KR20110043904A - 전단력과 휨 모멘트의 특성을 이용한 단위 거더 구조 및 이를 이용한 프리스트레스트 합성 보 구조체의 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전단력과 휨 모멘트의 특성을 이용한 단위 거더 구조 및 이를 이용한 프리스트레스트 합성 보 구조체의 시공방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 (a) 휨모멘트와 전단력의 형상 및 특성을 고려하여 제작한 강형에 제 1 강선 및 제 2 강선을 설치한 상태에서, 강형의 하부에 하부 케이싱 콘크리트를 타설하는 단계; (b) 상기 하부 케이싱 콘크리트가 양생된 후, 하부 케이싱 콘크리트 내에 수용된 제 1 강선에 1차 긴장력을 가하여 강형과 하부케이싱의 프리스트레스 도입으로 합성체를 구성하고, 합성체를 단순 거치하는 단계; (c) 강형과 하부 케이싱 콘크리트가 합성된 합성 보 하부에 복부 및 상부 케이싱 콘크리트 타설 하중에 대한 외력이 콘크리트 타설 시 즉시 작용하지 않도록 케이싱 하부에 임시 지점을 설치하는 단계; (d) 강형과 하부 케이싱 콘크리트가 합성된 합성 보에 복부 및 상부 케이싱 콘크리트를 타설하고 양생하는 단계; 및 (e) 제 2 강선에 2차 긴장력을 가하여 합성 보를 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 프리스트레스트 합성 보 구조체의 제작 방법은 외력에 의한 모멘트와 전단력의 특성을 고려하여 모멘트가 지배적으로 작용되는 보 중앙부에는 강형의 빔고와 플랜지 두께를 충분하게 확보하여 휨 강성을 확보하고 전단력이 지배적으로 작용하는 보의 단부 측은 강형의 형상과 두께를 줄여 강재 사용량을 줄이는 동시에 전단력에 대해서는 콘크리트 단면의 조정을 통해 제어가 가능하도록 하여 단계별 시공 시점에 따라 발생되는 휨 응력 및 전단 응력을 효과적으로 분산시켜 장지간의 구조물 가설 및 낮 은 형고의 구조물 계획이 가능하고 동일한 여건에서 강재 사용량을 줄여 공사비를 절감이 가능한 구조물 가설이 가능하다.

합성보 구조물, 교량, 프리스트레스, 강형, 긴장재, 임시 지점, 부분 타설 단계별 시공

Description

전단력과 휨 모멘트의 특성을 이용한 단위 거더 구조 및 이를 이용한 프리스트레스트 합성 보 구조체의 시공방법 {Method for Constructing Prestressed Composite Beam Structure Using The Properties of Shear―force and Bending Moment}

건설 자재로 광범위하게 이용되고 있는 강재와 콘크리트의 재료적인 특성은 다양하며 각 재료에 대한 장점과 단점이 상존하고 있다.

강재의 대표적인 재료 특성은 콘크리트 재료와 비교하여 강도가 월등히 뛰어나고 압축과 인장 응력에 대해 높은 강도와 신뢰성이 확보되어 중요한 구조물 제작에 많이 이용되고 있으나, 세장한 특성으로 좌굴에 대한 보강이 충분하게 이루어져야하며 콘크리트의 생산 단가에 비교하여 가격이 높다는 단점을 가지고 있다.

반면에 콘크리트의 경우 인장 응력에 대해서는 상당히 취약하고 취성적 재료 특성을 가지고 있어 재료에 대한 신뢰도가 강재보다 낮으나 압축 응력에 대해서는 높은 강도를 발휘하며 용도에 따라 다양한 형상의 구조물 성형이 가능하고 강재에 비해 생산 단가가 월등히 낮은 장점을 가지고 있다.

따라서 콘크리트의 장점과 강재의 장점을 효과적으로 활용하는 경우 낮은 비용으로 소정의 품질이 확보되는 구조물 제작이 가능하므로 경제적인 요구에 의해 강재와 콘크리트의 효율적인 합성 방법이 다양하게 개발되고 있다.

교량 상부 구조로 다양하게 이용되고 있는 강,콘크리트 합성 보는 강재와 콘크리트 재료의 재료적인 장점을 활용하여 재료 절감 효과와 장경간의 구조물 계획이 가능하도록 하였다.

특히 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보는 높은 강도의 강재와 인장 응력에 취약한 콘크리트 부재에 적정한 압축 응력을 도입하여 구조적인 합성 작용 및 강성 확대를 통해 낮은 형고와 장경간의 구조물 계획이 가능한 기능적 성능을 제공하고 있다.

본 발명의 기술분야는 재료적 특성이 상이한 강재와 콘크리트를 이용하여 합성체를 형성하고 프리스트레스를 도입하여 재료적인 장점을 활용한 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 제작 방법 및 이를 이용한 교량 시공 밥법으로 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 제작 방법으로는 극복하기 어려운 합성 보의 구조적인 특성을 고려한 고효율의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성체 제작 원리 및 이를 이용한 구조물의 시공의 기술적인 원리를 제공하게 된다.

'기술 분야'에서 기술한 바와 같이 동일한 단면 조건에서 높은 강성 확보가 가능한 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 (Steel-Concrete Prestressed Composite Beam)는 낮은 형고 확보 및 장지간의 교량 구조물 가설에 유용한 공법이다.

강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 대표적인 공법은 도 4의 공정도에 도시한 바와 같이 I형상 강재 보의 탄성 복원력을 이용하여 하부 케이싱 콘크리트의 압축응력 도입으로 강재와 콘크리트를 합성하여 강성을 확보하는 프리플렉스 합성 보(Preflex Composite Beam) 제작 공법과 도 5의 공정도에 도시한 바와 같이 I형상의 강재 보와 긴장재를 구비한 하부 케이싱 콘크리트의 합성 후 긴장재의 긴장으로 하부 케이싱 콘크리트의 압축응력 도입과 강재와 콘크리트를 합성하여 강성을 확보하는 공법을 들 수 있다.

이와 같은 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 경우 강재와 콘크리트의 합성 및 프리스트레스 도입 공정으로 낮은 형고와 장지간의 합성 보 생산이 가능한 기술을 제공하고 있음에도 불구하고 지나치게 많은 강재 사용과 비효율적인 단면 구성의 한계로 타 공법에 비하여 높은 생산 단가가 소요되는 문제를 극복하지 못하고 있다.

종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 높은 생산 단가 문제는 합성 보 구조물에 발생되는 단면력의 특성과 부재 단면의 구성이 효과적으로 적용되지 않은 결과이며 이는 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 단면 구성이 휨모멘트와 전단력의 특성과 분포를 충분히 고려한 합리적인 단면 구성이 이루어지지 않고 필요 이상의 구간까지 강재 단면을 적용한 결과에 기인한다.

휨모멘트가 지배적으로 발생되는 보의 중앙부에서는 휨 강성을 확보하기 위하여 강형의 형고와 상,하부 플랜지 및 복부의 단면을 적정량 확보한 소요 휨 강성의 확보가 필요하나 보의 단부 측으로 갈수록 소요 휨 강성이 감소되므로 굳이 중앙부 강형 단면 형상이 필요하지 않으며 특히 보의 지점부에 근접한 위치의 경우 전단력이 지배적으로 발생되므로 강형 상,하부 플랜지의 적용은 단면의 전단 저항에 대한 성능 확보에 불필요한 단면임에도 불구하고 합성 보의 제작 공정 상 필요에 의해 적용되고 있다.

