KR101541060B1 - 하이브리드 섬유보강바 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 매립식 보강공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 섬유보강바 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 매립식 보강공법에 관한 것으로, 그 목적은 콘크리트 구조물에 매립 보강되어 강도 및 내구성을 증진시키도록 막대(Bar) 형태로 구성되고, 내부와 외부가 서로 다른 섬유보강재로 구성된 하이브리드 섬유보강바 및 이를 매립식 보강공법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 내부와 외부가 서로 다른 섬유보강재로 이루어진 이중단면 구조를 가지고, 막대(Bar) 형태로 구성된 하이브리드 섬유보강바와; 이 하이브리드 섬유보강바를 구비한 후 보강하고자 하는 콘크리트 구조물의 하부면에 하나 이상의 길이 방향 홈에 매립하고, 접착제를 충전하여 메꾼다음 콘크리트 보호마감재를 상기 접착제가 충전된 홈과 주변에 도포하여 표면을 마감하는 단계;를 포함한 하이브리드 섬유보강바를 이용한 콘크리트 구조물의 매립식 보강공법을 발명의 특징으로 한다.

Description

하이브리드 섬유보강바 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 매립식 보강공법{Hybrid fiber composite bar and strengthening method of concrete structure using thereof}

본 발명은 하이브리드 섬유보강바 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 매립식 보강공법에 관한 것으로, 자세하게는 열화된 콘크리트 구조물의 내하력을 증대시켜 콘크리트 구조물의 성능을 향상시킬 수 있도록 콘크리트 구조물에 홈을 형성하고 여기에 하이브리드 섬유보강바를 매립시킴으로써 내구성을 증진시키는 콘크리트 구조물 보강기술에 관한 것이다.

일반적으로 콘크리트는 시멘트, 굵은골재, 잔골재, 혼화재 등으로 구성되어 있어 다른 건설자재(철근)와 달리 재료의 구성성분이 다양하며, 서로 다른 이질의 물성들이 서로 합쳐서 이루어져 있다. 그러므로 콘크리트의 품질은 구성재료의 품질과 밀접한 관계가 있으며, 배합비, 타설방법, 양생법에 따라 달라지게 된다.

품질이 좋은 콘크리트는 경제적이고, 반영구적이기 때문에 오래 전부터 건축 및 토목재료에 사용되고 있다.

그러나, 품질이 낮은 콘크리트를 생산하여 사용하거나, 외부의 열악한 환경에 콘크리트 구조물이 노출되었을 경우에는 콘크리트는 급속하게 약화된다.

또한, 최근 콘크리트 구조물의 형태가 다양화되고 복잡해짐에 따라, 원래의 설계 하중보다 많은 하중이 가해지는 경우가 발생하게 되어 콘크리트 구조물의 강도를 향상시켜야 하는 경우가 종종 발생하는데, 특히 교량의 경우에는 차량이 대형화되면서 중차량에 견딜 수 있는 구조물이 요구됨으로써 성능 개선의 필요성이 절실한 형편이다.

또한, 건축물의 경우에는 경제적인 부담이 큰 신축에 비하여 용도변경 및 리모델링을 하는데 이러한 경우 구조물이 설계된 하중 이상의 하중이 요구됨으로써 보강의 필요성이 중요시 되고 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 보강공법으로 1980년대 초중반까지는 콘크리트 구조물의 내하력 부족에 대응하기 위해 강판 접착공법이나 외부 프리스트레싱 공법과 같은 강재를 이용한 공법이 주로 사용되었다.

하지만 이러한 공법들은 사하중이 증가하고, 상대적으로 낮은 강성, 부식발생과 같은 문제점과, 보강구조물 주변의 손상에 의한 미관상 좋지 않고 환경오염의 원인이 된다는 문제점이 있었다.

이러한 문제점 때문에 1980년 후반부터 높은 강성과 탄성계수를 갖고 있는 섬유시트(탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유)를 사용하는 콘크리트 구조물 보강공법이 많이 적용되고 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 섬유시트 보강재를 이용한 보강공법은 콘크리트 표면에 섬유시트를 부착하여 보강하는 방법으로 구조체 전면을 감싸는 공법이므로 콘크리트의 통기성에 많은 지장을 주며, 구조체가 보강 하중 이상의 하중을 받게 되었을 경우 보강재가 계면에서 탈락하면서, 콘크리트 구조물의 안정성이 급격히 저하되는 문제점이 있다.

이하에서는 종래 콘크리트 구조물의 보강 기술에 대한 선행 기술을 구체적으로 살펴본다.

