본 기술은 일반 구조용 H-BEAM에 수직 및 수평 보강재와, H-BEAM하부 중앙에 편향부를 부착하고,양 끝단에 정착구를
설치한 후 고강도 강봉을 사용하여 프리스트레싱 시킴으로서, 장지간을 가능하게 한 가설교량의 설계 및 제작 기술이다.
This technique enables girder span to increase in length by using the deviator at the center of the girder and by prestrssing the steel bar at the end of the girder.
공법 특징
- 30M이상 장지간化로 경제성 극대화
High economical efficiency by increase of span length.
- 규격화,표준화로 시공성 향상
Easy to construct by standardization.
- 자재절감, 조립식 일체 거치 형태로 공기단축
Reduction in construction time by assembling and cutting down materials.
- 기존 구조물 내하력 보강
Strengthening existing Structures.
- 동바리 Full Staging Method (F.S.M)
기술 개요
1. 프리스트레서 I-Beam의 이론적 배경
(Theoretical Background of the Prestressed I-BEAM)
프리스트레스는 구조물의 강도를 증가시키기 위하여, 계산에 의한 정확한 응력을 부재단면에 도입·분포시키는 것이다.
프리스트레스 콘크리트의 목적은 하중의 작용시 각 단면에 인장응력이 작용하지않게 하거나 일부 제한된 인장응력이 작용하게 하여 주로 압축응력을 얻는 것이다. 그러나, 하중을 받는 프리스트레스 강구조물의 경우 동일단면 내에 인장력과 압축력이 동시에 존재한다.
결과적으로 강구조물의 유효 단면적이 콘크리트의 유효 단면적 보다 커지기 때문에 강구조물에 프리스트레스를 도입하면 콘크리트의 경우보다 더 경제적이다.
프리스트레스는 강구조물이나 구조부재에 작용하중에 의한 응력과 반대의 응력을 인위적으로 도입시키는 것이다.
<그림 1>과 같이 구조물에 작용하는 하중에 의한 응력과 반대방향의 응력을갖는 f 0를 도입하면 재료의 탄성일 범위는 증가한다.
프리스트레스를 도입하면,초기응력 f 0가 생성되고,하중 P가 작용해서 Tendon의 응력은 허용응력 F에 도달한다.
프리스트레스 Tendon이 지닌 인장력은 프리스트레스를 도입하지 않은 Tendon이 가진 인장력보다 f 0·A만큼 더 커진다. 또한, 다단계 프리스트레스를 가함으써, 내력을 점차적으로 증가시킬 수가 있는데 <그림 2>와 같이 몇회의 사이클로프리스트레스와 구하고자 하는 하중을 얻을 수 있다. 변화하는 작용하중P 1하에서, 초기응력 f 0는 한계값 F에 도달할 때까지 Tendon에 작용한다.
두번째 사이클에서 획득된 응력과 작용하중 P2를 감소시키는 초기응력 f 02
가 다시 주어진다.
몇 번의 사이클 후에, 하중의 합 P2는 프리스트레스를 도입하지 않은 구조물이 받을 수 있는 P1 보다 몇 배가 더 크게 된다. 일반적으로 구하고자 하는 하중은 3 ∼ 4번의 사이클로 얻을 수 있다.
케이블이나 Tendon의 가격은 일반 강재보다 2~3배 비싸지만 강도가 4~6배 더 크기 때문에 이러한 형태의 프리스트레스를 적용함으로써,고강도 재료를 효과적, 경제적으로 구조물에 사용할 수 있다.
프리스트레스트 강구조물의 거동을 이해하기 위해, 하중 작용상태하에서 각형 단면의 Tendon과 같은 단순 모델을 예로 들었다.
단면적이 A인 Tendon과 단면적인 At인 고강도 Tendon을 <그림 3>과 같이 프리스트레스를 도입하여 바(bar)에서의 허용응력 F보다 다소 작은 최대 압축 응력 f0 를 얻는다면, Tendon은 한계 저항력 Ft보다 작은 프리스트레스를 가하기 위한 상태의 인장응력 f0t에 있게 된다.
