KR101416181B1 - 다단 직렬 배치 노즐을 이용한 하이브리드 섬유보강폴리머 보강근의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

다단 직렬 배치 노즐을 이용한 하이브리드 섬유보강폴리머 보강근의 제조방법 및 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2종 이상의 복수개 종류의 섬유를 이용한 하이브리드 섬유보강 폴리머 보강근을 제작하되, 섬유를 설계 의도에 따라 섬유보강 폴리머 보강근 단면의 특정 위치에 분포시킨 구성의 하이브리드 섬유보강 폴리머 보강근을 제조할 수 있는 방법과, 이를 위한 제조장치에 관한 것이다.
본 발명에서는 성형노즐(100)을 이용하여 섬유와 수지로 이루어진 봉형상의 FRP 보강근을 제조하는 장치로서, 상기 성형노즐(100)은, 섬유의 진행방향으로 복수개의 노즐체가 순차적으로 직렬로 배치되어 있는 구성을 가지고 있으며; 상기 복수개의 노즐체에서, 전방에 위치하는 노즐체의 입구는 후방에 위치하는 노즐체의 출구보다 더 큰 단면 크기를 가지고 있고; 후방에 위치하는 노즐체에 의해 인발 성형된 섬유의 봉이 전방에 위치하는 노즐체의 입구로 들어 갈 때, 수지로 함침된 섬유가 함께 전방에 위치하는 노즐체의 입구로 함께 공급되어 전방에 위치하는 노즐체에 의하여 인발 성형됨으로써 섬유가 FRP 보강근의 단면에서 반지름 방향으로 중심에서 외곽으로 갈수록 복수개의 섬유층을 이루면서 분포되어 있는 단면을 가지는 하이브리드 FRP 보강근을 만들게 되는 FRP 보강근의 제조장치가 제공되며, 아울러 이를 이용하여 FRP 보강근을 제조하는 방법이 제공된다.

Description

다단 직렬 배치 노즐을 이용한 하이브리드 섬유보강폴리머 보강근의 제조방법 및 제조장치{Manufacturing Method and Apparatus for Hybrid FRP Bar}
본 발명은 섬유보강 폴리머 보강근의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 섬유보강 폴리머 보강근을 제조하되, 사전에 미리 압축력이 도입되도록 함으로써 낮은 탄성계수를 가지는 섬유를 사용하더라도 과도한 휨처짐이 발생하지 아니하며, 더 나아가 노즐의 다단 직렬 배치에 의해 2종 이상의 복수개 종류의 섬유로 이루어진 하이브리드 형태로 섬유보강 폴리머 보강근을 용이하게 제조할 수 있게 하는 방법과, 이를 위한 제조장치에 관한 것이다.
철근 콘크리트 구조물에서 구조물의 보강을 위하여 사용되는 철근은 부식의 위험에 항상 노출되어 있다. 도 8은 철근 콘크리트 구조물에 배근된 철근이 부식된 상태를 보여주는 도면 대용 사진인데, 이와 같이 콘크리트에서는 균열 등으로 인하여 철근이 수분에 접촉할 가능성이 높으며, 특히 균열 이외에도 콘크리트 내부의 잔여 수분으로 인해 철근에는 부식이 발생하게 된다. 철근이 부식되면 부피가 팽창하게 되고 이로 인해 주변 콘크리트가 탈락하게 되어 철근 콘크리트 구조물의 중요 성립 요소인 일체성이 상실되어 구조부재로서의 역할을 수행할 수 없는 상황에 이르게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 섬유보강폴리머(Fiber Reinforced Polymer/"FRP")를 이용하여 제작한 봉형상의 제품을 콘크리트 구조물에 배근되는 철근을 대신하거나 또는 철근을 보조하는 용도로 사용하려는 시도가 이루어지고 있는데, 이와 같이 콘크리트 구조물의 보강을 위하여 사용된다는 점을 감안하여 통상적으로 "FRP 보강근" 또는 "FRP 리바"라고 부르고 있다.
대한민국 등록특허 제10-0702629호에는 이러한 FRP 보강근을 제조하는 기술에 대해 개시되어 있고, 도 9에는 FRP 보강근을 제조하기 위한 종래 장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있다. 도 9에 도시된 것처럼, 종래에는 섬유 권취릴(101), 수지 공급부(102), 성형노즐(100), 가열기(104) 및 인발기(105)로 이루어진 제조장치를 이용하여 FRP 보강근(1)을 제조하게 되는데, 섬유 권취릴(101)로부터 공급되는 실처럼 가는 섬유를 다발로 만들어서 인발기(105)로 인발하게 되는데, 수지 공급부(102)를 거치면서 수지와 함께 섬유가 성형노즐(100)로 들어가면서 봉형상으로 성형되고, 가열기(104)를 거쳐 수지가 경화되는 과정을 거쳐서 FRP 보강근(1)이 만들어진다.
