KR101829424B1 - Uhpc 내진 보강 구조 및 이의 시공 방법 - Google Patents

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염현수
강성훈
최유진
이선근
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 유동성 및 부착력이 우수한 UHPC 내부에 섬유보강재를 혼합하는 한편 텍스타일 보강재를 온전히 매립함으로써, 상시 지진하에서 각종 구조물에 발생하는 미세균열에 저항할 수 있고 설계 지진하에서 구조물의 심각한 손상과 함께 발생하는 큰 폭의 균열에 대해 저항 가능한 UHPC 내진 보강 구조 및 이의 시공 방법에 대한 것이다.
본 발명 UHPC 내진 보강 구조는 철근콘크리트 구조인 기존 무량판 구조의 슬래브에서 기둥 위치의 위험 단면을 포함하는 슬래브 상면에 내진 보강층을 형성하는 것으로, 상기 내진 보강층은, 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 일정 간격 이격되도록 설치되는 것으로 보강섬유가 격자 형태로 직조되어 일정 크기 이상의 망눈이 형성되는 텍스타일 보강재; 상기 텍스타일 보강재가 내부에 매립되도록 슬래브 상면에 타설되는 것으로 시멘트, 실리카퓸, 충전재, 잔골재, 물 및 고성능 감수제로 구성되는 UHPC; 및 상기 UHPC 내부에 혼합되는 섬유보강재; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

UHPC 내진 보강 구조 및 이의 시공 방법{UHPC seismic retrofit structures and construction method thereof}
본 발명은 유동성 및 부착력이 우수한 UHPC 내부에 섬유보강재를 혼합하는 한편 텍스타일 보강재를 온전히 매립함으로써, 상시 지진하에서 각종 구조물에 발생하는 미세균열에 저항할 수 있고 설계 지진하에서 구조물의 심각한 손상과 함께 발생하는 큰 폭의 균열에 대해 저항 가능한 UHPC 내진 보강 구조 및 이의 시공 방법에 대한 것이다.
철근콘크리트 구조물의 내진 보강 공법으로 일반적으로 단면을 증대시키는 단면 증타 공법이나 FRP 부착 공법 등이 이용된다.
상기 단면 증타 공법은 기둥, 벽체 등 부재 주변에 철근을 배치하고 콘크리트를 증타하여 부재의 단면을 증가시킴으로써, 강도 증가, 변형 능력 향상 등의 효과를 얻을 수 있는 공법이다. 그러나 이 공법은 부재 단면 크기의 증가에 따라 실제 사용자가 사용 가능한 면적이 감소하고 구조물의 자중이 증가하는 문제점이 있다.
상기 FRP 부착 공법은 에폭시와 같은 접착제로 FRP(fiber reinforced plastics)를 부착하여 기둥, 벽체 등의 전단 내력을 증가시키고 취성 파괴를 방지한다. 그러나 이 공법은 인체에 유해한 화학 물질이 방출될 수 있고, 화재에 취약한 문제점이 있다. 또한, 에폭시 등은 콘크리트와 열팽창계수가 서로 달라 계면 탈락 등 내구성에 문제가 발생할 수 있다. 나아가 탄소 섬유와 일반 콘크리트는 강성 차이가 약 8~10배에 달하여 큰 강성 차이로 인해 조기에 계면이 파괴되는 문제가 있다.
한편, 특허 제10-1612800호에는 섬유가 격자 형상을 이루는 격자형 섬유 메쉬를 부착하고 시멘트 매트릭스를 뿜칠에 의해 그라우팅하여 콘크리트 구조물을 보강하는 공법이 개시되어 있다.
그러나 상기 등록특허에서 섬유 메쉬는 초기 단계에서 팽팽한 상태가 아닌데다 직조되는 보강섬유의 간격이 크기 때문에, 상시 지진시 미세균열 발생 하에서 균열 및 외력에 대한 저항력을 거의 발휘할 수 없다.
또한, 뿜칠에 의해 시멘트 매트릭스를 뿜칠하기 위해서는 격자형 섬유 메쉬를 기존 구조체와 밀착하여 시공할 수밖에 없다. 따라서 격자형 섬유 메쉬가 시멘트 매트릭스층 내에 온전히 매립되지 않아 시멘트 매트릭스와 격자형 섬유 메쉬의 일체 거동이 어렵다.
뿐만 아니라 뿜칠에 의한 그라우팅은 시멘트 매트릭스가 미경화 상태에서도 부착력을 가져 기존 구조물에 부착되어야 하므로 재료적으로 제한이 많다.
상기와 같은 기존 내진 보강 공법들은 건축구조기준에서 제시하는 설계 지진에 대비한 내진 보강 공법으로, 건물 수명 동안 발생할 수 있는 가장 큰 규모(규모 5~6 정도)의 지진 상황에서 건물의 손상 여부를 떠나 완전한 붕괴를 막는 것을 목표로 한다.
