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KR101453072B1 - 복합 섬유판 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 전단 및 내진성능 향상 보강공법 - Google Patents

복합 섬유판 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 전단 및 내진성능 향상 보강공법 Download PDF

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KR101453072B1
KR101453072B1 KR1020140038510A KR20140038510A KR101453072B1 KR 101453072 B1 KR101453072 B1 KR 101453072B1 KR 1020140038510 A KR1020140038510 A KR 1020140038510A KR 20140038510 A KR20140038510 A KR 20140038510A KR 101453072 B1 KR101453072 B1 KR 101453072B1
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김원기
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고원준
김원기
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Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물의 휨 보강, 내진성능 향상 또는 휨, 전단보강 및 내진성능 향상을 동시에 보강하기 위한 복합 섬유판 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 내진보강 향상 또는 휨, 전단 보강 및 내진보강 향상 보강공법에 관한 것으로, 일방향으로 탄소섬유사가 배열되어 있으며, 전체 중량에서 80 ∼ 90중량%로 이루어져 있는 일방향 섬유판과, 상기 일방향 섬유판의 타공시 일방향 섬유판이 갈라지는 현상을 방지하도록 상기 일방향 섬유판의 상, 하측면 중 어느 한면 또는 양면에 접착제에 의해 접착되되 전체 중량에서 10 ∼ 20중량%로 이루어져 있는 보강시트로 이루어져 있는 가격이 저렴한 복합 섬유판을 도입해 복합 섬유판의 타공시 보강시트가 일방향 섬유판의 갈라짐을 방지하여 콘크리트 구조물의 휨인장 보강 또는 휨인장 및 전단 균열에 대한 보강 능력의 저하현상이 발생하지 않고, 다양한 형상의 앵커링 플레이트 및 너트를 통해 전단 균열 보강시 추가의 전단 균열 보강능력을 발휘할 수 있는 복합 섬유판 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 전단 및 내진성능 향상 보강공법을 제공한다.

Description

복합 섬유판 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 전단 및 내진성능 향상 보강공법{Composite Fibre Panel and Flexural, Shear and Seismic Reinforcing Methods for Concrete Structures by using Composite Fibre Panel}
본 발명은 콘크리트 구조물의 휨 또는 휨과 전단보강을 동시에 보강하기 위한 복합 섬유판 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 전단 및 내진성능 향상 보강공법에 관한 것이다.
일반적으로 콘크리트 구조물 보강공법은 크게 부착공법, 단면증설공법 등이 있다.
여기서, 상기 부착공법에는 강판 부착공법, 섬유시트 보강공법, 섬유판 보강공법 등이 있다.
상기 강판 부착공법은 강판을 이용하여 보강하는 공법으로, 강판의 자중이 크고, 시공시 중장비가 필요하다.
또한, 강판 자체의 부식이 우려되며, 밀폐 현상으로 인한 통기성 결여로 계면 박리의 문제점이 있다.
그리고 상기 섬유시트 보강공법은 보강성능에 비해 시공이 어렵고, 작업자의 숙련도에 의해 품질이 좌우되는 문제점이 있다.
또한, 전면 시공으로 인해 통기성이 결여되어, 유지관리에도 어려움이 있다.
그리고 상기 섬유판 보강공법은 재료적 물성은 우수하나, 보강대상 구조물과의 부착성능을 에폭시 접착제에만 의존할 수밖에 없음으로 인해, 단부에서 조기 박리 등 부착 성능에 한계가 있다.
상기와 같은 섬유판 보강공법에 대한 종래 기술로서 대한민국 등록특허 제10-0614916호(2006.08.16.), "삽입부가 형성된 건축용 보강빔"이 제안된 바 있다.
상기 등록특허는 보강부의 상측으로 상부시트를 구성하고 하측으로는 하부시트를 구성하되, 양 단에 콘크리트 구조물에 형성된 홈에 삽입할 수 있는 삽입부를 형성하여 콘크리트 구조물에 매설하는 형태로 보강하는 구조로 이루어져 있다.
이러한, 등록특허는 보강빔이 박리되는 현상을 방지할 수 있도록 양 끝단에 삽입부를 형성하여 콘크리트 구조물에서 양 끝단이 박리되는 현상을 방지하도록 작용하게 된다.
(특허문헌 1) KR10-0614916 B1 삽입부가 형성된 건축용 보강빔
하지만, 상기와 같은 등록특허는 구조의 복잡성으로 인해 실제 시공시 이용되는 경우가 극히 드물다.
특히, 상술한 등록특허의 경우 열화된 콘크리트 구조물의 보강을 위한 목적으로 이용하는 것인데, 상기와 같이 삽입부가 삽입할 수 있을만한 홈을 형성할 경우 물리적인 열화를 더욱 촉진하게 되어 보강의 효율성이 저하되는 문제가 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 복합 섬유판 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 전단 및 내진성능 향상 보강공법은 가격이 저렴한 보강시트를 일방향 섬유판에 접착하여 형성된 복합 섬유판을 도입해 저렴한 비용으로 시공을 할 수 있으면서 휨인장에 대한 단독 보강 또는 휨인장 및 전단 균열에 대한 복합적인 보강시 보강 성능의 저하 없이 실시할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 보강시트를 폴리에스터 부직포로 형성할 경우 표면에 카본을 염색해 인장 능력을 향상시키는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 휨인장 및 전단 균열에 따른 복합적인 보강시 콘크리트 구조물에 매설된 배근철근의 위치를 파악하여 보강 시공시 후천적으로 발생하는 열화를 방지하면서 너트 및 앵커링 플레이트를 통해 전단 균열 부위를 조여줌으로써 추가의 전단 보강능력을 형성하는데 있다.
