KR20150044196A - 교량 상부 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량의 상부 구조물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 프리캐스트 패널을 이용하여 시공을 편리하게 할 수 있고, 보강부에 의해 초기 도입가능한 프리스트레스의 양을 늘리면서도, 작업성이 개선될 뿐만 아니라 시공중의 안전성이 개선되는 교량의 상부 구조물에 관한 것이다.
본 발명은, 프리스트레스가 도입되는 거더와 슬래브를 포함하는 교량의 상부 구조물에 있어서, 철근 콘크리트 재질의 상부 플랜지, 복부, 하부 플랜지로 구성되며 일방향으로 긴 본체와, 상기 본체의 내부에 마련되며 프리스트레스를 도입하기 위한 텐던을 수용하기 위한 여러 개의 텐던 덕트와, 상기 상부 플랜지의 길이방향 상 중앙부 상면에 일정 높이 돌출되고 상기 상부 플랜지의 길이방향으로 길게 형성되되, 상기 상부 플랜지와 일체로 형성되는 철근 콘크리트 재질의 보강부와, 그 중앙의 일부는 상기 보강부의 내부에 배치되고 양단부는 각각 상기 보강부의 측면으로 돌출되었다가 아래 방향으로 절곡되어 상기 본체의 상면으로 삽입되며, 상기 본체의 길이방향을 따라 여러 개 마련되는 전단 철근을 포함하는 거더; 그 양단부가 서로 인접하는 한 쌍의 거더 본체의 상면에 거치되며, 상기 전단철근에 대응하는 철근홈이 마련되는 철근 콘크리트 재질의 프리캐스트 패널; 및, 상기 본체, 보강부 및 패널의 상부에 형성되는 철근 콘크리트 재질의 현장타설부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교량의 상부 구조물을 제공한다.

Description

교량 상부 구조물{Bridge Superstructure}

본 발명은 교량의 상부 구조물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 프리캐스트 패널을 이용하여 시공을 편리하게 할 수 있고, 보강부에 의해 초기 도입가능한 프리스트레스의 양을 늘리면서도, 작업성이 개선될 뿐만 아니라 시공중의 안전성이 개선되는 교량의 상부 구조물에 관한 것이다.

철근 콘크리트 거더를 포함하는 교량에 있어 경간의 길이를 늘이기 위해 프리스트레싱을 거더에 도입하는 것이 매우 일반적으로 사용되고 있다. 거더에 프리스트레싱을 도입하게 되면 거더가 배치된 상태에서 거더의 상부쪽에 인장력이 가해지는데 콘크리트라는 재료의 특성상 인장에 취약하므로 프리스트레싱 도입에 한계가 있다. 그러한 한계로 인해 충분한 프리스트레스의 도입이 어려움을 해결하기 위하여 다단계 긴장 방식이 사용되기도 하였다. 다단계 긴장방식이란 도 1의 (a) 내지 (g)에 도시된 단계로 이루어지는데, 도 1은 다단계 긴장방식의 2경간 연속교의 시공순서를 도시한 것이다. 시공순서는 먼저 도 1 (a)와 같이 거더(100)를 제작하고, 도 1 (b)와 같이 거더 단부면에 있는 1차 텐던의 정착구(200; 이하 단부 정착구로 표기)를 이용하여 긴장한다. 1차 긴장한 거더를 도 1 (c)와 같이 교대 또는 교각 등의 교량하부구조(300) 위에 거치하고, 도 1 (d)와 같이 슬래브(400)와 교각상의 연속부에 콘크리트를 타설한다. 거더에 슬래브 하중이 추가로 가해지면 추가적으로 프리스트레스의 도입이 가능해지기 때문에 연속부와 슬래브 콘크리트가 소정의 강도에 도달하면 도 1 (e)와 같이 연속교 양단부의 측면 정착구(201)를 이용하여 2차 긴장을 실시한다. 2차 긴장이 완료되면 도 1 (f)와 같이 포장과 방호책 또는 방호벽(500)을 설치하여 교량을 완공한다. 측면정착구는 긴장작업이 가능하도록 외부로 노출되어 있기 때문에 도 1 (g)와 같이 교량 완공 후 차량 공용 중에도 긴장작업이 가능하다. 따라서 이를 이용하면 오랜 시간이 경과한 후에 교량의 구조적 성능이 저하되었을 때 예비적으로 설치한 여분의 비부착 강선이나 예비적으로 설치한 여분의 덕트를 사용하여 측면정착구에서 3차 긴장도 가능하다. 바닥판 슬래브에는 현장 타설이 주로 사용되고 있지만 프리캐스트 슬래브나 프리캐스트 패널 등을 사용하는 경우도 있다. 이러한 경우에는 프리캐스트 패널 또는 프리캐스트 슬래브를 거더에 설치하고 이를 거더에 합성하기 전에 2차 긴장을 실시하는 방법이 주로 사용된다.

