KR101736040B1 - 앵글형 하이브리드 빔 보강재, 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법 - Google Patents

Abstract

앵글형 하이브리드 빔 보강재는, 철근 콘크리트 보의 보수 및 보강에 사용되는 앵글형 하이브리드 빔 보강재로서, 앵글형 알루미늄 빔 및 앵글형 알루미늄 빔의 표면에 부착되며, 유리 섬유 직물 프리프레그가 성형되어 형성된 유리 섬유 복합체를 포함한다.

Description

앵글형 하이브리드 빔 보강재, 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법 {A REINFORCED MEMBER OF AN ANGLE TYPE HYBRID BEAM, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND CONSTRUCTING METHOD THEREOF}

본 발명은 앵글형 하이브리드 빔 보강재, 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 강재 보강재 및 섬유 보강재의 단점을 극복하면서 우수한 보강 능력을 발휘하는 앵글형 하이브리드 빔 보강재, 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법에 관한 것이다.

일반적으로 사회 기간 시설의 기초는 대부분 철근 콘크리트(reinforced concrete)로 이루어져 있다. 모든 철근 콘크리트 구조물은 제 기능을 충분히 수행하기 위해 설계자에 의해 역학이 고려되며, 환경과 상황에 따라 적절한 안전율이 적용되어 사용자들에게 제공된다. 그러나 예상치 못한 요인으로 인한 구조적 손상 또는 환경적 요인 등에 의해 노후화가 발생된 경우에는 설계된 구조물이 제 기능을 다하지 못하며, 그럴 경우에는 구조물의 제 기능 범위를 확보할 수 있도록 구조물 안전 진단을 수행한 후 보수가 이루어진다. 또한, 사용 중인 구조물이 설계 당시에는 충분한 내력을 확보하고 있었으나, 구조 변경으로 인한 증축 혹은 사용 하중의 증가로 구조물의 내력을 증가시켜야 할 경우에는 다시 구조 설계를 통해 보강이 이루어진다.

철근 콘크리트 구조물의 보수 및 보강에는 여러 가지 재료를 통한 공법들이 사용되어 왔다. 초기 보수 및 보강 공법에 사용된 재료는 강재이며, 강재를 이용한 강판 보강 공법은 강판을 에폭시를 이용하여 콘크리트 구조물의 인장면에 부착하는 공법으로서 철근 콘크리트 구조물의 휨 내력과 강성 증진 효과를 기대할 수 있어 1960년대 이후 장기간 사용되었다. 그러나 강판 보강 공법은 비중이 큰 강을 사용하기 때문에 취급이 어렵고, 자중이 크다는 단점이 있다. 또한, 강 부식에 따른 콘크리트 모체와의 부착 손상 등이 문제점으로 제기되어 왔다.

이러한 문제점을 인식하고, 1980년대에 들어서 역학적 특성, 내구성 및 경량성이 우수한 섬유 보강체(fiber reinforced polymer; FRP)가 소개되면서 강판 보강 공법을 대체하는 섬유 보강체 보강 공법이 연구되기 시작했다. 섬유 보강체의 종류에는 유리섬유, 아라미드섬유, 탄소섬유 등이 있으며, 각각 물리적 특성에 의해서 다양한 보강 공법에 사용된다. 섬유 보강체는 다른 재료보다 강도, 경량, 내부식성 등에서 큰 장점을 가지고 있어 FRP 시트 공법, FRP 플레이트 공법, FRP NSM(near surface mounted) 공법 등이 개발되어 사용되고 있다(한국공개특허 제10-2011-0001337호 참조).

