KR101618252B1

KR101618252B1 - 섬유보강플라스틱(frp) 보강장치 및 이를 이용한 구조물의 보강 공법

Info

Publication number: KR101618252B1
Application number: KR1020140156131A
Authority: KR
Inventors: 이행기; 하성국
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2016-05-04

Abstract

본 발명은 분사식 섬유 보강 코팅층에 적층 시공되어 보강 코팅층의 정착 성능을 추가적으로 확보함으로써 분사식 섬유 보강 코팅층이 충분한 보강 성능을 발휘할 수 있도록 하는 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치 및 이를 이용한 구조물의 보강 공법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치는, 로빙(roving) 형태의 섬유 다발을 복수개 나열하고 수지를 함침하여 바아(Bar) 형태를 갖도록 한 FRP 코어와; 상기 FRP 코어에 수직하게 형성되며, 로빙(roving) 형태의 섬유 다발을 복수개 나열하고 수지를 함침하여 만들어진 앵커마운트와; 상기 앵커마운트의 외면을 둘러싸도록 설치되어 보강하고자 하는 구조물에 형성된 홀(H)에 삽입되어 고정되는 앵커를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치 및 이를 이용한 구조물의 보강 공법{FRP Reinforcing Device and Method for Strengthening Structure Using the Same}

본 발명은 구조물을 보강하기 위한 섬유보강플라스틱 보강장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 철근콘크리트 구조물의 휨, 전단, 내진 보강을 위해 사용되는 분사식 섬유 보강 코팅층에 로빙(Roving) 형태의 섬유 다발을 이용한 FRP 보강장치를 적층하여 시공함으로써 분사식 섬유 보강 코팅층의 구조적 보강 성능을 향상시킬 수 있도록 한 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치 및 이를 이용한 구조물의 보강 공법에 관한 것이다.

철근콘크리트 구조물은 시간의 경과에 따른 자연적인 노후화와 외부환경의 변화에 따른 재료 및 부재의 성능이 점차 감소하여 사용성이 저하될 수 있다. 즉, 설계 및 시공상의 결함, 환경의 변화, 재하 하중조건의 변화에 따른 노후화된 철근콘크리트 구조물은 구조적 기능을 제대로 수행하기 어렵다. 우리나라의 경우 1970년대 급속한 경제발전을 통해 고속도로, 댐 및 발전소등 사회간접자본시설과 신도시 개발사업 등으로 건설 사업이 진행되었으나, 구조물의 유지관리 및 보수/보강 분야에는 상대적으로 소홀하여 1990년대 이르러 삼풍백화점, 성수대교 사고와 같은 대형 참사로 이어졌다. 이에, 철근콘크리트 구조물의 보수/보강을 위한 재료 및 공법을 개발에 대한 지속적인 관심과 노력이 필요한 실정이다.

일반적으로 철근콘크리트 구조물의 보수/보강에 사용되는 공법은 철판보강공법과 복합재료를 연속섬유시트로 가공한 섬유시트 복합체를 사용한 공법이 널리 사용되고 있다. 철판보강공법은 콘크리트 표면에 접착수지로 강판을 접착시키는 공법으로 시공 실적이 많으나, 접착이 불량한 강판표면에 박리와 부식이 일어나는 경우가 발생하며 철판의 방식에 정기적인 도장보수가 필요한 단점을 보여주고 있다.

또한, 섬유시트 복합체를 사용한 공법은 철근콘크리트 구조물의 보, 상판 등의 휨 보강에 효과적이며, 부식이 없고 장기적인 내구성이 우수하여 시공성, 내구성이 우수한 공법으로 널리 사용되고 있다. 그러나, 종래의 섬유시트 복합재료를 사용한 보강공법의 경우 접착제의 점도와 요변성이 부족하면 부착된 시트가 떨어지기 쉽고, 섬유시트의 부착력을 높이기 위해 콘크리트 구조물의 표면의 단차 및 돌기 제거 등을 위한 전처리 작업이 수행되어야 하며 이는 시공성 저하와 시공비 상승을 일으킬 수 있다.