그러나 보강은 물론 균열과 같은 작은 손상도 허용되지 않는 건물과 같이 보존이 요구되는 중요도가 높은 건축물들, 예를 들어 1900년대 초중반 시공된 근대 건축물 등은 설계 지진뿐만 아니라 빈번하게 발생하여 건물 공용 중 수차례 경험할 수 있는 중소규모(규모 3~4 정도)의 상시 지진 후에도 온전한 상태를 유지할 수 있어야 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 설계 지진하에서 건축물의 붕괴 방지는 물론 상시 지진하에서 건물의 균열 제어가 가능한 UHPC 내진 보강 구조 및 이의 시공 방법을 제공하고자 한다.
바람직한 실시예에 따른 본 발명은 철근콘크리트 구조인 기존 무량판 구조의 슬래브에서 기둥 위치의 위험 단면을 포함하는 슬래브 상면에 내진 보강층을 형성하는 내진 보강 구조에 관한 것으로, 상기 내진 보강층은, 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 일정 간격 이격되도록 설치되는 것으로 보강섬유가 격자 형태로 직조되어 일정 크기 이상의 망눈이 형성되는 텍스타일 보강재; 상기 텍스타일 보강재가 내부에 매립되도록 슬래브 상면에 타설되는 것으로 시멘트, 실리카퓸, 충전재, 잔골재, 물 및 고성능 감수제로 구성되는 UHPC; 및 상기 UHPC 내부에 혼합되는 섬유보강재; 로 구성되되, 상기 슬래브의 상면에는 위험 단면에서 외측으로 일정 간격 이격된 위치에 막음 부재가 결합되고, 상기 내진 보강층은 막음 부재 내에 설치되며, 상기 막음 부재는 슬래브 바닥면에 고정되는 베이스 부재 및 상기 베이스 부재의 상부에 결합되는 고정 부재로 구성되고, 상기 베이스 부재의 상면에는 텍스타일 보강재의 단부가 걸리는 복수의 걸림 돌부가 형성되며, 상기 고정 부재에는 상기 걸림 돌부가 삽입되는 삽입공이 형성되어 상기 텍스타일 보강재의 단부가 상기 베이스 부재와 고정 부재의 사이에 결합되는 것을 특징으로 하는 UHPC 내진 보강 구조를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 철근콘크리트 구조인 기존 기둥의 외면에 내진 보강층을 형성하는 내진 보강 구조에 관한 것으로, 상기 내진 보강층은, 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 일정 간격 이격되도록 설치되는 것으로 보강섬유가 격자 형태로 직조되어 일정 크기 이상의 망눈이 형성되는 텍스타일 보강재; 상기 텍스타일 보강재가 내부에 매립되도록 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 타설되는 것으로 시멘트, 실리카퓸, 충전재, 잔골재, 물 및 고성능 감수제로 구성되는 UHPC; 및 상기 UHPC 내부에 혼합되는 섬유보강재; 로 구성되되, 상기 기둥의 각 모서리에는 텍스타일 보강재를 기둥 면에서 일정 간격 이격시키는 간격유지구가 구비되고, 상기 기둥의 각 모서리에 구비되는 간격유지구 중 어느 하나는 기둥 면에 결합되는 베이스 부재 및 상기 베이스 부재의 외측면에 결합되는 고정 부재로 구성되며, 상기 베이스 부재의 외측면에는 텍스타일 보강재의 단부가 걸리는 복수의 걸림 돌부가 형성되고, 상기 고정 부재에는 상기 걸림 돌부가 삽입되는 삽입공이 형성되는 것을 특징으로 하는 UHPC 내진 보강 구조를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 섬유보강재는 길이가 20㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 UHPC 내진 보강 구조를 제공한다.
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다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 내진 보강층의 두께는 바닥 모르타르의 두께보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 UHPC 내진 보강 구조를 제공한다.
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다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 UHPC 내진 보강 구조의 시공방법에 관한 것으로, (a) 내진 보강될 기존 철근콘크리트 구조물을 표면 처리하는 단계; (b) 상기 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 일정 간격 이격되도록 텍스타일 보강재를 설치하는 단계; (c) 상기 텍스타일 보강재가 설치된 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 상기 텍스타일 보강재가 내부에 매립되도록 섬유보강재가 혼합된 UHPC를 타설하는 단계; 및 (d) UHPC를 양생시키는 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 UHPC 내진 보강 구조의 시공 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 UHPC 내부에 섬유보강재를 혼합하여 강성 증가로 상시 지진하에서 각종 구조물에 발생하는 미세균열에 저항할 수 있다. 또한, 보강섬유가 격자 형태로 직조된 텍스타일 보강재가 내진 보강층 내부에 설치되므로, 연성 증가로 설계 지진하에서 구조물의 심각한 손상과 함께 발생하는 큰 폭의 균열에 대해 저항 가능하다.