또한 지점부 부근에서 발생되는 전단력은 고가의 재료비와 제작비용이 소요되는 강재를 적용하지 않아도 적정한 콘크리트의 전단 저항에 필요한 유효 단면적 확보와 철근을 이용한 단면 보강만으로도 충분한 단면 성능 확보가 가능하며, 따라서 보의 전단 강성 확보 기여도가 낮은 합성 보 단부 근처의 강재 상,하부 플랜지를 제거하고 강형 복부 단면 형상을 적절하게 조정하며 단계 별 시공을 통해 적정한 부재 응력의 제어를 통해 합성 보의 구조적인 거동을 이용한 효율적인 합성 보 제작이 가능하게 된다.

종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보를 이용한 교량 구조물 가설 시 합성 보의 거치 후 바닥판 콘크리트 타설 시점에서의 합성 보의 휨 강성은 강형과 하부 케이싱 콘크리트 단면만으로 이루어지므로 합성 보 거치 후 복부 콘크리트의 자중이 추가되어 하중이 지나치게 크므로 충분한 휨 강성 확보와 케이싱 콘크리트의 충분한 압축응력이 요구되므로 사용 강재량의 증가원인으로 작용하게 된다.

또한 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 공법 특성상 바닥판(Deck slab) 콘크리트 및 복부 콘크리트 합성 시 중립축 이하의 복부 콘크리트에 인장 균열이 구조적으로 발생되므로 복부에 타설되는 상당 부분의 복부 콘크리트 단면을 합성 보의 휨 강성에서 제외하고 콘크리트 자중만 고려하게 되므로 합성 보의 휨 강성 확보에 비효율적인 특성으로 이 또한 복부 콘크리트를 배제하고 적정 휨 강성 확보를 위해 강재 사용량을 증가시키는 요인으로 작용되며, 또한 복부 콘크리트의 균열 발생에 따른 구조물 내구성 확보문제와 강형과 하부 케이싱 합성단계에서 하부 케이싱 콘크리트의 건조수축 및 크리프에 의한 응력 손실에 대한 보정 공정의 미비로 하부 케이싱 콘크리트의 강도를 충분하게 활용하지 못하는 점 또한 종래의 강,콘크리트 합성 프리스트레스트 합성 보 공법의 기술 범위에서는 해결하지 못하고 있는 실정이다.

본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 제작 기술은 상기에서 기술한 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 기술적인 한계를 극복하여 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 장점을 극대화하기 위한 기술적인 원리와 이를 이용한 실용적인 교량 구조물 시공 방법을 제공하고 있다.

앞서 설명한 바와 같이 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 공법은 높은 신뢰도와 강도가 뛰어난 강재와 인장 응력에 취약한 콘크리트 부재에 적정한 압축 응력을 도입하여 구조적인 합성 작용 및 강성 확대를 통해 낮은 형고와 장경간의 구조물 계획이 가능한 기능적 성능을 제공하고 있으나, (a) 합성 보 제작 시 단면 구성이 휨모멘트와 전단력의 특성과 분포를 충분히 고려한 합리적인 단면 구성이 이루어지지 않은 결과, 필요 이상의 구간까지 강재 단면을 적용하게 되므로 비경제적이며, (b) 합성 보의 휨 강성이 강형과 하부 케이싱 콘크리트 단면만으로 이루어지므로 적정 휨 합성 확보를 위해서 단면의 확대에 제한이 따르는 하부 케이싱 콘크리트의 단면 형상을 유지한 상태에서 강형의 형상 및 단면적 확보에 의존하게 되므로 사용 강재의 증가로 비경제적이며, (c) 합성 보의 현장 거치 후 바닥판(Deck slab) 콘크리트 및 복부 콘크리트 합성 시 중립축 이하의 복부 콘크리트에 구조적인 인장 균열이 발생되므로 복부에 타설되는 상당 부분의 복부 콘크리트 단면을 합성 보의 휨 강성에서 제외하고 콘크리트 자중만 고려하게 되므로 합성 보의 휨 강성 확보에 비효율적인 특성으로, 복부 콘크리트의 강성을 제외하고 적정 휨 강성 확보를 위해서 강재 사용량을 증가시키는 요인으로 비경제적이며, (d) 합성 보의 현장 거치 후 바닥판(Deck slab) 콘크리트 및 복부 콘크리트 합성 시 중립축 이하의 복부 콘크리트에 인장 균열이 구조적으로 발생되므로 복부 콘크리트의 균열 발생에 따른 구조물 공용 중 내구성 확보 및 유지보수 측면에서 불리하며, (e) 강 형과 하부 케이싱 콘크리트 합성 시 하부 케이싱 콘크리트의 건조수축 및 크리프에 의해 손실된 하부 케이싱 콘크리트의 응력 손실에 대한 보정 공정의 미비로 하부 케이싱 콘크리트의 압축 강도를 충분하게 활용하지 못하는 문제점 등 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 공법이 극복해야 할 기술적인 개선이 다양하게 요구되고 있다.

이는 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 장점에도 불구하고 경제성, 부재 이용 효율성, 시공성, 작업성 등의 개선에 필요한 합성 보 공법의 근본적인 제작 방법의 개발이 요구되고 있으며, 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 및 이를 이용한 구조물 시공방법은 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 장점을 극대화하여 경쟁력을 구비한 새로운 기술을 제공하게 된다.

본 발명에 따른 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 기술의 해결 과제를 앞서 설명한 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 각 항에 대하여 상세한 분석과 해결 방안을 다음과 같이 제공하고자 한다.

먼저 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 기술의 해결 과제 중 (a)항에서 제안한 합성 보 구조물 제작 시 휨모멘트와 전단력의 특성과 분포를 충분히 고려하지 못하여 발생되는 비합리적인 단면 구성에 따른 부재 이용 효율성 저하 및 이에 따른 소요 강재량 증가에 기인한 공법의 경제성 확보를 위한 해결 방안 은 다음과 같다.

도 1에 도시한 하중 개념도는 합성 보 구조물의 구성과 하중 및 단면력 관계를 도시한 개념도로서, 구조물의 구성과 하중 거동을 간략화하여 구조물과 하중 관계를 설명하기 위해 지간 L의 보에 외력 W(등분포 하중)이 작용하는 합성 보를 대상으로 하였다.

도 10의 (가)는 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 단면 구성을 도시하였고 도 10의 (나)는 (가)의 구조물에 W의 크기로 등분포 하중이 재하되는 개념도로 도 10의 (다)와 (라)는 위와 같은 조건에서 합성 보에 발생되는 휨모멘트 및 전단력의 분포 및 형상을 도시하였다.

도 10의 (가),(나),(다),(라)에 도시된 바와 같이 단순 거치되는 보의 하중과 단면력 분포는 도 10의 (다)와 (라)와 같이 보의 중앙부에 최대 휨모멘트 Mmax가 발생되며 보의 단부 측에 최대 전단력 Smax가 발생하게 된다.

휨모멘트의 형상은 보의 중앙부에서 최대가 발생되며 보의 단부측은 0의 값으로 포물선 형태의 분포를 보이며 따라서 모멘트의 형상과 분포를 고려하는 경우 도 10의 (마)와 같이 효율성 측면에서 뛰어난 이상적인 부재 형상이 된다.

도 10의 (마)에 도시한 부재 형상의 특성을 보면 포물선 형상의 강형 복부(k2)와 강형 복부 상연을 따라 상부 플랜지(k1)로 모멘트의 분포 형상과 유사한 형상을 구비하게 되며 따라서 동일한 형고의 강형 형고와 비교하면 단부 측 강형 복부(2＇)와 강형 상부 플랜지(1＇)의 제거로 휨 강성 확보를 위해 이용되는 강재 사용량의 현격한 감소 효과를 기대할 수 있다.