한국 특허등록 제 10-0411614호는 스트립형 섬유보강쉬트 및 이를 이용한 구조물 보강공법에 관한 것으로, 이 기술은 섬유보강재를 쉬트형으로 제조하여 구조물(보, 기둥, 슬래브)을 보강하는 공법으로, 섬유보강재를 시트형태로 구성하여 구조물 외면에 부착하여 보강하는 방법이다.

하지만 상기 기술은 섬유보강재가 외부에 노출되어 있기 때문에 환경적인 요인인 대기에 의한 자외선, 알칼리 등의 물리·화학적 요인 때문에 내구성이 저하될 수 있다는 단점과, 섬유시트를 외면에 부착하여 보강된 구조물의 경우 장기 또는 단기하중에 의하여 섬유시트와 구조물 계면의 부착파괴에 의하여 급작스런 내력저하가 발생할 수 있다는 구조적 단점을 가진다.

또한 한국 특허등록 제 10-0454021호는 하이그리드 구조물을 이용한 콘크리트 구조물보수, 보강공법에 관한 것으로, 이 기술은 섬유시트 계면파괴의 단점을 보완하기 위하여 섬유보강 그리드를 제조하여 결합철물로 구조물 외측에 보강하는 보강공법이다.

하지만 상기 기술은 비록 부착파괴를 방지하기 위하여 섬유보강재를 콘크리트 면에 결합철물로 보강하였지만, 여전히 섬유보강재의 외부노출로 인하여 내구성이 저하될 수 있다는 단점과, 사용성 측면에서 구조물의 보강 상황이 노출되어 미관상 좋지 않다는 단점이 있다.

한국 등록특허공보 등록번호 10-0411614(2003.12.04.) 한국 등록특허공보 등록번호 10-0454021(2004.10.13.) 한국 등록특허공보 등록번호 10-1126483(2012.03.06.) 한국 등록특허공보 등록번호 10-1172808(2012.08.03.)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 콘크리트 구조물에 매립 보강되어 강도 및 내구성을 증진시키도록 막대(Bar) 형태로 구성되고, 내부와 외부가 서로 다른 섬유보강재로 구성된 하이브리드 섬유보강바를 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기 하이브리드 섬유보강바를 이용하여 콘크리트 구조물에 홈을 형성 후 매립시켜 일체화시킴으로써 콘크리트 외부면에 보강재 부착시 발생하는 계면에서의 부착파괴를 방지하여 강도 보강 효과와 내구성을 증진시키고, 보강후에는 보강 흔적이 남지 않아 마감처리가 용이한 매립식 보강공법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 내부 섬유보강재와 이를 감싸는 이질재의 외부 섬유보강재로 이루어진 이중단면 구조를 가지고, 막대(Bar) 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 섬유보강바를 제공함으로써 달성된다.

바람직한 실시예로, 상기 탄소섬유 또는 아리미드 섬유로 이루어진 외부 섬유보강재와 유리섬유로 이루어진 내부 섬유보강재는 체적비가 1 : 1 ~ 6로 구성할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 하이브리드 섬유보강바의 단면 형상은 사각형 또는 타원형 형상으로 구성할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 하이브리드 섬유보강바는 적어도 일면에 하나 이상의 돌기가 형성될 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 하이브리드 섬유보강바는 사각형 형상일 경우는 폭 10mm ~ 100mm에 높이 4mm ~ 30mm로 구성하고, 타원형 형상을 경우는 폭 10mm ~ 50mm에 높이 4mm ~ 30mm로 형성할 수 있다.

또한 본 발명은 다른 실시 양태로, 보강하고자 하는 콘크리트 구조물의 하부면에 하나 이상의 길이방향 홈을 형성하는 단계와;

상기 홈에 프라이머를 도포하는 단계와;

상기 프라이머가 도포된 홈에 상기 하이브리드 섬유보강바를 매립하는 단계와;

상기 하이브리드 섬유보강바가 매립된 홈에 접착제를 충전하여 메꾸는 단계와;

이후 콘크리트 보호마감재를 상기 접착제가 충전된 홈과 주변에 도포하여 표면을 마감하는 단계와;

이후 양생시키는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 섬유보강바를 이용한 콘크리트 구조물의 매립식 보강공법을 제공함으로써 달성된다.

