KR100871929B1 - 교량 스트럿용 파이프 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PSC 박스 거더 교량의 스트럿을 시공하는 과정에서 철근과 콘크리트를 감싸기 위해 사용되는 파이프의 구조 및 제조 방법을 개선하여 내식성이 우수할 뿐만 아니라 시공 후에 수축, 뒤틀림 등의 변형이 없도록 한 교량 스트럿용 파이프를 제공하는 데 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 교량 스트럿용 파이프는 교량의 하부 프레임 측면과 캔틸레버 하부 사이에 대각선 상으로 설치되는 스트럿을 시공하는 과정에서 철근과 콘크리트를 감싸는 원통형의 교량 스트럿용 파이프에 있어서, 핸드 레이 업(hand lay-up) 성형법으로 유리섬유와 수지를 원료로 0.5 ~ 1.0 mm 두께로 성형된 내부층; 필라멘트 와인딩(filament winding) 성형법으로 내부층의 외주에 에폭시 수지가 함침된 유리섬유를 3.0 ~ 4.0 mm 두께로 감아 성형된 중간층; 및 중간층의 외주에 UV 차단제가 희석된 불소 수지를 스프레이 업(spray up) 방식으로 0.3 ~ 0.7 mm 두께로 성형된 외부층을 포함하여 이루어진다.

교량, 스트럿, 파이프, 3중, 필라멘트 와인딩, 핸드 레이 업

Description

교량 스트럿용 파이프 및 그 제조방법{The strut pipes for the PSC girder bridges and the method of the same}

본 발명은 교량 스트럿용 파이프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PSC 박스 거더 교량의 스트럿을 시공하는 과정에서 철근과 콘크리트를 감싸기 위해 사용되는 파이프의 구조 및 제조 방법을 개선하여 내식성이 우수할 뿐만 아니라 시공 후에 수축, 뒤틀림 등의 변형이 없도록 한 교량 스트럿용 파이프 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적인 PSC 박스 거더 교량(Prestressed Concrete Box girder bridge)은 일정 단위의 크기로 미리 성형(precast)된 교량 상판을 차례로 연결하는 방식으로 시공되는 것이다. 한편, 교량의 스트럿(strut)은 거더(girder)의 양측으로 길게 연장형성된 캔틸레버(cantilever)가 보다 안정된 상태로 지탱될 수 있도록 하부 프레임(lower frame)의 측면과 캔틸레버의 하부 측면 사이에 대각선(diagonal) 상으로 설치되는 것이다.

도 1a 및 도 1b 는 대한민국 특허청 등록특허공보 10-782523호에 실린 '스트럿을 구비한 프리스트레스트 콘크리트 박스 거더 교량'과 관련된 기술을 설명하기 위한 도면이다.

도 1a 에 도시된 바와 같이 PSC 박스 거더(10)는 중앙의 센터 프레임(12)을 기준으로 센터 프레임(12)의 상부 및 하부에 상부 프레임(14) 및 하부 프레임(16)이 각각 형성되는 한편 상부 프레임(14)과 하부 프레임(16)의 양측 간에는 비스듬한 각도의 사이드 프레임(18)이 형성되어 센터 프레임(12)의 양측에는 일정 공간이 갖춰지고, 상부 프레임(14)의 양측에는 각각 캔틸레버(20)가 길게 연장형성된 구조로 이루어진다. 한편, 양측에 대칭의 형태로 형성된 캔틸레버(20)가 보다 안정적으로 지탱될 수 있도록 하기 위한 스트럿(30)이 캔틸레버(20)의 하부 측면과 하부 프레임(13)의 측면 사이에 설치된다.

스트럿(30)은 도 1b 에 도시된 바와 같이 FRP 재질로 된 원통형의 파이프(40) 내부에 철근(32)을 엮어 배치한 상태에서 콘크리트(34)를 타설한 후 일정 시간 동안 콘크리트를 양생하는 공정을 통해서 이루어진다.