본 발명에 따르면 유동성 및 부착력이 우수한 초고성능 콘크리트(UHPC: Ultra High Performance Concrete) 내에 텍스타일 보강재가 온전히 매립되므로, UHPC와 텍스타일 보강재의 일체 거동으로 구조적 성능을 극대화할 수 있다. 이에 따라 내진 보강층의 두께를 최소화할 수 있어 기존 보강 공법이 구조체에 미치는 부담을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명 UHPC 내진 보강 구조를 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명 UHPC 내진 보강 구조의 거동 개념을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명 적용 여부에 따른 기둥의 거동을 나타내는 그래프.
도 4는 슬래브에 적용된 본 발명 UHPC 내진 보강 구조의 실시예를 도시하는 단면도.
도 5는 슬래브에 적용된 본 발명 UHPC 내진 보강 구조의 다른 실시예를 도시하는 사시도.
도 6은 막음 부재의 상세를 도시하는 사시도.
도 7은 기둥에 적용된 본 발명 UHPC 내진 보강 구조를 도시하는 사시도.
도 8은 기둥에 적용된 본 발명 UHPC 내진 보강 구조를 도시하는 평면도.
도 9는 간격유지구의 상세를 도시하는 사시도.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명 UHPC 내진 보강 구조를 도시하는 단면도이고, 도 2는 본 발명 UHPC 내진 보강 구조의 거동 개념을 도시하는 도면이다. 그리고 도 3은 본 발명 적용 여부에 따른 기둥의 거동을 나타내는 그래프이다.
도 1, 도 2 등에 도시된 바와 같이, 본 발명 UHPC 내진 보강 구조는 철근콘크리트 구조인 기존 무량판 구조의 슬래브(1)에서 기둥(2) 위치의 위험 단면을 포함하는 슬래브(1) 상면에 내진 보강층(3)을 형성하는 내진 보강 구조에 관한 것으로, 상기 내진 보강층(3)은, 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 일정 간격 이격되도록 설치되는 것으로 보강섬유가 격자 형태로 직조되어 일정 크기 이상의 망눈이 형성되는 텍스타일 보강재(31); 상기 텍스타일 보강재(31)가 내부에 매립되도록 슬래브(1) 상면에 타설되는 것으로 시멘트, 실리카퓸, 충전재, 잔골재, 물 및 고성능 감수제로 구성되는 UHPC(32); 및 상기 UHPC(32) 내부에 혼합되는 섬유보강재(33); 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상시 지진하에서 미세균열을 제어하고 설계 지진하에서 건축물의 붕괴를 방지할 수 있는 UHPC 내진 보강 구조에 대한 것이다.
이를 위하여 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 형성되는 내진 보강층(3)은 텍스타일 보강재(31), UHPC(32) 및 섬유보강재(33)를 포함하여 구성된다.
상기 텍스타일 보강재(31)는 기존 철근콘크리트 구조물의 표면과 일정 간격 이격되도록 철근콘크리트 구조물의 외측에 설치된다.
기존 철근콘크리트 구조물은 표면을 샌드 블라스팅 등의 작업을 통해 거친 면 처리하여 내진 보강층(3)과의 부착력을 증가시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 텍스타일 보강재(31)는 보강섬유가 격자 형태로 직조되는 것으로 일정 크기 이상의 망눈이 복수 개 형성된다.
상기 텍스타일 보강재(31)는 UPHC 내부에 매립된다. 이에 따라 UHPC(32)와 텍스타일 보강재(31)가 상호 일체화되며 텍스타일 보강재(31)가 팽팽한 상태에서 인장력을 부담하여 연성 거동을 유도하므로 구조적 성능을 극대화할 수 있다.
상기 텍스타일 보강재(31)는 내진 보강층(3) 내 일체화를 위해 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에서 5㎜ 이상 이격 설치함이 바람직하다.
상기 텍스타일 보강재(31)는 철근콘크리트 구조물의 표면에 밀착 설치하면 기존 구조물과 내진 보강층(3)의 계면 간 부착을 저해하여 부착 성능을 감소시킨다. 따라서 텍스타일 보강재(31)를 구조물 표면에서 일정 간격 이격 설치하여 기존 구조물과 내진 보강층(3) 간의 부착 능력을 확보하여야 한다.
상기 텍스타일 보강재(31)는 내진 보강층(3)의 두께에 따라 2겹 이상으로 설치할 수도 있다.
상기 텍스타일 보강재(31)는 보강섬유로 탄소 섬유(인장강도 약 4,000MPa), 아라미드 섬유(인장강도 약 2,500MPa), 유리 섬유(인장강도 약 1,500~2,000MPa) 등을 사용하여 구성할 수 있다.
이러한 텍스타일 보강재(31)는 인장강도가 일반 철근의 4~10배에 이르면서도 체적이 10~25% 수준이다. 이에 따라 내진 보강층(3)을 두께 50㎜ 이하로 형성하는 것이 가능하다.
뿐만 아니라 비중이 철근의 1/7에 불과하므로 내진 보강으로 인한 구조물의 자중 증가를 최소화할 수 있다.
상기 UHPC(32)는 텍스타일 보강재(31)가 내부에 매립되도록 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 타설되는 것으로 시멘트, 실리카퓸, 충전재, 잔골재, 물 및 고성능 감수제로 구성된다.
