KR102630122B1 - 내진보강용 충전재 및 이를 이용한 교육시설물의 치장벽돌 벽체 - Google Patents
내진보강용 충전재 및 이를 이용한 교육시설물의 치장벽돌 벽체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 지진 발생 시 외벽 치장벽돌 벽체의 탈락 및 낙하에 의한 인명피해를 예방할 수 있는 내진보강용 충전재, 이를 이용한 치장벽돌 벽체 및 상기 치장벽돌 벽체를 구비하는 교육시설물에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 교육시설물의 치장벽돌벽체에 대한 내진보강용 충전재를 제공함으로써, 지진 발생 시 외벽 치장벽돌 벽체의 탈락 및 낙하에 의한 인명피해를 예방할 수 있으며, 조적구조(brick structure) 및 비구조의 내진보강 공법 개발에 기여할 수 있는 잠점이 있다.
Description
본 발명은 내진보강용 충전재 및 이를 이용한 교육시설물의 치장벽돌 벽체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지진 발생 시 외벽 치장벽돌 벽체의 탈락 및 낙하에 의한 인명피해를 예방할 수 있는 내진보강용 충전재, 이를 이용한 치장벽돌 벽체 및 상기 치장벽돌 벽체를 구비하는 교육시설물에 관한 것이다.
2017년 11월 15일 한국 포항에서는 5.4 규모(magnitude)의 지진이 발생하였다. 포항지진은 2016년 발생한 경주지진보다 규모는 작았지만, 피해 금액은 6배에 해당하는 약 650억 원으로 집계되었다.
특히, 시설물 피해는 민간시설물 25,362개소, 공공시설물 317개소이며, 피해금액은 294억원, 256억으로 집계되었다. 이는 포항지진으로 인한 전체 피해금액의 84.6%에 해당한다. 이때, 학교, 도로 및 다리(bridge) 등과 같은 공공시설물은 민간시설물에 비해 규모가 크기 때문에, 상대적으로 적은 피해개소에 비하여 막대한 피해금액이 발생하였다.
대한민국 행정안전부 통계자료에 따르면, 2017년 포항지진 시 공공시설물 중 가장 많은 피해를 입은 것은 교육시설물(educational facilities)이다. 교육시설물의 피해는 103개소로 전체의 32.5%에 해당하며, 피해액은 125억 원으로 전체에 49.1%를 차지한다.
교육시설물은 건물 외벽에 설치된 비구조 요소(non-structural components)에 의한 피해가 대부분이며, 그 중에서 치장벽돌 벽체(facing brick wall)의 손상에 의한 피해가 가장 높은 비중을 차지한다.
특히, 한국은 교육시설물이 대부분 노후화되어 외관을 치장벽돌 벽체로 리모델링한 경우가 많다. 그러나 치장벽돌 벽체는 대한민국 등록특허공보 제10-2300604호 등과 같이 공간쌓기(hollow masonry)방식으로 시공되기 때문에, 구조체, 즉, 콘크리트 벽체(concrete wall)과 별도의 연결재(connector)가 없다. 즉, 지진이 발생할 경우, 치장벽돌의 탈락 및 전도로 인한 인명사고 위험성이 매우 크다.
이와 같이 지진발생 시 비보강 치장벽돌 벽체의 피해가 다수 발생함에 따라 비구조체의 내진보강에 대한 사회적 요구가 높아지고 있는 실정인데, 현재의 내진성능 평가만으로는 교육시설물의 외부 치장벽돌의 위험성을 인지하기 어렵기 때문에, 교육시설물에 대한 치장벽돌 벽체의 내진보강이 시급한 상황이다.