이와 같이, 수지가 함침된 섬유를 집속하여 원형이나 타원형 또는 기타 다각형의 단면을 가지도록 봉형상의 FRP 보강근(1)을 제조할 때 사용되는 섬유로는 탄소섬유, 아라미드 섬유, 강섬유, 유리섬유 등이 이용되는데, 원가절감을 위해서는 유리섬유를 이용하는 것이 유리하다. 그런데 유리섬유를 이용하여 FRP 보강근(1)을 제조하는 경우, 인장강도는 철근보다 월등히 크지만 탄성계수가 철근보다 낮기 때문에 FRP 보강근(1)을 휨부재에 대한 보강용으로 사용하는 경우, 휨부재에 큰 처짐을 야기하게 된다. 즉, 유리섬유와 같이 낮은 탄성계수를 가진 섬유를 이용하여 FRP 보강근(1)을 제작하는 경우, 휨하중을 받는 콘크리트 구조물에 사용할 때 과도한 휨 처짐을 가져오게 되는 것이다.
이에 대한 해결책으로는, 탄성계수가 상이한 여러 종류의 섬유를 혼합하여 FRP 보강근을 제작하는 방안이 있다. 이와 같이 복수개 종류의 섬유를 동시에 이용하여 제작된 FRP 보강근(1)은 "하이브리드 FRP 보강근"이라고 부르게 되는데, 이러한 하이브리드 FRP 보강근은, 다종의 섬유를 혼합하기 때문에 경제성도 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 유리섬유만을 이용한 FRP 보다는 더 향상된 탄성계수를 가지도록 할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 하이브리드 FRP 보강근의 일예로는, 탄성계수가 낮은 유리섬유와 탄성계수가 높은 탄소섬유를 동시에 이용한 하이브리드 FRP 보강근이 있다.
그런데 복수개 종류의 섬유를 이용한 하이브리드 FRP 보강근을 제작함에 있어서, 다종(多種)의 섬유를 FRP 보강근의 단면에서 각각 다른 위치에 분포시킬 필요가 생길 수 있다. 위에서 예시한 것처럼 유리섬유와 탄소섬유를 이용한 하이브리드 FRP 보강근이라면, 유리섬유는 단면의 중앙에 위치시키고 탄소섬유는 단면의 외곽에 위치시킬 필요가 생길 수 있는 것이다.
FRP 보강근에 사용되는 섬유는 마치 실처럼 그 직경이 매우 작을 뿐만 아니라 수십 또는 수백 가닥이 집속되어 사용되는 것인데, 이러한 섬유를 복수개의 종류로 이용하고 그와 동시에 각 종류의 섬유를 설계 의도에 따라 FRP 보강근 단면의 특정 위치에 분포시킨 상태로 하이브리드 FRP 보강근을 효율적으로 제조할 수 있는 기술은 아직 개발되어 있지 아니한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-0702629호(2007. 04. 04. 공고) 참조.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 휨 하중을 받는 콘크리트 구조물에 사용하더라도 과도한 휨 처짐이 발생되는 것을 방지할 수 있는 FRP 보강근을 제작할 수 있는 방법과 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
더 나아가, 2종 이상의 복수개 종류의 섬유를 이용한 하이브리드 FRP 보강근으로 제작하되, 설계 의도에 따라 섬유를 하이브리드 FRP 보강근 단면의 특정 위치에 분포시킨 상태로 제조할 수 있는 방법과, 이를 위한 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 섬유 권취릴, 수지 공급부, 성형노즐 및 인발기를 포함하는 구성을 가지고 있어서 섬유와 수지로 이루어진 봉형상의 FRP 보강근을 제조하는 장치로서, 상기 성형노즐은, 섬유의 진행방향으로 복수개의 노즐체가 순차적으로 직렬로 배치되어 있는 구성을 가지고 있으며; 상기 복수개의 노즐체에서, 전방에 위치하는 노즐체의 입구는 후방에 위치하는 노즐체의 출구보다 더 큰 단면 크기를 가지고 있고; 후방에 위치하는 노즐체에 의해 인발 성형된 섬유의 봉이 전방에 위치하는 노즐체의 입구로 들어 갈 때, 수지로 함침된 섬유가 함께 전방에 위치하는 노즐체의 입구로 함께 공급되어 전방에 위치하는 노즐체에 의하여 인발 성형됨으로써 섬유가 FRP 보강근의 단면에서 반지름 방향으로 중심에서 외곽으로 갈수록 복수개의 섬유층을 이루면서 분포되어 있는 단면을 가지는 하이브리드 FRP 보강근을 만들 수 있는 것을 특징으로 하는 FRP 보강근의 제조장치가 제공된다.