바람직한 실시예로, 상기 홈 형성 단계는 표면에 거칠기 가공하여 콘크리트 면과 프라이머간의 부착력을 높이는 단계를 포함할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 홈의 폭은 11mm ~ 110mm, 깊이는 6mm ~ 60mm로 형성할 수 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 내부의 유리섬유와 이를 감싸는 외부의 탄소섬유 또는 아라미드 섬유 등의 보강섬유로 이루어진 하이브리드 섬유보강바는 부착력, 연성율, 내구성이 좋아 과도한 하중이 가해지는 콘크리트 구조물이 종래의 섬유보강재와 달리 선형거동에 의한 급격한 파괴를 방지하고, 연성적으로 파괴되도록 함으로써 콘크리트 구조물의 강도, 내구성 및 안정성이 증대되었다는 장점과,

또한 막대(Bar) 형태의 하이브리드 섬유보강바를 이용한 보강공법은 콘크리트 구조물 특히 보(beam)나 거더에 홈을 형성 후 하이브리드 섬유보강바를 매립시켜 일체화함으로써 부착력이 증진되어 외부 환경 및 콘크리트 구조물의 변형에 의한 계면에서의 부착파괴가 일어나지 않아 내구성이 증진되었다는 장점과,

또한 하이브리드 섬유보강바가 콘크리트 구조물 내에 매립 시공되기 때문에 시공 후 시공부위에 보강 흔적이 남지 않아 마감처리가 용이하여 미관상의 문제점을 해결하였다는 장점과,

또한 하이브리드 섬유보강바는 종래 탄소섬유에 비해 국부적으로 보강할 수 있어서 재료비가 적게 들고, 탄소섬유를 포함한 섬유보강재와 유리섬유를 혼합사용함으로써 탄소섬유 단독 사용시와 유사한 강도보강 효과를 가지면서도 원가가 절감되어 공사비를 절감시킬 수 있다는 장점과,

또한 하이브리드 섬유보강바를 사용한 콘크리트 구조물의 보강공법은 종래처럼 콘크리트 구조물의 전면을 섬유보강시트로 부착하는 보강방법과 달리 필요 부위에만 국소적으로 보강함으로써 공간이 협소한 경우에도 시공이 용이하며, 공사기간을 상대적으로 단축할 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 섬유보강바의 단면구조를 보인 예시도이고,
도 2 내지 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 섬유보강바의 단면구조를 보인 예시도이고,
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 섬유보강바를 이용하여 콘크리트 구조물을 보강한 모습을 보인 사시도이고,
도 6 내지 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 섬유보강바를 이용하여 콘크리트 구조물을 보강한 모습을 보인 개략적인 단면도이고,
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 섬유보강바를 이용하여 콘크리트 구조물의 복수지점을 보강한 모습을 보인 단면 예시도이고,
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 섬유보강바를 이용하여 콘크리트 구조물을 보강한 모습을 보인 구체적인 단면 구성도이고,
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 보강공법을 보인 순서도이고,
도 12는 본 발명의 실시예 1의 시험방법을 보인 예시도이고,
도 13은 본 발명의 실시예 1의 시험결과를 나타낸 표이고,
도 14는 본 발명의 실시예 2의 시험방법을 보인 예시도이고,
도 15는 본 발명의 실시예 2의 시험결과를 나타낸 표이고,
도 16은 본 발명의 실시예 2의 시험결과를 나타낸 그래프이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 섬유보강바의 단면구조를 보인 예시도이고, 도 2 내지 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 섬유보강바의 단면구조를 보인 예시도이다.

본 발명의 하이브리드 섬유보강바(1)는 그 형태가 일반적인 섬유보강시트와 달리 시트형태가 아닌 막대(Bar) 형태의 연속재로 구성된다. 이와 같은 형태를 필요한 길이 만큼 재단하여 보강공법에 사용하게 된다.

하이브리드 섬유보강바(1)의 단면 외형은 사각형 또는 사각형을 포함한 다각형과 타원형을 포함한 원형으로 구성된다. 이와 같은 형상을 가지게 되면 콘크리트 구조물에 매립시 접착제(예를 들어 에폭시 접착제)와의 접착면적이 넓어지게 되어 부착력이 증진되게 된다.

특히 본 발명에 따른 하이브리드 섬유보강바(1)는 그 단면 구조가 내부 섬유보강재(11)와 이를 감싸는 이질재의 외부 섬유보강재(12)로 이루어진 이중단면 구조로 구성되고, 내부와 외부가 서로 다른 보강섬유로 구성된다. 이때 내부구조는 외형과 동일한 형상을 가지게 성형하여 제조하는 것이 구조적으로 안정하여 바람직하다. 이중 구조의 내부에 사용되는 섬유보강재로는 유리섬유로 구성하고, 이를 감싸는 외부의 섬유보강재는 탄소섬유 또는 아라미드섬유로 구성하였다.

상기 본 발명 하이브리드 섬유보강바의 가공방법은 인발성형방식으로 섬유 로빙으로부터 풀린 섬유들이 수지함침기를 통과하고, 함침된 섬유들이 일정형상을 지닌 가열된 몰드를 통과할 수 있도록 당겨지고, 가열된 몰드를 통과되면 열에 의해 수지가 경화되어 일정한 단면을 갖는 보강재가 완성된다.

