KR102554723B1 - 리브 부착 능력 저하를 방지하는 cfrp 철근 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나선 홈(20)이 형성된 CFRP(carbon fiber reinforced polymer) 코어(10); 상기 나선 홈(20)에 삽입되어 권선되는 GFRP(glass fiber reinforced polymer) 리브(30); 및 상기 나선 홈(20)과 상기 GFRP 리브(30)의 사이 및 상기 GFRP 리브(30)의 외측에 레진이 코팅된 레진 코팅부(40)을 포함하는 CFRP 철근과 그 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 토목 및 건축 재료 기술분야에 관한 것이다.
철근(bar)은 콘크리트조 구조물 구성에서 구조적 안정성을 위한 핵심 부품 중 하나이다. 표면에 마디 또는 리브가 없어 매끈한 형태의 원형철근과 마디 또는 리브가 있는 이형철근으로 구분된다. 도 1의 (a)는 이형철근의 예시를 도시한다. 리브로 인해, 이형철근은 원형철근 대비 콘크리트 부착력이 우수하다.
한편, 철근은 종래 탄소강(steel)으로 만들어졌지만 최근 CFRP(carbon fiber reinforced polymer)나 GFRP(glass fiber reinforced polymer)와 같은 섬유강화 복합재료(FRP; fiber reinforced polymer)를 활용하여 보강된 철근이 활발히 연구되고 사용되고 있다. 섬유강화 복합재료는 역학적 성질이 우수한 섬유를 구속, 성형하고 응력을 전달하는 매트릭스 복합체이다. 이에, 기존의 steel 철근에서 FRP 철근으로 전환되는 추세이다.
그런데, FRP 철근으로 이형철근을 제적할 경우, steel 철근과 달리, 코어를 먼저 제작하고 여기에 별도로 제작된 리브를 부착하는 과정이 필수적으로 요구된다. 이 경우 코어와 리브의 부착력이 중요하다. 코어와 리브의 부착력이 떨어지면 리브가 밀리는 슬립(slip) 현상이 발생하거나(도 1의 (b) 참조) 코어로부터 리브가 탈락되는 현상이 발생한다(도 1의 (c) 참조). 이는 철근과 콘크리트 사이의 부착력 약화를 야기하여, 여유 있게 구조 계산이 이루어지지 않았다면 건물의 구조적 성능 저하 및 대형 사고를 야기할 수도 있다.
관련된 특허 문헌을 검토한다.
한국등록특허 제10-0674002호는 steel 철근으로서 다양한 나선을 갖는 콘크리트 복합재 리바를 제시한다.
한국등록특허 제10-0702629호는 복합재 콘크리트 리바의 제조 장치를 개시한다. 봉부에 요홈을 형성하고, 레진이 묻은 탄소섬유를 일정 장력으로 감는 방식이다. 레진을 나중에 코팅하는 방식이 아니라, 먼저 탄소섬유에 레진을 묻힌 후 감는 방식이기에, 레진의 조기경화로 인한 부착력 저하가 우려된다.
한국등록특허 제10-1997162호는 코어에 필라멘트를 감아 실을 형성한 후 외피층 형성 및 레진 경화를 수행하는 방식을 개시한다. 전술한 바와 같이, 일반적 FRP 철근 제조 방식에 불과하여 리브 탈락 현상이 우려된다.
한국등록특허 제10-1591512호는 압착식 철근 나사선 가공 장치를 개시한다. 인발성형 방식으로 리브와 코어를 포함한 철근을 한 번에 제조하는 방식이어서 FRP 적용에 부적합하다. 가열 단계가 포함되나, 이는 레진 경화를 위한 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다.
FRP 철근을 사용하는 경우 코어와 리브가 슬립되거나 탈락되는 현상을 방지하는 새로운 방식의 FRP 철근 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 나선 홈(20)이 형성된 CFRP(carbon fiber reinforced polymer) 코어(10); 상기 나선 홈(20)에 삽입되어 권선되는 GFRP(glass fiber reinforced polymer) 리브(30); 및 상기 나선 홈(20)과 상기 GFRP 리브(30)의 사이 및 상기 GFRP 리브(30)의 외측에 레진이 코팅된 레진 코팅부(40)을 포함하는, CFRP 철근을 제공한다.