이러한 본 발명의 FRP 보강근 제조장치에서, 상기 인발기는 복수개의 노즐체 중에서 최전방에 위치하는 노즐체의 출구쪽에 배치되고, 노즐체의 사이에도 추가적인 인발기가 더 배치될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상기한 FRP 보강근의 제조장치를 이용하여 FRP 보강근을 제조하는 방법이 제공된다. 즉, 본 발명에서는 수지로 함침된 섬유를 성형노즐에 통과시키면서 인발하여 섬유와 수지로 이루어진 봉형상의 FRP 보강근을 제조하는 방법으로서, 상기 성형노즐은, 섬유의 진행방향으로 복수개의 노즐체가 순차적으로 직렬로 배치되어 있고, 상기 복수개의 노즐체에서 전방에 위치하는 노즐체의 입구는 후방에 위치하는 노즐체의 출구보다 더 큰 단면 크기를 가지도록 구성되어 있으며; 후방에 위치하는 노즐체에 의해 인발 성형된 섬유의 봉이 전방에 위치하는 노즐체의 입구로 들어 갈 때, 수지로 함침된 섬유를, 전방에 위치하는 노즐체의 입구로 함께 공급하여 전방에 위치하는 노즐체에 의하여 인발 성형함으로써 섬유가 FRP 보강근의 단면에서 반지름 방향으로 중심에서 외곽으로 갈수록 복수개의 섬유층을 이루면서 분포되어 있는 단면을 가지는 하이브리드 FRP 보강근을 만들게 되는 것을 특징으로 하는 FRP 보강근의 제조방법이 제공되며, 이러한 본 발명의 방법에 있어서는, 후방에 위치하는 노즐체에 공급되는 섬유와, 전방에 위치하는 노즐체의 입구로 공급되는 신규 섬유를 각각 서로 다른 종류가 되도록 함으로써, 복수개의 섬유분포층에 각각 서로 다른 종류의 섬유가 분포되어 있는 단면을 가지는 하이브리드 FRP 보강근을 만들 수 있다.
본 발명에 의하면, FRP 보강근에 미리 압축력이 도입되도록 할 수 있으므로, 휨부재로 이용되는 콘크리트 구조물에 본 발명의 하이브리드 FRP 보강근이 사용되는 경우, 휨응력에 의해 하이브리드 FRP 보강근에 작용하는 인장력은, 미리 도입된 압축력에 의해 일부 상쇄되며, 그에 따라 콘크리트 구조물에 과도한 휨 처짐이 발생되는 것을 예방할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
또한 본 발명에 의하면, 2종 이상의 복수개 종류의 섬유를 이용한 하이브리드 FRP 보강근을 제작하되, 섬유를 설계 의도에 따라 FRP 보강근 단면의 특정 위치에 분포시킨 상태로 하이브리드 FRP 보강근을 제조할 수 있게 되며, 따라서 단면의 내측에는 연신율(탄성계수)이 큰 섬유를 분포시키고 단면의 외곽에는 연신율이 작은 섬유를 분포시킨 단면을 가지고 있어서 휨부재에 사용하더라도 큰 휨 처짐을 발생시키지 않게 되는 우수한 성능의 하이브리드 FRP 보강근을 매우 용이하게 제작할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따라 성형노즐을 구성하는 2개의 노즐체가 순차적으로 직렬 배치되어 FRP 보강근이 인발성형되는 상태를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제1노즐체와 제2노즐체를 순차적으로 통과하여 인발됨으로써 원형의 단면을 가지도록 만들어진 하이브리드 FRP 보강근의 개략적인 단면도이다.
도 3은 노즐체에 공급되는 섬유의 종류가 서로 상이하여 중심부와 2개의 섬유층이 단면에서 반지름 방향으로 가면서 복수개의 층을 이루면서 형성된 것을 보여주는 본 발명에 따른 하이브리드 FRP 보강근의 개략적인 단면도이다.
도 4는 1개의 노즐체에 대해 섬유가 인발되는 과정에서 작용하게 되는 응력을 도시한 개략적인 단면도이다.
도 5는 노즐체를 통과한 FRP 보강근에서 인장력이 작용하게 되는 상태를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따라 2개의 노즐체가 순차적으로 직렬 배치된 성형노즐을 통과하여 섬유가 인발되는 상태를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 7은 탄성계수가 상이한 2종의 섬유에 대한 변형률-응력 관계 그래프도이다.
도 8은 철근 콘크리트 구조물에 배근된 철근이 부식된 상태를 보여주는 도면 대용 사진이다.
도 9는 FRP 보강근을 제조하기 위한 종래 장치의 개략적인 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 발명에서는 수지로 함침된 섬유를 집속하여 인발함으로써 FRP 보강근을 제조하게 되는데, 이를 위하여 본 발명에 따른 FRP 보강근의 제조장치에는, 앞서 살펴본 종래 기술과 유사하게, 섬유 권취릴(101), 수지 공급부(102), 성형노즐(100) 및 인발기(105)가 포함될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 FRP 보강근의 제조방법에서는 수지로 함침된 섬유 다발이 성형노즐(100)을 통과하도록 인발하여 봉형상으로 성형하고 수지를 경화시켜서 FRP 보강근을 제조하게 된다. 이러한 본 발명에서 필요에 따라서는 가열기(104)를 이용하여 수지를 경화시킬 수도 있다. 한편, 본 발명에서 FRP 보강근의 제조에 사용되는 섬유로는 탄소섬유, 아라미드 섬유, 유리섬유 등이 있으며, 피아노줄과 같은 강선도 섬유로 이용될 수 있다. 따라서 본 명세서의 내용에서, FRP 보강근의 재료로서 언급되는 "섬유"에는 위와 같이 탄소섬유, 아라미드 섬유, 유리섬유 및 기타 합성수지나 다양한 재료로 제작된 섬유 이외에도 피아노줄과 같은 강선도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이러한 본 발명에 따른 제조장치와 제조방법에 있어서, 수지로 함침된 섬유를 집속하여, 설계된 단면크기의 봉형상으로 성형하는 성형노즐(100)은, 섬유의 진행방향으로 복수개의 노즐체가 순차적으로 직렬로 배치되어 있는 구성을 가진다.
