KR20120054578A - 복부재가 다양한 형태의 문양을 갖는 복합거더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강재의 복부재, 콘크리트 하현재 그리고 콘크리트 상부바닥판으로 구성되는 복합거더의 개발에 관한 것이다. 콘크리트 하현재를 갖는 종래의 복합트러스 거더는 강결격점의 사용으로 인한 격점구간내의 국부적인 큰 단면력의 발생, 중간지점부 격벽설치에 따른 문제 등의 해결과제를 가지고 있다.
본 발명에서는 종래의 삼각형의 트러스 구조대신에 부재간의 원할한 힘의 전달이 가능한 다양한 형태의 문양을 복부재에 사용하고, 주요 시공단계에 따라 주거더의 구조형식을 트러스 구조에서 보구조로 변환하는 복합거더교를 개발하는데 있다. 이를 위하여, 본 발명의 복합거더는 트러스와 유사한 구조거동을 하는 강재로 된 뼈대골조, 뼈대골조의 하부강재를 왼전히 둘러싸는 콘크리트 하현재, 뼈대골조의 복부공간의 일부를 채우는 콘크리트 복부재, 그리고 뼈대골조의 상현재와 결합되는 콘크리트 바닥판을 구비한다.
본 발명의 복합거더는 트러스 구조와 보구조의 장점 그리고 강재와 콘크리트가 지니고 있는 장점들을 시공조건과 시공단계에 따라 적절히 활용할 수 있다.

Description

복부재가 다양한 형태의 문양을 갖는 복합거더{The composite girder with various pattern as web members}

본 발명은 강재로만 구성되는 뼈대골조를 공장에서 먼저 제작하여 가설현장으로 운반한 다음, 제작장 또는 교각위에서 콘크리트 부재와 전단연결재를 통해 일체가 되도록 하여 외부하중에 저항하는 합성거더구조에 있어서, 강관 또는 각관을 고주파 가열을 이용한 굽힘가공을 통해 소정형상의 단위부재를 제작한 다음, 이들 단위부재를 연결판을 통해 결합하여 다양한 형상의 문양을 갖는 복부재를 만들고, 이 복부재의 상부 및 하부에 종방향 보부재를 각각 결합시켜 강재의 뼈대골조를 만든 다음, 여기에다 뼈대골조 하부에 부착된 종방향 보부재를 소정형상의 콘크리트부재와 결합시키고, 중공의 복부재의 일부를 콘크리트로 채움으로써 보의 구조거동을 하는 복합단면으로 이루어진 주거더를 만들고, 그런 다음 뼈대골조의 상부에 부착된 종방향 보부재와 콘크리트 상부 바닥판과 결합하는 것을 주요특징으로 하는 복합거더의 개발에 관한 것이다.

종래의 주거더는 복부가 벽식으로 막혀있는 충복구조 이거나 또는 삼각형태의 뚫린 공간을 갖는 트러스 구조로 되어 있다. 충복구조로 된 주거더는 연직방향의 외력을 복부재의 전단력을 통해 저항하고, 트러스 구조로 된 주거더는 사재의 축력을 통해 저항한다는 것이 두 구조형식의 가장 큰 차이점이다.

주거더가 충복구조로 되어 있는 경우에는 전단력의 크기변화에 따라 복부재의 두께를 달리하거나 또는 높이를 다르게 하는 것이 재료사용 측면에서 바람직하다. 복부재의 두께를 전단력의 크기에 따라 달리하는 대응안은 복부재가 강판으로 된 경우에는 적절히 사용될 수 있지만, 전단좌굴방지를 위해서는 일정두께 이상의 강판이 필요하므로, 반드시 전단력의 크기만으로 복부재 구성하는 강판의 두께가 결정되지 않는다는 문제를 내재하고 있다.

또한, 복부가 콘크리트로 된 경우에는 통상적으로 전단력이 최대가 되는 곳을 기준으로 복부재 두께가 결정되며, 결국 전단력에 대해서는 복부재의 저항능력에 항상 여유가 있으며, 주거더 자중이 필요이상으로 늘어나는 현상을 초래한다.

복부재의 잉여사용으로 인해 거더자중이 증가하는 현상을 방지하기 위해서는 주거더 높이를 줄이는 것이 효과적인 방법이지만, 문제는 주거더의 높이가 전단력에 의해 결정되는 것이 아니라 주거더에 생기는 휨모멘트의 크기와 처짐 등의 제약에 의해 주로 결정된다는 것이다. 휨모멘트와 처짐에 대한 주거더의 저항성을 증대시키는 가장 효율적인 방법은 주거더의 높이를 키우는 것이지만, 주거더의 높이를 키우면 전단력에 대한 저항능력의 잉여도는 그만큼 더 늘어나며, 불필요한 자중의 증가와 이로 인한 휨모멘트의 증가되는 결과가 초래된다.

