KR19990019542A - 보강재의 단계적 부착에 의한 구조물 보강공법 - Google Patents

Abstract

콘크리트 구조물의 내하력을 증가시키기 위하여, 강판이나 기타 적절한 보강재를 부착하여 구조물을 보강하는 보강공법이 개시된다. 본 발명에 의한 보강공법은, 콘크리트 구조물에 섬유재질의 보강재를 접착순서의 순으로 상기 보강재의 길이를 짧게 가공하여 다층으로 부착시키는 공정을 포함하여, 보강하고자 하는 부분의 모든 영역에 걸쳐 보강재를 보강하지 않고 최대 인장력이 인가되는 중앙부에 보강량을 늘리는 것이 가능함에 따라 재료비를 절감할 수 있고, 단부에서의 부착응력을 분산시켜 단부에서의 균열 발생을 억제할 수 있다.

Description

보강재의 단계적 부착에 의한 구조물 보강공법

본 발명은 콘크리트 구조물과 같은 구조물에 있어서, 보에 균열 및 열화 등에 의하여 붕괴현상이 발생되거나 붕괴가 예상되는 부분이나, 내하력을 증가시킬 필요가 있는 보나 슬라브의 한 부분에, 강판이나 기타 적절한 보강재를 부착하여 구조물을 보강하는 보강공법에 관한 것이다.

통상, 강판이나 탄소섬유, 유리섬유, 등이 부착 보강된 부재의 파괴는 1) 보강 부재의 단부에서 시작하는 원 콘크리트의 사인장파괴, 2) 보강재와 평행하게 진행되는 원 콘크리트에 발생하는 전단파괴, 3) 보강 부재의 단부에서 시작하는 에폭시와 원 콘크리트의 경계면에서의 부착파괴, 4) 에폭시층의 전단파괴, 5) 에폭시층과 보강재 사이의 부착파괴, 및 6) 보강량이 부족하여 발생하는 보강재를 포함하는 휨인장파괴의 여섯가지 유형으로 구분된다.

보강 부재의 경우, 정상적인 품질의 에폭시를 적정한 방법으로 시공하면 에폭시가 떨어지거나 에폭시가 균열되는 3), 4), 5) 유형의 파괴는 거의 발생되지 않는다. 또한 보강량이 부족한 경우 발생하는 6) 유형의 파괴도 강판의 경우에는 거의 발생하지 않으며, 다른 보강재의 경우도 적정한 설계를 통하여 보강량을 증가시키므로써 해결할 수 있다. 그러나 2)의 파괴유형은 원 콘크리트의 표면 강도가 떨어지고, 보강 부재의 단부에 전단응력이 집중되는 현상 때문에 발생되는 것으로서 보강부재가 설계 내하력을 발휘하기 전에 단부에서의 균열발생으로 인하여, 파괴로 진행되는 것이다. 이러한 단부에서의 부착 파괴가 발생되는 것은 보강재가 제 기능을 발휘하지 못한다는 것을 의미하며, 따라서, 이를 해결하거나 완화시킬 수 있는 방안이 반드시 강구되어야만 하는 문제이다. 이러한 보강재 단부에서의 부착파괴를 적절한 방법을 통하여 방지할 수 있게되면, 궁극적으로는 1)의 파괴가 발생한다. 전단보강이 병행된 경우에도 전단보강 보강재의 단부에서 테두리를 따라 가는 파괴가 가장 대표적인 파괴이고, 전단보강재 자체도 부착길이가 짧기 때문에 단부에서의 부착파괴로부터 파괴가 시작된다는 단점이 있으므로, 부착식 보강 공법의 경우는 단부 파괴를 방지할 수 있는 보강 방법의 개발이 가장 중요하며 시급히 해결해야만 될 문제임을 의미한다.

