KR101848060B1

KR101848060B1 - 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법

Info

Publication number: KR101848060B1
Application number: KR1020160053603A
Authority: KR
Inventors: 허승웅; 윤승조; 김종빈
Original assignee: 한국교통대학교산학협력단
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2018-04-12
Also published as: KR20170123553A

Abstract

본 발명의 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법은 목재 준비 단계; 목재 홈파기 단계; 접착제 도포 단계; 철근 매입 단계; 및 목재 홈통에 접착제를 충전하는, 즉 목재에 접착제를 이용한 철근 접착 단계를 포함하고, 상기 홈파기 단계에서 홈통의 형태는 톱니형으로 형성되고, 상기 접착제는 에폭시 수지계 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.

Description

철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법{REINFORCING METHOD OF WOOD STRUCTURE USING STEEL BAR EMBEDDED LAMINATION WOOD}

본 발명은 목구조물의 보강공법에 대한 것이며, 보다 구체적으로는 철근이 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법에 대한 것이다.

최근 현대 건축에서는 사회적 요구에 맞추어 친환경적인 건축물들의 관한 관심이 집중되고 있으며 건축자재 또한 친환경 자재들이 각광받고 있다. 종래의 집성재를 이용한 구조물과 같이 가장 대표적인 친환경 자재에 목재가 있다.

한편, 1992년 리우환경회의 이후 삼림자원보유국들이 자국 산림보호를 명분으로 원목 수출 금지 및 수출세 부과 등의 조치를 취하고 있으며 유엔환경개발회의(UNCED)에 따른 산림개발규제로 산림자원개발의 규제가 가시화되고 있고 국내 인건비상승, 원목산지국의 가공정책 등으로 원자재 공급이 불안정함에 따라 국내·외 목재산업 구조가 빠른 속도로 변화되고 있다. 또한 우리나라의 건축경기의 침체와 법제도의 미비함에도 불구하고, 목조 건축물은 지속적인 증가추세를 보이고 있다. 이러한 사회적 상황 속에서 일반 제재목의 수요는 증가하고 있으나 공급이 부족하게 되었다. 이러한 일반 제재목의 수요를 충당하기 위해 개발된 공학목재로서 집성재가 있으며 집성재의 특성상 제재, 목공 후의 잔재를 집성 가공하여 목재로 활용할 수 있으므로 집성재의 사용만으로 목자원의 절약으로 친환경적인 장점을 가진다.

또한 구조용 집성재는 일반 목재와 비교하여서도, 첫째, 수축, 비틀림, 할열 등 결절이 거의 없어 치수 안정성이 뛰어나고, 둘째, 강도 등급에 따라 성능보증이 가능하고, 셋째, 내화 성능을 가지고 있으며, 넷째, 건조재를 사용하므로 부후, 충해가 거의 없을 뿐만 아니라, CREEP 현상이 발생하지 않으며, 다섯째, 치수 형상의 제한이 없고, 설계 성능에 적합하게 제조가 가능하므로 제조의 자유성이 뛰어나며, 여섯째, 대공간, 다층 구조에 적합하고 부재의 표준화 및 가공의 기계화가 가능하고, 시공조립 및 시공이 간편하다는 시공상 특성을 가지는 등, 장점이 매우 뛰어난 목재이다.

하지만, 구조용 집성재는 목재판을 접착하는 방식으로 제작되어 수직과 수평방향 접착에 따른 구조적 강성의 큰 차이로 인하여 구조용 목재로는 어려움이 있다. 또한 집성재는 갑작스럽게 취성 파괴될 가능성이 높기 때문에, 건축구조물로 이용하기 위해서는 균일한 강성 및 연성적 거동 확보 면에서 문제점이 있었다.