구체적으로 도 1에는 본 발명에 따라 성형노즐(100)을 구성하는 2개의 노즐체가 순차적으로 직렬 배치되어 FRP 보강근이 인발 성형되는 상태를 보여주는 개략도가 도시되어 있는데, 편의상 성형노즐(100)을 이루는 노즐체(110a, 110b)는 단면 형태로 도시되어 있다. 도 1에는 2개의 노즐체만이 직렬 배치되어 성형노즐(100)을 구성하는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명에서 성형노즐(100)은 3개 이상의 노즐체가 복수개로 직렬 배치된 구성을 가질 수 있다. 본 명세서에서 도면을 참조하여 본 발명을 설명함에 있어서 성형노즐(100)을 이루는 2개의 노즐체를 각각 구분하여 지칭할 때에는 섬유의 진행방향에 따라 후방에 위치하는 노즐체는 '제1노즐체(110a)' 라고 기재하고, 전방에 위치하는 노즐체는 '제2노즐체(110b)'라고 기재한다. 아울러, 섬유가 진행하는 방향으로 앞쪽을 "전방"이라고 기재하고, 뒤쪽을 "후방"이라고 기재한다. 따라서 "노즐체의 전방"은 노즐체의 출구쪽을 의미하고, "노즐체의 후방"은 노즐체의 입구쪽을 의미한다.
도면에 도시된 것처럼, 섬유의 진행방향을 따라 순차적으로 제1노즐체(110a)과 제2노즐체(110b)가 연속하여 직렬로 배치되어 성형노즐(100)을 구성하고 있는 상태에서, 우선 많은 수의 섬유로 이루어져 수지로 함침된 제1섬유가 함께 제1노즐체(110a)의 입구로 공급되어 제1노즐체(110a)를 통과도록 인발되면서 봉형상으로 성형된다. 이렇게 제1노즐체(110a)를 통과하여 봉형상으로 성형된 제1섬유의 봉(bar)은 계속하여 제2노즐체(110b)의 입구로 공급된다. 본 발명에서 상기 제2노즐체(110b)의 중앙에 형성된 관통공의 단면은, 그 크기가 상기 제1노즐체(110a)의 중앙에 형성된 관통공의 단면보다 더 크다. 따라서 제1노즐체(110a)를 통과한 제1섬유의 봉이 제2노즐체(110b)의 중앙에 형성된 관통공 입구로 공급될 때, 제2노즐체(110b)의 입구에는 여유공간이 존재한다. 본 발명에서는 많은 개수의 섬유로 이루어져 수지로 함침된 새로운 섬유를 이러한 제2노즐체(110b)의 입구에 존재하는 여유공간으로 공급하게 된다. 즉, 제1노즐체(110a)를 통과한 제1섬유의 봉이 제2노즐체(110b)의 중앙에 형성된 관통공 입구로 공급될 때, 수지로 함침된 추가적인 제2섬유가 제2노즐체(110b)의 입구로 함께 공급되는 것이다.
이렇게 제2노즐체(110b)의 입구에 새로 공급된 제2섬유는, 제1노즐체(110a)에 의해 1차적으로 성형된 제1섬유의 봉 외부에 배치된 상태로 제2노즐체(110b)를 통과하도록 인발되면서 봉형상으로 성형된다. 인발기(105)는 복수개의 노즐체 중에서 최전방에 위치하는 노즐체의 출구쪽에 배치되는데, 위에서 예시된 실시예에서는 인발기(105)가 상기 제2노즐체(110b)의 전방에 구비되어 있어서, 이러한 인발 작업을 진행하게 된다.
도 2에는 이와 같이 본 발명에 따라 제1노즐체(110a)와 제2노즐체(110b)를 통과하여 인발됨으로써 원형의 단면을 가지도록 만들어진 FRP 보강근(1)의 단면 구성을 보여주는 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 것처럼, 본 발명에 의하면, 제1노즐체(110a)를 통과한 제1섬유의 봉은 단면의 중심부에 분포하게 되고, 제2노즐체(110b)를 통해서 새롭게 공급된 제2섬유는 외곽층에 분포된다. 앞서 언급한 것처럼, 본 발명에서 성형노즐(100)은 3개 이상의 노즐체가 직렬로 배치된 구성을 가질 수 있는데, 만일 3개의 노즐체에 의해 성형노즐(100)이 구성되는 경우, 제2노즐체(110b)에 후속하여 제3노즐체가 배치되고, 제2노즐체(110b)를 통과한 제1섬유와 제2섬유로 이루어진 봉이 제3노즐체의 입구로 공급될 때, 앞서 설명한 방식과 마찬가지로 수지로 함침된 새로운 제3섬유가 제3노즐체에 함께 공급되어 제3노즐체를 통과하여 인발되어 봉형상으로 성형되는 것이다. 추가적인 노즐체가 더 구비되는 경우, 제3노즐체에 후속하여 추가적인 노즐체가 직렬 배치되고, 상기한 방식으로 섬유의 공급과 인발이 반복되어 FRP 보강근이 제조된다.