본 발명은 일방향 섬유판의 상, 하측 중 어느 한면 또는 양측에 부직포 또는 직포형태의 보강시트를 결합하는 구조로 이루어져 있어 복합 섬유판의 타공시 일방향 섬유판의 갈라지는 현상을 가격이 저렴한 보강시트가 방지하여 제조단가 및 그에 따른 시공비용을 줄일 수 있다.
특히, 보강시트를 폴리에스터 부직포로 형성할 경우 표면에 카본을 염색하여 인장강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 콘크리트 구조물의 휨보강시 복합 섬유판을 부착한 후 앵커링 볼트를 도입해 휨인장에 대한 내하력을 향상시키고, 휨 및 전단보강을 시공할 경우에는 전단 균열이 발생한 방향성의 직각되는 방향으로 메카니컬 앵커 또는 케미컬 앵커 시스템을 시공하여 휨인장 및 전단보강을 동시에 실시할 수 있다.
그리고 전단 균열에 따른 전단보강시 콘크리트 구조물에 매설된 배근철근의 위치를 확인하여 실시함으로써 콘크리트 구조물의 열화를 방지하면서 보강을 실시할 수 있다.
아울러, 전단보강시 메카니컬 앵커 또는 케미컬 앵커 시스템의 케미컬 앵커 롯드에 앵커링 플레이트 및 너트를 순차적으로 결합해 전단 균을 조여줌으로서 전단 보강을 추가로 실시할 수 있고, 특히, 전단 균열이 사선으로 발생하였을 경우 앵커링 플레이트의 형상을 변형하여 너트의 조임작업이 원활히 이루어질 수 있는 유용한 발명이다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 섬유판을 도시한 분해사시도.
도 2는 본 발명에 따른 복합 섬유판을 이용한 휨인장, 내진 성능 향상 보강을 실시한 상태를 도시한 단면도.
도 3은 도 2의 A에서 도시한 상세도.
도 4는 본 발명에 따른 복합 섬유판과 메카니컬 앵커 또는 케미컬 앵커 시스템을 이용한 휨인장, 전단보강 및 내진성능 향상 보강 상태를 도시한 단면도.
도 5는 본 발명에서 전단 보강시 삼각 앵커링 플레이트를 적용하였을 때의 휨인장, 전단보강 및 내진성능 향상 보강 상태를 도시한 단면도.
도 6은 무보강 RC-T 빔의 휨인장 시험을 실시한 개략도.
도 7은 복합 섬유판을 에폭시 부착방법으로 보강한 후 RC-T 빔의 휨인장 시험을 실시한 개략도.
도 8은 복합 섬유판 에폭시 부착 + 양 끝단을 앵커 볼트로 보강한 후 RC-T 빔의 휨인장 시험을 실시한 개략도.
도 9는 복합 섬유판 에폭시 부착 + 전단지역에 일정간격으로 6개 앵커링 으로 보강한 후 RC-T 빔의 휨인장 시험을 실시한 개략도.
도 10은 복합 섬유판 에폭시 부착 + 양 끝단 앵커 볼트 2개소 + 전단지역 4개소에 앵커링으로 보강한 후 RC-T 빔의 휨인장 시험을 실시한 개략도.
도 11은 도 6 내지 10에서 시험한 결과를 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 구성에 대해 더욱 구첵적으로 살펴보면 다음과 같다.
우선, 본 발명에서의 복합 섬유판(30)은 도 1에서 도시된 바와 같이 일방향 섬유판(10)과 보강시트(20)로 구성된다.
상기 일방향 섬유판(10)은 섬유사가 한 방향으로 연장되어 있는 판 형태로 구성된 것으로 복합 섬유판(30) 전체 중량의 80 ∼ 90중량%로 이루어져 있다.
이러한, 일방향 섬유판(10)은 다수의 섬유사를 하나의 스트랜드로 구성한 섬유다발이 일방향으로 다수 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
여기서, 상기 일방향 섬유판(10)은 탄소섬유 또는 유리섬유를 통해 제작할 수 있다.
만약, 일방향 섬유판(10)을 탄소섬유로 제작할 경우에는 800 ~ 1600 Tex (굵기) 또는 탄소섬유사가 12,000 ~ 24,000개인 탄소섬유 스트랜드를 다수 결합하여 제작하며, 제작된 일방향 탄소섬유판은 인장강도가 2,200 ~ 3,200 MPa, 탄성계수가 160 ~ 250GPa인 일방향 탄소섬유판을 사용한다.
또한, 일방향 섬유판(10)을 유리섬유로 제작할 경우에는 1,200 ∼ 2,400 Tex(굵기)인 유리섬유 스트랜드를 다수 결합하여 제작하며, 제작된 일방향 유리섬유판은 인장강도가 1,700 ∼ 3,000 MPa, 탄성계수가 65 ∼ 70 GPa인 일방향 유리섬유판(10)을 사용하도록 한다.
한편, 보강시트(20)는 복합 섬유판(30) 전체 중량의 10 ∼ 20중량%로 이루어진 시트 형태로 형성된 것으로 상기 일방향 섬유판(10)의 상측 또는 하측 중 어느 한면 또는 양면에 배치된 후 비닐에스테르로 이루어진 접착제를 통해 접착하며, 만약, 일방향 섬유판(10)의 상, 하측에 형성할 경우에는 보강시트(20)가 차지하는 중량을 1/2로 나눠 동일한 보강시트(20)를 2개소 형성한 뒤 일방향 섬유판(10)에 접착하도록 한다.