이와 같이 서로 다른 섬유보강재로 이루어진 이중 구조로 구성한 이유는 유리섬유에 비하여 상대적으로 내구성이 우수한 탄소섬유 또는 아라미드를 외측에 배치함으로써 하이브리드 섬유보강바의 내구성을 높여 보강 후 내구성에 의한 강도저하를 막을 수 있기 때문이다.

또한 상기 내부의 유리섬유는 파단 변형율이 약 3.0% 것을 사용하고, 외부의 탄소섬유 또는 아라미드섬유는 파단변형율이 약 1.7%인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 파단변형율 및 차이를 가지도록 구성한 이유는 하이브리드 효과인 유사연성을 발휘하기 위해서 유리섬유에 비하여 강도가 크고 변형율이 낮은 탄소섬유 또는 아라미드 섬유가 먼저 파단되어야 하기때문에 상기와 같이 파단변형율을 달리 하여 구성하였다.

또한 상기 탄소섬유(또는 아리미드 섬유)와 유리섬유의 체적비가 1 : 1 ~ 6으로 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 체적비를 가지도록 구성한 탄소섬유(또는 아리미드 섬유)와 유리섬유를 혼입한 하이브리드 섬유는 탄소섬유(또는 아리미드 섬유) 파단 후 유리섬유가 파단되는 과정에서 유사연성이 발휘되는데, 이러한 유사연성이 발휘되기 위해서는 탄소섬유와 유리섬유의 혼입비율에 영향을 받기 때문에 상기 범위 구간내에서 혼입해야만 취성적인 파괴를 피할 수 있다.

상기와 같이 서로 다른 파단변형율과 체적비를 가진 본 발명의 하이브리드 섬유보강바는 가격이 비싼 단일 성분의 탄소섬유(또는 아리미드 섬유)로 섬유보강재를 구성할 때 보다 내구성이 우수하면서도 상대적으로 저렴하게 제조할 수 있고, 콘크리트 구조물이 최대 하중을 받을 때에 선형거동에 의한 급격한 파괴를 방지하고, 연성적으로 파괴할 수 있도록 할 수 있어서 안전성을 높이게 된다.

또한 본 발명의 하이브리드 섬유보강바는 상기에서 설명한 실시 형태와 같이 사각형 또는 타원형 형상을 가지도록 함으로써 콘크리트 구조물에 매립시 접착제(예를 들어 에폭시 프라이머 또는 에폭시 접착제)와의 접착면적이 넓어져 부착력이 증진되게 되는데, 보다 넓은 부착 면적을 가지도록 하이브리드 섬유보강바의 어느 일측면에 돌기(13, 요철) 형태로 가공하면 더욱 좋다. 이때 돌기 형성면은 바람직하게는 상면쪽에 형성하는 것이 시공시 접착력을 증대시키는데 좋다. 돌기의 개수에 한정을 두지는 않지만 바람직하게는 적어도 2개 이상 구성하는 것이 프라이머 또는 접착제와의 접착력을 증대시키는데 바람직하다.

또한 하이브리드 섬유보강바에 돌기가 형성되면 프리이머 또는 접착제와의 접촉 면적이 넓어져 부착력이 증대될 뿐만 아니라 유동성을 가지는 접착제가 돌기와 돌기 사이를 메꾸게 됨으로써 외력에 대한 지지력 또한 보강되게 된다. 예를 들어 외부 온도변화에 따라 콘크리트나 하이브리드 섬유보강바가 신축거동을 하게 되는데, 이때 돌기 구조가 지지력을 발휘하여 신축거동시 변형력이 최소화되게 된다.

상기한 하이브리드 섬유보강바는 타원형 단면일 경우는 폭 10mm ~ 50mm에 높이 4mm ~ 30mm로 형성하였고, 사각형일 경우는 폭 10mm ~ 100mm에 높이 4mm ~ 30mm로 구성하면 바람직하다.

상기와 같은 수치를 가지게 하이브리드 섬유보강바의 폭과 높이가 결정되면 이에 대응하는 매립되는 홈의 폭과 높이가 결정된다. 상기한 구간의 하한값 미만이 되면 보강효과가 발휘되지 않게 되며, 상한값 보다 크면 매립되는 홈의 콘크리트를 많이 파내어야 하므로 시공이 어렵게 되고 사용하는 프라이머의 양이 많아져 경제적이지 않게 된다.

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 섬유보강바를 이용하여 콘크리트 구조물을 보강한 모습을 보인 사시도이고, 도 6 내지 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 섬유보강바를 이용하여 콘크리트 구조물을 보강한 모습을 보인 개략적인 단면도이고, 도 9는 본 발명의 한 실시에에 따른 하이브리드 섬유보강바를 이용하여 콘크리트 구조물의 복수지점을 보강한 모습을 보인 단면 예시도이다.

