KR102587742B1

KR102587742B1 - 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법

Info

Publication number: KR102587742B1
Application number: KR1020230001670A
Authority: KR
Inventors: 정흥진; 남승천; 유영준; 유현식; 강호덕
Original assignee: 주식회사 코어텍; 주식회사 립스; 롯데건설 주식회사; 아이에스동서 주식회사
Priority date: 2023-01-05
Filing date: 2023-01-05
Publication date: 2023-10-25

Abstract

본 발명에 따른 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법은: 원통형의 외피를 이루며 길이방향의 인장 강도와 원주방향의 인장 강도가 2:1의 비율로 구현되도록 섬유보강플라스틱튜브를 마련하는 단계; 및, 상기 섬유보강플라스틱튜브의 내부에 원심 성형 되도록 하여 중공의 형태를 이루며 압축강도가 보강되도록 콘크리트관을 마련하는 단계;를 포함하며,
상기 섬유보강플라스틱튜브 마련 단계는 상기 섬유보강플라스틱튜브의 내주면에 길이방향을 따라 일정 간격마다 전단키가 다수 개로 돌출 형성되도록 하는 단계를 포함하고,
상기 콘크리트관 마련 단계는 상기 섬유보강플라스틱튜브의 내부로 콘크리트를 타설하고 원심 성형 되도록 하면서 상기 전단키에 콘크리트의 직접 접촉이 이뤄지도록 하는 단계를 포함하며,
상기 섬유보강플라스틱튜브에 의해 보강되는 인장강도와 상기 콘크리트관에 의해 보강되는 압축강도는 상호 균등하게 배분되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 축 방향의 인장강도와 압축강도를 서로 균등하게 배분하는 구조로 마련되도록 함으로써, 기존의 강관과 콘크리트의 합성말뚝(SC파일)처럼 과도한 설계와 자재를 소모할 필요 없이, 비용 경제적이면서 구조강도가 충분히 보강되어 내구성이 향상되도록 할 수 있고, 섬유보강플라스틱튜브와 콘크리트관이 서로 완전히 일체형의 말뚝을 형성하도록 함으로써, 굽힘 모멘트에 의한 휨 변형 발생이 최소화되면서 최대한 지연되도록 할 수 있는 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법을 제공할 수 있다.

Description

전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법 {manufacturing method of centrifugal formed concrete pile reinforced by fiber reinforced plastic tube with shear key}

본 발명은 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 축 방향 및 원주방향의 인장 및 압축강도가 구조물의 요구강도에 맞춰 서로 달라지도록 적절히 발현되게 하며, 기존의 강관과 콘크리트의 합성말뚝(SC파일)처럼 과도한 설계와 자재를 소모할 필요 없이 비용 경제적이면서 구조강도가 충분히 보강되어 내구성이 향상되도록 할 수 있고, 섬유보강플라스틱튜브와 콘크리트관이 서로 완전히 일체형의 말뚝을 형성하도록 하여 굽힘 모멘트에 의한 휨 변형 발생이 최소화되면서 최대한 지연되도록 할 수 있는 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로 구조물의 중량을 지지층에 안정적으로 전달하기 위해 말뚝을 시공하게 되는데, 상기 말뚝은 만들어진 재료에 따라서 콘크리트말뚝과 강관말뚝, 합성말뚝으로 분류된다.

상기 콘크리트말뚝은, RC말뚝, PC말뚝, PHC말뚝 등을 말하는 것으로, 말뚝 선단의 순 단면적이 커서 선단 지지력이 크고, 자재비가 강관말뚝의 1/3~1/5에 불과해 공사비를 절감할 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 구조물에 수평하중이 작용하는 경우 기초로 사용된 말뚝 상부에 매우 큰 크기의 전단력과 휨 모멘트가 발생하기 때문에 전단력과 휨 모멘트에 대한 저항능력이 작은 콘크리트말뚝은 수량이 증가해서 공사비가 늘어나는 문제점이 있다.

또한, 지반 속에서 물과 온도차에 따른 산화작용에 의해 콘크리트 재료가 침식되어 균열이 발생하게 되어 구조물의 성능이 현저히 저하되고, 강재는 부식되어 공용수명이 짧아지게 되는 문제점이 있다.

한편, 상기 강관말뚝은, 휨 모멘트와 전단력에 대한 저항능력이 우수할 뿐만 아니라 단위중량은 작고 강도는 커서 시공성도 우수하고, 이음이나 절단도 용이하기 때문에 지층 변화가 심한 현장에 소요길이까지 시공할 수 있으므로 현장적용성이 뛰어난 장점이 있으나, 강관말뚝의 재료가 고가라는 단점과 강재의 원자재를 전량 수입에 의존하므로 수급 및 가격의 변화가 심할 수밖에 없어 강관말뚝의 재료비 증가는 전체 공사비의 증가로 이어져 국가적으로 큰 손실이 되는 문제점이 있고, 또한 내부식성, 내화학성이 상대적으로 취약하여 염해 지역, 해안지역, 공장지역에 시공하는 경우에는 부식에 대한 특별한 처리가 필요해지게 된다.

상기한 강재의 부식 때문에 설계시 대략 2 mm 정도의 손실을 감안하고는 있으나, 이는 경제적으로 비효율적이며 시간이 지나게 됨에 따라 2 mm 이상의 부식이 발생하게 될 경우에는 취성 파괴의 원인이 되어 구조적 안전성에 심각한 문제가 발생하게 될 수 있다.

최근에는 상기 콘크리트말뚝과 강관말뚝이 갖고 있는 문제점을 해결하기 위해 이질의 재료 또는 다른 특성을 갖는 말뚝을 조합하여 구조물 특성에 적합하도록 개량한 합성말뚝(Composite Pile)이 현장에 적용되고 있다.

상기 합성말뚝의 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1305058호에 프리스트레스트 중공 콘크리트 말뚝과 강관의 합성으로 이루어진 긴장재 절약형 강합성 말뚝의 제작방법이 등록된 바 있다.

선 등록된 특허는, 하나의 말뚝이 강관부와 PHC 말뚝부로 구성되는 복합말뚝에 대한 것으로, 강관의 내면에 부착된 다수개의 정착부재에 긴장재의 일단부를 정착하고, 긴장재의 타단부는 PHC 말뚝의 단부에 정착되는데, 상기 긴장재는 강관에 의해 덮혀 있지 아니한 PHC 말뚝부에만 길이 방향으로 긴장되어 프리스트레스를 부여하게 된다.

그러나, 선 등록된 특허는, PHC 말뚝부를 통해서는 축 방향으로 가해지는 압축 하중을 담당하고, 강관부를 통해서는 축 방향으로 가해지는 압축 하중과 인장 하중을 함께 담당하게 되는데, 압축 하중에 대해서는 PHC 말뚝부와 강관부를 통해 이중으로 지지 강도가 발휘되도록 마련되기 때문에 구조 설계상 너무 과도한 과잉 설계가 되며, 비교적 고가의 강관을 사용하게 되어 시공 비용이 증가하게 될 수 있고, 강관의 부식문제도 부식두께를 고려하는 방법을 사용해야 하기 때문에 경제성이 떨어지게 될 수 있다는 문제점이 있다.