그러나, 아직도 철근 콘크리트의 강도와 강성을 증가시키면서도 기존 보강 공법의 통기성 문제, 조기 탈락, 시공성 문제와 같은 단점을 보완 해결해야 할 과제가 남아있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 철근 콘크리트의 강도와 강성을 증가시키면서도 기존 보강 공법의 통기성 문제, 조기 탈락, 시공성 문제와 같은 단점을 보완 해결할 수 있는 앵글형 하이브리드 빔 보강재, 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 종래의 철근 콘크리트 보의 보강재와는 구조, 형상 및 재료에서 차이가 나며, 그 결과 철근 콘크리트의 강도와 강성을 증가시키면서도 종래 보강재의 문제점을 해결할 수 있는 앵글형 하이브리드 빔 보강재, 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재는, 철근 콘크리트 보의 보수 및 보강에 사용되는 앵글형 하이브리드 빔 보강재로서, 앵글형 알루미늄 빔 및 앵글형 알루미늄 빔의 표면에 부착되며, 유리 섬유 직물 프리프레그가 성형되어 형성된 유리 섬유 복합체를 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법은, 분리형 금형의 하부 금형 내에 유리 섬유 직물 프리프레그를 위치시키는 단계, 유리 섬유 직물 프리프레그 상에 앵글형 알루미늄 빔을 적층하는 단계, 앵글형 알루미늄 빔 상에 유리 섬유 직물 프리프레그를 적층하는 단계, 분리형 금형의 상부 금형을 하부 금형과 조립하는 단계, 분리형 금형에 고온 처리 및 고압 처리를 적용하는 단계 및 분리형 금형을 분리한 후 제조된 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 탈형하는 단계를 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법은, 철근 콘크리트 보 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재에 접착제를 도포하고 철근 콘크리트 보와 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 접합하는 단계 및 타정 공구의 정착핀을 이용하여 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 철근 콘트리트 보에 고정하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 철근 콘크리트의 강도와 강성을 증가시키면서도 기존 보강 공법의 통기성 문제, 조기 탈락, 시공성 문제와 같은 단점을 보완 해결할 수 있는 앵글형 하이브리드 빔 보강재, 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법을 제공할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 휨 보강용 폭방향 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 휨 보강을 위해 철근 콘크리트 보에 부착한 모습을 나타낸 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 전단 보강용 폭방향 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 전단 보강을 위해 철근 콘크리트 보에 부착한 모습을 나타낸 단면도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 유리 섬유 직물 프리프레그의 섬유 배열 방향을 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법의 흐름도이다.
도 7 내지 10 은 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법의 각 과정을 나타낸 사진이다.
도 11 은 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법의 흐름도이다.
도 12 는 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법에 사용되는 정착핀의 사진이다.
도 13 은 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 효과를 평가하기 위한 시험체를 나타낸 도면이다.
도 14 는 보강이 이루어지지 않은 철근 콘크리트 보의 하중 적용에 따른 파괴 양상을 나타낸 사진이다.
도 15 는 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 휨 보강재로 보강이 이루어진 철근 콘크리트 보의 하중 적용에 따른 최종 파괴 양상을 나타낸 사진이다.
도 16 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 전단 보강재로 보강이 이루어진 철근 콘크리트 보의 하중 적용에 따른 최종 파괴 양상을 나타낸 사진이다.
도 17 은 보강이 이루어지지 않은 철근 콘크리트 보와 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재로 보강이 이루어진 철근 콘크리트 보에 대하여 하중과 변위와의 관계를 비교한 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 1 내지 5 를 참조하여, 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 설명한다. 도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 휨 보강용 폭방향 단면도이다. 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 휨 보강을 위해 철근 콘크리트 보에 부착한 모습을 나타낸 단면도이다. 도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 전단 보강용 폭방향 단면도이다. 도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 전단 보강을 위해 철근 콘크리트 보에 부착한 모습을 나타낸 단면도이다. 도 5 는 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 유리 섬유 직물 프리프레그의 섬유 배열 방향을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 5 를 참조하면, 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)는 앵글형 알루미늄 빔(10) 및 유리 섬유 복합체(20)를 포함하며, 추가적으로 보호 필름(60)을 포함할 수 있다.