1차 텐던으로 도입하는 인장력이 커질수록 구조적으로 유리한데 보다 큰 인장력을 도입하기 위해서는 텐던의 배치에 있어 거더의 상하방향의 길이가 길어질수록 유리하게 된다. 그러나 거더의 상하방향의 길이가 길어지게 되면 그만큼 거더의 크기가 커지게 되고, 그에 따라 자중도 증가하므로 도입되는 인장력의 크기에 대한 장점이 사라지게 된다. 한편, 과도한 초기 긴장력을 가하게 되면 거더의 상면부에 균열이 발생할 수 있으므로 이 또한 긴장력의 한계를 규정하는 중요한 변수이다.

프리스트레스트 콘크리트 거더의 경우 긴장력의 크기를 강선의 프로파일(profile)에 의해서만 조절해야 하는데 종래의 경우 이러한 긴장력의 크기에 한계가 있는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본원 발명의 발명자 중 1인에 의해 대한민국 등록특허 제10-1012402호(발명의 명칭 "프리스트레스트 콘크리트 거더')가 제시되었다. 상기 등록특허는 거더의 상면에 돌출부를 마련하였으며, 돌출부 상면에는 발굽 모양의 스터드가 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

하지만 이러한 구성을 취할 경우 스터드가 작업자의 보행을 불편하도록 하는 문제가 있어 작업성이 떨어질 뿐 아니라 작업자의 안전사고가 발생할 수 있는 등의 문제가 있었으므로 이에 대한 개선이 필요하였다.

한편, 교량의 슬래브를 시공하는 방법의 하나로서 프리캐스트 패널을 사용하는 경우가 많은데, 도 2에는 종래의 프리캐스트 패널의 한 예가 도시되어 있다. 거더(100)의 상부에 프리캐스트 패널(500)을 거치한 후 그 위에 콘크리트를 타설 및 양생하여 슬래브(400)를 완성하는 것이다. 프리캐스트 패널은 하프덱(Half Deck), 엘비덱(LB Deck) 등의 명칭으로도 불리는데 그 명칭은 특정업체의 상표이다. 한편 상기 프리캐스트 패널(500)은 교량 슬래브의 약 절반 정도의 두께로 미리 제작된 콘크리트 플레이트로서 슬래브와 슬래브의 거푸집 역할을 동시에 수행하게 되므로 슬래브의 시공성이 개선되는 효과가 있으나 설치 과정에서 제대로 고정되어 있지 않고 작업자의 부주의 등에 의해 가해지는 힘에 의해 쉽게 자리를 이탈하여 이를 다시 개선하기 위한 노력이 필요한 등의 문제가 있었다.

본 발명은 배경기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 프리캐스트 패널을 사용함으로써 공기를 단축하고, 초기에 가할 수 있는 프리스트레스 양을 늘릴 수 있으면서도 안전성과 시공성이 개선된 교량의 상부구조물을 제공하는 것이다.

전술한 과제의 해결 수단으로서 본 발명은,

프리스트레스가 도입되는 거더와 슬래브를 포함하는 교량의 상부 구조물에 있어서,

철근 콘크리트 재질의 상부 플랜지, 복부, 하부 플랜지로 구성되며 일방향으로 긴 본체와,

상기 본체의 내부에 마련되며 프리스트레스를 도입하기 위한 텐던을 수용하기 위한 여러 개의 텐던 덕트와,

상기 상부 플랜지의 길이방향의 중앙부 상면에 일정 높이 돌출되고 상기 상부 플랜지의 길이방향으로 길게 형성되되, 상기 상부 플랜지와 일체로 형성되는 철근 콘크리트 재질의 보강부와,

그 중앙의 일부는 상기 보강부의 내부에 배치되고 양단부는 각각 상기 보강부의 측면으로 돌출되었다가 아래 방향으로 절곡되어 상기 본체의 상면으로 삽입되며, 상기 본체의 길이방향을 따라 여러 개 마련되는 전단 철근을 포함하는 거더;

그 양단부가 서로 인접하는 한 쌍의 거더 본체의 상면에 거치되며, 상기 전단철근에 대응하는 철근홈이 마련되는 철근 콘크리트 재질의 프리캐스트 패널; 및,

상기 본체, 보강부 및 패널의 상부에 형성되는 철근 콘크리트 재질의 현장타설부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교량의 상부 구조물을 제공한다.