또한, 최근 기존의 건설 재료들이 가지고 있는 단점을 해결하기 위하여 다양한 재료들을 활용한 연구, 개발이 진행 중에 있다. 대표적인 예로서 철근을 대신하기 위한 FRP bar가 있다. FRP bar는 철근과 비교하여서 높은 인장강도 및 탄성계수, 부식저항성이 있으며, 경량이라는 점에서 우수한 특성을 가지고 있다. 따라서 철근을 사용한 기존 건설 구조물의 보수 또는 철근을 대신한 사용에 활용되고 있다. 그러나 이와 같은 특징에도 불구하고 인장강도, 탄성계수와 같은 재료 특성이 온도에 매우 민감하기 때문에, 시공 전 온도를 고려해야 한다는 문제점과, 전단강도는 철근과 비교하여 작기 때문에 휨 보강 인성을 가지고 있지 못한다는 문제점과, 재료의 가격이 비싸 그 사용이 매우 한정적으로 이루어지고 있다는 문제점이 있다. 특히 FRP bar와 철근을 보강재로서 비교하게 되면, FRP bar는 전단강도가 철근보다 작기 때문에 구조물에 변형이 보다 크게 되고, 균열이 발생한 후 구조물의 처짐과 균열 폭이 더욱 증가하게 된다는 문제점이 있었다. 또한, FRP bar는 파괴가 발생하는 최대 응력점까지 응력이 선형적으로 증가하다 급격히 파괴되는 취성적 성질을 가지고 있다는 문제점이 있었다.

또한 종래 보강공법에서는 철근 상판을 목재의 한 면에 전체적으로 부착을 시키거나, 보강재를 목재 내부에 삽입하여 보강하는 경우가 다수였다. 목재의 강도적 특징 중 가장 큰 장점은 비강도가 강하다는 것인데, 이를 철근을 부착하게 됨으로써 철근의 무게로 인해 목재의 비강도적 특징이 상쇄되는 효과가 발생되며, 이에따라 무게가 가벼워 건물 전체의 하중을 가볍게 하여 대형 건축물 설계에 유리한 집성재의 활용도 또한 저하시킨다는 문제점이 있었다.

한국공개특허 제10-2009-0064830호

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 최대 하중에 도달한 집성재가 연성적으로 거동할 수 있도록 하고, 이와 동시에 집성재의 균일한 강성을 확보할 수 있는, 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법은 목재 준비 단계; 목재 홈파기 단계; 접착제 도포 단계; 철근 매입 단계; 및 목재 홈통에 접착제를 충전하는, 즉 목재에 접착제를 이용한 철근 접착 단계를 포함하고, 상기 홈파기 단계에서 홈통의 형태는 톱니형으로 형성되고, 상기 접착제는 에폭시 수지계 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.

상기 에폭시 수지계 접착제는 D-5250, AR-200, AR-16, EFR-200 중에서 선택될 수 있다.

목재에 매입되는 상기 철근은 마디와 리브로 구성되는 이형철근을 이용할 수 있다.

목재에 매입되는 상기 철근의 길이는, 철근의 직경에 따른 부착길이(2.5d_b)로 결정될 수 있다.

상기 홈은 상기 목재의 상면, 좌, 우면의 삼면에서 각각 형성될 수 있다.

상기 목재에 접착제를 이용한 철근 접착 단계는, 에폭시 수지를 주입한 후, 고강도 섬유시트를 에폭시 수지 주입 상부 표면에 부착하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.

