법은 상하로 블록을 쌓고 블록간 연결은 철근 또는 강봉 등을 사용하며, 커플러를 이용하거나 포스트텐션으로 연결부를 일체화시켰다.

상기의 공법들은 연결부가 블록과 블록사이의 단면에 집중되어 연결부의 시공시 매우 주의하여야 하며 또한, 커플러 및 포스트텐션 적용시 작업의 번거로움과 정밀성이 요구된다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 프리캐스트 상하블록간 연결을 위한 별도의 연결장치를 없앤 것이 특징이다. 즉, 기초콘크리트만 현장에서 타설하고, 이후는 블록을 그냥 쌓기만 하면 되는데, 이때 블록간 연결부는 간단히 채움재(예: 무수축몰탈 또는 에폭시 또는 무수축콘크리트 등)만 채우는 것으로 블록간 연결이 가능하므로, 기존의 연결부 시공시 번거로움과 시공의 정밀성을 요하지 않는 것이 특징이다.

교각은 상시에 주로 압축력을 받는 구조물이지만, 풍하중 그리고 상부차량에 의한 편심하중, 특히 지진시 횡방향 지진하중 등을 고려하여 압축과 휨을 동시에 받는 구조물로 설계하며, 그 설계는 P-M상관도를 따른다.

현장타설에 의해 일체로 만드는 교각과 달리 일반적으로 블록을 쌓아서 만드는 조립식 교각의 블록간 연결부는 반드시 수평전단력과 휨에 의해 발생되는 인장력에 저항할 수 있어야 하며, 연결부 시공은 최대한 단순한 것이 좋다.

본 발명은 상하블록간 연결부를 요철형태로 만들어서 상블록과 하블록이 서로 끼워지게 만들었는데, 수평전단력은 이 요철에 의해 저항하게 된다.

인장력에 대하여: 인장력에 저항하는 수직철근(주철근)은 블록간 직접 연결시키지 않는 대신, 블록간 연결부에서 수직철근이 서로 중첩되게 배치하되, 수평적으로 서로 떨어져 있는 수직철근 사이에 전단마찰력을 도입하여 인장력이 전달되도록 한 것이 본 발명의 가장 큰 특징이다. 이를 위하여 블록 설치 뒤 그 틈새를 채움재로 채워 넣기만 하면 된다. 보다 확실한 전단마찰력 도입을 위하여는 전단키 역할을 할 수 있도록 블록 제작시 요철부 내부 측면에 홈을 내거나, 전단연결재(예: 철근)를 설치 할 수 있으며, 이를 조합하여 사용할 수도 있다.

또한, 기초콘크리트 타설 뒤 설치하는 첫 번째 기둥블록도 그 연결방법은 상기와 같지만, 기초와 기둥이 만나는 면은 강성차가 크므로 지진 등을 고려하여 기둥내부에 일정 높이만큼 콘크리트를 채웠는데, 이는 동시에 상부로부터 기둥을 타고 내려오는 수직하중을 전단마찰에 의해 내부에 채워진 콘크리트를 통하여 기초로 전달하는 역할도 하므로, 수직하중을 기초에 고루 분포시키게 된다.

그리고 코핑블록과 기둥블록과의 연결방법도 상기와 같이 블록간 채움재에 의해 전단마찰력을 도입하는 것은 마찬가지이다.

T형교각의 경우, 코핑블록은 크레인 등으로 거치시 자중을 줄이기 위하여 코핑 내부가 빈 상태로 제작하는데, 이러한 코핑블록은 거푸집 및 동바리 역할과 함께 주부재로서의 역할도 분담한다. 그 시공순서는 코핑블록을 설치한 뒤 블록간 틈새를 채움재로 채우고, 기 제작된 철근망을 크레인 등으로 코핑 내부에 집어넣은 뒤, 콘크리트를 타설 및 양생하여 코핑을 완성하게 된다. 코핑블록의 특징은 제작시 코핑 내부면에 전단연결재(예 철근)를 설치한 것으로써, 이후 삽입 설치되는 철근망과 코핑 내부에 있는 철근과의 별도 연결작업이 필요 없게 되는데, 이는 코핑 내부면에 설치된 전단연결재에 의해 코핑블록과 이후 타설되는 콘크리트와의 일체화가 가능하기 때문이다.

그리고 일주식교각의 경우에는 코핑블록의 하중이 크지 않으므로, 코핑블록을 기둥블록 위에 끼워 넣고, 채움재를 채우는 것만으로 교각 시공이 완료된다.

