분할공법에 의한 프리플렉스 합성빔의 제조방법

본 발명은 시가지와 같이 평면적이 작은 현장에서도 설치 및 조립이 가능하고, 운송도 수월하며, 공기단축과 공사비절감효과를 가진 기존의 프리플렉스 합성빔을 분할공법으로 제조하는 프리스트레스 합성빔(preflex composite beam)의 제조방법에 관한 것이다.

프리플렉스 합성빔은 철골보에 미리 설계하중을 재하시킨 후 철골보의 하부 플랜지에 고강도 콘크리트를 타설, 양생하여 콘크리트에 압축 프리스트레스를 도입하는 프리스트레스 공법에 의거, 철골보와 프리스트레스트 콘크리트 보를 혼합시킨 합성빔이다.

프리플렉스 합성보는 건물, 교량과 같은 구조물에서 장스팬을 요하는 각종 구조물 등에 널리 적용돼 왔으며, 여타 보 구조시스템에 비해 경제적임은 물론 공간활용도면에서도 큰 장점을 갖고 있어 프리플렉스 합성빔의 선호도는 앞으로도 계속 이어질 것으로 예상된다.

통상의 프리플렉스 합성빔은 철골보를 시공현장에 반입하고 각종 장비를 투입하여 프리플렉션하게 제작하는 것이다. 프리플렉스 합성빔은 대부분 장척물이다. 그러므로 프리플렉스 합성빔을 제작하고 또한 시공함에 있어서는 무엇보다도 시공현장부근에 대규모 프리플렉션 장비를 설치하기 위한 넓은 작업공간의 확보와 철골보의 안전하고 편리한 운송문제에 대한 적절한 대책이 강구돼야 한다.

험준한 산악지대나 계곡, 전답과 같이 넓다란 작업장의 확보가 곤란한 시공현장과 운송애로를 고려한 것이 프리플렉스 합성빔을 공장 또는 현장에서 2 토막 이상 분할 제작하고, 시공시에 이들 빔부재를 재조립하는 즉, 분할공법에 의한 프리플렉스 합성빔이다.

분할공법에 의거 프리플렉스 합성빔을 제조함에 있어서는 각 빔부재의 접합부에서 하부 플랜지 콘크리트에 부분 프리스트레스를 도입하는 방식에 따라 케이블공법(in-cable method)과 아웃 케이블공법(out-cable method), 카운터 웨이트공법(counter weight method)이 있다.

인 케이블공법은 일본국 특개 소58-4004호에 개시된 바와 같이, 공장에서 각 세그먼트의 접합부를 제외한 하부 플랜지 콘크리트에 응력을 도입하고, 콘크리트가 타설된 부위는 하부 플랜지 튜벨로 구속하고 접합부의 하부 플랜지 콘크리트는 현장에서 철골보를 연결한 후에 동일한 강도의 팽창 콘크리트를 타설하며 합성단면의 중립축 부근에 PC 강봉으로 응력을 도입한다.

아웃 케이블공법은 철골보의 상부 플랜지 위에 정착단을 설치하고 PC 강선으로 편심 휨을 작용시킨 상태에서 접합부용 콘크리트를 타설하여 경화시킨 후 PC 강선을 풀어 하부 플랜지 콘크리트에 휨 프리스트레스를 도입하는 방식인데, 이 공법은 접합부의 프리스트레싱 작업이 상부 바닥판에서 이루어지므로 작업성이 양호하고 접합부의 형식이 단조로와 공기단축이 가능한 장점이 있다.

이에 대하여, 카운터 웨이트공법은 바닥 콘크리트를 타설한 후에 이전의 하중을 작용시킨 상태에서 접합부 콘크리트를 타설하여 경화시킨 다음에 하중을 제거하여 하부 플랜지 콘크리트에 휨 프리스트레스를 도입하는 방식으로서, 최근들어 가장 일반적으로 교량에 적용되고 있는 공법이다. 이 공법은 모든 보에 프리스트레스를 도입하기 때문에 공기가 짧고, PC 강선을 배치하지 않으므로 구조가 단순한 것이 장점이다.