여기에다, 연속보 구조에서는 전단력이 증가함과 동시에 휨모멘트의 크기도 따라 증가하므로 주거더를 높이를 변화시켜 전단력 변화에 대응하는 방법을 부분적으로 적용할 수도 있지만, 단순보 구조에서는 전단력과 휨모멘트의 변화가 서로 일치하지 않거나 반대가 되는 경향을 나타내므로 전단력이 감소된다고 해서 주거더 높이를 감소시킬 수는 없다.

한편, 복부가 트러스 구조로 된 경우에는 충복구조에서 전단력을 유발하는 연직하중이 사재의 축력으로 전달되므로 전단력의 크기에 맞추어 각 사재의 단면제원을 변화시킬 수 있기에, 복부재의 잉여사용으로 인한 자중증가 문제를 근본적으로 해소시킬 수 있다. 주거더 자중을 줄이기 위한 가장 효과적인 방안으로는 재료효율성이 우수한 강재를 복부에 사용함과 동시에 구조효율성이 뛰어난 트러스 구조형식을 사용하는 것을 들 수 있다. 트러스 구조형식은 복부재의 배치형상에 따라 외관과 명칭이 달라지는데, 이중 구조특성 및 재료효율성이 가장 좋은 형식은 압축력과 인장력을 받는 사재를 교번으로 배치한 와렌트러스(warren truss) 구조이다.

와렌트러스(warren truss) 구조는 구조물에 가해지는 연직하중을 최단경로를 통해 지점으로 전달시키며, 프리스트레싱 힘과 같은 외적 수평하중에 대한 저항성이 뛰어나 트러스 하현재에 콘크리트를 사용하는 복합트러스 거더에 사용되고 있다. 즉, 인접한 사재에 작용하는 축력이 콘크리트 하현재와 만나는 하부격점에서 압축력에서 인장력으로 전환되는데, 이 과정에서 수평력이 콘크리트 하현재에 전달된다. 이때, 인접한 사재의 중심축선과 콘크리트 하현재의 도심축이 한점에서 일치하지 않을 때에는 격점구간에는 큰 전단력과 편심모멘트가 작용하게 되는데, 콘크리트 하현재가 이들 힘에 안전하게 견딜 수 있도록 하기 위해서는 두 사재를 연결하는 적절한 형상의 매입강재와 철근을 사용한 격점부 보강과 콘크리트 하현재에 선행압축력 도입을 위한 PS강재의 사용이 필요하다.

앞에서 언급한 바와 같이, 보형식의 주거더는 대부분의 경우에 있어서 전단력에 저항하는 복부재 부분이 실제로 작용하는 연직력보다 더 큰 저항력을 갖도록 제작되는데, 이로 인해 필요치 않은 거더자중의 증가를 초래한다. 경간장이 길어질수록 거더자중으로 인한 단면력이 차지하는 비중이 커지게 되므로, 보다 효율적인 구조거동과 시공비 절감을 위해서는 복부재 형상의 최적화를 통해 거더자중을 감소시킬 수 있는 방안이 필요하다.

한편, 복부에 트러스 구조를 사용하면 자중의 경감에는 매우 효율적인 대응안이 되지만, 트러스 구조형식이 갖고 있는 다음의 몇가지 특수성으로 인해 설계 및 시공에 각별한 주의가 요구된다. 직선부재를 조합한 삼각형의 트러스 구조에서는 모든 격점구간에서 서로 연결된 부재들 사이의 급격한 힘의 방향변환이 이루어지며. 지점에 가까워질수록 사재에 작용하는 축력이 커져 격점에 가해지는 국부적인 전단력의 크기도 급격히 커진다. 하지만, 단순지지 구조형식이거나 연속지지 구조의 최외측 경간의 지점에서는 사재축력이 커지지만, 상현재에 생기는 휨모멘트로 인한 축력의 크기는 지점에 가까워 질수록 오히려 급격히 감소한다. 즉, 이 구간에서의 상현재의 강판두께는 얇은 반면에 사재의 강판두께는 두꺼워져야 하는 심각한 부재간의 두께차 문제가 문제가 발생하며, 원활한 힘의 전달과 상현재의 국부적인 전단변형을 방지하기 위해서는 추가적인 격점보강판의 사용이 불가피하게 된다.

또한, 트러스 구조는 축력에 저항하는 사재와 휨모멘트에 저항하는 상현재와 하현재가 서로 만나는 격점에서 서로 다른 작용방향을 갖는 힘들이 서로 교차하게 되는데, 이 힘들이 각 부재의 도심축을 따라 격점구간내에서 한점에서 일치할 수 있도록 설계에 세심한 주의가 요구된다. 종래의 강트러스 구조에서는 격점구간에 매우 큰 거세트판을 추가로 부착하여 서로 연결된 트러스 구성부재의 작용력이 격점내에서 서로 한점에서 만나도록 하였다.