이러한, 보강시트(20)는 폴리에스터섬유사로 제작된 폴리에스터 부직포 또는 탄소섬유로 이루어진 탄소섬유 부직포 중 선택된 어느 하나의 형태로 제작하여 사용 가능하다.
여기서, 상기 보강시트(20)를 부직포 형태로 제작하는 방법은 니들펀칭을 통한 부포 제작, 또는, 약품을 사용한 케미컬 본딩 제작 등 다양한 형태로 제작할 수 있으며, 이때에, 상기 부직포는 각방향의 인장강도가 20 - 80 kN/m 이고 중량이 20-100 g/m2 인 제품을 사용하기로 한다.
상기와 같은 보강시트(20)는 일방향 섬유판(10)에 부착되어 작업자가 복합 섬유판(30)을 콘크리트 구조물(C)에 견고히 부착하기 위해 햄머드릴과 같은 타공수단을 통해 홀을 형성하려 할 때에 일방향 섬유판(10)이 갈라지는 현상을 방지하도록 작용하게 된다.
한편, 상기와 같은 복합 섬유판(30)을 이용한 콘크리트 구조물의 보강 공법에 대해 살펴보도록 한다.
1. 휨 인장, 내진성능 향상 보강
a. 콘크리트 구조물 표면 정리단계
우선, 도 2를 참조하여 설명하면, 콘크리트 구조물(C) 중 휨 인장 보강을 위한 표면을 정리하는 작업이 선행되어야 한다.
즉, 콘크리트 구조물(C) 표면의 이물질을 제거 및 세척 작업을 실시하며, 특히, 콘크리트 구조물(C)의 평탄도가 맞지 않을 경우 이를 맞춰주고 부분적인 열화가 발생하였을 경우에는 이물질 제거 후 보수작업을 하도록 한다.
b. 복합 섬유판 부착단계
본 단계에서는 상술하였던 복합 섬유판(30)을 표면 정리가 완료된 콘크리트 구조물(C) 표면에 부착하는 단계이다.
상기 복합 섬유판(30)은 앞서 설명한 바와 같이 일방향 섬유판(10)의 상, 하측면 중 어느 한면 또는 양면에 폴리에스터 또는 탐소섬유 중 선택된 어느 하나의 재질을 부직포 형태로 제작된 보강시트(20)를 접착한 형태로 이루어져 있다.
즉, 콘크리트 구조물(C)의 보강 정도에 따라 일방향 섬유판(10)의 재질 및 보강시트(20)의 재질을 달리하여 적용하고, 필요에 따라서는 일방향 섬유판(10)의 상측 또는 상측과 하측 모두에 보강시트(20)를 형성하여 사용하면 된다.
여기서, 상기 복합 섬유판(30)을 구성하는 보강시트(20)를 일면에만 형성할 경우에는 보강시트(20)가 형성되지 않은 일방향 섬유판(10)의 표면에 반고체 형태의 접착제를 도포한 후 콘크리트 구조물(C)에 접착시키도록 한다.
특히, 상기 복합 섬유판(30)에 반고체 형태의 접착제를 도포할 때에는 복합 섬유판(30)의 길이 방향과 직각이 되는 폭 방향의 중앙 부분에 도포되는 접착제의 양은 평균 도포량보다 더 많게 도포하고, 복합 섬유판(30)의 양 가장자리에는 평균 도포량보다 더 작은 양을 도포함으로써, 복합 섬유판(30)을 콘크리트 구조물(C)와 접촉하는 복합 섬유판(30)의 전체 면에 고르게 접착제가 분산시킬 수 있도록 한다.
즉, 복합 섬유판(30)을 콘크리트 구조물(C)의 휨 보강을 위해 부착할 때에, 복합 섬유판(30)의 중앙 부분을 먼저 눌러 콘크리트 구조물(C)에 가 접착시킨 상태에서 양 측면을 눌러 최종적으로 복합 섬유판(30)을 콘크리트 구조물(C)에 부착하게 된다.
만약, 복합 섬유판(30)의 중앙 부분과 양 가장자리에 도포된 접착제가 평평한 상태로 도포하였을 경우 중앙부분에 도포해 있던 접착제가 양 측면으로 밀리게 되면서 중앙부분의 접착제 양이 양 가장자리 부분의 접착제 양보다 상대적으로 적어지게 되어 복합 섬유판(30)의 전체 면적에 고르게 접착제가 도포되지 않은 상태에서 콘크리트 구조물(C)에 접착되기 때문에 접착력이 저하되는 현상이 발생하게 된다.
특히, 복합 섬유판(30)의 양 가장자리 부분에서는 중앙 부분에서 밀려온 접착제가 합쳐지게 되어 양 가장자리에 많은 양의 접착제가 형성되기 때문에 복합 섬유판(30)에서 접착제가 삐져나와 시공면인 콘크리트 구조물(C)에 묻거나 또는 낙하하는 현상이 발생하여 접착제의 낭비를 초래함은 물론 이를 정리하기 위한 공정이 더 실시되어야만 한다.
하지만, 본 발명에서는 복합 섬유판(30)의 양 가장자리에는 평균 도포량보다 더 작은 소량의 접착제를 도포하고 중앙부분에는 평균 도포량보다 더 많은 접착제를 형성하여 상술한 바와 같은 문제를 해결할 수 있게 된다.
c. 시공완료단계
한편, 상기와 같이 복합 섬유판(30)을 부착시킨 후 일정 시간이 경과하여 반고체 상태의 접착제가 경화되어 콘크리트 구조물(C)에 복합 섬유판(30)의 부착이 완료되면 복합 섬유판(30)의 양 끝단에 복합 섬유판(30)을 관통하여 콘크리트 구조물(C)의 일정 깊이까지 앵커 홈(h2)을 형성한 후, 앵커링 볼트(A3)를 삽입한 후, 앵커링 플레이트(W) 및 너트(N)를 결합하여 복합 섬유판(30)의 조기 탈락 현상을 방지할 수 있도록 하여 시공을 완료하게 된다.