또한, 상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법은 목재 준비 단계; 목재 홈파기 단계; 접착제 도포 단계; 철근 매입 단계; 및 목재 홈통에 접착제를 충전하는, 즉 목재에 접착제를 이용한 철근 접착 단계를 포함하고, 상기 철근은 홈통의 내부로 슬라이딩 삽입될 수 있고, 상기 철근은 철근의 표면에 돌출부를 포함하는 형태이되, 상기 철근의 단면이 직사각형으로 형성되어 있고, 이와 같은 일자 형태의 철근의 좌, 우면에 각각 하나씩의 돌출부(凸)가 형성되어 있으며, 상기 돌출부는 좌, 우면에서 그 높이를 달리하여 상부 및 하부에 각각 돌출되어 있는 구조로 형성되고, 상기 홈통의 형태는, 상기 돌출부를 포함하는 구조의 철근이 슬라이딩하여 삽입될 수 있는 형태로, 목재 표면으로부터 'ㄷ'자 형태로 형성된 사각형의 홈 구조에 철근의 좌, 우면의 돌출부와 맞물릴 수 있는 오목부(凹)를 홈통의 좌, 우면에 추가적으로 포함하는 형태로 형성되며, 상기 접착제는 에폭시 수지계 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법은 목재 준비 단계; 목재 홈파기 단계; 접착제 도포 단계; 철근 매입 단계; 및 목재 홈통에 접착제를 충전하는, 즉 목재에 접착제를 이용한 철근 접착 단계를 포함하고, 상기 철근은 홈통의 내부로 슬라이딩 삽입될 수 있고, 상기 철근은 철근의 표면에 오목부를 포함하는 형태이되, 사각형의 철근의 좌, 우면에 각각 오목부 (凹)가 형성된 구조, 즉 I자형 철근 구조로 형성되고, 상기 홈통의 형태는, 오목부를 포함하는 구조의 철근이 슬라이딩하여 삽입될 수 있는 형태로, 목재 표면으로부터 'ㄷ'자 형태로 형성된 사각형의 홈 구조에 철근의 좌, 우면의 오목부와 맞물릴 수 있는 돌출부(凹)를 홈통의 좌, 우면에 추가적으로 포함하는 형태로 형성되며, 상기 접착제는 에폭시 수지계 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 보강재 중에서도 높은 인장강도 및 전단강도 특성을 가지는 철근을 보강재로 이용하여 집성재에 매립함으로써, 기존의 목재를 구조물에 사용할 때에 문제점인 집성재의 강도성능을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.

둘째, 집성재의 취성 파괴 문제점을, 항복점 이후 비선형 소성거동을 보이면서 연성적으로 파괴되는 특성을 가지는 철근을 집성재에 매립함으로써 목재 자체가 가지고 있는 우수한 연성 능력을 향상시켜 집성재가 연성적으로 거동할 수 있게 한다는 장점이 있다.

셋째, 철근과 홈통은 각각 돌출부 또는 오목부를 포함하고 서로 대응되는 구조로 형성되어 접착제의 도포 범위, 철근과 홈통 사이에 접촉 범위를 증가시키고, 이에 따라 집성재 표면에 매입된 철근과 집성재 및 접착제 사이의 부착 강도를 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의한 철근과 홈통의 특징적인 구조에 따라 전단 강도를 함께 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

넷째, 보강재가 내부에 삽입된 경우 철근 또는 집성재의 손상 시 교체 범위가 넓어질 수 밖에 없었던 기존 보강법의 문제점을, 철근을 집성재의 표면에 매립함으로써, 손상이 발생할 경우 손상된 부분만을 용이하게 교체, 보수하여 목조 구조물의 원형을 유지시킬 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 톱니형 홈통에 철근을 매입하여 보강된 집성재의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 목재 상면, 좌, 우면의 삼면에 각각 톱니형 홈통이 형성되고, 삼면의 홈통에 철근을 매입하여 보강된 집성재의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 돌출부를 포함하는 철근과, 이 철근과 대응되는 구조로 형성된 홈통에 철근을 매입하여 보강된 집성재의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 I자형의 철근과, 이 철근과 대응되는 구조로 형성된 홈통에 철근을 매입하여 보강된 집성재의 사시도이다.
도 5는 도 1 내지 도 4에 도시된 철근이 매입된 집성재의 보강공법을 나타낸 순서를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 보강공법의 실제 작업 모습을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 집성재에 철근을 표면 매입한, 철근을 인발하는 부착실험을 수행하기 위한 실험체의 형상을 나타낸 사시도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법을 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 톱니형 홈통에 철근을 매입하여 보강된 집성재의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 목재 상면, 좌, 우면의 삼면에 각각 톱니형 홈통이 형성되고, 삼면의 홈통에 철근을 매입하여 보강된 집성재의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 돌출부를 포함하는 철근과, 이 철근과 대응되는 구조로 형성된 홈통에 철근을 매입하여 보강된 집성재의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 I자형의 철근과, 이 철근과 대응되는 구조로 형성된 홈통에 철근을 매입하여 보강된 집성재의 사시도이며, 도 5는 도 1 내지 도 4에 도시된 철근이 매입된 집성재의 보강공법을 나타낸 순서를 보여주는 도면이고, 도 6은 본 발명의 보강공법의 실제 작업 모습을 보여주는 도면이다.