또한, 상기 나선 홈(20)은 한 쌍의 홈으로 이루어진 이중 홈이며, 상기 이중 홈 모두에 한 쌍의 GFRP 리브(30)가 삽입되어 권선되며, 상기 레진 코팅부(40)는 상기 한 쌍의 GFRP 리브(30) 사이에 코팅된 레진을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이중 홈 사이에, 상기 이중 홈의 깊이보다 낮은 깊이로 둘 이상의 미세홈(21)이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이중 홈의 한 쌍의 홈 사이의 간격은 13.5mm이며, 상기 둘 이상의 미세홈 사이의 간격은 1mm이어서, 상기 한 쌍의 GFRP 리브(30) 사이에 코팅된 레진에서 메니스커스 현상이 발생하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 나선 홈(20)은 한 쌍의 홈으로 이루어지되 서로 다른 방향으로 권선되어 X자형 마디가 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 GFRP 리브(30)는 GFRP 가닥이 꼬인 것인 것이 바람직하다.
또한, 상기 GFRP 리브(30)는 GFRP 가닥에 GFRP 파우더가 도포된 것인 것이 바람직하다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 전술한 CFRP 철근을 제조하는 방법으로서, (a) 상기 CFRP 코어(10)를 형성하는 단계; (b) 상기 형성된 CFRP 코어(10)에 상기 나선 홈(20)을 형성하는 단계; (c) 상기 나선 홈(20)에 상기 GFRP 리브(30)를 권선하는 단계; 및 (d) 상기 나선 홈(20)과 상기 GFRP 리브(30) 상에 레진을 코팅하여 상기 레진 코팅부(40)를 형성하는 단계를 포함하는, CFRP 철근 제조 방법을 제공한다.
또한, 상기 (b) 단계는, 돌출부(110)가 형성된 압착기(100) 내측에 상기 CFRP 코어(10)를 위치시킨 후 압착함으로써, 상기 돌출부(110)의 압착에 의해 상기 나선 홈(20)을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 돌출부(110)는 가열부를 포함하여, 상기 돌출부(110)의 압착 및 가열에 의해 상기 나선 홈(20)이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라, 다음과 같은 효과가 달성된다.
나선 홈에 GFRP 리브가 형성되고 그 사이 공간과 GFRP 리브 전체를 레진으로 코팅함으로써 콘크리트에 의한 횡방향 하중을 받는 GFRP 리브의 코어에 대한 부착 특성이 크게 증가한다.
기존의 FRP 철근 제작 공정과 비교하여 크게 다르지 않으므로 공정 변경이 크게 어렵지 않다.
나선 홈에 GFRP 리브의 개수, 향상, 배치 등을 다양하게 함으로써 대상 구조물에 따라 부착 특성을 다양하게 하고 최적화할 수 있다. 예컨대, 필요시 이중 홈을 사용하거나, 메니스커스 현상을 위한 미세홈을 채택하거나, GFRP 가닥을 꼬거나 GFRP 파우더를 도포시킴으로써, 강화된 부착 특성을 이룩할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 CFRP 철근과 그 문제점을 도시하는 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 CFRP 철근 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 CFRP 코어를 제조하는 장치를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 CFRP 코어의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 CFRP 코어의 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 CFRP 철근의 제 1 실시예의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 CFRP 철근의 제 2 실시예의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 CFRP 철근의 제 3 실시예의 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 CFRP에서 GFRP 리브의 다양한 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 CFRP 철근 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 CFRP 코어를 제조하는 장치를 개략적으로 도시한다.
