KR100783818B1 - 고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강 공법 - Google Patents

고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강 공법 Download PDF

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KR100783818B1
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toughness cement
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권영진
김재환
한병찬
김병수
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(주)에이엠에스 엔지니어링
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Abstract

본 발명은 고인성 시멘트복합체를 이용한 콘크리트 구조물의 내진보강 공법에 관 것으로 (a) 기존 콘크리트 구조물을 바탕처리하는 단계; (b) 상기 콘크리트 구조물의 외주면에 수직철근과 수평철근으로 소정의 간격으로 선형 또는 직물형형태의 보강구조를 설치하는 단계; (C) 인장강도 3~4MPa 와 인장변형율 3~6%인 고인성 시멘트복합체를 준비하는 단계; (d) 준비된 고인성 시멘트복합체를 소정의 두께로 보강구조에 뿜칠시공하는 단계; 및 (e) 상기 뿜칠 시공후 콘크리트 구조물을 마감처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접인장 상태에서 유사변형경화와 균열분산 특성을 갖는 고인성 시멘트복합체를 이용한 콘크리트구조물의 내진보강 공법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 고인성 시멘트복합체를 이용한 뿜칠에 의한 시공을 통하여 거푸집 설치/해체 등과 같은 공정이 필요치 않으며, 고인성 시멘트복합체의 우수한 균열저항성 때문에 박리박락 방지용 섬유부착 등과 같은 추가공정이 필요치 않는 특징이 있다. 또한 고인성 시멘트복합체는 마치 강재와 같은 인장강도 및 큰 변형성능을 갖기 때문에 휨 및 전단 보강을 위한 보강철근이 필요치 않으며, 설사 필요하다 하더라도 상당 부분을 고인성 시멘트복합체가 부담하기 때문에 보강근량을 현저히 감소시킬 수 있다.
내진보강공법, 고인성 시멘트복합체, 균열 분산성능, 직접인장성능, 내진설계

Description

고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강 공법{Seismic Retrofitting method of high-performance fiber reinforced cementitious composites for existing structures}
도 1은 본 발명의 고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강 공법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강 공법에 관한 구성 예의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 보강근 연결구에 대한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 구성 예에 있어 고인성 시멘트복합체의 필요 뿜칠 두께를 확보하는 동시에 휨내력을 향상시킬 수 있는 뿜칠 두께 확인용 철재를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 내진성능 효과에 대한 기존 내진보강공법과의 비교 실험결과이다.
도 6은 본 발명의 고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강 시 설계방법에 대한 흐름도이다.
도 7은 실시예 중 고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강시 단면에 대한 설계 예이다.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
1. 모체 콘크리트 구조물의 마탕처리
2. 보강구조 설치여부 검토 단계
3. 보강구조 설치 단계
4. 고인성 시멘트복합체의 제조단계
5. 고인성 시멘트복합체의 뿜칠 시공 단계
6. 마감처리단계
11. 기존 콘크리트
12. 수직 보강근
13. 수평 보강근
14. 뿜칠된 고인성 시멘트복합체
15. 보강구조에 긴장력을 도입하는 연결구
15a. 연결구의 숫나사 부분
15b. 연결구의 암나사 부분
16. 뿜칠 두께 확인용 철재
16a. 뿜칠 두께 확인용 철재부착용 앵커
16b. 뿜칠 두께 확인용 돌출구
21 : 기존 콘크리트 부재
22 : 기존 콘크리트 내 철근
23 : 뿜칠용 고인성 시멘트복합체
24 : 휨 보강을 위한 철근
25 : 전단 보강을 위한 철근
본 발명은 기설 건축 및 토목구조물의 내진보강 공법에 관한 것으로, 보다 자세히는 직접인장 상태에서 유사변형경화와 균열분산 특성을 갖는 고인성 시멘트복합체를 이용하여 구조물의 내진성능을 향상시킬 수 있는 내진보강공법에 관한 것이다.
최근, 국내에서도 지진에 대한 경각심이 높아지고 있어, 주요 사회기반 시설(교량, 철도, 댐, 터널, 발전소 등)의 내진성능 확보 또는 내진성능 향상 방안이 주목받고 있다. 내진설계가 도입되기 이전에 시공되었거나, 내진설계가 반영되었더라도 그 성능을 향상시킬 목적으로 보수ㆍ보강하고자 하는 구조물에 있어, 성능을 향상시키기 위해서는 축압축, 휨 및 전단강도 등 내력의 향상뿐만 아니라 휨연성, 전단강성 등과 같은 변형능력을 동시에 향상시켜야 한다. 또한 내진 보강된 부위는 내구성을 가짐으로써 구조물 사용연한까지 내진성능을 지속적으로 유지해야 한다. 지금까지 일반적인 내진보강 공법은 다음과 같은 예가 있다.