도시된 내부 섬유보강재(11)와 이를 감싸는 외부 섬유보강재(12)로 이루어진 이중단면 구조의 본 발명에 따른 하이브리드 섬유보강바(1)는 다양한 콘크리트 구조물(2)에 대한 보강시 사용할 수 있다. 예를 들자면 용도변경으로 인한 구조변경 및 환경적인 요인에 의한 내구성 저하로 보강이 필요한 철근 콘크리트 보 등의 콘크리트 구조물에 적용할 수 있다. 이 경우 하이브리드 섬유보강바는 인장력을 받는 보의 중심부위에 집중적으로 보강하지 않고 균등하게 보강하기 위하여 보 하부를 복수개로 등분하여 홈을 판다. 예를 들어 3등분하여 콘크리트 구조물를 파서 홈을 내고 접착제를 이용하여 보강할수 있다. 물론 본 발명이 이와 같이 3등분하는 것을 한정하는 것은 아니다.

이처럼 콘크리트 구조물의 하부면에 홈을 파 하이브리드 섬유보강바를 매립하게 되면 하이브리드 섬유보강바와 콘크리트 구조물과 거의 완전한 부착이 이루어져 기존 보강방법의 문제점인 계면에서의 파괴를 방지할 수 있으며, 시공 후 시공부위가 완전히 매립되어 보강 흔적이 없으므로 마감처리가 용이하게 된다.

또한, 보강할 콘크리트 구조물의 외부 전면을 섬유보강시트로 부착하는 종래의 보강방법과는 달리 필요 부위에만 국소적으로 보강함으로써 공간이 협소한 경우에도 시공이 용이하며, 공사기간을 상대적으로 단축할 수 있으며, 상대적으로 적은 양의 보강재를 사용하기 때문에 공사원가의 절감효과를 가지게 된다.

더욱이 내부 섬유보강재는 비교적 저렴한 유리섬유로 구성하고 이를 감싸는 외부 섬유보강제는 탄소섬유 또는 아라미드 섬유로 이루어진 이중 단면 구조의 하이브리드 섬유보강바로 구성함으로써 전술한 바와 같이 값비싼 탄소만으로 제작할때와 비교시 가격이 상대적으로 저렴한 유리섬유를 적절한 비율로 혼합하였기 때문에 가격이 저렴하게 되면서도 보강성능 측면에서는 콘크리트 내측에 매립되기 때문에 외부의 환경적인 요인에 의하여 내구성이 저하될 우려가 없어서 보강 후 장기간 보강효과를 발휘하게 된다.

도 10은 본 발명의 한 실시에에 따른 하이브리드 섬유보강바를 이용하여 콘크리트 구조물을 보강한 모습을 보인 구체적인 단면 구성도이고, 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 보강공법을 보인 순서도이다. 도면을 참조하여 본 발명의 하이브리드 섬유보강바를 이용한 콘크리트 구조물의 보강방법을 이하 설명한다.

본 발명의 보강방법은 보강하고자 하는 콘크리트 구조물의 하부면에 하나 이상의 길이 방향 홈을 형성하는 단계(S100)와; 상기 홈에 프라이머를 도포하는 단계(S200)와; 상기 프라이머가 도포된 홈에 하이브리드 섬유보강바를 매립하는 단계(S300)와; 상기 하이브리드 섬유보강바가 매립된 홈에 접착제를 충전하여 메꾸는 단계(S400)와; 이후 콘크리트 보호마감재를 상기 접착제가 충전된 홈과 주변에 도포하여 표면을 마감하는 단계(S500)와; 이후 양생시키는 단계(S600);를 포함하여 구성된다. 이하 구체적으로 살펴 본다.

본 발명에 따른 하이브리드 섬유보강바(1)가 보강하는 콘크리트 구조물(2)은 보(Beam)나 거더로 이와 같은 구조물은 건축물의 하중을 지탱하는 기둥과 기둥 사이에 수평방향으로 설치되어 슬라브 구조의 하중을 지지하거나 보와 보 사이에 수평으로 설치되어 구조물의 하중을 지탱하는 구조물에 적용된다. 또한 손상된 콘크리트 구조물 또는 보강이 필요한 콘크리트 구조물의 하부면에 직접 부착하는 것이 아닌 홈을 파내어 홈 안에 매립 보강하여 보에 가해지는 하중을 견디도록 하는 보강공법이다.