부착식 보강공법중 가장 대표적인 공법은 강판부착 보강공법으로서 주입법과 압착법이 있으며, 탄소섬유나 유리섬유의 경우에는 압착법이 대표적인 보강방법이고, 주입법은 강판보강의 경우에 사용되는 방법이며 보강재를 기존의 구조물로부터 2 내지 5 밀리미터(mm) 정도의 간격을 두고 그 사이에 에폭시 수지를 주입하여 부착시키는 방법이다. 주입법의 경우는 국내에서 널리 사용되고 있는데 이는 국내의 기존 구조물의 시공상태가 불량한 경우가 많기 때문에 보강재와 기존 구조물 사이의 간격이 일정하지 않아서 압착법을 사용하기가 곤란한 경우가 많기 때문에 사용되고 있는 공법이다. 강판 압착법의 경우는 구조물의 표면과 보강재의 접착면 사이에 에폭시를 도포하여 보강재를 본 구조물에 직접 부착시키는 방법으로서, 선진외국에서 널리 사용되고 있는데, 선진외국의 경우는 구조물의 표면 상태가 양호하기 때문에 보강 부재를 직접 구조물에 부착하는 것이 가능하기 때문에 적용이 가능한 공법이다. 또한 탄소섬유나 유리섬유를 이용한 압착식 보강공법은 강판의 압착법과 비슷하나 보강재 자체의 강성이 없으므로 벽지도배와 유사한 방법으로 공사가 시행되고 있다.

이들 부착식 보강 방법들은 모두 보강부재를 적절히 절단, 가공하여 시공을 하는데, 이러한 기존의 방법은 앞서 언급된 여러 가지 문제점과 취성적인 파괴양상을 보이고 있기 때문에 본 발명에서는 이런 문제들을 해결하거나 최소한 완화시킬 수 있는 새로운 개념의 단부 보강 방법을 제시하였다. 부착보강의 경우, 보강재 단부에서 원 콘크리트에 발생되는 응력을 분산, 약화시키는 방법을 제시하여, 보강재 단부에서의 파괴 발생을 방지하고, 보강재의 설계 성능이 모두 발휘될 수 있는 공법을 제안하는 것이 본 발명의 목적이다.

구조물을 보강하는 보강공법은 주로 강판을 이용한 보강공법과 특수 섬유재를 이용한 보강공법이 사용되는데, 강판을 이용한 보강 공법은 강판의 무게가 무거워 작업하기가 어렵지만 재료비가 상대적으로 저렴하고, 특수섬유재를 이용한 보강공법은 특수섬유재의 가격이 강판에 비해 비싸기 때문에 재료비가 많이 소요된다는 단점이 있으나, 강판에 비해 무게가 가벼워 작업이 용이하여. 최근에는 이러한 특수섬유재를 보강재로 사용하는 보강공법이 널리 사용되고 있는 추세이다. 공학적인 성능이 뛰어난 특수섬유재료는 탄소섬유이외에도 유리섬유(glass fiber), 보론섬유(boron fiber), 케블러섬유(Keveler fiber), 아라미드섬유(aramid fiber), 등, 다양한 종류가 있으나, 아직 국내의 건설현장에서 사용되는 섬유의 종류는 탄소섬유가 가장 대표적이다.

구조물의 보수, 보강과 관련하여 국내에서 특허 출원되어 공개 또는 공고된 것으로서는 우선, 대한민국 특허 공고번호 95-9058에 기존 들보의 바닥에 보강판을 부착하고 그 단부에 보의 전단보강을 겸할 수 있는 보강판이 몇 개 부착되어 있는 형태의 보강방법에 제시되어 있고, 일본의 보강회사인 쇼본드에 의하여 출원된 대한민국 특허 공개번호 96-23523에는 슬래브의 바닥을 탄소섬유쉬트로 보강하는 공법이 제시되어 있다. 일본의 탄소섬유 생산회사인 도넨에서 출원한 대한민국 특허 공개번호 96-14559에는 탄소섬유쉬트를 이용한 콘크리트 바닥판의 보강방법이 제시되어 있으며, 특히 콘크리트 슬래브를 보강하기 위한 방법으로 슬래브의 상면을 몇 개의 구역으로 나누어 보강하는 방법을 제시하고 있다. 쇼본드에서 출원한 또 다른 대한민국 특허 공개번호 96-23520에서는 슬래브 상판의 부모멘트 보강을 위한 방법이 제시되어 있다.