상기한 종래의 어느 방법으로 여러 마디로 분할 제작하든 프리플렉스 합성빔을 제조함에 있어서는 현장이 넓고 거기에 잡다한 작업장애물이 없어야 하는데, 그러한 작업공간의 확보가 특히 곤란한 대도시에서 이것이 여의치 않아 장척의 스팬이 요구되는 주차전용건물이나 강당, 연회장같은 건축구조물, 교량, 철도교, 고가교를 시공하는데 애로가 적잖으며, 복수의 빔부재로 조합된 건축용 및 토목용 프리프렉스 합성빔의 정밀도향상과 제조의 신속성을 기하기도 어렵다.

본 발명은 건축용으로 특히 적합하고, 조립 시공후의 구조 안정성에 주안점을 둔 프리플렉스 합성빔의 분할제작방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 2 이상의 토막으로 분할제작하여 조립토록 한 프리플렉스 합성빔에 있어서, 고정 및 적재하중에 의한 처짐곡선의 역곡선형으로 철골보를 제작하여 2 이상의 토막으로 분할한 다음 인접한 각 빔부재의 접속단을 고력보울트로 연결하고, 이렇게 조립된 철골보에 하중을 작용시킨 후 철골보의 연결부를 제외한 하부 플랜지에 콘크리트를 타설하여 경화시킨 후에 하중을 제거하고 그 콘크리트에 프리스트레스를 도입한 프리플렉스 합성빔을 해체하여 현장으로 운반하여 설치 및 조립하고, 각 빔부재의 접합부에 프리스트레스를 도입한 후 접합부 콘크리트를 타설하고 복원시켜 프리플렉스 합성빔을 완성하는 것을 주된 특징으로 한다.

도 1은 분할공법에 의한 프리플렉스 합성빔의 제조 및 조립, 시공의 공정도

도 2는 빔부재 접합부의 확대도

도 3은 분할형 프리플렉스 빔 부재를 시공현장에서 접합 시공한 후 부분 프리스트레스를 도입하여 완성하기 까지 일련의 공정도

도 4는 분할공법을 이용한 프리플렉스 합성빔의 접합부에 부분 프리스트레스를 도입할 시의 유압 잭의 설치예시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 철골보 2,2' : 빔부재

3 : 연결판 4 : 고력보울트

5 : 프리스트레스력 6,6' : 하부 플랜지

7 : 하부 플랜지 콘크리트 7' : 접합부 몰탈

12 : 적재하중 13 : 오일 잭

프리플렉스 합성보는 특성상 주로 장스팬의 건물, 교량에 사용되므로 공장에서 빔부재를 제작할 경우 장대한 스팬을 현장으로 운반해야하는 불편과 비용 등을 감안하여 현장부근에서 프리플렉스 합성빔을 제작하여 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 현장에서 이같은 프리플렉스 합성빔을 제작하기 하기 위해서는 중량의 기계설비의 동원과 현장작업기간의 장기화가 우려되므로 장스팬의 프리플렉스 합성빔을 운반이 용이하도록 분할하여 제작한 후 현장으로 운반하여 설치, 조립할 수 있도록 설계되어야 한다.

또한, 콘크리트 및 철골보의 응력도는 프리플렉스 직후, 릴리스 직후, 부분 프리스트레스 직후, 부분 프리스트레스 릴리스 직후, 콘크리트의 균열 및 건조수축에 의한 감소, 마감 및 적재하중의 작용 상태, 기타 특수한 경우를 상정하고 각각의 하중을 조합하여 계산하며, 이때 단면에 유발된 응력은 허용응력도 이하가 되어야 한다.

각 빔부재의 단면 응력도는 웨브 콘크리트를 제외한 전 단면을 유효한 것으로 보고, 세로방향의 변형은 단면의 중립축으로부터 거리에 비례하는 것으로 하여 탄성이론과 평면보존의 법칙에 의거 계산한다.