또한, 내부 충진 콘크리트와의 일체성을 확보하기 위해 적용하는 전단연결재의 경우, 강관의 내부에는 그 적용이 불가능하고 단부에만 적용할 수 있기 때문에 구조물에 작용하게 되는 전단력은 확실히 전달되기 어려워져 구조강도가 충분히 보강되기 어려워질 수 있다는 문제점이 있다.

대한민국 특허등록번호 제10-1305058호(2013년09월02일자 등록)

본 발명의 목적은, 굽힘 모멘트를 받는 말뚝의 단면에 작용하는 축 방향의 인장하중과 압축하중을 섬유보강플라스틱튜브와 콘크리트관에 서로 균등하게 배분하는 구조로 마련되어 기존의 강관과 콘크리트의 합성말뚝(SC파일)처럼 과도한 설계와 자재를 소모할 필요 없이 비용 경제적이면서 구조강도가 충분히 보강되어 내구성이 향상되도록 할 수 있고, 섬유보강플라스틱튜브와 콘크리트관이 서로 완전히 일체형의 말뚝을 형성하도록 하여 굽힘 모멘트에 저항하는 휨강도를 증가시키면서 초기 콘크리트 균열을 지연시키며, 콘크리트관의 파괴 이후에도 일정한 강도를 유지하도록 할 수 있는 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법은: 원통형의 외피를 이루며 길이방향의 인장 강도와 원주방향의 인장 강도가 2:1의 비율로 구현되도록 섬유보강플라스틱튜브를 마련하는 단계; 및, 상기 섬유보강플라스틱튜브의 내부에 원심 성형 되도록 하여 중공의 형태를 이루며 압축강도가 보강되도록 콘크리트관을 마련하는 단계;를 포함하며,

상기 섬유보강플라스틱튜브 마련 단계는 상기 섬유보강플라스틱튜브의 내주면에 길이방향을 따라 일정 간격마다 전단키가 다수 개로 돌출 형성되도록 하는 단계를 포함하고,

상기 콘크리트관 마련 단계는 상기 섬유보강플라스틱튜브의 내부로 콘크리트를 타설하고 원심 성형 되도록 하면서 상기 전단키에 콘크리트의 직접 접촉이 이뤄지도록 하는 단계를 포함하며,

상기 섬유보강플라스틱튜브에 의해 보강되는 인장강도와 상기 콘크리트관에 의해 보강되는 압축강도는 상호 균등하게 배분되도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 섬유보강플라스틱튜브 마련 단계에서 상기 전단키가 형성되도록 하는 단계는, 맨드릴에 고무판을 원주방향으로 일정 간격 또는 간격을 달리하여 부착하는 단계와, 상기 고무판이 부착된 맨드릴의 외주에서 수지를 부어 섬유보강플라스틱튜브가 형성되도록 하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 섬유보강플라스틱튜브 마련 단계는, 상기 전단키들이 내주면에 돌출 형성되게 내주면이 가공 처리되고 상기 콘크리트관이 부착되며 전단 강도가 보강되도록 하는 전단 구조층이 형성되도록 하는 단계와, 상기 전단 구조층을 감싸며 보강용 섬유와 구조용 수지로 다방향 하중에 대한 강도, 길이방향의 인장 강도가 보강되도록 하는 외부 구조층이 형성되도록 하는 단계와, 상기 전단 구조층 및 상기 외부 구조층의 사이에 절단된 조각 섬유와 구조용 수지로 다방향 하중에 대한 강도, 원주방향의 인장 강도가 보강되도록 하는 내부 구조층이 형성되도록 하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 압축하중이 작용하는 경우 원주방향으로 구속작용을 하는 섬유보강플라스틱튜브와 콘크리트관의 압축작용을 이용하고 굽힘 모멘트가 작용하는 경우 콘크리트관의 압축작용과 섬유보강플라스틱튜브의 인장작용이 효과적으로 작동될 수 있는 구조로 마련되도록 함으로써, 기존의 강관과 콘크리트의 합성말뚝(SC파일)처럼 과도한 설계와 자재를 소모할 필요 없이, 비용 경제적이면서 구조강도가 충분히 보강되어 내구성이 향상되도록 할 수 있고, 섬유보강플라스틱튜브와 콘크리트관이 서로 완전히 일체형의 말뚝을 형성하도록 함으로써, 굽힘 모멘트에 의한 휨 변형 발생이 최소화되면서 최대한 지연되도록 할 수 있는 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법을 도시한 공정 흐름도,
도 2는 본 발명에 따라 제작된 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 사시도,
도 3은 본 발명에 따라 제작된 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 정 단면도,
도 4는 본 발명에 따라 제작된 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 측 단면도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제작된 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 측 단면도,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제작된 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 측 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 전단키를 대체하는 전단홈을 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 측 단면도,
도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제조 방법의 공정 단계들을 보여주는 도면들,
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제조 방법의 일 공정 단계를 보여주는 도면,
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제조 방법의 일 공정 단계를 보여주는 도면,
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제조 방법의 일 공정 단계를 보여주는 도면,
도 15는 도 4의 또 다른 실시예에 따른 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 측 단면도,
도 16은 본 발명에 따른 전단키를 형성시키는 과정을 도시한 사시도 및 단면도,
도 17은 본 발명에 따른 전단홈을 형성시키는 과정을 도시한 사시도 및 단면도,
도 18 및 도 19는 본 발명에 따라 제작된 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 시공 과정도,
도 20은 본 발명에 따라 제작된 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝과 PHC말뚝의 이음부 단면도,
도 21은 기존 말뚝과 본 발명에 따른 합성 말뚝을 비교한 압축하중에 대한 응력-변형률 선도,
도 22는 본 발명에 따른 합성 말뚝의 축 방향 인장 강도와 원주방향 인장 강도가 2:1의 비율로 구현되도록 해석한 결과를 나타낸 변형률 선도,
도 23은 본 발명에 따른 합성 말뚝의 균열 거동 해석을 나타낸 도면,
도 24는 본 발명에 따른 전단키가 있는 경우와 없는 경우를 비교한 휨 강도 증가에 따른 해석적 연구결과를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 원통형의 외피를 이루며 길이방향의 인장 강도와 원주방향의 인장 강도가 2:1의 비율로 구현되도록 섬유보강플라스틱튜브(100)를 마련하는 단계(S10)와, 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내부에 원심 성형 되도록 하여 중공의 형태를 이루며 압축강도가 보강되도록 콘크리트관(200)을 마련하는 단계(S20)를 포함한다.