상기 UHPC(초고성능 콘크리트, Ultra High Performance Concrete)(32)는 물/시멘트비가 0.25 이하이고, 최대 골재 크기가 2㎜ 이하이며, 강도가 150MPa 이상에 이르는 것으로, 구성이 치밀하고, 고강도이며, 유동성이 우수한 특징이 있다.
또한, UHPC(32)는 텍스타일 보강재(31) 및 섬유보강재(33)와의 부착력이 우수하고, 텍스타일 보강재(31)와의 강성 차이가 2배 이하로 강성 차이에 따른 조기 계면 파괴를 방지할 수 있다.
일반적인 콘크리트는 상기 UHPC(32)와 달리 굵은 골재가 포함되어 있기 때문에, 콘크리트가 텍스타일 보강재(31)의 망눈을 통과하기 어렵다. 따라서 텍스타일 보강재(31)가 기존 구조물과 일정 간격 이격된 상태에서 콘크리트를 타설하는 것이 곤란하다. 또한, 콘크리트에 굵은 골재가 포함되면 섬유보강재(33)와의 부착력이 크게 감소하여 미세균열 제어 능력이 급격히 저하된다.
이와 달리 UHPC(32)는 굵은 골재가 포함되지 않고 유동성이 뛰어나기 때문에, 텍스타일 보강재(31)의 망눈을 통한 유동이 자유로울 뿐 아니라 구성이 매우 치밀하여 초고강도이고, 텍스타일 보강재(31) 및 섬유보강재(33)와 완벽한 부착력을 확보할 수 있다.
그러므로 텍스타일 보강재(31)가 기존 구조물과 일정 간격 이격되어 UHPC(32) 내부에 온전히 매립될 수 있으므로, 텍스타일 보강재(31)와 UHPC(32)가 일체 거동하여 구조적 성능을 극대화할 수 있고, 내진 보강층(3)의 두께를 최소화할 수 있다. 상기 내진 보강층(3)은 50㎜ 이하의 얇은 두께로 구현 가능하다.
상기 UHPC(32)는 유동성이 크기 때문에 바이브레이터와 같은 추가적인 진동 다짐 공정 없이도 밀실하게 타설 가능하다.
상기 섬유보강재(33)는 UHPC(32) 내부에 혼합된다.
상기 섬유보강재(33)는 균열 발생과 동시에 섬유가 파단되지 않도록 인장강도 2,500MPa 이상을 갖도록 하여야 한다.
따라서 2,500MPa 이상의 인장강도를 갖는 PE 섬유나 아라미드 섬유가 적합하다.
상기와 같이 본 발명에서는 내진 보강층(3)을 구성하는 UHPC(32) 내부에 텍스타일 보강재(31)가 매립되고 섬유보강재(33)가 혼합된다.
이에 따라 상시 지진하에서 섬유보강재(33)가 미세균열에 저항하고, 설계 지진하에서 보강섬유가 격자 형태로 직조된 텍스타일 보강재(31)가 구조물의 심각한 손상과 함께 발생하는 큰 폭의 균열에 대해 저항한다.
즉, 상시 지진하에서는 섬유보강재(33)에 의해 '강성(stiffness)'을 증가시켜 미세균열을 제어할 수 있다(도 2의 (a)). 그리고 설계 지진하에서 섬유보강재(33)는 더는 내력 보강에 효과가 없게 되고, 이러한 상태에서 텍스타일 보강재(31)는 팽팽한 상태가 되어 인장력을 부담할 수 있게 되므로 텍스타일 보강재(31)에 의해 '연성(ductility)'이 증가한다(도 2의 (b)).
이에 따라 구조물의 외력에 대한 저항 능력을 지속적으로 유지시켜 줌으로써 심각한 손상 이후에도 구조물이 붕괴되는 것을 방지할 수 있다.
도 3에서는 본 발명 적용 여부에 따른 기둥 거동에 대한 실험 결과가 그래프로 도시된다.
도 3의 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 무보강시 항복 후 급격히 내력이 저하되나 섬유보강재(33)로 보강시 섬유보강재(33)의 기여로 초기 강성과 강도가 증가함을 알 수 있다. 또한, 변위비(drift ratio)가 커져 손상 규모가 더 커지고 균열폭이 증가하면 섬유보강재(33)는 파단 또는 뽑혀 더는 구조물 거동에 기여하지 못하고, 이때부터는 텍스타일 보강재(31)가 기여하여 구조물의 연성이 크게 증가한다.
이와 같이 본 발명에서는 섬유보강재(33)와 텍스타일 보강재(31)가 독립적으로 구조물의 강성 증가 및 연성 증가에 각각 기여함에 특징이 있다.
상기 섬유보강재(33)는 길이를 20㎜ 이하로 구성할 수 있다.