프리플렉스 합성빔은 시공단계에 따라 단면의 형상이 변화하므로 각 시공단계마다 응력을 검토해야 한다. 응력계산시 고려해야 될 재하상태는 프리플렉션(철골보), 릴리스는 내부보(철골보 + 하부 플랜지 콘크리트)와 접합부(철골보), 프리플렉스 보의 자중은 내부보(철골보 + 부플랜지 콘크리트)와 접합부(철골보), 하부 플랜지 콘크리트의 초기 크리프는 내부보(철골보 + 하부 플랜지 콘크리트)와 접합부(철골보), 하부 플랜지 콘크리트의 초기 건조수축은 내부보(철골보 + 하부 플랜지 콘크리트)와 접합부(철골보), 슬래브 콘크리트의 재하는 내부보(철골보 + 하부 플랜지 콘크리트)와 접합부(철골보), 부분 프리스트레스는 내부보(철골보 + 하부 플랜지 콘크리트 + 슬래브) 및 접합부(철골보 + 슬래브), 부분 프리스트레스의 릴리스(철골보 + 하부 플랜지 콘크리트 + 슬래브), 합성후 고정하중(마감하중)의 재하(철골보 + 하부 플랜지 콘크리트 + 슬래브), 슬래브 콘크 리트의 건조수축 및 크리프(철골보 + 하부 플랜지 콘크리트 + 슬래브), 하부 플랜지 콘크리트의 크리프 완료(철골보 + 하부 플랜지 콘크리트 + 슬래브), 적재하중의 재하(철골보 + 하부 플랜지 콘크리트 + 슬래브)이다.

응력계산의 해석기준은 강재와 콘크리트의 탄성계수는 재래공법을 적용한 프리플렉스 합성빔의 설계시와 동일한 탄성계수를 사용, 탄성이론으로 계산하고, 웅력 및 변형도는 선형 비례하며, 부정정 구조물과 조립구조물에서 프리스트레스에 의한 세그먼트의 응력은 시공단계마다 검토하고, 세그먼트 단면의 응력계산은 웨브 콘크리트를 제외한 세그먼트의 전체 단면을 유효한 것으로 보며, 세로 방향의 변형은 단면의 중립축으로부터 거리에 비례시킨다. 다만, 하부 플랜지 콘크리트에 균열이 발생될 경우에는 하부 플랜지 콘크리트 단면은 무시한다.

또, 프리플렉션 이후의 릴리스시 접합부의 상하 플랜지에 도입된 응력 및 변형도는 없는 것으로 간주하고, 콘크리트 및 빔부재의 응력도는 프리플렉션 직후, 릴리스 직후, 부분 프리스트레스 직후, 부분 프리스트레스의 릴리스 직후, 콘크리트의 크리프와 건조수축에 의한 감소와 마감 및 적재하중의 작용이 완료된 상태, 부분 프리스트레스를 도입하기 전까지는 하부 플랜지 콘크리트에서 초기 건조수축 및 프리스트레스만 발생하도록 프리플렉스 합성빔을 3개의 빔부재로 분리하고, 이들에 대한 부분 프리스트레스의 가력점은 접합부의 상부로 하여 각각의 하중조합으로 계산할 때 허용응력도 이하가 되도록 설계해야 한다.

이러한 제반사항을 고려하여 건축물에 적합한 장스팬의 프리플렉스 합성빔을 분할제조한다. 즉, 부분 프리스트레싱을 해야할 프리플렉스 합성보와 그 상층부 프리플렉스 합성빔을 설치 및 조립하고, 상층 보의 하부에 오일 잭을 설치하여 부분 프리스트레싱을 위한 보의 접합부에 소정의 휨 프리스트레스가 도입되도록 가력하여 철골보의 하부 플랜지에 휨인장력을 도입한다.

접합부의 하부 플랜지에 콘크리트를 타설 경화시킨 후, 오일 잭에 도입된 힘을 제거하여 접합부 하부 플랜지 콘크리트에 부분 프리스트레스의 도입을 완료한다. 이는 기존의 카운터 웨이트공법에서 착안한 공법으로 건축구조물에 유효하게 적용할 수 있도록 변형시킨 신공법이다. 소요 부분에서의 프리스트레스력이 작용할 때 가설된 상부 보의 슬래브에 균열이 발생되는지의 여부에 따라 오일 잭 또는 중량물과 오일 잭을 병용하는 복합법을 적용한다.

분할공법을 적용하는 프리플렉스 합성빔의 접합부에 도입되어야 할 부분 프리스트레스량은 접합부가 설치되지 않은 때에 접합부에 도입되어야 하는 응력이며, 일반적으로 콘크리트의 초기 건조수축은 경화와 동시에 발생되는 것으로 알려졌고 초기 크리프도 콘크리트의 경화후 단기간에 발생되므로 세그먼트 분할공법을 적용한 프리플렉스 합성빔의 접합부를 조립한 후에 부분 프리스트레스 를 도입할 때에는 이미 하부 플랜지 콘크리트내에서 초기 건조수축과 크리프가 발생한 것으로 간주하고, 접합부용 몰탈도 부분 프리스트레스의 도입이 완료되면 초기 건조수축과 크리프가 진행된 것으로 봐야 한다.