하지만, 복부재에 강관을 사용하고 콘크리트로 된 하현재를 갖는 복합트러스 거더교에 있어서는 노출된 큰 규모의 거세트판을 사용할 때 생기는 여러가지 문제점들, 콘크리트와 강재접촉면의 부식으로 인한 유지관리문제 그리고 상대적으로 낮은 거더높이로 인한 미관저해 등의 문제로 인해 콘크리트로 된 현재 내에 매입되는 강결격점구조가 주로 사용되고 있으며, 이 경우 인접한 사재에 작용하는 축력은 직접 또는 간접적으로 콘크리트 현재를 통해서만 힘이 전달된다. 이 과정에서 사재에 작용하는 축력의 연직성분과 강결처리로 인한 국부적인 사재의 휨모멘트가 격점구간에 발생되는데, 이 힘들로 인해 콘크리트 하현재에 유해한 균열을 유발되지 않도록 각별한 설계상의 주의가 요구된다.

한편, 경간장이 길어질수록 위치에 따라 사재에 작용하는 축력의 절대크기의 차이가 심해지며, 이에 따라 사용되는 사재 및 격점의 제원도 많이 다양해져야 한다. 하지만, 설계 및 제작상의 단순화를 충족시키기 위해 너무 많은 종류의 사재와 격점의 사용은 피하게 되므로 결국 계산상 필요한 것 보다 많은 많은 양의 강재를 사용할 수 밖에 없는 경우가 빈번히 생긴다.

트러스를 구성하는 사재들 사이의 현저한 단면력 차이로 인한 불필요하게 강재사용량이 늘어나는 문제해결을 위해 와렌트러스를 트러스의 반격점간격으로 서로 겹친 더블와렌트러스 구조를 적용하는 방안도 있지만, 이 경우에는 지속적인 유지관리가 필요한 격점수가 오히려 두배로 증가하고, 서로 교차되는 사재구간의 처리문제, 중간교각에서의 사재의 지점처리, 그리고 투시성의 저하 등의 문제로 인해 아주 특별한 경우를 제외하고는 잘 사용되지 않는다.

그리고, 콘크리트 하현재를 갖는 복합트러스 거더를 연속구조에서 적용할 때 발생되는 또 다른 현안 중의 하나는 중간지점부에서의 국부적인 휨변형 구속으로 인해 콘크리트 하현재에 매우 큰 휨모멘트가 생기는 현상이다. 이것은 트러스를 구성하는 모든 부재요소는 격점에서 서로 핀구조로 결합된다는 이상적인 트러스 거동과는 달리, 격점구간에서 콘크리트 하현재는 휨강성을 갖는 연속 보부재로 결합되기 때문에 발생되는 현상이다.

상기 문제를 해결하기 위하여, 종래의 강트러스교와는 달리 복합트러스 거더교에서는 각 중간지점에 강성이 매우 큰 콘크리트 격벽을 트러스의 한격점 내지 서너격점에 걸쳐서 추가로 설치하여 콘크리트 하현재에 발생되는 국부적인 휨모멘트에 저항하도록 하고 있지만, 격벽설치에 따른 비용증가, 자중의 증가로 인한 사용받침의 용량증가 그리고 하부지지구조의 규격증가 등의 문제가 별도로 수반된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 콘크리트 하현재를 갖는 종래의 복합트러스 거더는 전체적인 힘의 흐름에 있어서는 트러스의 구조거동을 나타내므로 자중경감이라는 본래의 목적은 성취할 수 있지만, 위치에 따른 사재와 상현재 사이의 단면력 발생경향의 불일치, 다양한 규격의 사재 및 격점제원 사용의 제약, 강결격점의 사용으로 인한 격점구간내의 국부적인 큰 단면력의 발생, 중간지점부 격벽설치에 따른 문제 등의 추가의 해결과제를 가지고 있다

본 발명에서는 전술한 복합트러스 거더의 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 삼각형의 트러스 구조대신에 부재간의 원할한 힘의 전달이 가능한 다양한 형태의 문양을 복부재에 사용하고, 주요 시공단계에 따라 주거더의 구조형식을 트러스 구조에서 보구조로 변환하는 복합거더교를 개발하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 복합거더는 트러스와 유사한 구조거동을 하는 강재로 된 뼈대골조, 뼈대골조의 하부강재를 완전히 둘러싸는 콘크리트 하현재, 뼈대골조의 복부공간의 일부를 채우는 콘크리트 복부재, 그리고 뼈대골조의 상현재와 결합되는 콘크리트 바닥판을 구비한다.

