KR200210970Y1 - 띠철근, 나선철근 및 스터럽 철근 대체용 로우프형복합소재 보강근 - Google Patents

Abstract

본 고안은, 토목 및 건축용 철근 콘크리트 구조물에서, 기둥의 띠철근 및 나선철근과, 보의 스터럽 철근을 대체할 수 있는 로우프형 복합소재 보강근에 관한 것이다. 본 고안의 복합소재 보강근은, 강화섬유와 유연성 수지로 이루어진 경량, 고강도, 고내구성, 내부식성 특성을 보유한 복합소재로 제작되어 유연성을 가지고 있어 나선형 배근이 용이하다. 또한, 본 고안의 복합소재 보강근은, 종래의 철근에 비하여 가공 및 조립이 극히 용이하고, 경량으로 운반 및 취급이 용이하여 시공성이 우수하며, 작업공기를 단축시킬 수 있다. 따라서, 본 고안의 복합소재 보강근은 철근 콘크리트 기둥의 띠철근 및 나선철근, 보의 스터럽 철근을 대체할 수 있다.

콘크리트 기둥의 띠철근 및 나선철근을 대체하기 위하여 본 고안의 복합소재 보강근을 사용하는 경우 원형이나 사각형 단면에 관계없이 어떠한 크기를 가지는 기둥에 대해서도 나선형의 연속배근이 가능하므로 불연속적인 띠철근 형태에 비해 구속효과(confinement)를 증진시킨다. 또한, 복합소재 보강근의 인장강도가 철근에 비해 2배 이상의 고강도이므로 종래의 띠철근이나 나선철근에 비해 구속효과가 크게 증가한다. 이러한 구속효과의 증진으로 콘크리트 기둥의 연성이 크게 증가되며, 구속된 콘크리트의 압축강도도 크게 증가된다. 이러한 연성의 증가와 압축강도 증진은 붕괴하중이나 지진 등에 의해 구조물이 파괴상태에 도달했을 때 구조적인 안전성을 크게 증대시키게 된다.

콘크리트 보의 스터럽 철근 대체용으로 본 고안의 복합소재 보강근을 사용하면, 전단에 의한 사인장 균열에 수직방향인 주응력 방향으로 경사스터럽 처럼 용이하게 배근할 수 있으므로 전단에 대해 더욱 효과적으로 대응할 수 있고, 나선형의 연속적인 배근이 가능하고 복합소재 보강근이 고강도이므로 콘크리트 보의 구속효과를 증진시켜 연성을 증가시키고, 구속된 콘크리트의 압축강도를 증진시키므로 전단과 비틀림에 대한 구조적인 안전성을 증대시킬 수 있다.

그 뿐만 아니라, 본 고안의 복합소재 보강근은 내부식 특성을 가지고 있어 종래의 철근부식으로 인한 콘크리트의 균열, 박리, 구조성능저하 등의 노후화 문제가 없으므로 구조물의 내구성을 증진시키고 그에 따라 내구연한을 증대시킨다.

Description

띠철근, 나선철근 및 스터럽 철근 대체용 로우프형 복합소재 보강근{Rope Type Composite Bar to Replace Tie and Spiral Reinforcing Bar and Stirrup}

본 고안은, 토목 및 건축용 철근 콘크리트 구조물에서 기둥의 띠철근, 나선철근 및 보의 스터럽 철근을 대체할 수 있는 로우프형 복합소재 보강근에 관한 것으로, 구체적으로는, 강화섬유와 유연성 수지로 이루어져 경량, 고강도, 고내구성, 내부식성 특성을 보유한 복합소재로 제작되어, 원형단면 또는 직사각형 단면을 가지는 철근 콘크리트 기둥의 띠철근이나 나선철근을 대체하거나 철근 콘크리트 보의 전단보강을 위하여 사용되는 스터럽 철근을 대체할 수 있는 로우프형 복합소재 보강근에 관한 것이다.

종래의 철근 콘크리트 구조물의 콘크리트 기둥의 경우, 종방향 철근과 내부 콘크리트에 대한 횡방향 구속을 위하여, 사각기둥에는 띠철근을 사용하고, 원형기둥에는 주로 나선철근을 사용하여 종방향 철근인 주철근을 둘러 감아 철근을 배근하고 있다. 또한 직경이 비교적 큰 원형 교각의 경우에는 나선철근의 사용이 곤란하여 띠철근을 사용하여 배근한다.

