KR100537407B1 - 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량, 건축물 등 노후화되거나 약화되어 내하력을 증대시킬 필요가 있는 구조물에 홈을 형성시키고 그 홈에 보강재를 삽입하는 방법으로 보강효과를 극대화시킬 수 있는 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법은, 구조물의 길이방향으로 상기 구조물의 보강하고자 하는 면에 수직하게 홈을 형성시키는 홈 형성단계, 및 상기 형성된 홈에 보강재를 에폭시 접착제로 삽입부착하는 삽입부착단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 필요한 보강재의 양을 줄여줄 수 있고 상대적으로 하중지지력이 낮은 벽돌이나 석조물, 목재 등과 같은 구조물에도 보강작업에 따른 효과를 얻을 수 있으며, 보강재가 외부로 노출되지 않으므로 외부의 물리적인 충격으로부터 보호할 수 있고, 결과적으로 화재보호공사를 하지 않아도 되는 등의 효과가 있다.

Description

보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법{Method of reinforcing a structure with inserting a reinforcing material vertically}

본 발명은 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 교량, 건축물 등 노후화되거나 약화되어 내하력을 증대시킬 필요가 있는 구조물에 홈을 형성시키고 그 홈에 보강재를 삽입하는 방법으로 보강효과를 극대화시킬 수 있는 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법에 관한 것이다.

통상, 구조물을 보강하는 방법으로는 별도의 보강재를 이용하여 부착하는 방법이 가장 일반적으로 실시되고 있다. 즉, 구조물의 휨 인장력이 집중되는 부위에 보강재를 부착 보강함으로써 예상되는 인장파괴나 전단파괴를 방지하도록 하는 방법이다.

이러한 보강재를 이용한 부착 보강방법은 그 보강재의 특성에 따라 보강의 효과가 달라지므로 보강재의 종류도 다변화되어 현장에서 응용되고 있는데, 그 대표적인 예로는 강판을 부착하여 보강하는 방법과 특수 섬유재를 부착하여 보강하는 방법을 들 수 있다.

상기 예들을 각각 살펴보면 우선, 강판을 부착하여 보강하는 방법은 재료비가 비교적 저렴하므로 가장 보편적으로 이용되는 방법이나, 강판 자체의 무게가 무거워 중장비를 동원해야 하는 등 협소한 장소에서의 작업이 어려운 문제점이 있고, 보강재인 강판자체의 부식, 강판 부착부위의 균열(crack) 발생, 용접부위의 변형 및 균열파괴 등이 문제되므로 보강효과가 일시적이고 공정별 시공비가 비싸다.

다음으로, 특수 섬유재를 부착하여 보강하는 방법을 살펴보면 상술한 강판 자체로부터 야기되는 문제점을 해결하기 위하여 특수 제작된 소재를 부착 보강하는 방법으로서 그 소재의 특성이 보강의 효과를 높여준다고 볼 수 있으며, 국내 건설현장에서 이용되는 것은 탄소섬유가 가장 대표적이므로 탄소섬유를 이용한 보강방법을 살펴본다.

탄소섬유를 부착하여 보강하는 방법은 일방향으로 배열된 탄소섬유시트(Carbon Fiber Sheet)를 프라이머(primer) 및 에폭시 접착제를 이용하여 보강될 부위에 함침 부착시키는 방법과, 탄소판 컴퍼지트(Carbon Fiber Composite)를 에폭시 접착제로 부착시키는 방법으로 나누어 볼 수 있다.

우선, 탄소섬유시트를 부착하여 보강하는 방법은 기존 구조물의 보강하고자 하는 부위를 표면처리하고, 시공표면의 높낮이를 조정하여 그 표면에 프라이머를 도포하고 난 후, 에폭시 접착제를 사용하여 탄소섬유시트를 접착시키고, 다시 탄소섬유시트 표면에 탑 코트(top coat)로 함침시키는 방법이다. 별도의 중장비를 동원하지 않고 수작업으로 할 수 있는 방법으로서 소재는 부식이 없고 내구성이 우수하며, 콘크리트면 접착이 확실하고 전단보강 및 보강될 부위를 감싸서 보강할 수 있다는 등의 장점이 있다.

그러나, 탄소섬유시트를 이용한 보강방법은 상술한 바와 같이 번거롭고 복잡한 수작업 과정을 거쳐야 하며, 보강효과를 높이기 위하여 적층매수를 늘리면 공정시간이 길어지고 균일한 적층폭으로 시공하기가 난해하므로 치수안전성에 문제가 있다.

또한, 보강의 효과는 넓은 범위에 걸쳐 상기한 탄소섬유시트를 부착해야만 그 효과가 나타나는 것으로 이러한 경우 통기성이 없으며, 구비해야 하는 소재의 양에 따른 시공단가가 높아지는 등의 문제점이 있었다.

