KR20180123396A - 강재와 콘크리트의 연결부에서 하중전달능력이 향상된 강합성 거더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강재와 콘크리트 연결부에서 하중전달능력이 향상된 강합성 거더에 관한 것으로, 양단부 중 하나 이상을 포함하는 제1영역에 제1높이로 형성되고 중앙부를 포함하는 제2영역에는 상기 제1높이보다 낮은 제2높이로 형성된 복부와, 상기 복부의 하단에 형성된 하부 플랜지와, 상기 제1영역의 상기 복부 상단에 형성된 제1상부 플랜지와, 상기 제2영역의 상기 복부 상단에 형성된 제2상부 플랜지를 포함하고, 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지의 일부가 중첩되게 배치된 중첩 영역이 구비된 강재 거더와; 상기 강재 거더의 상기 제2영역의 상측에 합성되되, 상기 강재 거더의 상기 제1영역의 상측의 일부 이상에는 합성되지 아니하고, 상면의 높이가 상기 제1상부플랜지의 상면 높이와 동일하게 합성된 케이싱 콘크리트를; 포함하여 구성되어, 강재와 콘크리트의 접합력이 증대되고, 강-콘크리트 접합면에서 콘크리트에 응력이 집중되는 현상을 줄임으로써, 강합성 거더의 내구성과 내하력이 증대되어 안전성이 향상된 교량을 시공할 수 있는 강합성 거더를 제공한다.

Description

강재와 콘크리트의 연결부에서 하중전달능력이 향상된 강합성 거더 {COMPOSITE GIRDER WITH ENHANCED STRESS DISTRIBUTION AT CONNECTION BETWEEN STEEL PART AND CONCRETE PART}

본 발명은 강합성 거더에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 강재 거더의 상부에 케이싱 콘크리트가 일부 길이에 합성되는 강합성 거더에 있어서, 강재 거더와 케이싱 콘크리트의 연결부에서 휨 변형에 따른 응력 집중 현상을 완화하여 하중전달능력이 향상된 강합성 거더에 관한 것이다.

일반적으로 강재는 인장력에 대해서는 효과적으로 저항할 수 있지만, 압축력에 대해서는 좌굴이 발생되어 갑작스런 붕괴를 유발하는 문제가 있고, 콘크리트는 압축력에 대해서는 효과적으로 저항할 수 있지만 인장력에 취약하여 인장력이 작용하면 균열이 쉽게 발생되어 구조물의 내하력이 급격히 감소하는 문제가 있다.

이에 따라, 압축력이 작용하는 중립축 상연에는 케이싱 콘크리트로 저항하고 인장력이 작용하는 중립축 하연에는 강재로 저항하는 구조의 강합성 거더를 제작하여, 교량의 구조 부재로 사용되고 있다.

즉, 강재는 인장력을 받는 구조에 유리하지만, 압축력을 받으면 부재가 얇을 경우에 좌굴이 발생되는 문제가 있고, 콘크리트는 압축력을 받는 구조에 유리하지만, 인장력을 받으면 균열이 발생되어 내하력이 급격히 감소되는 문제가 발생된다.

이에 따라, 본 출원인은 대한민국 공개특허 제10-2016-0091465호를 통해 개시한 강합성 거더는, 압축 응력이 지배적으로 작용하는 중립축 상연에는 케이싱 콘크리트에 의하여 지지하고, 인장 응력이 지배적으로 작용하는 중립축 하연에는 강재 거더에 의하여 지지하는 구성을 제안하였다.

즉, 강재 거더의 중앙부에 비하여 단부에서 보다 복부가 높게 형성됨으로써, 압축력 지지에 효율적인 케이싱 콘크리트를 압축 부재로 사용하고 인장력 지지에 효율적인 강재를 인장 부재로 사용하여 충분한 단면 확보를 하되, 강재 거더의 단부는 보다 큰 단면의 복부에 의하여 크게 작용하는 전단력을 견딜 수 있게 할 뿐만 아니라, 강재 거더의 중앙부는 보다 작은 단면의 복부로 형성되어 작게 작용하는 단면력을 적은 양의 강재 사용량으로 저항함으로써, 고가의 강재 사용량을 최소화하면서도 단면 효율을 향상시키고 경제성을 극대화할 수 있게 된다.

또한, 강재를 압축 부재로 활용하여 나타나는 좌굴에 따른 단면 강성 감소 영향을 사전에 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 좌굴을 방지하기 위한 별도의 보강재 설치를 최소화하더라도 구조적으로 안정된 상태를 유지할 수 있다.

그러나, 도1에 도시된 바와 같이, 상기 강합성 거더(9)는 중앙부(10c)와 단부(10e)의 강재 단면이 서로 다르고, 이에 따라 케이싱 콘크리트(20)의 단면도 강재 단면의 변화에 따라 거더 상에서 변화하는 경우에는, 강재와 콘크리트의 재질 차이에 의한 휨 강성 및 온도 변화율의 편차로 인하여, 강재와 콘크리트가 서로 만나는 부분(TR)에 반복하여 응력이 집중되는 현상이 야기되어, 만나는 부분(TR)에서 콘크리트의 손상이 발생하여 성장하게 된다.