본 발명에서는 위와 같이 각각의 노즐체에 대해 별도로 섬유가 공급될 수 있으므로, FRP 보강근(1)의 단면에서 섬유가 반지름 방향으로 가면서 복수개의 층으로 구분하여 분포되어 있는 FRP 보강근을 매우 용이하게 제조할 수 있게 된다. 예를 들어, 위와 같이 성형노즐(100)이 제1노즐체(110a)와 제2노즐체(110b)로 이루어진 실시예에 의해 유리섬유와 탄소섬유의 2개 종류로 이루어진 하이브리드 FRP 보강근을 만드는 경우라면, 우선 수지로 함침시킨 상태의 유리섬유를 제1섬유로 삼아서 제1노즐체(110a)에 공급하고, 수지로 함침시킨 탄소섬유를 제2섬유로 삼아서 제2노즐체(110b)에 공급하여 인발 성형하게 되면, 중심부에는 유리섬유가 분포되어 있고 외곽층에는 탄소섬유가 분포되어 있는 단면의 하이브리드 FRP 보강근을 매우 용이하게 제작할 수 있게 되는 것이다. 따라서 위에서 예시한 것처럼, 본 발명에 의하면 내측에는 연신율이 큰 섬유를 분포시키고 그 외부에는 연신율이 작은 섬유를 분포시킨 단면을 가지고 있어서 휨부재에 사용하더라도 큰 휨 처짐을 발생시키지 않게 되는 우수한 성능의 하이브리드 FRP 보강근을 매우 용이하게 제작할 수 있게 된다.
특히, 본 발명에서는 성형노즐이 3개 이상의 노즐체가 직렬로 배치된 구성을 가질 수 있고, 이러한 구성에 의하면 3종 이상의 복수개 종류의 섬유를 이용하되 단면에서 반지름 방향으로 가면서 섬유를 복수개의 층으로 구분하여 분포시킬 수 있으므로, 각각의 노즐체로 공급되는 섬유의 종류를 서로 달리하게 되면, 여러 종류의 섬유가 단면의 반지름 방향으로 가면서 다층으로 분포된 상태의 하이브리드 FRP 보강근을 만들 수 있게 되는 것이다. 도 3에는 성형노즐(100)에 3개의 노즐체가 구비되고, 각각의 노즐체에 공급되는 섬유의 종류가 서로 상이하여 중심부와 2개의 섬유층이 단면에서 반지름 방향으로 가면서 복수개의 층을 이루면서 형성된 것을 보여주는 본 발명에 따른 하이브리드 FRP 보강근의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 것처럼, 본 발명에 의하면, 복수개의 노즐체 각각으로 공급되는 섬유의 종류를 서로 달리하게 되면, 섬유를 설계 의도에 따라 단면의 특정 위치에 분포시켜서 여러 종류의 섬유가 다층으로 분포된 상태의 '하이브리드' FRP 보강근을 매우 쉽게 만들 수 있는 것이다.
한편, 본 발명에서 각각의 노즐체는 중앙에 관통공이 형성되어 있는 파이프 형상의 부재로 이루어지는데, 섬유가 진입하게 되는 입구의 단면적은, 섬유가 인발되어 빠져나가는 출구의 단면적보다 더 큰 것이 바람직하다. 도 4에는 1개의 노즐체에 대해 섬유가 인발되는 과정에서 작용하게 되는 응력을 도시한 개략적인 단면도가 도시되어 있고, 도 5에는 이렇게 노즐체를 통과한 FRP 보강근에서 인장력이 작용하게 되는 상태를 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 도 4에서 도면부호 din은 노즐체의 입구 지름 크기를 의미하며, dout은 노즐체의 출구 지름 크기를 의미한다.
도 4에 도시된 것처럼, 섬유가 진입하게 되는 입구의 단면적이, 섬유가 인발되어 빠져나가는 출구의 단면적보다 더 크도록 노즐체가 구성됨으로써, 입구로 진입한 섬유가 출구를 통해서 빠져나오도록 인발기에 의해 당겨질 때, 노즐체의 내면과 섬유 사이에는 매우 강한 마찰력이 작용하게 되고, 그에 따라 노즐체의 출구를 빠져 나온 상태에서 섬유에는 도 5에 도시된 것처럼 인장력이 도입되어 있게 된다. 즉, 섬유에는 프리스트레인(pre-strain)이 도입된 상태에 있게 되는 것이다. 이와 같이 프리스트레인이 도입된 상태의 섬유는 수지와 함께 경화되는데, 수지가 경화된 상태에서 절단기(도시되지 않음)에 의해 필요한 길이로 절단되어 FRP 보강근이 만들어지면, 인발에 의해 노즐체를 통과하는 과정에서 이미 당겨져서 인장 변형되어 있던 섬유는 탄성에 의해 다시 수축하려는 경향 즉, 탄성회복력을 가지게 되고, 그에 따라 FRP 보강근에는 압축력이 도입된다.