이때, 강재로 된 뼈대골조로는 직선의 한쌍의 사재가 상현재 또는 하현재와 만나는 곳에서 일정의 경사각으로 교번되는 종래의 트러스 구조대신에, 복부재에 원형 또는 반원형의 형상을 갖는 부재를 사용함으로써 복부재에 가해지는 연직력이 상현재와 하현재를 통하지 않고서도 인접한 복부재에 직접 전달되는 하중경로를 형성시키며, 복부재가 상현재 또는 하현재가 만나는 위치에서는 복부재에 작용하는 축력과 현재의 축력방향이 서로 평행 또는 직각이 되도록 함으로써 최단거리로 힘의 전달이 이루어지는 직접전단(direct shear)에 의한 부재간의 힘의 전달이 이루어지도록 한다.

강재로 된 뼈대골조의 복부재에는 하트형상을 갖는 부재를 사용하는 것을 통해서도 연직력이 복부재간의 직접결합을 통해 전달시킬 수 있으며, 복부재와 상현재 사이의 힘의 전달은 두 부재가 수평으로 나란히 배치되도록 함으로써 직접전단으로, 복부재와 하현재 사이의 힘의 전달은 부재간 교차각이 약 70도 수준이 되도록 할 수 있어 격점규모가 종래의 트러스 구조에 비해 대폭 축소된다. 그리고, 직선의 축방향 부재가 형성되는 부분의 길이가 대폭 짧아짐으로써 압축력을 받을 때의 좌굴에 대한 저항성이 크게 향상되며, 동일한 격점간격을 유지하면서도 사재의 경사각을 가파르게 하는 효과를 얻을 수 있어 복부재의 규격이 감소된다. 여기에다. 복부재와 상현재가 거의 격점 전구간에 걸쳐 겹쳐짐으로써 연직력의 일부가 상현재와 복부재의 전단저항을 통해서도 전달될 수 있도록 한다.

또한, 뼈대골조의 복부재로 마름모형상의 부재를 연속으로 배치하면, 종래의 더블와렌트러스와 같이 복부재에 작용하는 축력을 분산시키는 것과 동일한 구조거동을 확보할 수 있다. 그리고, 복부재에 생기는 연직력을 상현재 및 하현재를 통하지 않고도 복부재 사이의 직접전단을 통해 전달시키며, 복부재의 작용하는 축력의 방향변환으로 인해 생기는 수평력도 직접전단의 형태로 상현재와 하현재에 전달시킬 수 있다.

지금까지 기술한 복부재의 형상을 변화시켜 격점에 작용하는 힘의 크기를 감소시키는 것과는 별도로, 본 발명의 또 다른 주요 목적은 주거더의 구조형식을 시공단계에 따라 유사 트러스 구조에서 보구조로 변환시키는 방법을 통해 주거더에 작용하는 연직력을 복부재의 축방향 저항뿐만 아니라, 복부재, 상현재, 하현재 그리고 연결부 보강판의 전단저항으로도 지지할 수 있는 경량의 복합거더를 제작하는 것에 있다. 즉, 주거더의 기본골격이 되는 강재의 뼈대골조를 이용하여 주거더를 형성하는 단계에서는 트러스와 유사한 구조거동이 지배적인 구조가 되도록 하며, 상부바닥판 콘크리트와 결합되는 단계 및 공용중인 상태에서는 주거더가 보의 구조거동을 나타내도록 한다.

본 발명에 따른 복합거더를 각 구성부재별 자중으로 비교해보면, 전체자중에서 강재의 뼈대골조가 15%, 콘크리트 하현재가 30% 그리고 콘크리트 상부바닥판이 55% 정도의 비중를 각각 차지하며, 교량구조물에 사용될 경우에는 연석 및 포장 등의 추가고정하중 그리고 차량등의 이동하중의 크키는 복합거더자중의 약 30%수준이 된다. 즉, 콘크리트 하현재가 형성되는 단계까지의 연직력은 전체크기의 약 35%정도이며, 이후 공용단계까지 주거더에 추가로 가해지는 연직력은 약 65%로써, 주거더의 전단저항을 통해 연직력을 분담시킬 수 있는 구조가 되면 복부재의 규격을 줄일 수 있게 되며, 이 결과로써 복부재와 상현재 또는 하현재가 만나는 곳에 설치되는 격점의 규모를 크게 감소시킬 수 있게 된다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 복합거더는 복부에 설치된 개구부 중에서, 복부재만으로 둘러싸인 공간을 제외한 나머지 공간을 두께 150mm내외의 얇은 철근 콘크리트 구조로 채워 보와 동일한 구조거동을 나타내도록 한다.

본 발명에 따른 복합거더의 주요 효과는 다음과 같다.

첫째로, 복부재와 상현재 또는 하현재가 서로 만나는 곳의 격점구조를 간소화할 수 있어 시공성과 유지관리성이 크게 향상된다.