다시 말하면, 시공 시에는 응력 집중에 의한 손상이 육안으로 관찰되지 않더라도, 공용 시 차량의 통행 등에 의한 반복 하중에 의하여 만나는 부분(TR)의 케이싱 콘크리트(20)에서 국부적인 응력 집중이 발생됨에 따라 피로 파괴가 발생되는 문제가 야기된다. 또한, 이와 같은 피로 파괴는 교량의 내구성 및 내하력을 감소시켜 교량의 안전성에 심각한 위협을 초래하는 문제점이 있었다.

즉, 기하학적으로 단면이 변화하거나, 힘이 국부적으로 집중되는 연결부 또는 서로 다른 재질이 연결되는 접합부에는 국부적인 응력이 작용하므로, 이와 같은 부분에서 발생되는 국부적인 응력을 완화하는 방안이 필요하다. 따라서, 상기와 같이 강재 거더(10)와 케이싱 콘크리트(20)가 합성되는 강합성 거더(9)에 있어서, 강재 거더(10)의 단면이 끊기는 위치에서 케이싱 콘크리트(20)에 집중되는 응력을 완화하여, 교량의 내구성 및 내하력을 향상시키고자 하는 필요성이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 강재 거더의 중앙부에 비하여 단부에서 복부가 높게 형성되고 강재 거더의 상측에 케이싱 콘크리트가 합성되는 강합성 거더에 있어서, 복부의 높이 편차에 따른 강재와 콘크리트의 접합부에서 응력이 집중되는 것을 최소화하여, 보다 높은 내구력과 내하력을 갖는 강합성 거더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은, 단면이 불연속적으로 연결되는 강재와 콘크리트의 접합부에서 강재와 콘크리트의 접합 능력을 높이는 것을 목적으로 한다.

이를 통해, 본 발명은 강-콘크리트의 접합부에서 하중 전달 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 달성하기 위하여 도출된 것으로서, 양단부 중 하나 이상을 포함하는 제1영역에 제1높이로 형성되고 중앙부를 포함하는 제2영역에는 상기 제1높이보다 낮은 제2높이로 형성된 복부와, 상기 복부의 하단에 형성된 하부 플랜지와, 상기 제1영역의 상기 복부 상단에 형성된 제1상부 플랜지와, 상기 제2영역의 상기 복부 상단에 형성된 제2상부 플랜지를 포함하고, 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지의 일부가 중첩되게 배치된 중첩 영역이 구비된 강재 거더와; 상기 강재 거더의 상기 제2영역의 상측에 합성되되, 상기 강재 거더의 상기 제1영역의 상측의 일부 이상에는 합성되지 아니하고, 상면의 높이가 상기 제1상부플랜지의 상면 높이와 동일하게 합성된 케이싱 콘크리트를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 강합성 거더를 제공한다.

여기서, 상기 복부는 상기 중첩 영역의 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지의 사이에 연장 형성되고, 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지의 사이에 연장 형성된 복부는 전단홀이 형성된 유공 단면으로 형성되어, 강재와 콘크리트의 접합 성능을 보다 높일 수 있다.

여기서, 상기 복부는 상기 중첩 영역의 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지의 사이에 연장 형성되고, 상기 중첩 영역의 길이는 상기 제1높이와 상기 제2높이의 차이의 2배 이상으로 형성됨으로써, 강-콘크리트의 접합 성능을 높일 수 있다.

무엇보다도, 상기 복부는 상기 중첩 영역의 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지의 사이에 연장 형성되고, 상기 제1상부플랜지는 상기 복부의 끝단으로부터 상기 케이싱 콘크리트를 향하여 돌출되되, 상기 제1상부 플랜지의 돌출 길이는 상기 제1높이와 상기 제2높이의 차이 이상만큼 돌출되게 형성됨으로써, 강-콘크리트의 접합 성능을 보다 향상시킬 수 있어 강-콘크리트 접합부에서 응력 집중 현상을 한층더 완화시킬 수 있다.

한편, 상기 케이싱 콘크리트와 만나는 제1상부플랜지에는 응력집중 방지재를 추가적으로 설치할 수 있다.

예를 들어, 상기 응력집중 방지재는 상기 제1상부플랜지로부터 상기 제2상부플랜지를 향하여 연장 형성되되, 상기 제1높이와 상기 제2높이의 차이의 0.5배 이상의 길이로 연장 형성된 강판이고, 상기 복부 끝단과 밀착한 형태로 설치될 수 있다.

상기 응력집중 방지재는 상기 제2상부플랜지의 상면까지 연장 형성될 수 있다.

상기 복부는 상단이 상기 제1영역의 상기 제1상부플랜지와, 상기 제2영역의 제2상부플랜지의 상면을 경사지게 연결하는 경사면으로 형성되고, 상기 응력집중 방지재는 상기 경사면을 따라 상기 제1상부플랜지의 끝단으로부터 상기 제2상부플랜지의 상면을 경사지게 연결하는 강판으로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 응력집중 방지재는 관통공이 형성된 유공 강판으로 형성되어, 강재와 콘크리트의 접합 능력을 높일 수 있다.