휨부재로 이용되는 콘크리트 구조물에 이와 같은 본 발명의 FRP 보강근이 사용되는 경우, 휨응력에 의해 FRP 보강근에 작용하는 인장력은, 미리 도입된 압축력에 의해 상쇄되며, 따라서 과도한 휨 처짐이 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.
특히, 본 발명에서는 성형노즐(100)이 복수개의 직렬 배치된 노즐체로 구성되어 있으므로, 섬유가 성형노즐(100)의 각 노즐체를 통과하여 인발되는 과정에서, 각각의 노즐체에서는 도 4에 도시된 것과 같은 노즐체와 섬유 사이의 마찰에 의한 프리스트레인이 섬유에 각각 도입된다. 도 6에는 본 발명에 따라 2개의 노즐체가 순차적으로 직렬 배치된 성형노즐(100)을 통과하여 섬유가 인발되는 상태를 보여주는 개략적인 단면도가 도시되어 있는데, 도 6에서는 도 4와 마찬가지로 노즐체에 대해 섬유가 인발되는 과정에서 작용하게 되는 마찰력이 화살표로 도시되어 있다. 특히, 도 6에서는 제2노즐체(110b)의 전방에 위치하는 인발기(105)에 더하여, 상기 제1노즐체(110a)와 제2노즐체(110b) 사이에도 추가적인 인발기(105b)가 더 구비되어 있다. 즉, 본 발명에서는 제1노즐체(110a)의 전방과 제2노즐체(110b)의 후방 사이의 간격에 추가적인 인발기(105b)가 더 구비될 수 있는 것이다. 본 명세서에서는 상기 추가적인 인발기(105b)에 대해서는 편의상 제2노즐체(110b)의 전방에 위치하는 인발기(105)와 구분하기 위하여 도면부호 '105b'를 부여하여 기재한다. 이러한 추가적인 인발기(105b)에 대해서는 후술한다.
도 6에 도시된 것처럼, 제1섬유는 제1노즐체(110a)를 통과하여 인발되는 과정에서 마찰에 의해 1차적으로 프리스트레인이 도입된 상태가 된다. 후속하여 제1섬유의 봉은 제2섬유와 함께 제2노즐체(110b)를 인발에 의해 통과하게 되는데, 이 과정에서 2차적인 프리스트레인이 제1섬유에 도입된다. 한편, 제2섬유는 제2노즐체(110b)만을 통과하므로, 제2섬유에는 제2노즐체(110b)를 통과하여 인발되는 과정에서의 마찰에 의한 프리스트레인만이 도입된다. 이와 같이, 본 발명에서는 성형노즐이 직렬 배치된 복수개의 노즐체로 구성되어 있기 때문에 단면에서 반지름 방향으로 가면서 섬유들이 복수개의 층으로 구분되어 분포되어 있는 단면을 가지는 하이브리드 FRP 보강근을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 반지름 방향으로의 각 층에 분포된 섬유에 대해 인발과정에서 도입되는 프리스트레인 량을 각각 다르게 할 수 있게 된다.
FRP 보강근의 제작에 많이 사용되는 탄소섬유와 유리섬유는 그 인장강도에 있어서는 탄소섬유가 유리섬유보다 크지만, 탄성계수에서도 탄소섬유가 유리섬유보다 크기 때문에 탄소섬유가 파괴에 이르게 되는 극한변형률은 유리섬유의 극한변형률보다 작다. 이와 같이 2종의 섬유에서 탄성계수가 상대적으로 크고 인장강도가 큰 섬유를 "섬유A"라고 하고 탄성계수와 인장강도가 상대적으로 작은 섬유를 "섬유B"라고 하였을 때, 이러한 섬유A와 섬유B의 변형률과 응력간의 관계에 대한 그래프도가 도 7에 도시되어 있다. 도 7의 (a)는 단순히 섬유A와 섬유B의 변형률과 응력간의 관계를 동시에 그려놓은 것에 불과하지만, 도 7의 (b)는 섬유A와 섬유B가 본 발명에 따라 복수개의 노즐체로 이루어진 성형노즐을 통과한 상태에서의 변형률과 응력간의 관계를 동시에 그려놓은 것이다. 도 7의 (a)와 도 7의 (b)에서 σA-ult는 섬유A의 파괴응력이고, σB-ult는 섬유B의 파괴응력이며, εA-ult는 섬유A의 극한변형률이고, εB-ult는 섬유B의 극한변형률이다.