먼저, 본 발명은 콘크리트 구조물의 하부면에 하나 이상의 길이 방향 홈을 형성하는 단계(S100) 이전에 하이브리드 섬유보강바(1)를 매립시켜 보강할 콘크리트 구조물(2)의 하부면 매립 부위에 절개 부분을 표시하는 사전 단계를 가진다. 표시수단은 먹, 분필, 잉크, 연필 등등의 다양한 표시수단을 이용하여 콘크리트 표면에 표시하면 된다. 이때 절개부위는 1곳이 될 수도 있고, 복수 지점이 될 수도 있는데 콘크리트 구조물의 크기에 맞게 개수를 정한다. 복수개일 경우 균일한 간격으로 배열하여 콘크리트 구조물에 대한 균일한 보강이 이루어질 수 있도록 한다.

이후 절개부위가 표시된 부분을 콘크리트용 커팅기인 에어함마 등을 이용하여 균일한 깊이와 폭으로 절개하여 길이 방향의 홈(21)을 형성한다. 이때 균일한 깊이라는 것은 사용될 하이브리드 섬유보강바 보다 크게 형성하면 된다.

또한 홈의 크기를 정함에 있어서 홈의 폭은 하이브리드 섬유보강바의 폭에 맞추어 정하였고, 홈의 깊이는 일반적인 철근콘크리트 보의 피복두께를 고려하여 정하였다. 콘크리트학회의 구조 기준에 따르면 콘크리트 중성화로부터 철근을 보호하기 철근콘크리트의 피복두께를 일반적인 경우는 40mm로 하고 해양구조물과 같은 경우는 40mm 보다 더 큰 피복 두께로 시공하기를 정하고 있는데 그 이유는 일반적인 구조 부재에 철근이 밑단부터 40mm의 두께를 가지고 시공되어야 콘크리트 중성화로부터 철근이 부식되지 않아 구조물의 강도를 유지할 수 있기 때문이고, 해양구조물과 같이 염분에 영향을 받을 수 있는 구조물에서는 그 깊이가 더 깊어야 철근을 보호할 수 있기 때문이다.

따라서 본 발명은 철근과 이를 피복하는 철근콘크리트의 피복두께를 감한한여 철근에 피해를 주지 않도록 매립용 홈의 깊이를 정해서 파게 된다. 예를 들어 구조물의 밑단에서 부터 40mm 부근에 철근이 매설되어있다면 철근때문에 60mm깊이를 팔수는 없기 때문에 이를 감안해야 한다. 다만 본 발명은 6mm 보다 작은 깊이를 가지면 보강효과가 나타나지 않기 때문에 이 또한 감한해야 한다. 따라서 6mm ~ 60mm 구간의 깊이를 가지게 형성하여 해당 구조물이 일반구조물인 경우와 해양구조물인지를 감안하여 홈의 깊이를 정하면 된다.

이에 따라 본 발명에서 사용되는 하이브리드 섬유보강바가 그 형태에 따라 타원형 단면일 경우는 폭 10mm ~ 50mm에 높이 4mm ~ 30mm로, 사각형일 경우는 폭 10mm ~ 100mm에 높이 4mm ~ 30mm로 구성하는 것이 바람직하기 때문에 상기한 철근콘크리트의 피복두께와 하이브리드 섬유보강바를 함께 감안하여 홈을 폭 11 ~ 110mm, 깊이 6 ~ 60mm로 형성했다. 다만 하이브리드 섬유보강바의 측방향에서도 접착제가 접착될 수 있을 정도의 틈새는 감안하여 절개홈 크기를 정하는 것이 바람직하다.

이후 필요시 홈 내부 표면에 톱날과 같이 거칠기 가공을 하여 프라이머와 콘크리트와의 부착력을 증대되도록 구성하면 바람직하다.

이후 하이브리드 섬유보강바가 매립될 정도의 홈(21)이 절개되면 절개 부위에 묻어 있는 분진을 에어리스 건 등을 이용하여 고압 공기로 제거하여 청소함으로써 접착제와 콘크리트 구조물 표면과의 접착력이 저하되지 않도록 한다.

이후 상기 홈 내부에 프라이머(22)를 도포한다(S200). 프라이머는 접착제와 같은 물질로 이루어진 것을 사용한다. 본 발명의 실시예에서는 에폭시 프라이머를 사용하였다. 프라이머의 물성치는 굽힘강도가 100.0MPa이상, 인장강도는 40.0MPa 이상, 압축강도 95.0MPa 이상인 프라이머를 사용하였다. 한정 이유는 이와 같은 수치한정된 수치이상의 프라이머를 사용하지 않으면 보강효과가 발휘되지 않기 때문이다.

이후 프라이머 면에 하이브리드 섬유보강바(1)를 부착한다(S300). 섬유보강바의 부착은 전용 주걱 등으로 매립하면 된다.