상기 섬유보강플라스틱튜브 마련 단계(S10)는 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내주면에 길이방향을 따라 일정 간격마다 전단키(111)가 다수 개로 돌출 형성되도록 하는 단계를 포함한다.

상기 콘크리트관 마련 단계(S20)는 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내부로 콘크리트를 타설하고 원심 성형 되도록 하면서 전단키(111)에 콘크리트의 직접 접촉이 이뤄지도록 하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)에 의해 보강되는 인장강도와 상기 콘크리트관(200)에 의해 보강되는 압축강도는 상호 균등하게 배분되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 축 방향의 인장강도와 압축강도를 서로 균등하게 배분하는 구조로 마련되도록 함으로써, 기존의 강관과 콘크리트의 합성말뚝(SC파일)처럼 과도한 설계와 자재를 소모할 필요 없이, 비용 부분에서 경제적이면서 구조강도가 충분히 보강되어 내구성이 향상되도록 할 수 있고, 섬유보강플라스틱튜브(100)와 콘크리트관(200)이 다수의 전단키(111)들에 의해 서로 완전히 일체형의 말뚝을 형성하도록 함으로써, 굽힘 모멘트에 의한 휨 변형 발생이 최소화되면서 인장 균열이 최대한 지연되도록 할 수 있는 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법을 제공할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 제작방법에 따라 제작된 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝은, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 원통형의 외피를 이루도록 구비되며 길이방향의 축 방향 인장 강도와 원주방향의 인장 강도가 2:1의 비율로 구현되도록 마련된 섬유보강플라스틱튜브(100)와, 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내부에 원심 성형 되도록 하여 중공의 형태를 이루도록 마련되며 압축강도가 보강되도록 구비된 콘크리트관(200)을 포함한다.

여기서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내주면에는 길이방향을 따라 일정 간격마다 전단키(111)가 다수 개로 돌출 형성되어 상기 콘크리트관(200)이 원심 성형 되면서 직접 접촉이 이뤄지도록 하고, 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)에 의해 보강되는 인장강도와 상기 콘크리트관(200)에 의해 보강되는 압축강도는 상호 균등하게 배분되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 섬유보강플라스틱튜브 마련 단계(S10)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전단키(111)들이 내주면에 돌출 형성되게 내주면이 가공 처리되고 상기 콘크리트관(200)이 부착되며 전단 강도가 보강되도록 하는 전단 구조층(110)이 형성되도록 하는 단계와, 상기 전단 구조층(110)을 감싸며 보강용 섬유와 구조용 수지로 다방향 하중에 대한 강도, 길이방향의 인장 강도가 주로 보강되도록 하는 외부 구조층(120)이 형성되도록 하는 단계와, 상기 전단 구조층(110) 및 상기 외부 구조층(120)의 사이에 절단된 조각 섬유와 구조용 수지로 다방향 하중에 대한 강도, 원주방향의 인장 강도가 주로 보강되도록 하는 내부 구조층(130)이 형성되도록 하는 단계를 포함한다.

이에 따라, 전단 구조층(110)에 의해 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내주면에 콘크리트관(200)이 견고하게 부착되며 전단 강도가 보강되도록 할 수 있고, 외부 구조층(120)의 밑에 내부 구조층(130) 및 전단 구조층(110)이 복합적으로 섬유보강플라스틱튜브(100)를 이루도록 함으로써 내구성과 기밀성이 우수해지며 다방향으로 휨 변형에 대한 강성과 외력에 저항하는 강도가 더욱 보강되도록 할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 제작방법에 따라 제작된 섬유보강플라스틱튜브(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 콘크리트관(200)(또는 합성부(210))의 외주면에 배치되어 콘크리트관(200)의 길이방향 인장강도를 증가시킨다.

좀더 구체적으로, 섬유보강플라스틱튜브(100)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)는, 내주면으로 전단키(111)들이 돌출 형성되게 내주면이 가공 처리되고 상기 콘크리트관(200)이 부착되며 전단 강도가 보강되도록 구비된 전단 구조층(110)과, 전단 구조층(110)을 감싸도록 구비되며 보강용 섬유와 구조용 수지로 마련되어 다방향 하중에 대한 강도, 길이방향의 인장 강도, 원주방향의 인장 강도가 보강되도록 하는 외부 구조층(120)과, 전단 구조층(110) 및 외부 구조층(120)의 사이에 구비되며 다져져 절단된 조각 섬유(fiber chopped strand)와 구조용 수지로 마련되어 다방향 하중에 대한 강도, 길이방향의 인장 강도, 원주방향의 인장 강도가 보강되도록 하는 내부 구조층(130)을 포함한다.

여기서, 외부 구조층(120)을 이루는 보강용 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유 등을 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 섬유보강플라스틱튜브(100)는 탄소섬유보강튜브, 유리섬유보강튜브, 또는 아리미드섬유보강튜브를 포함할 수 있다. 섬유보강플라스틱튜브(100)로서, 상기 탄소섬유보강튜브를 이용하는 경우, 강도는 상기 유리섬유보강튜브 대비 두 배 이상일 수 있다. 반면, 섬유보강플라스틱튜브(100)로서, 상기 유리섬유보강튜브를 이용하는 경우, 비용을 상기 탄소섬유보강튜브보다 절감할 수 있다는 이점이 있다.

상기한 섬유보강플라스틱튜브(100)는 기존의 일반 배관용 튜브와는 그 재료 구성을 다르게 하여 염해 등에 대한 내구성이 우수하게 구성되도록 함으로써, 일반적인 수평토압뿐만 아니라 상부 구조물에서 전달되는 압축, 인발 하중에 대한 저항성이 뛰어나 기초구조물에 연결되어 하중 분배를 원활히 하게 될 수 있어 건축, 토목 구조용으로 적합하게 사용되도록 할 수 있다.

또한, 상기한 섬유보강플라스틱튜브(100)는 일반 강재말뚝에 비해 그 제작비용과 시공비용이 저렴하고, PHC 말뚝이나 강관말뚝에 비해 균열이나 부식작용이 적게 발생하는 등 외부환경에 민감하게 반응하지 않기 때문에, 내 부식성과 내구성이 뛰어나게 발휘되어 구조물의 수명이 더욱 오래 연장되도록 할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내주면에 형성된 다수의 전단키(111)들은 전단 구조층(110)과 일체로 형성된다. 다수의 전단키(111)들은 섬유보강플라스틱튜브(100)와 동일한 물질로 이루어지고, 동일 공정을 통해 형성된다.

이때, 콘크리트관(200)은 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내부에서 원심 성형 되면서 전단키(111)들과 직접 접촉이 이뤄지게 됨으로써, 섬유보강플라스틱튜브(100)와 콘크리트관(200)이 일체로 하나의 합성말뚝이 되게 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 콘크리트관(200)의 내부에 별도의 강선이나 철근이 구비되지 않더라도 휨 변형에 대한 강성과 외력에 저항하는 강도가 함께 보강되며 굽힘 모멘트에 의한 휨 변형 발생이 최소화되면서 인장 균열이 최대한 지연되도록 할 수 있다.