통상적으로, 접착제를 통한 복합 섬유판(30)의 부착은 접착제의 높은 접착력과 더불어 시공이 편리한 장점이 있는 반면, 장기간 사용시 복합 섬유판(30)의 양 끝단에서 조기 탈락이 발생하거나, 또는 화재에 의한 접착제의 접착력이 저하되어 조기 탈락이 발생하는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 복합 섬유판(30) 양 끝단에 앵커 홈(h2)을 천공해 앵커링 볼트(A3), 앵커 플레이트(W) 및 너트(N)를 결합함으로써 복합 섬유판(30)이 콘크리트 구조물(C)에서 자연적인 조기 탈락되는 현상 및 화재에 의한 조기 탈락 현상을 방지하도록 작용한다.
특히, 본 발명에서의 복합 섬유판(30)은 상술한 바와 같이 콘크리트 구조물(C)의 휨 인장에 대응할 수 있는 일방향 섬유판(10)에 보강시트(20)를 형성한 구조로 이루어져 있어 천공 작업시 복합 섬유판(30)을 구성하는 일방향 섬유판(10)의 갈라지는 현상을 방지해 휨 인장에 따른 구조 보강력을 그대로 유지할 수 있도록 작용하게 된다.
또한, 상기 복합 섬유판(30)의 양 끝단에 형성하는 앵커링 볼트(A3)는 각각의 끝단에 1개소 이상을 형성하되, 전단 모멘트가 작용하는 부분에는 다수의 앵커링 볼트(A3)를 추가로 설치할 수 있다.
여기서, 상기에서 복합 섬유판(30) 및 콘크리트 구조물(C)을 연결하기 위한 앵커링 볼트(A3)의 시공시 너트(N)의 조임은 토크렌치를 이용하여 일정 토크로 조임 작업을 실시하되, 앵커링 볼트(A3)의 전단 응력이 허용되는 범위 내에서 실시하도록 한다.
예컨대, 앵커링 볼트(A3)의 직경이 10mm(M10)일 경우 최대 전단 허용 응력 범위인 약 50Nm의 토크로 조임작업을 실시하는 것이 좋다.
또한, 앵커링 볼트(A3), 앵커링 플레이트(W), 너트(N)의 부식을 방지하기 위해 시공 이후 별도의 캡(도면에 미도시)을 더 형성할 수 있고, 앵커링 볼트(A3)를 삽입하기 위해 콘크리트 구조물(C)에 형성한 앵커 홈(h2)으로 유입될 수 있는 물에 의한 부식을 방지하기 위해 복합 섬유판(30)과 앵커링 플레이트(W) 사이의 앵커링 볼트(A) 주변에 에폭시 수지(E1)를 더 도포할 수도 있으며, 이러한 시공과정을 거쳐 휨 인장에 따른 보강시공을 완료할 수 있다.
특히, 본 발명에서는 앵커링 플레이트(W)의 폭을 복합 섬유판(30)의 폭과 동일하게 하거나 또는 조금 더 크게 형성하여 복합 섬유판(30)의 지지력을 향상시킬 수도 있다.
2. 휨 인장, 전단 균열 및 내진성능 보강
a. 전단 보강범위 확인단계
전단 보강범위 확인단계는 도 4를 참조하여 설명하면, 콘크리트 구조물(C)에 발생한 전단 균열(S)을 육안으로 확인한 후 전단 균열(S)이 확인되면 정밀진단을 통해 콘크리트 구조물(C) 내부에 전단 균열(S)이 더 발생하였는지 여부를 확인하여 전단보강 위치 및 범위를 표시한다.
여기서, 상기와 같이 육안 확인 후의 정밀진단은 통상의 비파괴시험을 통해 실시할 수 있다.
b. 전단 균열 방향성 확인단계
상기 전단 균열 방향성 확인단계는 콘크리트 구조물(C)의 표면에 발생한 전단 균열(S)의 방향을 확인하여 전단 균열(S)의 각도를 측정하고, 또한, 상기 전단 보강범위 확인단계에서 콘크리트 구조물(C) 내부에서 전단 균열(S)이 발생하였을 경우 이 전단 균열(S)의 방향성(각도)를 측정함으로써 마무리할 수 있다.
c. 앵커 위치 선정단계
상기 전단 보강범위 확인단계를 통해 확인한 콘크리트 구조물(C) 표면 또는 내부에 발생한 전단 균열(S)의 전단보강을 위해 메카니컬 앵커(A1)가 삽입될 수 있는 위치를 선정한다.
이 앵커 위치 선정단계는 콘크리트 구조물(C)의 전단 균열(S)이 발생한 범위 내에서 비파괴 검사를 실시하여 해당 위치 내에 콘크리트 구조물(C)의 형성시 매설한 배근철근의 위치를 파악해 배근철근의 위치를 피해 메카니컬 앵커(A1)를 설치할 수 있는 위치를 선정하는 것이다.
d. 콘크리트 구조물 표면 정리단계
상기와 같이 사전조사 작업이 완료되면 콘크리트 구조물(C) 표면의 이물질을 제거 및 세척 작업을 실시하며, 특히, 콘크리트 구조물(C)의 평탄도가 맞지 않을 경우 이를 맞춰주고 부분적인 열화가 발생하였을 경우에는 이물질 제거 후 보수작업을 실시하도록 한다.
e. 복합 섬유판 부착단계
본 단계에서는 상술하였던 복합 섬유판(30)을 표면 정리가 완료된 콘크리트 구조물(C) 표면에 부착하는 단계이다.
