KR100708058B1 - 콘크리트 구조물 보강용 에프알피(frp) 패널 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보강공법의 경제성, 시공성, 신뢰성 등을 확보하기 위하여 강도뿐만 아니라 초기의 강성조절이 가능하고 경량이며, 부식이 없고, 내구성, 시공성, 경제성이 우수하며 부착성이 좋고, 균열에 대한 보수효과가 뛰어난 콘크리트 구조물 보강용 FRP 패널을 제시하고자 한다.

콘크리트, 보강재, FRP패널, 에폭시 모르타르, 탄소섬유시트.

Description

콘크리트 구조물 보강용 에프알피(FRP) 패널{omitted}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 콘크리트 구조물 보강용 에프알피(FRP) 패널의 구성을 보이고 있는 단면도.

도 2는 도 1에서 도시하고 있는 FRP 패널의 단면을 나타낸 도면.

도 3은 도 1에서 도시하고 있는 FRP 패널을 이용하여 철근콘크리트 구조물을 보강한 상태를 나타낸 도면.

본 발명은 콘크리트 구조물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트의 구조적 성능 및 부착성능이 우수한 콘크리트 구조물 보강용 FRP 패널에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 철근콘크리트 구조물은 내구성, 내화성, 시공성, 치수 형상성이 우수하고 강성이 크므로 수평하중 및 변형에 대한 저항력이 크며, 유지관 리 비용도 적게 들어 경제성이 높은 구조물로 인식되어 있어 현재까지 널리 사용되고 있다. 그럼에도 불구하고 철근콘크리트 구조물은 시공중의 오류 및 건물의 용도변경, 반복하중, 시간의 경과에 따른 재료특성의 변화, 환경의 변화 등으로 인하여 내구성을 약화시켜, 균열, 강도저하, 변형 등을 일으키므로 내력이 저하되거나 사용상에 문제가 제기되었다.

최근에 발생된 철근콘크리트 구조물의 부실사고 등으로 인해 보강방법에 대한 관심이 높아지고 여러 공법이 사용되고 있으나, 구조물의 내력을 향상시키는 보강설계 및 보강공법에 대해서는 일정한 기준이 없는 상태이며, 보강에 필수적인 접착제나 보강재료의 선택이 보강업체 또는 설계자의 경험에 의해 이루어지고 있다.

한편, 철근콘크리트 구조물의 보강공법에는 단면 증대공법과 포스트 텐션공법 및 강판 부착공법, 그리고 최근에는 섬유시트를 이용한 접착 보강공법들이 있다. 이러한 보강공법들 중에서 단면 증대공법은 부재의 강성을 증가시키지만, 단면증가에 따른 자중이 증가하게 되고 또한 작업 공간의 확보 및 이용 공간이 제한되는 단점이 있다. 상기 강판 부착공법은 부재 단면 크기의 변화가 거의 없고 시공이 간편한 반면, 취급이 불편하고 부식 및 내화성능이 취약하고, 취성적인 보강판 탈락현상이 발생하는 단점이 있다. 또한 섬유시트를 이용한 철근콘크리트 보강공법은 경량이고 부식의 염려가 없으며 작업성 및 내구성이 우수한 공법이기는 하나, 강성의 조절이 불가능하고 균열에 대한 보수 및 화재에 약하며 시간의 경과에 따른 접착제의 부착력에 문제가 있어 구조물의 내구성이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 철근콘크리트 구조물에 사용되고 있는 각종 보강공법의 문제점을 보완하고 부착성능이 우수한 FRP 패널(Fiber Reinforced Polymer Panel)을 제공함에 있다.

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이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

후술될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 한 개의 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다. 도면상에서 도일한 도면부호는 동일한 요소를 지칭한다.

우선 본 발명에서는 보강공법의 경제성, 시공성, 신뢰성 등을 확보하기 위하여 강도뿐만 아니라 초기의 강성조절이 가능하고 경량이며, 부식이 없고, 내구성, 시공성, 경제성이 우수하며 부착성이 좋고, 균열에 대한 보수효과가 뛰어난 콘크리트 구조물 보강용 FRP 패널을 제시하고자 한다.

즉, 본 발명은 철근콘크리트 부재를 대상으로 하여 초기의 강성 조절이 가능하고 경량이며 부식의 염려가 없을 뿐만 아니라 내구성, 시공성, 경제성이 우수하고 기존의 균열에 대한 보수효과가 뛰어난 탄소섬유시트가 매입된 에폭시 모르타르 패널(이하 'FRP 패널'이라 함)을 제시한다.

