비부착 긴장재를 갖는 프리캐스트 콘크리트 바닥판을 이용한 교량바닥판 시스템

본 발명은 비부착 긴장재를 갖는 프리캐스트 콘크리트 바닥판을 이용한 교량바닥판 시스템에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 차량이 통행하는 교량의 바닥판을 공장에서 미리 제작된 프리캐스트 콘크리트 바닥판을 현장에서 조립하고, 바닥판간 연속성을 확보하기 위한 비부착 내부긴장재를 갖는 프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트 바닥판을 이용한 교량바닥판 시스템에 관한 것이다.

종래에는 교량의 바닥판을 만들기 위해 현장에서 거푸집을 제작하고, 이 거푸집에 철근을 배근한 후, 콘크리트를 타설하고, 장기간의 양생과정을 통해 바닥판을 완성하였다. 그러나, 이와 같은 종래의 교량바닥판 시공법은 많은 전문 건설인력이 필요하고, 특히 도심지와 같이 차량통행량이 많은 지역에서는 공사로 인한 교통체증심화로 인하여 막대한 간접적인 손실이 발생하는 등의 문제점이 있었다. 이러한 현장 시공에 따른 문제점을 개선하기 위하여 제시된 공법이 프리캐스트 콘크리트 교량바닥판을 이용한 시공방법이다.

프리캐스트 콘크리트 교량바닥판은 공장에서 미리 강제 거푸집을 제작하고, 이 거푸집내에 철근을 배근한 후, 콘크리트를 타설하고, 증기양생 후, 탈형하는 공정을 통해 완성된다. 이러한 프리캐스트 콘크리트 바닥판을 이용하여 교량바닥판을 시공할 경우 공기 단축 및 인력절감의 장점이 있다.

그러나, 프리캐스트 콘크리트 교량바닥판은 제작과 운반 및 가설을 위해 차량 진행 방향 및 차량 진행 직각 방향으로 그 크기가 제한되어, 분할 제작됨으로 현장조립시 바닥판과 바닥판간 이음부가 발생하게 된다.

프리캐스트 바닥판의 이음부는 바닥판과 바닥판 사이, 그리고 바닥판과 주형사이에 존재하게 되는데, 도1을 참조하여 살펴보면, 주형위에 프리캐스트 바닥판을 거치하면 바닥판과 바닥판사이 및 바닥판과 주형 사이에 각각 이음부가 존재하게 된다. 이 중 바닥판과 바닥판 사이의 이음부에서는 현장 타설 바닥판과 달리 바닥판 사이가 분리됨으로써, 차량 통행 및 바닥판의 온도변화로 인해 균열이 발생되고, 이 균열을 통한 누수로 인해 주형이 부식되어 내구성이 저하되는 등의 문제점이 있었다. 또한, 바닥판과 주형 사이의 이음부에는 이음부의 충진작업을 위한 별도의 하부 작업대가 필요하여 현장에서의 추가적인 작업공정이 존재하는 등의 문제점이 있었다. 특히, 프리캐스트 콘크리트 바닥판 간 이음부와 프리캐스트 콘크리트 바닥판과 주형 간 이음부에 충진되는 채움재의 불량으로 인한 문제점도 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하여, 프리캐스트 콘크리트 바닥판으로 건설되는 교량에 존재하게 되는 이음부에서 발생되는 문제들을 해결하기 위해 프리캐스트 콘크리트 교량바닥판의 연결구조를 개선하고, 상기 프리캐스트 바닥판의 철거 및 교체가 가능하도록 비부착 긴장재를 이용한 프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트 교량바닥판 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명에 따른 비부착 긴장재를 갖는 프리캐스트 콘크리트 바닥판을 이용해 교량바닥판을 시공하는 예를 나타낸 사시도.

도2a는 프리캐스트 콘크리트 바닥판 간의 이음부 단면도.

도2b는 도2a의 프리캐스트 콘크리트 바닥판의 이음부측 측면 상세도.

도3a는 본 발명에 따른 교량바닥판 시스템의 실험을 위한 전단실험체의 단면도.

도3b는 본 발명에 따른 전단실험체의 전단실험 상태도.

도4a는 도3b를 이용한 전단실험에 의한 이음부 균열하중과 경사각과의 관계도.

도4b는 도3b를 이용한 전단실험에 의한 이음부 균열하중과 D/H비 관계도.

