KR102256284B1 - 부력 조정이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법 - Google Patents

부력 조정이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법 Download PDF

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Abstract

상부가 개구되고 내부가 비어있는 직육면체 형상으로 이루어진 거푸집 제조단계(가); 상기 폴리에틸렌(PE; poly ehtylene)재질의 내부가 비어있는 형상으로 상부에 내부로 액체 또는 기체를 주입할 수 있는 투입구가 형성되는 보조부체를 상기 거푸집 내부공간에 설치하는 보조부체 설치단계(나); 상기 (나)단계에서 설치한 보조부체의 투입구로 액체류를 주입시키고 섬유보강 콘크리트 원료를 거푸집에 주입하여 콘크리트를 타설하는 성형단계(다); 상기 (다)단계에서 타설하여 성형한 콘크리트를 건조시키고 보조부체 내에 주입한 액체를 제거하는 건조단계(라)로 이루어진 부력 조절이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법을 제공함으로써, 수중의 좌우 동요인 롤링(rolling)에 대한 안정성을 제공함과 동시에 파도에 밀리는 힘인 리웨이(reway)에 저항성을 제공하여 본 발명에 따른 부력 조절이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰은 흔들리거나 파도에 밀리는 것이 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

부력 조정이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법{Concrete pontoon with buoyancy control and its manufacturing method}
본 발명은 해상 구조물로 설치되는 부력 조정이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법에 관한 것으로 섬유보강 콘크리트 재질의 직육면체 구조로 이루어지는 폰툰프레임의 내부에 폴리에틸렌 재질로 형성되고 내부에 부력공간 구조를 갖는 보조부체가 설치되며, 상기 보조부체 상부측에는 폰툰프레임 외부로 돌출되도록 투입구가 형성되어 보다 안정적인 부력을 부여하면서 내구성 향상 및 균열발생을 저감시킬 수 있는 부력 조정이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법에 관한 것이다.
부잔교(FLOATING PIER)는 선박의 접안시설물로써, 물에 대해 부력을 갖는 폰툰(PONTOON: 물에 뜨도록 만든 상자형의 부체)을 물에 띄우고, 그 위에 철근콘크리트, 강판, 목재 등으로 바닥판을 깔아 여객의 승하선, 화물의 적재에 편하도록 만든 구조물이다. 수위에 따라 폰툰과 함께 바닥판도 함께 상하 유동되므로 조석간만의 차이가 큰 곳이나 그 밖의 수위변화가 많은 곳에서 주로 사용된다.
일반적으로 폰툰은 비중이 물보다 낮은 물체를 이용하여 수면 위에 가옥, 각종 바지선, 수상자전거 도로, 부잔교, 수상무대, 수상태양광발전소, 보트나 요트 등의 선박 계류장, 접안시설, 부두, 부잔교시설(부선, 도교), 어항시설, 해상 가두리양식장, 해상 산책로 및 부교 또는 해상 낚시터로서의 역할을 수행하는 것을 비롯하여 다양한 해상 구조물 및 수상건축물을 시공할 수 있도록 하기 위한 수상 부력체로 사용되고 있다. 최근에는 세계적으로 수상스포츠의 수요와 보급이 확대되면서 다양한 용도와 형태의 해상구조물에 대한 요구와 필요성으로 폰툰에 대한 관심과 개발이 증가하고 있다.
폰툰 구조물은 인명과 고가의 선박이 이용하는 구조물이고 염분을 포함한 해수나 빙압이 작용하는 담수 환경과 태풍, 홍수, 파도 등의 환경에 상시 노출되므로 구조적 안정성과 내구성이 매우 중요하다. 또한 기능적인 측면에 있어서는 주폰툰/핑거폰툰 등의 다양한 크기와 형태로 조합이 가능하여야 하며, 급전선, 송유관, 수도관 등의 이용시설 라인을 안전하게 보호하고 손쉬운 유지관리를 가능케 하여야 한다. 또한 선박의 정박 및 승차선을 위한 시설 등의 부착물의 설치가 가능하여야 한다.