1990년대 후반부터 국외 선진국을 중심으로 로빙타입의 섬유(유리섬유, 탄소섬유 등)를 chopper 장비를 통하여 일정한 길이로 분사함과 동시에 콘크리트 구조물의 표면에 수지를 고압으로 분사하여 섬유 보강층을 형성하는 분사식 섬유보강 코팅층 공법이 제안되었다. 그러나, 분사식 섬유보강층으로 보강된 철근콘크리트 구조물에서 보강층의 박리 및 국부파괴(rupture)등의 파괴모드를 나타내고 있어, 보강성능 향상을 위한 앵커시스템을 필요로 하고 있다.

일본 공개특허 공보 평09-183182호는 콘크리트(concrete) 구조물의 형상에 좌우 되는 일없이, 콘크리트 구조물을 간편하고 효과적으로 보강할 수 있도록 한 발명으로, 콘크리트 구조물 표면에 강화재를 함유시킨 상태로 용융수지를 세게 불어 구조물의 표면에 밀착 접합시켜 강화플라스틱(plastic) 보강층을 형성하는 방법을 제안하고 있다. 이 기술을 통해 콘크리트 구조물의 형상에 제한을 받는 일 없이 강화 플라스틱 층을 균질하게 형성하는 것이 가능하고 콘크리트 구조물을 간편하게 안정적이면서 효과적으로 보강할 수 있다. 또한, 이 기술에 의해 역학적으로 콘크리트 구조물의 내파손성을 향상시키고 내진성을 향상할 수 있는 것과 동시에 표면의 피복 작용으로 구조물의 열화를 방지하고 내구성을 향상시킬 수 있다.

그리고, FRP 를 이용한 종래의 구조물 보강 공법으로서 FRP 시트/복합체의 부착성능을 향상시키기 위해서 GFRP anchor spikes를 개발하였으며(Eshwar, N (2003) "Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) strengthening of concrete bridges with curved soffits", MS. Thesis, UMR, Rolla, USA(in print)), GFRP anchor spike를 만드는 방법은 섬유다발을 모아서 일부분에 수지로 함침시킨 후 건조시켜 제작하였다.

또한 Piyong 등은 CFRP strip으로 보강된 콘크리트 구조에 일정한 지름을 갖는 홀을 천공하여 GFRP anchor spikes을 일정한 깊이로 삽입하고 섬유 부분을 에폭시 수지로 고정시켜 앵커 역할을 할 수 있도록 시공하여 그 성능을 검증하였다.

국내의 경우, 등록번호 10-0438664에 강화섬유앵커를 이용한 강화섬유시트로 구조물 보강하는 방법이 제안되었으며, 이 발명은 콘크리트 구조물에 강화섬유앵커가 삽입될 앵커 삽입홈을 강화섬유시트의 강도나 적층하는 겹 수에 따라 일정간격으로 천공하여 그 곳에 강화섬유앵커의 봉 형상으로 되는 부분을 삽입하여 접착제로 단단히 고정하고, 또 구멍에 삽입되지 않는 탄소섬유가 분리된 상태인 솔부를 넓고 길게 펴서 콘크리트 구조물의 표면에 접착한 다음 그 위에 강화섬유시트르 적층함으로써 콘크리트 면과 강화섬유시트의 접착부분이 떨어지지 않도록 하여 원하는 보강강도를 얻을 수 있도록 제안하였다.

그러나, 상기 일본 공개특허의 공법을 사용하여 콘크리트 구조물을 보강할 경우 함침성(wetting)의 부적절함, 롤링(rolling) 작업을 통한 섬유의 이동으로 인한 보강재료의 불균질성, 시공자의 능력에 따른 길이방향으로의 보강 섬유층의 두께의 불균질 등을 가져올 수 있는 문제점이 있다. 이러한 문제점들로 인해 분사식 섬유보강 코팅층은 국부적인 응력집중으로 인한 파괴(partially rupture) 현상이 발생할 수 있으며. 이는 보강층의 성능을 충분히 발휘할 수 있는 능력을 저하시켜 구조물의 보강성능을 떨어뜨릴 수 있다.