섬유A와 섬유B가 서로 탄성계수가 다르면 극한변형률과 파괴응력도 각각 다른데, 도 7의 (a)에 도시된 것처럼 섬유A가 파괴에 이르게 되는 상황 즉, 섬유A가 극한변형률(εA-ult)에 이르게 된 상황에서도, 탄성계수가 상대적으로 낮은 섬유B는 아직 극한변형률에 이르지 않게 된다. 따라서 단면에서 섬유A와 섬유B가 동일한 섬유함유량으로 존재하는 하이브리드 FRP 보강근의 경우, 하중이 작용하여 FRP 보강근에 발생하는 변형률이 섬유A의 극한변형률에 이르게 되면, 섬유B는 아직도 파괴시까지 견딜 수 있는 여유가 있음에도 불구하고, 섬유A의 파괴에 의해 FRP 보강근은 제기능을 상실하게 된다. 즉, 섬유A는 파괴되지만 섬유B는 여전히 더 연신될 수 있는 구간에 해당하는 "섬유B의 낭비 부분"이 존재하게 되며, 따라서 하이브리드 FRP 보강근은 도 7의 (a)에서 일점 쇄선으로 그려진 선 R과 같은 변형률-응역력 관계를 가지게 된다.
예를 들어 섬유A가 탄소섬유이고 섬유B가 유리섬유에 해당하여, 단면에서 유리섬유와 탄소섬유가 동일한 섬유함유량으로 존재하는 하이브리드 FRP 보강근이라면, 이러한 하이브리드 FRP 보강근에 인장력이 작용하여 단면에 동일한 변형률이 발생할 때, 탄소섬유는 유리섬유보다 먼저 파괴에 이르게 되어, 유리섬유는 재료가 가지고 있는 성능을 제대로 발휘하지 못한 채 사장되는 결과가 초래되는 것이다.
그런데 본 발명에 의하면, 중심부에 분포된 섬유와 외곽층에 분포된 섬유를 제작자의 의도에 따라 구분할 수 있으므로, 앞서 예시한 것처럼, 중심부에는 섬유B(예를 들어 유리섬유)가 분포되어 있고 외곽층에는 섬유A(예를 들어 탄소섬유)가 분포되어 있는 단면의 하이브리드 FRP 보강근(1)을 본 발명에 따라 제작하는 경우, 중심부에 분포하게 되는 섬유B에는 제1노즐체(110a)와 제2노즐체(110b) 모두를 통과하는 인발에 의해 2번의 마찰을 거치게 하여 큰 프리스트레인이 발생하도록 하고 외곽층에 분포하게 되는 섬유A에는 제2노즐체(110b)만을 통과를 통한 인발에 의해 1번의 마찰만을 거치게 함으로써 섬유B보다는 상대적으로 작은 프리스트레인이 발생하게 할 수 있다. 따라서 수지가 경화되고 절단기에 의해 필요한 길이로 절단되어 최종적인 하이브리드 FRP 보강근이 만들어진 상태에서는, 섬유의 탄성회복력에 의해 섬유A와 섬유B 각각에는 압축력이 도입되는데, 인발과정에서 섬유B에는 섬유A보다 더 큰 프리스트레인이 발생하게 되므로, 압축력이 도입되더라도 섬유B에는 상당한 크기의 프리스트레인이 잔류하게 된다. 즉, 복수개의 노즐체로 이루어진 성형노즐을 섬유A와 섬유B가 통과하여 인발될 경우, 섬유A와 섬유B 각각의 변형률-응력 관계는 도 7의 (b)의 그래프와 같이 되어, 섬유B의 경우, 미리 압축 변형률을 가지고 있는 상태가 되는 것이다. 따라서 FRP 보강근의 단면에서 섬유A와 섬유B가 동일한 섬유함유량으로 존재하는 경우, FRP 보강근에 발생하는 변형률이 섬유A의 극한변형률에 이르게 되면, 섬유B 역시 극한변형률에 근접하게 되고, 그에 따라 섬유B가 파괴시까지 견딜 수 있는 응력에 여유 즉, "섬유B의 낭비 부분"이 도 7의 (a)의 경우보다 월등하게 줄어들게 되며, 따라서 FRP 보강근이 파괴에 이르게 되는 응력이 크게 향상된다. 즉, 본 발명에 의하면 도 7의 (b)에서 일점쇄선인 선 S와 같은 변형률-응력 관계를 가지게 되어, 동일한 극한 변형룰 εA-ult에 따른 도 7의 (a)에서의 파괴응력 σpr 보다 도 7의 (b)에서의 파괴응력 σps이 더 커지게 된다. 즉, 본 발명에 의하면 인장성능이 월등하게 향상된 하이브리드 FRP 보강근을 제조할 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명에 따라 복수개의 노즐체를 이용하여 성형노즐(100)을 구성함에 있어서, 노즐체 사이에 추가적인 인발기를 더 구비할 수도 있다. 즉, 도 5에 도시된 것처럼, 제1노즐체(110a)와 제2노즐체(110b) 사이에 추가적인 인발기(105b)를 더 설치할 수 있는 것이다. 이러한 추가적인 인발기(105b)는 제1섬유의 봉이 제1노즐체(110a)를 통과하여 인발되도록 하는 기능을 하게 되지만, 이에 더하여 제1섬유의 봉이 제2노즐체(110b)를 통과하는 과정에서 제1섬유에 추가적인 인장력을 가하거나 또는 제2노즐체(110b)에 의해 제1섬유에 가해지는 추가적인 인장력을 줄이는 기능을 할 수도 있다. 즉, 제2노즐체(110b)의 전방에 위치하는 인발기(105)의 인발속도와 제1노즐체(110a)와 제2노즐체(110b) 사이에 위치하는 추가적인 인발기(105b)의 인발속도를 조절함으로써 제1섬유의 봉이 제2노즐체(110b)를 통과하는 과정에서 제1섬유에 가해질 수 있는 인장 정도를 증감시켜서 조절할 수 있게 되는 것이다.
