KR101095001B1 - 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래 콘크리트 속에 보강근으로 사용되는 철근을 대체함으로써, 경량화를 추구함과 동시에 고강성을 가지고, 내부식성 및 내구성이 우수하며, 내인장성이 탁월한 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근에 관한 것이다.

본 발명에 따른 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근은, 길이방향을 따라 복수의 스트랜드를 꼬아서 제작된 코어 로프와, 상기 코어 로프의 외주면에 섬유강화 복합소재(FRP, Fiber Reinforced Plastics)가 적층되어 형성된 보강근 기둥과, 상기 보강근 기둥의 외주면에 돌출 형성된 보강근 리브를 포함하여 이루어진다.

콘크리트, 보강근(REBAR), 로프(ROPE), 섬유강화 복합소재(FRP, Fiber Reinforced Plastics)

Description

섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근{REBAR MADE OF FIBER REINFORCED PLASTICS}

본 발명은 종래 콘크리트 속에 보강근으로 사용되는 철근을 대체함으로써, 경량화를 추구함과 동시에 고강성을 가지고, 내부식성 및 내구성이 우수하며, 내인장성이 탁월한 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근에 관한 것이다.

일반적으로 건축물이나 교량공사에서 시공되는 교각과 같은 구조물은, 도 1에 도시된 바와 같이 콘크리트(1)로 이루어지고, 상기 콘크리트(1) 속에 철근(2)을 심어 보강근(rebar)으로 사용한다. 이 경우, 콘크리트(1)로 이루어진 교각의 형상은 다각기둥이나 원기둥 형상일 수 있고, 내부가 콘크리트(1)로 모두 채워진 중실 또는 도 1에 도시된 바와 같이 중공으로 이루어질 수도 있다. 상기와 같은 다양한 형상은 건축물이나 교량의 설치되는 위치, 크기 및 하중 등을 고려하여 설계된다.

상기와 같은 일반적인 콘크리트 속에 보강근으로 사용되는 철근(2)은 각종 환경적 요인, 예컨대 제설재나 해수환경 등의 영향에 의해 심각한 부식이 발생한 다. 더욱이 이를 방지하기 위해 에폭시 코팅을 하더라도 염화 콘크리트 환경하에서는 이러한 철근 부식에 따른 문제를 극복하기 어렵다.

이러한 환경적 요인에 의해 철근이 부식함으로써 녹이 발생하고, 보강재로 사용되는 철근의 단면적이 감소하여 강도가 저하된다. 그에 따라 건축물이나 교량의 내구성이 저하되고, 높은 하중이나 강한 충격에 의해 감소된 허용 응력의 범위를 초과하여 건축물이나 교량이 무너져 큰 참사를 가져온다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래 콘크리트 속의 철근을 대체하여 섬유강화 복합소재로 만들어진 보강근을 사용하고 있다. 상기 섬유강화 복합소재는 내식, 내열, 내부식성이 우수할 뿐만 아니라, 매우 큰 강도를 지니고 있어 전 산업분야에 걸쳐서 응용분야가 확대되고 있는 반영구적인 신소재이다.

그러나, 종래의 섬유강화 복합소재로 만들어진 보강근은 단순히 중실의 봉형상으로 제작되고, 외부 표면에 콘크리트와의 결합력을 높이기 위해 리브를 형성하고 있을 뿐이다. 그에 따라, 내부식성 및 고강성을 확보할 수는 있으나, 지진이나 충격하중 또는 동적하중에 의한 건축물의 진동 발생시 오히려 철근에 비하여 쉽게 파손되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 종래 콘크리트 속에 보강근으로 사용되는 철근을 대체함으로써, 경량화를 추구함과 동시에 고강성을 가지고, 내부식성 및 내구성이 우수하며, 과도한 인장하중에도 굳건히 견딜 수 있는 내인장성이 탁월한 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근을 제공하는 데 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근은, 길이방향을 따라 복수의 스트랜드를 꼬아서 제작된 코어 로프와, 상기 코어 로프의 외주면에 섬유강화 복합소재(FRP, Fiber Reinforced Plastics)가 적층되어 형성된 보강근 기둥과, 상기 보강근 기둥의 외주면에 돌출 형성된 보강근 리브를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 코어 로프는 합성 수지로 제작된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강근 기둥을 이루는 섬유강화 복합소재는, 강화용 섬유가 폴리 에스테르 또는 에폭시 수지에 함침되어 라미네이트 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강근 기둥을 이루는 섬유강화 복합소재는, 상기 강화용 섬유가 축방향과 나란히 일 방향성(Mono-Axial Type)을 가지도록 배치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강근 리브는, 상기 보강근 기둥의 외주면에 일정한 간격을 두고 복수가 구비되어 상기 보강근 기둥과 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강근 리브는, 상기 보강근 기둥의 외주면에 길이방향을 따라 나선형으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강근 기둥 및 보강근 리브의 외부 표면에 겔코우트용 수지를 코팅한 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근.