오일 잭을 이용하여 분할식 프리플렉스 합성빔을 제조함에 있어서 부분 프리스트레스를 도입하는 시기는 슬래브 콘크리트의 압축강도가 210 kg/cm ² 이상 확보된 것을 확인한 시점이 적합하다. 이때, 접합부에 도입하는 응력은 프리플렉션시, 릴리스시, 초기 건조수축 및 크리프시 응력의 합이다. 프리플렉스 합성빔의 자중 과 슬래브의 자중은 접합부가 설치된 부분이나 그렇지 않은 부분을 가릴 것 없이 동일하게 도입되므로 결국 접합부의 하부 플랜지에 콘크리트가 타설되지 않음으로써 도입되지 못한 응력은 프리플렉션시의 응력, 릴리스시의 응력, 하부 플랜지 콘크리트내의 초기 건조수축 및 크리프에 의한 응력의 합과 같다.

이 응력을 순수 철골보로 구성된 접합부에 도입하기 위해 필요한 부분의 프리스트레스력은 프리플렉션, 릴리스, 초기 건조수축 및 크리프시의 응력, 프리플렉스 합성빔의 제작단계별 응력을 산출하여 설계에 반영한다.

다음으로, 분할공법에 의한 프리플렉스 합성빔을 제조하는 방법을 순서대로 설명한다.

도 1 및 도 2에서, (a) 공정에서 철골보(1)는 운반조건과 구조 등을 감안하여 3개의 빔부재(2,2')로 분할한다. 빔부재(2)와 (2')의 분할점은 프리플렉션 하중의 가력점이 일반적으로 스팬의 1/4점이므로 이 위치는 피해야 한다. 받침점과 스팬의 1/4점 사이에 접합부를 둘 경우에는 분할된 빔부재(2')가 너무 짧아 이 부분의 하부 플랜지 콘크리트에 압축 프리스트레스를 도입하기 어려우므로 접합부의 길이를 충분히 고려하여 스팬의 1/4점과 스팬 중앙점 사이를 분할점으로 한다. 양단부측 빔부재(2')는 대칭되도록 분할한다. 상기의 각 빔부재(2,2')의 연결부끼리 연결판(3)을 대고 고력보울트(4)로 체결하여 1개의 보로 만든다.

(b) 공정에서, 3개의 빔부재(2,2')로 조합된 단일 보에 소정의 휨 프리스트레스가 발생하도록 프리플렉션(5)을 가한다.

(c) 공정에서, 상기 철골보(1)의 하부 플랜지(6)에만 콘크리트(7)를 타설하여 양생하고, 릴리스 작업을 실시한다. 이때, 하부 플랜지(6)의 연결부는 비워 둔다.

(d) 공정에서, 릴리스한 프리플렉스 합성빔을 빔부재(2,2')로 해체한다. 이때, 각 빔부재(2,2')의 연결부에는 콘크리트를 타설하지 않는다. 이로써 연결부 부근의 하부 플랜지 콘크리트(7)는 프리플렉스 합성보가 끊기는 구조적인 특성을 갖게 되고, 여기에 전단력이 집중된다.

(e) 이하의 공정은 상기 빔부재(2,2')를 현장으로 운반하여 설치, 시공하는 경우를 나타낸 것이다. 시공현장에 도착된 각 빔부재(2,2')를 길이방향으로 배치하고 각 빔부재(2,2')의 연결부의 상하부 플랜지와 웨브에 연결판(3)를 대고 고력보울트(4)로 다시 체결한다.

분할형 프리플렉스 합성빔의 조립방법은 2가지를 상정할 수 있다. 가설후 조립방법과 조립후 가설방법이다. 즉, 도 3(가)에서, 선가설 후조립방법은 상기 (a) 내지 (d) 공정을 거쳐 제작, 해체한 빔부재(2,2')를 현장으로 옮겨 각 접합부를 연결판(3)과 고력보울트(4)로 다시 연결하여 단일 프리플렉스 합성빔화한다(e 공정). 그 후 보의 상부 바닥판에 철근을 배근하고 콘크리트(9)를 타설하여 양생한다. 이때, 웨브 부분의 콘크리트(8)도 동시에 타설할 수 있다(f 공정).