[공법 1] 철근콘크리트 단면증설 구조 : 기존 콘크리트 부재의 주위에 주근 및 전단보강근을 배근하고 거푸집을 설치하며, 거푸집 내에 콘크리트를 타설, 양생하여 구조제를 형성한다.
[공법 2] 강판 보강 구조： 기존 콘크리트 부재의 주위를 강판으로 감아, 이 강판과 콘크리트 부재 사이에 에폭시계 주입재 또는 무수축 모르타르를 충전해 형성한다.
[공법 3] 섬유 보강 구조： 콘크리트 부재의 주위에 탄소섬유 등의 보강 섬유를 접착 또는 프리스트레스를 가해 형성한다.
[공법 4] 모르타르 뿜칠 단면증설 구조 : 기존 콘크리트 부재의 주위에 주근 및 전단보강근을 배근하고 모르타르를 1차 뿜칠 한 다음, 박락 방지용 섬유 메쉬를 설치한 후 2차 뿜칠을 하여 형성한다.
[공법 5] 프리스트레스 강선 보강구조 : 콘크리트 부재의 주위를 강선 등으로 감아 프리스트레싱한 후 모르타를 뿜칠 또는 프리캐스트 판을 접착하여 형성한다.
[공법 1]은 모체 같은 재료를 이용하며, 재래식 공법으로 기술력이 필요치 않고, 경제적이지만, 증설되는 단면의 두께가 크고(10cm 이상) 공정이 복잡, 공기가 길기 때문에 최근에는 잘 적용되고 있지 않다. [공법 2]와 [공법 3]은 최근에 많이 이용되고 있는 공법이지만, 일본의 최근 지진피해 사례에서 밝혀진 것처럼 공법의 유효성에 많은 의문이 제기되고 있으며, 시공의 어려움과 고가라는 단점과 함께 근본적으로 모체와 다른 이질재료로써 내구성 확보가 어려우며 특히 내화성능을 갖추지 못하고 있다. [공법 4]는 [공법 1]을 개량한 것으로 거푸집 설치가 필요치 않은 장점이 있으나 뿜칠 모르타르가 단순한 보수재 역할만 함으로써 단면 폭 및 보강근 량이 증가하고, 보수 모르타르의 박리박락을 억제하기 위한 섬유메쉬의 설치공정이 추가되어 경제성이 저하된다는 단점이 있다. 공법 5는 보강근에 프리스트레싱을 도입한 적극적인 내진보강 공법이지만 프리스트레싱의 도입 공정이 어려우며, 장기적인 프리스트레싱 도입 확보가 여려운 측면이 있다.
이상의 기존 기술에서도 살펴보았듯이 최근의 지진 피해 사례로 부터, 기존 기술의 내진보강의 유효성에 관한 많은 의문이 제기되고 있으며, 특히 강판보강이나 섬유보강 공법의 경우는 시공의 어려움, 경제성, 이질재로 인한 내구성 문제, 내화성능 확보 등의 문제가 제기되고 있다.
이에 본 발명은 「강판보강 이나 섬유보강 공법이 반드시 시공성, 경제성이 좋은 것은 아니다. 그럼, 이러한 공법과 동등 이상의 보강 효과를 갖으며, 현장에서 얼마나 간단하게 시공할 수 있을까를 테마로 개발을 진행시키자」라는 배경 하에 모체와 동일재료를 이용함으로써 내구성, 내화성까지 갖춘 「고인성 시멘트 복합체에 의한 내진보강공법 」을 발명하였다.