또한 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 기술의 해결 과제 중 (b)항에서 제시한 합성 보 구조물 제작 시 적정 휨 강성 확보를 위해 강재 사용량의 증가에 의한 합성 보 제작비용의 증가 문제의 해결은 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 경쟁력을 구비한 경제성 확보를 위해 종래 합성 보 공법이 해결해야할 과제이며 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 제작 기술을 통해 해결이 가능하다.

종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 제작에 따르면 도 11의 '합성보 제작 완료 단계의 합성보 중앙부 휨강성 유효 단면적'의 (가)에 도시한 바와 같이 합성 보의 제작이 완료된 상태에서의 휨 강성은 강형 상부 플랜지(a1), 강형 복부(a2), 강형 하부 플랜지(a3), 하부 케이싱 콘크리트(a4)로 확보되며 도 11의'합성보 제작 완료 단계의 합성보 중앙부 휨 강성 유효 단면적'의 (나)에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 휨 강성과 큰 차이가 발생된다.

따라서 동일한 조건에서 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보는 본 발명에 따른 강,콘크리트 합성 프리스트레스 보와 유사한 휨 강성 확보를 위해서는 사용 강재량을 늘려야 하며 도 2의 (가) 와 도 2의 (나)의 동일한 조건의 단면특성 비교를 통해 합성 보 거치 시 단면 특성 계수에서 상당한 차이가 발생되는 사실을 확인할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 제작 공정에 따른 단면 구성과 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 단면 구성을 동일한 조건에서 각각의 단면 특성을 비교하기 위한 단면도이며,

도 2의 (가)는 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 단면 구성과 단면 특성을 도시하였으며 휨 강성 확보와 관련한 단면2차모멘트는 57,879,600 Cm² 이며 도 2의 (나)에 도시한 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 단면2차모멘트의 31,946,100 Cm² 과 비교하여 약 80%이상의 강성 차이가 발생되며 따라서 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보를 이용한 적정 휨 강성 확보를 위해서는 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 시 소요되는 강재량을 효율적으로 줄일 수 있는 기술적 원리를 제공한다.

또한 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 기술의 해결 과제 중 (c)항에서 제시한 합성 보 구조물 제작 시 합성 보의 현장 거치 후 바닥판 콘크리트 및 복부 콘크리트 합성 시 중립축 이하의 복부 콘크리트에 구조적인 인장 균열이 발생되는 문제로 도 8의 (나)에 도시한 바와 같이 복부 콘크리트 단면을 합성 보의 휨 강성에서 제외되고 콘크리트 자중만 고려하게 되므로 합성 보의 비효율적인 휨 강성 확보가 문제이며 도 8의 (가)에 도시한 본 발명에 따른 합성 보의 휨 강성과 비교하면 단면2차모멘트에서 20% 이상의 강성 증가 효과가 발생되고 있다는 것을 알 수 있다.

또한 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 기술의 해결 과제 중 (d)항에서 제안한 합성 보의 현장 거치 후 바닥판 콘크리트 및 복부 콘크리트 합성 시 중립축 이하의 복부 콘크리트에 구조적인 인장 균열의 영향으로 합성 단면 강성 저하 및 균열에 의한 구조물 내구성 저하 문제를 해결하기 위해서는 근본적으로 복부 콘크리트 인장부에 압축응력 도입 공정이 필요하다.

또한 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 기술의 해결 과제 중 (e)항에서 제시한 강형과 하부 케이싱 콘크리트 합성 시 하부 케이싱 콘크리트의 건조수축 및 크리프에 의해 손실된 하부 케이싱 콘크리트의 응력 손실에 대한 보정 공정의 미비로 하부 케이싱 콘크리트의 압축 강도를 충분하게 활용하지 못하고 있는 문제점 해결이 필요하다.

종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 단계 중 하부 케이싱 콘크리트에 강한 압축 응력을 도입과정이 진행되며, 이때 하부 케이싱 콘크리트의 압축응력은 콘크리트의 허용 압축응력 범위 내에서 이루어지는 제한이 따르게 되고 콘크리트의 특성 상 건조수축 및 도입된 압축응력의 크기에 따라 크리프가 진행되어 압축응력의 손실이 발생되어 결국 하부 케이싱 콘크리트의 강도를 충분하게 활용하지 못하는 결과가 발생된다.

따라서 하부 케이싱 콘크리트의 압축 응력 도입 후 발생되는 건조수축과 크리프에 의한 응력 손실을 고려하여 추가 프리스트레스를 도입하는 경우 합성 보 제 작 과정에서 발생되는 압축 응력 손실량을 고려한 추가 압축응력 도입량의 크기를 조정하여 하부 케이싱의 압축응력 여유량을 충분하게 확보하기 위한 추가 압축응력 도입 공정이 필요하다.

본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 및 이를 이용한 교량 구조물 시공 방법의 기술적인 원리에 따르면 복부 콘크리트부에 적정한 압축응력 도입과 하부 케이싱 콘크리트의 추가 압축응력 도입 공정으로 종래 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 및 이를 이용한 교량 구조물 가설 시 발생되는 강성 효율성 저하, 내구성 저하 및 손실 응력 보완 문제의 해결이 가능하게 된다.

따라서 본 발명에 따른 강,콘크리트 합성 스트레스트 보의 제작 공법은 종래의 강,콘크리트 합성 스트레스트 보의 근본적이고 구조적인 문제를 해결을 통해 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 경제성, 부재 이용 효율성, 내구성 확보 등으로 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 장점을 극대화하여 경쟁력을 구비한 새로운 기술적 원리를 제공하게 된다.

상기한 목적을 달성하기 위하여,

본 발명에 따른 합성 보 제작 시 단면력의 특성을 고려한 프리스트레스트 합성 보 제작 및 이를 이용한 구조물의 시공방법은 (a) 합성 보에 발생되는 전단력 및 휨모멘트의 분포와 특성을 충분하게 고려한 적정 강형 단면 형상을 확보하여 강재 소요 량을 줄이는 강형 제작 단계; (b) 상기 적정 강형 단면의 하부 측에 제 1 강선과 제 2 강선의 설치가 가능하도록 쉬스관을 구비하고 하부 케이싱 콘크리트를 타설하는 단계; (c) 상기 하부 케이싱 콘크리트가 양생된 후, 하부 케이싱 콘크리트 내에 수용된 제 1쉬스관을 이용해 강선을 설치하고 1차 긴장력을 가하여 강형과 하부케이싱 콘크리트의 합성체 구성 및 단순 거치하는 단계; (d) 강형과 하부 케이싱 콘크리트가 합성된 합성 체에 복부와 상부 케이싱 콘크리트 타설 시 추가되는 구체 자중이 일시적으로 작용되지 않도록 합성 보 하면 전체에 걸쳐 임시 지점을 설치하는 단계; (e) 강형에 복부 및 상부 케이싱 콘크리트를 타설 및 양생하는 단계; 및 (f) 제 2쉬스관을 이용해 강선을 설치하고 2차 긴장력을 가하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

먼저 (a),(b),(c)항을 통해; 합성 보에 발생되는 전단력 및 휨모멘트의 분포와 특성을 고려한 적정 강형 단면 형상 확보를 위한 기술적인 원리와 구체적인 해결 수단은 다음과 같다.

도 10의 (가)는 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 구성과 하중과 단면력 관계를 설명하기 위하여 I형상의 강형(a1, a2, a3)과 하부 케이싱 콘크리트(a4)로 구성된 합성 보 단면으로 도 10의 (나)와 같이 등분포 하중 W가 재하되는 단순보를 단순화하여 도시하였다.

이때 단순 거치된 보의 단면력 분포는 도 10의 (다)와 (라)와 같이 보의 중앙부에 최대 휨모멘트 Mmax가 발생되며 보의 단부 측에 최대 전단력 Smax가 발생하게 된다.