본 발명의 조립식 교각은 기둥측면에 노출된 바깥돌기로 인하여 기존 교각 대비 미관은 다소 떨어질 수 있지만, 큰 영향은 미치지 않을 것으로 판단된다.

본 조립식교각은 블록을 쌓고, 채움재만 채우면 연결부 조립이 완성되므로, 시공이 간단하다. 또한, 별도의 연결장치(커플러 또는 강봉 등)가 필요 없으므로 경제적이다.

도1은 조립식 교각의 전체도
도2는 교각 높이가 낮은 조립식 교각의 전체도
도3은 블록간 연결부(TYPE A)
도4는 블록간 연결부(TYPE A) - 주철근 배근 예
도5는 블록간 연결부(TYPE A) - 전단연결재 설치 예
도6은 블록간 연결부(TYPE B)
도7은 블록간 연결부 - 전단홈 설치예
도8은 블록간 연결부(TYPE B) - 전단연결재 설치 예
도9는 코핑블록과 기둥블록간 연결부
도10은 코핑블록의 연결 - 일주식 교각의 경우
도11은 코핑블록의 연결 및 코핑블록 상세
도12는 기초와 기둥블록의 연결
도13은 기초와 기둥블록의 연결 - 전단연결재 설치 예
도14는 블록간 임시고정철근 설치

설명을 위하여 조립식교각은 대표적인 원형단면 교각을 선정하였으며, 이하 첨부도면을 참조하여 그 실시예를 설명한다.

도1은 본 발명이 제안하는 조립식교각의 전체도로서, 동일한 크기(높이)의 기둥블록(100)을 쌓은 뒤, 크기가 다른 상단 기둥블록(130)을 사용하여 전체 교각 높이를 맞춘 형태를 보여준다.

도2는 도심지에서와 같이 교각 높이가 낮은 경우에 하나의 기둥블록(131)만을 사용하여 만든 조립식교각을 보여준다.

도3은 타입A형인 블록(100)의 형태 및 블록간 연결방법을 보여준다.

블록간 연결방법은 크레인 등으로 상블록(100)을 들어 하블록(100)의 삽입구(110)에 삽입한 뒤, 틈새를 채움재로 채움으로서 완성시킨다. 이때 틈새작업은 바깥돌기(111)쪽은 작업자가 밖에서 작업하고, 안쪽돌기(112)쪽은 상블록의 상단 중앙구멍을 통해 작업자가 내려가서 작업한다.

도4는 타입A형 블록(100)의 연결부인데, 블록 단면의 주철근 배근 예를 나타낸 것이다. 배근 예에서 보듯이 블록 자체에 발생되는 휨인장력은 수직철근(120)이 저항하고, 블록간 연결부에 발생되는 휨인장력은 바깥수직철근(121)이 저항하게 되는데, 수평적으로 떨어져 있는 수직철근간(120과 121)의 힘의 전달경로는 상하블록간 전달마찰력에 의해 전달되며 그 전단마찰력은 상블록 - 채움재(113) - 하블록을 통하여 전달된다. 그리고 수평전단력에 대하여는 안쪽돌기(112) 및 바깥돌기(111) 그리고 바깥수직철근(121)이 함께 저항한다. 또한 수평철근(122)은 상블록으로부터 발생되는 지압응력과 전단에 저항한다. 또한 한 개의 기둥에서 두 개 이상의 기둥블록을 사용할 때, 기둥에서 상하 위치에 따라 작용하는 휨모멘트값이 다르게 작용하는데, 이때 블록 사전 제작시 각 기둥블록별로 사용하는 수직철근(120)의 직경 및 개수를 달리하여도 블록간 연결에는 문제가 없으므로 경제적인 설계가 가능하다.

상기의 상하블록간 연결부에서 보다 확실한 전단마찰력을 도입하기 위하여, 사전 제작시 도5에서와 같이 연결부에서 상하블록간 수평 이격거리를 키우고, 상하블록간 연결부 측면에 철근 등으로 전단연결재(123)를 설치할 수 있으며, 또는 사전 제작시 도7에서와 같이 전단키 역할을 하도록 전단홈(114)을 설치할 수 있으며, 상기 두 방법을 함께 적용할 수도 있다.