도 5 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법은, 목재 준비 단계(S110); 목재 홈파기 단계(S120); 접착제 도포 단계; 철근 매입 단계(S130); 목재 홈통에 접착제를 충전하는, 즉 목재에 접착제를 이용한 철근 접착 단계(S140)를 포함한다. 도 5에서는 목재의 홈통이 톱니형으로, 철근이 원형철근으로, 또한 홈통은 목재 상부에 하나만 형성된 것으로 도시되어 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 보강공법 순서를 나타내기 위한 것일 뿐 이같은 구조로 한정되지 않음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 것이다.

여기서, 상기 목재 준비 단계(S110)는 목재를 준비하는 단계로, 본 발명에서는 친환경적인 소재인 목재(10), 바람직하게는 집성재가 선택될 것이다. 집성재는 목재를 접착하여 고온 고압으로 압착시켜 만든 가공재로, 모양과 크기 치수를 자유로이 할 수 있으며 일반 목재가 가지는 여러가지 단점을 보완할 수 있어 강도나 특징이 일반 목재에 비하여 균일하다는 장점이 있다. 그러므로 본 발명에서와 같이 구조용 목재로서의 사용에 적합하다. 추가적으로 상기 목재 준비 단계(S110)에서는 목재(10) 표면 대패질 단계를 포함할 수 있다.

상기 목재 홈파기 단계(S120)에서 홈통(101)의 유형은 도 1 내지 도 2에 나타낸 바와 같이, 홈의 표면이 매끄럽지 않고 톱니 형태와 같이 형성된 톱니형 홈통 구조로 형성될 수 있다.

상기 톱니형 홈통 구조는 목재(10) 표면에 도포되는 접착제(20)의 도포 범위를 증가시키기 위해 본 발명에서 고안된 홈통 구조이다. 톱니형 홈통 구조는 홈의 표면이 매끄러운 일반형 홈통 구조와 비교하였을 때, 접착제(20)의 도포 범위를 증가시켜 철근과 집성재 및 접착제(20) 사이의 부착 강도를 높일 수 있다는 이점을 가진다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 홈통(101)의 유형은 부착 강도를 보다 향상시키기 위해 특수 제작된 형태의 철근(200)을 수용할 수 있는 구조가 선택될 것이다. 이와 같은 구조는 철근(200)의 형태와 맞물릴 수 있는 구조로서, 철근(200)의 단면과 동일한 형태의 단면을 갖도록 홈이 형성될 수 있다.

즉, 본 발명의 다른 실시예에서의 철근(200) 구조는 도 3에 도시된 바와 같이, 철근의 단면이 직사각형으로 형성되어 있고, 이와 같은 일자 형태의 철근의 좌, 우면에 각각 하나씩의 돌출부(凸)(201)가 형성되어 있으며, 상기 돌출부(201)는 좌, 우면에서 그 높이를 달리하여 상부 및 하부에 각각 돌출되어 있는 구조일 수 있다. 이에 따른 홈통(101)의 구조는 위와 같은 구조의 철근(200)이 슬라이딩하여 삽입될 수 있는 형태로, 목재(10) 표면으로부터 'ㄷ'자 형태로 형성된 사각형의 홈 구조에 철근의 좌, 우면의 돌출부와 맞물릴 수 있는 오목부(凹)(102)를 홈통의 좌, 우면에 추가적으로 포함하는 형태로 형성될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같은 철근(200)의 구조는 좌, 우면의 돌출부가 상하 높이를 달리하여 형성됨으로써 철근(200)의 돌출부(201)가 홈통(101)의 오목부(102)에 결합되는 두 위치 사이에 단이 형성됨으로써 철근(200)과 홈통(101)의 결합부에 가해지게 되는 전단력에 대한 강도를 향상시킬 수 있다. 철근이 목재에 삽입되는 경우, 접착제의 부착 성능에 따라 그 부착 강도를 달리할 수도 있으나, 기본적으로는 물성이 다른 두 물체 사이에서 결합이 형성되는 것이므로 전단력에 대한 강도가 취약한 문제점이 있게 된다. 그러나 본 발명의 철근(200) 및 홈통(101)의 형태적 특징으로 인하여 집성재에 매립된 철근(200)과 홈통(101) 사이에 가해지는 전단력에 대해 강한 강도를 나타낼 수 있으며, 철근(200) 또는 목재(10) 자체에서 파괴가 일어나기 전 철근(200)과 목재(10) 사이의 결합 부위에서의 파괴 가능성을 낮출 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서의 철근(200) 구조는 도 4에 도시된 바와 같은 I자형 철근(200)일 수 있다. 즉, 사각형의 철근(200)의 좌, 우면에 각각 오목부 (凹)(202)가 형성된 구조이다. 이에 따른 홈통(101)의 구조는 위와 같은 구조의 철근(200)이 슬라이딩하여 삽입될 수 있는 형태로, 목재(10) 표면으로부터 'ㄷ'자 형태로 형성된 사각형의 홈 구조에 철근(200)의 좌, 우면의 오목부(202)와 맞물릴 수 있는 돌출부(凹)(103)를 홈통(101)의 좌, 우면에 추가적으로 포함하는 형태로 형성될 수 있다.

