KR20170078517A - 절곡 강판을 이용한 강박스 거더 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종방향 보강재 및 횡방향 보강재 등 별도의 보강재 없이 하부플랜지의 절곡을 통해 국부좌굴강도를 증가시킴으로써, 보강재의 용접 공정에 따른 피로강도 감소 및 내구성 저하 등의 품질 저하의 우려가 없고 강재 물량 절감 및 시공성 향상으로 경제적인 시공이 가능한 절곡 강판을 이용한 강박스 거더에 대한 것이다.
본 발명 절곡 강판을 이용한 강박스 거더는 하부플랜지, 상기 하부플랜지의 양측에 상부로 각각 결합되는 웨브 및 상기 웨브의 상부에 결합되는 상부플랜지로 구성되는 강박스 거더에서, 상기 하부플랜지는 단면상 웨브 측으로 갈수록 상향 경사지게 절곡되도록 적어도 둘 이상의 절곡부가 형성되어 중앙에 평탄부가 형성되고, 상기 평탄부의 양측에 각각 단면상 직선으로 경사진 적어도 하나 이상의 경사부가 형성되며, 최외곽 경사부의 외측 단부는 웨브의 하단과 결합되는 좌우 대칭의 U형 절곡 강판인 것을 특징으로 한다.

Description

절곡 강판을 이용한 강박스 거더{Steel box girder using folded plate}
본 발명은 종방향 보강재 및 횡방향 보강재 등 별도의 보강재 없이 하부플랜지의 절곡을 통해 국부좌굴강도를 증가시킴으로써, 보강재의 용접 공정에 따른 피로강도 감소 및 내구성 저하 등의 품질 저하의 우려가 없고 강재 물량 절감 및 시공성 향상으로 경제적인 시공이 가능한 절곡 강판을 이용한 강박스 거더에 대한 것이다.
강박스 거더는 하부플랜지, 웨브 및 상부플랜지로 구성되는 박스 형상의 부재로 상부플랜지 상면에 슬래브 콘크리트 등을 타설하여 교량 등의 구조물 시공에 이용된다.
교량 등에 사용되는 강박스 거더는 연속단부의 하부에 압축력이 발생하는데, 압축력 또는 휨이나 전단력에 의해 면내 압축력을 받는 부분에서 폭이 넓고 두께가 얇은 강판은 국부좌굴(local buckling)을 일으킬 위험이 있다.
국부좌굴이 발생할 경우 부재는 소성강도에 도달하지 못하고 강도가 감소하여 구조물의 성능 저하로 연결될 수 있다.
따라서 국내 도로교설계기준(2012)과 미국 도로교설계기준인 AASHTO(2010) 등에서는 강판이 소성상태에 이르기 전까지 국부좌굴이 생기지 않도록 판 폭과 판 두께의 비인 판폭두께비(b/t)에 제한을 두고 있다. 만일 이 제한을 만족하지 못하면 강판의 좌굴강도는 항복강도보다 낮은 값을 갖게 된다.
이에 종래에는 강박스 거더에서 압축플랜지의 국부좌굴강도를 증가시키기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 일정 거리마다 보강재(14)를 종방향 또는 횡방향으로 결합함으로써 단면 계수를 증가시키거나 판폭두께비를 감소시키는 개념으로 보강하였다.
그러나 이러한 보강재(14)는 물량 증가로 자재 비용을 증가시키게 된다. 아울러 용접 공정 수반에 따른 품질 관리의 어려움 및 비용 증가의 문제점이 있었다.
KR 10-1103300 B1
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 별도의 보강재 없이 국부좌굴강도를 증가시킬 수 있는 절곡 강판을 이용한 강박스 거더를 제공하고자 한다.
바람직한 실시예에 따른 본 발명은 하부플랜지, 상기 하부플랜지의 양측에 상부로 각각 결합되는 웨브 및 상기 웨브의 상부에 결합되는 상부플랜지로 구성되는 강박스 거더에서, 상기 하부플랜지는 단면상 웨브 측으로 갈수록 상향 경사지게 절곡되도록 적어도 둘 이상의 절곡부가 형성되어 중앙에 평탄부가 형성되고, 상기 평탄부의 양측에 각각 단면상 직선으로 경사진 적어도 하나 이상의 경사부가 형성되며, 최외곽 경사부의 외측 단부는 웨브의 하단과 결합되는 좌우 대칭의 U형 절곡 강판인 것을 특징으로 하는 절곡 강판을 이용한 강박스 거더를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 하부플랜지는 압축 구간에서만 상기 절곡부가 형성된 U형 절곡 강판이고, 인장 구간에서는 평플레이트인 것을 특징으로 하는 절곡 강판을 이용한 강박스 거더를 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 하부 압축플랜지의 절곡을 통하여 국부좌굴강도를 증가시킬 수 있으므로 별도의 보강재를 결합할 필요가 없다. 따라서 보강재의 용접 공정으로 인한 품질저하의 우려가 없고, 강재 물량 절감 및 시공성 향상으로 경제성을 도모할 수 있다.