둘째로, 복부재에 가해지는 축력의 절대크기가 줄어들어 장경간의 구조에 사용될 때에도 사용되는 복부재의 규격을 2내지 3종류 이하로 할 수 있어 제품구입이 용이해지고, 강부재의 제작효율도 많이 향상된다.

셋째로, 복부공간에 다양한 형상의 패턴을 가지게 됨으로써 새로운 감각을 느낄 수 있는 미관성이 우수한 합성거더구조를 건설할 수 있다.

넷째로, 트러스 구조와 보구조의 장점 그리고 강재와 콘크리트가 지니고 있는 장점들을 시공조건과 시공단계에 따라 적절히 조합할 수 있어 경제성과 시공성을 동시에 만족하는 합성거더구조의 건설이 가능해진다.

제 1도는 본 발명에 따른 복부재 제작을 위한 단위부재 형상도
제 2도는 본 발명에 따른 단위부재 제작에 사용되는 부재단면도
제 3도는 본 발명에 따른 단위부재의 굽힘가공을 위한 장치개요도
제 4도는 본 발명에 따른 강재 뼈대구조의 형상도
제 5도는 본 발명에 따른 강재 뼈대구조의 부재간 힘의 흐름도
제 6도는 본 발명에 따른 단위부재간의 조합으로 제작될 수 있는 강재 뼈대구조의 예시도
제 7도는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 복합거더 시공순서도
제 8도는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 복합거더 시공순서도
제 9도는 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 복합거더 시공순서도

이하, 본 발명의 내용을 구체적으로 설명하기 위하여 실시예를 나타낸 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 복부재 제작을 위해 사용되는 단위부재의 형상을 나타낸 것이다. 도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명에 따른 복합거더의 복부재는 소정의 반경(R)으로 굽힘가공된 원형(1), 하트(2), 부등호(3), 그리고 반원(4)의 형상을 갖는 단위부재를 이용해 일정간격으로 다양한 문양을 갖도록 제작된다.

도 2는 본 발명에 따른 단위부재에 사용되는 단면형상을 나타낸 것으로써, 굽힘가공에 따른 재료특성의 변화가 최소가 될 수 있는 원형강관 또는 사각각관의 단면으로 이루어진다.

도 3은 본 발명에 따른 단위부재를 제작하기 위한 장치의 개요를 나타낸 것이다. 도 3에 나타낸 것과 같이, 원곡선이 시작되는 곳에 일정한 반경이 유지되도록 하는 고정용 클램프(5)를 부착한 다음, 직선부재가 고정로울러(7)의 앞쪽에 고주파 가열장치(6)를 통과하면서 소정반경(R)을 갖도록 굽힘가공한다. 즉, 고온의 고주파 가열을 통한 굽힘가공을 실시하여, 강재고유의 재료특성 손상을 최소화 할 수 있어 상온에서의 냉간가공에 비해 곡선반경을 2배 이상 작게 할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 단위부재를 이용하여 구현할 수 있는 강재 뼈대구조의 형상을 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 단위부재를 사용하여 구현할 수 있는 유사 트러스 구조는 크게 네 가지의 기본형상으로 구분할 수 있다.

먼저, 원형의 단위부재(1)를 연결판(10)의 용착을 통해 서로 연결하여 복부재를 형성한 다음, 복부재의 상부와 하부에 각각 상현재(8)와 하현재(9)를 용착시켜 뼈대 골조를 형성시키며, 지점이 위치하는 양쪽단부에는 복부보강판(11)을 부착하도록 함으로써 복부에 원형의 개구부를 강재 뼈대구조가 제작된다(도4(a)).

복부에 하트형상 문양의 개구부를 갖는 강재 뼈대구조는 하트모양의 단위부재(2)의 곡선가공된 부분을 연결판(10)의 용착을 통해 서로 연결하여 복부재를 형성한 다음, 복부재의 상부는 수평의 직선구간을 따라 상현재(8)와 용착하고, 복부재의 하부는 하트모양의 단위부재(2)를 폐합시키기 위해 용착한 보강판(12)과 하현재(8)를 서로 용착시키는 것을 통해 제작된다(도4(b)).

복부에 마름모꼴 문양의 개구부를 갖는 강재 뼈대구조는 부등호 모양의 단위부재(3)의 곡선가공된 부분을 서로 마주보게 배치한 후 연결판(10)의 용착을 통해 서로 연결하여 복부재를 형성한 다음, 복부재의 상부와 하부에 각각 상현재(8)와 하현재(9)를 용착시키는 것을 통해 제작된다(도4(c)).

복부에 반원형상 문양의 개구부를 갖는 강재 뼈대구조는 반원 모양의 단위부재(4)의 하단을 용착을 통해 서로 연결하여 복부재를 형성한 다음, 복부재의 상부와 하부에 각각 상현재(8)와 하현재(9)를 용착시키는 것을 통해 제작된다(도4(d)).