상기 전단 철근 중 본체의 상면으로 삽입된 부분은 상기 본체의 내부에 배근된 철근과 연결되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 프리캐스트 패널을 사용함으로써 시공 공기를 단축하고, 돌출부에 의해 구조적으로 보강됨으로써 초기 도입가능한 프리스트레스의 양을 늘리면서도 작업성이 개선되고, 작업자의 안전이 확보되며 시공이 편리한 교량의 상부 구조물을 제공할 수 있다.

도 1은 교량의 상부 구조물 교량의 시공방법을 간략히 설명하기 위한 도면.
도 2는 교량의 상부 구조물에 사용되는 프리캐스트 패널을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 거더와 프리캐스트 패널의 시공을 설명하기 위한 도면.
도 4는 도 3에 도시된 프리스트레스트 콘크리트 거더의 단면도.
도 5는 도 3에 도시된 전단 철근과 철근홈의 상세도.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 거더의 단면도.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명함으로써 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제공하기로 한다.

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 거더와 프리캐스트 패널의 시공을 설명하기 위한 도면, 도 4는 도 3에 도시된 프리스트레스트 콘크리트 거더의 단면도, 도 5는 도 3에 도시된 전단 철근과 철근홈의 상세도, 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 거더의 단면도이다.

본 발명의 하나의 실시예에 따른 교량의 상부 구조물은 거더와 프리캐스트 패널(50) 및 현장 타설부(60)로 구성되며, 상기 거더는 본체(10), 텐던 덕트(20), 보강부(30), 전단 철근(40)으로 구성된다.

상기 본체(10)는 철근 콘크리트 재질로 이루어지며 도 3에 도시된 바와 같이 상부 플랜지(11), 복부(12) 및 하부 플랜지(13)로 구성된다. 도 2에는 도시하지않았지만 본체(10)의 양쪽 단부에는 프리스트레싱을 위한 변단면부(헌치부)가 마련될 수 있다. 상기 본체(10)의 내부에는 설계에 의해 철근이 매립되는데 도 6에 도시된 제1철근(15)와 제2철근(16) 등이 있으며, 도시되지 않았지만 추가적인 철근이 배근될 수도 있다.

상기 텐던 덕트(20)는 도 3에 도시된 바와 같이 본체(10)의 길이방향으로 마련되는 관통공으로서 텐던을 수용한다. 도 3에 도시된 텐던 덕트(20)는 더욱 명확하게 보여주기 위하여 정확한 비례에 따라 도시된 것은 아니며, 텐던 덕트(20)의 위치나 갯수, 배치 프로파일은 설계에 따라 얼마든지 변경이 가능하다. 상기 텐던 덕트(20)에 텐던이 수용된 이후에 프리스트레싱이 가해지면 정착장치를 사용하여 텐던의 양단부를 정착하여 가해진 프리스트레스가 본체(10)에 유지되도록 한다.

상기 보강부(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 본체(10) 중 상부 플랜지(11)의 상면에 상기 본체의 높이방향으로 일정 높이 돌출되도록 마련되는데 상기 상부 플랜지(11)와 일체로 형성되는 철근 콘크리트 재질의 구성이다. 상기 보강부(30)의 길이방향의 중심과 상기 본체(10)의 길이방향의 중심은 일치하도록 마련되며,(즉 보강부(30)는 상기 본체(10)의 중앙에 대하여 좌우 대칭으로 마련되며) 그 길이는 상기 본체(10) 길이의 1/16 내지 3/4 정도로 구성될 수 있다. 상기 보강부(30)의 길이는 도입될 프리스트레스의 양에 따라 적절히 결정할 수 있다.

