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제목   구조검토 / PC빔브래킷 S30을 이용한 PC빔교상부 가시설방법

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구조검토

PC빔교 가설브래킷에 작용하는 하중은 PC빔교 가설브래킷 자중, 강관 자중, 발판 자중 및 작업하중으로서 PC빔교 가설브래킷 자중을 제외한 모든 하중은 PC빔교 가설브래킷 하부 수평재를 관통하는 강관으로 전달되고 이 하중은 다시 수평재 및 수직재로 전달되어 사선재의 지지점으로 전달된다(그림 1참조). 여기서 하중을 지지하는 발판은 안전발판이나 합판과 강관을 조립한 발판 등 여러 가지가 사용될 수 있으나 어느 경우든 PC빔교 가설브래킷 수평재를 관통하는 강관의 내력과 PC빔교 가설브래킷 자체의 내력에 의해 안전성이 결정된다. 따라서 발판 자체의 구조검토는 미리 정해진 지지 허용작업하중이내에서 시공되므로 별도의 구조검토는 하지 않고, 거더지간 즉 PC빔교 가설브래킷의 지간에 따라 단면력이 달라지는 강관과 그 하중에 대한 브래킷의 내력검토를 수행하였다. 단면 검토위치는 강관부재 휨응력, 수직재의 강관 관통부로 인한 인장응력, 수직재와 수평재의 용접연결부, 사선재에 대해 구조검토를 하였다.


그림 1 하중재하도


1. 설계조건

1) 적용하중

PC빔교 가설브래킷을 관통하는 강관의 검토는 작업하중을 지지하는 발판으로 안전발판과 합판을 사용하는 경우에 대해 검토한다. 안전발판의 경우는 발판 폭, 길이 등이 정해져 있고 안전발판 고리로 집중하중이 작용하므로 합판과 같이 하중이 분산되는 경우보다 더 불리하게 작용됨으로 안전측의 설계가 되나 현장여건에 따라 합판을 작업발판으로 사용되는 경우도 빈번하므로 이에 대한 검토방법을 제시하였다.

① 안전발판 사용시

일반적으로 제작되고 있는 안전발판의 규격과 허용하중은 다음과 같다. 안전발판 사용시 최대 작업하중은 등분포하중보다는 집중하중을 고려하는 것이 더 안전측이므로 집중하중이 재하되는 것으로 고려한다.

표 1 안전발판의 규격

규격

허용하중(kg)

중량(kg)

비고

집중하중

등분포하중

400×829

300

400

13.1

고리부착

500×829

250

300

15.1

고리부착

② 합판 사용시

합판을 작업발판으로 사용하는 경우 적용하중은 현장상황(거푸집 해체범위, 작업하중, 멍에간격 등)에 따라 달라져 특정한 값으로 제시하기 어려우므로 최근 시공된 교량에 적용된 검토결과를 기준으로 구조검토를 하였다. 구조검토시 적용된 하중조건은 다음과 같다.

  • PC빔의 간격은 빔간격은 2.3m를 적용
  • 사용강관은 SPS500(STK51)을 적용하고 허용응력 할증은 없음
  • 거푸집용 해체합판은 충격하중 50%를 고려하고 5m구간내의 해체발판이 작용하는 것으로 함
  • 작업하중은 150kg을 적용
  • 작업하중으로 집중하중 과 강관 및 합판하중을 등분포로 재하.
  • 거푸집용 해체합판(5m 구간)
  • - 10kg/매 × (500cm/90cm) = 10kg/매 × 5.5매 = 55kg
  • 발판용 합판(1매)

- 10kg

∴ 등분포 하중

w=(10kg+55kg×1.5(충격하중))/(90cm×80cm)=0.00571kg/cm2

2) 사용재료

강관파이프는 현장에서 주로 사용되는 비계용 파이프이며 브래킷은 강관파이프와 동일한 재질의 각관과 원형관의 수평재로 구성된다. 이들 재료는 모두 아연도금 되어있어 부식이 되지 않으므로 장기간 사용시 부식에 의한 단면감소는 고려하지 않는다. 강관파이프는 일반적으로 φ48.6-2.3t(2.63kg/m), φ48.6-2.5t (2.84kg/m), φ48.6-3.2t(3.58kg/m) 등이 주로 사용되고 있으나 가장 많이 사용되는 φ48.6-2.3t를 적용하는 것으로 한다.