상기 복합 섬유판(30)은 앞서 설명한 바와 같이 일방향 섬유판(10)의 상, 하측면 중 어느 한면 또는 양면에 직포 또는 부직포 형태로 이루어진 보강시트(20)를 접착한 형태로 이루어져 있다.
즉, 휨인장에 따른 보강 강도를 향상시키고자 할 경우 일방향 섬유판(10)의 상측 및 하측 모두에 보강시트(20)를 형성하여 사용하면 된다.
또한, 상기 복합 섬유판(30) 중 일면에만 보강시트(20)가 형성되었을 경우에는 보강시트(20)가 형성되지 않은 일방향 섬유판(10)의 표면에 반고체 형태의 접착제를 도포한 후 콘크리트 구조물(C)에 접착시키도록 한다.
특히, 상기 복합 섬유판(30)에 반고체 형태의 접착제를 도포할 때에는 복합 섬유판(30)의 길이 방향과 직각이 되는 폭 방향의 중앙 부분에 도포되는 접착제의 양은 평균 도포량보다 더 많게 도포하고, 복합 섬유판(30)의 양 가장자리에는 평균 도포량보다 더 작은 양을 도포함으로써, 복합 섬유판(30)을 콘크리트 구조물(C)와 접촉하는 복합 섬유판(30)의 전체 면에 고르게 접착제가 분산시킬 수 있도록 한다.
즉, 복합 섬유판(30)을 콘크리트 구조물(C)의 휨 보강을 위해 부착할 때에, 복합 섬유판(30)의 중앙 부분을 먼저 눌러 콘크리트 구조물(C)에 가 접착시킨 상태에서 양 측면을 눌러 최종적으로 복합 섬유판(30)을 콘크리트 구조물(C)에 부착하게 된다.
만약, 복합 섬유판(30)의 중앙 부분과 양 가장자리에 도포된 접착제가 평평한 상태로 도포하였을 경우 중앙부분에 도포한 있던 접착제가 양 측면으로 밀리게 되면서 중앙부분의 접착제 양이 양 가장자리 부분의 접착제 양보다 상대적으로 적어지게 되어 복합 섬유판(30)의 전체 면적에 고르게 접착제가 도포되지 않은 상태에서 콘크리트 구조물(C)에 접착되기 때문에 접착력이 저하되는 현상이 발생하게 된다.
특히, 복합 섬유판(30)의 양 가장자리 부분에서는 중앙 부분에서 밀려온 접착제가 합쳐지게 되어 양 가장자리에 많은 양의 접착제가 형성되기 때문에 복합 섬유판(30)에서 접착제가 삐져나와 시공면인 콘크리트 구조물(C)에 묻거나 또는 낙하하는 현상이 발생하여 접착제의 낭비를 초래함은 물론 이를 정리하기 위한 공정이 더 실시되어야만 한다.
하지만, 본 발명에서는 복합 섬유판(30)의 양 가장자리에는 평균 도포량보다 더 작은 소량의 접착제를 도포하고 중앙부분에는 평균 도포량보다 더 많은 접착제를 형성하여 상술한 바와 같은 문제를 해결할 수 있게 된다.
f. 시공완료단계
한편, 상기와 같이 복합 섬유판(30)을 부착시킨 후 일정 시간이 경과하여 반고체 상태의 접착제가 경화되어 콘크리트 구조물(C)에 복합 섬유판(30)의 부착이 완료되면 복합 섬유판(30)의 양 끝단에 복합 섬유판(30)을 관통하여 콘크리트 구조물(C)의 일정 깊이까지 앵커 홈(h2)을 형성한 후, 앵커링 볼트(A3)를 삽입한 후, 앵커링 플레이트(W) 및 너트(N)를 결합하여 복합 섬유판(30)의 조기 탈락 현상을 방지할 수 있도록 한다.
통상적으로, 접착제를 통한 복합 섬유판(30)의 부착은 접착제의 높은 접착력과 더불어 시공이 편리한 장점이 있는 반면, 장기간 사용시 복합 섬유판(30)의 양 끝단에서 조기 탈락이 발생하거나, 또는 화재에 의한 접착제의 접착력이 저하되어 조기 탈락이 발생하는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 복합 섬유판(30) 양 끝단에 앵커 홈(h2)을 천공해 앵커링 볼트(A3), 앵커 플레이트(W) 및 너트(N)를 결합함으로써 복합 섬유판(30)이 콘크리트 구조물(C)에서 자연적인 조기 탈락되는 현상 및 화재에 의한 조기 탈락 현상을 방지하도록 작용한다.
여기서, 본 발명에서의 복합 섬유판(30)은 상술한 바와 같이 콘크리트 구조물(C)의 휨 인장에 대응할 수 있는 일방향 섬유판(10)에 보강시트(20)를 형성한 구조로 이루어져 있어 천공 형성시 복합 섬유판(30)의 일방향 섬유판(10)의 갈라지는 현상을 방지해 휨 인장에 따른 구조 보강력을 그대로 유지할 수 있도록 작용하게 된다.
또한, 상기 복합 섬유판(30)의 양 끝단에 형성하는 앵커링 볼트(A3)는 각각의 끝단에 1개소 이상을 형성하되, 전단 모멘트가 작용하는 부분에는 다수의 앵커링 볼트(A3)를 추가로 설치할 수 있다.