폰툰은 보통 FRP(FIBER REINFORCED PLASTICS: 유리 및 카본 섬유로 강화된 플라스틱계 복합재료)로 제작된다. 그러나 상기의 재료로 제작된 폰툰의 노후화에 따른 폐기 또는 접안되는 배와 충돌하거나, 해상기후에 의하여 파손된 폰툰의 폐기 시, FRP에 함유된 유리섬유로 인하여, 폐기된 폰툰의 처리 및 관리에 많은 어려움이 있다.
또한, 폰툰의 부력재로는 물이 스며들어도 중량 증가가 최소화될 수 있도록 공극률이 적은 스티로폼이 주로 이용되고 있다. 부력재는 대부분 스티로폼 부력재를 폴리에틸렌 등의 수지로 감싼 구조가 적용되고 있다. 알루미늄 데크형식의 폰툰은 부력재 위에 알루미늄 프레임과 원목 등의 패널을 이용한 데크가 놓여 구성된다. 상기와 같은 폰툰은 다양한 크기와 형태로 제작이 가능하고 압출 단면의 알루미늄 프레임을 이용하여 다양한 부속시설을 탈부착하기 편리하게 제작할 수 있으므로 폭넓게 이용되는 장점이 있으나 해류에 흔들림이 영향이 크고 파손률이 높은 확률이 있다.
이를 방지하기 위해, 콘크리크 데크 형식의 폰툰은 부력재 위에 콘크리트 바닥판을 합성시킨 형식으로 알루미늄 데크보다 무거운 콘크리트 데크가 적용되어 파랑이나 이용자에 의한 진동이 양호한 특징이 있다. 그러나 해수 속에 잠겨있는 부분에서의 균열발생(인장응역)을 허용하지 않아야 하는 재료적 특성으로 인해 구조 성능 확보가 매우 중요한 사항이라 할 수 있다.
또한 콘크리트를 이용하여 중공형의 하우징을 형성하여 폰툰을 제작함으로써 외부 충격에 대해 견고함을 유지하곤 하였으나 콘크리트 소재의 하우징의 경우, 거푸집 내에 철근을 배근하고 콘크리트를 부어 양생하는 특성상 콘크리트 내에 위치하는 철근에 의해 부력이 낮아지는 단점이 있다.
특히 각 면에 주입되는 콘크리트의 두께의 차이에 따라 부력의 차이가 나타나게 되어 안정된 균형을 유지하기가 용이하지 않은 측면이 있다. 일반적으로 콘크리트 폰툰 제조용 재료로는 일반 콘크리트, 섬유보강 콘크리트, 메쉬보강 콘크리트 등이 주로 사용된다. 중공 콘크리트 폰툰은 콘크리트 쉘과 스티로폼 코어로 이루어져 있다. 세 형식 중 중량이 가장 크므로 안정성 또한 가장 높아 대형 요트의 접안시설이나 태풍 등에 취약한 환경에 적합하다.
그러나 침몰의 가능성이 있고 보수관리가 용이하지 않으며 비이동성의 단점이 있다. 이에 본 발명은 보다 안정적인 부력을 부여하면서 내구성 향상 및 균열발생을 저감시킬 수 있는 부력 조정이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법을 제공하고자 한다.