상기 응력집중 방지재의 상단은 상기 제1상부플랜지의 폭과 동일하고 상기 응력집중 방지재의 하단은 상기 제2상부플랜지의 폭과 동일하며, 상기 응력집중 방지재는 상단의 폭이 하단의 폭에 비하여 보다 크게 형성되고 상단으로부터 하단으로 선형으로 변화되는 형상으로 형성됨으로써, 불필요한 강재의 사용량을 줄이면서, 강-콘크리트의 접합부에서의 응력 편차를 완화할 수 있다.

특히, 상기 응력집중 방지재는, 상기 강재 거더의 제1상부플랜지의 끝단과 상기 복부의 끝단 중 어느 하나 이상과 상기 케이싱 콘크리트의 사이에 개재된 탄성 변형이 가능한 탄성재로 형성되어, 강합성 거더의 휨 변형이나 열변형 등에 의한 응력 집중에 따른 변형률을 탄성재로 수용함으로써, 강-콘크리트의 접합부의 케이싱 콘크리트에 응력이 집중되는 것을 크게 억제할 수 있다.

본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '내측' 및 이와 유사한 용어는 거더의 중앙부를 향하는 방향으로 정의하고, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '외측' 및 이와 유사한 용어는 거더의 단부를 향하는 방향으로 정의한다.

이상에서 기재된 바와 같이, 본 발명은, 강재 거더의 단면이 끊기고 케이싱 콘크리트가 연속하는 강-콘크리트의 접합부에 거더 단부의 제1상부플랜지와 중앙부의 제2상부플랜지가 서로 중첩되게 배치되는 중첩 영역을 구비함으로써, 이종 재료의 결합이 이루어지는 강-콘크리트 접합부에서 응력의 흐름이 원활히 이루어지게 하는 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명은, 단부의 제1상부플랜지가 복부의 끝단을 넘어서 제2영역의 상측까지 충분히 길게 연장 형성됨에 따라, 강-콘크리트의 접합부에서 결합력이 보다 증진되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은, 강-콘크리트의 접합부에서 강재 거더와 케이싱 콘크리트의 사이에 탄성 변형이 가능한 탄성재를 응력집중 방지재로서 개재시킴으로써, 강재 단면의 불연속에 따른 접합부에 발생하는 집중 응력을 탄성재에 의하여 수용하여 완화시킴으로써, 강-콘크리트의 접합부의 케이싱 콘크리트에 작용하는 응력을 크게 감소시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

그 밖에, 본 발명은, 강-콘크리트의 접합부에서 강재 거더와 케이싱 콘크리트의 사이에 강재로 형성된 응력집중 방지재를 덧대는 것에 의하여, 강-콘크리트의 접합부에서 콘크리트에 응력이 집중되는 것을 완화하는 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 본 발명은, 케이싱 콘크리트가 합성되는 강재 거더의 복부 및 강판 형태의 응력집중 방지재를 관통공이 형성된 유공 단면으로 형성함으로써, 강재와 콘크리트의 접합력이 증대하는 효과를 얻을 수 있다.

상기와 같이, 본 발명은, 강재와 콘크리트의 접합력이 증대되고, 강-콘크리트 접합면에서 콘크리트에 응력이 집중되는 현상을 줄임으로써, 강합성 거더 내에서 하중전달능력이 향상됨에 따라 내구성과 내하력이 증대되어 안전성이 향상된 교량을 시공하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도1은 종래의 강합성 거더를 도시한 정면도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 거더를 도시한 정면도,
도3a는 도2의 절단선 X-X에 따른 단면도,
도3b는 도2의 절단선 Y-Y에 따른 단면도,
도4a는 도2의 강재 거더의 평면도,
도4b는 도2의 강재 거더의 다른 형태를 도시한 평면도,
도5는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 강합성 거더를 도시한 정면도,
도6a는 도2의 중첩 영역인 'A'부분의 확대도,
도6b는 도6a의 사시도,
도7a는 도2의 중첩 영역인 'A'부분의 제2실시예를 도시한 도면,
도7b는 도7a의 사시도,
도7c는 도2에 적용할 수 있는 다른 실시 형태로서, 강합성 거더의 'A'부분을 도시한 도면,
도8a는 도2의 중첩 영역인 'A'부분의 제3실시예를 도시한 도면,
도8b는 도8a의 사시도,
도9a는 도2의 중첩 영역인 'A'부분의 제4실시예를 도시한 도면,
도9b는 도9a의 사시도,
도9c는 도9a의 변형 실시예를 도시한 사시도,
도10은 본 발명의 작용 효과를 확인하기 위한 모델링을 도시한 도면
도11은 도10에 따른 모델링 해석 결과에 따른 강-콘크리트의 종단면 응력 분포도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 거더(100)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도2 내지 도3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 강합성 거더(100)는, 복부(112)의 높이가 단부인 제1영역(I)에 비하여 중앙부인 제2영역(Ⅱ)에서 보다 낮게 형성된 I자형 강재 거더(110)와, 강재 거더(110)의 상연의 일부에 합성된 케이싱 콘크리트(120)로 구성된다.