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도 5는 본 발명에 따른 CFRP 코어의 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 CFRP 철근의 제 1 실시예의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 CFRP 철근의 제 2 실시예의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 CFRP 철근의 제 3 실시예의 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 CFRP에서 GFRP 리브의 다양한 실시예를 도시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 CFRP(carbon fiber reinforced polymer) 철근은 코어로서 CFRP를 채택하고 리브로서 GFRP를 채택함으로써 구조적 강도를 높이되, 리브의 탈락 방지를 위해 CFRP 코어(10) 내에 홈을 형성해두고 여기에 GFRP 리브가 권선되도록 하며, 권선이 이루어진 후 레진을 이용하여 레진 코팅부(40)를 형성함을 특징으로 한다.
도 2 내지 도 3을 참조하여, 제작 공정을 설명한다.
먼저 CFRP 코어(10)를 형성한다. 형성되는 CFRP 코어는 철근에 적절한 두께를 갖도록 채택된다. 인발성형으로 이루어질 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
다음, 형성된 CFRP 코어(10)에 나선 홈(20)을 형성한다. GFRP 리브(30)가 삽입될 부분에 미리 홈을 형성해두어 GFRP 리브(30)의 슬립 내지 탈락을 방지한다.
이를 위해, 도 3에 도시되는 바와 같은 압착기(100)를 활용할 수 있다. 압착기(100)에는 돌출부(110)가 형성되어 있어서, 압착(squeeze)시 CFRP 코어(10) 상에 원하는 형상의 나선 홈(20)을 형성한다. 나선 홈(20)의 개수, 형상, 배치 등은 다양할 수 있는데 이 때에 돌출부(110)가 이에 상응하도록 형상을 바꾸게 된다. 구체적인 실시예들은 아래에서 후술한다.
한편, 압착으로 인한 CFRP 코어(10)의 손상을 최소화하면서 나선 홈(20)을 형성하기 위해, 돌출부(110)는 가열부를 포함할 수 있다. 가열부는 열선일 수 있으며, 사용되는 수지의 녹는점 온도까지 가열시킬 수 있다. 이 경우, 돌출부(110)의 압착 및 가열에 의해 나선 홈(20)이 형성된다.
나선 홈(20)이 형성된 CFRP 코어(10)가 형성되면, 나선 홈(20)에 GFRP 리브(30)를 권선한다. 이후, 나선 홈(20)과 GFRP 리브(30) 상에 레진을 코팅하여 레진 코팅부(40)를 형성한다.
이와 같은 방식으로 나선 홈(20)에 GFRP 리브(30)가 형성되므로 콘크리트에 의한 횡방향 하중을 받는 GFRP 리브(30)의 부착 특성이 크게 증가한다. 기존의 제작 공정과 비교하여 번잡하지 않아 공정 변경이 크게 어렵지 않다. 또한, 나선 홈(20)과 GFRP 리브(30)의 개수, 형상, 배치 등을 다양하게 함으로써 대상 구조물에 따라 부착 특성을 최적화할 수 있다.
도 4 내지 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 다양한 실시예의 CFRP 철근을 설명한다.
도 4는 나선 홈(20)이 형성된 CFRP 코어(10)의 일 실시예를 도시한다. 전술한 바와 같이 압착기(100)의 압착에 의해 생성된 것이다. 나선 홈(20)은 GFRP 리브(30)가 절반 정도 내삽되는 깊이인 것이 바람직하다. 나선 홈(20)에 긴 GFRP 가닥이 권선되면서 GFRP 리브(30)가 형성된다.
도 5는 나선 홈(20)이 형성된 CFRP 코어(10)의 다른 실시예를 도시한다. 도 4에 도시된 실시예에서 나선 홈(20)이 한 개로 형성된 것과 달리, 도 5에 도시된 실시예에서는 나선 홈(20)이 한 쌍의 홈으로 이루어지되 서로 다른 방향으로 권선되어 X자형 또는 벌집형(honeycomb) 마디를 형성한다.