일본 공개특허 공보 평09-183182호 대한민국 등록특허 제10-0438664호 대한민국 공개특허 제2003-23901호

1) 김긍환 외, "철근콘크리트 건축물 보강공법의 개발 및 성능평가" 건설교통부 연구 보고서, 2003. 2) 김긍환 외, "건축 구조물 보수/보강의 성능평가에 관한 연구" 건설교통부 연구 보고서, 2001. 3) 이종열, 이웅종, "구조물의 보수/보강 재료의 현황" 대한토목학회지, Vol. 47, No. 4, pp. 34-45, 1999. 4) Banthia, N., Yan, C. and Nandakumar (2002) N. "Sprayed fiber-reinforced polymers: From laboratory to a real bridge," Concrete International, Vol. 24, pp. 47-52. 5) Young, S. C. and Harries, K. A. (2000) "An Investigation of Properties and Procedure of Spray Layed-Up Fiber Reinforced Polymer Materials for Concrete Rehabilitation," University of South Caronia, Report No. ST00-03, pp. 1-57. 6) Caibal, M.R., Obera, I., Murata, H. and Niwa, J. (2003) "Bond Behavior Between Sprayed Fiber Reinforced Plastics (SFRP) and Concrete," JSPS Core University Program on Environment Engineering, pp.1-27. 7) 손영선, "Sprayed FRP로 보강된 철근콘크리트 보의 보강성능에 관한 연구" 한양대학교대학원 석사학위논문, 2007. 8) Eshwar, N (2003) "Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) strengthening of concrete bridges with curved soffits" MS. Thesis, UMR, Rolla, USA(in print) 9) Piyong, Yu., Silva, P. F., Nanni. A, "Flexural Strengthening of Concrete Slab by One Three-stage Prestressing FRP System with Presence of GFRP Anchor Spikes," Proceedings of CCC 2003 - Composites in Construction International Conference, University of Calabria, Rende (CS), Italy, September 2003, 6pp.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 분사식 섬유 보강 코팅층에 적층 시공되어 보강 코팅층의 정착 성능을 추가적으로 확보함으로써 분사식 섬유 보강 코팅층이 충분한 보강 성능을 발휘할 수 있도록 하는 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치 및 이를 이용한 구조물의 보강 공법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치는, 로빙(roving) 형태의 섬유 다발을 복수개 나열하고 수지를 함침하여 바아(Bar) 형태를 갖도록 한 FRP 코어와; 상기 FRP 코어에 수직하게 형성되며, 로빙(roving) 형태의 섬유 다발을 복수개 나열하고 수지를 함침하여 만들어진 앵커마운트와; 상기 앵커마운트의 외면을 둘러싸도록 설치되어 보강하고자 하는 구조물에 형성된 홀(H)에 삽입되어 고정되는 앵커를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기와 같은 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치를 이용한 구조물의 보강 공법으로서, (a) 보강하고자 하는 구조물의 표면에 섬유와 함께 수지를 분사하여 제1섬유 보강 코팅층을 시공하는 단계와; (b) 상기 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치의 앵커를 구조물의 홀 내측에 삽입하여 상기 제1섬유 보강 코팅층을 덮는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강 공법을 제안한다.

본 발명의 한 형태에 따르면, 본 발명의 구조물 보강 공법은 상기 (b) 단계 후 상기 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치의 FRP 코어의 외면에 섬유와 함께 수지를 분사하여 제2섬유 보강 코팅층을 시공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 분사식 섬유 보강 코팅층이 FRP 코어로 덮임으로써 응력 집중으로 인한 분사식 섬유보강 코팅층의 국부적인 파괴를 방지하며, 단부 박리를 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 FRP 코어의 외면에 분사식으로 두번째 섬유 보강 코팅층을 적층함으로써 첫번째 섬유 보강 코팅층 및 FRP 코어가 구조물의 표면에 더욱 단단히 정착됨과 더불어 단부 박리를 방지할 수 있게 되어 보강 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치의 FRP 코어 제작 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치의 정면도이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치를 이용하여 구조물을 보강하는 공법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치를 이용한 구조물 보공 구조를 나타낸 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치 및 이를 이용한 구조물의 보강 공법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치를 나타낸 것으로, 본 발명의 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치는, 로빙(roving) 형태의 섬유 다발(1)로 이루어진 FRP 코어(10)와, 상기 FRP 코어(10)에 수직하게 형성된 앵커마운트(20)와, 상기 앵커마운트(20)의 외면을 둘러싸도록 설치되어 보강하고자 하는 구조물(S)에 형성된 홀(H)에 삽입되어 고정되는 앵커(30)를 포함한 구성으로 이루어진다.