전술한 바와 같이 스트럿이 철근과 콘크리트만으로 이루어지지 않고 FRP 재질의 파이프로써 피복된 상태로 존재함에 따라 기존의 일반적인 공법으로 설치된 스트럿에 비하여 미관이 우수할 뿐만 아니라 부식될 가능성이 줄 수 있는 등의 장점이 있었다.

그러나, 전술한 스트럿의 경우에는 철근 및 콘크리트를 감싸기 위한 파이프가 단순히 FRP 재질의 원통형으로 이루어짐에 따라서 의도하고자 했던 만큼의 충분한 효과를 거두지 못하게 되는 문제점이 있었다. 즉, 기존의 스트럿용 파이프 내부에 철근을 배열하고 콘크리트를 타설하는 과정에서 스트럿에 변형이 발생하는 문 제점이 있었을 뿐만 아니라 교량이 설치되는 환경에 따라서 뒤틀림이나 마모 등이 발생하는 등의 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 전술한 종래기술의 제반 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, PSC 박스 거더 교량의 스트럿을 시공하는 과정에서 철근과 콘크리트를 감싸기 위해 사용되는 파이프의 구조를 3개의 층으로 구분되도록 성형하여 내부에 타설되는 콘크리트와의 관계 및 외부환경과의 관계 등에서 더욱 우수한 물성을 가진 교량 스트럿용 파이프 및 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적으로는 PSC 박스 거더 교량의 스트럿을 시공하는 과정에서 콘크리트에 접하게 되는 내부층과 교량의 설치 후 외부환경에 노출되는 외부층 사이의 중간층은 필라멘트 와인딩(Filament winding) 공법에 의해서 성형하여 쉽게 형상이 변형되지 않을 뿐만 아니라 내력저항이 우수한 교량 스트럿용 파이프 및 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 바와 같은 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같이 구성된다. 즉, 본 발명에 따른 교량 스트럿용 파이프는 교량의 하부 프레임 측면과 캔틸레버 하부 사이에 대각선 상으로 설치되는 스트럿을 시공하는 과정에서 철근과 콘크리트를 감싸는 원통형의 교량 스트럿용 파이프에 있어서, 핸드 레이 업(hand lay-up) 성형법으로 유리섬유와 수지를 원료로 0.5 ~ 1.0 mm 두께로 성형된 내부 층; 필라멘트 와인딩(filament winding) 성형법으로 내부층의 외주에 에폭시 수지가 함침된 유리섬유를 3.0 ~ 4.0 mm 두께로 감아 성형된 중간층; 및 중간층의 외주에 UV 차단제가 희석된 불소 수지를 스프레이 업(spray up) 방식으로 0.3 ~ 0.7 mm 두께로 성형된 외부층을 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명에 따른 교량 스트럿용 파이프에서 내부층의 안쪽 지름은 300 ~ 400 mm 범위 내에서 설정될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 교량 스트럿용 파이프의 제조방법은 교량의 하부 프레임 측면과 캔틸레버 하부 사이에 대각선 상으로 설치되는 스트럿을 시공하는 과정에서 철근과 콘크리트를 감싸는 원통형의 교량 스트럿용 파이프를 제조하는 방법에 있어서, (a) 핸드 레이 업(hand lay-up) 성형법을 통해서 몰드의 외주면에 유리섬유와 수지(resin)를 원료로 하는 일정 두께의 내부층이 성형되도록 하는 내부층 성형단계; (b) 단계 (a)의 과정에서 성형된 내부층의 외주에 필라멘트 와인딩(Filament winding) 성형법으로 수지(resin)가 함침된 유리 섬유(glass fiber)가 일정 두께로 권선되어 중간층이 형성되도록 하는 중간층 성형단계; (c) 단계 (b)의 과정에서 성형된 중간층이 경화되도록 160 ~ 180℃의 온도 조건에서 3 ~ 5 시간 동안 열처리하는 경화 단계; (d) 단계 (c)의 과정에서 경화된 중간층의 표면을 사포(sand paper)로 연마하는 연마 단계; (e) 단계 (d)의 과정에서 연마된 중간층의 외주에 UV 차단제가 희석된 불소 수지를 스프레이 업(spray up) 방식으로 도포하여 일정 두께의 외부층이 형성되도록 하는 외부층 성형단계; (f) 단계 (e)의 과정에서 성형된 외부층의 건조를 위해서 90 ~ 110℃의 온도 조건에서 5 ~ 7 시간 동안 열처리하는 건조 단계; 및 (g) 단계 (a) 내지 (f)의 과정을 통해 성형이 완성된 제품을 몰드로부터 분리해내는 탈형 단계를 포함하여 이루어진다.