한편, 위의 설명에서는 본 발명에 의해 제작되는 FRP 보강근의 단면이 원형인 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 아니하며 타원이나 다각형, 또는 기타 다양한 단면 형상을 가질 수 있으며, 그에 따라 노즐체의 단면 형상도 변화될 수 있다.
100: 성형노즐
110a: 제1노즐체
110b: 제2노즐체

Claims (5)

  1. 섬유 권취릴(101), 수지 공급부(102), 성형노즐(100) 및 인발기(105)를 포함하는 구성을 가지고 있어서 섬유와 수지로 이루어진 봉형상의 FRP 보강근을 제조하는 장치로서,
    상기 성형노즐(100)은, 섬유의 진행방향으로 복수개의 노즐체가 순차적으로 직렬로 배치되어 있고, 상기 복수개의 노즐체에서 전방에 위치하는 노즐체의 입구는 후방에 위치하는 노즐체의 출구보다 더 큰 단면 크기를 가지도록 구성되어 있으며;
    후방에 위치하는 노즐체에 의해 인발 성형된 섬유의 봉이 전방에 위치하는 노즐체의 입구로 들어 갈 때, 수지로 함침된 신규 섬유가 전방에 위치하는 노즐체의 입구로 함께 공급되어 전방에 위치하는 노즐체에 의하여 인발 성형됨으로써 섬유가 FRP 보강근의 단면에서 반지름 방향으로 중심에서 외곽으로 갈수록 복수개의 섬유층을 이루면서 분포되어 있는 단면을 가지는 하이브리드 FRP 보강근을 만들 수 있는 것을 특징으로 하는 FRP 보강근의 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인발기(105)는 복수개의 노즐체 중에서 최전방에 위치하는 노즐체의 출구쪽에 배치되어 있으며;
    후방에 위치하는 노즐체와 전방에 위치하는 노즐체의 사이에도, 후방에 위치하는 노즐체를 통과하는 섬유의 봉을 인발하는 추가적인 인발기(105b)가 더 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 FRP 보강근의 제조장치.
  3. 섬유 권취릴(101), 수지 공급부(102), 성형노즐(100) 및 인발기(105)를 포함하는 구성을 가지는 FRP 보강근의 제조장치를 이용하여, 섬유 권취릴(101)로부터 수지 공급부(102)를 거쳐 수지로 함침된 섬유를 성형노즐(100)에 통과시키면서 인발기(105)로 인발하여 봉형상의 FRP 보강근을 제조하는 방법으로서,
    상기 성형노즐(100)은, 섬유의 진행방향으로 복수개의 노즐체가 순차적으로 직렬로 배치되어 있고, 상기 복수개의 노즐체에서 전방에 위치하는 노즐체의 입구는 후방에 위치하는 노즐체의 출구보다 더 큰 단면 크기를 가지도록 구성되어 있으며;
    후방에 위치하는 노즐체에 의해 인발 성형된 섬유의 봉이 전방에 위치하는 노즐체의 입구로 들어 갈 때, 수지로 함침된 신규 섬유를, 전방에 위치하는 노즐체의 입구로 함께 공급하여 전방에 위치하는 노즐체에 의하여 인발 성형함으로써, 섬유가 FRP 보강근의 단면에서 반지름 방향으로 중심에서 외곽으로 갈수록 복수개의 섬유층을 이루면서 분포되어 있는 단면을 가지는 하이브리드 FRP 보강근을 만들게 되는 것을 특징으로 하는 FRP 보강근의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    후방에 위치하는 노즐체에 공급되는 섬유와, 전방에 위치하는 노즐체의 입구로 공급되는 신규 섬유를 각각 서로 다른 종류가 되도록 함으로써,
    복수개의 섬유분포층에 각각 서로 다른 종류의 섬유가 분포되어 있는 단면을 가지는 하이브리드 FRP 보강근을 만들게 되는 것을 특징으로 하는 FRP 보강근의 제조방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 인발기(105)는 복수개의 노즐체 중에서 최전방에 위치하는 노즐체의 출구쪽에 배치하며;
    후방에 위치하는 노즐체와 전방에 위치하는 노즐체의 사이에도 추가적인 인발기(105b)를 배치하여 후방에 위치하는 노즐체를 통과하는 섬유의 봉을 상기 추가적인 인발기(105b)에 의해 인발하는 것을 특징으로 하는 FRP 보강근의 제조방법.

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