도5a는 도3b를 이용한 전단실험에 의한 이음부 파괴하중과 경사각과의 관계도.

도5b는 도3b를 이용한 전단실험에 의한 이음부 파괴하중과 D/H비 관계도.

도6a는 본 발명에 따른 프리캐스트 콘크리트 바닥판 간의 이음부를 모사하기 위한 실험체의 개념도.

도6b는 도6a의 개념에 의한 휨실험부재를 도시한 사시도.

도7은 도6a의 휨실험에 의한 균열하중과 프리스트레스힘과의 관계도.

도8a는 종래의 정착장치의 구성도.

도8b는 도8a의 비부착긴장재의 단면도.

도8c는 본 발명에 따른 정착장치의 구성도.

도9a는 종래의 프리캐스트 바닥판과 주형간 이음방법을 나타낸 도면.

도9b는 본 발명에 따른 프리캐스트 바닥판과 주형간 이음방법을 나타낸 도면.

도10은 본 발명에 따른 전단포켓의 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 프리캐스트 콘크리트 바닥판 2 : 바닥판과 바닥판간 이음부

3 : 바닥판과 바닥판간 이음부 충진용 홀 4 : 채움재

5 : 전단연결재 6 : 전단포켓

7, 22 : 씰링테이프 8 : 간격재

9 : 전단포켓 채움재 10 : 프리캐스트 바닥판의 헌치

15 : 프리스트레스 긴장재 16 : 주형

17 : 바닥판과 주형간 틈새 23 : 전단키

24 : 긴장재의 쉬스관 25 : 비부착 긴장재

26 : 쉬스관 보호용 씰링테이프 31 : 콘크리트 부재

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수개의 프리캐스트 콘크리트 바닥판과 상기 바닥판과 바닥판을 긴장시키는 다수개의 긴장재를 포함하는 교량바닥판 시스템에 있어서, 상기 바닥판과 바닥판이 접하는 측면은 측면의 일정 부분의 중앙 부분이 소정의 경사각과 깊이 및 높이를 가지면서 상기 측면의 상,하부보다 더 오목하게 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가장 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량구조물의 조립시공 상태를 보인 단면도이다. 도2a는 도1의 프리캐스트 콘크리트 바닥판과 바닥판 사이의 이음부의 상세도이고, 도2b는 프리캐스트 콘크리트 바닥판의 이음부측 측면 사시도이다.

프리캐스트 콘크리트 바닥판(1)은 현장 타설 바닥판과 달리 바닥판(1)과 바닥판(1) 사이에 이음부(2)가 존재하기 때문에, 상기 이음부(2)를 통한 하중전달이 원할히 이루어지도록 하여야 한다. 본 발명에서는 교량을 통행하는 차량 하중에 의해 바닥판(1)과 바닥판(1) 사이의 이음부(2)에 작용되는 수직 전단력에 대한 저항 능력을 확보하기 위해 바닥판의 이음부측 측면을 凹형상(21)을 갖도록 하였다. 즉, 프리캐스트 콘크리트 바닥판의 측면을 상하 단부보다 중앙이 더 오목하게 되도록 형성하였다. 따라서, 바닥판의 하부측에 씰링테이프(22)를 부착한 후, 바닥판(1)과 바닥판(1)을 결합하기 위한 채움재(4)를 충진하는 경우에 채움재(4)의 누출을 방지할 수 있고, 채움재(4)가 충진되면 전단키(23)가 형성된다.

이와 같이 바닥판과 바닥판 사이의 이음부에 전단키(23)를 형성하기 위해서는 채움재(4)를 충진시키게 되는데, 이 때 채움재(4)를 바닥판의 측면 상단의 좁은 틈새 사이로 충진하게 되면, 충진 작업중 채움재가 넘처나는 병목현상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 바닥판의 측면 일부에 채움재 충진용 홀(3)을 형성하였다. 상기 채움재 충진용 홀(3)을 이용하게 되면 삼각형 쐐기형태의 공간이 형성되어, 이 곳에 채움재를 서서히 붓게 되면 바닥판과 바닥판 사이의 좁은틈새(2) 사이가 쉽게 충진된다. 또한, 비부착 긴장재(25)가 관통되도록 하기 위한 쉬스관(24) 주변은 원형의 씰링테이프(26)를 부착하여 채움재가 비부착 긴장재(25)에 묻어 비부착 긴장재(25)의 제거시 어려움이 없도록 한다.