앵글형 알루미늄 빔(10)은 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)의 기본 골격을 형성하는 부재이다. 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)는 폭 방향 단면이 "ㄱ" 자 형상일 수 있으며, 철근 콘크리트 보(40)의 하면에 부착되는 하면 부분(23, 27) 및 철근 콘크리트 보(40)의 측면에 부착되는 측면 부분(25, 29)을 포함할 수 있다. 즉, 하면 부분(23, 27)과 측면 부분(25, 29)이 직각을 이루게 되어 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)는 폭 방향 단면이 "ㄱ" 자 형상을 이루게 된다. 이러한 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30)가 휨 보강용일 경우 하면 부분(23)의 폭(W1)이 측면 부분(25)의 폭(W2)보다 긴 형상을 지닐 수 있으며(도 1 및 2 참조), 앵글형 하이브리드 빔 보강재(50)가 전단 보강용일 경우 측면 부분(29)의 폭(W4)이 하면 부분(27)의 폭(W3)보다 긴 형상을 지닐 수 있다(도 3 및 4 참조).

또한, 앵글형 알루미늄 빔(10) 내부에는 중공(15)이 형성될 수 있으며 이렇게 내부에 중공(15)에 형성됨에 따라 앵글형 알루미늄 빔(10)의 중량을 줄이면서도 강성이 개선되는 효과를 볼 수 있다.

앵글형 알루미늄 빔(10)의 재료는 AL 6063-T5 일 수 있으며, 앵글형 알루미늄 빔(10)은 AL 6063-T5 를 사용하여 금형에 의한 압출 가공으로 제작할 수 있다. AL 6063-T5 는 성형성 및 내식성이 우수하며, 그에 따라 AL 6063-T5 로 제조된 앵글형 알루미늄 빔(10)은 콘크리트 구조물의 강성, 강도, 휨강성 및 내력 증진에 기여한다.

유리 섬유 복합체(20)는 유리 섬유 직물 프리프레그(Prepreg)가 성형되어 형성되며, 앵글형 알루미늄 빔(10)의 표면에 부착되어 앵글형 알루미늄 빔(10)을 감싸는 부재이다. 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)의 기본 골격을 형성하는 앵글형 알루미늄 빔(10)은 가볍기 때문에 취급과 시공성을 향상시킬 수 있으나 강재보다는 강도가 작을 수 있는데, 유리 섬유 복합체(20)는 상대적으로 낮은 강도를 가지는 앵글형 알루미늄 빔(10)을 보강할 수 있고, 또한 앵글형 알루미늄 빔(10)을 감싸고 있기 때문에 부식 방지 및 내구성 향상에 기여한다.

또한, 상대적으로 낮은 탄성 계수를 갖는 앵글형 알루미늄 빔(10) 및 유리 섬유 복합체(20)는 철근 콘트리트 구조물과의 비부착으로 인한 전단 마찰을 줄일 수 있어 합성 거동을 유도할 수 있다.

한편, 유리 섬유 복합체(20)의 원재료인 프리프레그란 연속된 유리/탄소 장섬유를 강도와 강성을 가장 효과적으로 발휘 가능하도록 직조하고, 여기에 액상의 열경화성 수지를 미리 함침시킨 성형 재료로서, 복합재료 성형방법 중 Auto-Clave 성형법에 주로 쓰이는 재료이다.

철근 콘크리트 보(40)에 대한 보강 및 보수에 사용되는 하이브리드 빔의 물리적 특성에 맞게 섬유를 배열한 프리프레그를 적용할 수 있는데, 프리프레그는 기존의 일방향 장섬유를 이용한 보강재에 비해 다방향성을 가질 수 있으며, 그에 따라 유리 섬유 직물 프리프레그의 섬유 배열은 다방향성을 지니게 된다. 이러한 다방향성은 외력에 저항하는 방향 및 외력에 저항하는 방향에 수직인 방향을 포함할 수 있으며, 도 5 를 참조하면 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)의 길이 방향이 0° 방향이라고 할 때, 유리 섬유 직물 프리프레그의 섬유 배열의 패턴은 0° 방향인 경우, +45° 방향인 경우, 90° 방향인 경우, -45° 방향인 경우를 포함할 수 있고, 이를 표현하면 0°/90°/+45°/-45°/90°/0° 와 같이 표현될 수 있다.