본 발명자들은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 연구를 수행한 결과, 외부 치장벽돌벽체와 내부 콘크리트벽체 간의 충전재를 시공하는 방식을 채택함으로써 치장벽돌 벽체의 문제점을 보완하고, 노후화된 교육시설물의 내진보강을 도모할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 교육시설물의 치장벽돌벽체에 적합한 내진보강용 충전재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 내진보강용 충전재를 이용한 치장벽돌 벽체 및 상기 치장벽돌 벽체를 구비하는 교육시설물을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 모래, 합성 고분자 및 경화제를 포함하되, 상기 합성 고분자는 에폭시 수지, 고무, 지방족 디올 및 수산화알루미늄을 포함하고, 상기 경화제는 폴리아미드 수지, 지방족 디올 및 수산화알루미늄을 포함하는 내진보강용 충전재를 제공한다.
본 발명의 일 구현예로 상기 내진보강용 충전재는 상기 모래 100 중량부에 대하여, 상기 합성 고분자 25~35 중량부 및 상기 경화제 25~35 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 합성 고분자는 상기 에폭시 수지, 고무, 지방족 디올 및 수산화알루미늄을 2.5~3.5 : 0.5~1.5 : 0.5~1.5 : 3.5~4.5의 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 경화제는 상기 폴리아미드 수지, 지방족 디올 및 수산화알루미늄을 2.5~3.5 : 0.5~1.5 : 3.5~4.5의 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 내진보강용 충전재는 상기 모래, 합성 고분자 및 경화제를 1 : 0.3 : 0.3의 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 합성 고분자는 상기 에폭시 수지, 고무, 지방족 디올 및 수산화알루미늄을 3 : 1 : 1 : 4의 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 경화제는 상기 폴리아미드 수지, 지방족 디올 및 수산화알루미늄을 3 : 1 : 4의 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 지방족 디올은 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 트리프로필렌글리콜 및 테트라에틸렌글리콜로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 내진보강은 치장벽돌 벽체에 대한 내진보강일 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 치장벽돌 벽체는 교육시설물의 치장벽돌 벽체일 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 충전재로 내진보강된 치장벽돌 벽체를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 치장벽돌 벽체를 구비하는 교육시설물을 제공한다.
본 발명에 의하면, 교육시설물의 치장벽돌벽체에 대한 내진보강용 충전재를 제공함으로써, 지진 발생 시 외벽 치장벽돌 벽체의 탈락 및 낙하에 의한 인명피해를 예방할 수 있으며, 조적구조(brick structure) 및 비구조의 내진보강 공법 개발에 기여할 수 있는 잠점이 있다.
도 1a는 종래기술에 따른 공간쌓기 방식(hollow masonry method), 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전재를 통한 내진보강 방식을 나타내는 모식도이다.
도 2는 실시예 1(1차 실험)에서 제조한 충전재를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 2(2차 실험)에서 제조한 충전재를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 3(3차 실험)에서 제조한 충전재를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1(1차 실험)에서 제조한 충전재를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 2(2차 실험)에서 제조한 충전재를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 3(3차 실험)에서 제조한 충전재를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 실시예와 더불어 상세히 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
<실시예>
이하의 실시예에서 사용된 실험재료는 모르타르, 에폭시 수지, 아크릴 수지이다. 무수축 모르타르(non-shrinkage mortar)는 포틀랜드 시멘트, 실리카 및 작업성능개선재료가 혼합된 제품을 사용하였다.
상기 무수축 모르타르는 건조수축이 매우 적게 일어나 벽체 간 간격을 충분히 유지시킬 수 있다. 에폭시 수지는 열경화성 플라스틱의 하나로, 물과 날씨 변화에 잘 견디고, 빨리 굳으며, 접착력이 강하다. 특히, 에폭시 수지는 산과 알칼리에 매우 강하고, 접착성이 우수하여 모든 분야에 사용되며, 최고강도 발현까지 약 7일 정도가 소요된다.
본 실시예에서는 혼합 과정에서 경화 용도로 폴리아미드를 함께 사용하여 강도를 증진시켰다. 또한 아크릴 수지는 주로 유리 대용으로 사용되며, 접착 강도가 매우 높아 접착재 용도로 사용된다.
하기 표 1 및 표 2는 에폭시 수지와 아크릴 수지의 특성 및 장점을 정리한 것이다.
