교량의 내하력이 조정되는 프리스트레스트 콘크리트 거더 및 이를 이용한 교량의 내하력 조정방법{Prestressed concrete girder of adjustable load bearing capacity for bridge and adjustment method for load bearing capacity of bridge}

본 발명은 교량 또는 건축용 거더(girder) 및 이를 이용한 교량의 내하력 조정방법에 관한 것으로서, 특히 시공 중 하중의 증가에 맞추어 강선의 긴장력을 이완시키거나, 시공후 장기 하중에 의한 거더의 처짐 또는 균열을 보완하는 등, 필요시에는 강선의 긴장력이 조정되어 거더의 내하력조정이 가능한 프리스트레스트 콘크리트 거더 및 이를 이용한 교량의 내하력 조정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 교량용 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 거더는 실용화된지 40여년 이상의 역사를 갖고 있으며, 경간 50m이하에서는 전세계적으로 그 사용 실적이 매우 많은 편이다. 최근에는 도로폭의 확장에 따라 거더의 길이가 점차적으로 길어져 미국에서는 40m 이상 최고 95m길이의 거더도 개발되어 사용된 실적이 있으며, 그 사용량이 점차 증대되고 있다. 이러한 장경간 거더의 경우는 대개 고강도 콘크리트를 사용하거나 단면계수가 큰 벌브T형 단면을 사용하는 방법들이 사용되고 있다. 이러한 장경간 보의 사용 증가에 따라 미연방 도로국에서는 같은 종류의 단면을 6가지의 시리즈로 제시하여 20-30m까지의 경간에 사용하도록 하였다. 또한 1988년에는 미국 프리스트레스트 콘크리트 학회와 공동으로 장경간 거더를 위한 3개의 표준단면을 제시하였다. 그 후에는 이를 응용한 다양한 단면들이 미국의 각주와 대학에서 개발되어 사용되고 있는 실정이다. 이에 따라 미국에서는 교량 건설 실적이 전반적으로는 감소함에도 불구하고 프리스트레스트 콘크리트 거더를 이용한 교량을 포함한 구조물의 건설비중은 지속적으로 증가시키고 있다.

또한 콘크리트 교량에서는 교각 위에 설치된 거더가 장기간에 걸쳐 노후화되거나 설계하중을 초과하는 중차량들이 통행하게 되면 주형이 손상되어 과다한 처짐이 발생한다. 이때는 휨인장 균열이 동반하여 발생하게 되고, 이러한 손상이 계속 진행될 경우에는 궁극적으로 교량의 붕괴로 이어지기 때문에 적절한 보수, 보강이 요구된다.

상기 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 교량은 외부 강선 보강 공법에 의하여 보수 보강이 이루어지는데, 이 공법은 외부에 설치된 강선을 단부에서 적절한 방법으로 고정해 주어야 한다. 그런데, 이 단부에서는 고정장치의 설치가 어렵고, 이 장치의 내하력에 대한 신뢰성에 문제가 있기 때문에 여러 가지 다양한 방법들이 사용되고 있으나 아직 완벽한 장치가 개발되지는 못한 상태이다. 따라서 PSC교량은 균열이 발생하고 처짐이 발생하면 보수 보강이 어려운 문제점이 있는데, 이를 극복하기 위하여 필요시 교량의 내하력 등급을 손쉽게 조절하거나 증가할 수 있는 장치를 거더가 미리 갖고 있다는 것은 매우 유리한 장점이 된다.

또 교통량의 증가와 차량 제작기술의 발달이나 산업 발달에 따라 차량 하중이 지속적으로 증가하고 있으며, 차량하중이 증가하게 되면 이에 따라 교량의 설계 기준인 시방서도 바뀌게 된다. 이러한 설계 기준은 건설교통부에 의하여 제정, 또는 개정되는데, 지난 82년에도 매우 중대한 시방서의 개정이 있었다. 이 개정에서는 교량의 등급을 1, 2, 3 등급으로 나누어 1등급 교량의 경우 설계하중을 32톤에서 43톤으로 상향 조정하고, 2등급 교량의 경우는 32톤을 설계하중을 정한 것이다. 이러한 시방서의 개정은 필연적으로 기존 교량의 내하력이 서로 맞지 않는 내하력의 불균형 사태를 불러온다. 따라서 43톤의 트럭이 다닐 수 있는 도로와 다닐 수 없는 도로가 섞여 있음으로 해서 국가 전체적인 수송망의 효율성에 중대한 지장을 주고 있다. 따라서 이들 교량의 내하력을 통일 할 수 있는, 즉 전체의 50%이상을 차지하고 있는 2등급 교량의 내하력을 1등급으로 증대시키는 경제적인 보강 방법을 찾아야 하는 국가적인 큰 어려움에 처해있다.