상기 강재 거더(110)는, 거더의 양단부 중 하나 이상의 단부를 포함하는 제1영역(I)에는 제1높이(H1)로 형성되고 중앙부를 포함하는 제2영역(Ⅱ)에는 제1높이(H1)보다 낮은 제2높이(H2)로 형성된 복부(112)와, 복부(112)의 하단에 결합되어 전체 영역에 걸쳐 연장 형성된 하부 플랜지(111)와, 제1영역(I)의 복부 상단에 형성된 제1상부 플랜지(1131)와 제2영역(Ⅱ)의 복부 상단에 형성된 제2상부 플랜지(1132)로 이루어진 상부 플랜지(113)와, 상부 플랜지(113)에 돌출 형성된 전단 연결재(115)와, 케이싱 콘크리트(120)와 만나는 강-콘크리트 접합부(TR)에서 응력의 집중을 완화시키는 응력집중 완화재(114, 118)를 포함하여 구성된다.

도6a에 도시된 바와 같이, 제1상부플랜지(1131)는 복부 높이가 제1높이(H1)인 제1영역(I)의 복부 상단에 형성되지만, 복부 높이가 제2높이(H2)인 제2영역(Ⅱ)의 상측까지 연장 형성된다. 이에 따라, 제1영역(I)과 제2영역(Ⅱ)의 사이에는 제1상부플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)가 중첩되게 배치되는 중첩 영역(DA)이 'L'로 표시된 길이만큼 형성된다.

제1상부플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)는 그 폭이 서로 동일한 치수로 정해질 수 있지만, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 케이싱 콘크리트(120)가 합성되는 제2상부플랜지(1132)의 상측에는 불필요한 강재 사용량을 줄이기 위하여, 도4a에 도시된 바와 같이, 제1상부 플랜지(1131)의 폭(w1)은 제2상부 플랜지(1132)의 폭(w2)에 비하여 보다 더 크게 형성된다.

그리고, 제2상부플랜지(1132)의 끝단부는 외측 끝단으로 접근할수록 점점 폭이 좁아지는 경사 단면(1132a) 형태로 형성되어, 제2상부플랜지(1132)의 단면 변화에 따른 응력 집중 현상을 완화한다. 이와 유사하게, 도4b에 도시된 바와 같이, 제1플랜지(1131')의 끝단부도 내측 끝단으로 갈수록 점점 폭이 좁아지는 경사 단면(1131a)으로 형성되어, 제1상부플랜지(1131)의 단면 변화에 따른 응력 집중 현상을 완화할 수 있다.

여기서, 제1상부플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)가 중첩 배치되는 중첩 영역(DA)의 길이는, 복부(112)의 제1높이(H1)와 제2높이(H2)의 차이(즉, 제1상부플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)의 높이 차이, Hc)의 2배~5배의 길이로 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 제1상부플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)의 중첩 길이(L)가 제1상부 플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)의 높이 편차(Hc)의 2배보다 작으면, 중첩 배치에 의하여 케이싱 콘크리트를 중첩 배치된 상부 플랜지(1131, 1132)에 의하여 이종 재료 간에 응력의 전달이 원활히 이루어지는 효과가 미미해져 케이싱 콘크리트에 응력이 집중되는 현상이 발생되며, 제1상부 플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)의 높이 편차(Hc)의 5배보다 커지면, 과도한 강재 사용량으로 인하여 경제성이 악화되는 문제가 야기된다.

이와 같이, 제1상부플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)가 충분한 길이로 중첩 배치됨으로써, 강-콘크리트 접합부(TR)의 케이싱 콘크리트에 응력이 집중되는 것을 억제하는 효과를 얻을 수 있다.

도면에 도시된 전단 연결재(115)는 케이싱 콘크리트(120)와 합성하기 위한 것만 도시되어 있지만, 강합성 거더(100)가 교각이나 교대 등의 하부 구조 상에 거치된 상태에서 바닥판 콘크리트(미도시)와 합성하는 데 사용되는 전단 연결재가 상부 플랜지(113) 상에 돌출 형성될 수 있다.

그리고 도면에는, 제1영역(I)이 거더의 양단부에 형성된 구성이 예시되어 있지만, 연속교로 사용되거나, 제작된 강합성 거더(100)를 연결하여 보다 긴 길이의 강합성 거더를 제작하는 경우에는, 제1영역(I)은 거더의 일단부에만 형성될 수도 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 도5에 도시된 바와 같이, 강재 거더(110')는 중앙부를 포함하는 낮은 제2높이(H2)의 제2영역(Ⅱ)에 형성된 제2상부플랜지(1132')가 제2영역(Ⅱ)에만 형성되지 않고 제1영역(I)까지 연장 형성되어 거더 전체 구간에 걸쳐 형성될 수도 있다.