둘째, 보강재의 용접 공정을 제거함으로써, 용접에 따른 CO2의 발생을 줄일 수 있고, 하부플랜지의 피로강도 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
셋째, 보강재가 없어 내부 공간이 넓고 평평하므로, 보수 및 점검이 용이하고 보수 도장 면에서 유리하므로 유지 관리 비용을 크게 절감할 수 있다.
도 1은 종래 보강재가 설치된 강박스 거더 일부를 도시하는 사시도.
도 2는 본 발명 절곡 강판을 이용한 강박스 거더의 실시예를 도시하는 사시도.
도 3은 하부플랜지의 실시예들을 도시하는 단면도.
도 4는 평탄부 양측에 각각 1개의 절곡부가 형성된 경우, 하부플랜지의 판폭두께별 절곡 각도에 따른 국부좌굴강도를 나타내는 그래프.
도 5는 평탄부 양측에 각각 2개의 절곡부가 형성된 경우, 하부플랜지의 판폭두께별 절곡 각도에 따른 국부좌굴강도를 나타내는 그래프.
도 6의 (a)와 (b)는 각각 본 발명 절곡 강판을 이용한 강박스 거더의 다른 실시예를 도시하는 사시도 및 측면도.
도 7의 (a)와 (b)는 각각 도 6의 강박스 거더에서 압축 구간과 인장 구간을 도시하는 단면도.
도 8은 본 발명 절곡 강판을 이용한 강박스 거더의 또 다른 실시예를 도시하는 사시도.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명 절곡 강판을 이용한 강박스 거더의 실시예를 도시하는 사시도이다.
본 발명 절곡 강판을 이용한 강박스 거더는 하부플랜지(11), 상기 하부플랜지(11)의 양측에 상부로 각각 결합되는 웨브(12) 및 상기 웨브(12)의 상부에 결합되는 상부플랜지(13)로 구성되는 강박스 거더(1)에서, 상기 하부플랜지(11)는 단면상 웨브(12) 측으로 갈수록 상향 경사지게 절곡되도록 적어도 둘 이상의 절곡부(111)가 형성되어 중앙에 평탄부(112)가 형성되고, 상기 평탄부(112)의 양측에 각각 단면상 직선으로 경사진 적어도 하나 이상의 경사부가 형성되며, 최외곽 경사부의 외측 단부는 웨브(12)의 하단과 결합되는 좌우 대칭의 U형 절곡 강판인 것을 특징으로 한다.
상기 강박스 거더(1)는 상하부플랜지(11, 13) 및 한 쌍의 웨브(12)로 구성되는 것으로 내부에 일정한 공간부가 형성되도록 박스형으로 이루어진다.
상기 강박스 거더(1)는 교량의 길이에 따라 단경간 또는 다경간으로 설치 가능하다.
상기 강박스 거더(1)의 웨브(12)는 하부플랜지(11)의 단부에서 수직 방향으로 상부플랜지(13) 하부에 한 쌍 결합한다.
상기 상부플랜지(13)는 웨브(12)와의 용접 결합을 위해 웨브(12) 외측으로 일정 길이 돌출되게 형성할 수 있다.
상기 강박스 거더(1)의 하부플랜지(11)는 단면상 웨브(12) 측으로 갈수록 상향 경사지게 절곡되도록 적어도 둘 이상의 절곡부(111)가 형성되어 중앙에 평탄부(112)가 형성되어 전체적으로 좌우 대칭의 U형 절곡 강판을 형성한다.
상기 하부플랜지(11)는 부재에 편심이 발생하지 않도록 좌우 대칭으로 구성한다.
상기 하부플랜지(11)는 복수의 플레이트를 절곡부(111)에서 경사지게 용접 결합하여 빌트업으로 형성할 수도 있으나, 하나의 플레이트를 절곡하여 제작하는 것이 경제성, 제작성 등의 측면에서 바람직하다.