한편, 섬유 배열이 단방향일 경우 편심 등으로 섬유 배열 방향과 다른 방향으로 힘이 작용하게 되면 섬유 배열이 흐트러져 하이브리드 재료의 구조 성능을 모두 발휘할 수 없게 된다. 반면에, 본 발명에 따른 유리 섬유 직물 프리프레그는 단방향이 아닌 다방향의 섬유 배열 패턴을 가짐으로써 하이브리드 재료의 구조 성능을 모두 발휘할 수 있고 요구되는 기계적 특성이 구현될 수 있다.

보호 필름(60)은 유리 섬유 복합체(20)의 표면에 부착되는 부재로서, 자외선 및 해수를 차단하고 그에 따라 내부식성을 향상시키며, 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)가 다양한 외관을 갖도록 한다. 또한, 공사 후 도장 및 몰탈 처리 등 보강 공사 시 후처리 공정을 없애거나 최소화하여 공기와 비용을 절감 할 수 있다. 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)는 이러한 보호 필름(60)을 구성으로 포함할 수도 있고 경우에 따라서는 포함하지 않을 수도 있다.

추가적으로, 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)는 전체 형상이 앵글형 빔 형상이며, 예를 들어 휨 보강용 보강재(30)의 경우(도 1 참조) 하면 부분의 폭(W1) 및 측면 부분의 폭(W2)의 길이가 각각 200mm 및 100mm 이고, 전단 보강용 보강재(50)의 경우(도 3 참조) 하면 부분의 폭(W3) 및 측면 부분의 폭(W4)의 길이가 각각 100mm 및 300mm 인 앵글형 빔 형상일 수 있다. 따라서, 구조 단면의 확대로 인해 1회 시공으로도 넓은 면적의 보강 시공이 가능하고, 사각형 형태의 구조물에 적용이 가능하며, 또한 처짐이 방지되고 보강 성능이 우수하며 보강재의 경량화로 취급이 용이하다.

이상 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 설명하였으며, 이하 도 6 내지 10 을 참조하여 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법을 설명한다. 도 6 은 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법의 흐름도이다. 도 7 내지 10 은 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법의 각 과정을 나타낸 사진이다.

도 6 을 참조하면, 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법은, 분리형 금형의 하부 금형 내에 유리 섬유 직물 프리프레그를 위치시키는 단계(S10), 유리 섬유 직물 프리프레그 상에 앵글형 알루미늄 빔을 적층하는 단계(S20), 앵글형 알루미늄 빔 상에 유리 섬유 직물 프리프레그를 적층하는 단계(S30), 분리형 금형의 상부 금형을 하부 금형과 조립하는 단계(S40), 분리형 금형에 고온 처리 및 고압 처리를 적용하는 단계(S50) 및 분리형 금형을 분리한 후 제조된 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 탈형하는 단계(S60)를 포함한다.

도 6 및 7 을 참조하면, 분리형 금형의 하부 금형 내에 유리 섬유 직물 프리프레그를 위치시키는 단계(S10), 유리 섬유 직물 프리프레그 상에 앵글형 알루미늄 빔을 적층하는 단계(S20) 및 앵글형 알루미늄 빔 상에 유리 섬유 직물 프리프레그를 적층하는 단계(S30)는, 분리형 금형의 상부 금형과 하부 금형을 분리한 상태에서 하부 금형 내에 유리 섬유 직물 프리프레그를 위치시키고, 유리 섬유 직물 프리프레그 상에 앵글형 알루미늄 빔(10)을 적층하고, 이후 앵글형 알루미늄 빔(10) 상에 유리 섬유 직물 프리프레그를 적층하게 된다.