국내 등록특허번호 제10-1500283호에는 수상구조물의 바닥을 일정 모양을 갖는 복수개의 유닛을 서로 엇갈리게 배열하고 배열된 폰툰의 상하부를 파이프로 밀착, 고정하여 구조물의 안정성을 높이고 또한 측벽이 일체형으로 형성된 유닛과 안전 난간대를 설치함으로써 안전성을 향상시키고, 또한 사용자가 원하는 모양의 구조물을 단시간에 용이하게 조립, 배열 및 분해 제작이 가능한 다목적 수상구조물용 폰툰에 관하여 개시하고 있다. 국내 공개특허번호 제10-2017-0089283호에는 내부에 다수의 발포비드가 수용된 폰툰 본체에 형성된 주입구에 연결된 유입관, 상기 유입관에 연결되어 상기 발포비드를 발포시키기 위해 상기 유입관을 통해 상기 폰툰 본체의 내부로 고온의 스팀을 주입하는 스팀발생기를 구비하고, 상기 유입관은 상기 주입구를 통해 상기 폰툰 본체 내부로 인입되게 설치되며, 상기 폰툰 본체 내부로 인입되는 부분의 외주면에 상기 스팀발생기로부터 공급된 스팀이 분사되는 다수의 유출공이 형성되는 폰툰 제조용 춘진 발포기 및 이를 이용한 폰툰 제조방법 및 폰툰에 관하여 개시하고 있다. 국내 등록특허번호 제10-2021910호에는 폰툰외피를 제조하는 폰툰외피제조단계, 성형용 금형내에 성형되어 있는 폰툰 외피속에 EPS 비드발포체와, 폐스티로폼을 파쇄한 충진제를 차례로 일정량을 투입하고, 폰툰외피구멍을 막는 발포준비단계와, 성형용 금형을 통해 폰툰외피속에 스팀을 투입하면서 금형을 회전시키고 시소처럼 흔들어 외피와 충진제와 EPS를 합체시키는 발포합체단계와, 냉각단계, 제품인출단계, 제품표면 다듬 단계를 순차실시하여 제조하는 수상시설물 지지용 폰툰 제조방법 및 그 제조장치에 관하여 개시하고 있다. 국내 공개특허번호 제10-2018-0017996호에는 상부에 논슬립패드가 일체로 구성되도록 하여 마리나, 부교 또는 계류장과 같은 구조물의 설치를 위해 다수의 조립식 폰툰을 연결하여 사용하는 경우, 보행자가 미끄러지는 것을 방지할 수 있도록 하는 조립식 폰툰 제조방법 및 이를 이용한 조립식 폰툰에 관하여 개시하고 있다.
본 발명은 종래의 고분자 화합물 제질의 폰툰 구조에서 발생하는 균열 및 파손 발생과 같은 문제점을 해결하기 위해, 안정적인 부력을 부여하면서 내구성 향상 및 균열발생을 저감시킬 수 있는 부력 조정이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부력 조정이 가능한 콘크리트 폰툰 제조방법은 알루미늄 또는 철판 등의 합금재질로 상부가 개구되고 내부가 비어있는 직육면체 형상으로 이루어진 거푸집 제조단계(가); 폴리에틸렌(PE; poly ehtylene)재질의 내부가 비어있는 형상으로, 상부에는 내측으로 액체 또는 기체를 주입할 수 있는 투입구가 형성되는 보조부체를 상기 거푸집 내부공간에 설치하는 보조부체 설치단계(나); 상기 (나)단계에서 설치한 보조부체의 투입구로 공기 또는 액체를 주입시키고 섬유보강 콘크리트 원료를 거푸집에 주입하여 콘크리트를 타설하는 성형단계(다); 상기 섬유보강 콘크리트 원료는 시멘트 12.267 중량%, 물 6.980 중량%, 잔골재 36.972 중량%, 굵은골재 40.356 중량%, 섬유보강재 3.425 중량%로 혼합되어 이루어지고, 압축강도가 31 MPa 이상이며, 휨강도는 4.45MPa 이상의 강도를 갖는 것이며; 상기 (다)단계에서 타설하여 성형한 콘크리트를 건조시키고 보조부체 내에 주입한 공기 또는 액체를 제거하는 건조단계(라)로 이루어진 것일 수 있다.
부력조정이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰은 섬유보강 콘크리트 재질로 형성되어 직육면체 구조로 형성되는 폰툰 프레임; 상기 폰툰프레임 내부에는 폴리에틸렌 재질로 형성되어 내부가 비어있는 구조의 보조부체가 설치되며; 상기 보조부체 상부측에는 폰툰프레임 외부로 돌출되도록 투입구가 형성되어 이루어지는 것일 수 있다. 또한 부력 조정이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법을 제공한다.