상기 FRP 코어(10)는 유리섬유, 탄소섬유, 또는 아라미드 재료로 된 로빙 형태의 섬유 다발(1)을 직경이 2~10㎜ 되도록 제작한 다음, 상기 섬유 다발(1)을 복수개 나열하고 에폭시, 폴리에스테르, 비닐에스테르 등의 수지에 함침하여 긴 바아 형태를 갖도록 만들어진다.

상기 앵커마운트(20)는 FRP 코어(10)와 마찬가지로 유리섬유, 탄소섬유, 또는 아라미드 재료로 된 로빙 형태의 섬유 다발(1)을 직경이 2~10㎜ 되도록 제작한 다음, 복수개의 섬유 다발(1)을 나열하고 수지를 함침하여 원형 봉 또는 사각형 등의 다각형 봉 형태를 갖도록 한다. 상기 앵커마운트(20)는 FRP 코어(10)의 양측 단부 또는 모서리 부분, 또는 FRP 코어(10)의 중간 부분 등 적절한 위치에 형성된다.

상기 앵커마운트(20)의 섬유 다발(1)은 FRP 코어(10)의 섬유 다발(1)을 절곡하여 만들어질 수 있다.

상기 앵커(30)는 상기 앵커마운트(20)와 대응하는 형태를 갖는 금속 재질의 관 형상체, 또는 섬유다발에 수지를 함침하여 만들어진 관 형상체, 또는 유리섬유나 탄소섬유 등의 섬유가 내장된 복합재료 시트를 말아서 랩(wrap) 형태로 앵커마운트(20)에 장착하는 관 형상체로 이루어질 수 있다. 상기 앵커(30)는 앵커마운트(20)에 장착되어 앵커마운트(20)와 함께 구조물(S)의 홀(H)(도 4 참조) 내측으로 삽입되어 고정된다.

한편 상기 앵커(30)가 구조물(S)의 홀(H) 내측으로 삽입되어 고정될 때, 앵커(30)가 구조물(S)에 단단히 고정될 수 있도록 하기 위하여 구조물(S)의 홀(H) 내측에 플라스틱과 같은 단단한 합성수지 재질 또는 금속 재질의 가이드파이프(40)를 에폭시 수지나 에스테르 수지, 비닐에스테르 수지 등의 접착용 수지로 접착시키고, 상기 가이드파이프(40) 내측에 앵커(30)를 삽입하여 고정시킬 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치를 이용한 구조물(S) 보강 공법은 다음과 같다.

먼저 도 4 및 도 5에 도시한 것과 같이, 보강하고자 하는 구조물(S)에 홀(H)을 천공하고, 상기 홀(H)의 내측에 가이드파이프(40)를 삽입하고 접착용 수지로 단단히 접착시킨다.

이어서, 도 6에 도시한 것처럼 보강하고자 하는 구조물(S)의 표면에 섬유와 함께 수지를 분사하여 제1섬유 보강 코팅층(50)을 시공한다.

그리고, 도 7에 도시한 것과 같이 상기 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치의 앵커(30)를 구조물(S)의 홀(H) 내측에 고정된 가이드파이프(40)에 삽입하고 에폭시 수지나 에스테르 수지, 비닐에스테르 수지 등의 접착용 수지를 이용하여 앵커(30)를 고정시킴으로써 FRP 코어(10)로 상기 제1섬유 보강 코팅층(50)을 덮는다.

이와 같이 제1섬유 보강 코팅층(50)이 FRP 코어(10)로 덮임으로써 제1섬유 보강 코팅층(50)의 정착 성능을 추가적으로 확보하고 단부 박리를 최소화할 수 있게 된다.

상기와 같이 FRP 코어(10)를 설치한 후, 도 8에 도시한 것과 같이, 상기 FRP 코어(10)의 외면에 섬유와 함께 수지를 분사하여 제2섬유 보강 코팅층(60)을 시공한다. 이 때, 상기 제2섬유 보강 코팅층(60)을 시공하면서 제2섬유 보강 코팅층(60)을 롤러(70)로 다짐하여 FRP 코어(10)와 제2섬유 보강 코팅층(60)을 동시에 함침시키는 것이 바람직하다.