도6은 타입B형 블록(130)의 연결부를 보여준다. 타입A형 블록(100)의 안쪽돌기(112)를 없애고, 바깥돌기(111)만을 적용함으로서 블록 제작을 보다 단순화 하였다. 타입A형과 타입B형의 구분 사용은 설계시 구조검토단계에서 택할 수 있다. 타입B형 역시 블록간 연결부에서 전단마찰력을 높이기 위하여 사전 제작시 상기의 타입A형과 마찬가지로 전단연결재(123, 도8참조)와 전단홈(114, 도7참조)을 설치할 수 있다.

다음은 도9와 같이 코핑블록(200)과 기둥블록(130)간 연결부에 대한 것으로 연결부의 블록간 모양 및 연결방법은 상기의 타입B형 블록(130)과 동일하다.

도11의 (c)에서와 같이 블록간(130과 200) 연결은 연결부 확인 및 채움재 주입 작업이 가능하도록 코핑블록(200)과 기둥블록(130) 사이에 공간(205)을 확보하였다.

도11은 코핑블록(200)의 상세도를 보여준다. 코핑블록 자체가 동바리 겸 거푸집 역할을 함과 동시에 코핑의 주부재 역할을 분담할 수 있도록 하였다. 먼저 코핑 사전 제작시 코핑 내부가 비어 있는 형태로 제작하는데, 이때 나중에 현장 타설할 콘크리트와의 일체화를 위하여 코핑 내부용 전단연결재(210, 철근)를 안쪽면에 설치하여 제작하는 것이 특징이다. 이렇게 함으로서 향후 철근망(220) 삽입시 코핑블록과 별도의 연결작업이 필요 없이 콘크리트만 타설하면 현장타설 콘크리트와 코핑블록이 구조적으로 일체로 거동하게 된다. 상기의 목적은 크레인 거치가 가능하도록 코핑블록의 자중을 줄이기 위한 방법으로서 작업이 빠른 장점이 있다.

도10은 일주식 교각의 코핑블록(230)을 나타낸 것으로 블록(230)을 끼우고, 채움재를 채움으로서 완성한다. 교량받침의 지압을 받는 코핑으로서 손색이 없다.

다음은 도12와 같이 기둥블록(100, 130)과 기초(300)의 연결부에 대한 것으로, 먼저 기초를 현장타설하여 만드는데, 이때 기둥블록의 삽입이 가능하도록 기초(300) 상면에 구멍을 내어 기초를 만든다.

도13은 기초(300)와 기둥블록(100)간 전단마찰력을 키우고 상부로부터 전달되는 수직하중을 기초에 효과적으로 전달하기 위한 그림을 나타낸 것이다. 기둥블록(100) 내부에는 지진 등에 대비하여 기둥블록과 기초와의 큰 강성차이를 줄이고자 콘크리트(302)를 타설하였는데, 수직하중은 기둥블록의 하단을 통하여도 기초에 전달되지만, 기둥블록 내부에 타설 된 콘크리트(302)를 통하여도 기초에 수직하중을 전달할 수 있게끔 전단연결재(123)를 설치하여 전단마찰력을 높였다.

그리고 수직방향의 내부철근(301)은 기초에 매입된 철근으로서, 내부 콘크리트(302)를 통한 기둥블록과 기초와의 하중 전달을 원활히 하기 위함이다.

그리고 블록간 연결부에서 전단마찰력을 높이기 위하여 코핑과 기둥, 기둥과 기둥, 그리고 기둥과 기초를 연결시, 각각의 블록간 연결부에는 상기에서 설명한 전단연결재(123)와 전단홈(114)을 설치할 수 있다.

다음은 도14에 대한 설명이다.