다수의 전단키(111)들은 본 발명에 따른 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 원주 방향을 따라 배치될 수 있다.

여기서, 상기 섬유보강플라스틱튜브 마련 단계(S10)에서 상기 전단키(111)가 형성되도록 하는 단계는, 도 16에 도시된 바와 같이, 맨드릴(50)에 고무판(55)을 원주방향으로 일정 간격 또는 간격을 달리하여 부착하는 단계와, 상기 고무판(55)이 부착된 맨드릴(50)의 외주에서 수지를 부어 섬유보강플라스틱튜브(100)가 형성되도록 하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 섬유보강플라스틱튜브(100)에 전단키(111)들이 용이하게 형성되도록 할 수 있고, 고무판(55)의 두께와 폭을 달리 적용하여 전단키(111)의 규격이 다양하게 가변 형성되도록 할 수 있다.

본 발명의 일실시예로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 전단키(111)는 측 단면상 전후로 경사면을 갖는 사다리꼴의 형태로 볼록하게 돌출 형성된 것이 바람직하다.

여기서, 전단키(111)의 경사면의 경사 각도는 45°~ 60°인 것이 바람직하다.

이에 따라, 전단키(111)들에 의해 밀착되어 직접 접촉되는 콘크리트관(200)을 이루게 되는 고로 슬래그의 잔 골재의 치수가 주로 0.3 mm, 2.36 mm, 1.8 mm, 4.75 mm 이고, 전단키(111)의 높이가 2mm 정도일 때에도 골재가 전단키(111)들의 사이로 들어가지 못하게 되거나 공극이 발생하게 되어 전단키(111)의 역할을 제대로 수행하지 못하게 됨에 의해 섬유보강플라스틱튜브(100)와 콘크리트관(200)이 서로 일체형으로 합성되는 효과가 저하되는 것을 효과적으로 방지하도록 할 수 있다.

이때, 전단키(111)의 경사면의 경사 각도가 45°미만이면 전단키(111)들에 의한 전단 효과가 오히려 다소 저하될 수 있고, 60°초과면 콘크리트관(200)의 골재와 전단키(111)들의 사이에 오히려 공극이 커지게 되어 합성 효과가 크게 저하될 수 있다는 문제점이 있다.

콘크리트관(200)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 섬유보강플라스틱튜브(100)로부터 돌출된 섬유보강플라스틱튜브(100)의 다수의 전단키(111)와 직접 접한다. 즉, 콘크리트관(200)은 섬유보강플라스틱튜브(100)의 다수의 전단키(111)의 3면과 직접 접함으로써, 섬유보강플라스틱튜브(100)와 콘크리트관(200) 간의 결합력이 높아져, 전반적인 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝(이하 ‘합성말뚝’이라 함)의 내구성이 높아지는 이점이 있다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 콘크리트관 마련 단계(S20)는 콘크리트관(200)의 내부에 강선, 철근 및 강관튜브 중 적어도 어느 하나가 구비되어 추가로 보강이 이뤄지도록 콘크리트 타설 전에 강선, 철근 및 강관튜브 중 적어도 어느 하나가 삽입되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.

이에 따라, 콘크리트관(200)의 내부에 강선 또는 철근이 인장 균열을 방지하는 전단키(111)와 함께 구비되도록 함으로써, 구조 강도가 더욱 향상되도록 할 수 있다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 합성말뚝은 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)의 하단부에 고정되는 슈판에 강선으로서 단부가 볼팅 체결 방식 등으로 결합되어 프리스트레스되는 PC강선(300)이 고정되게 구성되고, 상기 PC강선(300)의 긴장력으로 섬유보강플라스틱튜브(100) 내부에 위치한 콘크리트에 선행 압축응력이 도입되는 합성부(210)가 구비되며, 상기 합성부(210)에 섬유보강플라스틱튜브(100)의 외경과 동일한 직경으로 확관되면서 PC강선(300)의 일단부가 정착되는 확관부(230)가 구비된 콘크리트관(200)을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 확관부(230)의 상단부에 섬유보강플라스틱튜브(100)와 동일한 직경으로 확관부(230)를 감싸 콘크리트의 강도를 보강하는 보강밴드(400)를 더 포함하며, 상기 확관부(230) 내부의 PC강선(300) 외주면을 감싸 콘크리트관(200)의 축 방향 강도와 휨강도를 보강하는 외부나선철선(500)을 더 포함하고, 상기 합성부(210) 내부의 PC강선(300) 내부 또는 외부에 설치하여 콘크리트관(200)의 축 방향 강도와 휨강도를 보강하는 나선철선(600)을 더 포함하여 구성된다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 합성말뚝의 측 단면도이다.

도 6을 참조하면, 본 실시 예에 따른 섬유보강플라스틱튜브(100)의 상기 전단키(111)의 배치 밀도는 길이 방향으로 상기 확관부(230)와 가까워질수록 커져 상기 확관부(230)와 가까워질수록 커지는 외력에 의해 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)와 콘크리트관(200)이 분리되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다는 점에서, 도 5에 따른 섬유보강플라스틱튜브(100)와는 상이하다.

더욱 구체적으로 설명하면, 본 실시 예에 따른 섬유보강플라스틱튜브(100)의 상기 전단키(111)의 배치 밀도는 길이 방향으로 상기 확관부(230)와 가까워질수록 커질 수 있다.

도 6에서는, 도 5에 섬유보강플라스틱튜브(100)의 전단키(111)들의 배치 밀도가 변경될 수 있음을 예시하였지만, 후술할 도 7에 따른 섬유보강플라스틱튜브(100)의 전단홈(112)들도 도 6에서 설명한 배치 밀도가 적용될 수 있음은 자명하다.

도 7은 도 5의 또 다른 실시 예에 따른 합성말뚝의 단면도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시 예에 따른 섬유보강플라스틱튜브(100)의 전단키가 섬유보강플라스틱튜브(100)의 콘크리트관(200)을 바라보는 면으로부터 상기 콘크리트관(200)을 바라보는 방향의 반대 방향으로 만입된 전단홈(112)을 포함한다는 점에서, 도 5에 따른 섬유보강플라스틱튜브(100)와 상이하다.

그 외 구성들은 도 5에 따른 합성말뚝과 동일한 바, 나머지 구성들에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.

여기서, 전단홈(112)은 측 단면상 전후로 경사면을 갖는 사다리꼴의 형태로 오목하게 함몰 형성된 것이 바람직하다.