아울러, 본 발명에 따른 교량 스트럿용 파이프의 제조방법에서 단계 (b)의 과정에서 유리 섬유는 필라멘트 와인딩 장치를 통해서 60°의 나선(helical) 방향으로 감기도록 설정될 수 있는 것이다.

본 발명에 의해 형성된 교량 스트럿용 파이프는 핸드 레이 업 성형법, 필라멘트 와인딩 성형법 및 스프레이 업 방식에 의해서 그 단면이 3중 이상의 층으로 이루어짐에 따라서 핸드 레이 업 성형법에 의한 성형시의 장점과 필라멘트 와인딩 성형법에 의한 성형시의 장점을 두루 갖출 수 있는 효과가 있다.

즉, 콘크리트에 접촉되는 내부층은 콘크리트로 인한 화학적인 변형으로부터 내성을 가지게 되고, 가장 두꺼운 두께로 이루어지는 중간층은 전체적인 파이프 형상이 유지되도록 하면서 충분한 강도를 가질 수 있게 되며, 외부 환경에 노출되는 외부층은 뒤틀림이나 마모 등으로부터 보호될 수 있는 효과가 있다.

아울러, 본 발명에 따른 스트럿용 파이프의 외부층에는 불소 수지 및 UV 차단제가 포함되어 있기 때문에 해수 등 외부환경에 대한 부식 등의 현상이 미연에 방지될 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 교량 스트럿용 파이프 및 그 제조방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 2 는 본 발명에 따른 교량 스트럿용 파이프의 단면도이고, 도 3 은 본 발명에 따른 교량 스트럿용 파이프의 제조과정을 보인 공정도이다.

도 2 에 도시된 교량 스트럿용 파이프(100)는 그 단면 형상이 크게 3중으로 이루어지는 것으로, 가장 두꺼운 두께로 이루어지는 중간층(120)을 기준으로 그 내측에는 내부층(110)이 형성되는 한편 그 외측에는 외부층(130)이 형성된 구조로 이루어진다.

특히, 각각의 층은 별도의 성형 공정을 통해서 형성되는 것으로, 내부층(110)은 핸드 레이 업(hand lay-up) 성형법을 통해서 형성되며, 중간층(120)은 필라멘트 와인딩(Filament winding) 성형법을 통해서 형성되며, 외부층(130)은 스프레이 업(spray up) 방식을 통해서 성형이 이루어진다. 핸드 레이 업 성형법 및 필라멘트 와인딩 성형법 등은 일반적인 고분자 물질을 기지로 하는 복합재료를 성형하는 방법으로 통상적인 성형방법이고, 스프레이 업 방식은 도장 또는 코팅 공정 중에 통상적으로 사용되고 있는 방식으로서, 그에 따른 구체적인 설명에 대해서는 생략하기로 한다.

우선, 본 발명에 따른 스트럿용 파이프(100)의 내부층(110)을 성형하기 위해서는 내부층(110)의 직경에 맞는 크기의 몰드(mold)가 준비되어야 한다. 이때, 몰드에는 이형재가 도포될 수도 있지만, 완성된 스트럿용 파이프의 내부에 콘크리트 타설이 이루어지는 점을 감안하여 이형재가 사용되지 않을 수 있다. 즉, 콘크리트 타설시 접착성을 낮추는 원인이 될 수 있는 이형재 또는 필름 등이 내부층(110)의 내주에 존재하지 않도록 할 수 있는 것이다.