다음으로, 탄소판 컴퍼지트는 스위스(switzerland)에서 출원한 PCT 공개번호 WO97/21009에 구조물 보강용 탄소판 컴퍼지트의 생산 및 시공방법이 제시되어 있는 것을 일 예로 들 수 있다. 탄소판 컴퍼지트는 고탄성 저변형률의 탄소섬유와 저탄성 고변형률의 탄소섬유를 프리스트레스(pre-stress) 공법으로 일체화시켜 만들어진 자재로서 에폭시 접착제를 이용하여 보강하려는 부위에 접착시켜 보강하는 방법이므로 탄소섬유시트와 마찬가지로 별도의 중장비 동원 없이도 수작업으로 할 수 있다.

더우기, 탄소판 컴퍼지트는 탄소섬유시트의 문제점을 해결하여 비교적 적은 단위면적에 걸친 부착 방법으로도 보강 효과를 얻을 수 있으므로 모체의 통기성을 높일 수 있으며, 장소와 구조물 형태에 구애받지 않고 시공이 가능하고 습윤면 접착 또한 가능하도록 되어 있다.

도 1은 종래의 보강재를 이용한 보강방법으로 보강된 구조물을 나타낸 사시도이다.

종래의 탄소판 컴퍼지트를 이용한 구조물의 보강방법을 좀더 상세히 설명하면 구조물의 보강하고자하는 부위를 치핑(chipping)하는 치핑단계, 치핑된 면을 고압세척하는 고압세척단계, 고압세척된 면을 고르게 정리하는 볼륙조정(leveling)단계, 볼륙조정된 면에 접착제로 에폭시 접착제를 도포하는 접착단계, 및 에폭시 접착제가 도포된 면에 탄소판 컴퍼지트를 부착하는 보강판 부착단계로 이루어진다.

여기서, 볼륙조정단계는 에폭시 수지와 규사를 혼합하여 고압세척된 면의 높낮이를 조절하도록 하고 있다.

그리고, 상술한 단계로 부착되어 보강된 상태가 도 1에 도시되어 있다. 즉, 치핑단계와 고압세척단계 및 볼륙조정단계를 거친 구조물(1)의 보강하고자 하는 면에 에폭시 접착제(2)를 사이에 두고 보강재(3) 즉, 탄소판 컴퍼지트가 부착되어 있는 것이다. 에폭시 접착제(2)는 보강재를 구조물에 부착시키며 도 1에서와 같이 에폭시 층을 형성하게 된다.

물론, 도 1에서의 보강구조는 종래의 특수 섬유재를 이용한 보강방법으로서 보편적인 방법이며, 탄소판 컴퍼지트 또한 이러한 방법을 채택하여 시공하고 있다.

그러나, 상기와 같은 탄소판 컴퍼지트를 이용한 보강방법은 상술한 여타 보강재를 이용한 보강방법과 비교하여 볼 때 우수한 보강효과를 가지고는 있으나, 그 소재의 공학적 우수성에도 불구하고 보편적인 보강재의 부착방법을 그대로 답습함으로써 보강효과를 극대화시키지 못하였고, 또한 비교적 시공시간이 많이 소요되는 치핑단계와 볼륙조정단계를 그대로 시행하는 등의 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 하중이 작용하는 구조물을 보강재를 이용하여 보강효과를 보다 극대화시킬 수 있는 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 보강재를 이용한 보강방법에 있어 비교적 장시간이 소요되는 치핑단계와 볼륙조정단계 등을 생략할 수 있는 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법은, 구조물의 길이방향으로 상기 구조물의 보강하고자 하는 면에 수직하게 홈을 형성시키는 홈 형성단계, 및 상기 형성된 홈에 보강재를 에폭시 접착제로 삽입부착하는 삽입부착단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 보강재로는 탄소판 컴퍼지트, 아라미드 섬유, 및 유리섬유로 이루어진 군 중에서 하나를 채택하는 것이 바람직하다.

상기 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법은, 상기 홈 형성단계로부터 형성된 상기 홈에 발생한 이물질을 상기 삽입부착단계 이전에 제거하기 위하여 고압 세척하는 고압세척단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법으로 보강된 구조물을 나타낸 분해사시도이다.

본 발명에 따른 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법은, 도 2에 도시된 바와 같이 구조물(1)의 보강하고자 하는 면에 홈(4)을 형성하는 홈 형성단계를 수행한 후, 그 홈(4)에 보강재(3)를 에폭시 접착제(2)를 이용하여 삽입부착하는 삽입부착단계를 수행하여 구조물을 보강하는 방법이다. 에폭시 접착제(2)는 보강재를 구조물에 부착시키며 도 2에서와 같이 에폭시층으로 나타나게 된다.