휨모멘트의 형상은 보의 중앙부에서 최대가 발생되며 보의 단부측은 0의 값으로 포물선 형태의 분포를 보이며 따라서 모멘트의 형상과 분포를 고려하는 경우 도 10의 (마)와 같이 효율성 측면에서 뛰어난 이상적인 부재 형상이 된다.

도 10의 (마)에 도시한 부재 형상의 특성을 보면 포물선 형상의 강형 복부(k2)와 강형 복부 상연을 따라 상부 플랜지(k1)로 모멘트의 분포 형상과 유사한 형상을 구비하게 되며 따라서 동일한 형고의 강형 형고와 비교하면 단부 측 강형 복부(2＇)와 강형 상부 플랜지(1＇)의 제거로 휨 강성 확보를 위해 이용되는 강재 사용량의 현격한 감소 효과를 기대할 수 있다.

도 10의 (마)에 도시한 강형 단면 형상은 휨모멘트의 분포에 따른 가장 효과적인 단면을 논리적이고 이상적인 형상으로 표현한 것이며 이러한 이상적인 단면 형상에 근사적이고 실용적인 강형 단면 형상을 도 10의 (바)에 도시하였다.

도 10의 (마)에서 도시한 바와 같이 강형 상부 플랜지(1), 강형 복부(2), 강형 하부 플랜지(3)으로 구성된 강형 형상은 비교적 큰 휨모멘트와 최대 휨모멘트가 발생되는 보의 중앙부에서 강형 형고 및 강재량을 충분하게 확보하여 휨 강성을 확보하고 단부 측으로 진행하면서 강형 상부 플랜지 제거 및 강형 복부 높이를 줄여 도 10의 (마)에 도시한 이상적인 강형 단면과 유사한 형상과 강성을 확보하게 된다.

종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 경우 상대적으로 휨모멘트가 적게 발생되는 단부 측의 상부 플랜지(a1)과 하부 플랜지(a3)는 강성 기여도가 낮으며 반면에 강형 복부(a2)의 전단에 대한 역할이 주요 단면성능 확보에 이용된다.

따라서 본 발명에 따른 단부 측 강형 상부 플랜지의 제거 및 강형 복부 높이의 조정은 휨 강성 확보에 효율적이며, 단부 측에 발생 되는 전단력은 단부 측 케이싱 콘크리트의 단면 확대와 철근 보강만으로 충분한 단면 성능 발휘가 가능하므로 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 강형 단면 적용에 대한 효율성이 크게 앞서고 있다는 사실을 알 수 있다.

본 발명에 따른 강,콘크리트합성 프리스트레스트 보의 경우 하부 케이싱 내부에 강선을 설치하고 강선의 긴장을 통해 프리스트레스를 도입하는 공정이 포함됨에 따라 도 2에 도시한 바와 같이 강선 긴장 시 부재에 발생되는 강선 긴장력의 수직 성분에 의한 전단력이 외력에 의한 단부 측 전단력을 상쇄하는 효과가 발생 되므로 단부 측 하부 케이싱 콘크리트를 이용한 전단 설계에 유리한 조건을 구비하게 된다.

따라서 종래의 강,콘크리트합성 프리스트레스트 보에서 보 단부 측의 상대적으로 미소한 모멘트와 전단력을 극복하기 위해 적용한 강형 단면을 제거 또는 축소하고 단부 측 단면을 철근 보강 콘크리트 단면으로 대체가 가능하며 또한 단부 측 콘크리트 단면에 과도한 전단 응력이 작용하지 않도록 중앙부 하부 케이싱 콘크리트 단면보다 단면 확대를 실시하고 합성 보의 단계 별 시공 중 합성 보의 일부 자중에 의한 단부 측 전단력을 분산시키기 위한 임시 지점 설치 공정을 포함하여 합성 보 단부 콘크리트 부재의 안정성을 충분하게 확보하였다.

도 2는 앞서 설명한 바와 같이 강선 긴장을 통해 프리스트레스를 도입하는 Post-Tension 방식의 프리스트레스트 보에 대한 단면력 특성을 하중 평형 개념을 도입하여 도시한 하중 개념도이다.

도 9의 (가)는 Post-Tension 방식의 프리스트레스트 보에 편심 e를 구비한 강선 배치와 일정 크기의 외력 W가 작용하는 지간 L의 단순보를 도시하였다.

도 9의 (나)는 외력에 저항하기 위해 적정 보의 내부에 배치된 강선을 적정 크기의 긴장력(P)을 가한 상태를 나타내고 있으며, 이때 강선 긴장에 의한 상향의 수직 하중(u)이 8Pe/L² 의 크기로 발생되고 보 중앙부에서 Mr의 부모멘트가 발생되며 보의 단부 측에서 Sr의 전단력이 발생된다.

도 9의 (다)는 외력에 의해 발생되는 휨모멘트의 분포와 최대휨모멘트(Ms)를, (라)는 외력에 의한 전단력의 분포와 최대 전단력(Ss)을, (마)는 강선 긴장에 대한 휨모멘트의 분포와 최대휨모멘트(Mr)를, (바)는 강선 긴장력에 대한 전단력의 분포와 최대 전단력(Sr)을 각각 도시하였다.

도 2에 도시한 바와 같이 보에 배치한 강선 긴장으로 외력에 의한 단면력에 대해 휨모멘트와 전단력이 효과적으로 상쇄되고 있으며 특히 전단력의 상쇄 효과는 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 제작 시 하부 케이싱 콘크리트에 배치한 강선 긴장과 단부 측 하부 케이싱 콘크리트의 단면 확대로 강형을 대체할 수 있는 기술적 원리를 제공하게 된다.

따라서 도 11의[합성보 제작 단계의 합성보 단부 전단강성 유효 단면적]의 (가)에 도시한 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 단부 측 강형의 전단 저항 단면은 (나)에 도시한 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 단부 측 콘크리트 단면으로의 대체가 안정적으로 가능하다는 사실을 보여주고 있다.

또한 도 11의 [합성보 제작 완료 단계의 합성보 단부 전단강성 유효 단면적]에 도시한 바와 같이 합성 보 제작 후 거치 단계의 각각의 전단 강성에 관여하는 유효 단면적을 상기와 같은 순서로 표현하였으며 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 단부 측 강형 복부의 적용 두께는 20mm 내외로 강재와 콘크리트의 탄성계수 비가 8.0 정도로 이므로 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 단부 측 복부 콘크리트의 두께가 160mm 정도만 확보되는 경우에 종래 공법에서 적용한 단부 측 강형을 대체하기에 충분한 강성 확보가 가능하다는 사실을 확인할 수 있다.

도 10의 (바)는 상기와 같은 기술적인 원리를 포함하는 단면 구성과 특성을 구비하고 있는데, 휨모멘트에 대한 적정 강성 확보를 위해 도 10의 (마)에서 제시한 강형 단면(1,2,3)의 형상과 전단력에 대한 적정 단면적을 확보하기 위해 합성 보 단부 측에 합성 보 중앙부의 하부 케이싱 단면(4)을 확대시킨 단부 측 하부 케이싱 단면(5)을 확보하는 기본적인 구체 형상을 구비하고 케이싱 내부에 단계 별 긴장을 위한 긴장재(6,7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단면을 구비하게 된다.

다음으로 상기 (d),(e),(f) 항을 통해; 종래 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 '해결하고자 하는 과제'에서 합성 보의 현장 거치 후 바닥판 콘크리트 및 복부 콘크리트 합성 시 중립축 이하의 복부 콘크리트에 발생되는 구조적인 인장 균 열에 따른 부재 휨 강성 손실에 대한 보완, 내구성 확보 및 하부 케이싱의 건조수축 및 크리프에 의한 압축 응력 손실의 보완이 가능하게 되며, 본 항에 따른 부재 효율성 향상을 위한 기술적인 원리와 구체적인 해결 수단은 다음과 같다.