I자형의 철근(200)은 철근(200)이 마치 H 단면을 가지게 됨으로써 상하부의 플랜지 사이에 마치 웨브와 같은 오목부(202)가 형성되게 되어 전체적으로 철근(200) 자체의 단면2차모멘트가 증가되어 결국 집성재에 휨응력이 작용하였을 때, 유연하게 작용할 수 있고, 상부 및 하부의 돌출부는 집성재와의 부착 표면을 넓게 하는 동시에 철근의 길이 방향에 대한 수직 상, 하 양측에서의 횡하중을 각각 분산시킬 수 있어 집성재의 강도를 높이고 연성적 거동능력을 향상시킬 수 있다. 또한 목재에 강판을 부착시켜 보강하는 경우, 철근의 무게가 증가되게 되어, 비강도가 다른 건축재보다 강하다는 목재의 강도적 특징의 발현을 최소화 시키게 된다(비강도란 강도성능을 무게로 나눈 것으로, 목재는 가벼운 무게에 비해 큰 강도를 발현함). I자형의 철근을 집성재 표면에서 부분적으로 삽입함으로써 목재 자체의 장점인 강한 비강도와 철근의 고유 특성인 강성을 동시에 발현시킬 수 있다.

도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같은 철근(200) 및 홈통(101)의 구조는 목재(10)와 철근(200) 사이의 접촉면을 증가시키고, 이에 따른 접착제(20)의 도포 범위도 증가되어 결속력이 향상되는 효과가 있다. 더욱이, 상기 철근(200)과 홈통(101)이 서로 맞물리는 형태로 되어 있어 접착제(20)에 의한 부착력 뿐만 아니라 철근(200)과 홈통(101) 자체의 구조의 따른 결합력 또한 향상되어 부착 강도는 더욱 향상될 수 있다.

뿐만 아니라, 집성재 표면에 철근(200)을 매립함으로써 화재시 잔존 강도가 높은 집성재의 건축재로서의 장점을 건축구조물에 활용하는 동시에, 보강재 또는 목재(10)에 손상이 발생된 경우, 추가 보수 및 교체가 용이하다는 점에서 종래의 보강공법과는 차별된다.

상기 접착제(20) 도포 단계는, 목재(집성재)(10)와 보강재(철근)(200)의 부착력을 향상시키기 위해 집성재에 형성한 홈통(101)에 접착제(20)를 도포하는 단계이다. 본 발명의 일 실시예에서는 2mm 두께로 접착제(20)를 도포하는 단계를 포함한다. 또한 상기 접착제(20)로는 목재와 탄소를 접착시킬 수 있는 접착제가 사용될 것이며, 바람직한 접착제의 유형은 열경화성 수지 접착제의 에폭시 수지계의 접착제다. 상기 에폭시 수지계 접착제는 D-5250, AR-200, AR-16, EFR-200 중에서 선택될 수 있다.