상기 보강부(30)의 높이는 3 내지 20cm으로 마련되는데, 보강부(30)의 높이가 3cm미만인 경우에는 본 발명이 원하는 효과를 기대하기 어렵고, 20cm을 초과하는 경우에는 슬래브 콘크리트와의 합성에 문제가 있을 수 있다.

상기 보강부(30)의 양단부는 도 3에 도시된 바와 같이 단부에서 중앙부로 갈수록 그 두께가 두꺼워지도록 테이퍼지게 마련되며 테이퍼 각은 10° 내지 80° 정도이다. 보강부(30)의 양단부를 테이퍼지게 하는 이유는 보강부(30)가 직육면체의 형상을 취하는 경우에 응력집중이 발생할 수 있으므로 응력을 자연스럽게 분산하고, 슬래브 콘크리트의 타설시에 공극 없이 잘 채움 하는데 유리하기 때문이다.

상기 전단 철근(40)은 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이 그 중앙부는 상기 보강부(30)의 내부에 배치되고 양단부는 보강부(30)의 외부로 노출되었다가 아래 방향으로 절곡되어 상기 본체의 상면으로 삽입되도록 구성되며, 본체의 상면으로 삽입된 단부는 도 6에 도시된 바와 같이 본체(10)의 내부에 배근 된 철근(본 실시예에서는 제1철근(15))과 연결된다.

상기 전단 철근(40)은 상기 본체(10)의 길이방향을 따라 여러 개 마련되며 일정한 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.

한편, 본 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 종방향 철근(41)을 포함하는데, 상기 본체(10)의 길이방향으로 배치되며 상기 전단 철근(40)의 절곡된 부분에 결합하게 된다.

상기 프리캐스트 패널(50)은 말 그대로 공장에서 프리캐스팅 된 철근 콘크리트 재질의 패널이다. 도 3과 도 6에는 현장 타설부(60)와 합성을 용이하게 하기 위한 스터드 철근(52)만이 도시되어 있지만, 프리캐스트 패널(50)의 내부에도 철근이 배근된다. 상기 프리캐스트 패널(50)에는 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 철근홈(51)이 마련되는데 도 3에 도시된 바와 같이 프리캐스트 패널(50)이 거더의 상부에 거치될 때, 전단철근(40)의 위치에 대응되는 위치에 철근홈(51)을 마련하게 된다.

상기 현장 타설부(60)는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 거더와 프리캐스트 패널(50)의 상부에 배근되는 철근(미도시)과 현장 타설되는 콘크리트로 구성된다.

이하에서는 설명된 각 구성의 기능, 작용 및 효과에 대하여 설명하기로 한다.

본체(10)와 텐던 덕트(20)는 일반적으로 사용되는 프리스트레스트 거더의 구성과 동일하므로 상세한 설명은 생략하고 본 발명의 특징적인 구성인 보강부(30)와 전단 철근(40) 및 프리캐스트 패널(50)을 위주로 설명하기로 한다.

상기 보강부(30)는 본체(10)의 중앙부의 단면을 교량의 슬래브 방향으로 키움으로써 보다 큰 프리스트레스의 도입이 가능하도록 한다. 지금까지 거더에 가해지는 프리스트레스의 크기는 강선의 프로파일에 의해 결정되었다. 텐던에 의해 프리스트레싱이 가해지는 경우 최대 모멘트가 작용하는 부분은 거더의 중앙부이고 상부 플랜지(11) 쪽에 인장력이 가해지게 되는데 인장력에 취약한 콘크리트 재료의 특성상 그 한계가 있을 수밖에 없었다. 보다 큰 스트레스를 도입하기 위해서는 단면이 커져야 하는데 지금까지는 단면 전체를 키워야 한다는 생각이 지배적이었고, 단면 전체가 커지는 경우에는 자중이 커지므로 도입된 프리스트레스의 크기가 커져도 늘어나는 자중에 의해 그 효과가 상쇄되었다. 보다 큰 프리스트레스를 도입해야 경간의 길이를 키울 수 있는데 그러한 효과를 기대할 수 없었던 것이다. 그러나 본 발명의 경우 거더의 상부 플랜지(11) 상부에 보강부(30)를 마련함으로써 거더의 일부 구간에만 단면을 확대함으로써 보다 큰 프리스트레스의 도입이 가능하도록 한다. 따라서 보다 장경간의 프리스트레스트 거더를 제조할 수 있게 되는 것이다.