띠철근 콘크리트 기둥은 파괴압축하중을 받는 콘크리트가 심하게 균열 파손됨에 따라, 횡방향으로 구속시켜주는 띠철근과 띠철근 사이로 큰 압축응력을 받는 콘크리트가 깨어져나와 종방향 철근이 좌굴되면서 기둥이 급작스럽게 붕괴되는 파괴모드를 가진다. 따라서, 띠철근을 사용하는 경우 구조물 파괴시 구속효과에 의한 연성이 충분히 발휘될 수 없으며, 기둥의 종방향 철근에 대한 좌굴방지에도 효율적이지 못하다. 또한, 띠철근의 배근을 위해서는 사전에 철근의 가공과 조립이 필요한데, 철근은 강재로 이루어져 있어 중량이 무겁고 철근의 가공 및 조립작업이 용이하지 않아 시공성이 저하되는 단점이 있다.

나선철근 콘크리트 기둥의 경우에는, 파괴압축하중 작용시 기둥 외곽의 피복 콘크리트는 박락되더라도 연속적으로 촘촘히 배치된 나선철근과 종방향 철근이 우리(cage)를 형성하여 내부의 콘크리트를 단단히 구속시켜주게 되므로, 연성을 크게 증가시켜 기둥의 갑작스런 파괴가 방지된다. 종국적으로 압축된 콘크리트의 팽창력에 의해 나선철근이 항복에 이를 때까지는 기둥의 파괴가 일어나지 않아 파괴압축하중 작용시나 지진발생시 기둥의 구조적인 안전성을 보장시켜준다. 그러나 나선철근의 경우에도, 사용되는 철근의 재료가 강재이므로 중량이 무거워서 가공 및 조립이 용이하지 않으며, 그에 따라 시공시의 작업효율이 떨어지는 단점이 여전히 존재한다.

철근 콘크리트 구조물의 콘크리트 보에 하중이 작용하게 되면, 보의 지점부근에서 전단력이 발생하게 되며, 전단파괴시에는 45도 경사의 사인장 균열이 발생하면서 급작스럽게 붕괴된다. 이러한 전단파괴에 대비하여 종래에는 보의 주철근인 종방향 철근의 외곽에 스터럽 철근을 배근하고 있다.

종래의 스터럽 철근도 기둥의 띠철근과 마찬가지로 배근을 위해서는 사전에 철근의 가공 및 조립이 필요하며, 재료가 강재이므로 중량이 무거워서 운반 및 취급시 작업효율이 떨어진다.

또한, 전단에 더욱 효과적으로 대응하기 위해서는 사인장 균열에 수직방향인 주응력 방향의 경사스터럽이 배근되는 것이 바람직하나 시공의 편의상 45도 주응력 방향 대신 보의 축에 직각방향으로 배근되는 수직 스터럽을 주로 사용하고 있다. 이러한 철근을 이용한 종래의 스터럽은 나선형의 연속배근이 용이하지 않아 불연속적으로 배근될 수 밖에 없으며, 그 결과로 콘크리트 보에 대한 구속효과가 적어 파괴시 연성이 크지 않고, 구속된 콘크리트의 압축강도 증진효과가 적은 단점이 있다.

또한, 전술한 콘크리트 기둥의 띠철근 및 나선철근, 보의 스터럽 철근은 강재로 이루어져있다는 재료특성상 부식을 피할 수 없고, 철근부식으로 인한 철근의 체적팽창으로 콘크리트의 균열과 박리가 발생하여 콘크리트 구조물 자체를 손상시키게 되며, 궁극적으로는 콘크리트 구조물의 구조적인 성능을 저하시키게 되는 문제점이 있다.

본 고안은 위와 같이 강재 재료를 사용하는 종래의 콘크리트 기둥의 띠철근과 나선철근, 콘크리트 보의 스터럽 철근이 가지는 문제점을 해결하고 이들 철근보다 더 우수한 성능을 가질 수 있는 대체품을 제공하기 위하여 개발된 것이다.

구체적으로 본 고안은 콘크리트 기둥의 띠철근, 나선철근이나 콘크리트 보의 스터럽 철근을 대체할 수 있는 충분한 강도를 가지고 있으면서도 경량이며 유연성을 가지고 있어 가공과 조립이 용이하며, 사각형이나 원형 등 어떠한 단면형태의 구조물에 대해서도 나선형 배근이 가능하여 구조적인 안전성을 보장할 수 있고, 부식이 없어 구조물의 내구성이 증진되는 새로운 보강근을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1a 및 도 1b는 본 고안에 따른 로우프형 복합소재 보강근의 일부를 도시한 개략도인데, 도 1a는 복합소재 보강근의 표면에 요철부가 로빙사를 감아서 형성된 실시예에 관한 것이고, 도 1b는 복합소재 보강근의 표면에 요철부가 입자물질을 뿌려서 형성된 실시예에 관한 것이다.