도 1에 종래의 보강공법을 사용하여 보강된 콘크리트 구조물을 도시하였다. 도 1을 참조하면, 종래의 보강공법을 사용하여 보강된 콘크리트 구조물(110)은, 콘크리트 구조물(110)의 하단에 예를들어 보강판이나 탄소섬유쉬트와 같은 보강재(112)를 약간의 간격을 두어 위치시킨 다음, 콘크리트 구조물(110)과 보강재(112)의 사이에 에폭시(epoxy)를 주입하여 경화시킨 에폭시층(114)을 형성하여 보강재(112)를 부착시킴에 의해 보강되어 있다.

상기의 보강공법에 의하여 보강된 콘크리트 구조물(110)에 하중(A)이 작용하면, 경계면에는 확대도시(B)된 것과 같은 힘의 작용이 발생되는데, 이해를 돕기 위하여 경계면의 단면도(B)를 참조하면, 하단에 부착된 보강재(112)의 미소요소의 양단에는 상기 하중(A)에 의해 인장력(T₁, T₂)이 작용하고, 에폭시층(114)의 상하단에는 상기 인장력(T₁, T₂)에 의해 서로 근접한 평행면간에 크기는 같고 방향이 반대로 작용하는 힘인 전단력(V)이 작용하게 된다. 이러한 전단력은 보강재의 단부에서 최대값에 도달하는데 외부하중에 의한 보강재의 부착이 파괴되지 않는다면, 구조물의 하단에 작용하는 인장응력과 결합하여 사인장력이 발생하게 된다. 이 경우 콘크리트에 작용하는 사인장력이 콘크리트의 인장강도보다 커지게 되면 콘크리트에는 균열이 발생하고, 상기 균열은 단부(D)에서의 부착 파괴나 사인장파괴를 발생시키게 된다. 이러한 파괴는 보강재(112) 전체로 급격하게 진행되어 보강재(112)가 콘크리트 구조물(110)로부터 이탈됨에 따라 상기 보강재(112)는 더 이상 구조물의 내하력을 증가시키는 작용을 하지 못하게 된다. 이상에서 설명한 바와 같이 종래의 보강재 부착에 의한 보강공법은 콘크리트에 작용하는 전단력에 의해 단부(D)에서 탈락파괴가 발생하기 쉽다는 단점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 특수섬유재를 보강재로 사용하여 보강된 구조물에서 보강재의 중앙부에서 인장력이 최대 모멘트로 작용하여 중앙부가 파단되는 것에 착안하여, 보강재의 사용량을 최소로 하면서 중앙부의 보강량을 늘리고, 단부의 부착응력을 분산시켜 단부에서의 부착력은 유지하면서 최소한의 재료를 사용하여 구조물의 내하력을 최대한 증진시키는 보강공법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 보강재 단부에서의 강성을 완화시켜 유연성을 증가시킴으로써 보강재 단부에서의 균열발생을 억제하여 구조물의 내하력을 증진시키는 보강공법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 보강공법을 사용하여 보강된 콘크리트 구조물의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물의 사시도이다.

도 3은 도 2의 저면도이다.

도 4는 도 2의 측면도이다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 타실시예들에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물의 사시도이다.

도 8은 도 7의 측면도이다.

도 9는 본 발명의 타실시예에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물의 사시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

120, 130, 140, 150, 160...콘크리트 구조물,

122, 124, 126, 132, 134, 136, 142, 144, 146, ...보강층,

152, 162...보강판,

164...에폭시층,

E, F...곡선절단가공.