① 안전발판 사용시

  • 강관파이프 : φ48.6-2.3t(2.63kg/m), 단면계수(Z) :
  • 재질 : SPS50(STK51)

- 단면계수 :

- 허용휨인장응력 :

- 중량 : 0.0263kg/cm

② 합판 사용시

  • 합판 : 90cm×180cm×1.2cm

- 단면계수 : (1cm당)

- 허용휨응력 :

- 중량 : 1매당 10kg

  • 강관 : φ48.6-2.3t(STK51)

- 단면계수 :

- 허용휨응력 :

- 중량 : 0.0263 kg/cm


2. 구조검토

1) 안전발판 사용시

(1) 브래킷 강관부재의 구조검토

안전발판에 작용하는 하중은 안전발판의 고리를 통하여 강관에 전달되므로 강관에는 집중하중이 작용한다. 안전발판에 재하되는 하중을 라고 할 때 강관에 발생하는 최대 단면력 및 응력은 안전발판의 종류 및 개수에 따라 달라진다. 따라서 강관부재에 발생하는 응력보다는 여러조건에 대한 강관부재의 최대허용지간을 산정, 검토하는 것이 바람직하며 그 결과를 아래에 나타내었다. 여기서 a는 안전발판의 1개당 폭이며, 지간 L은 그림 4.1에 나타낸 바와 같이 하중을 지지하는 강관의 순지간으로 양쪽 브래킷 수평재 사이의 거리이다.


① 안전발판 1개 설치시

안전발판 1개 설치시 재하되는 집중하중은 안전발판의 고리수로 나누고 PC빔교 가설브래킷의 양쪽 지간에 작업하중이 동시 재하되는 경우로 가정하였다.



  • 작업하중 :
  • 최대반력, 최대전단력 :
  • 최대!모멘트 :

강관에 발생하는 최대발생응력은 최대 발생모멘트를 작업하중으로 나타내고 단면계수로 나누면 다음과 같이 얻어진다. 여기서 최대 발생모멘트는 하중을 이동하중으로 보고 계산된 절대 최대 모멘트 값이다.

  • 최대발생응력 :

안전발판에 재하되는 작업하중은 현장여건이나 작업, 시공지침에 따라 달라질 수 있으므로 작업하중에 따른 강관의 지간과 안전율과의 관계를 도식적으로 나타내었다. 이 결과로부터 주어진 조건하에서 최대 허용 순지간을 정할 수 있다.

그림 2 안전발판 1개 설치시 강관의 순지간과 안전율과의 관계

그림 2의 결과를 요약하면 안전발판 1개 설치시 작업하중에 대한 안전율 1.0에 해당하는 강관의 최대 순지간은 다음 표와 같이 정리된다.

표 2 작업하중별 최대 순지간

구분(발판종류)

최대 순지간(cm)

허용응력 ()

P=100kg

P=200kg

P=250kg

P=300kg

a=40(400×829)

394

216

180

156

2400

a=50(500×829)

404

225

189

165


② 안전발판 2개 설치시

안전발판 2개를 설치할 경우는 발판을 중앙으로 모아두는 것이 가장 불리한 경우이므로 그림과 같은 하중을 고려하고 이동하중으로 검토하였다.

  • 작업하중 :
  • 최대반력, 최대전단력 :
  • 최대모멘트 :

따라서, 최대발생응력은 발판 1개 설치의 경우와 마찬가지로 계산된다.

  • 최대발생응력 :

안전발판개수가 2개인 경우 작업하중에 따른 강관의 지간과 안전율과의 관계를 나타내면 다음과 같다.


그림 3 안전발판 2개 설치시 강관의 순지간과 안전율과의 관계


표 3 작업하중별 최대 순지간

구분(발판종류)

최대 순지간(cm)

허용응력 ()

P=100kg

P=200kg

P=300kg

P=400kg

a=40(400×829)

395

217

158

129

2400

a=50(500×829)

405

227

168

139


③ 안전발판 3개 설치시

안전발판 3개 설치의 경우는 안전발판 2개의 경우와 마찬가지로 중앙에 큰 하중이 재하되도록 배치하고 이를 이동하중으로 최대단면력이 발생하도록 하였다.


  • 작업하중 :
  • 최대반력, 최대전단력 :
  • 최대모멘트 :
  • 최대발생응력 :

안전발판개수가 3개인 경우 작업하중에 따른 강관의 지간과 안전율과의 관계 나타내면 다음과 같다.

