KR100396715B1 - 단계적 프리스트레싱을 이용한 프리스트레스트 합성보 및그 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프리스트레스트 합성보 제작시 필연적으로 일어나는 콘크리트의 크리프 및 건조수축등에 의하여 자연 손실되는 하부케이싱 콘크리트의 압축응력 손실을 보완하기 위한 발명으로, 하부케이싱 콘크리트에 압축응력을 도입하기 위하여 강재의 프리플렉션 작업시 콘크리트의 허용압축응력과 초기 크리프 및 건조수축등에 의하여 자연 손실되는 손실양에 해당하는 압축응력을 합한 만큼을 프리플렉션량으로 설정하여 하부케이싱 콘크리트를 타설·양생한 후 하부 플랜지에 타설되는 하부케이싱 콘크리트에 하부케이싱 콘크리트의 허용압축응력 만큼만 1차 프리스트레싱시에 도입하고, 초기 크리프 및 건조수축으로 인해 자연 손실되는 압축응력은 I형 강재의 상부 플랜지에 설치된 지지대에 긴장재를 긴장하여 정착시켜 놓고 크리프 및 건조수축등에 의하여 자연 손실되는 압축응력의 손실이 일어난 일정기간이 경과한 후에 I형 강재의 상부플랜지에 설치된 긴장재를 제거하므로서 자연 손실되는 압축응력에 해당하는 2차 프리스트레싱을 간단히 도입하여 당초에 계획된 하부케이싱 콘크리트의 허용압축응력이 유지될 수 있도록 자연 손실분에 해당하는 압축응력을 보상하는 것이다.

Description

단계적 프리스트레싱을 이용한 프리스트레스트 합성보 및 그 제작방법 {The method of prestressed composite beam made by using incrementally prestressing}

본 발명은 단계적으로 프리스트레싱을 도입하므로서 하부케이싱 콘크리트에 서 발생되는 자연 손실 압축응력을 도입할 수 있는 단계적 프리스트레싱을 이용한 프리스트레스트 합성보 및 그 제작방법에 관한 것이다.

종래의 프리스트레스트 합성보는 I형 강재 제작시 발생되는 용접잔류응력, 콘크리트의 크리프 및 건조수축으로 도 1의 하부케이싱 콘크리트(10)에 도입된 압축응력이 감소되어 종종 인장상태에 놓여지므로 균열이 발생된다. 따라서 이 균열을 막기 위하여 확대된 강재단면을 취할 수밖에 없어 비용이 많이 드는 단점이 있다. 이러한 경우 하부케이싱 콘크리트(10)의 압축응력 감소를 보완하는 방법으로 도 2와 같이 가지점(4)을 이용하여 현장 시공된 합성보의 하부케이싱 콘크리트(10)에 추가 압축응력을 도입하기도 하나 이 방법은 가지점(4)을 설치할 때 추가비용이 소요되고, 가지점(4) 설치로 인하여 교량의 하부공간의 이용에 제약을 받게 된다.

종래의 프리스트레스트 합성보는 도 1(a)에서와 같이 강재 I형 강재를 중앙이 솟도록 제작한 후 도 1(b)에서와 같이 하향으로 강재의 탄성범위 내에서 휘어지도록 하중 P, P를 가한 상태에서 도 1(c)에서와 같이 강재의 하부플랜지를 감싸는 하부케이싱 콘크리트(10)를 타설·양생한 후 도 1(d)와 같이 상부의 하중 P를 제거하면 I형 강재의 복원력으로 하부케이싱 콘크리트(10)에 압축력이 도입되는 교량형식이다. 본 압축응력은 사하중 및 활하중에 의한 인장응력을 감소시키도록 한 것이나 이러한 제작공법은 하부케이싱 콘크리트(10)를 타설·양생하여 압축응력을 도입하는 과정에서 콘크리트의 크리프 및 건조수축등에 의하여 자연적으로 압축응력이 감소하게 된다.