이에 따라, 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내주면에 전단키(111)가 볼록하게 돌출 형성되거나 전단홈(112)이 오목하게 함몰 형성되도록 함으로써, 축 방향 및 원주방향의 압축강도가 구조물의 요구강도에 맞춰서 최적으로 발현되게 함으로써, 사다리꼴 형상의 전단키(111) 또는 전단홈(112)에 의해 골재에 의한 공극이나 블리딩에 의한 단면 손실을 최소화하고 원심성형으로 섬유보강플라스틱튜브(100) 및 콘크리트관(200) 두 개의 이질 재료를 완전히 합성시키고 전단키(111) 또는 전단홈(112)을 통하여 외력에 의한 휨 모멘트와 변형이 최소화되도록 할 수 있다.

이때, 전단홈(112)의 경사면의 경사 각도는 45°~ 60°인 것이 바람직하다.

한편, 전단키(111)와 전단홈(112)은 상호 교호적으로 반복되면서 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내주면에 길이방향을 따라서 서로 엇갈리게 형성되도록 할 수도 있다.

이에 따라, 볼록하게 돌출 형성되는 전단키(111)와 오목하게 함몰 형성되는 전단홈(112)이 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내주면에 서로 엇갈리며 교호적으로 형성되도록 함으로써, 섬유보강플라스틱튜브(100)와 콘크리트관(200)이 상호 일체형으로 마련되는 합성 효과가 더욱 증가 되도록 할 수 있다.

상기와 같이, 콘크리트의 초기 인장 강도를 보완하기 위해 내부에 형성되는 돌기 형상의 전단키(111)와 홈 모양의 전단홈(112)을 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내면에 형성하고, 이들에 의해 파괴를 지연시켜 말뚝의 연성이 증가 되도록 하는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의해, 본 발명에 따른 합성말뚝이 제작되는 과정을 도 8 내지 도 11을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 8에 도시된 바와 같이, 섬유보강플라스틱튜브(100)의 외경과 동일한 내경을 갖는 상,하부거푸집(20)(30)을 형성한다.

상기 섬유보강플라스틱튜브(100)의 상단부로 돌출된 PC강선(300)의 일단부는 긴장판(60)에 결합된 긴장판 정착구(61)에 정착시켜 안착시킨 상태에서 상기 긴장판(60)에 잭장치(63)를 연결한다.

한편, 상기 하부거푸집(30)에 안착된 섬유보강플라스틱튜브(100) 내부에 콘크리트를 타설하는 단계는, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 콘크리트를 연속적으로 분출하는 콘크리트 공급 장치(SP)를 상기 슈판의 중앙부에 형성된 통공을 통해 상기 긴장판(60)까지 상기 섬유보강플라스틱튜브(100) 내부로 밀어넣고 상기 콘크리트 공급 장치(SP)를 상기 섬유보강플라스틱튜브(100) 외부로 꺼내는 방식으로 이루어진다.

이러한 방식을 적용하기 위해서, 콘크리트 공급 장치(SP)는 길이 방향으로 소정 이상의 경도를 가져 길이 방향으로 곧은 형상을 유지해야한다. 콘크리트 공급 장치(SP)가 상기 경도보다 낮은 경도를 가지면, 콘크리트 공급 장치(SP)는 상기 콘크리트를 연속적으로 분출하는 과정에서 하부거푸집(30)을 향해 휘어져 섬유보강플라스틱튜브(100) 내부의 나선철선(600), PC강선(300)과의 물리적 간섭이 발생할 수 있다.

몇몇 실시예에서는 콘크리트 공급 장치(SP)가 상기 경도보다 낮은 경도를 갖더라도, 콘크리트 분출압을 매우 높여 콘크리트 공급 장치(SP)가 길이 방향으로 곧은 형상을 유지하도록 할 수도 있다.

다른 몇몇 실시예에서, 콘크리트 공급 장치(SP)가 길이 방향으로 곧은 형상을 유지하기 어려운 경우, 콘크리트 공급 장치(SP)는 섬유보강플라스틱튜브(100) 끝까지 삽입되지 않고, 적어도 중간에서 콘크리트를 분출할 수 있다. 상기 실시예에서, 적어도 중간에서 분출된 콘크리트를 섬유보강플라스틱튜브(100)의 끝까지 삽입하기 위해서 별도의 펌프 등의 삽입 부재가 도입될 수 있다.

이어서, 상기 잭장치(63)의 정방향 회전에 따라 긴장판(60)이 잭장치(63) 쪽으로 이동되면, 상기 긴장판(60)의 긴장판 정착구(61)에 고정된 보강밴드(400)가 이동함과 동시에 상기 긴장판 정착구(61)에 고정된 PC강선(300)에 긴장력이 도입되는데, 상기 PC강선(300)의 타단부는 슈판의 슈판 정착구에 정착되어 있고, 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)는 상,하부거푸집(20)(30)에 의해 위치가 고정되므로 안정된 상태에서 PC강선(300)에 긴장력이 도입된다.

상기 PC강선(300)이 긴장되면, 상,하부거푸집(20)(30)을 회전시켜 상,하부거푸집(20)(30)에 타설된 콘크리트가 원심력에 의해 섬유보강플라스틱튜브(100)와 상,하부거푸집(20)(30) 및 보강밴드(400)에 밀착됨은 물론 PC강선(300)과 외부나선철선(500) 및 나선철선(600)을 매몰시키면서 양생 되어 콘크리트관(200)이 성형 되고, 그 다음 오토클레이브에서 증기 양생하여 합성말뚝을 성형한다.

상기 합성말뚝이 성형 되면, 상기 상,하부거푸집(20)(30)에서 잭장치(63)와 긴장판(60)을 분리함과 동시에 긴장된 PC강선(300)의 복원력으로 콘크리트관(200)의 전 길이에 걸쳐 선행 압축 응력이 가해지는데, 상기 콘크리트관(200)의 외경이 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내경과 동일한 직경으로 형성되어 합성부(210)가 섬유보강플라스틱튜브(100) 내부에서 소정의 양만큼 압축됨으로써 섬유보강플라스틱튜브(100)에 의한 구속효과에 의해 콘크리트관(200)의 축 방향 강도와 휨강도가 증대된다.

이에 따라, 긴장의 효과가 튜브에 의해 일부 상쇄되고 이미 전단키(111)에 의해서 콘크리트의 인장파괴에 대한 보강이 이루어지게 됨으로써, PC강선이나 철근을 통한 긴장력의 도입은 필요하지 않게 될 수도 있다.

상기의 과정으로 콘크리트관(200)에 선행 압축 응력이 도입되면, 상,하거푸집(20)(30)으로부터 합성말뚝을 분리하여 형성한다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 상,하부거푸집(20)(30)을 회전시켜 상,하부거푸집(20)(30)에 타설된 콘크리트가 원심력에 의해 섬유보강플라스틱튜브(100)와 상,하부거푸집(20)(30)에 밀착되는 과정에서, 합성부(210) 및 섬유보강플라스틱튜브(100)와 확관부(230) 및 상,하부거푸집(20)(30)의 접촉부분에서 섬유보강플라스틱튜브(100)의 외면과 합성부(210) 및 상,하부거푸집(20)(30)의 내면 사이로 타설된 콘크리트의 일부가 유출되는 것을 방지하기 위해 섬유보강플라스틱튜브(100)의 단부에서 섬유보강플라스틱튜브(100)와 상,하부거푸집(20)(30)의 사이에는 합성부(210)에서는 일정한 두께를 가지고 확관부(230)에서는 두께가 일정하게 줄어드는 형상을 갖는 수밀 고무 링(240)이 구비되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 수밀 고무 링(240)은 콘크리트의 양생이 완료되고 나면 제거되도록 하는 것이 바람직하다.