도 2a 및 도 2b는 본 고안에 따른 로우프형 복합소재 보강근을 이용하여 사각기둥의 띠철근 및 원형기둥의 나선철근을 대체한 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.

도 3은 본 고안에 따른 로우프형 복합소재 보강근을 이용하여 콘크리트 보의 스터럽 철근을 대체한 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.

도 4는 본 고안에 따른 로우프형 복합소재 보강근을 사각기둥에 사용한 경우 주철근 위치고정수단과 함께 주철근 주변에 복합소재 보강근을 나선형으로 배근한 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 복합소재 보강근 2 : 표면 요철부

3 : 입자물질 10 : 사각형 콘크리트 기둥

11, 21 : 종방향 주철근 20 : 원형 콘크리트 기둥

22 : 위치고정수단 30 : 콘크리트 보

31 : 하부 주철근 32 : 상부 주철근

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안에서는 강화섬유와 유연성 수지로 이루어지며 로우프 형태로 제작되어 경량, 고강도, 고내구성, 내부식성 특성을 보유한 로우프형 복합소재 보강근이 제공된다.

구체적으로 본 고안은 충분한 강도를 가지고 있으면서도 경량이며 유연성을 가지고 있어 사각형이나 원형 등 어떠한 단면형태의 콘크리트 기둥이나 보에 대해서도 나선형 배근이 가능하여 종래의 띠철근, 나선철근, 스터럽 철근 등을 대체할 수 있는 로우프형 복합소재 보강근을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 고안의 상세한 구성 및 실시예에 대하여 설명한다.

도 1a 및 도 1b에는 본 고안에 따른 복합소재 보강근(1)의 일실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 복합소재 보강근(1)은 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 등과 같은 강화섬유를 폴리에스터, 비닐에스터, 에폭시, 페놀 등과 같은 수지에 함침시켜 만들어지는 복합소재로 이루어진다. 복합소재 보강근(1)은 인발성형(pultrusion) 또는 이와 유사한 연속적인 제작공법에 의하여 제작될 수 있다.

이와 같이 로우프형 복합소재 보강근(1)은 강화섬유와 유연성 수지로 이루어지므로 강재로 이루어진 종래의 철근에 비하여 인장강도가 2배 내지 3배 이상의 고강도이면서도 유연성을 가지고 있으며, 내구성이 우수하고 높은 내부식성을 가지고 있다.

본 고안에 의한 복합소재 보강근(1)에 사용되는 강화섬유는 로빙사, 섬유직포, 브레이딩 직조 등의 형태로 구성된다. 상기 복합소재 보강근(1)은 난연특성을 보유한 수지를 사용하거나 난연제 등을 이용하여 내화처리될 수도 있다.

본 고안에 따른 복합소재 보강근(1)은 콘크리트 내부에 매립되어 콘크리트와 일체로 거동하여야 하므로, 콘크리트와의 부착력 증진을 위하여 표면에 요철부(2)를 형성할 필요가 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 원형의 복합소재 보강근(1) 표면에 수지에 함침된 로빙사를 나선형으로 감아 성형함으로써 요철부(2)를 형성하여 이형 복합소재 보강근으로 제작할 수 있다.

또다른 실시예로는 도 1b에 도시된 바와 같이, 원형의 복합소재 보강근(1)의 표면에 폴리머 콘크리트, 에폭시 몰탈, 수지 등을 도포한 후 규사 등의 입자물질(3)을 뿌려 복합소재 보강근(1)의 표면에 요철부를 형성할 수도 있다.

본 고안의 로우프형 복합소재 보강근(1)과 콘크리트와의 부착력 증진시키기 위하여 복합소재 보강근(1)의 표면에 요철부를 형성방법은 상기 실시예에 한정되지 아니하며 다양한 형상으로 구성될 수 있다.