이렇게 자연적으로 감소되는 압축응력을 보완하기 위하여 종래의 프리스트레스트 합성보는 강재단면을 확대하거나 또는 도 2에서와 같이 도 1과 같은 공정으로 제작한 프리스트레스트 합성보(1)를 도 2(a)와 같이 지점을 설치하여 상승시킨 후 도2 (b)와 같이 상부 바닥판(2) 및 복부(3)에 콘크리트를 타설한 후에 가지점(4)을 설치하고 양생한 후, 도 2(c)와 같이 가지점(4)을 제거하면 확대된 저항단면으로 하부케이싱 콘크리트(10)에 추가로 압축응력을 도입하기도 한다. 그러나 이 방법은 합성보의 가설 현장에서 가지점(4)을 설치하는 추가비용이 소요되며 가지점의 설치로 인해 하부공간의 이용이 방해되어 교량에 적용할 시는 교량의 하부공간의 교통흐름을 방해하고, 하천에 이용할 시는 유수의 흐름을 방해하며, 건축물에 적용할 경우 가지점(4) 설치로 인하여 병행작업이 방해를 받게되어 공정을 지체시키는 원인이 된다.

예를 들면 교량공사에 적용할 경우 교량하부 공간의 교통흐름을 방해하고, 하천의 경우에는 유수의 흐름을 방해하며, 건축물에 적용할 경우는 가지점(4)의 설치 및 상승설비로 인하여 병행작업이 방해를 받게 되며 이로 인하여 공사기간 및 공사비가 추가로 소요되게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하는 발명으로서 종래의 프리스트레스트 합성보보다 경제적인 강재단면을 가지며, 시공 현장에서 가지점(4)의 설치 운용에 따른 불편함을 제거하여 경제적이고 시공이 간편한 단계적 프리스트레싱을 이용한 프리스트레스트 합성보 및 그 제작방법을 제안하고자 한다.

본 발명은 기존의 프리스트레스트 합성보 제작시 하부케이싱 콘크리트에 크리프 및 건조수축등에 의하여 자연 손실되는 압축응력량 만큼을 보상하기 위하여 단계적으로 프리스트레싱을 주어 당초에 의도했던 설계 허용압축응력을 유지할 수 있게 단계적으로 프리스트레싱을 이용한 프리스트레스트 합성보 및 그 제작방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 하부케이싱 콘크리트에 허용압축응력이 자연 손실되는 압축응력으로 인하여 설계 허용압축응력 이하가 되므로서 하부케이싱 콘크리트에 인장응력이 발생되지 않도록 추가로 압축력을 하부케이싱 콘크리트에 도입하기 위한 발명으로서 이로 인하여 경제적인 단면 시공이 가능하고, 종래의 가지점(4)을 설치하는 공정을 피할 수 있게 하여 시공의 간편성을 도모함과 동시에 종래 강재단면의 확대에 따른 경제적 손실을 개선함에 그 목적이 있다.

제1도는 종래의 프리스트레스트 합성보 제작공정도

제2도는 종래의 가지점을 이용한 프리스트레스트 합성보 제작공정도

제3도는 본 발명에 의한 단계적 프리스트레싱을 이용한 프리스트레스트 합성보 제작공정도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1...프리스트레스트 합성보 2...상부바닥판

3...복부 콘크리트 4...가지점

10 ...하부케이싱 콘크리트 11...지지대

20 ...하부플랜지 30 ...상부플랜지 40 ...긴장재

본 발명은 상향 솟음량을 갖는 I형 강재에 강재의 허용응력까지 최대하중 P1, P1'를 가하고, I형 강재의 하부 플랜지에 하부케이싱 콘크리트를 타설, 양생하고, 상부플랜지에 긴장재를 설치, 긴장하면서 상기 P1, P1'를 서서히 제거한 후에 긴장재를 지지대에 정착하여 하부케이싱 콘크리트에 1차 프리스트레싱을 도입하고, 상부플랜지에 설치된 긴장재를 제거하여 2차 프리스트레싱을 가해 추가 압축응력을 도입한 것을 특징으로 하는 단계적 프리스트레싱을 이용한 프리스트레스트 합성보이다. 상부 플랜지에 설치되는 긴장재로서는 강봉 또는 강선을 현장 상황에 따라 선택적으로 사용할 수 있다. 또한, 2차 프리스트레싱의 시기로서는 크리프 및 건조수축등의 자연적인 영향에 의해 손실되는 압축응력의 손실이 1차적으로 종료되는 시점인 콘크리트 타설 후 약 1개월 후가 바람직하다. 그러나 이러한 시기도 현장 여건등에 따라 단축 또는 연장할 수도 있다. 이때에 2차 프리스트레싱의 도입량은 1차 프리스트레싱에 의한 하부 플랜지 콘크리트의 허용압축응력의 15 ~ 20% 정도를 도입하는 것이 바람직하다. 그 도입량으로서는 약 35 ~45㎏/㎠을 도입한다. 보다 바람직하게는 40㎏/㎠를 도입하는 것이 좋다. 상기한 바와 같은 방법에 의해 제작되는 합성보는 다음과 같다.