상기와 같이 제작된 강합성 거더는 단순교, 연속교, 라멘교 등에 적용될 수 있으며, 연속교나 라멘교에 적용되는 경우에는, 제2영역(Ⅱ)은 고정 하중에 의하여 정모멘트가 작용하는 영역으로 정해지고, 제1영역(I)은 고정 하중에 의하여 부모멘트가 작용하는 영역으로 정해지며, 중첩 영역(DA)은 정모멘트와 부모멘트가 작용하는 경계를 포함하게 배치되는 것이 바람직하다.

이하에서는, 상기와 같이 다양한 형태의 강재 거더가 적용될 수 있지만, 편의상 도2에 도시된 강재 거더(110)의 구성을 중심으로 설명하기로 한다.

상기 케이싱 콘크리트(120)는 강재 거더(110)의 상부 플랜지(113)와 복부(112)의 내측 끝단(112e)를 감싸는 형태로 강재 거더(110)에 합성된다.

본 발명은 제1영역(I)의 제1상부플랜지(1131)의 상면에 케이싱 콘크리트(120)가 합성되는 구성을 포함하지만, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 압축 응력이 크게 작용하는 거더 중앙부가 포함된 제2영역(Ⅱ)의 상측에만 케이싱 콘크리트(120)가 합성되고 단부의 제1영역(I)에는 케이싱 콘크리트(120)가 합성되지 않는 것이, 거더의 내하 능력을 유지하면서 형고를 낮게 형성하는 측면에서 바람직하다.

즉, 케이싱 콘크리트(120)는, 강재 거더(110)의 제1영역(I)의 복부의 내측 끝단(112e)을 감싸는 형태로 형성되지만, 제1상부플랜지(1131)의 상측에는 합성되지 않으며, 케이싱 콘크리트(120)의 상면의 높이는 제1상부플랜지(1131)의 상면 높이와 동일한 높이로 형성된다.

케이싱 콘크리트(120)의 외측 끝단(120e)은 복부(112)의 내측 끝단(112e)에 비하여 보다 외측(거더 단부에 가까운 쪽)에 위치하여, 제1상부플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)의 사이에 드러나는 복부(112)의 내측 끝단(112e)은 케이싱 콘크리트(120)에 의하여 은폐된 상태가 된다. 그리고, 케이싱 콘크리트(120)의 외측 끝단(120e)은 수직면을 형성할 수도 있고, 휨 변형에 대하여 강재와의 응력 전달이 보다 원활하도록 도면에 도시된 바와 같이 경사진 경사면으로 형성될 수도 있다.

상기와 같이 구성된 강합성 거더(100)는, 강재의 단면이 거더 전체에 걸쳐 일정하지 않으므로, 이종재료의 결합 부분인 강-콘크리트 접합부(TR)에서 케이싱 콘크리트(120)에 응력이 집중되는 현상이 발생되고, 강재와 콘크리트 간에 하중전달이 원활히 이루어지지 않게 된다.

이를 완화하기 위하여, 도6a 및 도6b에 도시된 바와 같이, 제1상부플랜지(1131)의 끝단으로부터 제2상부플랜지(1132)의 상면까지 연장 형성된 강판 형태의 응력집중 완화재(114)를 형성할 수 있다. 여기서, 응력집중 완화재는 제1상부플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)의 사이에 형성된 복부 끝단(112e)에 표면이 결합된 형태로 형성되며, 강재 거더(110)의 재질과 동일한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

이에 의하여, 강합성 거더(100)의 자중이나 거더에 작용하는 외력 및 계절 변화 등에 따른 온도 변화에 의하여 강-콘크리트 접합부(TR)에서 응력 집중이 발생되는 경우에, 이 응력 집중으로 인한 힘이 제1상부 플랜지(1131)의 끝단과 복부 끝단(112e)의 좁은 면적을 통해 케이싱 콘크리트(120)에 전달하여 응력이 집중되지 않고, 강재와 콘크리트 사이에 증가한 지압 면적으로 응력이 전달됨으로써, 강-콘크리트 접합부(TR)의 콘크리트에 응력이 집중되는 현상을 완화할 수 있게 된다.

여기서, 도6b에 도시된 바와 같이, 강판 형태의 응력집중 완화재(114)는, 상단이 제1상부플랜지(1131)의 폭(W1)과 동일하고 하단이 제2상부플랜지(1132)의 폭(W2)과 동일하게 정해지고, 그 폭이 연속적으로 감소하는 형태로 형성됨에 따라, 응력집중 완화재(114)의 단면이 급작스럽게 변동하거나 끊기지 않도록 하여, 하중의 전달 효율을 보다 높일 수 있다. 예를 들어, 응력집중 완화재(114)는 그 폭이 연속하여 선형적으로 감소하는 사다리꼴 형태로 형성될 수 있다.

여기서, 응력집중 완화재(114)는 도6a 및 도6b에 도시된 바와 같이, 제1상부플랜지(1131)과 제2상부플랜지(1132)를 수직하게 연결 형성될 수 있다. 이를 위하여, 응력집중 완화재(114)의 판면이 결합되는 제1상부플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)의 사이에 위치한 복부 끝단(112e)은 수직한 형태로 형성된다.