본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 제작 공정에서 도 10의 (바) 단계를 거쳐 제작한 합성보를 이용하여 합성 보 전 구간에 걸쳐 보 하면에 임시 지점을 설치하고 합성 보의 복부 및 상부 케이싱 콘크리트 타설 및 양생 과정을 거친 합성 보의 단면 구성을 도 10의 (사)에 도시하였다.

도 11의 (사) 단계에서는 강형(1,2,3), 하부 케이싱 콘크리트(4,5), 복부 및 상부 케이싱 콘크리트(8)의 일체 구조물을 형성하며 2차 강선(7)을 최종 긴장하여 추가 스트레스 도입 및 1차 강선 긴장 후 하부 케이싱 콘크리트의 건조수축, 크리프 등에 의한 압축 응력 손실에 대한 추가 압축응력 도입 단계를 포함하고 있다.

도 10의 (사)에 도시한 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 단면 구성은 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 시 현장 거치 후 합성 보에 타설되는 복부 콘크리트와 바닥판 슬래브 콘크리트의 일부가 이미 포함되어 있고 따라서 도 10의 (사) 단계에서 이루어지는 2차 강선의 긴장 공정으로 복부 콘크리트의 압축응력 도입이 이루어짐에 따라 복부 콘크리트의 균열 제어가 가능해지므로 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 바닥판 합성 시 복부 콘크리트의 균열에 의해 야기되는 다양한 문제점의 해결이 가능하게 된다.

본 발명에 따른 합성 보 구조물의 제작방법은 강재의 효율적인 사용을 위해 부재 단면력의 상태에 따라 강재 형상 및 사용 범위를 조정하여 모멘트에 대한 강성확보가 필요한 구간에는 충분한 강재를 적용하여 합성 단면을 형성하며 반면에 상대적으로 모멘트의 영향이 적고 전단력이 크게 발생되는 보의 단부 측은 강재 사용을 제한하고 콘크리트의 단면적을 확보하는 단면 특성을 포함하고 있다.

따라서 본 발명에 따른 합성 보 제작 과정에서 강형과 하부케이싱 콘크리트의 합성 단계는 강형의 효율적인 적용이 이루어지고 있으며, 보의 단부 측은 콘크리트의 단면적을 확보를 통해 전단에 대한 강성이 확보된 상태이므로 복부와 상부 케이싱 콘크리트 타설 시 추가되는 구체 자중에 대한 단부 측의 전단력에 대한 안정성 확보를 위해 하부케이싱과 복부와 상부 케이싱으로 구성되는 유효한 전단 저항 단면적 확보가 되는 시점 전까지 일시적인 구체 자중에 대한 영향이 발생되지 않도록 보 내부에 임시 지점을 설치하는 공정을 포함하고 있다.

또한 강형과 하부 케이싱 콘크리트의 합성체의 강성이 확보된 상태에서 추가 하중에 의한 부재 응력은 충분한 강성 확보가 이루어지기 전에 이루어지므로 응력구배가 크고 부재의 탄성변위가 과다하게 발생하는 문제가 있으나 보 내부의 임시 지점을 설치하는 공정으로 복부와 상부 케이싱 콘크리트의 자중에 의한 하중이 복부와 상부 케이싱 콘크리트의 양생 후 강성이 확보된 상태에서 이루어지도록 제어 공정을 포함하고 있다.

복부 및 상부 케이싱 콘크리트 타설 시 발생되는 자중의 재하 시점을 인위적으로 제어함에 따라 합성 보 제작과 가설 시 과다한 하중에 의한 모멘트 및 전단력에 의한 일시적인 제한 요소를 조정하여 부재에 발생되는 응력을 분산시킬 수 있 으며, 따라서 장지간의 구조물 가설 계획이 가능하게 된다.

따라서 본 발명에 따른 합성 보 제작 과정에서 적정한 휨 강성을 확보하기 위해 합성 보 단부 측의 강형 상부 플랜지의 제거와 강형 복부의 변단면 구성으로 강재 사용량을 현격하게 줄여 효율적인 단면 구성이 가능하며 또한 강재 사용을 절재하여 최소한의 강재를 적용했음에도 불구하고 합성 보 단부 측 단면에서도 부재 단면력에 대해 충분히 안정적인 구조물 형상을 구비하게 되며 경제적이고 부재 이용 효율이 높여 경쟁력을 크게 확보할 수 있는 기술적인 원리가 제공된다.

또한, 종래의 강, 콘크리트 프리스트레스트 합성 보에서는 극복하지 못한 복부 콘크리트 균열 문제를 강,콘크리트 전단면에 걸친 프리스트레스 도입으로 해결하여 그 결과 바닥판 합성 단면에서 유효한 강성 확보가 유리하고 공용 중 구조물의 내구성 확보로 구조물의 품질 확보와 유지보수에 대한 부담을 줄일 수 있으며, 또한 하부 케이싱 콘크리트의 건조수축 및 크리프에 의한 손실을 보완하여 하부 케이싱 콘크리트에 충분한 압축응력 도입이 가능한 기술적 원리가 제공된다.

본 발명에 따르면, 강재와 콘크리트의 합성과 단면력에 따른 부재 단면 조정 등을 구비한 합성체 구성 및 프리스트레스의 도입으로 강재 사용량을 최소로 하는 낮은 형고의 장경간 합성보 제작이 가능한 기술적인 원리를 제공하고 있다.

본 발명에 따른 합성보 제작 과정은 도 10의 공정도를 통해 기술적 원리 및 제작 공정을 설명하고 있다.

도 10을 통해 본 발명에 따른 공법을 상세하게 기술하면 다음과 같다.

도 10의 (가)는 도 10의 (바)에 따른 원리를 적용하였으며, 합성 보 부재에 발생되는 모멘트의 특성을 고려하여 강형의 형상을 도면과 같이 사다리꼴 형태로 구성되며, 모멘트가 가장 크고 지배적으로 발생되는 보 중앙부는 강형의 상부 플랜지의 폭과 두께(단면 A-A)를 충분하게 확보하고 소정의 형고를 확보하며 보의 중앙에서 단부 측 방향으로 강재 상부 플랜지의 폭과 두께(단면 B-B)를 줄여 적정 강성이 확보되도록 강형의 단면 형상을 조정하게 된다.

또한, 단면 C-C와 같이 보의 모멘트가 적게 발생되는 단부 측 강형은 하부케이싱 콘크리트와 합성시키기 위한 최소의 강형 하부 플랜지 형상과 강형 복부로 구성되며 이와 같은 단면 구성으로 강재의 사용량과 적용 위치를 조정하여 보 중앙부 모멘트에 대한 필요한 강성 확보하면서도 소요 강재량을 줄일 수 있도록 하였다.

도 10의 (가)와 같이 제작된 강형을 적용하여 도 10의 (나)와 같이 강형 하부플랜지와 하부 케이싱 콘크리트의 타설 및 양생과정을 거치는데 이때, 강형과 하부 케이싱 콘크리트의 자중에 의한 전단력에 대한 안정성 확보를 위해 합성 보 단부의 케이싱 콘크리트 단면을 확대하여 충분한 유효 단면적 확보가 가능하도록 부재 형상(단면 G-G, 단면 H-H)을 조정하게 된다.

도 10의 (나) 단계는 케이싱 콘크리트 타설 시 부재 단면력이 발생되지 않도록 보 하부의 전 구간에 걸쳐 임시 지점을 설치하여 하부 케이싱 콘크리트가 양생되는 기간 동안 유지하게 되며 케이싱 내부에 제1강선과 제2강선을 설치하기 위한 쉬스관을 구비하게 된다.