그 후 외력에 의해 Tendon은 인장되어 강재와 Tendon의 저항력을 완전히 이용할 수 있다. 프리스트레스 f0t를 받은 Tendon에, Tendon의 응력에 해당하는 인장응력도 (F t - f 0t)가 추가되거나,(F + f 0) 과 같게 된다.
여기서 E와 E t는 각각 바(bar)와 Tendon의 탄성계수를 나타낸다.
Tendon은 인장변형을 받고,응력은 (F+f 0)에 대응한다. 사용하중에서 Tendon은 (F+f 0)의 응력을 받을 수 있으며 와이어는 (F t-f 0t)의 응력을 받게 된다.
평형조건을 만족하는 단면적을 선택함으로써 한계응력은 Tendon과 와이어에서 동시에 얻어진다. 이 경우, 합성 부재가 갖는 전체 저항력은 다음과 같다.
P = AF + A t F t = AF( 1 + α.β ) ......(1-1)
여기서, α = , β = 이다.
괄호 안의 수치는 고강도 재료을 이용한 프리스트레스 시, Tendon의 내력의 증가를 의미한다. 하중을 받는 Tendon의 전체 변형은 다음 식과 같다.
Δ1 = = .....(1-2)
2. 외부 프리스트레스 강재보(A.T.O.M)의 범위
(Extents to ATOM (External prestress Beam))
일반 구조용 강재H-BEAM에 편향부(DEVIATOR)를 설치하고, 고강도 강봉 및 강연선(이하 텐던)으로 외부 프리스
트래싱을 도입하여 인장력을 향상시키고, 플랜지의 항복을 지연시키며 장지간을 가능케한 강재보 제작 기술.
본 기술은 일반 구조용 H-BEAM에 수직 및 수평 보강재와 H-BEAM 하부 중앙에 편향부(DEVIATOR)를 부착하고
양끝단에 정착구를 설치하여 고강도 강봉(강연선)을 사용하여 프리스트레싱 시킴으로서 텐던(TENDON)의 인장력
과 상판의 압축력에 의한 모멘트 커플을 발생시키고, 고강도 텐던(TENDON)으로 저강도 강재를 대체하여 강재무
게를 경감시키며, 텐던의 프리스트레싱은 부정적여력(REDUNDANCY)을 향상시킴을 이용하여, 안전성 및 사용성
을 확보한 강재보로, 장지간의 가설교량을 설계 및 제작, 시공할 수 있는 기술이다.
ATOM bridge Construction Method
Background of deveolpment The existing bridge construction method of temporary bridge causes high construction cost, long construction time and the constructions were very complicated. Because of their short spans between piers and a lot of welding work required. In addition, it has a problem of reconstruction after taking the temporary bridge to pieces in the rainy season due to growing water. Therefore, the ATOM construction method has been developed in order to maximize the economical effect, and to ensure the safety of temporary bridge construction to the maximum, and further more to increase construction convenience than the existing temporary bridge construction methods.
Demerits with existing method - Many H-Beams for Piles are required. Because of short span length. - Many welding on the field causes complicated construction and extends construction time. - The economic viability becomes depreciate due to intricate shapes such as the main beam, cross beam, stiffener, bracing and deck plates.
- In the method of breaking up, using oxygen makes much amount of scrap and results in depreciating economical viability and making construction period longer.
- The temporary bridge due to existing methods should be taken apart and then reconstructed in case of raising of flowing water in the rainy season. Because the cross section of sealing water gets narrow due to many piers. Caused by the short distance between piers. By using the prestressing method to temporary bridges which can be manufactured in the factory in standard components, the span of bridges can be lengthened. This means that construction times could be shortened and the construction becomes economical and easy. The prestressing technology applied to bridges could be used in case of newly constructing bridges or could be used to increase the load endurance of existing bridges. The prestressing technology availability widely, while the prestressed steel bridge showed slow development relatively. Different from the concrete member that is weak against tensile stress, steel member does not need any special stress distribution. And also in the steel structure, there is much less loss of tensile force in tendon comparing with the prestressed concrete structure. However, the development of prestressed concrete shows that we can apply a similar analysis method in prestressed steel bridges.