한편, 도7a 및 도7b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따르면, 응력집중 완화재(114')는 제1상부 플랜지(1131)과 제2상부플랜지(1132)를 경사지게 연결 형성될 수도 있다. 이를 위하여, 응력집중 완화재(114')의 판면이 결합되는 제1상부플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)의 사이에 위치한 복부 끝단(112e')은 경사진 경사면으로 형성된다.

무엇보다도, 제1상부플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)의 사이에 위치한 복부의 끝단부는 전단홀(112a)이 형성되고, 응력집중 완화재(114')도 역시 관통공(114a)이 형성된 유공 강판으로 형성될 수 있다. 이를 통해, 케이싱 콘크리트의 타설 시에 굳지않은 콘크리트가 전단홀(112a)과 관통공(114a)을 통해 구석구석 침투시킬 수 있으며, 전단홀(112a)과 관통공(114a) 내에 합성된 콘크리트에 의하여, 중첩 영역(DA)에서 강재 거더(110)와 케이싱 콘크리트(120)의 결합력을 증대시킬 수 있다.

또한, 이들 관통공(112a, 114a)에는 강재 거더(110)와 케이싱 콘크리트(120)의 결합을 보조하는 철근이 관통하는 형태로 배근되어, 강재 거더(110)와 케이싱 콘크리트(120)의 결합력을 더욱 증대시킬 수 있다.

상기와 같은 복부 전단홀(112a) 및 응력집중 완화재(114')의 관통공(114a)은 전술한 제1실시예의 구성 및 후술하는 다른 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다.

한편, 도8a 및 도8b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예는, 강판 형태의 응력집중 방지재(114)가 제1상부플랜지(1131)와 제2상부플랜지(1132)의 사이의 복부 끝단(112e)에 결합되지만, 제1상부 플랜지(1131)는 'S'로 표시된 길이만큼 복부 끝단(112e)으로부터 추가로 더 연장 형성될 수 있다. 이에 따라, 응력집중 방지재(114)는 제1상부플랜지(1131)의 내측 끝단으로부터 거리 S만큼 이격된 위치로부터 제2상부플랜지(1132)까지 연장되게 구성될 수도 있다.

이와 같이, 제1상부플랜지(1131)가 복부(112)의 내측 끝단(112e)으로부터 보다 더 내측으로 연장 형성됨에 따라, 복부(112)의 내측 끝단(112e)의 위치에 무관하게 중첩 길이(L)를 보다 더 길게 형성할 수 있는 이점이 얻어지며, 이에 의하여 이종 재료인 콘크리트와 강재 간에 응력이 원활하게 전달하는 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 도9a 및 도9b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따르면, 응력집중 완화재(118)는 제1상부플랜지(1131)의 내측 끝단과 복부(112)의 내측 끝단(112e)에 탄성 변형이 가능한 탄성재로 형성될 수 있다.

즉, 탄성재로 형성된 응력집중 완화재(118)는 이종 재료인 강재와 콘크리트가 서로 접하는 위치에 개재되도록 설치되며, 도면에 도시된 바와 같이, 이종 재료가 서로 접하는 제1상부 플랜지(1131)의 내측 끝단과 복부의 내측 끝단(112e)에 모두 설치될 수도 있고, 제1상부 플랜지(1131)의 내측 끝단과 복부의 내측 끝단(112e)의 일부에만 설치될 수도 있다.

그리고, 탄성재는 콘크리트와 강재의 변위 차이를 수용하는 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 고무, 실리콘, 우레탄 계열의 소재로 정해질 수 있다.

탄성재의 두께(t)는, 강합성 거더(100)의 휨 변형량에 따라 강재와 콘크리트의 접합부에서 발생하는 응력 집중에 따른 변형률과, 시공되는 장소의 온도 변화에 따른 강재와 콘크리트의 열변형률 차이를 수용하도록 정해지며, 강합성 거더(100)의 거리가 길수록 보다 더 두껍게 정해진다. 하나의 거더에 설치된 응력집중 완화재(118)는, 도면에 도시된 바와 같이, 전체적으로 균일한 두께로 형성될 수도 있지만, 강재와 콘크리트의 응력 집중에 따른 변형률이 큰 위치에서는 강재와 콘크리트의 변형률이 작은 위치에 비하여 보다 두껍게 형성될 수도 있다.

한편, 탄성재로 형성된 응력집중 완화재(118)는 도6a 내지 도8b에 도시된 강판으로 형성된 응력집중 완화재(114)와 함께 적용될 수도 있다. 즉, 강판 형태의 응력집중 완화재(114)에 의하여 강재와 콘크리트의 하중 전달이 보다 넓은 지압 면적으로 전달하면서, 동시에 강-콘크리트의 접합부에 배치된 강판(114)의 표면에 탄성재(바람직하게는 판 형상, 118)가 설치되어, 강재와 콘크리트 사이의 집중 응력(변형률)을 탄성재에 의해 수용되게 구성할 수도 있다.