특히 홈통(101)을 형성한 후, 철근(200)을 홈통(101)에 삽입하기 전 접착제(20)를 도포하는 단계는 철근(200) 뿐만 아니라 홈통(101)이 형성된 집성재 표면에 에폭시 코팅 효과를 추가적으로 발생시키는 단계로서, 접착성 및 기계적 강도, 내열성, 내화학성, 내수성 등의 추가 효과를 목재(10)에 추가할 수 있다. 또한, 에폭시 수지계 접착제(20)는 금속, 목재 등에서 동종 또는 이종간 접착에 뛰어나므로 본 발명의 철근(200) 및 목재(10)의 접착제(20)로서 사용에 적합하다.

상기 철근 매입 단계(S130)는, 접착제 도포 단계에서 목재 홈통(101)에 접착제(20)를 도포한 후, 철근(200)을 상기 홈통(101) 내부에 매입하는 단계이다.

집성재에 매입되는 철근(200)의 형태는, 표면에 마디와 리브의 돌기가 없는 원형철근, 표면에 마디와 리브의 돌기가 형성되어 있는 이형철근 또는 집성재에 균일한 강성을 부여하는 동시에 부착 강도를 높일 수 있는 다양한 형태로 제작되는 철근 중에서 선택될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는, 표면에 마디와 리브의 돌기가 형성되어 있는 이형철근(200)을 매입하는 단계를 포함한다. 상기 이형철근은 원형의 철근 표면에 마디와 리브와 같은 돌출이 형성되어 있는 철근(200)으로서, 이와 같은 구조는 집성재에 매립 시, 접착제와 접촉하는 철근의 단면적이 늘어나게 되어 철근과 집성재 및 접착제 사이의 부착 강도를 향상시킬 수 있다.

상기 목재(10)에 접착제(20)를 이용한 철근 접착 단계(S140)는, 목재 홈통(101)에 철근(200)을 매입한 후, 목표로 하는 피복 두께를 시공하기 위하여 접착제(20)를 홈통(101)에 주입하는 단계이다. 피복 두께는 매입된 철근(200) 상부로부터 주입되는 접착제(20)의 높이를 나타내는 것으로서, 본 발명의 실험예에서는 피복 두께를 30 mm 또는 50 mm로 하여 접착제 주입량에 따른 부착 강도를 비교하였다.

또한 집성재에 철근(200)을 매입하기 위해 사용되는 접착제(20)는, 목재와 탄소를 접착시킬 수 있는 접착제가 사용될 것이며, 바람직하게는 열경화성 수지 접착제의 에폭시 수지계의 접착제가 사용될 것이다. 상기 에폭시 수지계 접착제는 D-5250, AR-200, AR-16, EFR-200 중에서 선택될 수 있다.

상기 접착제(20) 도포 단계 및 접착제(20)를 홈통(101)에 주입하는 단계(S140)에서 사용되는 에폭시 수지는, 부착 성능뿐만 아니라, 에폭시 수지의 강한 강도 및 철근의 부식 방지 효과를 가지고 있어 집성재에 철근(200)을 매입시키고 이를 부착시키기 위한 용도로서 매우 바람직하다.

또한 상기 에폭시의 피복 두께는 부착 특성에 영향을 줄 수 있으므로, 본 발명에서와 같이 철근(200)과 홈통(101)의 유형에 따라 적합한 피복 두께를 설정함으로써 철근과 집성재 및 접착제간의 부착 강도를 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

또한 상기 목재(10)에 접착제(20)를 이용한 철근 접착 단계(S140)는, 에폭시 수지를 홈통(101)에 주입한 후 고강도 섬유시트를 에폭시 수지 주입 상부 표면에 부착하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 섬유자체 비중이 적어 경량이고, 자연부식이 발생되지 않으므로 보강 후 철근 매입된 목재에 높은 내식성, 내구성을 추가할 수 있게 된다.

이와 같이 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법에 따른 본 발명의 효과에 대한 이해를 돕기 위해, 본 발명은 도 7의 실험체 형상과 같은 실험 모델을 사용하여, 집성재에 철근을 표면 매입하여 철근을 인발하는 부착실험을 수행하고, 그 결과 및 본 발명의 효과를 이하에서 수치데이터로서 나타내었다.