본 공법에서의 고인성 시멘트복합체는 모체와 동일한 시멘트계일 뿐만 아니라, 금속과 같은 변형성능과 보강성능을 동시에 발휘할 수 있으며, 기존 콘크리트 부재에 고인성 시멘트복합체를 뿜칠하는것 만으로 내진보강 효과를 발현할 수 있는 매우 간단한 공법이다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 제반 내진보강 공법의 문제점들을 해소하는 고인성 시멘트복합체를 이용한 콘크리트 구조물의 내진보강 공법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기 제반 내진보강 공법의 다음과 같은 기술적 과제를 해결하고자 하였다. 1)공정 단순화를 통한 경제성을 위하여 거푸집 설치나 박락 방지용 섬유 부착과 같은 추가공정을 생략해도 동일 효과를 발현할 것. 2) 동일 내진보강효과를 가지면서도 보강근의 양을 현저히 저감시키며, 보강량을 자유롭게 변화시킬 수 있을 것. 3) 대용량의 장비를 사용하지 않고도 공사가 가능하도록 함으로써 산간이나 차량이 진입할 수 없는 곳에서도 시공이 가능할 것. 4) 재료는 강판이나 섬유가 아닌 모체와 동일한 재료를 이용함으로써 유지관리가 필요치 않을 것. 5) 내진보강 뿐만 아니라 추가공정 없이도 내구성능 및 내화성능을 만족시킬 것.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위해서는 본 발명은 [공법 1]에서와 같은 거푸집 공정을 생략하기 위하여 뿜칠 공법을 고려하는 것에 특징이 있으며, [공법 2]나 [공법 3]의 강판이나 섬유쉬트등과 같은, 모체 콘크리트와 이질재를 동일 시멘트 계로 치환함으로써 내구성 및 유지관리가 필요치 않도록 하는 것이며, 이와 동시에, 이러한 시멘트 재료가 [공법 4]와 같이 단순히 단면피복재로써만 이용되는 것이 아니라 휨 및 전단 그리고 변형성능에 저항할 수 있는 기능을 부여함으로써 사용되는 보강근을 현저히 저감시킬수 있는 것에 특징이 있다. 또한, 보강근이 사용되더라도 [공법 2], [공법 3], [공법 5]와 같이 큰 장비 사용으로인한 현장의 특 수성(산간이나 장비가 투입될 수 없는 곳)을 개량하여 인력만으로도 쉽게 적용할 수 있는 공법이므로, 본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결한 매우 우수한 고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강 공법이라 할 수 있다.
본 발명은 내진보강 공법에 있어서, (a) 기존 콘크리트 구조물을 바탕처리하는 단계; (b) 상기 콘크리트 구조물의 외주면에 수직철근과 수평철근으로 소정의 간격으로 선형 또는 직물형형태의 보강구조를 설치하는 단계; (C) 인장강도 3~4MPa 와 인장변형율 3~6%인 고인성 시멘트복합체를 준비하는 단계; (d) 상기 (c)단계에서 준비된 고인성 시멘트복합체를 소정의 두께로 (b) 단계의 보강구조에 뿜칠시공하는 단계; 및 (e) 상기 뿜칠 시공후 콘크리트 구조물을 마감처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접인장 상태에서 유사변형경화와 균열분산 특성을 갖는 고인성 시멘트복합체를 이용한 콘크리트구조물의 내진보강 공법에 관한 것이다.
본 발명은 보강구조의 수평철근에 연결구의 숫나사와 암나사로 이루어진 보강구조에 긴장력을 도입하는 연결구를 설치하는 것을 특징으로 하며, 또한 보강구조와 기존 콘크리트 구조물 사이에 뿜칠 두께 확인용 철재부착 앵커와 뿜칠 두께 확인용 돌출구로 구성된 뿜칠 두께 확인용 철재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 보강구조로 FRP 메쉬, 로드, 용접철망, PS강선, 메탈레쉬 등의 재료를 사용 할 수 있으며, 뿜칠시공은 휨내력, 전단내력 및 내구성에 대하여 검토한 후 보강량 ㆍ피목두께를 결정하여 시공하는 것을 특징으로 한다.
이하, 이러한 본 발명을 첨부한 도면에 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강 공법의 흐름도이고, 도 2는 고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강 공법에 관한 구성 예의 사시도이고, 도 3은 보강근 연결구에 대한 사시도이며, 도 4는 고인성 시멘트복합체의 필요 뿜칠 두께를 확보하는 동시에 휨내력을 향상시킬 수 있는 뿜칠 두께 확인용 철재를 나타낸 단면도이다. 또한 도 5는 내진성능 효과에 대한 기존 내진보강공법과의 비교 실험결과이며, 도 6은 고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강 시 설계방법에 대한 흐름도이고, 7은 실시예 중 고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강시 단면에 대한 설계 예이다.
본 발명은 전술한 여러가지 기술적 과제를 해결함으로써 기존의 내진보강 공법을 개선하기 위한 것으로, 그 요지는, 기존 콘크리트 구조물에 소정의 간격으로 감은 선형 또는 직물형태의 보강구조와 이러한 보강구조 위에 고인성 시멘트복합체를 뿜칠시공 함으로써 내진성능을 확보하는 내진보강 공법이라 할 수 있다. 보다 구체적으로는 도 1과 같이 기존 모체 콘크리트 구보물의 바탕처리(1)를 실시하고, 고인성시멘트 복합체만으로 내진보강이 가능한지의 여부를 보강구조 설치여부 검토 단계(2)를 통하여 확인한 후, 필요시 보강구조를 설치(3)하며, 고인성 시멘트복합체를 제조(4)하여 이를 고인성 시멘트복합체의 뿜칠 시공(6)하고 통상적인 방법으로 마감처리(6)함으로써 고인성 시멘트복합체를 이용한 콘크리트구조물의 내진보강 공법이 완성된다.