본 발명에 따른 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근은, 섬유강화 복합소재로 이루어진 보강근 기둥과 보강근 리브를 통하여 경량화를 추구함과 동시에 고강성을 가지고, 내부식성 및 내구성이 우수한 콘크리트용 보강근을 제공할 수 있다.

또한, 보강근 기둥의 내부에 설치된 코어 로프를 통해 큰 인장력이 발생하여도 쉽게 견딜 수 있을 뿐 아니라, 보강근 기둥이 과도한 인장력에 의해 파손되더라도 코어 로프에 의해 보강근 기둥이 쉽게 분리되지 않도록 하여 보다 견고하게 유지될 수 있다.

또한, 보강근 리브를 통해 콘크리트와의 결합력을 높일 수 있으며, 보강근 기둥과 보강근 리브의 외부 표면에 겔코우트용 수지를 코팅하여 내후성, 내수성, 내유성 및 내산화성이 우수한 콘크리트용 보강근을 제공할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근의 바람직한 실시예를 도시한 정면도이며, 도 3은 도 2의 실시예 중 보강근 기둥의 일 실시예를 도시한 정면도이며, 도 4는 도 2의 실시예 중 보강근 리브의 일 실시예를 도시한 정면도이고, 도 5은 도 2의 실시예 중 보강근 리브의 다른 실시예를 도시한 정면도이다.

본 발명에 따른 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근(10)은, 도 2 내지 6에 도시된 바와 같이 코어 로프(100), 보강근 기둥(200) 및 보강근 리브(300)를 포함하여 이루어지고, 겔코우트용 수지(400)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 보강근 기둥(200)은 강화용 섬유(F')가 일 방향성을 가지도록 수지(P)에 함침된 섬유강화 복합소재로 이루어질 수 있다.

코어 로프(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 길이방향을 따라 복수의 스트랜드를 꼬아서 제작된다. 코어 로프(100)의 짜임새와 특성은 재료로 쓰인 섬유나 실의 신장력에 따라 결정된다. 코어 로프(100)를 만드는 과정은 4단계로 나눌 수 있 으며, 1단계로 얀을 자아낼 수 있도록 섬유나 필라멘트사를 준비하고, 2단계로 준비된 섬유나 필라멘트사를 잣거나 다발로 묶어 얀을 만든다. 3단계로 여러 가닥의 얀을 꼬아 가닥줄의 형태인 스트랜드를 만들고, 4단계로 3가닥 이상의 스트랜드를 꼬아 로프를 만드는 것이다. 코어 로프(100)는 로프의 가장 일반적인 형태로서 3가닥 스트랜드 로프 또는 4가닥 스트랜드 로프로 제작될 수 있으며, 4가닥이 오른쪽으로 꼬여 심이 들어 있는 시라우드레이드 로프로 제작될 수도 있다. 코어 로프(100)의 재질은 천연 섬유 또는 인조 섬유 중 어느 것을 사용해도 무방하나, 인조 섬유 중에서도 강도도 크고, 무게도 훨씬 가벼우며 신장력이나 유연성이 보다 좋은 나일론 또는 폴리프로필렌과 같은 합성수지를 사용함이 바람직하다.