본 발명에서 상기 섬유보강재(33)는 인장강도를 증가시키기 위한 것이 아니라 미세균열을 제어하기 위한 것이다. 통상 단위 부피 조건에서 섬유의 길이가 짧아질수록 균열에 저항할 수 있는 섬유의 개수가 증가하므로, 많은 개수의 단섬유를 혼합하는 것이 적은 개수의 긴 섬유를 혼입하는 것보다 유리하다.
그러므로 섬유보강재(33)는 길이 20㎜ 이하의 짧은 섬유를 사용하는 것이 바람직하다.
더욱이 UHPC(32)에 길이 20㎜ 이상의 섬유보강재(33)가 혼입되면 섬유들이 서로 엉키므로, UHPC(32)의 제조가 어려워 유동성 확보가 곤란하고 자기 충전성을 보장할 수 없다.
뿐만 아니라 섬유보강재(33)의 길이가 20㎜ 이상이면, 텍스타일 보강재(31)의 망눈 사이로 섬유보강재(33)가 통과하기 어려워 내진 보강층(3)을 균질하게 보강할 수 없다.
다만, 섬유보강재(33)의 길이가 지나치게 짧으면 단위 중량당 제조단가가 증가하므로, 경제성과 균열 제어의 효율성을 함께 고려하여 섬유보강재(33)의 길이는 10~20㎜가 적당하다고 할 수 있다.
이때, 상기 텍스타일 보강재(31)의 망눈 크기는 8.5~20㎜가 적절하다.
왜냐하면, 상기 텍스타일 보강재(31)는 구조물의 연성을 보강하는 것인데, 망눈의 크기가 20㎜를 초과하면 텍스타일 보강재(31)가 구조물의 연성 거동에 기여하기 전에 섬유보강재(33)의 파단으로 구조물의 강성이 저하되기 때문이다.
또한, 망눈의 크기가 8.5㎜ 이하이면, UHPC(32) 내에 혼합된 섬유보강재(33)가 망눈 사이로 통과하지 못해 내진 보강층(3)을 균질하게 보강할 수 없다.
도 4는 슬래브에 적용된 본 발명 UHPC 내진 보강 구조의 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기존 철근콘크리트 구조물은 무량판 구조의 슬래브(1)로, 상기 내진 보강층(3)은 기둥(2) 위치의 슬래브(1) 상면에 위험 단면을 포함하도록 구비될 수 있다.
무량판 구조는 별도의 보가 없으므로 기둥(2) 주변에서 뚫림 전단(punching shear) 파괴 가능성이 있다. 이에 종래에는 전단 철근으로 주변을 보강하였으나 이 경우 부재 두께가 두꺼워질 수밖에 없어 사용성이 떨어진다.
따라서 본 발명에서는 기둥(2) 주변의 위험 단면 이상 슬래브(1) 면적에 내진 보강층(3)을 설치하여 얇은 두께로 펀칭 전단에 효과적으로 저항하도록 구성하였다.
일반적으로 위험 단면은 기둥(2) 주변을 따라 기둥(2)에서 슬래브(1) 유효깊(d)이의 1/2만큼 떨어진 가상의 면이다.
상기 텍스타일 보강재(31)가 UHPC(32) 내부에 매립되어 내진 보강층(3)의 연성을 충분히 확보할 수 있도록 상기 텍스타일 보강재(31)의 하부에는 텍스타일 보강재(31)를 슬래브(1) 바닥면으로부터 일정 간격 이격시키는 복수의 스페이서가 구비될 수 있다.
상기 스페이서는 현장 구득이 용이하고 UHPC(32) 타설시 부상하지 않도록 적정한 무게를 갖는 철근 토막 등을 활용할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 내진 보강층(3)의 두께는 바닥 모르타르(4)의 두께보다 작거나 같도록 구성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서 내진 보강층(3)은 텍스타일 보강재(31), UHPC(32) 및 섬유보강재(33)의 조합에 의해 두께를 최소화할 수 있다.
이에 따라 위험 단면 내에서 바닥 모르타르(4)의 두께 이하로 내진 보강층(3)을 구성 가능하며, 내진 보강 후에도 층고 변화없이 사용성을 유지할 수 있다.
도 5는 슬래브에 적용된 본 발명 UHPC 내진 보강 구조의 다른 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 슬래브(1)의 상면에는 위험 단면에서 외측으로 일정 간격 이격된 위치에 막음 부재(6)가 결합되고, 상기 내진 보강층(3)은 막음 부재(6) 내에 설치되도록 구성할 수 있다.
상기 UHPC(32)는 유동성이 커서 타설시 흘러 분산될 수 있다.
따라서 계획된 범위까지 내진 보강층(3)을 형성할 수 있도록 위험 단면에서 외측으로 일정 간격 이격된 위치에 막음 부재(6)를 설치하여 UHPC(32)의 타설 범위를 제한할 수 있다.
상기 막음 부재(6)는 소정의 두께와 높이를 구비하는 것이기만 하면 소재의 제한이 없으며, 목재, 경량 철골, 합성 수지재 등 다양한 재료를 이용하여 제작 가능하다.