본 발명은 뿜칠에 의한 시공을 통하여 거푸집 설치/해체 등과 같은 공정이 필요치 않으며, 고인성 시멘트복합체의 우수한 균열저항성 때문에 박리박락 방지용 섬유부착 등과 같은 추가공정이 필요치 않다. 또한 고인성 시멘트복합체는 마치 강재와 같은 인장강도 및 큰 변형성능을 확보하고 있기 때문에 휨 및 전단 보강을 위한 보강철근이 필요치 않으며, 혹 필요하다 하더라도 상당 부분을 고인성 시멘트 복합체가 부담하기 때문에 보강근량을 현저히 감소시킬 수 있다. 한편 본 발명에서의 보강근은 수직/수평의 선형 또는 직물형태를 갖으며 특별한 기계적 장치를 구비하지 않고도 인력으로 쉽게 배근할 수 있고, 그 형태, 간격 등을 자유롭게 조절할 수 있는 특징이 있다. 그러므로 차량이나 장비가 진입할 수 없는 산간에서도 효율적으로 보강공사를 수행할 수 있다. 더욱이 고인성 시멘트복합체는 기존 콘크리트 구조물과 동일 재료이며 마감을 겸하기 때문에 시공완료 후 방청 등과 같은 지속적인 유지관리가 필요치 않으며, 내구/내화성능이 우수하기 때문에 고인성 시멘트복합체 자체만으로 추가공정 없이 이러한 성능을 발현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 기존 콘크리트 기둥 형상의 내진보강 구조를 나타내고 있다. 도 2로 부터 기존 콘크리트 기둥(11) 주위에 수직철근(12) 및 수평철근(13)을 설치하고, 이들 보강구조가 매설되도록 고인성 시멘트복합체(14)를 뿜칠 시공하여 본 발명의 고인성시멘트 복합체에 의한 내진보강구조를 형성한다. 여기서 내진 보강구조는 고인성 시멘트복합체 및 수직ㆍ수평 철근이 되며, 고인성시멘트복합체는 구조물의 휨강도, 휨연성 전단강도, 전단강성을 향상시키는 역할을 하고, 수직 철근은 휨강도, 수평철근은 전단강도 및 휨연성을 증가시키는 보조 역할을 한다.
상기와 같은 고인성시멘트 복합체(14)는, 직접인장 하에서 유사변형경화 거동과 다수의 분산균열 특성을 갖는 재료로써, 통상적으로 시멘트계 재료가 인장강도 및 변형을 무시하는 것에 반하여 인장강도를 필요변형까지 가질 수 있는 마치 강재와 같은 새로운 재료이다. 구체적으로는, 본 출원인에 의한 특허 제 0549724호 및 제 0125964호에 등록된 변형경화형 시멘트 복합체 또는 고인성/고내화성 혼합모르타르(상품명 ECC-보강모르터) 등을 사용할 수 있는데, 이러한 재료는 인장강도 3～4MPa, 인장변형률 3～6%의 값을 갖는다. 또한 고인성 시멘트복합체는 인장강도와 강재와 같은 큰 변형능력을 갖고 있기 때문에 본 발명에서와 같이 내진보강 재료로 사용되는 경우, 휨 및 전단강도를 증가시킬 뿐만 아니라, 지진 등의 외력에 의해서 콘크리트가 파괴되는 경우, 파괴되는 콘크리트를 구속(Confinement)하고, 콘크리트 기둥 형상의 변형 성능(Deformability)을 향상시킬 수 있는 재료라 할 수 있다. 이러한 고인성 시멘트복합체는 수평철근(13)이후 소정의 피복두께를 확보하도록 뿜칠시공한다. 예를 들면, 단면 치수가 100×100 cm정도의 콘크리트 기둥에 직경 13 mm의 수직철근(12)을 설치했을 경우, 고인성 시멘트복합체(14)는 표면으로 부터 50mm 정도의 두께로 뿜칠시공 하는 것이 바람직하다.