또한, 상기 앵커 위치 선정단계에서 선정하였던 전단 균열에 따른 보강을 위한 전단보강 홈(h1)도 위와 같은 방법으로 형성하도록 한다.
특히, 전단 균열 방향성 확인단계에서 전단 균열(S)이 사선 형태로 형성되어 있을 경우에는 전단 균열의 방향성과 직각이 되는 방향으로 전단보강 홈(h1)을 천공하도록 한다.
그런 후, 메카니컬 앵커(A1) 또는 케미컬 앵커 시스템(A2) 중 선택된 어느 하나의 앵커를 전단보강 홈(h1)에 삽입한 후에 앵커링 플레이트(W) 및 너트(N)를 순차적으로 결합한 후 조임 작업을 실시하게 된다.
여기서, 상기 메카니컬 앵커(A1) 및 케미컬 앵커 시스템(A2)의 선정은 전단 균열(S)의 진행률에 따라 그에 맞게 선정하여야 한다.
즉, 콘크리트 구조물(C)의 전단 균열(S)의 진행률이 높을 경우에는 전단 보강력이 높은 케미컬 앵커 시스템(A2)을 이용하여 시공을 하도록 하고, 크랙 전단(S) 진행률이 낮을 경우에는 메카니컬 앵커(A1)를 이용하여 작업하도록 한다.
여기서, 상기 메카니컬 앵커(A1)의 부착력은 콘크리트 구조물(C) 내에 형성한 전단보강 홈(h1)과의 물리적인 마찰력에 의해 형성된다.
따라서, 화재 발생에 대해 덜 민감하고, 전단 보강의 범위가 넓지 않을 경우 케미컬 앵커(a1)를 주입하기 위해 별도의 장비를 사용하여야 하는 케미컬 앵커 시스템(A2)에 비해 상대적으로 가격이 저렴하다.
이러한, 메카니컬 앵커(A1)를 통한 앵커링시 메카니컬 앵커(A1)의 부착력 및 전단 보강력의 향상을 위해 몰탈이나 에폭시와 같은 추가의 채움재(F)를 더 형성할 수도 있다.
또한, 케미컬 앵커 시스템(A2)은 화학적 결합이 이루어지기 때문에 부착력이 메카니컬 앵커(A1) 대비 약 10 ∼ 15%정도의 부착력 향상을 기대할 수 있으며, 전단 보강 범위가 넓을수록 가격이 저렴해지는 장점이 있다.
그리고 본 발명에서는 상술한 메카니컬 앵커(A1) 및 케미컬 앵커 시스템(A2)의 케미컬 앵커 롯드(a2)는 녹이 발생하지 않는 스테인리스 재질로 형성할 수도 있다.
특히, 전단 균열(S)이 사선으로 형성되었을 경우에는 너트(N)의 조임을 통한 조임 작업이 어렵게 되는데, 본 발명에서는 도 7에서와 같이 전단 균열(S)의 방향성에 따라 앵커링 플레이트(W)의 형상을 대략 삼각 형상으로 형성하되, 앵커링 플레이트(W)가 콘크리트 구조물(C)에 완전히 밀착되도록 앵커링 플레이트(W) 상부의 각도를 전단 균열(S)의 방향성과 동일한 각도를 형성하도록 구성하여 이러한 문제점을 해결할 수 있게 된다.
한편, 상기와 같은 메카니컬 앵커(A1) 또는 케미컬 앵커 시스템(A2), 앵커링 볼트(A3)의 연결 후 결합하는 너트(N)의 조임은 토크렌치를 이용하여 일정 토그로 조임 작업을 실시하되, 메카니컬 앵커(A1) 또는 케미컬 앵커 시스템(A2), 앵커링 볼트(A3)의 전단 응력이 허용되는 범위 내에서 실시하도록 한다.
예컨대, 메카니컬 앵커(A1) 또는 케미컬 앵커 시스템(A2), 앵커링 볼트(A3)의 직경이 10mm(M10)일 경우 최대 전단 허용 응력 범위인 약 50Nm의 토크로 조임작업을 실시하는 것이 좋다.
또한, 메카니컬 앵커(A1) 또는 케미컬 앵커 시스템(A2), 앵커링 볼트(A3), 앵커링 플레이트(W), 너트(N)의 부식을 방지하기 위해 시공 이후 별도의 캡(도면에 미도시)을 더 형성할 수 있고, 메카니컬 앵커(A1) 또는 케미컬 앵커 시스템(A2), 앵커링 볼트(A3)를 삽입하기 위해 콘크리트 구조물(C)에 형성한 앵커 홈(h2), 전단보강 홈(h1)으로 유입될 수 있는 물에 의한 부식을 방지하기 위해 복합 섬유판(30)과 앵커링 플레이트(W) 사이의 메카니컬 앵커(A1) 또는 케미컬 앵커 시스템(A2), 앵커링 볼트(A3)의 주변에 에폭시 수지(E1)를 더 도포할 수도 있으며, 이러한 시공과정을 거쳐 휨 인장 및 전단 균열에 따른 보강시공을 완료할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 복합 섬유판(30) 및 메카니컬 앵커(A1) 또는 케미컬 앵커 시스템(A2)의 도입에 의해 전단, 휨보강 및 이로 인한 내진성능 향상이 동시에 이루어질 수 있으며, 또한, 복합 섬유판(30)의 적용을 통해 홈을 형성하더라도 여러 방향에서 발생하는 하중에 대한 내하력을 증진시키는 복합 섬유판(30)의 작용은 그대로 유지할 수 있게 된다.