상기 텍스타일 보강재(31)의 단부는 상기 막음 부재(6)에 고정할 수 있다.
상기 텍스타일 보강재(31)는 중량이 가벼워 설치 후 UHPC(32) 타설에 따라 부상하거나 위치가 변경될 수 있다.
따라서 텍스타일 보강재(31)의 단부를 막음 부재(6)에 고정하면 텍스타일 보강재(31)의 부상 등을 방지할 수 있다.
도 6은 막음 부재의 상세를 도시하는 사시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 막음 부재(6)는 슬래브(1) 바닥면에 고정되는 베이스 부재(61) 및 상기 베이스 부재(61)의 상부에 결합되는 고정 부재(62)로 구성되되, 상기 베이스 부재(61)의 상면에는 텍스타일 보강재(31)의 단부가 걸리는 복수의 걸림 돌부(611)가 형성되고, 상기 고정 부재(62)에는 상기 걸림 돌부(611)가 삽입되는 삽입공(621)이 형성되어 상기 텍스타일 보강재(31)의 단부가 상기 베이스 부재(61)와 고정 부재(62)의 사이에 결합되도록 구성할 수 있다.
상기 막음 부재(6)는 슬래브(1) 상면에 결합되는 베이스 부재(61) 및 고정 부재(62)로 구성된다.
상기 베이스 부재(61)는 앵커 부재 등에 의하여 슬래브(1) 바닥면에 고정된다.
상기 고정 부재(62)는 베이스 부재(61)의 상부에 볼트, 용접 등의 방법에 의하여 결합된다.
이때, 상기 베이스 부재(61)와 고정 부재(62)의 사이에 텍스타일 보강재(31)를 고정 결합하여, UHPC(32) 타설시 텍스타일 보강재(31)가 부상하는 것을 방지한다. 아울러 텍스타일 보강재(31)가 바닥면과 일정 간격 이격되므로, 텍스타일 보강재(31)가 UHPC(32) 내에 온전히 매립된다.
이 경우 구체적인 시공 방법은 상기 베이스 부재(61)를 앵커 부재에 의해 슬래브(1) 바닥면에 고정하고, 베이스 부재(61)의 상부에 텍스타일 보강재(31)의 단부를 거치하는 순서로 진행한다.
이때, 상기 베이스 부재(61)와 고정 부재(62)의 사이에 삽입된 텍스타일 보강재(31)가 시공 중 빠지지 않도록 베이스 부재(61)의 상면에 형성된 걸림 돌부(611)에 텍스타일 보강재(31)의 망눈이 삽입되도록 결합 고정한다.
이후 고정 부재(62)를 베이스 부재(61) 상부에 볼트, 용접 등에 의해 결합하여 텍스타일 보강재(31)를 고정한다.
이때, 상기 걸림 돌부(611)는 고정 부재(62)의 삽입공(621) 내에 끼워지므로 고정 부재(62)을 결합한 후에는 텍스타일 보강재(31)가 빠지지 않고 견고하게 결합된다.
상기 베이스 부재(61)에 형성된 걸림 돌부(611)는 베이스 부재(61)의 상면에 볼트 등을 별도로 결합하거나 베이스 부재(61)의 상면 일부를 절취하여 상부로 절곡하여 형성할 수 있다.
상기 걸림 돌부(611)의 단면 크기는 텍스타일 보강재(31)의 망눈 크기보다 작게 형성하여 망눈이 걸림 돌부(611)에 쉽게 삽입되도록 함이 바람직하다.
도 7은 기둥에 적용된 본 발명 UHPC 내진 보강 구조를 도시하는 사시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명 UHPC 내진 보강 구조는 철근콘크리트 구조인 기존 기둥(2)의 외면에 내진 보강층(3)을 형성하는 내진 보강 구조에 관한 것으로, 상기 내진 보강층(3)은, 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 일정 간격 이격되도록 설치되는 것으로 보강섬유가 격자 형태로 직조되어 일정 크기 이상의 망눈이 형성되는 텍스타일 보강재(31); 상기 텍스타일 보강재(31)가 내부에 매립되도록 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 타설되는 것으로 시멘트, 실리카퓸, 충전재, 잔골재, 물 및 고성능 감수제로 구성되는 UHPC(32); 및 상기 UHPC(32) 내부에 혼합되는 섬유보강재(33); 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 내진 보강층(3)이 기둥(2) 외면을 감싸면 기존 기둥(2)의 구속(confinement) 효과가 증대된다. 이에 따라 기둥(2) 철근 항복 이후에 연성 능력이 크게 향상된다.
뿐만 아니라 내진 보강층(3)이 기둥(2)을 전단 보강하여 횡하중에 대한 저항 성능 또한 크게 향상된다.
도 8은 기둥에 적용된 본 발명 UHPC 내진 보강 구조를 도시하는 평면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 기둥(2)의 각 모서리에는 텍스타일 보강재(31)를 기둥(2) 면에서 일정 간격 이격시키는 간격유지구(7)가 구비될 수 있다.