이 때에 도 4에서 설명한 바와 같이 어느 하나의 홈에 긴 GFRP 가닥이 권선되고 다른 방향의 홈에 또 다른 긴 GFRP 가닥이 권선되는 방식으로 GFRP 리브(30)가 형성될 수도 있으며, 또는 여러 GFRP 가닥을 그물 형태로 미리 제작한 후 해당 그물이 도 5에 도시된 X자형 나선 홈(20)을 한 번에 감싸도록 형성되어 GFRP 리브(30)의 탈락을 더욱 방지할 수 있다.
이와 같은 방식으로 제작할 경우 구조적 장점이 있다. 구조물 내 휨은 횡방향(도 5의 가로 방향)으로 인가되는데, X자 사이의 마름모 형태의 마디에서 본다면 마름모형 마디의 밖에서 안으로 밀어내는 방향으로 인가되며, 이 때에 GFRP 리브(30)가 갖는 곡률에 따라 힘이 분산되어 마름모형 마디 내에서 휨이 넓게 분산된다.
도 6 내지 도 8은 제조가 완성된 CFRP 철근의 다양한 형태의 단면도를 도시한다.
도 6은 기본적인 형태의 CFRP 철근으로서, 도 4에 도시된 실시예의 CFRP 코어(10)가 사용된 것이다. 레진이 나선 홈(20)와 GFRP 리브(30)의 사이 및 GFRP 리브(30)의 외측에 도포되고 경화됨이 도시된다.
도 7은 이중 홈을 사용한 CFRP 철근이다. 나선 홈(20)은 한 쌍의 홈으로 이루어진 이중 홈이며, 이중 홈 모두에 한 쌍의 GFRP 리브(30)가 삽입되어 권선된다. 즉, 서로 다른 GFRP 가닥이 사용된다. 레진이 나선 홈(20)과 GFRP 리브(30)의 사이, GFRP 리브(30)의 외측은 물론, 한 쌍의 GFRP 리브(30) 사이에도 도포되어 경화됨이 도시된다. 이를 통해, 어느 하나의 GFRP 리브(30)의 슬립 내지 탈락에 가까운 휨이 인가되어도 다른 GFRP 리브(30)로 전달될 수 있어, 도 6에 도시된 실시예보다 더욱 슬립 내지 탈락이 방지된다.
도 8은 이중 홈 사이에 이중 홈의 깊이보다 낮은 깊이로 둘 이상의 미세홈(21)이 형성된 CFRP 철근이다. 미세홈(21)은, 레진이 액상으로 도포된 후 경화되기에 액상 상태에서의 메니스커스 현상을 이용하기 위한 구조이다. 레진이 메니스커스 현상을 띄면서 경화된다면 GFRP 리브(30)의 부착 강도를 더욱 높일 수 있다.
메니스커스 현상을 설명하는 Jurin's Law에 의해 메니스커스 높이인 레진 액체 방울의 크기는 미세홈의 반지름과 반비례하므로, 마디 사이 간격(즉, 이중 홈의 한 쌍의 홈 사이의 간격(d1))이 약 13.5mm인 D19 철근을 가정하여 해당 수식을 적용한다면 미세홈 사이의 간격(d2)이 약 1mm인 경우 레진 액체 방울의 크기를 최대로 할 수 있어 부착 강도가 최대가 된다. 즉, D19 철근에서 미세홈 사이의 간격이 약 1mm으로 할 경우, 별도의 다른 공정이 추가되지 않아도 최대한 많은 양의 레진이 중력을 이기고 자연스럽게 한 쌍의 GFRP 리브(30) 사이에 위치하게 되어 최대의 부착 강도가 형성된다.
도 9는 GFRP 리브(30)를 형성하는 GFRP 가닥의 실시예를 도시한다.
도 9의 (a)는 기본적인 형태의 GFRP 가닥이다.
도 9의 (b)는 GFRP 가닥을 꼬은 것이다. 꼬임 공정이 추가되나 GFRP 가닥 자체가 상대적으로 큰 강성을 갖게 되어 구조적 도움을 준다.