그림 4 안전발판 3개 설치시 강관의 순지간과 안전율과의 관계


표 4 작업하중별 최대 순지간

구분(발판종류)

최대 순지간(cm)

허용응력 ()

P=100kg

P=200kg

P=300kg

P=400kg

a=40(400×829)

421

243

183

153

2400

a=50(500×829)

437

258

199

168



④ 최대 허용 지간(거더간격)

이상의 계산결과로부터 발판개수 및 종류에 따라 작업하중에 대한 순지간을 구하였다. 그러나 일반적으로 현장에서 순지간을 계산하기는 번거롭기 때문에 최대 허용지간을 PSC빔 중심간 거리(거더간격)로 나타내면 편리하다(그림 4.5참조). 따라서, 계산된 순지간에 PSC빔 하면의 폭과 브래킷 수평재의 길이를 더한 값으로 나타낼 수 있다. 이때 PSC빔 하부 플렌지의 폭은 교량조건에 따라 66cm, 68cm, 72cm 등이 적용되고 있으나 여기서는 폭 66cm를 기준으로 나타내었으며, 다른 경우에 대해 적용시는 수정되어야 한다.

그림 5 최대 거더지간(거더간격)



표 5 최대 거더지간(거더간격)

구 분

최대 허용 거더지간(cm)

발판
개수

발판 폭

P=100kg

P=200kg

P=250kg

P=300kg

P=400kg

1

a=40cm

500(394)

322(216)

286(180)

262(156)

-

a=50cm

510(404)

331(225)

295(189)

271(165)

-

2

a=40cm

501(395)

323(217)

288(182)

264(158)

235(129)

a=50cm

511(405)

333(227)

298(192)

274(168)

245(139)

3

a=40cm

527(421)

349(243)

313(207)

289(183)

259(153)

a=50cm

543(437)

364(258)

329(223)

305(199)

274(168)

(주1) ( )의 값은 계산된 순지간을 나타낸다.

(주2) 거더지간은 순지간에 PSC빔 폭 66cm와 수평재 길이 40cm를 더한 값이다.


(2) 사선재 구조검토

사선재와 수직재가 만나는 부분은 사선재 지점부와 수직재 사이의 편심이 존재하므로 수직하중에 의한 모멘트가 발생한다. 따라서 이 부분에 대해 휨응력에 대한 단면의 응력검토를 하였다.


  • 하중재하도




  • 단면응력 검토

∴ 사선재의 단면내력은 최대작용하중보다 충분히 크므로 안전


(3) 하부수직재(강관 관통부) 구조검토

하부수직재에 강관이 관통하는 부분은 단면손실이 발생하므로 이를 고려하여 축응력에 대한 단면응력을 검토하였다.


  • 하중재하도



  • 단면응력 검토

∴ 수직재의 단면내력은 최대작용하중보다 충분히 크므로 안전


(4) 수직재 및 수평재 연결부 검토

수직재와 수평재 연결부는 원형의 수평재를 따라 용접에 의해 연결되므로 용접부에 대한 인장응력 검토를 하였다. 용접부의 크기는 수동용접으로 크기가 약간씩 차이를 나타낼 수 있으나 최소한의 크기로 2mm를 가정하였다.


  • 하중재하도

  • 단면응력 검토

용접크기 :

∴ 연결부의 용접부 단면내력은 충분함


2) 합판 사용시


합판 사용시 구조검토는 앞서 언급한 바와 같이 현장 여건에 따라 적용하중이 달라지므로 현실적인 조건을 기준으로 구조검토를 수행하였다. 다른 하중조건이나 가시설 설치방법에 대해서도 동일한 검토방법이 적용되며 사선재, 수직재, 용접부에 대한 검토결과는 안전발판의 경우와 동일하다.


(1) 합판 검토

① 설치상황



② 중앙부(폭 50㎝)

  • 최대발생모멘트


  • 발생 휨응력

③ 캔틸레버부(폭 30㎝)

  • 최대발생모멘트

  • 발생 휨응력


(2) 합판지지 강관파이프

  • 계산폭 : 외측폭 25+30=55cm
  • 강관에 작용하는 등분포하중(합판+강관파이프 자중)

  • 강관파이프 한계길이

적용(합판 2매)

  • 최대발생모멘트

  • 발생 휨응력

(3) 브래킷 강관 부재의 검토


  • 브래킷을 관통하는 강관의 순지간은 거더폭 66cm와 브래킷 수평재 길이 40cm를 제외한 값

  • 인접브래킷 사이의 지간 180cm내에 작용하는 하중 및 브래킷 관통 강관자중

  • 최대발생모멘트

  • 발생 휨응력




  


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