현재 국내에서는 도로 차선수의 증가에 따라 도로폭이 전반적으로 확대되고 있으며, 이에 따라 이들 도로를 건너가는 고가도로나 육교 등을 건설하기 위한 장경간 거더의 개발이 한참 진행되고 있다. 또한 현재 국내에서는 프리플랙스보가 기 개발되어 사용되고 있으나, 길이가 길어 운반 및 제작이 불편하고, 기존의 PSC보에 비하여 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.

또한 최근에는 장경간 거더가 제작됨으로해서 고강도 콘크리트를 사용하는 경향이 크다. 따라서 높은 긴장력을 가함으로 해서 크립의 발생량이 매우 큰 실정이다. 크립이 증가하게 되면 거더의 처짐이 증대되고, 이는 바로 상부 도로의 종단 선형에 영향을 미치며, 종단선형이 나빠지게 되면 주행차량에 의한 충격계수가 증대되는 등의 심각한 추가적인 문제가 발생한다. 따라서 고강도 거더나 장경간 거더의 경우에는 장기간 사용 후 적절한 방법에 의한 처짐 보정 공사가 필요할 것으로 예상되는 문제점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 교량의 구성을 보여주는 도면이다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 종래 기술은, 교각(10) 위에 복수개의 I형 거더(12)가 설치되고, 거더(12) 위에는 도시되지 않은 교량의 상판 슬래브가 설치된다.

도 2는 종래 기술에 따른 거더에서 강선의 배치를 보여주는 단면도이다.

도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 거더(20)는, I 형 거더로서, 그 단면이 복부(22)와, 상부플랜지(28) 및 하부플랜지(24)로 구성되어 있다. 또한 복부(22)의 하단과 하부플랜지에는 거더(20)의 길이 방향으로 복수개의 강선인 긴장재(26)가 내설되어 있다. 상부플랜지(28)의 상부에는 교량의 상판이 설치되며, 하부플랜지(24)는 그 바닥면이 교각(10)에 의해 지지된다.

상기의 종래 기술에 따른 I형 거더(20)는, 시공후, 차량의 통행에 따른 처짐이나 균열이 발생하는 등 교량의 손상이 증가되어 보강이 필요한 경우나 또는 시방서 개정에 따른 설계 통행하중을 증가시켜야 할 경우, 거더를 보강하여야 하는데 이를 보강하기 위한 적절한 경제적인 방법이 없다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 장기적인 열화나, 과하중 등에 의하여 발생되는 교량의 과다한 처짐 또는 균열이 발생하게 되면, 상부플랜지에 구비되는 강선의 긴장력을 단계적으로 이완시킴으로 해서 거더의 처짐과 균열을 보완하거나 또는 교량의 손상은 없어도 교량의 내하력을 증대시킬 필요가 있는 경우, 특별한 공구 없이도 내하력을 손쉽게 증대시킬 수 있는 교량의 내하력이 조정되는 프리스트레스트 콘크리트 거더 및 이를 이용한 교량의 내하력 조정방법을 제공하고자 하는데 있다.

또한, 시공중에 하중의 증가에 맞추어 강선을 단계적으로 이완시킴으로써 거더의 형고를 낮추거나 경간을 증대시키는 프리스트레스트 콘크리트 거더 및 이를 이용한 교량의 내하력 조정방법을 제공하고자 하는 데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 교량의 구성을 보여주는 도면이다.

도 2는 종래 기술에 따른 거더에서 강선의 배치를 보여주는 단면도이다.

도 3a는 본 발명에 따른 교량의 내하력이 조정되는 프리스트레스트 콘크리트 거더 중앙부에서 강선의 배치를 보여주는 단면도이다.

도 3b는 본 발명에 따른 거더 강선의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.

도 4a는 본 발명에 따른 거더 단부에서 강선 배치를 보여주는 단면도이다.