상기에 전술한 바와 같이 기존 콘크리트 기둥 형상에 소장의 간격으로 감은 전술한 선형 또는 직물형태의 보강구조는, 기존 콘크리트기둥(11)에 대한 부족 휨연성 및 전단강도에 대해 고인성 시멘트복합체만으로 충분한 보강성능을 기대할 수 없는 경우 추가적으로 사용되는 것이다. 지진 등의 외력에 의해서 콘크리트가 파괴되는 경우, 파괴되는 콘크리트를 어느 정도 구속하고, 콘크리트 기둥 형상의 변형 성능을 향상시킬 수 있는 재료이면 좋으며, 구조계산에 의한 부족분을 배근하게 된다. 본 발명의 실시예 에서는 철근을 이용하고 있으나, 보강구조는 FRP 메쉬, 로드, 용접철망, PS강선, 메탈레쉬 등 이 사용될 수 있으며, 또한 수평철근(13)에는 긴장력을 도입함으로써, 기존 콘크리트기둥에 대하여 구속력을 강하게 할 수도 있다.
전술한 수직철근(12)는, 기존 콘크리트기둥(11)에 대한 부족 휨강도에 대해 고인성시멘트 복합체 만으로 충분한 휨 보강성능을 기대할 수 없는 경우 추가적으로 사용되는 것으로써 구조계산에 의한 부족분을 배근하게 된다. 또한 본 발명의 실시 예에서는 철근을 이용하고 있으나 수평철근(13)과 마찬가지로, 보강구조는 FRP 메쉬, 로드, 용접철망, PS강선, 메탈레쉬 등 이 사용될 수 있다.
전술한 보강구조에서 수평철근 등과 같은 보강근을 열결하는 경우는 일반적으로 겹침이음, 용접, 커플러에 의한 이음 등이 일반적으로 이용되고 있다. 그러나 본 발명에서와 같이 신설이 아닌 기존 콘크리트 구조물에 내진보강의 경우에는 이러한 방법을 적용하기 어렵다. 그러므로 본 발명에서는 도 3과 같은 강재가 재질인 보강구조 연결구(15)를 설치하였다. 본 연결구는 도 3에서와 같이 숫나사 형태의 연결구(15a)와 암나사 형태의 연결구(15b)로 이루어지며, 두 연결구를 단순히 좌우에서 압력을 주어 결합시키는 구조로 형성되어 있다. 이때 결합력은 숫나사 형태의 연결구(15a)에 이미 형성된 길이방향의 홈 때문에 결합 시 내측으로 응축되었다가, 결합 후 좌우 압력이 제거되면, 연결구 재질의 탄성력으로 응축이 제거되어 강한 결속응력을 발휘하게 되는 원리를 이용하였다. 또한, 좌우 결합정도에 따라 보강구조에 긴장력을 도입할 수 도 있다.
이상의 보강구조에서, 고인성 시멘트복합체는 기존의 보수모르타르와는 달리 내진보강의 주요 재료로 사용되기 때문에 소정의 두께관리가 중요하다. 그러므로 본 발명에서는 고인성 시멘트 복합체의 뿜칠 두께를 관리하기 위하여, 도 4에 나타낸 것과 같이 뿜칠 두께 확인용 철재(16)를 설치하게 된다. 즉, 뿜칠 확인용 철재(16)는 L형강 또는 이러한 형태의 강재에 소정의 간격으로 뿜칠 두께만큼의 돌출부(16b)를 설치한 것으로써 앵커(16a) 등을 이용하여 기존 콘크리트 기둥(11)의 각 모서리에 설치한 후, 뿜칠시공 시에는 돌출부(16b)를 작업선으로 연결하여 두께를 확인한 후 시공완료시 제거하게 된다. 또한 뿜칠 확인용 철재(16)에는 수평철근(13)의 간격으로 작은 돌출부(도시하지 않음)를 두어 그 간격을 조절하게 되면 이러한 돌출부를 참고하여 보다 쉽게 수평철근(13)을 배근할 수 있어 작업효율이 향상된다. 더불어 설치되는 뿜칠 두께 확인용 철재(16)는 휨강도 증가의 보강효과를 기대할 수 있으므로 이를 설계에 수칙 철근량으로 환산하여 적용할 수 있다.
도 5는 본 발명인 고인성시멘트 복합체의 내진 보강효과 검증을 위한 실험결 과를 나타내고 있다. 검증 시험체는 500×500 mm의 단면, 높이 2,000mm(L/B=2.0), 주근비 2.1%, 전단보강근비 0.05%의 직사각형 콘크리트기둥을 대상으로 하였으며, 「무보강」이란 기존 콘크리트 기둥 시험체를, 「섬유 모르타르 보강」이란 기존 콘크리트 기둥의 주위에 용접철망(0.5%)을 감싸고 PVA섬유 0.5%를 혼입한 섬유보강 모르타르로 50mm를 증설한 기둥 시험체를, 「본 발명의 보강」이란 전술한 고인성 시멘트복합체인 변형경화형 시멘트 복합체를 50mm 증설한 시험체를 나타낸다. 본 검증실험에서는 고인성 시멘트 복합체만의 내진보강효과를 살펴보기 위하여 수평철근 및 수직철근을 사용하지 않았다.