도 5는 본 발명에 따른 강재 뼈대구조의 부재간 힘의 흐름도를 나타낸 것이다. 도 5(a)에 나타낸 것과 같이, 원형의 단위부재를 복부재에 사용할 때에는 외부하중에 의한 연직력은 복부재가 상현재 및 하현재가 만나는 위치에서는 전단력의 형태로 작용하며, 복부재끼리 서로 만나는 복부중앙에서는 연직방향의 축력으로 힘의 방향이 전환되며, 단위부재의 전방과 후방의 연결점에 작용되는 연직축력(V1, V2)의 차이로 인해 단위부재가 연직력의 크기가 작은 쪽으로 회전하려는 거동이 생기게 되며, 이 회전거동을 구속하기 위해 상현재에는 압축력(C1,C2)이 생기고, 하현재에는 인장력(T1,T2)가 각각 생기게 된다. 즉, 종래의 트러스 구조에서는 모든 연직력이 직선의 사재축력에 의해서만 전달되었지만, 본 발명에 따른 원형의 복부구조를 갖는 뼈대구조에서는 고차부정정의 구조저항성이 뛰어난 원구조를 통해 연직력에 저항하는 구조특성을 가진다.

도 5(b)에 나타낸 것과 같이, 하트형상의 단위부재를 복부재에 사용할 때에는 단위부재간의 연결점을 기준으로 하여 상현재와 하현재측으로 각각의 삼각형의 트러스 구조가 형성되며, 이 결과로써 단위부재 연결점에 가해지는 연직력(V1,V2)은 상하에 위치한 두 트러스 구조로 분담되며, 상부트러스로 전달되는 연직력 성분에 의해 상현재는 압축력(C1,C2)가 생기고, 하부트러스에 전단되는 연직력 성분에 의해 하현재에는 인장력(T1,T2)가 각각 생기게 된다. 종래의 트러스 구조에서는 사재에 작용하는 축력은 부재 전 길이에 걸쳐 크기와 방향이 항상 일정하게 유지되며, 오직 현재와 만나는 격점구간에서 작용력의 크기와 방향이 변화되는 특성을 가지고 있기에 전체 연직력이 한 격점에만 집중되는 현상이 발생되었지만, 본 발명에 따른 하트형상의 복부구조를 갖는 뼈대구조에서는 하나의 복부재에 작용하는 힘의 크기와 방향을 부재위치에 따라 다르게 달라지도록 할 수 있어 현재와 만나는 격점에 작용되는 연직력의 절대 크기를 감소시킨다. 또한, 연직력이 집중되는 복부재간의 연결점을 상현재와 하현재 사이에 놓이게 함으로써 상현재와 하현재의 전단저항을 통해서도 연직력의 일부가 분담될 수 있도록 하였다.

도 5(c)에 나타낸 것과 같이, 부등호 형상의 단위부재를 이용하여 마름모꼴 형상의 복부재가 구축될 때에는 복부재간의 연결점을 기준으로 하여 상현재와 하현재측으로 동일한 제원의 두 개의 삼각형의 트러스 구조가 형성되며, 이 결과로써 단위부재 연결점에 가해지는 연직력(V1,V2)은 상하에 위치한 두 트러스 구조에 동등하게 분담되며, 상부트러스로 전달되는 연직력 성분으로 인해 상현재에는 압축력(C1,C2)가 생기고, 하부트러스에 전단되는 연직력 성분으로 인해 하현재에는 인장력(T1,T2)가 각각 생긴다. 즉, 본 발명에 따른 마름모꼴 형상의 복부구조를 갖는 뼈대구조는 종래의 더블와렌트러스 구조와 동일한 구조거동을 나타낸다.

한편, 도 5(d)에 나타낸 것처럼, 반원형상의 복부재를 갖는 경우에는 상현재에 작용하는 연직하중은 상현재와 복부재가 만나는 위치에서의 집중하중으로 작용되며, 이 집중하중은 복부재의 아치작용을 통해 복부재와 하현재가 만나는 위치에서 수평력과 연직반력으로 전환되는데, 이때의 수평력은 하현재에 인장력(T1,T2)을 유발시키고, 연직반력은 복부재 사이의 직접전단을 통해 인접한 복부재로 전달된다. 한편 하현재에 작용하는 연직하중은 반원의 복부재의 끝단을 지점으로 하는 연속보구조로써 거동하는 하현재의 휨저항을 통해 지점으로 전달되며, 지점으로 전달된 연직력은 복부재의 아치작용을 통해 반원의 정점쪽으로 전달되는데, 이 연직력은 반원의 정점에서 수평력과 전단력으로 각각 변환되는데, 수평력은 상현재의 압축력(C1,C2)을 유발시키고, 전단력(V1,V2)은 복부재의 아치작용을 통해 반대편 복부재의 끝단으로 전달된다.