By appling prestress to the steel structure, the total cost of bridge could be reduced because of reducing amount of steel materials. Prestressing system, transporting cost and the cost of preventing collapse mainly impacts the cost of prestressed steel structure. The economic viability of steel materials may increase as such as the difference of allowable stress between the steel materials used in the structure and high strength materials used in tendons. In case of prestressing, the strength of the girder increases more than two times, but considering the possible buckling when prestressing, the increase of strength results at about 70~80%. According to the material of Brodka and Klobukowki, < Table 1> indicates the economical viability comparing the prestressed structure with unprestressed structure.
Outline of Technology
1)Theoretical background of the prestressed I-BEAM The prestressing system is to give and distribute the correct stress, to the cross section of member, by calculation in order to increase the strength of structure. The purpose of the prestressed concrete is mainly to acquire only compressive stress or some little tensile stress on the cross section when load is applied. But steel has the same amount of allowable tensile and compressive stress. So giving prestress to the steel structure makes the structure more economic than the concrete structure because the effective section area of steel structure becomes larger than that of the concrete structure.
The prestress force operates in the opposite direction with the direction of applied load. If f0 is introduced, in the opposite direction with the applied load, as in < Figure 1>, the range of elasticity becomes increased.
The prestress force creates the initial stress fo, and by the load P the stress in tendon reaches the allowable stress F. The tensile strength of prestressed tendon becomes more increased as much as f0.A than the tensile strength of the tendon to which was not prestressed.
In addition, we can increase the strength steadily by adding multi-stage prestressing, and acquire the load that we aimed with some cycles as in < Figure 2>. Under the fluctuating working load P1, the initial stress f0 workes on the tendon until it reaches the limited value F. In the second cycle, the initial stress f02, which reduces the acquired(by P1) stress and working load P2, is girven again. After a several cycles, the total P2 becomes larger several times than P1,which can be loaded on the structure with no prestress applied. In general, the required load could be acquired by three or four cycles of prestressing and loading. The price of the cable and tendon is 2 ~ 3 times expensive than that of ordinary steel materials, but the strength of high strength materials is 4 ~ 6 times larger than that of ordinary steel materials. That is why we could apply the prestressed high strength materials to the structure with effectiveness and economic viability. In order to understand the behavior of the prestressed steel structure, see < Figure 3>. If we acquire the maximum compressive stress f0, which is somewhat smaller than the allowable stress F on the bar, with the prestressing as in < Figure 3> to a tendon having the sectional area of A and a high strength tendon having the sectional area of At, the tendon f0t . is under the tension stress f0t of the condition for adding smaller prestress than the limited resistivity After that, tendon is tensioned by external force and steel materials and the resistivity of tendon and steel materials can be used thoroughly. The tensile stress (Ft- f0t) is added to the tendon under the prestressed f0t, or equals to (F + f0) where E and Et indicate the modulus elasticity of the bar and tendon.
Tendon is under tensile strain, and the stress matches (F + f0). Under applied load, tendon can bear the stress of (F + f0) and the wire can bear the stress of (Ft + f0t). According to the area satisfying the equivalent condition, the allowable stress is acquired from tendon and wire simultaneously. In this case, total resistivity that the composite member possesses is as follows.
P = AF + AtFt = AF (1 + αβ) .............................. (1 - 1) where α = , β = Numerical value in ( ) means the increasing of strength of tendon when prestressed. The total strain of tendon under load is as the following formula. Δ1 = = ............................. (1 - 2)
2) Range of external prestressing steel beam (ATOM) By attaching the DEVIATOR to the lower center of the H-Beam , and prestressing the high strength steel bar near the both end of the beam, this steel beam manufacturing technology(ATOM) can increase the allowable applied load(working load), and can make long distance between piers be available.
This technology creates moment couple between the tendon and the beam, with the deviator attached to the bottom center of the steel beam, by prestressing the steel bar at both end under the steel beam. In addition, this technology can reduce the weight of steel member with substituting low strength steel materials for high strength tendon. The prestressing of tendon is the technology that the temporary construction bridge of long distance between piers of bridges can be designed, manufactured, and constructed by the steel beam that is ensuring safety and availability with increasing of redundancy.