여기서, 홈 형성단계는 구조물의 길이방향으로 상기 구조물의 보강하고자 하는 면에 수직하게 홈을 형성시키는 것이 바람직하다.

구조물의 길이방향으로 홈을 형성시키는 이유는 통상 구조물이 양 끝에 지지대, 예컨대 기둥 등에 의해 지지되므로, 휨 인장력을 강화시키기 위해서는 구조물의 길이방향으로 홈을 형성시켜야 하는 것이며, 만약 경우에 따라 휨 인장력을 받는 방향이 달라진다면 이에 따라 홈을 형성시키는 방향도 달라져야 함은 당연한 것이다.

그리고, 삽입부착단계에서의 에폭시 접착제(2)는 상기 형성된 홈에 직접 도포하여 보강재를 삽입부착할 수도 있고, 보강재에 도포하여 삽입부착할 수도 있으며, 또는 별도의 용기에 담긴 에폭시 접착제에 보강재를 담갔다가 꺼내어 홈에 삽입하는 방법도 있을 것이다. 도 2에서는 보강재(3)에 에폭시 접착제(2)가 도포되어 홈에 삽입되는 상태를 도시하고 있다.

이때, 본 발명에 따른 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법은 종래의 보편적인 부착방법과는 대별되는 특징이 있다.

즉, 교량, 건축물 등 보강하려는 구조물의 경우 시일이 경과하여 노화되면 구조물의 외부면이 열화 및 중성화되어 면이 고르지 못하며, 이러한 경우 종래의 방법을 이용하여 구조물을 보강하기 위해서는 치핑단계와 볼륙조정단계 등을 반드시 거쳐야 한다. 치핑단계와 볼륙조정단계는 면을 고르게 하기 위한 작업으로 작업자의 수작업에 의존하는 경우가 대부분이므로 시공시간의 대부분을 차지하는 것이다.

그러나, 본 발명에 따른 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법은 보강재를 구조물에 단순히 삽입하여 부착하는 방법이므로 상술한 치핑단계와 볼륙조정단계 등을 생략할 수 있는 것이다.

물론, 본 발명에 있어서 구조물에 홈을 형성시킨 후의 형성된 홈에는 이물질이 발생할 수 있으므로 상기 형성된 홈에 발생한 이물질을 제거하기 위하여 고압 세척하는 고압세척단계를 포함할 수 있다.

도 3은 종래의 보강방법으로 보강된 구조물의 형태를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 보강방법으로 보강된 구조물의 형태를 나타낸 단면도이며, 도 5는 종래의 보강방법으로 보강된 구조물의 다른 형태를 나타낸 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 보강방법으로 보강된 구조물의 다른 형태를 나타낸 단면도이다.

종래의 구조물의 보강방법과 본 발명에 따른 구조물의 보강방법을 비교하기 위한 도면이 도 5, 도 6, 도 7, 및 도 8에 도시되어 있다. 물론, 보강효과를 비교하기 위하여 도 5, 도 6, 도 7, 및 도 8의 구조물은 길이는 2.5[m]이고 35[cm]×15[cm]인 동일한 규격의 일반 콘크리트 구조물을 채택하였고 보강재로는 탄소판 컴퍼지트를 채택하였다.

도 3 및 도 5는 종래의 단순부착식 보강방법으로 보강된 구조물을 나타낸 것으로서 도 3과 도 5의 구조물은 동일한 것이나 보강된 면을 달리한 것이다. 그 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 구조물(1)의 보강하고자 하는 면에 에폭시 접착제(2)를 사이에 두고 보강재(3)가 부착되어 있는 상태가 도시되어 있다. 그리고, 보강재로 채택한 탄소판 컴퍼지트는 50[mm]×1.2[mm]의 규격이다.

또한, 도 4 및 도 6은 본 발명에 따른 구조물의 보강방법이 도시되어 있다. 역시 도 4 및 도 6에 도시된 구조물은 동일한 것이나 보강된 면을 달리 하였다. 그 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 구조물(1)의 보강하고자 하는 면에 홈(4)이 형성되어 있고 에폭시 접착제(2)를 사이에 두고 보강재(3)가 삽입부착되어 있다. 그리고, 보강재로 채택한 탄소판 컴퍼지트는 도 3 및 도 5에 체택한 탄소판 컴퍼지트를 둘로 나누어 삽입한 것으로서 그 규격은 각각 25[mm]×1.2[mm]이다.