도 8 을 참조하면, 하부 금형 내에 유리 섬유 직물 프리프레그, 앵글형 알루미늄 빔(10) 및 유리 섬유 직물 프리프레그를 차례대로 적층시킨 후, 맨 위에 위치한 유리 섬유 직물 프리프레그 상에 추가적으로 보호 필름(60)을 적층할 수 있다.

도 6 및 9 를 참조하면, 분리형 금형의 상부 금형을 하부 금형과 조립하는 단계(S40)는, 하부 금형 내에 유리 섬유 직물 프리프레그, 앵글형 알루미늄 빔(10), 유리 섬유 직물 프리프레그 및 보호 필름(60)을 모두 적층시킨 후, 상부 금형을 덮으면서 상부 금형과 하부 금형을 조립하게 된다.

도 6 을 참조하면, 분리형 금형에 고온 처리 및 고압 처리를 적용하는 단계(S50)는, 상부 금형과 하부 금형이 조립된 후에 조립된 분리형 금형에 고온 및 고압 처리인 핫 프레스(HOT PRESS) 공법이 적용될 수 있다. 구체적으로, 고온 처리는 140℃에서 수행되며, 고압 처리는 7kgf/cm²의 압력으로 120분 동안 수행될 수 있으나, 이러한 온도, 압력 및 시간에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라서 다양한 제조 조건이 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 제조 방법의 경우, 유리 섬유 직물 프리프레그를 앵글형 알루미늄 빔(10)과 일체화 시키기 위해 상부/하부 분리형 금형을 사용하며, 이렇게 상부/하부 분리형 금형을 사용한 핫 프레스 공법을 사용함으로써 기존의 탄소섬유 부착 등의 Hand lay-up 공법과 일방향 장섬유를 이용한 인발 공법(Pultrusion)으로 제작한 평판형 보강재에 비해 기계적 물성이 우수한 보강재를 제조할 수 있고, 또한 금형에 고온, 고압을 적용함으로써 조직이 치밀하고 균일한 품질의 제품을 다량으로 생산할 수 있다.

도 6 을 참조하면, 분리형 금형을 분리한 후 제조된 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 탈형하는 단계(S60)는, 핫 프레스 공정이 종료된 후 상부 금형을 하부 금형으로부터 분리하고 제조된 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)를 금형으로부터 탈형하게 된다. 탈형된 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)는 앵글형 알루미늄 빔(10), 앵글형 알루미늄 빔(10)을 둘러싸는 유리 섬유 복합체(20) 및 보호 필름(60)을 포함할 수 있다.

이상 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)의 제조 방법을 설명하였으나, 추가적으로 후처리 과정을 설명한다.

앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)를 탈형한 후에 제품 사이즈에 맞게 성형 완료된 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)의 폭을 절단기로 커팅할 수 있다. 또한, 도 10 을 참조하면, 철근 콘크리트 보(40)와의 부착 성능을 높이기 위해서 성형 완료된 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)의 면 중에서 철근 콘크리트 보(40)와의 접착면을 샌딩 처리할 수 있다.

이상 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 방법을 설명하였으며, 이하 도 11 및 12 를 참조하여 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법을 설명한다. 도 11 은 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법의 흐름도이다. 도 12 는 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법에 사용되는 정착핀의 사시도이다.

도 11 을 참조하면, 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법은, 철근 콘크리트 보 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재에 접착제를 도포하고 철근 콘크리트 보와 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 접합하는 단계(S70) 및 타정 공구의 정착핀을 이용하여 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 철근 콘트리트 보에 고정하는 단계(S80)를 포함한다.