이를 통해, 강도가 큰 강재로부터 강도가 작은 콘크리트로 하중이 전달되는 과정에서, 탄성 변형이 가능한 탄성재로 형성된 응력집중 완화재(118)가 강재와 콘크리트 사이의 집중 응력에 따른 국부변형을 수용함으로써, 강-콘크리트의 접합면(TR)에서 콘크리트에 응력이 집중되는 현상을 크게 낮출 수 있으므로, 강-콘크리트의 접합면에서 콘크리트의 압축 파괴를 신뢰성있게 방지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

상기와 같이 강-콘크리트 접합부(TR)에서의 콘크리트에 작용하는 응력이 분산되는 효과를 검증하기 위하여, 본 출원인은 다음의 수치 해석을 수행하였다. 즉, 도10a에 도시된 구성은 제1상부플랜지(1031)과 제2상부플랜지(1032)가 중첩되는 구성을 모델링한 것이고, 도10b에 도시된 구성은 제1상부플랜지(1031)와 제2상부플랜지(1032)를 복부의 내측 끝단(112e)에 강판 형태의 응력집중 방지재(114)로 결합한 제1실시예의 구성(도6a 및 도6b)을 모델링한 것이고, 도10c에 도시된 구성은 제1상부플랜지(1031)의 내측 끝단과 복부(112)의 내측 끝단(112e)에 탄성재 형태의 응력집중 방지재(118)를 개재시킨 제4실시예의 구성(도9a 및 도9b)을 모델링한 것이다.

도10a 내지 도10c에 도시된 모델링 구성의 해석을 위한 구체적인 재원 및 하중 조건은 다음과 같다.

- 거더의 경간장: 29.8 (m)

- 거더의 형고: 0.960 (m)

- 바닥판 두께 : 0.240 (m)

- 강재거더의 사양 : 제1상부플랜지 : 700*20 (mm)

제2상부플랜지: 300*20 (mm)

복부 : 10*940 (mm)

하부플랜지 : 700*30 (mm)

강재 종류 : SM520 (탄성계수 Es = 205,000 MPa)

- 바닥판 콘크리트 : 설계 압축강도 fck = 30MPa, 탄성계수 Ec = 27,537MPa,

- 케이싱 콘크리트 : 설계 압축강도 fck = 80MPa, 탄성계수 Ec = 37,519MPa

- 단부에서 거더 자중 : 19.6 kN/m, 중앙부에서 거더 자중 : 22.3 kN/m

- 바닥판 콘크리트 하중 : 9.8 kN/m (전체 동일)

- 활하중 : DB24, 횡방향 분배 해석을 통해 최대발생하중으로 산정 (38.4kN - 153.5kN - 153.5 kN)

- 경계조건 : 단순 지지

상기와 같은 동일한 조건으로 응력 분포를 해석한 결과, 강-콘크리트 접합부(도6a의 TR)의 상면에서 가장 높은 응력값이 나타났으며, 강-콘크리트 접합부의 콘크리트의 수직 단면에서의 응력 분포도는 도11a 내지 도11c에 도시된 바와 같다. 여기서, 도10a의 모델링에 대한 응력분포도는 도11a이고, 도10b의 모델링에 대한 응력분포도는 도11b이고, 도10c의 모델링에 대한 응력분포도는 도11c이다.

해석 결과, 강재 거더의 제1상부플랜지(1131)의 끝단과 접합된 케이싱 콘크리트(120)의 최대 발생 응력은, 제1상부플랜지(1131)과 제2상부플랜지(1132)가 중첩 배치된 구성에 대해서는 -6.634MPa(도11a)의 값으로 나타났으며, 사다리꼴 강판 형태의 응력집중 방지재(114)가 설치된 제1실시예의 구성에 대해서는 -5.397 MPa(도11b)의 값으로 나타났다. 이를 통해, 강판 형태의 응력집중 방지재(114)를 설치하는 구성(도10b)은 상부 플랜지(1131, 1132)가 중첩 배치된 구성(도10a)과 대비하여 약 19%의 응력 완화 효과가 있다는 것을 확인하였다.

또한, 탄성재 형태의 응력집중 방지재(114)가 설치된 제4실시예의 구성에 대해서는 -4.241MPa(도11c)으로 나타났다. 이를 통해, 탄성재 형태의 응력집중 방지재(118)를 설치하는 구성(도10c)은 상부 플랜지(1131, 1132)가 중첩 배치된 구성(도10a)과 대비하여 약 36%의 응력 완화 효과가 있다는 것을 확인하였다.

상기와 같이, 본 발명은, 강-콘크리트의 접합부(TR)에 거더 중앙부의 제1상부플랜지(1131)와 단부의 제2상부플랜지(1132)가 서로 중첩되게 배치되는 중첩 영역(DA)을 구비함으로써, 이종 재료의 결합이 이루어지는 강-콘크리트 접합부에서 응력의 흐름이 원활히 이루어지게 하는 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 이 구성에 응력집중 방지재(114, 118)를 추가로 구성함으로써 강-콘크리트 접합부의 케이싱 콘크리트 상면에 크게 작용하는 응력 집중 현상을 완화하는 효과를 얻을 수 있다.