상향 솟음량을 갖도록 I형 강재를 제작하는 단계;

상기 I형 강재를 강재 허용응력까지 최대하중 P1, P1'를 가하는 단계;

상기 I형 강재의 하부 플랜지에 하부 케이싱 콘크리트를 타설, 양생하는 단계;

상기 I형 강재의 상부 플랜지 양측단에 지지대를 설치하고 긴장재를 긴장하면서 P1, P1'를 서서히 완전히 제거하면서 긴장재를 지지대에 정착시키므로서 하부 케이싱 콘크리트에 1차 프리스트레싱을 도입하는 단계;

상기 I형 강재의 상부 플랜지에 정착된 긴장재를 제거하여 2차 프리스트레싱을 도입하는 단계; 및

상기 I형 강재의 상부 플랜지와 복부에 콘크리트를 타설, 양생하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단계적 프리스트레싱을 이용한 프리스트레스트 합성보 제작방법으로서 이를 좀더 자세하게 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도3 (a)와 같이 I형 강재를 위로 솟도록 제작하여 양단을 거치한 후 도 3(b)와 같이 I형 강재의 탄성범위 내에서 강재의 허용응력까지 최대하중 P1 ,P1'를 가하게 되면 이로 인하여 강재에 휨력이 발생되는데 하부플랜지(20)에는 인장응력이 발생된다. 이때 P1과 P1'의 하중 크기는 하부케이싱 콘크리트(10)의 허용압축응력과 1차 프리스트레싱이 도입된 후 초기 크리프 및 건조 수축등으로 인하여 자연 손실될 압축응력을 합한 하중으로 한다. 이 상태에서 도 3(c)에서와 같이 인장된 하부플랜지(20)에 이를 감싸는 하부케이싱 콘크리트(10)를 타설·양생한다. 다음은 도 3(d)에서와 같이 긴장재(40)를 상부플랜지(30)의 양측단에 설치된 지지대(11)에 설치하여 자연 손실되는 양에 해당하는 압축응력 만큼만 긴장하면서 서서히 하중 P1, P1'을 완전히 제거하면서 긴장재(40)를 지지대(11)에 정착하면 1차 프리스트레싱에 의해 하부케이싱 콘크리트(10)에 도입된 허용압축응력만 남게된다. 이때 긴장재(40)가 양단의 지지대(11)에 정착되어 있으므로 하부케이싱 콘크리트(10)에는 콘크리트의 허용압축응력에 해당되는 1차 프리스트레싱만 도입되며, 긴장력은 하부케이싱 콘크리트(10)의 초기 크리프 및 건조수축등에 의해 자연 손실되는 압축응력양과 같도록 한다. 이때 상향력은 긴장재(40)에 도입된 자연 손실양 만큼의 긴장력을 뺀 P2, P2'가 된다. 만약, 긴장재(40)를 지지대(11)에 정착시키지 않고 하중 P1, P1'을 제거할 경우 하부케이싱 콘크리트(10)에는 허용압축응력의 초과로 인한 압축파괴가 일어나게 된다. 고강도 콘크리트를 사용할 경우에는 콘크리트의 초기 크리프 및 건조수축등으로 자연 손실되는 압축응력은 1차 프리스트레싱에 도입된 압축응력의 대략 15 ~ 20%의 손실이 일어나는 것으로 알고 있다. 따라서 긴장재(40)를 상부플랜지(30)에 설치하여 이들을 인장한 후 정착하면 1차 프리스트레싱 도입시 하부케이싱 콘크리트(10)에 허용압축응력을 초과하는 것을 방지하면서, 일정기간 경과후에 발생되는 하부케이싱 콘크리트(10)의 초기 크리프 및 건조수축등의 영향으로 자연 손실되는 압축응력양을 도 3(e)와 같이 긴장재(40)를 제거하므로서 간단히 자연 손실되는 압축응력양 만큼을 하부케이싱 콘크리트(10)에 추가로 도입하여 압축응력을 보상한다. 이때 상향력은 긴장재(40)의 긴장력에 해당하는 P1-P2, P1'-P2'가 된다. 또 다른 제작방법으로서, 하부 케이싱 콘크리트를 타설, 양생한 후에 1차로 P2, P2'에 해당하는 프리스트레스트 만큼만 제작대에서 릴리즈한 후, 하부 케이싱 콘크리트의 크리프(creep) 및 건조수축 변형이 일어난 후에 2차로 제작대에서 P1-P2, P1'-P2' 만큼을 릴리즈하는 방법도 있다.