도 2a에는 본 고안에 따른 로우프형 복합소재 보강근(1)을 이용하여 사각 콘크리트 기둥(10)의 띠철근을 대체한 실시예가 도시되어 있다. 로우프형 복합소재 보강근(1)은 강재 재료를 사용한 종래의 철근과는 달리 유연성을 가지고 있으며 경량이어서 가공과 조립이 용이하다. 따라서, 본 고안의 로우프형 복합소재 보강근(1)을 이용하면 종방향 주철근(11)을 나선 형태로 둘러 감도록 보강근을 배근할 수 있다. 본 고안에 따른 로우프형 복합소재 보강근을 사각형 콘크리트 기둥에 사용하는 경우 연속 나선형으로 배근하므로 불연속적으로 배근 될 수밖에 없었던 종래의 띠철근 배근에 비하여 기둥 파괴시의 구속효과에 따른 연성이 충분히 발휘된다.

또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 원형 콘크리트 기둥(20)의 경우에도 강재 재료를 사용한 종래의 철근 대신에 본 고안에 따른 로우프형 복합소재 보강근(1)을 종방향 주철근(21)을 둘러 감아 나선 형태로 배근할 수 있는데, 이 경우 종래의 철근에 비하여 나선 형태로의 가공 및 조립이 용이하며 그에 따라 시공성이 향상된다.

특히, 본 고안에 따른 로우프형 복합소재 보강근(1)은 강재 재료를 사용한 종래의 철근에 비하여 인장강도가 2배 내지 3배 이상의 고강도이므로, 구속효과가 증대되어 콘크리트 기둥의 연성이 증가되며, 그에 따라 파괴하중에 대한 기둥의 구조적인 안전성이 더욱 향상된다.

도 3에는, 본 고안에 따른 로우프형 복합소재 보강근(1)을 이용하여 콘크리트 보의 스터럽 철근을 대체한 실시예가 도시되어 있다.

콘크리트 보(30)의 내부에는 보축 방향으로 하부 주철근(31)과 상부 주철근(32)이 배근된다. 본 고안에 따른 로우프형 복합소재 보강근(1)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하부 주철근(31)과 상부 주철근(32)을 둘러 감아 나선 형태로 배근된다. 전단력은 콘크리트 보의 지점부가 중앙부에 비하여 더 크므로, 지점부에서는 더 촘촘하게 배치되도록 로우프형 복합소재 보강근(1)을 감는 것이 바람직하다.

이와 같이, 종래의 스터럽 철근은 상부가 개방되도록 U자형태로 이루어져 불연속적으로 배근되는데 비하여 본 고안의 로우프형 복합소재 보강근(1)은 나선 형태로 연속하여 배근되는 것이다. 따라서, 나선 형태로 배근된 보강근의 구속 작용에 의하여 콘크리트 보의 연성과 콘크리트 압축강도가 증가되어 구조적 안전성이 더욱 증진된다.

또한, 본 고안의 로우프형 복합소재 보강근(1)을 이용하여 콘크리트의 전단보강을 하게 되면, 나선 형태로 배근되는 과정에서 보강근(1)이 경사진 형태로 배치되므로, 콘크리트 보의 전단파괴시에 발생하는 경사진 방향의 사인장 균열에도 더욱 효과적으로 대응할 수 있게 된다. 그 뿐만 아니라, 콘크리트 보에 작용하는 비틈하중에도 더욱 효과적으로 대응할 수 있게 된다.

본 고안에 따른 로우프형 복합소재 보강근을 콘크리트 기둥이나 보에 사용한 경우, 주철근(11)의 위치를 미리 고정시켜야 할 필요가 있다. 사각형 기둥에 대한 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이 주철근(11)을 주철근 위치고정수단(12)으로 고정한 후 주철근 주변에 로프형 복합소재 보강근(1)을 나선형으로 배근한다. 도 4에서 사각형의 주철근 위치고정수단(12)은 철사 등의 체결수단을 이용하여 주철근(11)에 장착시켜 복합소재 보강근(1)의 배근시 주변의 주철근(11)의 위치가 변하지 않도록 한다.

이러한 주철근 위치고정수단(12)에 의한 주철근(11)의 위치고정방법은, 사각형 기둥(10) 뿐만 아니라, 도 2b에 도시된 바와 같은 원형 기둥(20)에도 적용할 수 있으며, 도 3에 도시된 콘크리트 보(30)에도 적용할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안의 로우프형 복합소재 보강근은 강화섬유와 수지로 이루어져 경량이고 유연성을 가지고 있으므로, 강재 재료를 사용한 종래의 철근을 이용하는 경우에 비하여, 가공 및 조립이 용이하므로 배근에 필요한 인력을 줄일 수 있으며 운반 및 취급이 용이하여 시공성이 우수하고 그에 따라 구조물의 시공 공기를 단축시킬 수 있게 된다.