또한, 채움재(4)는 콘크리트와 결합되어 일체화되기 위해서 탄성계수, 건조수축계수 등의 기계적 성질이 모재인 프리캐스트 콘크리트 바닥판(1)과 유사한 재료를 사용하여 한다. 그래야만 경화시 경계면에서의 수축량 차이가 적어, 양호한 밀착을 유지할 수 있다. 즉, 무수축모르터는 콘크리트와 기계적 성질이 유사하나, 에폭시모르터는 탄성계수가 콘크리트의 약 1/10정도이고, 건조수축 및 열팽창계수는 10배정도 크기 때문에, 동일 응력 수준에서의 변형량의 차이가 발생할 우려가 크고, 온도에 따른 프리스트레스의 손실이 크게 발생할 우려가 있다.

한편, 본 발명의 발명자는 상기와 같은 구성으로 이루어지는 교량바닥판 시스템의 성능을 측정하기 위한 다양한 실험을 수행하였다.

그 실험 과정 및 결과를 이하 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도3a는 본 발명에 따른 전단키의 최적형상을 결정하기 위한 전단실험체의 단면도이고, 도3b는 도3a의 전단 실험체의 전단실험을 위한 실험장치의 구성도이다.

도면에서 프리캐스트 콘크리트 바닥판(1)과 바닥판(1) 사이의 전단실험을 위한 실험체는 3개의 콘크리트 부재(31)로 구성되어 있고, 경계면이 2군데 있다. 도면에서 α는 경사각을, D는 전단키의 깊이를, H는 전단키의 높이를 각각 의미한다. 한편, 실험장치는 비부착 긴장재(40)를 모사할 수 있도록 강봉을 설치하고, 만능시험기(32)에 의해 재하되도록 구성되어 있고, 유압잭(35)으로 도입되는 프리스트레스의 크기는 로드셀(36)을 이용하여 측정할 수 있도록 하였다.

도4a는 이음부 경사균열 하중과 경사각(α)과의 관계를 나타낸 그래프이고, 도4b는 이음부 경사균열 하중과 D/H와의 관계를 나타낸 그래프이며, 도5a는 이음부 파괴하중과 경사각(α)과의 관계를 나타낸 그래프이고, 도5b는 이음부 파괴하중과 D/H와의 관계를 나타낸 그래프이다.

도면에서 알 수 있는 바와 같이 바닥판과 바닥판의 이음부(2)에 전단키(23)를 형성하면, 지압저항능력이 발생되어, 이음면이 분리되더라도 전단저항능력이 전단키가 없는 경우보다 향상되는데, 강도면에서는 경사각이 45°인 경우가 유리하나, 이음부 균열저항면에서는 경사각이 약 60°인 경우가 가장 유리한 것으로 나타났으며, D/H비는 강도나 변형저항성면에서 모두 약 1/4인 경우가 가장 유리한 것으로 나타났다.

도6a는 도1의 프리캐스트 콘크리트 바닥판과 바닥판 사이의 이음부를 모사한 실험체이고, 도6b는 도6a의 개념에 의한 휨실험부재도이다.

도면에 도시된 바와 같이 실제 프리캐스트 콘크리트 바닥판(1)에 도입해야 될 종방향 프리스트레스 힘을 결정하기 위해서 프리캐스트 바닥판을 직접 실험하기 보다는 이음부를 모사할 수 있는 부분 모델(61)을 구성하여 실험하는 것이 효율적이다. 휨실험부재(61)는 바닥판 이음부(2)를 모사할 수 있도록 부재중앙에 이음부를 두고, 비부착 긴장재(15)를 이용하여 교축 방향으로 프리스트레스를 도입한 독립부재로 되어 있다. 하중은 부재의 길이를 3등분한 점에 만능시험기로 재하한다.

도7은 도6b의 실험체에 대한 휨실험에 의한 교축방향 프리스트레스 힘의 크기 결정을 위한 실험결과를 나타낸 그래프이다.

도면을 통해 알 수 있는 바와 같이 교축방향으로 도입하는 프리스트레스 응력의 크기가 25 kg/㎠이상이면 비록 부재간 이음부가 있더라도 이음부가 없는 철근콘크리트 휨부재의 균열 하중 이상의 하중수준에서 이음부 균열이 발생하게 된다.

도8a는 종래의 정착장치의 구성도이고, 도8b는 비부착 긴장재(25)의 단면도이며, 도8c는 본 발명에 따른 정착장치의 구성도이다.