도 10의 (나) 단계에서 강형과 케이싱 콘크리트의 양생으로 일체 구조물을 형성하고 케이싱 내부에 설치된 긴장재 긴장으로 인장부의 케이싱 콘크리트에 압축응력을 도입함으로써 강,콘크리트 합성체를 형성되는데 도 10의 (다)는 이와 같이 합성보가 형성되어 단순 거치된 상태를 보여주고 있다.

도 10의 (다)는 합성 보 구체 자중에 의한 모멘트와 전단력이 발생되는데 모멘트에 의한 케이싱 콘크리트에 발생되는 인장응력은 1차 강선의 긴장력 조정으로 충분한 압축응력 도입과 케이싱 콘크리트에 여분의 압축응력까지 도입한 상태이며 합성 보 단부에 발생되는 전단력은 도 10의 (나)에서 설명한 바와 같이 합성 보 구체 자중에 의한 전단력에 대해 유효 단면적 확보를 위한 합성 보 단부 케이싱 콘크리트의 단면 확대 및 철근 보강으로 충분한 안정성 확보가 된 상태를 보여주고 있다.

도 10의 (라)는 도 10의(다) 단계를 거쳐 합성 보를 형성한 상태에서 복부와 상부 케이싱 콘크리트 타설 및 양생 과정을 보여주고 있으며 이때, (다)단계를 거쳐 완성된 합성 보에 복부와 상부 케이싱 콘크리트의 자중에 의한 영향이 가해지지 않도록 합성 보 하면 전 구간에 임시 지점을 설치하고 있으며 이는 복부 및 상부 케이싱 콘크리트가 양생되어 소정의 강도가 확보되고 하부 케이싱 및 복부 콘크리트 내부에 설치한 제2 강선의 긴장 단계까지 유지하게 된다.

도 10의 (마) 단계는 도 10의 (라)단계에서 복부와 상부 케이싱 콘크리트가 충분히 양생되어 강도가 발현되는 시점에서 2차 강선을 긴장하여 추가 압축력을 도입하고 합성 보를 단순 거치하는 단계로 이때, 보의 강성은 복부와 케이싱 콘크리트와 (다)단계를 거친 합성 보가 합성된 상태이므로 합성 보 제작 시 계획 된 모멘 트에 대한 강성과 전단력에 소요되는 강성이 충분하게 확보된 상태를 보여주고 있으며 (마) 단계를 거쳐 제작된 합성 보를 현장에 거치하고 도 10의 (바)와 같이 바닥판 슬래브 및 포장 공정을 거쳐 최종의 교량 구조물이 완성되는 공정을 구비하게 된다.

또한 도 10의 (마) 단계에서 2차 강선의 긴장은 (라) 단계까지 공정이 진행되는 동안 하부 케이싱 콘크리트의 건조수축 및 크리프에 의해 압축응력 손실이 발생된 상태이므로 응력 손실을 고려하여 충분한 긴장력 도입이 가능하며 따라서 합성 보 거치 후 추가되는 합성 후 하중, 공용하중 및 추가 손실 응력에 대비한 충분한 압축응력 도입이 가능하게 되며, 또한 복부 콘크리트의 압축 응력 도입이 가능하므로 합성보의 강성 증가 및 복부 콘크리트 균열 제어로 구조물 내구성을 확보가 가능하게 된다.

본 발명에 따르면 보를 구성하는 단면의 일부 구간을 모멘트와 전단력의 분포 특성을 고려하여 시공 단계에 따라 분리하여 구체형성을 하고, 단면 형상에 따라 프리스트레스 도입 시점을 조정하며, 보 내부에 지점을 설치하여 보의 자중에 의한 단면력을 적절하게 분산하여 종래의 기술로는 가능하지 않은 강재 사용량을 줄이고 낮은 형고와 장지간의 합성 보 제작이 가능하도록 그 기술적인 원리를 제공하게 된다.

도 9는 도 10을 통해 설명한 본 발명에 따른 단계 별 주요 공정에 대해 구체 형상과 단면 상태를 구체적으로 설명하기 위한 합성 보 제작 공정도이며 도 10의 제작 공정을 보다 구체화하여 본 발명에 따른 합성 보 제작 과정을 도시하였다.

먼저 도 9의 (가) 단계는 도 10의 (가) 단계와 같은 단계로 강형의 제작 단계를 도시하였으며 이때, 강형의 형상은 합성 보에 발생되는 모멘트와 전단력의 특성을 고려하여 제작하게 되는데 휨모멘트에 의한 단면 강성 확보가 요구되는 구간을 구분하여 강재 단면을 결정하게 된다.

따라서 최대 모멘트가 발생되는 합성 보 중앙부에는 도 9의 단면 A-A와 같이 단면 B-B, 단면 C-C와 비교하여 상대적으로 강성 확보에 유리한 단면 형상을 구비하게 된다.

단면 A-A의 강형 상부 플랜지(1)와 복부(2)는 단면 B-B, 단면 C-C의 상부 플랜지(1)와 복부(2)와 비교하여 상대적으로 폭과 두께와 높이를 크게 확보하여 적정 강성확보에 유리하도록 조정을 하게 된다.

도 9의 (나) 단계는 도 10의 (가) 단계에서 제작된 강형을 이용하여 하부 케이싱 콘크리트(4,5)의 타설 및 양생과정을 통해 구체의 합성 단계로 정모멘트 발생 시 인장응력이 발생되는 강형 하부 플랜지(3)를 콘크리트(4)로 감싸는 형태로 계획하게 된다

이때, 하부 케이싱 콘크리트(4) 타설 시 강형과 하부 케이싱 콘크리트의 구체 자중에 의한 단면력이 발생되지 않도록 보 내부에 임시 지점(10)을 설치하며 하부 케이싱 콘크리트가 충분하게 양생되어 강재와 일체로 작용되는 시점까지 임시지점을 유지하게 된다.

하부 케이싱 콘크리트의 단면 형상은 합성 보의 모멘트와 전단력의 분포 상 태를 고려하여 중앙부 하부 케이싱(4)과 단부 케이싱(5)으로 구분하게 되는데, 이는 합성 보 중앙부 하부 케이싱 콘크리트는 강형, 복부 콘크리트, 상부케이싱 콘크리트의 합성 시 적정 강성 확보 및 자중에 의한 단면력 발생을 줄이기 위해 단부 케이싱 콘크리트(5)에 비해 케이싱 높이가 상대적으로 적게 계획을 하게 되며 반면에 강재 적용을 최소화한 단부 측 하부 케이싱 콘크리트(5)는 합성 보 제작 과정에서 상부케이싱과 복부 콘크리트(8)가 합성되기 전 합성 보 구체 자중에 의해 발생되는 전단력에 대한 안정성 확보를 위해 상대적으로 자중에 의한 휨모멘트 증가에 미치는 영향이 적은 단부 측 하부 케이싱 콘크리트의 단면을 확대하는 형상을 구비하게 된다.

일반적으로 강,콘크리트 합성 보의 경우, 합성 보 단부에 발생되는 전단력은콘크리트와 합성되는 강형의 복부를 이용해 안정성을 확보하게 되는데, 본 발명에 따른 합성 보 구성에서는 휨모멘트의 분포에 따라 사용 강재량을 결정하며 전단력에 대한 부담은 합성 보 단부 콘크리트가 부담하도록 유도하는 원리로 강재 사용량을 줄이고 있다.

이는 종래의 강,콘크리트 합성 보와 본 발명에 따른 전단력에 대한 구조적인 차이가 있으며, 본 발명에 따른 전단력의 거동과 합성 보 단부의 강재 절감의 원리를 도 2를 통해 기술하였다.