또한, 본 발명에서는 위와 같은 FRP 패널을 제조할 때 사용되는 재료인 규사의 입도 및 물성을 파악하여 적정한 에폭시 모르타르의 배합비를 결정하였으며, 이것을 토대로 FRP 패널을 제작하였다. 한편 보강재가 철근콘크리트 구조물에 보강된 경우 보강 구조물이 최대 내력에 도달할 때까지 효율적인 보강효과를 발현하기 위한 필수조건은 보강재와 콘크리트의 일체화 거동이기 때문에 본 발명에서는 탄소섬유시트(CFS) 및 에폭시(Epoxy)의 물성을 알아본 후, 일체화 거동을 알아보기 위해 부착길이를 변수로 5개의 시험체를 제작하여 50tonf 용량의 만능시험기(Universal Testing Machine)를 이용하여 부착시험을 행하였다.

그리고, 본 발명에서는 부재의 부착성능을 알아보기 위해 단순가력시험 및 피로가력시험에서 3종류의 인장철근비(1.75％, 1.03％, 0.31％)를 실험 변수로 하여 총 9개의 시험체를 제작하였다. 또한 상기 시험체가 안정적으로 피로하중을 받도록 하기 위하여 하중 반복회수 10회까지 정적으로 재하 하였으며, 진동수는 1Hz, 하중은 정적최대하중의 70％를 최대하중으로 하고, 최소하중은 최대하중의 10％로 하여, 50tonf 용량의 엑츄에이터(Actuator)를 사용하여 주기적으로 반복하여 재하하였다. 실험결과로부터 실험변수에 따른 부착강도 및 파괴형상을 파악하고, 정적 및 피로 시험체의 균열형상과 하중-처짐 관계 등을 비교 및 분석하였다.

따라서, 본 발명에서는 위와 같은 각 실험을 통해 얻어진 파괴형태 및 하중-변위관계, 휨강도, 초기 강성 등의 실험값을 파악한 다음, 상기 실험값과 기존의 계산값을 비교 검토한 후 이러한 검토 결과를 바탕으로 실무에 적용할 수 있는 새로운 휨보강공법 및 상기 보강 공법에 적용되는 FRP 패널을 제시하는데 그 특징이 있다.

한편, 본 발명은 에폭시 모르타르의 적정 배합비를 결정하기 위해서 규사의 입도 조정을 통해 적정 입도비를 확인한 다음, 규사인 60목과 4호의 배합비를 달리한 시험체를 제작하여 각각의 압축 및 인장 실험을 하였고, 그 결과 상기 60목과 4호의 규사가 최상의 것으로 나타나 본 발명에서는 이를 이용하여 FRP 패널을 제작하였다. 이때 규사의 배합비가 '60목:4호=1:3'일 때 가장 이상적인 것으로 나타났다.

상기한 바와 같이 본 발명의 FRP 패널에 사용된 에폭시 모르타르는 규사인 60목과 4호를 적정 배합비(60목:4호=1:4)에 따라 충분히 혼합한 다음, 이를 에폭시 레진(주제:경화제=1:4)을 첨가하여 충분히 혼합하여 제작하였다. 이와 같은 에폭시 모르타르의 적정한 배합비를 결정하기 위해 본 발명에서는 규사인 60목과 4호의 배합비와 에폭시 레진과 규사의 배합비를 변수로 하여 시험체 20대를 제작한 다음, 상기 각 시험체의 물리적 특성(압축 및 인장)을 시험하였다.

즉, 상기 시험체는 지름 10cm이고 높이 20cm의 실린더형 몰드에 의해 제작되었으며, 상기 에폭시 모르타르의 물성을 알아보기 위한 시험의 변수는 규사인 60목과 4호의 배합비는 1:1.5와 1:3으로 구분하였고, 에폭시 레진과 규사의 배합비를 1:3과 1:4로 하였다. 또한 상기 시험체의 양생은 타설 후 24시간 이후에 탈형을 하였고, 일주일 동안 대기 양생시켰으며, 압축강도는 시험체 3개의 평균값으로 하고 인장강도는 시험체 2개의 평균값으로 하였다. 강도 측정은 100tonf 용량의 만능시험기(UTM)를 사용하였다.

위와 같은 실험을 통해 얻어진 에폭시 모르타르의 물리적 특성은 표 1에 나타내었으며, 여기서 혼합잔골재는 규사의 배합비를 달리하여 제작한 것으로서, A의 경우 60목:4호=1:3으로 하였고 D의 경우 1:1.5로 하였으며, 잔골재는 4호만을 사용하였다.