보강근 기둥(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 코어 로프(100)의 외주면에 섬유강화 복합소재(FRP, Fiber Reinforced Plastics)가 적층되어 형성된다. 보강근 기둥(200)은 본 발명의 콘크리트용 보강근(10)의 기계적 물성, 즉 고강성을 확보하는 기능을 하는 것으로서 종래의 철근을 대체하는 역할을 수행한다. 상기 코어 로프(100)를 제외한다면, 보강근 기둥(200)은 도 3에 도시된 바와 같이 중공의 원기둥 형상이 되는데, 원기둥에 있어서 중실과 중공의 강성을 비교해보면 동일한 중량에 대하여 중실이 고강도를 가짐은 익히 알려진 바이다.

상기 보강근 기둥(200)은 섬유강화 복합소재가 적층되어 형성되는데, 섬유강화 복합소재는 기지의 고분자 재료, 즉 폴리 에스테르 또는 에폭시 수지 등에 유리섬유 또는 탄소섬유와 같은 강화용 섬유를 첨가함으로써, 첨가되는 재료에 따라 물성이 좌우되는 것으로 금속재료에 비하여 경량으로 구조물을 만들 수 있는 것은 물 론, 용이하게 제작이 가능하고 기계적인 강도는 오히려 향상될 수 있다. 특히, 섬유강화 복합소재는 고분자 재료에 첨가되는 강화용 섬유에 의해서 강도를 조절할 수 있고, 비중이 1.6 정도로 제작할 수 있어서 비중 7.85인 스틸재질에 비하여 매우 경량으로 제작할 수 있는 이점이 있다. 이러한 섬유강화 복합소재는 일체성형법으로 핸드 래이업(Hand Lay-up), 스프레이 래이업(Spray Lay-up) 방식 등이 있고, 몰드를 이용한 몰드 성형법으로 사출, 압축 및 레진 트랜스퍼 성형 방식 등이 있다. 또한, 섬유와인딩 성형법으로 프리프래그 테이프 와인딩, 필라멘트 와인딩, 브레이딩 및 적층 굽힘법 등이 있다. 한편, 섬유강화 복합소재의 강화용 섬유로서 사용되는 물질에는 유리섬유, 탄소섬유, 케블라섬유, 보론섬유, SiC섬유 및 Al₂O₃섬유 등이 있으며, 각각의 강화용 섬유에 따라 기계적 물성이 달라진다. 일반적으로 불포화 폴리에스테르 수지에 강화용 섬유를 함침시켜 적층하는데, 강화용 섬유의 방향에 따라 일정한 방향이 없이 산개되어 있는 Non-Axial Type, 하나의 방향성이 있는 Mono-Axial Type, 이방향성의 Biaxial Type 및 그 이상의 방향성을 가진 Multi-Axial Type 등이 있다. 이러한 섬유강화 복합소재를 이용하여 본 발명에 따른 콘크리트용 보강근(10)을 제작하고자 하는 것이다.

상기 보강근 기둥(200)을 이루는 섬유강화 복합소재는, 도 3에 도시된 바와 같이, 강화용 섬유(F')가 폴리 에스테르 또는 에폭시 수지(P)에 함침되어 라미네이트(L), 즉 박판(laminate) 형태로 형성된다. 즉, 보강근 기둥(200)은 강화용 섬유(F')가 폴리 에스테르 또는 에폭시 수지(P)에 함침되어 라미네이트(L) 형태로 형 성된 섬유강화 복합소재를 이용해 상기 코어 로프(100)의 외주면에 적층시켜 형성된 것이다. 상기 보강근 기둥(200)의 강화용 섬유(F')의 배치 방식 역시 여러 가지 방식을 이용할 수 있으나, 본 발명에서는 상기 강화용 섬유(F')가 축방향에 대하여 일 방향성, 즉 Mono-Axial Type을 가지도록 배치함으로써 인장 및 압축 응력에 강한 강성을 가질 수 있고, 이 방향성 또는 그 이상의 방향성을 가지는 것에 비해 생산 단가를 감소시킬 수 있는 것이다.