이상의 조건에 대한 실험결과 「섬유 모르타르 보강」및 「본 발명의 보강」시험체는 는「무보강」시험체에 비하여 내진성능이 향상되고 있음을 알 수 있었다. 한편,「섬유 모르타르 보강」이「무보강」에 비하여 휨내력 1.4배, 변형능력 1.5배 증가한 것에 비하여 「본 발명의 보강」의 경우에는 휨내력 1.6배, 변형능력 7.1배 증가한 것으로 나타나 본 발명의 내진보강 효과가 큰 것을 확인할 수 있었다.
다음으로 본 발명에서의 고인성 시멘트복합체를 이용한 내진보강공법의 설계방법 및 실시 예를 나타내었다. 본 예에서는 특히 고인성 시멘트복합체가 본 발명의 내진보강 공법에 적용되는 경우의 휨, 전단, 및 변형성능 증가분 및 이에 따른 보강근량의 저감효과를 살펴보고자 하였다.
기본적인 설계조건은 표 1과 같으며, 사용된 보강구조는 일반적으로 이용하고 있는 철근으로 하였고, 본 발명의 고인성 시멘트복합체를 이용한 내진보강 공법의 단계별 설계 단계는 도 6과 같다.
표 1. 설계조건
항 목 설계예 값 설 명
ㆍ단 면 해 석 결 과
M Ty0(kNㆍcm) 19,489 기존교각 기둥저면부 초기항복휨모멘트
M By0(kNㆍm) 32,560 기존 교각 기둥 단락부 위치의 초기 항복휨모멘트
h t (m) 6.07 기존 교각 기둥 단락부에서 상부 구조 관성력 작용 위치까지의 높이
h B (m) 10.0 기존 교각 기둥 저면에서 상부구조 관성력이 작용하는 위치까지의 높이
(M Ty0/h t )/(M By0/h B ) 0.99 <1.2(판정 : 단락부의 손상 선행)
ㆍ단 면 조 건
b (cm) 452.8 기존 교각의 폭(Width)
d (cm) 200.0 기존 교각의 깊이(Depth)
B (cm) 466.8 보강후 교각의 폭(Width)
D (cm) 214.0 보강후 교각의 깊이(Depth)
ㆍ내 진 보 강 재 료
f ck (MPa) 30 고인성시멘트 복합체의 압축강도
E c (GPa) 15 고인성시멘트 복합체의 탄성계수
f ty (MPa) 2.5 고인성시멘트 복합체의 인장항복강도
ε tu (%) 0.5 고인성시멘트 복합체의 인장 극한 변형률(×100)
f y (MPa) 300 보강철근의 항복강도(SD30급)
본 발명인 고인성 시멘트복합체를 이용한 구조물의 내진보강공법에 대한 보강단면을 도 7에 나타내었다.
1) 휨 내력에 대한 검토
휨내력 검토는 단락부 손상이 선행되지 않도록 하기위해 필요한 부족모멘트(∑M)보다, 본 발명의 내진보강에 의한 저항모멘트의 증가량(ΔM)이 상회하는 것을 확인하면 된다.
Figure 112006063665770-pat00001
(1)
부족 모멘트를 산출하기 위하여 단락한 위치의 부족모멘트 을 식(2)에 의해 산출한다.
Figure 112006063665770-pat00002
(2)
검토 교량의 설계조건(표 1)을 대입하여 계산하면,
Figure 112006063665770-pat00003
(3)
본 발명에서 고인성모멘트 복합체에의 인장저항에 의한 저항모멘트 증가량 M1은 다음과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112006063665770-pat00004
(4)
Figure 112006063665770-pat00005
(5)
보강철근에 의한 저항모멘트의 증가량 M2은,
Figure 112006063665770-pat00006
(6)
Figure 112006063665770-pat00007
(7)
그러므로, 고인성 시멘트복합체와 보강철근에 의한 저항모멘트의 증가량은
Figure 112006063665770-pat00008
(8)
으로 단락부 손상이 선행되지 않기 위해 필요한 부족모멘트를 상회하므로 휨내력을 만족한다. 또한, 고인성 시멘트복합체는 인장에 저항하므로 그 변형량을 검토할 필요가 있으므로,
Figure 112006063665770-pat00009
(9)
Figure 112006063665770-pat00010
(10)
그러므로, 고인성 시멘트 복합체의 극한변형률 제한치를 만족한다. 이상과 같이 본 발명에서 사용되는 고인성 시멘트복합체는 단순한 보수모르타르가 아니라 휨내력 및 변형능력을 발현하고 있음을 알 수 있다.