이어 (g) 공정에서, 슬래브 콘크리트(9)가 경화된 후에는 접합부의 내측지점에 부분 프리스트레스력(11)를 가하고, 프리플렉스 합성보에 설계 프리스트레스의 도입을 확인한 후 접합부의 하부 플랜지(6') 콘크리트를 타설한다. 부분 프리스트레스(11)는 접합부에서 인장에 의한 콘크리트의 균열이 일어나지 않도록 조치하는 것이다. (h) 공정에서, 접합부에 소정의 프리스트레스가 가해진 다음 접합부의 충전용 몰탈(7')을 타설하고, 이 접합부 몰탈(7')이 경화한 후 부분 프리스트레스력(11)을 제거하는 것으로 접합부의 하부 플랜지 콘크리트에도 프리스트레스를 도입하는 작업을 마치게 된다.

이 방법은 프리플렉스 합성보의 단면이 크고 보가 중량체인 경우 적용할 수 있는 방법이며, 특히 도심지와 같이 건설현장이 협소한 지역에 어울리는 공법이다. 그러나, 가설재의 설치와 각 빔부재의 설치 및 조립이 수차 반복되므로 공기지연과 공사비상승이 문제다.

도 3(나)에서, 조립후 가설방법은 공장내에서 이뤄지는 프리플렉스 합성빔의 제작공정은 상기한 설치후 조립방법과 동일하고, 다만 현장으로 운반된 각 빔부재를 단일 보로 완전히 조립한 후 설치하고 상기의 (g,h) 공정을 거치는 것이다.

이 방법은 프리플렉스 합성빔의 단면이 적고 보가 경량인 경우로서 건설현장부근에 넓은 작업공간이 확보된 경우에 적합한 방법이며, 가설재가 불필요하고 각 세그먼트의 조립이 단번에 이뤄지므로 공기단축에 이롭다.

도 4에서, 빔부재(2,2')의 연결부에 대한 부분 프리스트레스 도입방법으로서는 기존의 카운터 웨이트법 외에 오일 잭(13)단독 또는 이들 하중을 복합적으로 활용하는 방안이 있다. 여기서, 오일 잭(13)은 카운터 웨이트법과 같이 철골보 (1)의 각 연결부에 공장에서 릴리스할 때처럼 일괄적으로 프리스트레스를 도입하기 위한 것으로서, 공장에서 프리플렉션하는 것과 마찬가지의 원리로 프리스트레스를 도입하는 것이기에 시공과 시공관리, 시공정밀도에 있어서 만족스러운 결과를 가져 온다.

이러한 부분 프리스트레스의 도입은 철골보의 하부 플랜지 연결부를 제외한 모든 고정하중, 즉 철골보의 웨브와 상부의 바닥 콘크리트가 작용한 후에 보 위에 오일 잭(13)을 설치하고 그 프리플렉스 합성빔에 설계치의 프리스트레스를 도입하는데 필요한 철골보 플랜지에 발생되는 인장응력을 확인한 후 각 빔부재(2,2')의 연결부에 콘크리트를 타설하는 방식을 택한다. 이 경우, 오일 잭(13)에 의한 가력은 그 유압을 제거한 후에 재하되는 모든 하중, 즉 콘크리트 크리프와 건조수축을 포함시켜 구하게 된다.

상기 콘크리트가 경화한 후 오일 잭(13)의 유압을 제거하여 각 빔부재(2,2')의 연결부에 부분 프리스트레스를 도입하고, 적재하중(12)은 상부 바닥판 콘크리트가 경화된 후 제하한다. 이 도면에서, (21)은 유압 잭으로 프리스트레스력을 가력하기 위한 프레임, (22)는 로드 셀, (23)은 로딩 빔을 표시한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명의 프리플렉스 합성빔의 분할제조방법에 의하면 프리플렉스 합성빔의 분할제작과 조립작업이 공장내에서 이뤄지므로 시공의 정밀성을 향상시킬 수 있고, 현장에 조립 및 가설장비를 운반할 필요가 없다.

또, 현장에서 이뤄지는 공정이 줄어 공기단축이 가능하고, 공사비도 경감할 수 있다.