상부로 돌출된 보강부(30)는 도 6에 도시된 바와 같이 현장 타설부(60)의 콘크리트와 합성됨으로써 교량의 시공이 완료된 이후에는 보강부(30)가 있다는 사실조차 모르게 감쪽같이 시공할 수 있는 장점도 있다.

상기 전단 철근(40) 중 보강부(30)에 매립된 부분은 보강부(30)를 보강하는 역할을 하고, 보강부(30)의 외부로 노출된 부분은 현장 타설부(60)의 콘크리트를 보강하는 철근으로서의 역할을 하기도 하며, 형상이 "ㄱ"자 형태로 구성되어 있어서 현장 타설부(60)와의 합성 시에 스터드의 역할을 하기도 한다.

본 발명의 경우 전단 철근(40)이 스터드의 역할을 함으로 인해 보강부의 상면에 스터드가 형성된 경우에 비하여 작업성이 현저히 개선되는 효과와 함께 작업자의 안전이 담보되는 효과를 기대할 수도 있다. 보강부의 상면에 스터드가 있는 경우 작업자가 보강부의 위를 보행할 때 스터드를 밟게 되어 보행에 어려움을 겪거나 스터드에 발이 걸려 넘어지는 등의 안전사고가 발생할 수 있는데 본 발명에서는 그러한 작업상의 문제와 안전상의 문제가 말끔히 해결된 효과를 기대할 수 있는 것이다.

상기 프리캐스트 패널(50)은 공장에서 미리 제작된 철근 콘크리트 패널로서, 슬래브의 하부 거푸집 역할과 함께 현장 타설부(60)와 함께 슬래브를 구성한다. 한편, 프리캐스트 패널(50)에는 철근홈(51)이 마련되어 있고, 그 철근홈(51)에 전단철근(40)이 수용되는데, 이러한 구성에 의하여 프리캐스트 패널(50)이 위치고정되는 효과가 발생한다. 프리캐스트 패널을 사용하는 경우 위치고정이 어려워 별도의 고정재를 설치하고 철거하는 등의 불편이 생길 수 있는데 본 발명은 전단철근(40)과 철근홈(51)이 프리캐스트 패널(50)의 고정재 역할을 함으로써 그러한 문제점을 해결할 수 있는 것이다.

상기 현장 타설부(60)은 현장에서 배근되는 철근과 타설 양생되는 콘크리트로서 프리캐스트 패널(50)과 함께 슬래브를 형성하게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 하나의 실시예에 대하여 설명함으로써 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제공하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 사상에 어긋나지 않는 범위 안에서 다양한 형태의 교량의 상부 구조물로 구체화될 수 있다.

10 : 본체 20 : 텐던 덕트
30 : 보강부 40 : 전단 철근
50 : 프리캐스트 패널 60 : 현장 타설부

Claims (2)

1. 프리스트레스가 도입되는 거더와 슬래브를 포함하는 교량의 상부 구조물에 있어서,
   철근 콘크리트 재질의 상부 플랜지, 복부, 하부 플랜지로 구성되며 일방향으로 긴 본체와,
   상기 본체의 내부에 마련되며 프리스트레스를 도입하기 위한 텐던을 수용하기 위한 여러 개의 텐던 덕트와,
   상기 상부 플랜지의 길이방향의 중앙부 상면에 일정 높이 돌출되고 상기 상부 플랜지의 길이방향으로 길게 형성되되, 상기 상부 플랜지와 일체로 형성되는 철근 콘크리트 재질의 보강부와,
   그 중앙의 일부는 상기 보강부의 내부에 배치되고 양단부는 각각 상기 보강부의 측면으로 돌출되었다가 아래 방향으로 절곡되어 상기 본체의 상면으로 삽입되며, 상기 본체의 길이방향을 따라 여러 개 마련되는 전단 철근을 포함하는 거더;
   그 양단부가 서로 인접하는 한 쌍의 거더 본체의 상면에 거치되며, 상기 전단철근에 대응하는 철근홈이 마련되는 철근 콘크리트 재질의 프리캐스트 패널; 및,
   상기 본체, 보강부 및 패널의 상부에 현장 타설되는 철근 콘크리트 재질의 현장 타설부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교량의 상부 구조물.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전단 철근 중 본체의 상면으로 삽입된 부분은 상기 본체의 내부에 배근된 철근과 연결된 것을 특징으로 하는 교량의 상부 구조물.

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