나아가 하나의 플레이트를 절곡하여, 절곡부(111)가 구비된 하부플랜지(11)는 물론 한 쌍의 웨브(12)까지 연장되도록 일체로 절곡 제작하는 것도 가능하다.
상기 하부플랜지(11)의 절곡된 형상에 따라 본 발명에서는 하부플랜지(11)의 전체적인 국부좌굴강도가 증가된다.
뿐만 아니라 절곡에 의해 비지지되는 판 폭(b)이 매우 감소하여 판폭두께비(b/t)가 감소하므로, 하부플랜지(11)의 절곡부(111) 사이 각 플레이트 부분의 국부좌굴강도가 크게 증가한다.
도 3은 하부플랜지의 실시예들을 도시하는 단면도이다.
도 3의 (a), (b) 및 (c)는 각각 절곡부(111)가 형성되지 않는 경우, 2개의 절곡부(111)가 형성된 경우, 4개의 절곡부(111)가 형성된 경우의 하부플랜지(11) 단면을 각각 도시한다.
상기 하부플랜지(11)의 판 폭이 b일 때, 도 3의 (b)와 (c)에서는 절곡부(111)를 기준으로 나누어진 각 구간의 길이가 동일하도록 하부플랜지(11)를 절곡하였다.
따라서 도 3의 (b)와 (c)에서는 각각 하부플랜지(11)의 b/3 지점과 b/5 지점을 절곡하여 U형으로 절곡된 하부플랜지(11)를 형성하였으며, 각각 하부플랜지(11)의 중앙을 기준으로 양측 1개소와 양측 2개소에 절곡부(111)를 형성하고 중앙에 소정 길이의 평탄부(112)를 형성하였다.
이와 같이, 하부플랜지(11)의 중앙에 평탄부(112)가 형성되면, 강박스 거더(1)의 운반 또는 적재에 편리하고 교량 받침의 설치가 용이하다.
상기 절곡부(111)는 평탄부(112) 양측에 각각 3개소 이상 형성하는 것도 고려할 수 있으나, 경제성 등의 측면에서 1개소 또는 2개소 형성하는 것이 바람직하다.
도 4는 평탄부 양측에 각각 1개의 절곡부가 형성된 경우, 하부플랜지의 판폭두께별 절곡 각도에 따른 국부좌굴강도를 나타내는 그래프이다.
앞서 도 3의 (b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 절곡부(111)는 하부플랜지(11) 중앙 양측의 각각 1개소에 형성되고, 상기 절곡부(111)에서의 절곡 각도(θ)는 아래 [수학식 1]에 의해 결정되도록 구성할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, θ: 하부플랜지의 절곡 각도(°), b : 하부플랜지의 전체 폭(㎜), t : 하부플랜지의 두께(㎜), Fy : 하부플랜지의 항복강도(MPa)이다.
유한요소해석(FEM)에 의해 하부플랜지(11)의 절곡부 절곡 각도에 따른 좌굴강도를 분석해보면, 도 4와 같이 절곡 각도가 증가할수록 좌굴강도가 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 좌굴강도는 판폭두께비(b/t)가 작아질수록 증가한다.
그러나 절곡 각도가 일정 각도 이상이 되면 좌굴강도는 최대값에 도달한 후 증가하지 않고 일정한 값을 나타내게 된다.
이를 토대로 하여 절곡부(111)가 하부플랜지(11) 중앙 양측의 각 1개소에 형성된 경우, 판폭두께비(b/t) 별 최대 좌굴강도를 나타내는 절곡 각도는 [수학식 1]과 같으며, 절곡 각도가 [수학식 1]의 각도를 넘는 경우 최대 좌굴강도를 유지할 수 있다.
따라서 절곡 각도를 [수학식 1]과 같이 하여 좌굴강도를 최대로 한다.
도 5는 평탄부 양측에 각각 2개의 절곡부가 형성된 경우, 하부플랜지의 판폭두께별 절곡 각도에 따른 국부좌굴강도를 나타내는 그래프이다.
앞서 도 3의 (c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 절곡부(111)는 하부플랜지(11) 중앙 양측의 각각 2개소에 형성되고, 상기 절곡부(111)에서의 절곡 각도(θ)는 아래 [수학식 2]에 의해 결정되도록 구성할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, θ: 하부플랜지의 절곡 각도(°), b : 하부플랜지의 전체 폭(㎜), t : 하부플랜지의 두께(㎜), Fy : 하부플랜지의 항복강도(MPa)이다.