도 7은 도 3 및 도 4에 나타낸 구조물의 하중에 따른 변형량을 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 8은 도 5 및 도 6에 나타낸 구조물의 하중에 따른 변형량을 비교하여 나타낸 그래프이다.

우선, 도 3 및 도 4에 나타낸 구조물의 하중에 따른 변형량을 비교해 보면 도 7에 도시된 바와 같이 약 두 배 이상 하중을 지지할 수 있음을 알 수 있다. 최대 굽힘모멘트(Bending moment)는 각각 도 3에서는 약 12[kNm], 도 4에서는 약 26[kNm]로 나타나 있다.

다음으로, 도 5 및 도 6에 나타낸 구조물의 하중에 따른 변형량을 비교해 보면 역시 약 두 배가량 하중을 지지할 수 있음을 알 수 있다. 최대굽힘모멘트는 각각 도 5에서는 약 26[kNm], 도 6에서는 약 51[kNm]로 나타나 있다.

즉, 같은 양의 탄소판 컴퍼지트를 사용하였음에도 불구하고 두 배 가량의 휨 인장강도를 나타낼 수 있음을 알 수 있으므로, 본 발명에 따른 구조물의 보강방법은 종래의 보강방법과 비교하여 볼 때 같은 재질의 보강재를 채택할 경우 보다 적은 양의 보강재로도 원하는 보강효과를 나타낼 수 있다 하겠다.

이는, 기존 콘크리트 구조물을 볼 때 강한 압축력을 견디는 콘크리트와 강한 인장력을 견디는 철근의 조합으로 인장력과 압축력을 함께 소유하는 것이므로, 본 발명에 있어서 구조물에 삽입되는 보강재는 상기 콘크리트에 삽입되어 상기 철근의 역할을 수행하는 것이라 할 수 있다.

결국, 보강재의 약한 인장강도와 무거운 자중에 따른 시공의 어려움, 보강재 재질의 부식성으로 인한 구조물 모체의 파손이 우려되는 등의 문제점이 있다면 본 발명에 따른 구조물의 보강방법을 구현할 수 없다 하겠으나, 이러한 문제점이 없는 상술한 바와 같은 보강재인 탄소판 컴퍼지트 또는 국내에서 시공실적이 드문 아라미드 섬유(aramid fiber), 유리섬유 등을 이용하면 얼마든지 적용이 가능하다 함은 당업자에게 있어 당연한 것이며, 그에 따른 보강의 효과는 기존 방법보다 극대화될 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명에 의하면 상술한 바와 같이 종래의 보강방법보다 보강효과가 극대화되므로, 필요한 보강재의 양을 줄여줄 수 있고 상대적으로 하중지지력이 낮은 벽돌이나 석조물, 목재 등과 같은 구조물에도 보강작업에 따른 효과를 얻을 수 있으며, 보강재가 외부로 노출되지 않으므로 외부의 물리적인 충격으로부터 보호할 수 있고, 결과적으로 화재보호공사를 하지 않아도 되는 등의 효과가 있다.

또한, 종래의 보강방법과 비교하여 비교적 장시간이 소요되는 치핑단계와 볼륙조정단계를 생략할 수 있으므로 시공의 편의성을 도모할 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 종래의 보강재를 이용한 보강방법으로 보강된 구조물을 나타낸 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강방법으로 보강된 구조물을 나타낸 분해사시도이다.

도 3은 종래의 보강방법으로 보강된 구조물의 형태를 나타낸 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 보강방법으로 보강된 구조물의 형태를 나타낸 단면도이다.

도 5는 종래의 보강방법으로 보강된 구조물의 다른 형태를 나타낸 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 보강방법으로 보강된 구조물의 다른 형태를 나타낸 단면도이다.

도 7은 도 3 및 도 4에 나타낸 구조물의 하중에 따른 변형량을 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 8은 도 5 및 도 6에 나타낸 구조물의 하중에 따른 변형량을 비교하여 나타낸 그래프이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 구조물 2: 에폭시 접착제

3: 보강재 4: 홈

Claims (3)

1. 구조물의 길이방향으로 인장력선을 따라 상기 구조물의 보강하고자 하는 면에 수직하게 가늘고 긴 판형 홈을 일정간격으로 다수개 형성시키는 단계;

   상기 홈 형성단계로부터 형성된 상기 홈에 발생한 이물질을 제거하기 위하여 고압세척하는 고압세척 단계; 및

   상기 형성된 홈에 보강재를 에폭시 접착제로 삽입 부착하는 삽입부착단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 보강재료는 탄소판 컴퍼지트, 아라미드 섬유 및 유리섬유로 이루어진 군 중에서 선택된 하나임을 특징으로 하는 보강재 수직 삽입식 구조물의 보강 방법.
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