이와 같이 FRP 코어(10)의 외면에 분사식으로 제2섬유 보강 코팅층(60)을 적층함으로써 상기 제1섬유 보강 코팅층(50) 및 FRP 코어(10)가 구조물(S)의 표면에 더욱 단단히 정착됨과 더불어 단부 박리를 방지할 수 있게 되어 보강 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

상기 FRP 코어(10)와 앵커마운트(20) 및 앵커(30)를 포함하는 본 발명의 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치는 구조물(예를 들어 내하력 저하 등의 열화된 건축물의 슬래브, 열화되어 내하력이 저하된 교량의 슬래브나 거더, 내진 보강이 요구되는 교량, 터널, 빌딩 등의 구조물 등)의 길이 방향 또는 길이 방향에 대해 수직한 방향(폭방향)으로 구조물에 설치되어 분사식 섬유 보강 코팅층의 보강 성능을 강화시키는 작용을 하게 된다.

전술한 실시예에서 본 발명의 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치의 앵커마운트(20) 및 앵커(30)는 FRP 코어(10)의 양쪽 끝단부 또는 모서리 부분에만 설치되었지만, 도 9에 도시한 것과 같이 FRP 코어(10)의 중간 부분 등 보강 성능 향상한 필요한 임의의 위치에 설치될 수 있다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

1 : 섬유 다발 10 : FRP 코어
20 : 앵커마운트 30 : 앵커
40 : 가이드파이프 50 : 제1섬유 보강 코팅층
60 : 제2섬유 보강 코팅층 70 : 롤러
S : 구조물 H : 홀

Claims

로빙(roving) 형태의 섬유 다발(1)을 복수개 나열하고 일단부에서부터 타단부까지 전체적으로 수지를 함침하여 바아(Bar) 형태를 갖도록 한 FRP 코어(10)와;
상기 FRP 코어(10)에 수직하게 형성되며, 로빙(roving) 형태의 섬유 다발(1)을 복수개 나열하고 수지를 함침하여 만들어진 원형 봉 또는 다각형 봉 형태의 앵커마운트(20)와;
상기 앵커마운트(20)의 외면을 둘러싸도록 결합된 관 형상체로 되어 보강하고자 하는 구조물에 형성된 홀(H)에 상기 앵커마운트(20)와 함께 삽입되어 고정되는 앵커(30)를 포함하며;
상기 앵커(30)는 금속 재질 관 형상체, 섬유다발에 수지를 함침하여 만들어진 관 형상체, 섬유가 내장된 복합재료 시트를 관 형상으로 말아서 만들어진 관 형상체 중 어느 하나로 된 것을 특징으로 하는 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치.
제1항에 있어서, 상기 앵커마운트(20)의 섬유 다발(1)은 FRP 코어(10)의 섬유 다발(1)이 절곡되어 형성된 것을 특징으로 하는 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치.
청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서, 상기 앵커마운트(20)는 FRP 코어(10)의 양측 단부 또는 모서리 부분에 봉 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 구조물의 홀(H) 내측에 구비되어 상기 앵커(30)를 홀(H) 내측에 고정시키는 가이드파이프(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치.
제1항 내지 제3항 및 제5항 중 어느 한 항에 따른 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치를 이용하여 구조물을 보강하는 보강 공법으로서,
(a) 보강하고자 하는 구조물의 표면에 섬유와 함께 수지를 분사하여 제1섬유 보강 코팅층(50)을 시공하는 단계와;
(b) 상기 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치의 앵커(30)를 구조물의 홀(H) 내측에 삽입하여 상기 제1섬유 보강 코팅층(50)을 덮는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강 공법.
제6항에 있어서, 상기 (b) 단계 후 상기 섬유보강플라스틱(FRP) 보강장치의 FRP 코어(10)의 외면에 섬유와 함께 수지를 분사하여 제2섬유 보강 코팅층(60)을 시공하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강 공법.
제7항에 있어서, 상기 제2섬유 보강 코팅층(60)을 시공하면서 제2섬유 보강 코팅층(60)을 롤러(70)로 다짐하여 FRP 코어(10)와 제2섬유 보강 코팅층(60)을 동시에 함침시키는 것을 특징으로 하는 구조물 보강 공법.
제6항에 있어서, 상기 (b) 단계를 수행할 때 구조물의 홀(H)에 합성수지 재질의 가이드파이프(40)를 먼저 삽입하여 고정하고, 상기 가이드파이프(40)에 앵커(30)를 삽입하여 고정시키는 것을 특징으로 하는 구조물 보강 공법.