H, J...단부방향으로 두께가 얇아지게 가공.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 보강재 부착에 의한 보강공법은, 콘크리트 구조물에 섬유재질의 보강재를 접착순서의 순으로 상기 보강재의 길이를 짧게 가공하여 다층으로 부착시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강재는 단부의 모서리를 직선절단 또는 곡선절단 가공한 보강재인 것이 바람직하다.

상기 다른 과제를 이루기 위하여 본 발명의 보강재 부착에 의한 보강공법은,

구조물에 보강재를 부착하여 상기 구조물을 보강하는 보강공법에 있어서, 상기 보강재를 단부부위에서 두께가 점진적으로 얇아지도록 가공하여 부착시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 보강재 부착에 의한 보강공법의 바람직한 실시예들을 설명하기로 한다.

도 2에 본 발명의 일실시예에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물의 사시도를 도시하였고, 도 3과 도 4에는 각각 도 2의 저면도와 측면도를 도시하였으며 도 4에는 참고적으로 콘크리트 구조물(120)을 지지하는 지점(AZ)을 원으로 표시하였다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물(120)은 얇은 쉬트(sheet) 형태로 가공된 탄소섬유재인 제 1 보강층(122), 제 2 보강층(124), 제 3 보강층(126)이 기술된 순서에 따라 점진적으로 길이가 짧게 가공되어 도시한 바와 같이 적층방식으로 부착 되어있다.

상기와 같이 보강된 콘크리트 구조물(120)은 단부(B)의 부착 단면적이 도 1에서 설명한 종래의 보강공법과 동일하게 유지되기 때문에 단부(B)의 부착강도도 종래의 보강공법과 동일하게 유지하면서, 인장력이 최대로 작용하는 중앙부에서는 보강량이 증가되었기 때문에 중앙부의 내하력은 증가된다. 따라서, 본 발명에 의한 보강공법은 보강하고자 하는 부분의 모든 영역에 걸쳐 탄소섬유를 보강하지 않고 최대 인장력이 작용하는 중앙부를 중심으로 보강량을 늘리는 것이 가능하여 재료비를 절감할 수 있다. 도 4를 참조하면, 제 1 보강층(122), 제 2 보강층(124), 제 3 보강층(126)에 작용하는 인장력은 각 보강층의 단부(B, C, D)에서 전단력으로 작용하게 되므로 보강재 전체에 작용하는 전단력은 3 개 보강재의 단부(B, C, D)에 걸쳐 널리 분산된다. 따라서, 인장력이 분산됨에 의해 보강재와 보강재 단부 근처의 콘크리트의 내부에서 발생되는 부착응력도 분산되어 보강재 단부에서의 균열발생을 방지할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 타실시예에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물의 사시도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물(130)은 얇은 쉬트 형태로 가공된 탄소섬유재인 제 1 보강층(132), 제 2 보강층(134), 제 3 보강층(136)이 기술된 순서에 따라 점진적으로 길이가 짧게 가공되고, 각 보강층의 모서리부가 곡선 절단 가공(E)되어, 도시한 바와 같이 적층방식으로 부착 되어있다.

상기와 같이 보강된 콘크리트 구조물(120)은, 제 2 도로 설명한 실시예에서설명한 효과를 동일하게 얻을 수 있으며, 또한 모서리부가 곡선 절단 가공(E)에 의해 응력이 집중되는 모서리의 각(角)진 부분이 제거되어 있음에 따라, 상기 응력이 모서리부 주위로 고르게 분산되어 상기 응력에 의한 균열발생을 억제할 수 있게 되어 단부의 부착력을 보다 효율적으로 증진시킬 수 있다. 이와같이, 모서리부를 곡선 절단 가공(E)하는 것은 재료의 가공성을 고려하여 적용하는 것이 바람직하다.