[표 1]

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 규사인 60목과 4호를 1:3으로 배합한 것이 가장 이상적이고, 경제적으로 타당한 것으로 나타났다. 즉, 상기 규사의 배합비와 에폭시와 규사의 배합비를 변수로 4가지 경우를 시험한 결과, 잔골재인 4호만 사용하였을 경우는 60목과 4호를 혼합하여 사용한 경우보다 압축강도가 200kgf/㎠ 정도 차이가 나타났다. 또한 60목과 4호를 혼합하여 사용한 혼합잔골재의 경우에는 배합비를 1:3으로 배합한 것이 1:1.5로 배합한 것보다 압축강도가 100kgf/㎠ 정도 더 높게 나왔다. 한편 인장강도의 경우에는 B,C 보다 A,D 시험체가 약 20kgf/㎠ 정도 더 나왔다. 에폭시 레진과 잔골재의 배합비를 다르게 하였을 경우, 배합비가 1:3보다 1:4의 배합비율이 더 높은 강도를 나타내었다.

또한, 잔골재를 사용한 것이 혼합잔골재보다 인장 및 압축 강도면에 있어 떨어짐을 알 수 있었다. 상기 혼합잔골재를 비교해 보면 60목과 4호를 1:3으로 혼합한 것이 1:1.5로 혼합한 것보다 강도가 더 많이 나왔고, 인장강도에는 별 차이가 없었으며, 또한 1:3으로 혼합한 것이 경제적으로 유리하였다.

따라서, 본 발명에서는 에폭시 모르타르의 배합비를 '60목:4호=1:3'의 배합으로 하였고 '에폭시 레진:혼합잔골재=1:4'의 배합으로 혼합하였으며, 이를 토대로 본 발명의 콘크리트 구조물 보강용 FRP 패널을 제작하였다.

한편, 위와 같은 배합비로 배합된 에폭시 모르타르를 패널로 제작하기 위해서는 아래의 과정(방법)들을 수행하게 되는데, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

즉, 규사인 60목과 4호를 1:3으로 배합비에 따라 충분히 혼합(이하 '혼합잔골재'라 함)한 다음, 주제:경화제를 1:4로 배합하여 혼합한 에폭시 레진과 상기 혼합잔골재의 비율을 1:4로 하여 충분히 비빈다. 이후 비빔이 완료된 에폭시 모르타르를 패널 거푸집(예를 들어, 폭 6cm, 길이 60cm, 높이 1cm로 제작된 패널 거푸집)에 패널의 절반 정도의 두께로 1차 타설한 다음, 그 위에 탄소섬유시트를 함침시키고, 다시 그 위에 절반의 두께로 2차 타설하여 본 발명의 콘크리트 구조물 보강용 FRP 패널을 제작하였다. 이때 상기 FRP 패널에 사용된 에폭시 모르타르의 압축강도는 675.6kgf/㎠이고, 인장강도는 100.3kgf/㎠이다.

한편, 본 발명에서는 위와 같은 방법으로 제작된 FRP 패널의 성능(물리적 특성)을 확인하기 위해 콘크리트와의 부착시험을 하였다.

먼저, 상기 부착시험을 수행하기 위하여 가로×세로×높이가 12cm×12cm×12cm 크기의 콘크리트를 제작(설계강도는 240kgf/㎠, 압축강도는 270kgf/㎠ 임)하였고, 상기 콘크리트 표면과 FRP 패널의 접착에 사용되는 에폭시로는 탄소섬유시트 접착전용인 2액형 상온경화용 에폭시 레진을 사용하였다. 상기 에폭시 레진은 주제:경화제를 1:4의 비율로 혼합하여 믹서기계를 이용하여 충분히 혼합시킨 것이며, 그 물성은 표 2에 나타내었다.

[표 2]

이후, 혼합시킨 에폭시 레진을 본 발명의 FRP 패널을 부착할 콘크리트면에 붓으로 칠하고 굳기 전에 FRP 패널을 붙인 후, 일주일 간 대기에서 양생시킨 다음, 부착시험에 따른 결과를 측정하였다.

상기 측정결과, 시험체의 파괴 양상은 대체로 FRP 패널이 콘크리트를 물고 떨어지는 계면박리파괴(즉, 콘크리트 전단파괴) 형태를 보였으며, 평균적인 부착응력은 38kgf/㎠ 정도로 나타났고, 이러한 결과는 후술하는 표 3 및 표 4에 의해 용이하게 이해될 것이다. 상기 표 3은 부착 시험결과를 나타낸 일람표이고, 상기 표 4는 부착길이에 대한 부착강도를 나타낸 그래프이다.