본 발명의 부력조절이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰은 섬유보강 콘크리트를 원료로 성형되어 수중의 좌우 동요인 롤링(rolling)에 대한 안정성을 제공함과 동시에 파도에 밀리는 힘인 리웨이(reway)에 저항성을 제공하여 본 발명에 따른 부력 조정이 가능한 콘크리트 폰툰은 흔들리거나 파도에 밀리는 것이 방지될 수 있으며 내부에 기체 주입 및 제거를 통해 부력을 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 부력 조절이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법 모식도이다.
도 2는 본 발명의 방법으로 완성된 부력조절이 가능한 콘크리트 폰툰 사시도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 재료로 제작한 폰툰의 품질시험 및 검사성적서를 나타낸다.
도 4는 품질시험 및 검사시험 과정을 나타낸다.
도 5는 품질시험 및 검사시험 과정을 나타낸다.
도 6은 품질시험 및 검사시험 과정을 나타낸다.
도 7은 품질시험 및 검사시험 과정을 나타낸다.
본 발명의 부력 조절이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법과 관련한 구체적인 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 부력 조절이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법을 나타낸 모식도이다.
본 발명의 부력 조절이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법은 철제 또는 알루미늄 합금 등의 금속재질로 상부가 개구되고 내부가 비어있는 직육면체 형상으로 이루어진 거푸집 제조단계(가); 상기 폴리에틸렌(PE; poly ehtylene)재질의 내부가 비어있는 형상으로 상부에 내부로 액체 또는 기체를 주입할 수 있는 투입구가 형성되는 보조부체를 상기 거푸집 내부공간에 설치하는 단계(나); (나)단계에서 설치한 보조부체의 투입구로 공기 또는 액체류를 주입시키고 섬유보강 콘크리트 원료를 거푸집에 주입하여 콘크리트를 타설하는 성형단계(다); (다)단계에서 타설하여 성형한 콘크리트를 건조시키고 보조부체 내에 주입한 공기 또는 액체를 제거하는 건조단계(라)로 이루어진 것일 수 있다.
(가) 거푸집 제조단계
본 발명의 거푸집 제조단계(가)는 콘크리트부를 형성할 수 있도록 콘크리트 타설을 위한 거푸집을 제조하는 단계이다. 일정한 콘크리트 폰툰의 크기로 완성될 수 있도록 철제 또는 알루미늄 합금 등의 금속재질로 거푸집의 외부 프레임을 형성한다. 본 발명의 실시예에 따른 거푸집은 알루미늄 합금재질로 상부가 개구되고 내부가 비어있는 직육면체 형상으로 이루어질 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
(나) 보조부체 설치단계
본 발명의 보조부체 설치단계(나)는 상기 거푸집의 내부공간에 보조부체를 설치하는 단계이다. 본 발명에 따른 보조부체는 폴리에틸렌(PE; poly ehtylene)재질의 내부가 비어있는 주머니 형상으로 상부에는 보조부체 내부로 액체 또는 기체를 주입할 수 있는 투입구가 형성될 수 있다.
(다) 성형단계
본 발명의 성형단계(다)는 상기 (나)단계에서 설치한 보조부체의 투입구로 공기 또는 액체류를 주입시키고 거푸집의 내부 바닥 전후좌우 부분과 일정간격으로 이격시켜 중앙에 위치시킨 후, 콘크리트 원료를 상기 거푸집 내부로 주입하여 폰툰프레임을 성형하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계에서 액체는 물을 포함할 수 있고, 공기또는 물의 주입은 성형단계 동안 콘크리트의 압력 또는 성형 후 후술할 건조단계에서 콘크리트 원료가 일부 수축하면서 보조부체의 형태를 변형시킬 수 있는 현상을 방지할 수 있다.