이후 하이브리드 섬유보강바가 매립되어 프라이머에 부착된 홈의 나머지 공간에 에폭시 접착제(23)를 도포하여 메꾼다(S400). 에폭시 접착제의 물성은 상기 프라이머와 같다.

이후 콘크리트 보호마감재(24)는 일반적인 아크릴 우레탄계열의 방수코팅재로 상기 에폭시 접착제가 충전된 홈과 주변에 롤러나 붓을 이용하여 도포(코팅)하여 표면을 마감하고(S500) 일정시간 동안 양생시킨다(S 600). 이때 사용되는 콘크리트보호 마감재는 부착강도가 1.0MPa이상이고, 중성화 깊이는 1.0mm이하, 투습도는 50.0g/m²이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 수치한정을 가지는 보호마감재를 사용하여야 보강이후의 내구성면에서 문제(시공하자)가 발생하지 않는다.

상기에서 접착제 및 프라이머는 에폭시 계열로 설명하였지만 다른 상용의 접착제를 사용해도 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.

(실시예 1)

실시예 1은 하기의 실시예 2를 시행하기 전에 하이브리드 섬유보강바의 물성을 확인하기 위하여 직접 인장강도 시험을 실시하였다.

총 시험체는 사각형 단면의 섬유보강바 시험체, 타원형 단면의 섬유보강바 시험체, 타원형 단면을 가지고 내부는 유리섬유로 외부는 탄소섬유로 이루어진 본 발명에 따른 하이브리드 섬유보강바 시험체 3종류로 하였으며, 각각 3개의 시편을 제작하여 평균값으로 하였다.

각 시편의 총 길이는 동일하게 양쪽 그립 200mm를 포함하여 총길이 600mm이고, 양쪽 그립 부분은 지름 34mm의 Steel pipe로 인장시 섬유보강바의 미끄러짐을 방지하기 위하여 전단키로 결합시켜 접착제로 충전하여 일체화 시켰다. 시편 중앙에는 스테레인 게이지(W.S.G)를 부착하여 섬유보강바의 변형률을 측정하였다. (도 12 참조)

인장시험편의 양 단부는 CSA 그립을 사용하였다. CSA 그립은 섬유보강바를 속이 빈 강재파이프 안에 넣고 3mm 굵기의 강선으로 전단키를 만들어 인장시험시 미끄러짐을 방지하였다.

실험결과를 보면 도 13과 같이 사각형 단면의 섬유보강바 시험체는 인장강도와 변형율, 탄성계수가 각각 1045.8MPa, 0.81%, 129.11GPa이었으며, 타원형 단면의 섬유보강바 시험체는 911.6MPa, 0.64%, 142.44GPa이었으며, 타원형 단면을 가지고 내부는 유리섬유로 외부는 탄소섬유로 이루어진 하이브리드 섬유보강바 시험체는 809.3MPa, 0.89%, 90.93MPa이었다.

(실시예 2)

실시예 2에 사용된 총 시험체는 4개로 하였으며, 기준시험체로는 RC보(Reinforced Concreate beam)를 사용하였고, 이와 대비되는 시험체로는 탄소섬유로 이루어진 타원형 단면의 섬유보강바 시험체, 탄소섬유로 이루어진 사각형 단면의 돌기형 섬유보강바 시험체, 그리고 본 발명의 하이브리드 섬유보강체로 내부는 유리섬유로 이루어지고 외부는 탄소섬유로 이루어진 섬유보강바 시험체이다.

시험체의 형태는 도 5에 도시된 형상을 가진다. 즉, 손상을 입은 콘크리트 구조물의 보에 홈을 파내고 프라이머 접착제를 도포하고, 섬유보강바로 보강한 도면으로 하중이 가해지는 콘크리트 구조물에 외부로부터 열화인자가 침입하고, 시간이 지남에 따라서 콘크리트 내부의 철근들이 부식하면서 외부에 작용하는 하중을 충분히 견디지 못 할 경우에 철근 대용으로 섬유보강바를 매립해서 콘크리트 구조물이 원래의 기능을 발휘 할 수 있는지를 측정하였다.

실험방법은 기준시험체와 비교 시험체들을 형강 지그와 100 ton의 엑츄에이터를 이용하여 변위 제어를 통하여 중앙에 집중하중을 가하여 실험을 실시하였다. 중앙부위의 변위는 LVDT를 이용하였고, 보강 섬유바의 변형율은 변형률 게이지를 부착하여 측정하였다.

도 14는 콘크리트 보에 하중을 가하는 방법을 도시한 도면으로 지점간 거리를 3 미터로 하고 지점의 중앙부에 하중(P)를 순차적으로 높여서 집중하중을 가하였다. 하중의 크기에 따라서 섬유보강바에 작용하는 변형율을 측정하였다.