이하, 다른 실시 예들에 대해 설명한다. 이하의 실시 예에서 이미 설명한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조 부호로서 지칭하고, 그 설명을 생략하거나 간략화한다.

도 12는 다른 실시 예에 따른 합성말뚝의 제조 방법의 일 공정 단계를 보여주는 제작도이다.

도 12에 도시된 노즐의 각도는 상향 조정되도록 할 수 있고, 이는 말뚝의 충진 단면이 54%를 차지하게 됨에 따라 충진이 원활하게 이뤄지도록 하기 위함이다.

도 12를 참조하면, 본 실시 예에 따른 합성말뚝의 제조 방법 중 콘크리트 타설은, 상기 콘크리트 공급 장치(SP)의 단부에는 상향 노즐(NZ)들이 배치되고, 상기 콘크리트는 상기 상향 노즐(NZ)들을 통해 연속적으로 분출되어 점도 높은 상기 콘크리트의 분출압을 높인다는 점에서, 도 11에 따른 콘크리트 타설과 상이하다.

도 13은 또 다른 실시 예에 따른 합성말뚝의 제조 방법의 일 공정 단계를 보여주는 제작도이다.

도 13을 참조하면, 본 실시 예에 따른 합성말뚝의 제조 방법 중 콘크리트 타설은, 상기 콘크리트 공급 장치(SP)에는 공기압 제공 장치(AP)가 연통되어, 점도 높은 상기 콘크리트의 분출압을 높일 수 있다는 점에서, 도 10에 따른 콘크리트 타설과 상이하다.

상술한 바와 같이, 콘크리트 공급 장치(SP)가 상기 경도보다 낮은 경도를 갖더라도, 콘크리트 분출압을 매우 높여 콘크리트 공급 장치(SP)가 길이 방향으로 곧은 형상을 유지하도록 할 수 있다.

본 실시 예의 경우에도, 상기 콘크리트 공급 장치(SP)에는 공기압 제공 장치(AP)가 연통되고, 상기 콘크리트 공급 장치(SP)를 통해 콘크리트가 분출되는 과정에서, 콘크리트 공급 장치(SP)와 연통된 공기압 제공 장치(AP)로부터 공기압이 콘크리트 분출 방향으로 제공되어, 콘크리트의 분출압이 높아지는 이점이 있다.

도 14는 또 다른 실시 예에 따른 합성말뚝의 제조 방법의 일 공정 단계를 보여주는 제작도이다.

도 14를 참조하면, 본 실시 예에 따른 합성말뚝의 제조 방법 중 콘크리트 타설은, 상기 콘크리트 공급 장치(SP)가 스크류 펌프를 포함한다는 점에서, 도 10에 따른 콘크리트 타설과 상이하다.

한편, 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전단키(111)의 선단에는 점차 폭과 두께가 축소되게 다단으로 단턱지게 프랙탈 돌기(113)가 형성되도록 할 수 있다.

이에 따라, 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내부에서 콘크리트관(200)이 원심성형에 의해 성형시 콘크리트가 전단키(111)의 3면뿐만 아니라 프랙탈 돌기(113)들에 의해 3면 이상의 다면으로 직접 밀착 접촉되게 굳어지게 함으로써, 섬유보강플라스틱튜브(100)와 콘크리트관(200) 간의 결합력이 더욱 높아져 합성말뚝의 일체성이 더욱 견고해지고 휨 변형에 대한 합성말뚝의 강성과 인장 균열 강도가 더욱 증가 되도록 할 수 있다.

이때, 프랙탈 돌기(113)의 전후 양면도 합성 효과와 구속 효과를 더욱 향상시키기 위하여 경사진 각도로 경사면이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 전단키(111)는 측 단면상 전후로 경사면이 아닌 곡선의 형태로 만곡된 형상을 이루도록 형성되게 할 수도 있다.

이러한 전단키(111)는, 도 16에 도시된 바와 같이, 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내주면에 돌출 형성되고, 도 17에 도시된 바와 같이, 전단홈(112)은 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내주면에 함몰 형성된 것을 특징으로 하며, 전단키(111) 또는 전단홈(112)의 형상을 만들기 위해서는 먼저 맨드릴(mandrel)(50)에 사다리꼴 모양의 고무판(55)을 원주방향으로 일정 간격으로 혹은 간격을 달리하여 부착하고, 그 위에 맨드릴(50)의 외주에서 수지를 부어 섬유보강플라스틱튜브(100)가 형성되도록 함으로써 형성되게 된다.

이때, 사다리꼴의 고무판(55)의 폭을 넓게 하면 층의 형상이 볼록하게 돌출되어 전단키(111)가 형성되고, 고무판(55)의 폭을 좁게 하면 오목하게 함몰되는 부분이 전단홈(112)으로 형성되어 진다.

이에 따라, 각각 상이한 시공 현장의 지반 조건에 따라서 구조적으로 가변 대응이 용이하게 이뤄지도록 할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 합성말뚝을 이용한 복합말뚝의 매입공법에 대해 설명한다.

도 18 및 도 19는 본 발명에 따른 합성말뚝을 이용한 복합말뚝의 시공 과정을 보여주는 도면이다. 도 20은 본 발명에 따른 합성말뚝과 PHC말뚝의 이음부 단면도이다.

상기와 같이 형성된 합성말뚝을 이용한 복합말뚝의 매입공법은, 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 지반에 말뚝의 이음작업을 위한 서비스 천공홀을 천공하고, 상기 서비스 천공홀에 PHC말뚝(10)을 삽입한 후, 상기 PHC말뚝(10)의 두부에 상기 합성말뚝을 안착시키는데, 상기 합성말뚝의 슈판에 고정된 가이드부재가 PHC말뚝(10)의 중공부에 결합되면서 PHC말뚝(10)과 합성말뚝의 중심축을 용이하게 일치시킬 수 있으므로, 작업능률의 향상으로 작업시간을 단축시킬 수 있다.