또한 에폭시 수지와 아크릴 수지는 상기 표 2와 같이 우수한 성형성, 접착성, 내약품성, and 내수성 등의 장점을 가진다. 특히, 에폭시 수지는 높은 탄성력과 타설 5분 후 최대 접착력이 발휘되고, 아크릴 수지는 내후성(weather-proof)이 우수하며, 경화제가 불필요한 특징을 갖고 있다.
1. 재료 및 혼합비율
(1). 1차 실험
1차 실험은 세 종류의 충전재를 사용하였다. M-X 충전재는 무수축 모르타르를 사용하였고, M-M 충전재는 무수축 모르타르(non-shrinkage mortar)와 작업성능 향상을 위해 견출용 혼화제인 메도몰(Mathomor)을 사용하였다.
합성 고분자(synthetic polymer) 재료를 사용한 E-S는 에폭시 수지를 이용하였다. 에폭시 수지는 반응성 희석제인 지방족 디올(에틸렌글리콜)이 함유되어 있고, 폴리아미드계 경화제와 함께 사용하였다.
본 실시예에서 제작된 충전재의 재료 혼합비율은 하기 표 3과 같다.
(2). 2차 실험
1차 실험과 달리 합성고분자 재료를 에폭시 수지에서 수용성 아크릴 수지로 변경하였다. 수용성 아크릴 수지도 에폭시 수지(과 마찬가지로 건축용 접착재료로 사용된다.
또한 경화제가 혼합 과정이 필요 없다. 그렇기 때문에 1차 실험보다 공정이 간소화되었다. 2차 실험의 합성고분자 재료 비율은 하기 표 4와 같이 No.106, No.260 두 개의 화학 재료(chemical materials)를 제작하였다.
No.260은 1차 실험보다 내화성능(fire resistance performance)을 향상시키기 위해 Al(OH)3을 첨가하였다. 재료의 혼합비율은 하기 표 5와 같다. 충전재는 No.106와 No.260을 이용하여 각각 3개씩 준비하여, 총 6개의 충전재를 제작하였다.
각각의 충전재는 합성고분자, 물 및 시멘트의 비율을 달리하여 최적의 가격과 성능을 찾고자 하였다.
(3). 3차 실험
상기 1차 실험에서 사용하였던 합성고분자 재료인 에폭시 수지를 다시 사용하였다. 에폭시 수지는 수용성 아크릴수지(water-soluble acrylic resin)와 달리 물을 사용하지 않았다.
따라서, 물의 증발현상으로 인한 건조수축이 발생하지 않아 벽체 간의 접착성이 더욱 양호할 것으로 판단하였다.
3차 실험의 합성고분자 재료 비율은 하기 표 6과 같고, 탄성을 갖는 고무, 반응 희석제인 지방산 디올(에틸렌글리콜)을 첨가하였으며, 경화제는 강도 향상에 도움을 주는 폴리아미드계 경화제를 사용하였다.
충전재의 혼합비율은 하기 표 7과 같다. 중량을 감소시키기 위한 스티로폼을 새로운 재료로 추가하였다.
충전재는 총 3가지 종류로서, E-S-A 충전재는 모래, 주재(synthetic polymer materials), 경화재를 사용하였으며, 추가로 내화성능(fireproof performance) 향상과 재료 간의 점도를 감소시키기 위하여 분말 형태인 Al(OH)3를 추가하였다. E-F-X 충전재는 공법의 경량화를 위해 모래대신 경제적이고 가벼운 스티로폼을 사용하였다. E-S-X 충전재는 E-S-A에서 난연재를 제거하고 주재와 경화재 비율을 높였다.
2. 실험결과
충전재 실험은 실험 과정에서 발생한 결함 사항을 개선시키기 위한 실험이었다. 충전재 내에 사용되는 재료의 비율과 종류를 변화시키며, 총 3번에 걸쳐 실험을 수행하였다. 실험결과는 다음과 같다.
(1) 1차 실험 결과
1차 실험은 에폭시 수지, 무수축 모르타르를 이용한 충전재를 실험하였다. E-S 충전재는 재료 간의 점도가 너무 높은 관계로 유동성이 매우 낮아 혼합 및 다짐(tamping)에 시간이 필요하였다.