도 15와 및 도 16은 실시예 2의 결과를 보여주는데 기준시험체인 RC 보(Reinforced Concreate beam)는 18.5kN에서 콘크리트의 균열 후에 약 100kN에서 하부철근이 항복하여 최종적으로 휨파괴 되었다.

또한 비교대상 시험체인 타원형 단면을 가진 탄소섬유로 보강된 섬유보강바 시험체의 경우 균열 후 하부철근 항복 후 매립부의 접착제의 탈락으로 부착파괴가 일어났지만, 기준시험체보다 1.47배의 강도 증진 효과를 발휘하였다.

또한 사각형 단면을 가진 탄소섬유로 보강된 섬유보강바 시험체의 경우 타원형 단면 시험체와 동일한 파괴형태를 보였으며, 기준시험체보다 1.53배의 강도 증진 효과를 발휘하였다.

마지막으로 타원형 단면을 가지고 내부에는 유리섬유로 이루어지고 이를 감싸는 탄소섬유로 구성된 본 발명에 따른 하이브리드 섬유보강바 시험체의 경우 타원형 단면 시험체와 동일한 파괴형태를 보였으며, 기준 시험체에 비해 1.33 배의 강도 증진 효과를 발휘하였다.

상기 각 섬유보강바 시험체의 실험 결과를 보면 모든 시험체가 동일한 파괴 형태인 접착제 부착 파괴가 일어나고, 하중과 변위의 증가도 비슷하였다.

이러한 결과를 볼 때 본 발명의 하이브리드 섬유보강바는 상대적으로 저렴한 유리섬유가 내부를 이루고 외부에 탄소섬유 또는 아라미드섬유로 구성됨으로써 전체가 탄소섬유나 아라미드 섬유로 구성된 섬유보강바 보다 저렴하면서도 콘크리트 구조물의 전체적인 강성 보강력이 유사한 효과가 있고, RC 보(Reinforced Concreate beam)와 비교시는 현저한 강도 보강 효과가 있다. 따라서 본 발명은 콘크리트 구조물에 대한 강성보강을 저렴하게 시공할 수 있어서 공사원가 절감 측면에서 유리함을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

(1) : 하이브리드 섬유보강바 (2) : 콘크리트구조물
(11) : 내부 섬유보강재 (12) : 외부 섬유보강재
(13) : 돌기 (21) : 홈
(22) : 프라이머 (23) : 접착제
(24) : 콘크리트 보호마감재

Claims (8)

1. 섬유 로빙으로부터 풀린 섬유들을 수지함침기와 가열된 몰드를 통과시켜 성형하는 인발성형방식으로 제조되어, 유리섬유로 이루어진 내부 섬유보강재와 이를 감싸는 탄소섬유 또는 아리미드 섬유로 이루어진 이질재의 외부 섬유보강재로 이루어진 이중 사각형 단면 구조의 바(Bar) 형태로 구성하되, 상면에 2개 이상의 돌기가 형성되도록 구성하고,
   상기 내부의 유리섬유는 파단 변형율이 3.0%이고, 외부의 탄소섬유 또는 아라미드섬유는 파단변형율이 1.7%인 것을 사용하고, 상기 외부 섬유보강재와 내부 섬유보강재는 체적비가 1 : 2 ~ 4로 구성하되,
   상기 하이브리드 섬유보강바는 폭 10mm ~ 100mm에 높이 4mm ~ 30mm로 형성한 것을 특징으로 하는 하이브리드 섬유보강바.
   
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6. 보강하고자 하는 콘크리트 구조물의 하부면에 하나 이상의 길이 방향 홈을 형성하는 단계와;
   상기 홈에 에폭시 프라이머를 도포하는 단계와;
   상기 에폭시 프라이머가 도포된 홈에 청구항 1에 따른 하이브리드 섬유보강바를 매립하는 단계와;
   상기 하이브리드 섬유보강바가 매립된 홈에 에폭시 접착제를 충전하여 메꾸는 단계와;
   이후 콘크리트 보호마감재를 상기 에폭시 접착제가 충전된 홈과 주변에 도포하여 표면을 마감하는 단계와;
   이후 양생시키는 단계;를 포함하되,
   상기 홈 형성 단계는 표면에 거칠기 가공하여 콘크리트 면과 에폭시 프라이머간의 부착력을 높이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 섬유보강바를 이용한 콘크리트 구조물의 매립식 보강공법.
   
7. 삭제
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 홈의 폭은 11mm ~ 110mm, 깊이는 6mm ~ 60mm로 형성한 것을 특징으로 하는 하이브리드 섬유보강바를 이용한 콘크리트 구조물의 매립식 보강공법.
   

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