도 4b는 도 3b에 따른 거더 단부에서 강선 배치를 보여주는 도면이다.

도 5는 거더내에 배치된 강선의 길이 방향 배치를 보여주는 도면이다.

도 6은 고정되는 강선이 절개부에서 노출되는 것을 나타내는 도면이다.

도 7은 강선 정착의 실시예를 나타낸 도면이다.

도 8은 본 발명에 따른 교량의 내하력이 조정되는 프리스트레스트 콘크리트 거더를 이용한 교량의 내하력 조정방법을 나타내는 블록도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10: 교각 12, 20, 40: 거더

22: 복부 24: 하부플랜지

26, 27, 29: 강선 28: 상부플랜지

30: 상판 50: 지지부재

52: 쐐기 36, 54: 절개부

60: 연결부재 62: 간격쐐기

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 교량의 내하력이 조정되는 프리스트레스트 콘크리트 거더는, 내하력을 지지하도록 거더를 구비하는 교량에 있어서, 상기 거더의 상부플랜지에서 길이 방향으로 설치되는 적어도 하나 이상의 비부착 강선을 포함하며, 상기 강선의 긴장력을 단계적으로 이완하여 교량의 처짐을 보완토록 한 것을 특징으로 한다.

상기 상부플랜지는, 소정의 부위에서 상기 강선이 통과하는 절개부를 구비하며, 상기 절개부에서 외부로 노출되는 상기 강선을 구성하는 철심 중 일부 철심이 끊어지거나 이완됨에 의하여 그 수가 조정되어서 상기 강선의 긴장력이 조정되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 기술은 거더내의 강성의 긴장력을 조절할 수 있도록 함으로써 상기 기술된 문제점들을 모두 해결할 수 있다.

이하, 본 발명의 구성 및 동작을 도3a 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3a는 본 발명에 따른 교량의 내하력이 조정되는 프리스트레스트 콘크리트 거더의 중앙부에서 강선의 배치를 보여주는 단면도이다.

도시된 바와 같이 본 발명은, 상부플랜지(28)와 하부플랜지(24) 그리고 복부(22)로 구성되어 있다. 이때 거더(40)의 복부(22) 하단에서 하부플랜지(24)에 걸쳐, 거더(40)의 길이 방향으로 내설되는 적어도 하나 이상의 강선(26)을 포함하고 있으며, 상부플랜지에도 거더(40)의 길이 방향으로 형성되는 공간(29a)에 적어도 하나 이상의 강선(29)을 구비한다.

또한, 강선(29)은 상부플랜지(28)의 양쪽에서 대칭으로 거더(40)에 부착되지 않게 설치되는 것이 바람직하다. 상부플랜지(28)는 거더(40)의 단면에 있어서, 복부(22)의 상측에서 가로방향으로 구비되고, 상부플랜지(28)의 상부에 교량의 상판이 설치된다. 하부플랜지(24)는 거더(40)의 단면에 있어서, 복부(22)의 하측에서 가로방향으로 구비되고, 그 바닥면이 교각에 지지된다. 거더의 하부플랜지(24)의 하단에는 부착 또는 비부착된 복수개의 강선(26)을 구비한다. 이때 강선(27)은 거더(40)의 하부플렌지(24)에서 긴장력을 조정할 수 있다.

도 3b는 본 발명에 따른 거더 강선의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.

도시된 바와 같이, 거덩(40)에 비부착되는 강선(29)은 상부플랜지(28)와 복부(22) 사이에 형성되는 공간(29b)에 구비될 수 있다.

도 4a는 본 발명에 따른 거더 단부에서 강선 배치를 보여주는 단면도이다.

도시된 바와 같이, 도 3a의 중앙부에서 복부의 하단에 몰려있던 강선(26)은 거더(40)의 단부에서는 전단면에 분산되도록 구성되어 있다. 즉 거더(40)의 상부플랜지(28)에 설치되어 있던 강선(29)은 거더의 단부에서도 도 4a에서 도시된 위치에 있으며, 이는 강선들이 거더의 전체에 걸쳐 직선적으로 배치가 되어 있음을 나타내는 것으로서 상하부 플랜지(24)(28)에 추가로 배치된 강선들은 좌우 대칭으로 분산되어 있어야 단부에서 강선에 의한 긴장력을 전단면에 고루 분포시킬 수 있다.