몰드의 준비가 이루어진 상태에서 핸드 레이 업 성형법에 의한 내부층 성형단계(단계 a)가 수행된다. 즉, 시트(sheet) 형상으로 된 유리섬유에 수지(regin)를 함침시켜 가면서 그 두께가 0.5 ~ 1.0 mm의 범위 내의 일정 두께가 되도록 하는 과정을 통해서 내부층(110)이 성형된다. 이때, 내부층(110)의 안쪽 지름은 PSC 박스 거더 교량의 사양에 따라서 300 ~ 400 mm 범위 내에서 이루어진다.

내부층(110)의 성형이 완성된 후에는, 필라멘트 와인딩(filament winding) 성형법에 의한 중간층 성형단계(단계 b)가 수행된다. 즉, 전술한 과정에서 통형상으로 성형된 내부층(110)의 외주에 필라멘트 와인딩 장치를 통해서 가는 섬유사 형태로 가공된 유리섬유가 균일한 두께로 권선된다. 유리섬유의 권선이 이루어지는 과정에서 유리섬유사에는 수지가 함침된 상태이다. 이 과정에서 유리섬유사는 내부층(110)의 외주에 60°나선(helical) 방향으로 감기게 되면서, 전체적인 두께는 3.0 ~ 4.0 mm 내에 이르게 되어 중간층(120)이 형성된다.

그 후, 일정 두께로 성형된 내부층(110) 및 중간층(120)이 경화되도록 160 ~ 180℃ 온도 조건의 가열로 넣어 3 ~ 5 시간 동안 경화시키게 된다(단계 c).

한편, 일정 시간 동안 경화가 이루어진 중간층(120)의 표면이 매끄러운 상태가 되도록 사포(sand paper)를 이용하여 연마하는 단계가 수행된다(단계 d). 연마 단계에서는 사포 #250 이 이용될 수 있다.

다음으로, 연마가 이루어진 중간층(120)의 외주에 0.3 ~ 0.7 mm 두께의 외부층(130)이 성형되도록 스프레이 업(spray up) 공정이 수행된다(단계 e). 스프레이 업 공정에서는 UV 차단제가 희석된 불소 수지가 원료로 이용되는데, 이 과정에서는 스트럿 파이프의 표면을 더욱 미려하게 할 잉크가 첨가될 수 있다. 물론, 외부층(130)의 표면에는 스트럿용 파이프(100)가 완성된 상태에서 별도로 페인트가 칠해질 수 있다.

외부층(130)이 형성된 이후의 제품은 90 ~ 110℃의 온도 조건의 가열로에 넣어 5 ~ 7 시간 동안 열처리되어 건조가 이루어진다(단계 f). 한편, 충분한 건조가 이루어진 상태에서 탈형이 이루어진다(단계 g).

전술한 바와 같은 단계들을 거치면서 완성된 스트럿용 파이프(100)는 PSC 박스 거더 교량의 스트럿 길이에 맞춰 양단이 마무리 가공된다.

전술한 바와 같이 성형된 스트럿용 파이프(100)는 PSC 박스 거더 교량이 시공되는 과정에서 교량의 하부 프레임 측면과 캔틸레버 하부 사이에 대각선 상으로 설치되는 한편 그 내부에는 도 3 에 도시된 바와 같이 일정 간격으로 철근(200)이 배치된 상태에서 콘크리트(210)의 타설이 이루어진다.

타설된 콘크리트와 접하게 되는 내부층(110)은 화학성 특성이 우수한 유리섬유 및 수지로 이루어짐에 따라 콘크리트와의 관계에서 화학적 변형이 방지된다.

그리고 중간층(120)은 유리섬유 및 수지를 원료로 하여 필라멘트 와인딩 방법으로 성형됨에 따라서 뒤틀림이나 수축 등의 변형이 방지된다.