아래의 실험예를 통해 매입하는 접착제(20)의 피복 두께, 홈통(101)의 유형, 철근(200)의 직경에 따른 부착길이와 철근(200)의 직경에 따른 집성재에 매입된 철근(200)과 집성재 및 접착제(20)간의 부착 강도 및 부착 성능을 제공한다. 그러나 이들 실험예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되며 본 발명을 구체적으로 한정하는 것이 아님은 당업자에게 명확하게 이해될 것이다.

실험예

(1) 실험체 계획

표 1은 실험체 일람표를 나타낸다. 실험체의 주 변수는 매입하는 피복두께, 일반 홈통 형태의 매입방법과 톱니형 홈통의 매입방법, 철근의 직경에 따른 부착길이(2.5d _b )와 철근의 직경으로 계획하였다. 집성재에 매입된 철근과 집성재 및 접착제간의 부착실험을 통하여 홈통 유형과 피복두께에 따른 부착 강도를 파악하여 부착 성능을 검토하고자 한다.

도 7과 같이 실험체 단면은 350 × 350 mm이며, 부착 길이는 25d _b 로, 피복두께는 30, 50 mm이고, 10, 13, 16 mm의 직경을 갖는 이형철근으로 제작하였다.

(2) 실험 방법

집성재에 매입된 철근과 접착제 및 집성재의 부착특성을 파악하기 위해 단순 인발 실험을 수행하였다. 그리고, 실험 중에 철근의 항복점 도달 유무를 검토하기 위하여, 표면에 Wire Strain Gage(이하, W.S.G)를 부착하여 철근의 변형을 검토하였다.

2,000 kN 용량의 만능시험기(이하 UTM)을 이용하였으며, 모든 실험체는 인발하중의 가력은 1 ㎜/min의 속도로 일정하게 재하하였다. 하중단과 자유단의 미끌림 길이를 측정하기 위하여 하중단에 2 개의 변위측정기(이하 LVDT)를 설치하였고, 자유단에는 2 개의 LVDT를 설치하여 총 4 개의 LVDT를 이용하여 미끌림 길이를 측정하였다.

(3) 실험 결과

실험 결과에 따른 목재에 매입된 철근과 집성재 및 접착제 간의 부착 강도(τ _b ), 변위, 파괴 형태를 표 2에 나타내었다.

부착 강도(τ _b )는 하기의 식 (1)에 따라 평가되었고, 변위는 고정단에 설치한 주근의 변위로 나타내었다.

(1)

여기서, τ _b : 부착 강도

P _max : 로드셀의 최대하중

Φ : 주근의 둘레

L : 부착 길이

표 2에 실험 결과에서, 톱니형으로 제작된 실험체군이 일반형으로 제작된 실험체 군보다 높은 부착 성능을 나타냄을 알 수 있다. 이는 최대 79%의 증감을 나타내며, 또한 모든 실험체는 최대강도 이후에 급격히 하중이 감소하는 양상을 보였다.

실험결과에서도 알 수 있듯이,

첫째, 일반 홈통으로 제작된 실험체 군보다 톱니형으로 제작된 실험체군이 전체적으로 높은 부착 강도를 나타내었다. 일반형 실험체군에서 부착길이 300 mm 실험체군보다 톱니형 실험체군에서 부착길이 300 mm 실험체군은 49 ~ 90% 부착 강도가 증가하는 것으로 나타났고, 500 mm 실험체군의 비교에서는 톱니형 실험체군이 24 ~ 79% 부착 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 이 결과로부터 톱니형으로 표면매입하는 공법이 철근과 집성재 및 접착제 간의 부착 강도의 성능을 높인다고 볼 수 있다. 톱니형은 부착 강도에 많은 영향을 주는 것으로 사료되며, 접착제의 주입양이 원인이 되는 것으로 볼 수 있다.

둘째, 일반형으로 매입된 실험체군에서 부착길이 300 mm 실험체군보다 부착길이 500 mm 실험체군의 부착 강도가 약 10% 이상 높게 나타났다.

셋째, 부착 강도가 높은 실험체는 철근의 변형률이 높아지는 일정한 양상을 보였다.