도 6에는 본 발명의 타실시예에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물의 사시도를 도시하였다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물(140)은, 얇은 쉬트 형태로 가공된 탄소섬유재인 제 1 보강층(142), 제 2 보강층(144), 제 3 보강층(146)이 기술된 순서에 따라 길이가 짧게 가공되고, 특히 제 3 보강층(146)은 대폭적으로 길이가 짧게 가공되며, 각 보강층의 모서리부는 곡선 절단 가공(F)되어, 도시한 바와 같이 적층방식으로 부착 되어있다.

상기와 같이 보강된 콘크리트 구조물(140)은, 제 5 도로 설명한 실시예에서설명한 효과를 동일하게 얻을 수 있으며, 특히, 파단 발생이 예상되는 중앙부만을 집중적으로 보강하는 것이 가능함을 시사한다.

도 7에는 본 발명의 타실시예에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물의 사시도를 도시하였고, 도 8에는 도 7의 측면도를 도시하였다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물(150)은 도시한 바와 같이 단부(G)가 단부(G)방향으로 두께가 얇아지게 가공(H)된 보강판(152)이 접착처리에 의해 부착됨으로써 보강되어 있다.

상기와 같이 보강된 콘크리트 구조물(150)은 보강판(152)의 단부(G)가 단부(G)방향으로 두께가 얇아지게 가공(G)됨으로써 단부(G)의 콘크리트 구조물(150)에 접촉되는 단면적은 그대로 유지하면서 단부(G)의 강성이 감소되어 유연성이 증가된다. 유연성이 증가됨에 따라 단부(G)에 작용하는 응력은 분산되어 감소되므로, 단부(G)에서의 부착전단응력이 감소하게 되고, 콘크리트 구조물(150)의 내하력이 증진된다.

도 8에는 보강된 콘크리트 구조물(150)을 측면 도시하여 보강판(152)의 단부(G)가 단부(G)방향으로 두께가 얇아지게 가공(G)되어 단부(G) 끝의 두께(X)가 임의의 타위치의 두께(Y)보다 얇게 형성되어 있음을 나타내었으며, 참조로 콘크리트 구조물(150)을 지지하는 지점(V)의 위치를 표시하였다.

도 9에는 본 발명의 타실시예에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물의 사시도를 도시하였다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 보강공법으로 보강된 콘크리트 구조물(160)은 도시한 바와 같이 단부(I)가 단부(I)방향으로 두께가 얇아지게 가공(J)된 보강판(162)을 콘크리트 구조물(160)과 보강판(162)사이에 에폭시를 주입하여 에폭시층(164)을 형성시킴에 의해 부착시킴으로써 보강되어 있다.

상기와 같이 보강된 콘크리트 구조물(160)은 도 7에서 설명한 실시예에서와 동일한 효과를 도모할 수 있으며 예를들어 강판주입법에도 적용이 가능함을 나타낸다.

이상에서 설명된 각 보강층의 재료는 탄소섬유재 뿐만 아니라 아라미드 섬유나 보론 섬유, 케블러 섬유등을 사용하여도 무방하며, 모서리부의 절단 가공은 재료의 가공성에 따라, 직선 절단 가공 또는 곡선 절단 가공법이 선택적으로 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 보강재 부착에 의한 보강공법은, 보강하고자 하는 부분의 모든 영역에 걸쳐 보강재를 보강하지 않고 최대 인장력이 인가되는 중앙부에 보강량을 늘릴 수 있어 재료비의 절감이 가능하고, 또한, 단부에서의 부착응력 분산에 의해 단부에서의 균열발생도 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. 구조물에 섬유재질의 보강재를 접착순서의 순으로 상기 보강재의 길이를 짧게 가공하여 다층으로 부착시키는 공정을 포함하는 보강공법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보강재는 단부의 모서리를 직선절단 또는 곡선절단 가공한 보강재인 것을 특징으로 하는 보강공법.
3. 구조물에 보강재를 부착하여 상기 구조물을 보강하는 보강공법에 있어서, 상기 보강재를 단부부위에서 두께가 점진적으로 얇아지도록 가공하여 부착시키는 공정을 포함하는 보강공법.