도 2는 프리스트레스트 합성 보의 하중평형 개념을 중심으로 한 구조적인 거동을 도시하였으며, 구조적인 특성을 설명하기 위해 지간 L을 가지고 일정한 등분포 하중(W)이 가해지는 단순 프리스트레스트 합성 보를 간략하게 가정하였다.

도 2의 (가)는 지간 L의 단순보에 구체 자중 W가 작용하고 편심e를 확보한 단순 프리스트레스트 보의 가정 단면을 도시하였다.

도 2의 (나)는 도 2의 (나)에서 제시한 구조계에서 보 내부에 설치된 강선을 P의 하중으로 긴장하는 단계이며, 도 2의 (다)는 구체에 작용되는 하중(W)에 의해 발생되는 휨모멘트를 도시한 휨모멘트도이며, 도 2의 (라)는 구체에 작용되는 하중(W)에 의해 발생되는 전단력을 도시한 전단력도이며, 도 2의 (마)는 보 내부에 설치된 강선을 P의 하중으로 긴장 시 발생되는 휨모멘트를 도시한 휨모멘트도이며, 도 2의 (바)는 보 내부에 설치된 강선을 P의 하중으로 긴장 시 발생되는 전단력을 도시한 전단력도이다.

이때, 보 내부에 설치된 강선을 P의 하중으로 긴장 시 상향의 수직 분력이 발생되고 그 크기(u)는 8Pe/L² 으로 작용하게 되며 수직 분력에 의한 보의 전단력은 도 2의 (바)와 같이 보의 자중에 의해 발생되는 전단력과 반대 방향의 하중이 발생되며, 따라서 강선 긴장에 의해 발생되는 상향의 수직 분력에 의해 보 단부의 전단력의 크기는 강선 긴장력과 편심의 크기에 따라 상쇄되고 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 합성 보 제작 시 합성 보 케이싱과 복부에 설치한 강선의 긴장으로 도 2에서 도시한 바와 같이 전단력에 대한 하중의 상쇄 원리는 합성 보 단부의 강재 사용을 배제하고 콘크리트 단면 확대만으로 가능한 기술적 원리를 제공하게 된다.

도 9의 (다) 단계는 강형과 하부케이싱 콘크리트가 일체화 된 후 1차 강선(6) 긴장(P1)으로 강,콘크리트 합성체 형성 및 스트레스 도입 단계이며 이때, 합성보는 단순 거치된 상태이며 강형과 하부케이싱 콘크리트의 구체 자중에 의한 하중이 작용되고 1차 강선의 긴장력이 작용되는 단계로 하부 케이싱 콘크리트에 압축응력이 도입되어 강재와 콘크리트의 합성이 이루어지게 된다.

도 9의 (라) 단계는 도 9의 (다) 단계를 거쳐 합성 보가 형성된 상태에서 합성 보 하부에 전 지간에 걸쳐 지점을 설치하고 복부 및 상부 케이싱 콘크리트(8) 타설 단계이며 복부 및 상부 케이싱 콘크리트의 자중에 의한 하중은 합성 보 하부에 설치한 지점에 의해 합성 보의 단면력으로 발생되지 않으며 복부 및 상부 케이싱 콘크리트의 구체 자중은 강형, 하부 케이싱 콘크리트, 복부 및 상부 케이싱 콘크리트의 합성으로 단면 강성이 충분하게 확보된 시점에서 작용하게 되는데, 이는 복부 및 상부 케이싱 콘크리트 양생 후 2차 강선 긴장 시점에서 이루어지게 된다.

도 9의 (라) 단계에서 전 지간에 걸친 임시 지점 설치의 목적은 강형과 콘크리트 합성 보 단면에서 복부 및 상부 케이싱 콘크리트의 자중에 의한 하중이 작용되는 경우 (다)단계에서 보 단부의 콘크리트 단면에 무리한 전단응력의 발생을 방지하고 합성 보의 강성이 충분히 확보 된 상태에서 복부 및 상부 케이싱 콘크리트의 구체 자중에 의한 하중이 작용되도록 유도하여 하부 케이싱 콘크리트에 발생 되는 인장응력의 응력 구배를 낮추기 위해 의도적으로 하중 작용 시점을 조정하기 위 함이며 이는 동일한 하중에 대해 부재 일부에 집중적인 응력이 발생되는 현상을 배제하고 보다 낮은 응력이 전 단면에 걸쳐 효과적으로 작용되는 효과를 유도하며 본 발명에 따른 기술적인 원리를 제공하게 된다.

도 9의 (마) 단계는 도 9의 (라) 단계에서 설명한 바와 같이 강형, 하부 케이싱 콘크리트, 복부 및 상부 케이싱 콘크리트의 합성 후 2차 강선 긴장으로 합성보가 완성되는 시점으로 도 9의 (마) 단계에서 설치되었던 임시 지점이 제거되고 합성 보가 단순 거치되는 단계이다.

종래의 프리스트레스트 합성 빔 제작 시 최종 단계에서 상부 플랜지 콘크리트의 압축응력이 과다하여 빔의 형고와 지간 계획에 문제가 되는 경우가 발생 되는데, 본 발명에 따른 합성 보 제작에서는 상부 케이싱 콘크리트의 압축응력 발생 시점을 복부 및 상부 케이싱 콘크리트 자중이 재하 되는 시점(도 9의 (마) 단계)부터 이루어지게 되므로 상부 케이싱 콘크리트의 과도한 압축응력 발생에 대한 문제도 하중 재하 시점 조정을 통한 해결이 가능한 기술적 원리가 제공된다.

도 9의 (바) 단계는 도 9의 (마) 단계를 거쳐 완성된 합성 보의 현장 거치 후 바닥판 콘크리트(11) 타설, 양생 및 포장재(12) 포설로 교량 구조물을 완성하는 단계이다.

본 발명은 위의 도 10과 도 9의 합성 보 제작 공정을 통해 상세하게 기술 바 와 같이 재료적 특성이 상이한 강재와 콘크리트를 이용하여 합성체를 형성하고 프리스트레스를 도입하여 재료적인 장점을 활용한 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 제작 방법 및 이를 이용한 교량 시공 밥법으로 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 제작 방법으로는 극복하기 어려운 합성 보의 구조적인 특성을 고려한 고효율의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성체 제작 원리 및 이를 이용한 구조물의 시공의 기술적인 원리를 제공하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 제작 원리를 제공하는 하중 및 단면력의 상관관계를 도시하고 합성 보 구조물에서 모멘트와 전단력에 따른 강형 부재와 콘크리트 부재의 효과적인 적용 원리를 도시한 하중 개념도.

도 2는 Post-Tension 방식의 프리스트레스트 보의 하중과 프리스트레스력의 상관 관계를 도시하기 위해 하중평형 개념으로 도시한 하중 개념도로 일반적인 보과 비교하여 프리스트레스트 보의 모멘트와 특히 단부 측 전단력에 대한 구조적인 특성을 설명하기 위해 도시한 하중 개념도.

도 3은 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보와 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 시공 단계에 따라 휨모멘트가 지배적으로 작용되는 구간의 유효 휨 강성과 전단력이 지배적으로 작용되는 구간의 전단력에 대한 유효 단면적을 도시한 단면도.

도 4는 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 대표적인 공법으로 프리플렉스 합성 보(Preflex Composite Beam)공법의 보 제작 과정을 도시한 공정도.

도 5는 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 일종인 강선을 구비한 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 공법의 보 제작 과정을 도시한 공정도.

도 6은 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보와 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 시공 단계에 따른 휨 강성 기여 부재를 비교하기 위해 도시한 단면도.

도 7은 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보와 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 빔 거치 시 휨 강성 기여 부재와 단면 특성을 비교하기 위해 도시한 단면도.