상기 지칭하는 콘크리트 원료는 섬유보강 콘크리트(Fiber Reinforced Concrete : 이하 FRC)를 포함하는 것으로 본 발명에서 지칭하는 섬유보강 콘크리트는 모르타르 또는 콘크리트속에 금속, 유리 또는 합성수지 등을 원료로 강섬유, 유리섬유, 폴리머섬유, 탄소섬유, 석면, 폴리프로필렌 섬유 등의 장, 단 섬유를 고르게 분산시켜 만들어진 복합재료를 지칭하며, 콘크리트의 인장강도와 균열에 대한 저항성을 높이고 인성을 개선시킬 수 있다.
(라) 건조단계
본 발명의 건조단계(라)는 상기 (다)단계에서 타설하여 성형한 섬유보강 콘크리트를 건조시키고 보조부체 내의 액체를 빼내 폰툰으로 완성하는 단계를 포함한다. 이때 보조부체의 투입구는 밀봉하여 보조부체 내부에 형성되는 부력을 유지하도록 한다. 부력의 조절은 보조부체의 투입구를 열어 액체 또는 공기를 일정비율로 채우는 작업으로 조절 가능하다. 도 2는 본 발명의 방법으로 완성된 부력조절이 가능한 콘크리트 폰툰 사시도를 나타낸다.
본 발명의 방법으로 완성된 부력조절이 가능한 콘크리트 폰툰은 섬유보강 콘크리트 재질로 형성되어 직육면체 구조로 형성되는 폰툰프레임(20); 상기 폰툰프레임 내부에는 폴리에틸렌 재질로 형성되어 내부가 비어있는 구조의 보조부체(10)가 설치되며; 상기 보조부체 상부 또는 하부측에는 폰툰프레임 외부로 돌출되도록 투입구(11)가 형성되어 이루어질 수 있다.
본 발명의 부력조절이 가능한 콘크리트 폰툰은 보조부체 내부에 액체가 유입되지 않은 기준으로 Wa<Ww를 유지하는 무게로 형성한다. 상기 Wa는 공기 중 무게를 지칭하고 Wa=Vara=Var0Pa일 수 있다. 상기 식의 실제 체적을 Va, 비중을 Pa, 단위 체적당의 무게인 비중량을 ra라 한다면, 1기압 4℃에서의 순수의 비중량이 r0 이며 r0=1g/cm3=1,000kg/m3를 지칭한다. 또한, Ww는 Wa의 재료가 해상의 물속에 잠겼을 경우 그 재료가 차지하는 물의 무게를 지칭한다. 본 발명은 폰툰제조시 내부 공간을 빈공간으로 형성함으로서 완성 후, 투입구에 액체를 주입하거나 배출시켜 부력 조절이 가능한 효과가 있다.
또한 본 발명에 따라 제조된 부력조절이 가능한 콘크리트 폰툰은 섬유보강콘크리트를 원료로 성형되어 수중의 좌우 동요인 롤링(rolling)에 대한 안정성을 제공함과 동시에 파도에 밀리는 힘인 리웨이(reway)에 저항성을 제공하여 본 발명에 따른 부력 조절이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰은 흔들리거나 파도에 밀리는 것이 방지될 수 있는 효과가 있다.
<실험예 1. 섬유보강 콘크리트 품질 및 강도 확인>
실험예 1은 본 발명의 콘크리트 폰툰의 원료인 섬유보강 콘크리트의 품질 및 강도를 통상적인 콘크리트인 와이어 메쉬와 비교하였다. 하기의 표 1 통상적으로 일반 또는 해상 설치 구조물에 적용되는 콘크리트 강도기준을 나타내고, 표 2는 와이어 메쉬와 섬유보강 콘크리트 배합표를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 원료들로 제작한 폰툰의 품질시험 및 검사성적서를 나타내고, 도 4 내지 도 7은 품질시험 및 검사시험 과정을 나타내며 하기의 표 3은 그 결과를 나타낸다.