상기 합성말뚝과 PHC말뚝(10)의 중심축이 일치하면, 도 20에 도시된 바와 같이, 상기 합성말뚝의 섬유보강플라스틱튜브(100)와 슈판 및 PHC말뚝(10)의 두부단판을 용접으로 고정하여 복합말뚝을 형성하는데, 상기 슈판의 직경이 섬유보강플라스틱튜브(100)의 직경보다 작게 형성되면서 둘레가 경사지게 형성되어 있으므로, 상기 합성말뚝의 섬유보강플라스틱튜브(100)와 슈판 및 PHC말뚝(10) 두부단판의 용접이 한 번에 용이하게 실시될 수 있으면서 용접부의 휨강도도 증대시킬 수 있는 것이다.

다른 몇몇 실시 예에서, 상기 PHC말뚝(10)의 두부단판과 합성말뚝의 슈판의 직경은, PHC말뚝(10)의 직경과 합성말뚝의 섬유보강플라스틱튜브(100) 직경보다 크게 하고, 이들 슈판과 두부단판을 밴드로 감싸 볼트의 체결로 고정시킬 수도 있는 것이다.

상기 PHC말뚝(10)과 합성말뚝을 용접 또는 볼팅으로 고정해서 형성한 복합말뚝을 별도의 장비로 인양시킨 후, 시멘트밀크(C)가 주입된 천공홀에 삽입한 후, 경타하는데, 이때, 상기 복합말뚝의 상부에 위치한 합성말뚝의 상단부가 보강밴드(400)로 구속됨은 물론 콘크리트관(200)의 확관부(230) 단면적이 커져서 경타로 인한 말뚝 두부의 파손을 최소화하면서 안전하게 시공할 수 있는 것이다.

또한, 상기 복합말뚝을 천공홀에 삽입하고 경타할 때, 상기 합성말뚝의 섬유보강플라스틱튜브(100)가 지반과 동일 선상을 이루면서 확관부(230)는 지상으로 돌출되도록 경타하는 것이 바람직하고, 상기 천공홀에 주입된 시멘트밀크(C)의 일부는 복합말뚝과 천공홀 사이의 공간으로 역류되어 천공홀 외부로 배출되고, 상기 복합말뚝과 천공홀 사이의 공간에 잔류하는 시멘트밀크(C)는 경화시킨다.

상기 시멘트밀크(C)가 경화되면, 복합말뚝의 상단부 즉, 지상으로 돌출된 합성말뚝의 확관부(230)를 파쇄 또는 절단한 후, 합성말뚝의 합성부(210)를 바닥기초와 연결되도록 시공하면서 복합말뚝의 시공을 완료하게 된다.

이때, 상기 복합말뚝의 상부에는 큰 크기의 전단력과 휨 모멘트가 작용하므로 합성말뚝에서 섬유보강플라스틱튜브(100)로 보강되어 전단 강도와 휨강도가 큰 합성부(210)가 바닥기초와 연결되어야 하고, 복합말뚝의 두부정리를 손쉽고 경제적으로 하기 위해서는 복합말뚝에서 지상으로 돌출되는 부분이 콘크리트로 제작되는 것이 바람직하므로 합성말뚝의 확관부(230) 길이의 합은 말뚝에 경타를 가하기 위한 최소 돌출길이인 0.5~1.2m 로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 합성말뚝과 PHC말뚝(10)을 용접으로 고정하여 제작한 복합말뚝은 이음되는 말뚝의 단면적이 모두 동일하므로 합성말뚝에 가해지는 항타 에너지를 합성말뚝 하부의 PHC말뚝(10)까지 안정적으로 전달하므로 말뚝의 경타 관입성을 향상시켜 복합말뚝의 연직 지지력을 증대시킴은 물론 말뚝의 이음을 위해 별도의 이음 부재를 사용하지 않으므로 시공이 간편하여 공사기간을 단축시킴은 물론 자재의 감소로 인해 경제성을 향상시킬 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 합성 말뚝은 길이방향에 따른 축 방향으로 압축 하중 또는 인장 하중이 가해지게 되면 섬유보강플라스틱튜브(100)와 콘크리트관(200)의 횡 단면 전체에 걸쳐서 전 단면적으로 하중이 작용하게 되고, 굽힘 하중이 가해지게 되면 굽힘 하중에 대한 중립 축이 편심 되며 굽힘 하중의 작용 형태에 따라 그 위치가 가변 되며, 중립 축을 기준으로 어느 한 편으로는 압축 하중이 작용 되고, 다른 한 편으로는 인장 하중이 가해지게 된다.

이에, 섬유보강플라스틱튜브(100)는 외부 접촉면과 내부 콘크리트 접촉면과의 기능에 따라 성형 되도록 하는 것이 바람직하고, 섬유보강플라스틱튜브(100)와 콘크리트관(200)의 합성 작용을 통하여 최적의 압축, 인장 및 휨 강도를 유지하는 구조로 마련되며, 더욱 상세하게는 압축 하중 및 굽힘 모멘트 하중을 받는 콘크리트에 대하여 섬유보강플라스틱튜브(100)가 콘크리트관(200)의 방사형 변형을 억제하는 구속 효과를 발휘하고, 구속 작용에 의해 콘크리트관(200)의 압축 강도가 증가 되도록 한다.

도 21은 기존 말뚝과 본 발명에 따른 합성 말뚝을 비교한 압축하중에 대한 응력-변형률 선도이다.

도 21에 도시된 바와 같이, 기존 말뚝에 비하여 본 발명에 따른 합성 말뚝에 의하면 합성 효과에 따른 구속 작용에 의해 압축 하중에 대한 강도가 더욱 향상되며, 연성 또한 더욱 증가 됨을 확인할 수 있다.

한편, 인장 하중 및 굽힙 모멘트 하중을 받는 경우에는 섬유보강플라스틱튜브(100)가 길이방향의 인장에 대하여 저항하는 역할을 함으로써, 섬유보강플라스틱튜브(100)와 콘크리트관(200)이 각각의 역할을 나누어 수행하게 된다.

도 22는 본 발명에 따른 합성 말뚝의 축 방향 인장 강도와 원주방향 인장 강도가 2:1의 비율로 구현되도록 해석한 결과를 나타낸 변형률 선도이다.

도 22에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 섬유보강플라스틱튜브(100)는 기존의 강관과 콘크리트의 합성말뚝(SC파일)과는 달리 구속 작용을 위한 원주방향 강도와 인장 및 굽힘 모멘트 하중에 대한 길이방향의 강도를 1:2의 비율을 가지도록 제작이 가능해져 보다 효율적으로 제작할 수 있다.

또한, 본 발명은 일반적인 섬유보강 배관용 튜브와는 다른 배합방법을 통하여 콘크리트 합성시 일체화되어 내 부식성 및 상부 하중에 의한 내구성이 향상되도록 할 수 있다.

일반 섬유보강 배관용 튜브는 내층, 중간구조층, 외층 등 총 3 ~ 4개 정도의 층으로 구성되어 있으며, 필라멘트 와이딩(FW) 및 연속실 필라멘트 와이딩 공법(CFW)로 주로 제작되어 지며 구조적 특징으로 원주방향 및 축 방향으로 보강재를 적용하여 생산되고 있어 일반 배관용으로는 사용하는 것에는 문제가 없으나, 토목, 건축의 기능을 수행하기에는 구조적으로 문제가 있어 현장에서 실제로는 적용하지 못하고 있다.