[표 3]

[표 4]

상기 표 3 및 표 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 FRP 패널과 콘크리트와의 부착강도는 아주 우수한 것으로 나타났다.

끝으로, 본 발명에서는 FRP 패널로 휨 보강된 철근콘크리트 보에 대한 단순가력실험과 피로가력실험을 실시하였다.

우선 보강된 철근콘크리트 보의 휨 거동을 파악하기 위해 인장철근비와 보강량을 변수로 시험체를 제작하였고, 상기 인장철근비는 여러 종류의 인장측 철근 배근량에 대한 적용 여부를 검토하기 위해 최대철근비 1.75％, 최대철근비와 최소철근비의 평균 1.03％, 최소철근비 0.31％로 하여 인장철근비에 따라 3종류로 구분하였다. 또한 보강량의 증가에 따른 보강효과를 알아보기 위해 단순가력실험의 경우는 보강량을 0％, 10％, 20％, 30％인 4종류로 구분하였고, 피로가력실험은 보강량을 20％로 하여 총 15개의 시험체를 계획하였다. 상기 시험체는 보통강도 콘크리트를 사용한 실물 크기의 1/3 정도로 축소 제작된 것으로, 단순가력실험은 일정한 하중간격(0.5tonf/min)으로 하중재하하였으며, 항복하중 이후 변형상태를 고려하여 하중을 유지하고 변위를 제어하는 방식을 선택하였다. 피로가력실험은 하중재하 속도는 1Hz의 속도로 단순가력실험으로부터 정적 극한 강도의 70％를 최대하중으로 하였고, 최소하중은 각 최대하중의 10％로 일정하게 10만 사이클이 될 때까지 하중재하하였다.

상기 가력실험결과, 시험체의 최종적인 파괴형태는 대체로 FRP 패널의 인장파단 후 압축측 콘크리트가 압괴하는 전형적인 휨 파괴가 발생하였다. 또한 최대하중을 극한 강도의 70％, 최소하중의 10％로 하여 10만 사이클의 피로가력실험을 행한 결과, 단순가력의 시험체와 항복하중 및 최대하중이 비슷하게 나타났으며, 최종적으로 패널과 콘크리트의 부착상태가 양호하였다.

휨 강도에 대한 계산값과 실험값의 비의 평균값과 표준편차는 초기균열강도의 경우 0.98％, 13.2％이고, 항복강도는 1.05％와 8.0％이며, 최대강도는 1.03％와 10.2％로 나타나 기존의 계산방법으로 휨강도 평가가 가능하였다. 초기 강성에 대한 계산값과 실험값의 비는 0.99이며, 포준편차는 3.5％로 거의 일치하여 계산식으로 실험의 강성추정이 가능하였다. 또한 항복하중시의 변위에 대한 파단하중시의 변위의 비는 보강재의 보강량보다는 인장철근비에 의한 영향을 많이 받으며, 인장철근비가 적을수록 연성지수는 증가하는 것으로 나타났다.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명의 콘크리트 구조물 보강용 FRP 패널은 종래의 보강수단에 비해 비중과 강도 및 경제성 등에서 우수할 뿐만 아니라 콘크리트의 부착시험 결과, 파괴형태가 전부 계면부착파괴가 발생하였다.

또한 본 발명은 1Hz 진동수로 10만 사이클의 피로가력실험을 수행한 결과, 단순가력의 시험체와 항복하중 및 최대하중이 비슷하게 나타났으며, 보강재인 FRP 패널과 철근콘크리트 간의 부착성능도 우수한 것으로 나타났다.

Claims (5)

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2. 삭제
3. 철근콘크리트의 구조물을 보강하기 위한 패널의 상/하면을 구성하고 규사 60목과 4호를 배합한 혼합잔골재와 에폭시 레진으로 이루어진 에폭시 모르타르와, 상기 상/하 에폭시 모르타르의 사이에 삽입되고 상기 패널의 강도를 높이기 위한 탄소섬유시트로 구성된 콘크리트 구조물 보강용 에프알피 패널에 있어서,

   상기 에폭시 모르타르는 상기 규사 60목과 4호를 1:3의 비율로 혼합잔골재를 배합한 다음, 상기 에폭시 레진과 상기 혼합잔골재의 비율을 1:4로 배합하여 제조된 것임을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보강용 에프알피 패널.
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