종래에는 정착용 볼트(83)와 정착용 너트(82)를 이용하여 각 긴장재(25)별로 독립적으로 정착판을 이용 정착하였다. 그러나, 이렇게 정착할 경우 정착단에서의 응력집중으로 균열발생 및 균등한 응력의 도입이 어려운 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 광폭의 정착판(86)을 사용하여 정착단에서의 응력집중을 방지하도록 한다. 또한, 비부착 긴장재(25)는 강연선(84)을 고무코딩(85)에 의해 보호될 수 있도록 제작하여, 비부착 긴장재(25)에 대한 그라우팅 작업을 생략할 수 있다.

도9a는 종래 프리캐스트 바닥판과 주형간 틈새(17)를 결합하는 방법이고, 도9b는 본 발명에 따른 프리캐스트 바닥판과 주형간 틈새를 결합하는 방법이다.

도면에서 씰링테이프(7)위에 프리캐스트 콘크리트 바닥판(1)을 거치하게 되면, 바닥판의 무게로 인하여 씰링테이프(7)가 압착되어 소정의 틈새가 얻어지지 않는다. 따라서, 본 발명에서는 주형의 상부에 시멘트모르터 재질의 간격재(8)를 배치하여, 씰링테이프(7)의 압착을 방지하고, 소정의 틈새를 확보하도록 하여, 바닥판의 높이 조절 기능이 유지되도록 하였다.

도10은 본 발명에 따른 전단포켓의 단면도로서, 프리캐스트 콘크리트 바닥판(1)과 주형(16)간의 결합은 바닥판 제작시 미리 설치된 전단포켓(6)을 주형 상부면에 배치된 전단연결재(5)위에 일치되게 거치하고, 전단포켓(6)에 채움재(9)를 충진시킴으로써, 이루어진다. 도면에서 전단포켓 하단부의 폭을 주형 상부면에 배치된 씰링테이프(7)의 순폭보다 작게함으로써, 바닥판(1)과 씰링테이프(7)의 밀착을 확보하고, 채움재의 누출을 방지할 수 있다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 프리캐스트 콘크리트 바닥판과 바닥판사이의 이음부형상으로 바닥판면이 접하는 면에 凹형태를 갖도록 하며, 경사각을 약 60°, 전단키의 높이/깊이의 비를 약 1/4로 하여, 이음부에서의 균열저항능력을 개선하였다.

둘째, 교축방향으로 프리스트레스를 약 25 kg/cm ² 이상 도입하면 바닥판간 이음부의 밀착성을 유지하여 일체화를 도모함으로, 이음부에서의 누수 및 균열의 발생을 방지할 수 있고, 정착단에서 광폭의 정착판을 사용하면 정착부에서의 응력집중으로 인한 균열발생을 방지할 수 있으며, 균등한 프리스트레스의 도입이 가능하다.

세째, 비부착 긴장재를 사용함으로써, 그라우팅작업을 생략할 수 있고, 프리캐스트 콘크리트 바닥판을 이용하여 교량을 건설한 다음, 바닥판의 가설, 교체 및 재가설시 긴장재만 제거하면 상기 작업이 용이하게 이루어질 수 있다.

네째, 전단포켓 하단부의 총폭을 주형 상부에 부착된 채움재 누출방지용 테이프의 순폭보다 작게함으로써, 바닥판과 주형간 밀착을 확보하고, 채움재의 누출을 방지할 수 있다. 또한, 시멘트모르터 재질의 간격재를 사용함으로써, 채움재누출방지용 테이프의 과도한 압착을 방지하여 소정의 틈새를 확보할 수 있다.

다섯째, 프리캐스트 콘크리트 바닥판과 바닥판사이에 삼각형 쐐기 형상의 공간을 형성하여, 채움재의 충진시 이음부상의 좁은 틈새에서 발생되는 병목현상을 방지함으로써, 채움재의 충진작업이 신속하게 이루어질 수 있다.

여섯째, 콘크리트와 탄성계수, 열팽창계수 등의 기계적 성질이 유사한 무수축모르터를 채움재로 사용하여, 프리캐스트 콘크리트 바닥판과의 경계면에서 양호한 밀착을 유지할 수 있고, 경계면에서의 균열을 방지할 수 있으며, 온도변화에 따른 프리스트레스 손실량 변화를 방지할 수 있다.