상기 간격유지구(7)는 텍스타일 보강재(31)를 기둥(2) 면으로부터 일정 간격 이격되도록 유지한다.
상기 간격유지구(7)는 다양한 소재로 제작 가능하며, 철근 등을 이용할 수 있다.
상기 간격유지구(7)는 UHPC(32)가 자유롭게 유동될 수 있도록 기둥(2)의 길이 방향을 따라 상호 이격되도록 복수 개를 배치할 수 있다.
도 8의 실시예에서 상기 간격유지구(7)는 베이스 부재(71)의 일측에 철근 토막(72)이 용접된 것으로, 상기 베이스 부재(71)는 기둥(2) 면 모서리 일측면에 앵커볼트나 접착제로 고정할 수 있다.
도 9는 간격유지구의 상세를 도시하는 사시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 기둥(2)의 각 모서리에 구비되는 간격유지구(7) 중 어느 하나는 기둥(2) 면에 결합되는 베이스 부재(71) 및 상기 베이스 부재(71)의 외측면에 결합되는 고정 부재(73)로 구성되되, 상기 베이스 부재(71)의 외측면에는 텍스타일 보강재(31)의 단부가 걸리는 복수의 걸림 돌부(711)가 형성되고, 상기 고정 부재(73)에는 상기 걸림 돌부(711)가 삽입되는 삽입공(731)이 형성되도록 구성할 수 있다.
상기 간격유지구(7)는 베이스 부재(71) 및 고정 부재(73)로 구성할 수 있다.
상기 베이스 부재(71)는 앵커볼트 또는 접착제에 의해 기둥(2) 면에 부착할 수 있다.
상기 텍스타일 보강재(31)는 기둥(2) 면을 감싸도록 구성되는데, 텍스타일 보강재(31)의 양단부는 기둥(2)의 어느 한 모서리에 고정되는 간격유지구(7)에 고정할 수 있다.
이에 간격유지구(7)의 베이스 부재(71)를 기둥(2) 일면의 모서리 측에 고정한다.
그리고 상기 텍스타일 보강재(31)의 일단부를 베이스 부재(71)의 걸림 돌부(711)에 고정하여 기둥(2)을 감싼 후 타단부를 다시 걸림 돌부(711)에 고정한다.
기둥(2)의 나머지 모서리에 위치되는 간격유지구(7)는 단순히 텍스타일 보강재(31)와 기둥(2) 면과의 간격만 유지하면 충분하다.
다음으로, 상기 베이스 부재(71) 외측에 고정 부재(73)를 결합하여 고정 부재(73)와 베이스 부재(71) 사이에 텍스타일 보강재(31)를 고정한다.
이때, 상기 고정 부재(73)는 베이스 부재(71)에 미리 볼트 몸체(712)를 고정하고 볼트 몸체(712)에 너트(713)를 체결함으로써 베이스 부재(71)와 고정되도록 구성할 수 있다.
도 9의 실시예에서 텍스타일 보강재(31)는 베이스 부재(71)의 두께만큼 기둥(2) 면과 이격 배치되었다.
또한, 모서리 양측의 기둥(2) 면에서 텍스타일 보강재(31)가 이격되도록 베이스 부재(71)는 기둥(2) 모서리 일측에서 일정 간격 돌출되도록 구비되었다.
본 발명 UHPC 내진 보강 구조의 시공 방법은 도 1 내지 도 9를 참조하여 전술한 본 발명 UHPC 내진 보강 구조를 시공하는 방법에 대한 것이다.
본 발명 UHPC 내진 보강 구조의 시공 방법은 (a) 내진 보강될 기존 철근콘크리트 구조물을 표면 처리하는 단계; (b) 상기 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 일정 간격 이격되도록 텍스타일 보강재(31)를 설치하는 단계; (c) 상기 텍스타일 보강재(31)가 설치된 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 상기 텍스타일 보강재(31)가 내부에 매립되도록 섬유보강재(33)가 혼합된 UHPC(32)를 타설하는 단계; 및 (d) UHPC(32)를 양생시키는 단계; 를 포함하여 구성된다.
상기 (a) 단계에서 기존 철근콘크리트 구조물을 표면 처리는 샌드 블라스팅 또는 그라인딩 작업을 통해 구조물 표면을 거친 면으로 형성하고 청소하는 과정이 포함된다.
상기 (b) 단계에서 슬래브(1) 보강인 경우 별도의 거푸집이 불필요하다.
그러나 기둥(2) 보강인 경우에는 (b) 단계에서 텍스타일 보강재(31) 설치 후 기둥(2) 외부에 거푸집을 설치하며, 설치된 거푸집은 (d) 단계에서 UHPC(32) 양생 후 탈형한다.
상기 (b) 내지 (d) 단계를 통하여 텍스타일 보강재(31)와 섬유보강재(33)가 UHPC(32) 내부에 매립되어 내진 보강층(3)을 형성하므로, 상시 지진하에서 섬유보강재(33)가 미세균열에 저항하고 설계 지진하에서 텍스타일 보강재(31)가 구조물의 심각한 손상과 함께 발생하는 큰 폭의 균열에 대해 저항 가능하다.