콘크리트 강도기준
구분 기준강도 (N/mml) 골재 최대치수(mm) 적용공종
무근콘크리트
-일반구조물 16이상 40 중력식옹벽, 교대 등
-해상구조물 21이상 25(40) 해상구조물
철근콘크리트
-부재최소치수 30cm 이상 21이상 25(40) 보 및 여수토언체 등 단면 내부 매스 콘크리트
-일반 구조물 24이상 25 개거, 잠관, 암거, 수로터널, 양배수장 등 수리구조물 및 교대, 교각, 옹벽 등
-수밀성 및 중요구조물 27이상 25(40) 여수토방수로, 사통(취수탑), 복통 (취수터널), 배수갑문, 취임보 수로교 등 수밀성 구조물 및 DB18이상 교량 등 중요시설
와이어메쉬 및 섬유보강 콘크리트 배합
구분 W/C(%) S/A(%) 단위 재료 사용량 (kg/m3)
시멘트 물 잔골재 굵은골재 섬유보강재 AE감수제
Wire Mesh 56.9 48.0 290 165 874 954 - C×0.3%
Fiber 56.9 48.0 290 165 874 954 80.974 C×0.3%
품질시험 및 검사결과
시험, 검사종목 단위 시험, 검사방법 시험, 검사결과
Wire Mesh 압축강도 재령 28일 MPa KS F 2405-'05 ■ 25.2
■ 22.5
■ 24.3
평균 24.0
휨강도 재령 28일 MPa KS F 2408-'00 ■ 4.56
■ 4.88
평균 4.73
Fiber 압축강도 재령 28일 MPa KS F 2405-'05 ■ 31.0
■ 32.1
■ 31.1
평균 31.4
휨강도 재령 28일 MPa KS F 2408-'00 ■ 4.45
■ 5.06
평균 4.75
상기 실험예에 따라 압축강도와 휨강도가 통상적인 와이어 메쉬에 비해 향상된 것을 확인할 수 있었다. 통상적으로 사용되는 와이어메쉬는 현장 시공성이 떨어질 뿐만 아니라 중앙에 정착시키기도 어렵고 수평보강방식으로 균열억제의 효과가 미미한 단점이 있다. 이에 반하여, 본 발명에 따른 섬유보강 콘크리트는 경제성 및 성능에서 우수하고 균열저감 뿐만 아니라 콘크리트의 휨인성 증진까지 우수하여 장기적인 유지보수비용이 저감되며, 사용수명증가로 인한 경제적 효과가 있다.
다목적의 해상시설 설치에 사용되는 폰툰을 제공함으로써 관련 사업인의 경제적인 부담을 절감하고 친환경적인 시설물을 제공함으로써 경제적 이익 제고에 보탬이 됨으로 산업상 이용가능성이 있다.
10: 보조 부체 11: 투입구
20: 폰툰 프레임

Claims (3)

  1. 상부가 개구되고 내부가 비어있는 직육면체 형상으로 이루어진 거푸집 제조단계(가); 상기 제조된 거푸집 내부공간에 폴리에틸렌(PE; poly ehtylene)재질의 내부가 비어있는 형상의 내부로 액체 또는 기체를 주입할 수 있는 투입구가 형성되는 보조부체를 설치하는 보조부체 설치단계(나);
    상기 (나)단계에서 설치한 보조부체의 투입구로 공기 또는 액체를 주입시키고 섬유보강 콘크리트 원료를 거푸집에 주입하여 콘크리트를 타설하는 성형단계(다); 상기 섬유보강 콘크리트 원료는 시멘트 12.267 중량%, 물 6.980 중량%, 잔골재 36.972 중량%, 굵은골재 40.356 중량%, 섬유보강재 3.425 중량%로 혼합되어 이루어지고, 압축강도가 31 MPa 이상이며, 휨강도는 4.45MPa 이상의 강도를 갖는 것이며;
    상기 (다)단계에서 타설하여 성형한 섬유보강 콘크리트를 건조시키고 보조부체 내에 주입한 액체 또는 기체를 제거하여 주입구를 밀봉하는 건조단계(라)로 이루어진 것을 특징으로 하는 부력 조정이 가능한 섬유보강 콘크리트 폰툰 제조방법
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