도 11 을 참조하면, 철근 콘크리트 보 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재에 접착제를 도포하고 철근 콘크리트 보와 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 접합하는 단계(S70)는, 우선 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)가 접합될 철근 콘크리트 보(40)의 면에 대한 그라인딩 작업, 철근 콘크리트 보(40)의 마감 모르타르를 제거하는 작업, 철근 콘크리트 보(40)의 균열에 대한 보수 작업, 및 철근 콘크리트 보(40)의 요철면을 평탄화하는 작업 중 어느 하나 이상의 작업을 수행하는 전처리 공정을 수행할 수 있다. 또한, 전처리 공정 이후에 철근 콘크리트 보(40)에 프라이머를 도포할 수 있다.

이렇게, 철근 콘크리트 보(40) 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)에 접착제를 도포하기 전에 전처리 공정을 수행하고 프라이머를 도포함으로써 철근 콘크리트 보(40) 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50) 간의 부착력을 증대시킬 수 있다.

전처리 공정 및 프라이머 도포 이후, 철근 콘크리트 보(40) 및 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)에 접착제를 도포하고 철근 콘크리트 보(40)와 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)를 접합한다. 이 때 접착제로는 에폭시가 사용될 수 있다.

도 12 를 참조하면, 타정 공구의 정착핀을 이용하여 앵글형 하이브리드 빔 보강재를 철근 콘크리트 보에 고정하는 단계(S80)는, 접합된 철근 콘크리트 보(40)와 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)에 대하여 타정 공구를 통해 정착핀(70)을 발사하여 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)를 철근 콘크리트 보(40)에 고정한다.

기존에는 보강 대상 콘크리트 구조물에 접착제를 도포하고 앵커 볼트를 설치하여 고정하는 공법을 이용하거나, 에폭시 충진에 의한 보강재 정착 방법을 사용했으나, 본 발명에 따른 시공 방법은 타정 공구 및 정착핀(70)을 사용함으로써 모재의 손상이 없고 보강재를 고정하기 위한 추가적인 시설이나 장비가 필요치 않아 시공이 용이하고, 보강재의 경량화가 이루어지고, 완제품 형태로 제작되어 현장 접근성 및 공기를 단축시킬 수 있다. 또한, 기존에는 에폭시 양생에 상온 하에서 1~3일 가량이 소요되지만 정착핀(70) 작업으로 에폭시 양생기간 및 후처리가 필요하지 않게 된다. 한편, 정착핀(70)은 스테인리스 스틸 핀일 수 있으며, 앞부분이 뾰족한 형상을 지니고 있을 수 있다.

추가적으로, 철근 콘크리트 보(40)와 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50) 사이에 틈새가 있을 경우 마감 실링제를 이용하여 메움 시공을 하면서 마무리 작업을 수행할 수 있다.

이상 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 시공 방법을 설명하였으며, 이하 도 13 내지 17 을 참조하여 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 효과를 살펴본다. 도 13 은 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 효과를 평가하기 위한 시험체를 나타낸 도면이다. 도 14 는 보강이 이루어지지 않은 철근 콘크리트 보의 하중 적용에 따른 파괴 양상을 나타낸 사진이다. 도 15 는 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재로 휨 보강이 이루어진 철근 콘크리트 보의 하중 적용에 따른 파괴 양상을 나타낸 사진이다. 도 16 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재로 전단 보강이 이루어진 철근 콘크리트 보의 하중 적용에 따른 파괴 양상을 나타낸 사진이다. 도 17 은 보강이 이루어지지 않은 철근 콘크리트 보와 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재로 보강이 이루어진 철근 콘크리트 보에 대하여 하중과 변위와의 관계를 비교한 그래프이다.

우선 도 13 과 같이, 시험체 3종류, 즉 보강이 이루어지지 않은 철근 콘크리트 보(기준 시험체), ?? 보강이 이루어진 철근 콘크리트 보(휨 보강 시험체) 및 전단 보강이 이루어진 철근 콘크리트 보(전단 보강 시험체)를 준비하고, 각 시험체에 하중이 가해질 수 있도록 시험 환경을 설계한다.

도 14 는 보강이 이루어지지 않은 철근 콘크리트 보(40)에 하중을 적용하고, 그에 따른 파괴 양상을 보여주고 있는데, 이러한 구조는 콘크리트의 압축력과 철근의 인장력이 결합하여 휨에 저항하는 시스템이다.