한편, 외부층(130)에는 불소 수지가 포함됨에 따라서 해수 등과 같은 외부환경으로부터의 내식성이 향상된다.

본 발명에 따른 교량 스트럿용 파이프 및 그 제조방법은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실 시할 수가 있다.

도 1a 는 일반적은 PSC 박스 거더의 구조를 설명하기 위한 도면.

도 1b 는 종래의 스트럿용 파이프의 구조를 설명하기 위한 도면.

도 2 는 본 발명에 따른 교량 스트럿용 파이프의 단면도.

도 3 은 본 발명에 따른 교량 스트럿용 파이프의 제조과정을 보인 공정도.

도 4 는 본 발명에 따른 스트럿용 파이프에 철근 콘크리트가 타설된 상태의 도면.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

100. 스트럿용 파이프

110. 내부층

120. 중간층

130. 외부층

200. 철근

210. 콘크리트

Claims (4)

1. 교량의 하부 프레임 측면과 캔틸레버 하부 사이에 대각선 상으로 설치되는 스트럿을 시공하는 과정에서 철근과 콘크리트를 감싸는 원통형의 교량 스트럿용 파이프에 있어서,

   핸드 레이 업(hand lay-up) 성형법으로 유리섬유와 수지를 원료로 0.5 ~ 1.0 mm 두께로 성형된 내부층;

   필라멘트 와인딩(filament winding) 성형법으로 상기 내부층의 외주에 에폭시 수지가 함침된 유리섬유를 3.0 ~ 4.0 mm 두께로 감아 성형된 중간층; 및

   상기 중간층의 외주에 UV 차단제가 희석된 불소 수지를 스프레이 업(spray up) 방식으로 0.3 ~ 0.7 mm 두께로 성형된 외부층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 교량 스트럿용 파이프.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 내부층의 안쪽 지름은 300 ~ 400 mm인 것을 특징으로 하는 교량 스트럿용 파이프.
3. 교량의 하부 프레임 측면과 캔틸레버 하부 사이에 대각선 상으로 설치되는 스트럿을 시공하는 과정에서 철근과 콘크리트를 감싸는 원통형의 교량 스트럿용 파이프를 제조하는 방법에 있어서,

   (a) 핸드 레이 업(hand lay-up) 성형법을 통해서 몰드의 외주면에 유리섬유와 수지(resin)를 원료로 하는 일정 두께의 내부층이 성형되도록 하는 내부층 성형단계;

   (b) 단계 (a)의 과정에서 성형된 내부층의 외주에 필라멘트 와인딩(Filament winding) 성형법으로 수지(resin)가 함침된 유리 섬유(glass fiber)가 일정 두께로 권선되어 중간층이 형성되도록 하는 중간층 성형단계;

   (c) 단계 (b)의 과정에서 성형된 중간층이 경화되도록 160 ~ 180℃의 온도 조건에서 3 ~ 5 시간 동안 열처리하는 경화 단계;

   (d) 단계 (c)의 과정에서 경화된 중간층의 표면을 사포(sand paper)로 연마하는 연마 단계;

   (e) 단계 (d)의 과정에서 연마된 중간층의 외주에 UV 차단제가 희석된 불소 수지를 스프레이 업(spray up) 방식으로 도포하여 일정 두께의 외부층이 형성되도록 하는 외부층 성형단계;

   (f) 단계 (e)의 과정에서 성형된 외부층의 건조를 위해서 90 ~ 110℃의 온도 조건에서 5 ~ 7 시간 동안 열처리하는 건조 단계; 및

   (g) 단계 (a) 내지 (f)의 과정을 통해 성형이 완성된 제품을 몰드로부터 분리해내는 탈형 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 교량 스트럿용 파이프의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 단계 (b)의 과정에서 유리 섬유는 필라멘트 와인딩 장치를 통해서 60°의 나선(helical) 방향으로 감기도록 설정된 것을 특징으로 하 는 교량 스트럿 파이프의 제조방법.

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