특히, 본 고안의 로우프형 복합소재 보강근을 콘크리트 기둥에 사용하는 경우, 사각형, 원형 이외에 어떠한 단면형태의 기둥에 대해서도 나선형 배근이 가능하여 내부의 콘크리트를 단단히 구속시킬 수 있게 되어 콘크리트 기둥의 연성을 증가시킬 수 있으며, 그에 따라 파괴하중작용시나 지진하중 작용시 띠철근 기둥에 비해 구조적인 안전성이 월등히 보장된다.

또한 횡방향 구속을 시켜주는 본 고안의 로우프형 복합소재 보강근의 인장강도는 철근의 인장강도에 비해 2배 내지 3배 이상의 고강도이므로 파괴시 압축된 콘크리트의 외곽방향 팽창응력에 대해 나선철근의 항복응력보다 더 큰 인장응력에 견딜 수 있으므로, 강재 재료를 사용한 종래의 나선철근 기둥에 비해서도 연성이 더욱 증가되어 파괴시 구조적인 안전성이 더욱 증가된다.

요컨대, 본 고안의 로우프형 복합소재 보강근을 콘크리트 기둥에 사용하면, 연속 나선형 배근과 고강도 특성으로 인해 종래의 띠철근이나 나선철근이 발휘하는 대등한 정도의 연성 및 안전성을 확보하기 위한 배근간격에 대해 종래의 철근보다 더 작은 직경의 복합소재 보강근을 사용할 수 있다. 따라서, 본 고안의 로우프형 복합소재 보강근을 사용하게 되면 구조물의 성능향상 뿐만 아니라 경제성도 제고할 수 있게 된다.

콘크리트 보의 스터럽 철근 대체용으로 본 고안의 복합소재 보강근을 사용하면, 보축에 수직방향으로 불연속적으로 배근하는 종래의 스터럽 철근의 배근방법을 개선하여, 전단에 의한 사인장 균열과 수직방향인 주응력 방향으로 경사스터럽처럼 용이하게 배근할 수 있으므로 전단에 대해 보다 효과적으로 대응할 수 있고, 나선형의 연속적인 배근이 가능하므로 콘크리트 보의 구속효과를 증진시켜 연성을 증가시키고, 구속된 콘크리트의 압축강도를 증진시키므로 파괴시 전단과 비틀림에 대한 구조적인 안전성을 더욱 증대시킬 수 있다.

그 뿐만 아니라, 본 고안의 복합소재 보강근은 내부식 특성을 가지고 있어 종래의 철근부식으로 인한 콘크리트의 균열, 박리, 구조성능저하 등의 노후화 문제가 없으므로 구조물의 내구성 증진으로 인한 내구연한을 증대시킨다.

이상에서는 본 고안에 따른 실시예를 기준으로 본 고안의 구성과 특징을 설명하였으나, 본 고안은 이에 한정되지 아니하며, 본 고안의 기술적 사상에 따라 자유로운 변형이 가능하다.

Claims (5)

1. 토목 및 건축용 철근 콘크리트 구조물에서 기둥의 띠철근 및 나선철근과 보의 스터럽을 대체하여 사용되는 보강근으로서, 강화섬유와 수지로 이루어져 유연성을 가지는 로우프 형태로 제작되는 것을 특징으로 하는 로우프형 복합소재 보강근.
2. 제1항에 있어서, 상기 로우프형 복합소재 보강근에 사용되는 강화섬유는 유리섬유, 탄소섬유 또는 아라미드섬유 등을 사용한 로빙사, 섬유직포, 브레이딩 직조 등의 형태로 이루어진 섬유이며, 상기 수지로는 경화시 유연성을 가지는 수지로서 폴리에스터, 비닐에스터, 페놀 또는 에폭시 등을 사용하는 것을 특징으로 하는 로우프형 복합소재 보강근.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 로우프형 복합소재 보강근 표면에는 콘크리트와 보강근과의 부착력을 증진시키기 위한 요철부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 로우프형 복합소재 보강근.
4. 제3항에 있어서, 상기 요철부는 수지에 함침된 로빙사를 보강근의 표면에 나선형으로 감아 제작되는 것을 특징으로 하는 로우프형 복합소재 보강근.
5. 제3항에 있어서, 상기 요철부는 보강근 표면의 수지에 입자물질을 뿌려서 제작되는 것을 특징으로 하는 로우프형 복합소재 보강근.