전술한 도 4의 경우와 마찬가지로 유한요소해석(FEM)에 의해 하부플랜지(11)의 절곡부 절곡 각도에 따른 좌굴강도를 분석해보면, 도 5와 같이 절곡 각도가 증가할수록 좌굴강도가 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 좌굴강도는 판폭두께비(b/t)가 작아질수록 증가한다.
그러나 절곡 각도가 일정 각도 이상이 되면 좌굴강도는 최대값에 도달한 후 증가하지 않고 일정한 값을 나타내게 된다.
이를 토대로 하여 절곡부(111)가 하부플랜지(11) 중앙 양측의 각 2개소에 형성된 경우, 판폭두께비(b/t) 별 최대 좌굴강도를 나타내는 절곡 각도는 [수학식 2]와 같으며, 절곡 각도가 [수학식 2]의 각도를 넘는 경우 최대 좌굴강도를 유지할 수 있다.
따라서 절곡 각도를 [수학식 2]와 같이 하여 좌굴강도를 최대로 한다.
도 6의 (a)와 (b)는 각각 본 발명 절곡 강판을 이용한 강박스 거더의 다른 실시예를 도시하는 사시도 및 측면도이고, 도 7의 (a)와 (b)는 각각 도 6의 강박스 거더에서 압축 구간과 인장 구간을 도시하는 단면도이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 하부플랜지(11)는 압축 구간에서만 상기 절곡부(111)가 형성된 U형 절곡 강판(11a)이고, 인장 구간에서는 평플레이트(11b)로 구성 가능하다.
본 발명 절곡 강판을 이용한 강박스 거더는 인장 구간 또는 압축 구간 상관없이 등단면으로 구성할 수도 있다.
그러나 도 6에 도시된 모멘트 다이어그램 및 측면도에서 볼 수 있는 바와 같이, 인장 구간에서는 하부플랜지(11)에 국부좌굴이 발생하지 않으므로 도 7의 (b)와 같이 하부플랜지(11)로 절곡부(111)가 형성되지 않은 평플레이트(11b)를 사용하고, 도 7의 (a)와 같이 압축 구간에서만 절곡부(111)가 형성되는 U형 절곡 강판(11a)을 하부플랜지(11)로 사용하면 단면 효율성 및 경제성을 극대화할 수 있다.
도 8은 본 발명 절곡 강판을 이용한 강박스 거더의 또 다른 실시예를 도시하는 사시도이다.
상기 강박스 거더(1)는 도 2, 도 6 등에 도시된 바와 같이 하나의 플레이트를 한 쌍의 웨브(12) 상부에 결합하여 상부플랜지(13)를 구성할 수 있다.
뿐만 아니라 도 8에 도시된 바와 같이 한 쌍의 웨브(12) 상면에 각각 플레이트(131)를 결합하고, 이웃하는 각 플레이트(131)를 수평보강재(132)로 연결하여 상부플랜지(13)를 구성할 수도 있다.
도 8과 같은 상부플랜지(13)는 강재량을 줄일 수 있어 경제적이다.
1: 강박스 거더
11: 하부플랜지
11a: U형 절곡 강판
11b: 평플레이트
111: 절곡부
112: 평탄부
12: 웨브
13: 상부플랜지
131: 플레이트
132: 수평보강재
14: 보강재

Claims (2)

  1. 하부플랜지(11), 상기 하부플랜지(11)의 양측에 상부로 각각 결합되는 웨브(12) 및 상기 웨브(12)의 상부에 결합되는 상부플랜지(13)로 구성되는 강박스 거더(1)에서,
    상기 하부플랜지(11)는 단면상 웨브(12) 측으로 갈수록 상향 경사지게 절곡되도록 적어도 둘 이상의 절곡부(111)가 형성되어 중앙에 평탄부(112)가 형성되고, 상기 평탄부(112)의 양측에 각각 단면상 직선으로 경사진 적어도 하나 이상의 경사부가 형성되며, 최외곽 경사부의 외측 단부는 웨브(12)의 하단과 결합되는 좌우 대칭의 U형 절곡 강판인 것을 특징으로 하는 절곡 강판을 이용한 강박스 거더.
  2. 제1항에서,
    상기 하부플랜지(11)는 압축 구간에서만 상기 절곡부(111)가 형성된 U형 절곡 강판(11a)이고, 인장 구간에서는 평플레이트(11b)인 것을 특징으로 하는 절곡 강판을 이용한 강박스 거더.
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