기초로부터 코핑까지 블록을 쌓아 나아갈 때, 시공 도중 발생치 모를 강한 풍하중 등 횡력에 대비하고, 블록간 연결부의 틈새에 채워진 채움재가 굳기 전까지 블록들이 제 위치에서 움직이지 않도록 하기 위하여, 구조물의 안전과 상관없이 시공중 상하블록간 임시고정이 필요할 수도 있는데, 이때 철근 양 끝에 나사가 나 있는 다수개의 임시고정철근(401)을 사용하여 임시 고정이 가능하다. 먼저 블록 사전 제작시 단면 내부에 수직방향으로 하블록과의 임시고정에 필요한 임시고정철근 삽입용 구멍(410)을 관통시킨다. 그리고 상블록과의 임시고정을 위하여는 블록의 위쪽 요철 아래면(420, 상블록 받침면, 단면A-A의 빗금친 면)에 연결철근(403)을 삽입하여 블록을 제작한다. 이후 현장에서 상기의 블록을 쌓는 방법은 기초에 설치된 연결철근(403)에 커플러를 사용하여 다수개의 임시고정철근(401)을 수직으로 연결시킨다. 기둥블록내 삽입용 구멍(410)을 통하여 상기철근(401)이 관통되도록, 위에서 기둥블록을 끼운다. 블록을 관통하여 요철 아래면(420) 위로 나온 상기철근(401)을 너트(405)로 조여서 블록간 임시고정을 끝낸다. 블록간 틈새에 채움재를 채운다. 앞의 ,,,를 되풀이하여 다음 블록들을 쌓고, 조립식 교각을 완성시킨다.

상기에서 사용한 철근은 구조적 철근이 아니므로 삽입용 구멍(410)과 철근(401)의 빈 공간을 별도로 충진할 필요는 없으며, 임시고정을 위하여 몇 개 정도의 구멍(410)만 내면 충분하므로, 기둥이 받는 압축단면의 손실은 무시할 수 있을 정도이다.

상기의 실시예는 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명의 범위는 위 설명에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

100 - 기둥블록
111 - 바깥돌기
112 - 안쪽돌기
113 - 채움재
114 - 전단홈
120 - 수직철근(주철근)
121 - 바깥수직철근
123 - 전단연결재
200 - 코핑블록
210 - 코핑 내부용 전단연결재
300 - 기초
401 - 임시고정철근
403 - 연결철근

Claims (6)

1. 통상의 블록을 쌓아서 만드는 조립식 교각에 있어서,
   하블록위에 상블록을 삽입하고, 그 연결부의 틈새는 채움재를 채움으로서 연결부의 조립을 완성시키는 것; 을 특징으로 하는 블록을 이용한 조립식 교각의 시공방법
2. 제1항에 있어서,
   상하블록간 삽입이 가능하도록 상기 블록의 하부는 통상의 중공단면 형태를 취하고, 상부는 안쪽돌기와 바깥돌기를 가진 요철형태로 만들거나, 안쪽돌기를 없애고 바깥돌기만을 가진 형태로 만드는 것; 을 특징으로 하는 블록을 이용한 조립식 교각
3. 제2항에 있어서,
   상기 블록의 상하블록간 연결부의 전단마찰력을 키우기 위하여,
   블록의 상부쪽에 있는 바깥돌기(또는 안쪽돌기 포함)의 측면과 블록의 하부쪽 측면에 각각,
   전단연결재를 설치하여 제작하는 것;
   또는 전단키 역할을 할 수 있도록 전단 홈을 설치하여 제작하는 것;
   또는 상기 전단연결재와 상기 전단홈을 조합하여 제작하는 것; 을 특징으로 하는 블록을 이용한 조립식 교각
4. 제1항에 있어서,
   T형 등 교각의 코핑블록은 크레인 거치가 가능하도록 자중을 줄이기 위하여, 코핑블록은 제작시 별도의 내측 거푸집을 이용하여 코핑의 내부가 빈 형태로 제작하는데,
   후 타설될 콘크리트와 코핑블록과의 일체화를 위하여, 코핑블록의 안쪽면(네방향측면, 하면)에 일정한 간격으로 사전에 전단연결재를 설치하여 제작하는 것; 을 특징으로 하는 블록을 이용한 조립식 교각
5. 제1항에 있어서,
   기초에 기둥블록 삽입이 가능하도록, 기초 현장타설시 기초 상면에 거푸집을 이용하여 기둥블록 단면형태의 구멍을 내고 콘크리트를 양생한 뒤, 기둥블록을 삽입하고, 기둥블록 내부에 일정 높이만큼 콘크리트를 타설하여 일체화시키는 것; 을 특징으로 하는 블록을 이용한 조립식 교각
   
6. 제1항에 있어서,
   상하블록간 공사중 필요시 임시고정을 위하여,
   하블록 상부에 사전에 설치된 임시고정용 연결철근;
   상기 연결철근 위에 커플러로 임시 고정할 임시고정철근;
   상기 임시고정철근을 관통시키기 위한 상블록 내 삽입용 구멍;
   상기 상블록을 관통하여 나온 임시고정철근을 고정하기 위한 너트 등; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 블록을 이용한 조립식 교각
   

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