2) 전단내력에 대한 검토
단락부 교각의 교축방향 전단내력은 교각 저면이 지진력에 항복하는 경우의 교각 저면의 내력을 초과하는 힘은 전달하지 않아야 하므로 교각 저면의 극한 수평내력(Pu)및 보강후의 단락부 전단내력이 이 값을 상회하는지를 확인해야 한다.
전단내력 Pso의 산출은 다음과 같다.
Figure 112006063665770-pat00011
(11)
여기서 Vc 는 콘크리트가 부담하는 전단내력, Vs는 보강철근이 부담하는 전단내력, Vfd는 고인성시멘트 복합체 내의 섬유가 부담하는 전단내력이다.
콘크리트가 부담하는 전단내력은 식 (12)에 의해 산출한다.
Figure 112006063665770-pat00012
(12)
여기서 k : 목표 연성비에 따른 전단강도 보정계수
Figure 112006063665770-pat00013
(13)
보강철근이 부담하는 전단내력은 다음과 같다.
Figure 112006063665770-pat00014
(14)
Figure 112006063665770-pat00015
(15)
다음으로 고인성 시멘트 복합체 내의 섬유가 부담하는 전단내력은 다음과 같다.
Figure 112006063665770-pat00016
(16)
Figure 112006063665770-pat00017
(17)
이 된다. 그러므로 총 전단내력은
Figure 112006063665770-pat00018
(18)
이며 전단내력을 만족함을 알 수 있다. 이를 통하여 고인성 시멘트복합체가 전단내력에 효과적으로 적용되어 전단보강근량을 상대적으로 저감시키는 것을 확인할 수 있다.
3) 내구성에 관한 검토
내구성의 검토는 중성화 깊이 및 염화물 침투에 대하여 검토한다. 설계내용 기간에 있어 중성화 깊이의 검토는 기존 중성화 깊이에 고인성 시멘트복합체의 중성화 깊이를 가산하여 그 값이 피복두께를 초과하는지를 검토하면된다. 설계대상 교량은 가설후 30년이 경과한 시점으로 향후 70년 사용을 가정하였다. 중성화 깊이는,
Figure 112006063665770-pat00019
(19)
본 설계에서는 콘크리트의 물시멘트 비 W/C=0.55로 가정하여,
Figure 112006063665770-pat00020
(20)
재료계수는 1.0으로 부터 중성화손실 10mm를 더하면 24.5(=25mm)가 되며, 설계피복두께는 30mm이므로 요구성능을 만족한다.
염화물 이온 침투에 관한 검토는 강재 위치까지의 염화물 침주 이온 농도가 설계 내구연한 중에 강재의 부식발생한계 농도 1.2kg/m3에 도달하지 않는지를 검토한다. 철근 위체에서 염화물 이온 농도의 설계치 Cd는 다음과 같다. 여기서 가설시 콘크리트 배합 중에 포함된 염화물 이온 농도는 0으로 가정하였다.
Figure 112006063665770-pat00021
(21)
염화물 이온 농도 C0는 1.5kg/m3으로 설정하였다. 또한 염화물 이온에 대한 설계확산계수 Dd는 최대 균열 폭 W max를 0으로 가정하여 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112006063665770-pat00022
(22)
그러므로,
Figure 112006063665770-pat00023
(23)
Figure 112006063665770-pat00024
(24)
재료계수 ｒ c = 1.0에서 철근위치에 대한 염화물 이온농도의 설계치 C d 는 1.15kg/m3이다. 강재 부식 발생 제한농도 1.2kg/m3보다 작으므로 요구 성능을 만족한다.
이상과 같은 설계실시 예를 통하여 본 발명에서의 고인성 시멘트복합체를 이용한 내진보강공법 적용이 기존의 내진보강공법에 비하여 갖는 성능의 장점을 표 2에 정리하였다.