제 6도는 본 발명에 따른 동일 또는 다른 모양의 단위부재를 두 개 이상 조합하여 만든 문양의 복부재를 갖는 강재 뼈대구조의 형상을 나타낸 것이다.

먼저, 도6(a)에 나타낸 것과 같이, 원형의 단위부재(1)를 연결판(10)을 통해 서로 연결된 복부재에 직각의 내각을 갖는 부등호 형상의 단위부재(3)를 이용하여 원형의 단위부재(1)를 상현재(8)와 하현재(9)를 통해 각각 추가로 연결시켜줌으로써, 원형의 복부재(1)에 생기는 전단력과 모멘트의 크기를 대폭 감소시키고, 더불어 상현재와 하현재에 작용하는 연직하중을 분산시키는 효과를 얻을 수 있다.

원형의 단위부재(1)에 생기는 전단력과 모멘트를 감소시킬 수 있는 다른 방안으로는 직각의 내각을 갖는 한쌍의 부등호 형상의 단위부재(3)를 원형의 단위부재(1) 내부에 용착시켜 복부재가 자동차의 휠과 같은 형상이 되도록 한다(도6(b)).

또한, 도6(c)에 나타낸 것과 같이, 한쌍의 하트형상의 단위부재(2)를 수평선에 대해 서로 마주보게 한 다음, 연결판(10)을 용착하여 나비형상의 문양을 갖는 복부재를 갖는 강재 뼈대구조를 만들수 있다.

한편, 반원형상의 복부재를 갖는 강재 뼈대구조는 복부재 높이가 동일할 때에 다른 문양을 갖는 복부재에 비해 가장 넓은 면적의 개구부를 확보할 수 있다는 장점이 있지만, 반대로 반원형의 복부재에 생기는 전단력과 모멘트의 크기가 다른 형식에 비햐 현저히 커지는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 도 6(d)에 나타낸 것과 같이, 반원형 부재(4)의 내부와 외부에 크기가 다른 두 개의 부등호 형상의 단위부재(3)를 추가하여 상현재(8)와 하현재(9)에 연결되는 하중전달경로를 새로이 생성시키면, 반원형 부재에 생기는 전단력과 휨모멘트 크기를 현저히 감소시킬 수 있음과 동시에, 상현재와 하현재에 생기는 휨모멘트도 크게 줄어든다.

도 7은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 복합거더 시공순서를 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 복합거더는 거더형성전의 자중을 포함한 시공하중을 별도의 지보시설에 의해 지지되는 가설공법이 적용되는 경우에는 복부재만으로 구성된 강재 뼈대구조만을 이용해 제작될 수 있다. 먼저, 도7(a)에 나타낸 것처럼, 콘크리트와의 결합을 위해 전단연결재(13)를 구비한 복부재(4)를 연결판(10)을 통해 연결하고, 그런 다음 도7(b)에 나타낸 것처럼, 복부재(4)를 콘크리트 하현재(14)와 콘크리트 상부바닥판(15)와 결합시키고, 콘크리트 상부바닥판(15)과 복부재(4) 사이의 공간을 복부콘크리트(16)로 충진시켜 보(beam)의 구조거동을 하는 복합거더를 제작한다. 이때, 외부하중으로 인해 인장응력이 생기는 콘크리트 하현재는 콘크리트 내부에 매입된 고강도 PS강재(17)를 이용하여 선행압축력(P)을 도입시킨다.

도 8은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 복합거더 시공순서를 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 복합거더는 합성전 주거더를 크레인에 의한 일괄거치가 가능한 가설여건을 갖는 경우에는 복부재와 상현재만으로 구성되는 강재 뼈대구조만을 이용해 제작될 수 있다. 먼저, 도 8(a)에 나타낸 것처럼, 소정형상의 단위부재(2)에 연결판(10,12)을 용착해 복부재를 형성하고, 복부재와 콘크리트 바닥판과의 결합을 위해 전단연결재(13)가 구비된 강재의 상현재(8)와 복부재를 용착시켜 강재 뼈대구조를 제작한다. 다음으로, 도 8(b)에 나타낸 것처럼, 별도로 조성된 지상의 공간에서 강재 뼈대구조를 내부에 매입된 고강도 PS강재(17)를 이용하여 선행압축력(P)을 도입시킨 콘크리트 하현재(14)와 복부콘크리트(16)와 결합시켜 복합주거더를 제작한다. 그런 다음, 제작된 주거더를 크레인을 이용해 교각이나 기둥위에 거치하고, 거치된 주거더와 콘크리트 상부바닥판(15)을 합성시켜 복합거더를 완성한다(도 8(c)).