1: 슬래브 2: 기둥
3: 내진 보강층 31: 텍스타일 보강재
32: UHPC 33: 섬유보강재
4: 바닥 모르타르 6: 막음 부재
61: 베이스 부재 611: 걸림 돌부
62: 고정 부재 621: 삽입공
7: 간격유지구 71: 베이스 부재
711: 걸림 돌부 712: 볼트 몸체
713: 너트 72: 철근 토막
73: 고정 부재 731: 삽입공

Claims (11)

  1. 철근콘크리트 구조인 기존 무량판 구조의 슬래브(1)에서 기둥(2) 위치의 위험 단면을 포함하는 슬래브(1) 상면에 내진 보강층(3)을 형성하는 내진 보강 구조에 관한 것으로,
    상기 내진 보강층(3)은, 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 일정 간격 이격되도록 설치되는 것으로 보강섬유가 격자 형태로 직조되어 일정 크기 이상의 망눈이 형성되는 텍스타일 보강재(31); 상기 텍스타일 보강재(31)가 내부에 매립되도록 슬래브(1) 상면에 타설되는 것으로 시멘트, 실리카퓸, 충전재, 잔골재, 물 및 고성능 감수제로 구성되는 UHPC(32); 및 상기 UHPC(32) 내부에 혼합되는 섬유보강재(33); 로 구성되되,
    상기 슬래브(1)의 상면에는 위험 단면에서 외측으로 일정 간격 이격된 위치에 막음 부재(6)가 결합되고, 상기 내진 보강층(3)은 막음 부재(6) 내에 설치되며,
    상기 막음 부재(6)는 슬래브(1) 바닥면에 고정되는 베이스 부재(61) 및 상기 베이스 부재(61)의 상부에 결합되는 고정 부재(62)로 구성되고, 상기 베이스 부재(61)의 상면에는 텍스타일 보강재(31)의 단부가 걸리는 복수의 걸림 돌부(611)가 형성되며, 상기 고정 부재(62)에는 상기 걸림 돌부(611)가 삽입되는 삽입공(621)이 형성되어 상기 텍스타일 보강재(31)의 단부가 상기 베이스 부재(61)와 고정 부재(62)의 사이에 결합되는 것을 특징으로 하는 UHPC 내진 보강 구조.
  2. 철근콘크리트 구조인 기존 기둥(2)의 외면에 내진 보강층(3)을 형성하는 내진 보강 구조에 관한 것으로,
    상기 내진 보강층(3)은, 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 일정 간격 이격되도록 설치되는 것으로 보강섬유가 격자 형태로 직조되어 일정 크기 이상의 망눈이 형성되는 텍스타일 보강재(31); 상기 텍스타일 보강재(31)가 내부에 매립되도록 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 타설되는 것으로 시멘트, 실리카퓸, 충전재, 잔골재, 물 및 고성능 감수제로 구성되는 UHPC(32); 및 상기 UHPC(32) 내부에 혼합되는 섬유보강재(33); 로 구성되되,
    상기 기둥(2)의 각 모서리에는 텍스타일 보강재(31)를 기둥(2) 면에서 일정 간격 이격시키는 간격유지구(7)가 구비되고,
    상기 기둥(2)의 각 모서리에 구비되는 간격유지구(7) 중 어느 하나는 기둥(2) 면에 결합되는 베이스 부재(71) 및 상기 베이스 부재(71)의 외측면에 결합되는 고정 부재(73)로 구성되며, 상기 베이스 부재(71)의 외측면에는 텍스타일 보강재(31)의 단부가 걸리는 복수의 걸림 돌부(711)가 형성되고, 상기 고정 부재(73)에는 상기 걸림 돌부(711)가 삽입되는 삽입공(731)이 형성되는 것을 특징으로 하는 UHPC 내진 보강 구조.
  3. 제1항에서,
    상기 섬유보강재(33)는 길이가 20㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 UHPC 내진 보강 구조.
  4. 제1항에서,
    상기 내진 보강층(3)의 두께는 바닥 모르타르(4)의 두께보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 UHPC 내진 보강 구조.
  5. 제1항 또는 제2항에 의한 UHPC 내진 보강 구조의 시공방법에 관한 것으로,
    (a) 내진 보강될 기존 철근콘크리트 구조물을 표면 처리하는 단계;
    (b) 상기 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 일정 간격 이격되도록 텍스타일 보강재(31)를 설치하는 단계;
    (c) 상기 텍스타일 보강재(31)가 설치된 기존 철근콘크리트 구조물의 표면에 상기 텍스타일 보강재(31)가 내부에 매립되도록 섬유보강재(33)가 혼합된 UHPC(32)를 타설하는 단계; 및
    (d) UHPC(32)를 양생시키는 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 UHPC 내진 보강 구조의 시공 방법.
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