도 4b는 도 3b에 따른 거더 단부에서 강선 배치를 보여주는 도면이다.

도시된 바와 같이 도 3b의 중앙부에서 복부의 하단에 몰려있던 강선(26)(27)은 거더의 단부에서는 전단면에 분산되도록 구성된다.

도 5는 거더내에 배치된 강선의 길이 방향 배치를 보여주는 도면이다.

도시된 바와 같이, 거더(40)의 내부에 배치된 강선(26)(27)은 중앙부에서는 하단으로 내려오고, 양단에서는 위로 올라가서 전단면에 고루 분산되는 포물선 배치를 갖는다. 이렇게 배치된 긴장재인 강선(26)(27)은 거더의 양단에서 적절한 정착장치(32)에 의하여 고정되며, 정착장치(32)는 거더를 제작한 후 몰타르나 콘크리트로 마감을 하게된다.

또한, 하부플랜지에 위치되는 강선(27)은 콘크리트내에 부착되어 고정된 상태로 되며, 상부플랜지(28)에 설치되는 강선(29)은 추후에 그 긴장력이 제어된다. 즉 상부플랜지(28)에 구비되는 강선(29)은 추후에 이완시킬 수 있도록 단부 정착장치가 접근가능하도록 거더 사이의 간격을 벌리거나 소정의 위치에서 형성되는 절개부(36)에서 노출된다. 이 절개부(36)는 강선(29)을 추후에 이완할 때 필요한 작업공간을 제공하기 위한 것이다.

도 6은 고정되는 강선이 절개부에서 노출되는 것을 나타내는 도면이다.

예를 들면 절개부(54)를 통과하는 강선(26)은 여러 가닥의 철심으로 구성되는데, 상기 철심 중 일부를 끊어서 남아있는 철심의 수를 단계적으로 조절함에 따라 강선(26)의 긴장력을 단계적으로 이완시킨다.

즉, 강선(26)을 구성하는 일부 철심을 끊으면, 상부플랜지(28)에서 거더(40)의 길이방향으로의 긴장력이 저감되어, 상부플랜지(28)와 평형을 이루고 있던 하부플랜지(24)에서의 길이방향으로의 긴장력이 상대적으로 증대되기 때문에 교량의 내하력이 증진된다. 절개부(54)에 노출되어 있는 강선(26)을 구성하는 철심을 적당량 절단함에 의하여 유압잭과 같은 별도의 장비가 없어도 간단히 그리고 신속하게 거더의 긴장력을 이완시킬 수 있는 장점이 있다.

도 7은 강선 정착의 실시예를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 거더(40)의 양단으로부터 연장되어서 지지부재(50)를 통과한 각각의 강선(26)이 지지부재(50)와 쐐기(52)에 의하여 고정된다. 이와같이 쐐기(52)에 의하여 고정된 상태에서 강선(26)에 긴장력을 인가한다. 예를 들면 유압잭으로부터 인가되는 힘에 의하여 강선(26)을 팽팽하게 긴장시키거나 또는 조정쐐기(62)의 엇갈림 정도를 조정함에 의하여 그 긴장력을 제어시킨다.

이상과 같이 본 발명에 따른 거더(40)는, 시공 도중에 하중이 단계적으로 증가하거나 시공 후 장기 하중에 의하여 교량의 균열(34) 또는 점선으로 도시된 처짐(35) 등이 발생되면, 거더(40)의 상부플랜지에서 여러 가닥의 철심으로 구성되는 강선(29)의 철심을 단계적으로 절단함으로써 그 긴장력을 이완시켜서 거더(40)의 처짐 등을 보완하거나 내하력을 간단히 증진시킬 수 있다.

또는 조정쐐기나 기타 유사한 방법으로 긴장력을 이완시킬 수 있으며, 이러한 이완의 작용에 의하여 하부플렌지에 구비되는 강선의 긴장력을 작용시킴으로서 거더의 내하력을 증진시킬수 있다.