도 2는 상기 1차 실험에서 제조한 충전재를 나타낸 것이다. 타설 과정(placement process)에서 다짐이 미흡한 경우, 도 2에서 보는 바와 같이, E-S 충전재 내부에 존재하는 기포가 빠져나가면서 수축이 발생하였다. 또한 E-S 충전재가 양생 과정에서 모래와 주재가 혼합되지 못하고 재료 분리(material segregation)가 발생하였다.
M-M 충전재와 M-X 충전재는 기존에 사용되는 재료인 만큼 실험 결과에서 문제는 발생하지 않았다.
(2) 2차 실험 결과
2차 실험에서는 합성고분자 재료로 에폭시 수지와 폴리아미드계 경화제 대신 수용성 아크릴 수지를 사용하였다. No.106과 No.260을 이용한 총 6개의 충전재를 제작하였다. 충전재 제작 과정에서 물, 무수축 모르타르 및 주재를 혼합하였다.
도 3은 상기 2차 실험에서 제조한 충전재를 나타낸 것이다. 실험 결과, 도 3에서 보는 바와 같이, 충전재 내부의 수분이 증발하여 건조수축이 발생하였다. 이로 인해 실험에 사용한 벽돌 간의 접착은 가능하지만, 콘크리트 벽체와 접착 강도가 발휘되지 않아 치장벽돌(facing bricks)들이 탈락 및 전도될 가능성이 있는 것으로 판단된다.
(3) 3차 실험 결과
콘크리트 벽체와 접착성을 높이기 위해, 양생 과정에서 수축이 발생하지 않는 재료인 에폭시 수지와 폴리아미드계 경화제를 다시 사용하였다. 1차 실험과 달리 재료의 점성을 낮추기 위해 Al(OH)3의 비율을 높였으며, 탄성성능 향상을 위한 고무를 첨가하여 3개의 충전재를 제작하였다.
도 4는 상기 2차 실험에서 제조한 충전재를 나타낸 것이다. 도 4에서 보는 바와 같이, E-S-A 충전재의 경우, 주재 내에 첨가된 난연재 외에 분말 형태의 Al(OH)3를 혼합하였다. 그 결과, 충전재의 점성은 낮아지고 유동성이 올라갔다. 하지만 양생 후, 실험에 사용하였던 벽돌이 충전재와 일체화 되지않고 분리되었다.
E-F-X 충전재의 경우, 경제성과 경량화를 위해 스티로폼을 사용하였으나, 주재가 벽돌 틈으로 유출되어 양생이 정상적으로 이뤄지지 않았다.
E-S-X 충전재의 경우, 충전재에 분말 형태의 Al(OH)3를 사용하지 않았다. 그에 따라, E-S-A 충전재보다 재료 간의 점성이 높아져 충전재의 유동성이 상대적으로 낮아졌다. 그러나 양생과정에서 발생했던 문제점인 E-S-A 충전재의 건조수축 현상이 일어나지 않았으며, E-F-X의 충전재의 재료 유출 문제가 나타나지 않았다.
3. 결론
본 발명의 목적은 교육시설물에 사용되는 치장벽돌의 피해를 줄이기 위해 합성고분자를 이용한 충전재의 개발이다. 실험에 사용된 재료는 에폭시 수지, 아크릴 수지, 무수축 모르타르이다.
실험은 시멘트 벽돌 공간 사이에 충전재를 충전시키고 7일간의 양생을 하였다. 양생 후, 벽돌 간의 접착성, 건조수축, 시공연도(workability) 등을 고려하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
첫째, 1차 실험은 에폭시 수지와 모래를 혼합한 E-S, 무수축 모르타르인 M-X, 무수축 모르타르에 메도몰(mathomor)을 혼합한 M-M 총 3개의 충전재를 제작하였다. 그 결과, E-S는 재료분리가 발생하였다. 이에 벽체공사 시에 충전재의 점성 감소와 품질저하 문제가 발생할 수 있다.