표 2 본 발명의 기존 내진보강 공법에 대한 효과
공법 휨 보강근량 전단보강근량 내구성 비 고
본 발명 공법 고인성시멘트 복합체+(보강근) 고인성시멘트 복합체+(보강근) 필요 없음 보강근은 필요시 설치
1.0 1.0
공법1 수직철근 수평철근 필요 없음 공법1 : 철근콘크리트 단면증설구조
1.35 1.17
공법2 강판 수직성분 강판 수평성분 모르타르 피복 추가공정 공법2 : 강판보강구조
1.35 1.17
공법3 수직방향 섬유 쉬트 겹침 수평방향 섬유 쉬트 겹침 모르타르 피복 추가공정 공법3 : 섬유보강구조
공법4 보강근 보강근 필요 없음 공법4 : 모르타르 뿜칠 단면증설구조
1.35 1.17
표2로부터 본 발명에 의한 내진보강 공법은 기타의 공법에 비하여 휨 성능 향상으로 위한 보강량은 35%, 전단성능 향상을 위한 보강량은 17% 이상 고인성시멘트 복합체가 부담하는 것을 알 수 있으며, 내구성 확보를 위하여 모든 공법이 콘크리트 또는 모르타르 피복을 하는 사항을 고려해볼 때 본 발명의 공법은 위와 같은 재료적 경제성을 갖추고 있는 것으로 판단된다. 즉, 본 발명에 의한 내진보강공법은 기존의 공법에서 내구성만을 위해 사용되던 모르타르 또는 콘크리트를 고인성 시멘트 복합체로 대체함으로써 내구성뿐만 아니라 휨, 전단 성능을 동시에 증가시킴으로써, 종국적으로 사용되는 보강근의 양을 현저히 저감시키는 새로운 발명이라 할 수 있다.
본 발명은, 기존의 콘크리트 및 모르타르가 보강성능이 결여된 보수성능 만을 가졌던 것에 반하여 고인성 시멘트복합체가 갖는 휨 및 전단 그리고 변형성능을 내진보강공법에 이용한 것으로 기존의 공법에서 사용되던 보강구조를 대체하거나 혹 필요하더라도 그 양을 혁신적으로 줄일 수 있어 매우 경제적이다. 또한, 기존 콘크리트 기둥 형상에 필요 간격으로 감은 선형 또는 직물형태의 보강구조와 이러한 보강근 위에 고인성 시멘트복합체를 뿜칠시공하여 내진보강 구조를 형성함으로써, 종래의 거푸집 공정이 필요치 않으며, 강판 보강에 의한 내진보강 공법에 비해 보강재료가 경량으로 취급이 용이하다. 또한, 전단 보강근을 피복 하고 있는 부착모르타르가 내구성능이나 내화 성능을 향상시켜, 내구성 및 유지관리를 위한 추가적인 공정이 생략된다.
또한, 본 발명에서는, 고인성 시멘트복합체가 구조상의 내력을 향상시킴과 동시에 자체가 내화성이 우수함으로 내화성능을 확보할 수 있으며, 고인성 시멘트복합체는 필요 보강근을 피복 할 수 있는 정도의 두께를 뿜칠시공하는 것이므로 보강 구조 자체의 경량화가 가능하고, 종래의 철근콘크리트 증설 보강 구조와 같이 콘크리트 부재의 자중이 증가해, 기초에 대한 하중 부하가 너무 커지는 문제를 방지할 수 있다.

Claims (5)

  1. 내진보강 공법에 있어서,
    (a) 기존 콘크리트 구조물을 바탕처리하는 단계;
    (b) 상기 콘크리트 구조물의 외주면에 수직철근과 수평철근으로 소정의 간격으로 선형 또는 직물형형태의 보강구조를 설치하되, 상기 보강구조의 수평철근에 숫나사와 암나사로 이루어진 연결구를 설치하여 긴장력을 도입할 수 있도록 하는 단계;
    (C) 인장강도 3~4MPa 와 인장변형율 3~6%인 고인성 시멘트복합체를 준비하는 단계;
    (d) 상기 (c)단계에서 준비된 고인성 시멘트복합체를 소정의 두께로 (b) 단계의 보강구조에 뿜칠시공하는 단계; 및
    (e) 상기 뿜칠 시공후 콘크리트 구조물을 마감처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접인장 상태에서 유사변형경화와 균열분산 특성을 갖는 고인성 시멘트복합체를 이용한 콘크리트구조물의 내진보강 공법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 보강구조와 기존 콘크리트 구조물 사이에 뿜칠 두께 확인용 철재부착 앵커와 뿜칠 두께 확인용 돌출구로 구성된 뿜칠 두께 확인용 철재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고인성 시멘트복합체를 이용한 콘크리트구조물의 내진보강 공법.
  4. 제1항에 있어서, 보강구조는 FRP 메쉬, 로드, 용접철망, PS강선, 메탈레쉬 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 고인성 시멘트복합체를 이용한 콘크리트구조물의 내진보강 공법.
  5. 제1항에 있어서, 뿜칠시공은 휨내력, 전단내력 및 내구성에 대하여 검토한 후 보강량ㆍ피복두께를 결정하여 시공하는 것을 특징으로 하는 고인성 시멘트복합체를 이용한 콘크리트구조물의 내진보강 공법.
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