보강근 리브(300)는 콘크리트의 타설시 보강근(10)에 접촉되는 면적을 넓혀 콘크리트와 보강근(10)의 결합력을 높이기 위한 것으로서, 상기 보강근 기둥(200)의 외주면에 돌출 형성된다. 보강근 리브(300)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 보강근 기둥(200)의 외주면에 일정한 간격을 두고 복수가 구비되어 상기 보강근 기둥(200)과 일체로 형성된다. 즉, 보강근 기둥(200)을 형성할 때, 보강근 리브(300)를 함께 섬유강화 복합소재를 이용하여 형성시킬 수 있는 것이다. 예컨대, 보강근 기둥(200)을 섬유강화 복합소재로 적층 형성한 후, 보강근 리브(300)의 형상에 대응되는 섬유강화 복합소재를 상기 보강근 기둥(200)에 적층하여 형성시키는 것이다. 또한, 상기 보강근 리브(300)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 보강근 기둥(200)의 외주면에 길이방향을 따라 나선형으로 형성될 수 있다. 이는 보강근 기둥(200)에 순수 전단 하중이 작용할 경우 주응력은 45도 경사방향으로 발생하게 되는데, 보강근(10)의 설치 위치나 환경 요인을 고려하여 보강근 기둥(200)에 상기 보강근 리브(300)를 나선형으로 경사지게 형성함으로써, 전단 하중에 보다 효과적으로 저항하기 위한 것이다.

한편, 상기 보강근 기둥(200) 및 보강근 리브(300)를 섬유강화 복합소재를 이용하여 적층 형성시킨 후 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 보강근 기둥(200) 및 보강근 리브(300)의 외부 표면에 겔코우트용 수지(400)를 코팅하여 운반 및 조립시 보강근 기둥(200) 및 보강근 리브(300)가 부스러지는 것을 방지하고, 내후성, 내수성, 내유성 및 내산화성이 우수한 콘크리트용 보강근(10)을 제공할 수 있다. 다만, 상기 보강근 기둥(200) 및 보강근 리브(300)를 섬유강화 복합소재로 적층할 때 강화용 섬유(F)를 함침시키는 수지의 종류에 따라 상기 겔코우트용 수지(400)도 달리 적용되어야 한다. 즉, 일반적인 겔코우트용 수지는 폴리 에스테르 수지에는 결합성이 좋아 코팅이 잘 되지만, 에폭시 수지에는 용이하게 결합되지 않아 박리될 염려가 있다. 따라서, 에폭시 수지를 이용해 강화용 섬유(F)를 함침시키는 경우에는 에폭시 겔코우트용 수지를 사용하여 코팅 처리하여야 한다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 일반적인 교량공사에 있어서 교각을 이루는 콘크리트 및 철근을 도시한 사시도이고,

도 2는 본 발명의 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근의 바람직한 실시예를 도시한 정면도이며,

도 3은 도 2의 실시예 중 보강근 기둥의 일 실시예를 도시한 정면도이며,

도 4는 도 2의 실시예 중 보강근 리브의 일 실시예를 도시한 정면도이고,

도 5는 도 2의 실시예 중 보강근 리브의 다른 실시예를 도시한 정면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 보강근

100 : 코어 로프

200 : 보강근 기둥

300 : 보강근 리브

400 : 겔코우트용 수지

U : 폴리 우레탄

L : 라미네이트

F, F' : 강화용 섬유

P : 폴리 에스테르 또는 에폭시 수지

Claims (7)

1. 복수의 스트랜드를 꼬아서 제작된 합성수지 재질의 코어 로프;

   상기 코어 로프의 외주면에 강화용 섬유가 폴리 에스테르 또는 에폭시 수지에 함침되어 라미네이트(laminate) 형태로 형성되어, 상기 코어 로프의 중심 축 방향과 평행한 일 방향성(Mono-Axial Type)을 가지는 섬유강화 복합소재(FRP, Fiber Reinforced Plastics)가 복수 개의 층으로 적층되어 형성된 보강근 기둥; 및

   상기 보강근 기둥과 일체로 형성되며, 상기 보강근 기둥의 외주면에 나선형으로 형성된 보강근 리브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근.
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7. 제1항에 있어서,

   상기 보강근 기둥 및 보강근 리브의 외부 표면에 겔코우트용 수지를 코팅한 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근.

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