특히, 전단보강시 전단 균열(S)의 방향성 검사 및 배근철근 검사를 통해 적절한 전단 보강을 위한 위치 및 방향성을 사전에 검사한 후 메카니컬 앵커(A1) 또는 케미컬 앵커 시스템(A2)을 형성함으로써 효율적인 전단보강이 이루어질 수 있으며, 앵커링 플레이트(W) 및 너트(N)를 이용하여 전단 균열(S)로 인해 벌어진 부분을 모아주는 역할은 수행함은 물론, 전단 균열(S)의 방향이 사선일 경우 삼각형상의 앵커링 플레이트(W)를 도입해 너트(N)를 통한 조임작업이 원활히 이루어질 수 있는 효과를 얻을 수 있게 된다.
여기서, 상기 앵커링 플레이트(W)의 폭을 복합 섬유판(30)의 폭과 동일하거나 또는 조금 더 크게 형성하여 복합 섬유판(30)의 지지력을 향상시킬 수도 있다.
한편, 상기 앵커링 볼트의 휨인장에 대한 효과에 대해 도 6 내지 도 11을 통해 살펴보면,
우선, 도 6은 무보강 RC-T 빔의 휨인장 시험(Beam 1)을 실시한 개략도로서, 이를 참조하여 설명하면 보강이 없는 RC-T 빔의 시험방법(Beam 1)의 경우, 도 11에서와 같이 실험방법에서의 결과는 하중(P) 60kN × 2에서 콘크리트의 파손이 일어나는 것을 알 수 있었으며, 철근이 소성변형된 후 파손이 일어나기 때문에 파손되기 전에 빔은 변형이 크다.
도 7은 복합 섬유판을 에폭시 부착방법으로 보강한 후 RC-T 빔의 휨인장 시험을 실시한 개략도로서 이를 참조하여 설명하면, RC-T 빔에 복합 섬유판(30)을 접착제로만 부착한 시험으로서 도 11에서와 같이 그 시험한 결과(Beam 2)는 하중(P) 80kN × 2에서 파손이 일어나는 것을 알 수 있으며, 이와 같은 상태에서는 철근이 소성변형되기 전에 파손이 일어나기 때문에 파손되기 전에 빔의 변형이 적게 발생하고, 콘크리트가 떨어져 나가므로 취성파괴가 발생한다.
도 8은 복합 섬유판 에폭시 부착 + 양 끝단을 앵커링 볼트로 보강한 후 RC-T 빔의 휨인장 시험을 실시한 개략도로서 이를 참조하여 설명하면, RC-T 빔에 복합 섬유판(30)을 접착제로 부착하고, 복합 섬유판(30)의 양 끝단을 앵커링 볼트(A3)로 고정한 시험으로 도 11에서와 같이 시험한 결과(Beam 3)는 하중(P) 92kN × 2에서 파손이 일어나는 것을 알 수 있으며, 철근이 소성변형된 후에 파손이 발생하기 때문에 파손되기 전에 빔의 변형이 크게 발생하게 된다.
또한, 콘크리트 파손 후에도 빔은 하중을 지탱할 수 있으며, 앵커링 볼트(A3)로 고정된 양 끝단에서는 빔의 변형 증가에 따라 복합 섬유판(30)의 작은 파손이 발생되며, 취성파괴는 일어나지 않고 콘크리트 구조물(C)의 떨어짐 현상도 발생하지 않는다.
도 9는 복합 섬유판 에폭시 부착 + 전단지역에 일정간격으로 6개 앵커 링으로 보강한 후 RC-T 빔의 휨인장 시험을 실시한 개략도로서 이를 참조하여 설명하면, RC-T 빔에 복합 섬유판(30)을 접착제로 부착하고, 전단휨이 발생하는 양측 전단지역에 각각 6개의 앵커링 볼트(A3)를 일정간격으로 고정시킨 후 시험한 것으로, 도 11에서 결과(Beam 4)를 살펴보면, 하중(P) 103kN × 2에서 파손이 일어나는 것을 알 수 있으며, 후술한 (Beam 5)와 동일한 작용이 일어난다.
도 10은 복합 섬유판 에폭시 부착 + 양 끝단 앵커링 볼트 2개소 + 전단지역 4개소에 앵커링 볼트로 보강한 후 RC-T 빔의 휨인장 시험을 실시한 개략도로서 이를 참조하여 설명하면, RC-T 빔에 복합 섬유판(30)을 접착제로 부착하고, 복합 섬유판(30)의 양 끝단을 앵커링 볼트(A3)로 고정한 후, 복합 섬유판(30)의 양측 전단지역에 각각 4개의 앵커링 볼트(A3)를 추가로 더 고정한 실험으로 도 11에서 그 결과(Beam 5)를 살펴보면, 하중(P) 117kN × 2에서 파손이 일어나는 것을 알 수 있으며, 앵커링 볼트(A3)로 고정된 복합 섬유판(30)에 의해 콘크리트가 떨어져 나가는 현상이 방지되고, 빔의 취성파괴는 발생하지 않는다.
또한, 전단지역에서 복합 섬유판(30)을 앵커링 볼트(A3)로 고정함으로써 내하력이 증가 됨과 안전율이 향상되는 것을 알 수 있다.
이때에, 보강된 빔은 연성을 보여준다.
한편, 본 발명에서의 복합 섬유판(30)의 경우 일방향 섬유판(10)에 직포 또는 부직포 형태의 보강시트(20)를 접착한 구조로 이루어져 있기 때문에 홀을 형성하더라도 일방향 섬유판(10)이 벌어지거나 파손되는 현상이 발생하지 않게 된다.