한편, 본 발명의 교량의 내하력이 조정되는 프리스트레스트 콘크리트 거더를 이용한 교량의 내하력 조정방법을 설명하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 크게 본 발명의 프리스트레스트 콘크리트 거더를 교량에 거치시키는 단계(S1)와, 교량의 시공 도중 상기 교량에 거치된 거더에 가해지는 하중량에 따라 상기 비부착강선을 단계적으로 절단하는 단계(S2) 및 시공 후 교량을 사용하는 도중 거더의 처짐량에 따라 상기 비부착강선을 단계적으로 절단하는 단계(S3)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 거더를 교각에 거치하는 단계(S1)는, 거더를 제작하고(S11), 상기 거더의 비부착강선을 긴장시킨 다음(S12), 거더를 기중기로 들어 올려서 교각과 교각 사이에 거치시키고 이를 고정하는 단계(S13)를 포함하여 이루어지는 단계로서, 즉, 거더를 교각까지 운반하는 도중 교각의 파손을 방지하도록 상기 거더에 파손방지용 비부착강선을 보조로 설치하고, 상기 거더를 교각과 교각 사이에 거치시키면 불필요한 상기 파손방지용 비부착강선을 절단하여 제거하는 것도 가능하다.

또한, 교량의 시공 도중 비부착강선을 절단하는 단계(S2)는, 시공시 상기 교각에 거치된 거더 위로 교량의 상판, 아스팔트, 난간, 조명장치 등 부수적인 각종 하중물들이 단계적으로 설치되는 과정에서 상기 거더에 가해지는 하중으로 말미암아 거더의 상부 및 하부에 가해지는 압축력 또는 인장력이 허용치를 벗어나 거더가 파손되거나 처지는 것을 방지하기 위한 것으로서, 일례로서 슬래브를 타설하고(S21), 상기 슬래브하중에 따라 비부착강선을 절단 또는 이완하고(S22), 상기 교량의 상판, 아스팔트, 난간, 조명장치 등 각종 하중물들의 추가하중을 계산하여 그 하중을 상쇄시킬 수 있을 만큼의 개수에 해당하는 비부착강선을 단계적으로 절단하는 단계(S23)를 포함하여 이루어진다. 따라서, 교량의 형고를 낮추거나 경간을 증대시킬 수 있는 것이다.

또한, 시공 후 교량을 사용하는 도중 상기 비부착강선을 단계적으로 절단하는 단계(S3)는, 시공 후 교량에 각종 차량으로 인한 하중과, 충격이 반복되는 동안, 상기 거더에 피로하중이 누적되어 처짐이 발생하게 되면, 상기 거더의 상부 및 하부의 압축력 및 인장력이 증가하여 허용치를 벗어남에 따라 파손되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 주기적으로 상기 거더의 처짐량을 측정하거나 상기 거더의 상부 및 하부에 작용하는 압축력 및 인장력 등 내하력을 측정(S31)하여 이를 상쇄시킬 수 있을 만큼의 개수에 해당하는 비부착강선을 단계적으로 절단하는 단계(S31)를 포함하여 이루어진다.

따라서, 시간에 따라 증대되는 특성의 상기 거더에 작용하는 압축력 및 인장력이 항상 허용치 범위 내에 위치할 수 있도록 재조정할 수 있기 때문에 교량의 시공 도중 발생할 수 있는 거더의 지나친 처짐이나 파손을 사전에 방지할 수 있는 것이다.

도면과 명세서는 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따르면, 장기적인 열화나 크립 또는 과하중에 의하여 균열 또는 처짐이 발생된 교량에서 거더의 상부플랜지에 내설되는 강선을 단계적으로 절단 또는 이완하여 하부플랜지의 긴장력을 작용하도록 함으로써 교량의 보강을 용이하게 하거나 교량의 내하력을 손쉽게 증가시킬 수 있는 장점이 있으며, 강선의 긴장력을 적절히 이완하여 시공중 필요한 긴장력을 작용하도록 제작함으로써 장경간 보의 제작이나, 거더의 높이가 낮은 거더를 제작할 때의 공정을 보다 간단하게 할 수 있는 장점이 있다.

또한, 거더의 긴장력을 추후에 이완시킴에 의하여 장기간의 사용에 따른 처짐이나 균열 등을 보완해야 하는 경우나, 거더의 내하력을 증대시켜야 하는 경우의 보강이 손쉽게 이루어지며, 장경간 거더를 경제적으로 제작하거나, 거더의 높이가 낮아지는 등의 장점이 있다.