제 9도는 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 복합거더 시공순서를 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 복합거더는 경간장이 매우 길거나 또는 대형크레인의 사용이 어려워, 도 8에 나타낸 것과 같은 시공순서로 가설하지 못할 경우에는 강재 뼈대구조만으로 외적하중에 대한 저항이 가능하도록 복부재, 상현재 그리고 하현재를 모두 구비하도록 한다. 먼저, 도 9(a)에 나타낸 것처럼, 소정형상의 단위부재(1)에 연결판(10)을 용착해 복부재를 형성하고, 복부재와 콘크리트 바닥판과의 결합을 위해 전단연결재(13)가 구비된 강재의 상현재(8)와 하현재(9)를 각각 복부재를 용착시켜 강재 뼈대구조를 제작한다. 다음으로, 도 10(b)에 나타낸 것처럼, 강재 뼈대구조를 크레인을 이용해 교각이나 기둥위에 거치하여 콘크리트 하현재(14)와 결합하고, 콘크리트 하현재(14)에 매입된 고강도 PS강재(17)를 이용하여 선행압축력(P)을 도입시킨다. 그런 다음, 도 10(c)에 나타낸 것처럼, 강재 뼈대구조의 상현재(9)와 콘크리트 상부바닥판(15)을 합성시키고, 강재 뼈대구조의 복부재(1)와 콘크리트 하현재 및 콘크리트 상부바닥판으로 둘러싸인 빈공간을 복부콘크리트(16)로 충진하여 복합거더를 완성한다.

이상에서 설명된 본 발명에 따른 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 앞에서 설명된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 사용된 용어들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미의 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.

1 : 복부재 제작을 위한 원형 단위부재
2 : 복부재 제작을 위한 하트형 단위부재
3 : 복부재 제작을 위한 부등호형 단위부재
4 : 복부재 제작을 위한 반원형 단위부재
5 : 단위부재의 굽힘가공을 위한 고정 클램프
6 : 고주파 가열장치
7 : 고정로울러
8 : 강재 뼈대구조의 하현재
9 : 강재 뼈대구조의 상현재
10 : 단위부재 연결판
11 : 지점보강판
12 : 단위부재 하부연결판
13 : 전단연결재
14 : 콘크리트 하현재
15 : 콘크리트 상부바닥판
16 : 복부콘크리트
17 : 고강도 PS강재

Claims (6)

1. 고주파 가열장치를 이용한 굽힘가공을 통해 별개로 제작된 소정형상의 강부재를 나란히 연결하여 형성된 복부재를 갖는 강재의 뼈대구조를 가지며, 뼈대구조의 하부는 선행압축력이 도입된 콘크리트 하현재와 결합되고, 뼈대구조의 상부는 콘크리트 상부바닥판과 결합되고, 뼈대구조의 복부재와 콘크리트 하현재 그리고 뼈대구조의 복부재와 콘크리트 상부바닥판으로 둘러싸인 각각의 복부공간을 콘크리트로 채우는 시공단계를 거쳐 최종으로는 보(beam)로써의 구조거동을 하는 것을 특징으로 하는 복합거더.
2. 제1항에 있어서,
   상기 강재 뼈대구조의 복부재가 원형 내지, 하트형상 내지, 부등호형상 내지, 반원형으로 별개로 제작된 동일 형상의 단위부재들만으로 형성되는 연속된 문양을 구비하도록 하는 것을 특징으로 하는 복합거더.
3. 제1항에 있어서,
   상기 강재 뼈대구조의 복부재가 원형 내지, 하트형상 내지, 부등호형상 내지, 반원형으로 별개로 제작된 단위부재들을 서로 조합하여 형성되는 연속된 문양을 구비하도록 하는 것을 특징으로 하는 복합거더.
4. 제1항에 있어서,
   상기 강재 뼈대구조가 원형 내지, 하트형상 내지, 부등호형상 내지, 반원형으로 별개로 제작된 단위부재들로 형성된 복부재만으로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합거더.
5. 제1항에 있어서,
   상기 강재 뼈대구조는 원형 내지, 하트형상 내지, 부등호형상 내지, 반원형으로 별개로 제작된 단위부재들로 형성된 복부재와 콘크리트 바닥판과의 합성거동을 위한 전단연결재가 용착된 종방향보를 복부재의 상부에 구비하는 것을 특징으로 하는 복합거더.
6. 제1항에 있어서,
   상기 강재 뼈대구조는 원형 내지, 하트형상 내지, 부등호형상 내지, 반원형으로 별개로 제작된 단위부재들로 형성된 복부재와 콘크리트 부재와의 합성거동을 위한 전단연결재가 용착된 종방향보를 복부재의 상부와 하부에 각각 구비하도록 하여 외적하중에 독립적으로 저항할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 복합거더.

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