그 밖에, 본 발명은, 케이싱 콘크리트(120)가 합성되는 강재 거더(110)의 복부(112) 및 강판 형태의 응력집중 방지재(114)를 관통공(112a, 114a)이 형성된 유공 단면으로 형성하고, 경우에 따라 이 관통공(112a, 114a)에 철근을 관통하게 배근하는 것에 의하여 이종 재료인 강재(110)와 케이싱 콘크리트(120)의 접합력을 증대시키는 효과를 얻을 수 있다.

이를 통해, 본 발명은, 강재와 콘크리트의 접합력이 증대되고, 강-콘크리트 접합면에서 콘크리트에 응력이 집중되는 현상을 줄임으로써, 강합성 거더 내에서 하중전달능력이 향상됨에 따라 내구성과 내하력이 증대되어 안전성이 향상된 교량을 시공할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구 범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

100: 강합성 거더 110: 강재 거더
111: 하부 플랜지 112: 복부
112e, 112e': 복부의 내측 끝단
113: 상부 플랜지 1131: 제1상부플랜지
1132: 제2상부플랜지 114: 강판 형태의 응력집중 방지재
115: 전단 연결재 118: 탄성재 형태의 응력집중 방지재
120: 케이싱 콘크리트 TR: 강-콘크리트 접합부
DA : 중첩 영역 H1: 제1높이
H2: 제2높이
120, 120': 케이싱 콘크리트 199: 바닥판 콘크리트

Claims (13)

1. 양단부 중 하나 이상을 포함하는 제1영역에 제1높이로 형성되고 중앙부를 포함하는 제2영역에는 상기 제1높이보다 낮은 제2높이로 형성된 복부와, 상기 복부의 하단에 형성된 하부 플랜지와, 상기 제1영역의 상기 복부 상단에 형성된 제1상부 플랜지와, 상기 제2영역의 상기 복부 상단에 형성된 제2상부 플랜지를 포함하고, 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지의 일부가 중첩되게 배치된 중첩 영역이 구비된 강재 거더와;
   상기 강재 거더의 상기 제2영역의 상측에 합성된 케이싱 콘크리트를;
   포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 케이싱 콘크리트는, 상기 강재 거더의 상기 제1영역의 상측의 일부 이상에는 합성되지 아니하고, 상면의 높이가 상기 제1상부플랜지의 상면 높이와 동일하게 합성된 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 복부는 상기 중첩 영역의 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지의 사이에 연장 형성되고, 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지의 사이에 연장 형성된 복부는 전단홀이 형성된 유공 단면인 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 복부는 상기 중첩 영역의 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지의 사이에 연장 형성되고, 상기 중첩 영역의 길이는 상기 제1높이와 상기 제2높이의 차이의 2배 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 복부는 상기 중첩 영역의 상기 제1상부플랜지와 상기 제2상부플랜지의 사이에 연장 형성되고, 상기 제1상부플랜지는 상기 복부의 끝단으로부터 상기 케이싱 콘크리트를 향하여 돌출되되, 상기 제1상부 플랜지의 돌출 길이는 상기 제1높이와 상기 제2높이의 차이 이상만큼 돌출된 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제2상부플랜지는 상기 강재 거더의 단부까지 연장 형성된 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
   
7. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 케이싱 콘크리트와 만나는 제1상부플랜지에는 응력집중 방지재가 설치된 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 응력집중 방지재는, 상기 강재 거더의 제1상부플랜지의 끝단과 상기 복부의 끝단 중 어느 하나 이상과 상기 케이싱 콘크리트의 사이에 개재된 탄성 변형이 가능한 탄성재인 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
   
9. 제 7항에 있어서,
   상기 응력집중 방지재는 상기 제1상부플랜지로부터 상기 제2상부플랜지를 향하여 연장 형성되되, 상기 제1높이와 상기 제2높이의 차이의 0.5배 이상의 길이로 연장 형성된 강판이고, 상기 복부 끝단과 밀착한 형태로 설치된 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 응력집중 방지재는 상기 제2상부플랜지의 상면까지 연장 형성된 강판인 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
    
11. 제 9항에 있어서,
    상기 복부는 상단이 상기 제1영역의 상기 제1상부플랜지의 끝단과, 상기 제2영역의 제2상부플랜지의 상면을 경사지게 연결하는 경사면으로 형성되고,
    상기 응력집중 방지재는 상기 경사면을 따라 상기 제1상부플랜지의 끝단으로부터 상기 제2상부플랜지의 상면을 경사지게 연결하는 강판인 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
    
12. 제 9항에 있어서,
    상기 응력집중 방지재는 관통공이 형성된 유공 강판인 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
    
13. 제 10항에 있어서,
    상기 응력집중 방지재의 상단은 상기 제1상부플랜지의 폭과 동일하고 상기 응력집중 방지재의 하단은 상기 제2상부플랜지의 폭과 동일하며, 상기 응력집중 방지재는 상단의 폭이 하단의 폭에 비하여 보다 크게 형성되고 상단으로부터 하단으로 연속하게 변화되는 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 강합성 거더.
    

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