도 9의 (c)는 GFRP 가닥에 GFRP 파우더가 도포시켜 코팅한 것이다. GFRP 파우더는 마이크로 단위로 볼 경우 가늘고 긴 형태의 입자인데, 이들을 GFRP 가닥에 도포시켜 코팅할 경우 일종의 갈고리 역할을 하게 되어 부착 특성이 더욱 증가한다.
10: CFRP 코어
20: 나선 홈
21: 미세홈
30: GFRP 리브
31: GFRP 파우더
40: 레진 코팅부
100: 압착기
110: 돌출부
20: 나선 홈
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30: GFRP 리브
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40: 레진 코팅부
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Claims (10)
- 외주면에 길이방향을 따라 나선형으로 형성된 복수의 나선 홈(20), 및 상기 복수의 나선 홈(20) 사이에 상기 외주면으로부터 내측방향으로 함몰된 복수의 미세홈(21)을 갖는 CFRP(carbon fiber reinforced polymer) 코어(10);
상기 나선 홈(20)에 삽입되어 권선되는 GFRP(glass fiber reinforced polymer) 리브(30); 및
상기 나선 홈(20)과 상기 GFRP 리브(30)의 사이, 상기 GFRP 리브(30)의 외측, 및 상기 미세홈(21) 상에서 서로 이웃하는 상기 GFRP 리브(30)사이에 레진이 코팅된 레진 코팅부(40);를 포함하며,
상기 레진 코팅부(40)는 상기 복수의 미세홈(21) 각각의 내부에 충진되는 레진을 더 포함하는,
CFRP 철근.
- 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 나선홈(20)은,
제1나선 홈, 및 상기 복수의 미세홈(21)을 사이에 두고 상기 제1나선 홈과 이격 형성되는 제2나선 홈으로 이루어진 이중 홈이 상기 외주면의 길이방향을 따라 적어도 둘 이상 형성되고,
서로 인접한 상기 이중 홈 사이의 영역엔는 상기 CFPR 코어의 외주면이 외부로 노출되는,
CFRP 철근.
- 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 미세홈(21) 각각의 깊이는 상기 복수의 나선 홈(20) 각각의 깊이보다 작은,
CFRP 철근.
- 제 2 항에 있어서,
서로 인접한 상기 이중 홈 사이의 간격은 상기 복수의 미세홈(21) 간격보다 큰,
CFRP 철근.
- 제 1 항에 있어서,
상기 나선 홈(20)은 한 쌍의 홈으로 이루어지되 서로 다른 방향으로 권선되어 X자형 마디가 형성되는,
CFRP 철근.
- 제 1 항에 있어서,
상기 GFRP 리브(30)는 GFRP 가닥이 꼬인 것인,
CFRP 철근.
- 제 1 항에 있어서,
상기 GFRP 리브(30)는 GFRP 가닥에 GFRP 파우더가 도포된 것인,
CFRP 철근.
- 제 1 항, 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 CFRP 철근을 제조하는 방법으로서,
(a) 상기 CFRP 코어(10)를 형성하는 단계;
(b) 상기 형성된 CFRP 코어(10)에 상기 나선 홈(20) 및 상기 미세홈(21)을 형성하는 단계;
(c) 상기 나선 홈(20)에 상기 GFRP 리브(30)를 권선하는 단계; 및
(d) 상기 나선 홈(20), 상기 미세홈(21) 및 상기 GFRP 리브(30) 상에 레진을 코팅하여 상기 레진 코팅부(40)를 형성하는 단계를 포함하는,
CFRP 철근 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
돌출부(110)가 형성된 압착기(100) 내측에 상기 CFRP 코어(10)를 위치시킨 후 압착함으로써, 상기 돌출부(110)의 압착에 의해 상기 나선 홈(20)을 형성하는 단계를 포함하는,
CFRP 철근 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 돌출부(110)는 가열부를 포함하여, 상기 돌출부(110)의 압착 및 가열에 의해 상기 나선 홈(20)이 형성되는,
CFRP 철근 제조 방법.
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