따라서, 본 발명의 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법에 따르면, 집성재의 강도를 증가시킬 수 있으며 철근과 집성재 및 접착제 간의 부착 강도 또한 증가시킬 수 있다. 이러한 본 발명의 특성은 구조용 집성재의 구조용 목재로서의 중요한 문제점이었던 갑작스런 취성 파괴를 극복할 수 있는 방안으로, 집성재의 연성적 거동 특성을 부가할 수 있는 것이다. 뿐만 아니라, 실험예에서의 실험 결과에 따라 집성재와 철근의 부착파괴 메카니즘을 모델화하여 제안할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100, 400, 500, 600: 철근 매입된 집성재
10: 목재(집성재)
20: 접착제
101: 홈통
102: 홈통의 오목부
103: 홈통의 돌출부
200: 철근
201: 철근의 돌출부
202: 철근의 오목부
S110: 목재 준비(대패질) 단계
S120: 목재 홈파기 단계
S130: 철근 매입 단계
S140: 접착제 충전 단계

Claims

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목재 준비 단계;
목재 홈파기 단계;
접착제 도포 단계;
철근 매입 단계; 및
목재 홈통에 접착제를 충전하는, 즉 목재에 접착제를 이용한 철근 접착 단계를 포함하고,
상기 철근은 홈통의 내부로 슬라이딩 삽입될 수 있고,
상기 철근은 철근의 표면에 돌출부를 포함하는 형태이되, 상기 철근의 단면이 직사각형으로 형성되어 있고, 이와 같은 일자 형태의 철근의 좌, 우면에 각각 하나씩의 돌출부(凸)가 형성되어 있으며, 상기 돌출부는 좌, 우면에서 그 높이를 달리하여 상부 및 하부에 각각 돌출되어 있는 구조로 형성되고,
상기 홈통의 형태는, 상기 돌출부를 포함하는 구조의 철근이 슬라이딩하여 삽입될 수 있는 형태로, 목재 표면으로부터 'ㄷ'자 형태로 형성된 사각형의 홈 구조에 철근의 좌, 우면의 돌출부와 맞물릴 수 있는 오목부(凹)를 홈통의 좌, 우면에 추가적으로 포함하는 형태로 형성되며,
상기 접착제는 에폭시 수지계 중에서 선택되고,
상기 에폭시 수지계 접착제는 D-5250, AR-200, AR-16, EFR-200 중에서 선택되고,
상기 홈은 상기 목재의 상면, 좌, 우면의 삼면에서 각각 형성되고,
상기 목재에 접착제를 이용한 철근 접착 단계는, 에폭시 수지를 주입한 후, 고강도 섬유시트를 에폭시 수지 주입 상부 표면에 부착하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법.
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목재 준비 단계;
목재 홈파기 단계;
접착제 도포 단계;
철근 매입 단계; 및
목재 홈통에 접착제를 충전하는, 즉 목재에 접착제를 이용한 철근 접착 단계를 포함하고,
상기 철근은 홈통의 내부로 슬라이딩 삽입될 수 있고,
상기 철근은 철근의 표면에 오목부를 포함하는 형태이되, 사각형의 철근의 좌, 우면에 각각 오목부 (凹)가 형성된 구조, 즉 I자형 철근 구조로 형성되고,
상기 홈통의 형태는, 오목부를 포함하는 구조의 철근이 슬라이딩하여 삽입될 수 있는 형태로, 목재 표면으로부터 'ㄷ'자 형태로 형성된 사각형의 홈 구조에 철근의 좌, 우면의 오목부와 맞물릴 수 있는 돌출부(凸)를 홈통의 좌, 우면에 추가적으로 포함하는 형태로 형성되며,
상기 접착제는 에폭시 수지계 중에서 선택되고,
상기 에폭시 수지계 접착제는 D-5250, AR-200, AR-16, EFR-200 중에서 선택되고,
상기 홈은 상기 목재의 상면, 좌, 우면의 삼면에서 각각 형성되고,
상기 목재에 접착제를 이용한 철근 접착 단계는, 에폭시 수지를 주입한 후, 고강도 섬유시트를 에폭시 수지 주입 상부 표면에 부착하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 철근 매입된 집성재를 이용한 목구조물의 보강공법.
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