이와 같이 본 발명은 재사용이 가능한 가설장비인 긴장재(40)를 이용하여 자연 손실되는 압축응력을 추가적으로 도입하므로써 종래의 프리스트레스트 합성보의 단점인 콘크리트의 크리프 및 건조수축등에 의하여 자연 손실되는 압축응력을 보상하기 위한 불필요한 강재단면 확대가 필요 없으며 또한 가지점(4)의 설치에 따른 불편함, 추가비용의 부담, 교량의 하부공간을 이용하는데 여러 가지 제약 등의 모든 문제점을 일거에 해결하게 되는 것이다.

상기와 같이 본 발명은 강재의 복원력으로 인한 1차 프리스트레싱에 의해 하부케이싱 콘크리트에 압축응력을 도입시키고 상부플랜지에 설치된 긴장재의 제거로 간단히 2차 프리스트레싱에 의해 추가 압축응력을 도입하여 하부케이싱 콘크리트에발생된 초기 크리프 및 건조수축등에 의하여 자연 손실되는 압축응력을 보상하는 단계적 프리스트레싱에 의한 프리스트레스트 합성보 및 그 제작방법을 제공하는 것이다. 또한 본 발명은 강재단면 확대로 크리프 및 건조수축등에 의하여 자연 손실되는 압축응력을 보완하는 종래의 프리스트레스트 합성보에 비해 강재 사용량을 감소시킬 수 있고 강재와 콘크리트의 허용응력을 최대한 활용하므로써 재료의 효율성을 극대화시킬 수 있으며, 가지점에 의한 추가 압축응력을 도입하는 공법에 비하여 가지점 설치에 따른 비용의 부담과 교량하부공간의 이용시 발생되는 불편함 등을 피할 수 있어서 저비용으로 매우 간편하고 용이하게 시공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 강재의 허용응력까지 최대하중 P1, P1'를 가하는 상향 솟음을 갖는 I형 강재와, 상기 I형 강재의 하부 플랜지에 콘크리트를 타설·양생하여 형성한 하부케이싱 콘크리트와, 이와 동시에 상부플랜지에 설치된 긴장재와, 1차 프리스트레싱을 하부케이싱 콘크리트와 긴장재에 가하며 긴장재를 지지대에 정착하는 것과, 하부 케이싱 콘크리트에 2차 프리스트레싱을 가하기 위해 긴장재를 제거하는 것을 특징으로 하는 단계적 프리스트레싱을 이용한 프리스트레스트 합성보.
2. 제 1항에 있어서

   상기 상부 플랜지에 설치되는 긴장재는 강봉 또는 강선을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 단계적 프리스트레싱을 이용한 프리스트레스트 합성보.
3. 제 1항에 있어서

   상기 상부 플랜지에 설치된 긴장재에 작용하는 긴장력은 1차 프리스트레싱에 의한 압축응력의 15 ~ 20%인 것을 특징으로 하는 단계적 프리스트레싱을 이용한 프리스트레스트 합성보.
4. 상향 솟음량을 갖도록 I형 강재를 제작하는 단계;

   상기 I형 강재를 강재 허용응력까지 최대하중 P1, P1'를 가하는 단계;

   상기 I형 강재의 하부 플랜지에 하부 케이싱 콘크리트를 타설, 양생하는 단계;

   상기 I형 강재의 상부 플랜지 양측단에 지지대를 설치하고 긴장재를 긴장하면서 P1, P1'를 서서히 완전히 제거하면서 긴장재를 지지대에 정착하여 하부 케이싱 콘크리트에 1차 프리스트레싱을 도입하는 단계;

   상기 I형 강재의 상부 플랜지에 정착된 긴장재를 제거하여 2차 프리스트레싱을 도입하는 단계; 및

   상기 I형 강재의 상부 플랜지와 복부에 콘크리트를 타설, 양생하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단계적 프리스트레싱을 이용한 프리스트레스트 합성보 및 그 제작방법.