그리고 상술한 복합 섬유판(30)은 인장력을 향상시킨 일방향 섬유판(10)에 직포 또는 부직포 형태의 보강시트(20)를 결합함으로써 휨인장에 대한 저항력을 높이면서도 가격적으로 저렴한 보강재를 제공할 수 있는 효과가 있다.
즉, 상기 결과를 정리하면 하기의 표와 같다.
[RC - T빔 시험결과]
보강 방법 파괴 하중
무보강 60kN×2
에폭시로 복합 섬유판 부착 80kN×2
에폭시로 복합 섬유판 부착+양 끝단 앵커링볼트(2개소) 설치 92kN×2
에폭시로 복합 섬유판 부착+전단지역에 일정간격으로 앵커링 볼트(6개소) 설치 103kN×2
에폭시로 복합 섬유판 부착+양 끝단 앵커링 볼트(2개소)+ 전단지역에 앵커링 볼트(4개소) 설치 117kN×2
상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 기재한 것이지만 본 발명은 이에 국한되지 않고 본 발명의 특허청구범위에 기재되어 있는 범위 내에서 다양한 형태로 변경하여 실시할 수 있다.
A1 : 메카니컬 앵커 A2 : 케미컬 앵커 시스템 a1 : 케미컬 앵커
a2 : 케미컬 앵커 롯드
A3 : 앵커링 볼트
h1 : 전단보강 홈 h2 : 앵커 홈 N : 너트 S : 전단 균열 F : 채움재
W : 앵커링 플레이트 E1 : 에폭시 수지
30 : 복합 섬유판
10 : 일방향 섬유판
20 : 보강시트

Claims (16)

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  11. 콘크리트 구조물의 전단 균열 범위를 확인하여 전단보강을 위한 위치 및 범위를 확인하는 전단 보강범위 확인단계;
    콘크리트 구조물에 발생한 전단 균열의 방향성을 확인하는 전단 균열 방향성 확인단계;
    상기 전단 보강범위 확인단계에서 확인한 전단보강 위치 및 범위에 비파괴 검사를 통해 콘크리트 구조물 내부에 매설된 배근 철근을 확인한 후 전단보강을 위한 앵커 삽입 위치를 선정하는 앵커 위치 선정단계;
    휨 보강을 하고자 하는 콘크리트 구조물의 표면을 정리하는 콘크리트 구조물 표면정리 단계;
    일방향으로 섬유사가 배열되어 있으며, 전체 중량에서 80 ∼ 90중량%로 이루어져 있는 일방향 섬유판과, 상기 일방향 섬유판의 타공시 일방향 섬유판이 갈라지는 현상을 방지하도록 상기 일방향 섬유판의 상, 하측면 중 어느 한면 또는 양면에 접착제에 의해 접착되되 전체 중량에서 10 ∼ 20중량%로 이루어져 있는 보강시트로 이루어져 있는 복합 섬유판에 접착수단을 도포한 후 휨 보강을 위한 콘크리트 구조물에 부착하는 복합 섬유판 부착단계;
    상기 앵커 위치 선정단계에서 선정한 위치와 콘크리트 구조물에 부착한 복합 섬유판 중 양 끝단에 복합 섬유판을 관통하여 콘크리트 구조물 일부에 형성되는 전단보강 홈과 앵커 홈을 형성한 후 메카니컬 앵커 또는 케미컬 앵커 시스템 및 앵커링 볼트와 앵커링 플레이트 및 너트를 결합하는 시공완료단계;로 이루어진 것에 특징이 있는 복합 섬유판 및 메카니컬 앵커를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 전단 및 내진성능 향상 보강공법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 복합 섬유판 부착단계에서 복합 섬유판에 형성되는 보강시트가 어느 한 면에만 형성되었을 경우에는 보강시트가 형성되지 않은 탄소섬유판의 면에 접착수단을 도포한 후 콘크리트 구조물에 부착하는 것에 특징이 있는 복합 섬유판 및 메카니컬 앵커를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 전단 및 내진성능 향상 보강공법.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 복합 섬유판 부착단계에서 일방향 섬유판은 Tex(굵기)가 800 ∼ 1,600 또는 탄소섬유사가 12,000 ~ 24,000개인 탄소섬유 스트랜드를 다수 결합하여 제작하며, 제작된 일방향 탄소섬유판은 인장강도가 2,200 ~ 3,200 MPa, 탄성계수가 160 ~ 250 GPa인 것에 특징이 있는 복합 섬유판 및 메카니컬 앵커를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 전단 및 내진성능 향상 보강공법.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 복합 섬유판 부착단계에서 일방향 섬유판은 Tex(굵기)가 1,200 ~ 2,400인 유리섬유 스트랜드를 다수 결합하여 제작하며 제작된 일방향 유리섬유판은 인장강도가 1700 ~ 3,000 MPa, 탄성계수가 65 ~ 70 GPa인 것에 특징이 있는 복합 섬유판 및 메카니컬 앵커를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 전단 및 내진성능 향상 보강공법.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 복합 섬유판 부착단계에서 보강시트는 탄소섬유 부직포 또는 폴리에스터 부직포 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어져 으며, 상기 부직포는 각방향의 인장강도가 20 ∼ 80 kN/m 이고 중량이 20 ∼ 100g/㎡인 것에 특징이 있는 복합 섬유판 및 메카니컬 앵커를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 전단 및 내진성능 향상 보강공법.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 시공완료단계에서의 앵커링 플레이트의 폭은 복합 섬유판의 폭과 동일 또는 더 크게 형성하는 것에 특징이 있는 복합 섬유판 및 메카니컬 앵커를 이용한 콘크리트 구조물의 휨, 전단 및 내진성능 향상 보강공법.
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