토목, 건축용의 구조용 말뚝의 경우에는 상당히 큰 상부 하중과 수평토압에 대한 축력, 굽힘 모멘트, 비틀림 하중 등에 대하여 대응할 수 있어야 한다.

도 23은 본 발명에 따른 합성 말뚝의 섬유보강플라스틱튜브(100) 및 콘크리트관(200)의 파괴 및 균열 거동 해석을 나타낸 도면이다.

도 23에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 섬유보강플라스틱튜브(100)로 보강된 말뚝을 비선형 구조해석 프로그램을 이용하여 해석하고 실물 실험을 시행하여 결과를 도출한바, 섬유보강플라스틱튜브(100)로 보강된 말뚝은 파괴 모멘트(Mu)가 800 kN.m 이상이고 일반 PHC말뚝의 경우에는 파괴 모멘트가 155 kN.m으로서 내하력이 5배 이상으로 향상됨을 확인할 수 있다.

도 24는 본 발명에 따른 전단키(111)가 있는 경우와 없는 경우를 비교한 휨 강도 증가에 따른 해석적 연구결과를 나타낸 그래프이다.

도 24에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전단키(111)가 있는 경우와 없는 경우의 휨 강도 증가에 따른 해석적 결과를 살펴보면, 전단키(111)가 있는 경우 휨 강도가 1.3배 이상 증가하게 됨을 확인할 수 있다.

상기에 의해 설명되고 첨부된 도면에서 그 기술적인 면이 기술되었으나, 본 발명의 기술적인 사상은 그 설명을 위한 것이고, 그 제한을 두는 것은 아니며 본 발명의 기술분야에서 통상의 기술적인 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적인 사상을 이하 후술 될 특허청구범위에 기재된 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 섬유보강플라스틱튜브 110 : 전단 구조층
111 : 전단키 113 : 프랙탈 돌기
120 : 외부 구조층 130 : 내부 구조층
200 : 콘크리트관 210 : 합성부
230 : 확관부 300 : PC강선
400 : 보강밴드 500 : 외부나선철선
600 : 나선철선

Claims

원통형의 외피를 이루며 길이방향의 인장 강도와 원주방향의 인장 강도가 2:1의 비율로 구현되도록 섬유보강플라스틱튜브(100)를 마련하는 단계(S10); 및
상기 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내부에 원심 성형 되도록 하여 중공의 형태를 이루며 압축강도가 보강되도록 콘크리트관(200)을 마련하는 단계(S20);
를 포함하며,
상기 섬유보강플라스틱튜브 마련 단계(S10)는 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내주면에 길이방향을 따라 일정 간격마다 전단키(111)가 다수 개로 돌출 형성되도록 하는 단계를 포함하고,
상기 콘크리트관 마련 단계(S20)는 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)의 내부로 콘크리트를 타설하고 원심 성형 되도록 하면서 상기 전단키(111)에 콘크리트의 직접 접촉이 이뤄지도록 하는 단계를 포함하며,
상기 섬유보강플라스틱튜브(100)에 의해 보강되는 인장강도와 상기 콘크리트관(200)에 의해 보강되는 압축강도는 상호 균등하게 배분되도록 하고,
상기 섬유보강플라스틱튜브 마련 단계(S10)에서 상기 전단키(111)가 형성되도록 하는 단계는, 맨드릴(50)에 고무판(55)을 원주방향으로 일정 간격 또는 간격을 달리하여 부착하는 단계와, 상기 고무판(55)이 부착된 맨드릴(50)의 외주에서 수지를 부어 섬유보강플라스틱튜브(100)가 형성되도록 하는 단계를 포함하며,
상기 섬유보강플라스틱튜브 마련 단계(S10)는, 상기 전단키(111)들이 내주면에 돌출 형성되게 내주면이 가공 처리되고 상기 콘크리트관(200)이 부착되며 전단 강도가 보강되도록 하는 전단 구조층(110)이 형성되도록 하는 단계와, 상기 전단 구조층(110)을 감싸며 보강용 섬유와 구조용 수지로 다방향 하중에 대한 강도, 길이방향의 인장 강도가 보강되도록 하는 외부 구조층(120)이 형성되도록 하는 단계와, 상기 전단 구조층(110) 및 상기 외부 구조층(120)의 사이에 절단된 조각 섬유와 구조용 수지로 다방향 하중에 대한 강도, 원주방향의 인장 강도가 보강되도록 하는 내부 구조층(130)이 형성되도록 하는 단계를 포함하고,
상기 전단키(111)는 측 단면상 전후로 경사면을 갖는 사다리꼴의 형태로 볼록하게 돌출 형성되며, 상기 전단키(111)의 경사면의 경사 각도는 45°~ 60°이고,
상기 전단키(111)의 선단에는 점차 폭과 두께가 축소되게 다단으로 단턱지게 프랙탈 돌기(113)가 형성되며, 상기 프랙탈 돌기(113)의 전후 양면도 경사진 각도로 경사면이 형성되도록 하고,
상,하부거푸집(20)(30)의 내부로 타설된 콘크리트가 원심력에 의해 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)와 상,하부거푸집(20)(30)에 밀착되며 상기 콘크리트관(200)이 형성되도록 하는 과정에서, 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)의 외면과 상,하부거푸집(20)(30)의 내면 사이로 콘크리트의 일부가 유출되는 것을 방지하기 위해, 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)의 단부에서 섬유보강플라스틱튜브(100)와 상,하부거푸집(20)(30)의 사이에는, 합성부(210) 구간에서는 일정한 두께를 가지고, 확관부(230) 구간에서는 두께가 일정하게 줄어드는 형상을 가지며, 콘크리트의 양생이 완료되고 나면 제거되는 수밀 고무 링(240)이 구비되도록 하고,
상기 섬유보강플라스틱튜브(100) 및 콘크리트관(200)의 길이방향에 따른 축 방향으로 압축 하중 또는 인장 하중이 가해지게 되면, 상기 섬유보강플라스틱튜브(100)와 상기 콘크리트관(200)의 횡 단면 전체에 걸쳐서 전 단면적으로 하중이 작용하게 되고, 굽힘 하중이 가해지게 되면, 상기 전단키(111) 및 프랙탈 돌기(113)에 의해, 굽힘 하중에 대한 중립 축이 편심 되며 굽힘 하중의 작용 형태에 따라 그 위치가 가변 되며, 중립 축을 기준으로 어느 한 편으로는 압축 하중이 작용 되고, 다른 한 편으로는 인장 하중이 작용하게 되도록 마련된 것을 특징으로 하는 전단키를 구비한 섬유보강플라스틱튜브로 보강한 원심성형콘크리트 말뚝의 제작방법.
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