파괴 양상으로는, 휨 균열이 중앙 하중 부여 구간에서 발생하였으며, 하중이 증가하면서 중앙에서 양방향으로 균열이 발생하였다. 하중이 계속 증가하다가 철근이 항복되면서 하중은 크게 증가하지 않았으며, 시험체의 중앙 처짐이 크게 발생함을 알 수 있다.

도 15 는 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30)로 보강이 이루어진 철근 콘크리트 보(40)에 하중을 적용하고, 그에 따른 파괴 양상을 보여주고 있는데, 이러한 구조는 콘크리트의 압축력과 인장철근의 인장력 이외에 추가적으로 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30)의 인장력이 더해져서 휨에 저항하는 시스템이다.

파괴 양상으로는, 하중 부여가 시작되면 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30)와 인장 철근은 동시에 인장력을 부담을 하게 된다. 그러다 임의 하중에 이르게 되면 철근이 먼저 항복을 하고 곧이어 많은 하중을 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30)가 부담을 하다 최대 휨 구간에서 파단이 일어난다.

기준 시험체의 균열 양상과 휨 보강 시험체의 균열 양상을 비교해 보면, 기준 시험체의 균열이 더 넓게 분포하는 것을 볼 수 있으며, 이는 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30)가 균열을 억제하며 균열의 진전을 막는 것임을 알 수 있다. 또한, 시험 종료시까지 보강재의 파괴나 철근 콘크리트 보(40)와의 분리는 발생하지 않았다.

도 16 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재(50)로 보강이 이루어진 철근 콘크리트 보(40)에 하중을 적용하고, 그에 따른 파괴 양상을 보여주고 있다.

파괴 양상으로는, 시험 초기에 하중이 증가해도 균열의 큰 변화는 나타나지 않았다. 시험체가 항복 내력에 도달하면서 중앙 기점부터 휨 균열이 발생하기 시작 하였다. 하중이 증가하여 변위가 증가함에 휨 균열이 진전되고 균열의 수가 증가 하였다. 전단 균열은 항복 하중 이후에도 발생되지 않았고, 일반적으로 보강된 시험체가 어느 이상의 하중을 받게 되면 콘크리트 계면과 보강재 사이에 전단응력이 발생하게 되고 이 전단응력을 콘크리트와 보강재 사이의 부착력이 견디지 못하면 계면 파단, 즉 두 재료가 분리되면서 탈락이 발생한다. 그러나 본 시험에서는 실험 종료시까지 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30)의 파괴나 철근 콘크리트 보(40)와의 계면 분리에 의한 탈락 현상은 발생하지 않았다.

이는 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30)의 전단 보강 내력이 재료가 가진 성능과 부착력을 최대한 발휘하고 있는 것으로 가장 이상적인 파괴모드라 할 수 있다.

도 17 은 보강이 이루어지지 않은 철근 콘크리트 보(specimen 1)와 본 발명의 일 실시예에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30)로 보강이 이루어진 철근 콘크리트 보(specimen 2)에 대하여 하중과 변위와의 관계를 비교한 그래프이다.

기준 시험체(specimen 1)에 비해서 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30)로 보강된 시험체(specimen 2)의 초기 균열 하중, 강성 및 최대 하중이 증가한 것으로 나타났다. 기준 시험체의 초기 균열 하중은 11.6kN이며, 보강 시험체는 18.1kN으로 나타났다. 이는 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30)가 콘크리트의 인장부에 보강되면서 초기균열을 억제하는 것으로 판단된다. 기준 시험체와 보강된 시험체의 강성은 초기균열 발생하기 전까지는 큰 차이를 보이지 않았으나 초기 균열 이후의 강성 차는 나타났으며, 최대 하중 또한 기준 시험체와 비교하여 크게 증가한 것으로 나타났다. 또한 기준 시험체보다 더 높은 하중에서 항복하면서 연성구간이 더 크게 거동함으로써 휨 보강 효과를 기대할 수 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)로 보강된 철근 콘크리트 보(40)는 초기 균열 하중, 강성 및 최대 하중이 증가하였는바 본 발명에 따른 앵글형 하이브리드 빔 보강재(30, 50)는 보강 수행 능력이 아주 우수함을 알 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 앵글형 알루미늄 빔 15: 중공
20: 유리 섬유 복합체 23, 27: 하면 부분
25, 29: 측면 부분 30, 50: 앵글형 하이브리드 빔 보강재
40: 철근 콘크리트 보 60: 보호 필름
70: 정착핀