도 8은 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보와 본 발명에 따른 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보의 빔 거치 후 바닥판 콘크리트 합성 후 휨 강성 기여 부재와 단면 특성을 비교하기 위해 도시한 단면도.

도 9는 본 발명에 따른 프리스트레스트 합성 보 제작 단계 및 합성 보를 이용한 교량 구조물 가설 단계를 도시한 공정도.

도 10은 도 9와 같이 본 발명에 따른 프리스트레스트합성 보 제작 단계 및 합성 보를 이용한 교량 구조물 가설 단계를 측면도와 단면도를 이용해 도시한 공정도 이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

1 : 본 발명에 따른 합성 보 제작 시 단면 형상을 구비한 강형의 상부 플랜지.

2 : 본 발명에 따른 합성 보 제작 시 단면 형상을 구비한 강형의 복부.

3 : 본 발명에 따른 합성 보 제작 시 단면 형상을 구비한 강형의 하부 플랜지.

4 : 본 발명에 따른 합성 보 제작 시 모멘트가 지배적으로 발생되는 강형 하부 플랜지에 설치되는 하부 케이싱 콘크리트.

5 : 본 발명에 따른 합성 보 제작 시 전단력이 지배적으로 발생되는 강형 하부 플랜지에 설치되며 단면 확대가 이루어지는 하부 케이싱 콘크리트.

6 : 본 발명에 따른 합성 보 제작 시 케이싱 내부에 설치되는 1차 강선 및 쉬스관.

6＇: 본 발명에 따른 합성 보 제작 시 케이싱 내부에 설치되는 1차 강선의 정착구.

7 : 본 발명에 따른 합성 보 제작 시 케이싱 내부 및 복부에 설치되는 2차 강선 및 쉬스관.

7＇: 본 발명에 따른 합성 보 제작 시 케이싱 내부 및 복부에 설치되는 2차 강선 정착구.

7＂: 본 발명에 따른 합성 보 제작 시 케이싱 내부 및 복부에 설치되는 2차 강선 및 쉬스관의 하부 케이싱 콘크리트에서 복부로 연결되는 경계부.

8 : 본 발명에 따른 합성 보 제작 시 강형과 하부 케이싱의 합성 후 추가 타설되는 상부 케이싱 콘크리트 및 복부 콘크리트.

9 : 본 발명에 따른 합성 보 제작 및 이를 이용한 교량 구조물 시공 시 구조물 단부에 설치되는 받침.

10 : 본 발명에 따른 합성 보 제작 시 강형과 하부 케이싱 콘크리트 합성 후 상부 케이싱 콘크리트와 복부 콘크리트가 타설되는 시점에서 합성 보 단부의 시공 단계 중 단부 하부 케이싱 콘크리트의 전단력에 대한 안정성 확보를 위해 합성보 전 구간에 걸쳐 설치되는 임시 받침.

11 : 본 발명에 따른 합성 보의 현장 거치 후 타설되는 바닥판 슬래브 콘크리트.

12 : 본 발명에 따른 합성 보의 거치 및 바닥판 타설, 양생 후 바닥판 슬래브 상단에 포설되는 포장층.

a1 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(프리플렉스 합성 보) 제작 시 강형 상부 플랜지.

a2 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(프리플렉스 합성 보) 제작 시 강형 복부.

a3 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(프리플렉스 합성 보) 제작 시 강형 하부 플랜지.

a4 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(프리플렉스 합성 보) 제작 시 하부 케이싱 콘크리트.

a5 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(프리플렉스 합성 보) 제작 시 Pf 하중 재하 후 하중 유지를 위한 지점.

a6 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(프리플렉스 합성 보) 제작 시 보의 단부 지점.

a7 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(프리플렉스 합성 보) 제작 후 타설되는 바닥판 슬래브 및 복부 콘크리트.

b1 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(긴장재 적용 합성 보) 제작 시 강형 상부 플랜지.

b2 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(긴장재 적용 합성 보) 제작 시 강형 복부.

b3 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(긴장재 적용 합성 보) 제작 시 강형 하부 플랜지.

b4 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(긴장재 적용 합성 보) 제작 시 하부 케이싱 콘크리트.

b5 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(긴장재 적용 합성 보) 제작 시 하부 케이싱에 설치한 긴장재.

b6 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(긴장재 적용 합성 보) 제작 시 보의 단부 지점.

b7 : 종래의 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보(긴장재 적용 합성 보) 제작 후 타설되는 바닥판 슬래브 및 복부 콘크리트.

W : 보에 작용시킨 외력.

L : 외력과 단면력 등의 비교 대상으로 하는 보 의 지간 장.

L1 : 휨모멘트와 전단력의 적용 범위를 보의 지간장 L을 기준으로 임의적으로 결정하기 위한 단부 측 거리.

L2 : 휨모멘트와 전단력의 적용 범위를 보의 지간장 L을 기준으로 임의적으로 결정하기 위한 단부 측 거리를 제외한 보 중앙부 거리.

Mmax : 단순보에서 W의 외력에 의해 보에 발생되는 최대 휨모멘트.

M_B, M_C : 휨모멘트와 전단력의 적용 범위를 결정하기 위해 단부측 임의점에 발생되는 부재 휨모멘트.

Smax : 단순보에서 W의 외력에 의해 보에 발생되는 최대 전단력.

S_B, S_C : 휨모멘트와 전단력의 적용 범위를 결정하기 위해 단부측 임의점에 발생되는 부재 전단력.

k1 : 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 시 휨모멘트의 크기와 형상에 따라 이상적으로 배치한 강형 상부 플랜지.

k2 : 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 시 휨모멘트의 크기와 형상에 따라 이상적으로 배치한 강형 복부.

k3 : 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 보 제작 시 휨모멘트의 크기와 형상에 따라 이상적으로 배치한 강형 하부 플랜지.

Claims (2)

1. 프리스트레스트 합성 보(prestressed composite beam) 구조체 생산 방법으로서, 이를 이용한 구조물 시공방법으로서,

   (a) 휨 모멘트의 특성을 고려하여 보의 휨모멘트 크기와 분포에 따라 I 형상의 강재 단면 높이와 형상을 조정하며 전단력이 지배적으로 작용하는 보의 단부 측에서 강형의 상부 플랜지의 일부 또는 전부를 제거하고 강형 복부 높이를 단부 측방향으로 일정 높이까지 줄이는 형상으로 강형을 제작하는 단계;

   (b) 상기 강형의 하부 플랜지를 감싸는 형태의 하부 케이싱 콘크리트를 전단력의 크기와 분포를 고려하여 보의 지점을 기준으로 일정 구간 하부 케이싱 단면을 확대하여 계획하고 케이싱 내부에 강선 배치가 가능하도록 1차, 2차에 해당하는 쉬스관을 구비하여 강형과 하부 케이싱 콘크리트 타설 및 양생 단계;

   (c) 하부 케이싱 콘크리트가 양생되어 일체화 된 후 케이싱 내부에 구비된 1차 쉬스관을 이용해 강선 설치 및 긴장으로 프리스트레스 도입 및 강형과 하부 케이싱 콘크리트의 합성시키는 단계;

   (d) 상기 강,콘크리트 프리스트레스트 합성 체의 하부에 보 전구간에 걸친 임시지점의 설치 후 복부와 상부 케이싱 콘크리트의 타설 및 양생 단계; 및

   (e) 하부 케이싱과 복부에 구비된 2차 쉬스관을 이용해 강선 설치 및 긴장으로 2차 프리스트레스 도입 및 합성 구조체를 제작함을 특징으로 하는 단위 거더 구조를 이용한 프리스트레스트 합성보 구조체의 시공 방법.
2. 청구항 1에 의한 방법으로 제작된 전단력과 휨모멘트의 특성을 이용한 단위 거더 구조

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