또한 재료 다짐시간과 낮은 유동성으로 시공연도가 좋지 않다. M-X 와 M-M의 시공 난이도는 기존 모르타르(mortar) 작업과 같았으나, 탄성거동(elastic behavior)이 더욱 우수한 충전재를 얻고자 하였다.
둘째, 2차 실험은 1차 실험의 문제점을 보완하고자 합성고분자 재료를 변경하였다. 변경된 재료는 수용성 아크릴 수지이다. 1차 실험의 문제점이었던 재료 간의 점도가 에폭시 수지보다 상대적으로 낮다. 따라서, 충전재의 시공연도(workability)가 향상된다.
또한 혼합 과정에서 경화제의 사용이 없기 때문에 과정이 간소화되었다. 하지만 수용성 재료를 사용하기 때문에, 물이 증발하면서 충전재의 건조수축이 일어났다. 그 결과, 벽돌과 간격 유지가 제대로 되지 않았다. 건조수축 문제에 대한 개선이 필요하였다.
셋째, 3차 실험의 경우, 에폭시 수지를 다시 사용하여 건조수축 문제를 해결하고자 하였다. 충전재의 화학재료는 에폭시 수지와 탄성을 높이기 위한 고무를 추가하였다. 또한 점도를 감소시키면서 내화성능을 높이기 위해 Al(OH)3를 첨가하였다. 충전재 제작은 에폭시 수지와 다른 재료를 혼합하였다.
스티로폼과 혼합한 E-F-X, 모래와 분말 형태의 Al(OH)3를 혼합한 E-S-A, 모래와 혼합한 E-S-X를 제작하였다. E-F-X의 경우, 양생 과정에서 충전재가 벽돌 틈으로 유출되어 정상적인 양생이 되지 않았다. E-F-X는 분말 형태의 Al(OH)3를 충전재의 점도를 감소시키기 위해 혼합하였다. 벽체와의 접착성(adhesive)도 같이 낮아져 벽돌이 분리되었다.
E-S-X는 점도와 접착성이 양호하였다. 또한 건조수축, 재료분리 같은 결함이 발생하지 않았다. 즉 1차, 2차 실험에서 발생하였던 문제점을 보완하였으며, 3차 실험의 다른 충전재가 보였던 문제점도 나타나지 않았다.
최종적으로 E-S-X 충전재가 교육시설물의 치장벽돌 벽체의 내진보강 공법(seismic retrofit method)에 가장 적합한 것으로 나타났다. 본 발명의 결과는 실무에 적용 가능한 새로운 교육시설물의 치장벽돌벽체 내진보강 공법 개발에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
이상으로 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
Claims (12)
- 모래, 합성 고분자 및 경화제로 이루어지되,
상기 합성 고분자는 에폭시 수지, 고무, 지방족 디올 및 수산화알루미늄을 포함하고,
상기 경화제는 폴리아미드 수지, 지방족 디올 및 수산화알루미늄을 포함하고,
상기 모래, 합성 고분자 및 경화제를 1 : 0.3 : 0.3의 중량비로 포함하고,
상기 합성 고분자는 상기 에폭시 수지, 고무, 지방족 디올 및 수산화알루미늄을 3 : 1 : 1 : 4의 중량비로 포함하고,
상기 경화제는 상기 폴리아미드 수지, 지방족 디올 및 수산화알루미늄을 3 : 1 : 4의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 내진보강용 충전재.
- 삭제
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- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 지방족 디올은 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 트리프로필렌글리콜 및 테트라에틸렌글리콜로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 내진보강용 충전재.
- 제1항에 있어서, 상기 내진보강은 치장벽돌 벽체에 대한 내진보강인 것을 특징으로 하는 내진보강용 충전재.
- 제9항에 있어서, 상기 치장벽돌 벽체는 교육시설물의 치장벽돌 벽체인 것을 특징으로 하는 내진보강용 충전재.
- 제1항 및 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항의 충전재로 내진보강된 치장벽돌 벽체.
- 제11항의 치장벽돌 벽체를 구비하는 교육시설물.
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