Claims (19)

1. 철근 콘크리트 보의 보수 및 보강에 사용되는 앵글형 하이브리드 빔 보강재로서,
   앵글형 알루미늄 빔; 및
   상기 앵글형 알루미늄 빔의 표면에 부착되며, 유리 섬유 직물 프리프레그(Prepreg)가 성형되어 형성된 유리 섬유 복합체를 포함하고,
   상기 앵글형 알루미늄 빔에는 중량을 줄이면서 강성을 개선할 수 있도록 내부에 중공이 형성되고,
   상기 유리 섬유 직물 프리프레그의 섬유 배열은 외력에 저항하는 방향 및 상기 외력에 저항하는 방향에 수직인 방향을 포함하는 다방향성을 지니며,
   상기 유리 섬유 복합체는 상기 앵글형 알루미늄 빔을 감싸도록, 상기 앵글형 하이브리드 빔 보강재의 제조 과정에서 분리형 금형의 상부 금형과 하부 금형을 분리한 상태에서 상기 하부 금형 내에 상기 유리 섬유 직물 프리프레그, 상기 앵글형 알루미늄 빔 및 상기 유리 섬유 직물 프리프레그를 차례대로 적층시킨 후, 상기 상부 금형과 상기 하부 금형을 조립하고, 조립된 상기 분리형 금형에 고온 및 고압 처리를 적용하는 앵글형 하이브리드 빔 보강재.
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4. 제 1 항에 있어서,
   앵글형 하이브리드 빔 보강재의 길이 방향이 0° 방향이라고 할 때, 상기 섬유 배열의 패턴은, 0° 방향인 경우, +45° 방향인 경우, 90° 방향인 경우 및 -45° 방향인 경우를 포함하는 앵글형 하이브리드 빔 보강재.
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6. 제 1 항에 있어서,
   상기 유리 섬유 직물 복합체의 표면에 부착된 보호 필름을 더 포함하는 앵글형 하이브리드 빔 보강재.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 철근 콘크리트 보에 접착하는 접착면은 샌딩 처리된 앵글형 하이브리드 빔 보강재.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 앵글형 알루미늄 빔의 재료는 AL 6063-T5 인 앵글형 하이브리드 빔 보강재.
9. 제 1 항에 있어서,
   앵글형 하이브리드 빔 보강재는 폭 방향 단면이 "ㄱ" 자 형상이며, 철근 콘크리트 보의 하면에 부착되는 하면 부분 및 철근 콘크리트 보의 측면에 부착되는 측면 부분을 포함하고,
   앵글형 하이브리드 빔 보강재가 휨 보강용일 경우 하면 부분의 폭이 측면 부분의 폭보다 긴 앵글형 하이브리드 빔 보강재.
10. 제 1 항에 있어서,
    앵글형 하이브리드 빔 보강재는 폭 방향 단면이 "ㄱ" 자 형상이며, 철근 콘크리트 보의 하면에 부착되는 하면 부분 및 철근 콘크리트 보의 측면에 부착되는 측면 부분을 포함하고,
    앵글형 하이브리드 빔 보강재가 전단 보강용일 경우 측면 부분의 폭이 하면 부분의 폭보다 긴 앵글형 하이브리드 빔 보강재.
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