KR200233693Y1 - 교량의 내진교각용 탄소섬유 거푸집 - Google Patents

Abstract

본 고안은 교량의 내진교각용 탄소섬유 거푸집에 관한 것으로서 내진교각의 하부 소성힌지부에 띠철근을 촘촘히 배근하는 대신에 상기 탄소섬유거푸집을 콘크리트 교각의 외면에 일체로 성형되게 하여 내진교각을 시공하기 위한 탄소섬유거푸집에 관한 것이다.

먼저 교각 단면의 형상 및 크기에 대응되는 성형틀을 제작하고, 성형틀에 탄소섬유시트를 감싸 에폭시수지로 연결부를 접착하고 탄소섬유시트에 에폭시를 도포하여 탄소섬유시트를 적층 한 다음 탄소섬유시트의 횡보강량 또는 콘크리트의 측압에 대응 할 수 있는 강도가 얻어질 때까지 탄소섬유시트를 더 부착한 다음 적층된 탄소섬유시트와 성형틀을 분리하여 완성한 내진교각용 탄소섬유거푸집에 관한 것이다.

Description

교량의 내진교각용 탄소섬유 거푸집 {carbon fiber mold for aseismatic pier of bridge}

본 고안은 교량에 있어서 그 상판을 받치고 있는 콘크리트 교각을 성형하기 위한 내진 교각용 탄소섬유 거푸집에 관한 것이다.

우리 나라에서는 옛날부터 지진에 대하여 안전 지대 라고 생각되어 왔으나, 근래에 홍성 지진 등을 경험하면서 우리나라에도 동서로 이어지는 단층지대가 많아 지진에 대하여 안전지대가 아니라는 주장이 학계로부터 꾸준히 제기되어 왔고, 현재에는 6층 이상의 건축물과 교량에 대한 내진 설계가 의무화되고 있다.

교량이 지진하중을 받게 되면 교량 자체의 사하중 및 교통하중에 의한 수직하중뿐 만 아니라 지진에 의한 수직 및 수평하중이 추가되게 된다. 이 때 내진설계가 이루어지지 않은 교량은 지진의 수평하중에 저항하지 못하고 파괴에 이르게 된다. 특히, 교량에 있어서의 교각은 대표적인 압축부재로 내진설계를 하지 않을 경우 수평하중은 거의 고려하지 않고 있으며, 상부구조나 기초에 비하여 수평방향의 강성이 작아 지진에 매우 취약한 구조로 지진 발생시 치명적인 손상을 입게 된다. 이를 방지하기 위하여 교량을 지진하중에 저항하기 위한 구조물로 설계를 할 경우 교각에 대한 내진설계가 가장 우선적으로 고려되고 있다.

교각의 내진성능을 향상시키기 위해서는, 교각의 내력을 크게 하는 방법과 연성을 향상시키는 방법이 있다. 교각의 하부는 기초에 강절되어 있어 지진발생시교각의 하부에 상당히 큰 휨모멘트가 작용하게 된다. 이러한 휨모멘트에 저항하기 위해서는 교각의 휨강성을 작용 휨모멘트 이상으로 향상시켜야 하며, 이를 위해서는 많은 양의 주철근이 필요하고 이에 따른 단면의 확대가 불가피하게 되어 전체적인 공사비의 증대 및 취성적인 전단파괴의 가능성이 높아진다. 또한 연성을 향상시키기 위해서는 교각에 많은 양의 띠철근을 배근하여야 하나, 너무 많은 양의 띠철근을 배근할 경우 띠철근의 간격이 좁아져서 굵은 골재 치수를 확보하지 못하게 된다. 이로 인하여 골재 분리 현상이 일어나서 구조물의 강도가 현저히 떨어지는 현상이 발생하여, 보수 자체가 불가능한 경우가 종종 일어난다. 즉, 교각의 연성을 향상시키기 위하여 띠철근을 횡으로 촘촘히 설치하였기 때문에 바이브레이터를 삽입하고 골고루 진동다짐을 하여도 콘크리트의 굵은 골재 때문에 타설된 콘크리트가 띠철근과 띠철근 사이로 잘 들어가지 않아 교각의 하부에 곰보라고 불리우는 공간들이 생기게 되어 상판을 지탱하여야 하는 교각 본연의 기능인 압축응력이 약해지는 문제점과 교각이 눈, 비에 노출되었을 경우 상기의 빈 공간에 수분이 쉽게 침투되어 철근이 부식되고 부식된 철근이 콘크리트에 균열을 일으키게 되어 교각 전체가 위험하게 되는 문제점이 있었다.

본 고안은, 교량의 교각을 내진설계하고 시공함에 있어서 발생할 수 있는 이러한 문제점들을 해결하기 위한 새로운 시공방법으로서 띠철근 대신에 탄소섬유를 거푸집으로 사용하는 것을 제안한 것으로, 교량에 사용되는 교각의 내진 성능을 향상시키고자 하는 것이다.

탄소섬유 거푸집 공법이란 탄소섬유시트를 이용하여 미리 거푸집 형상으로 탄소섬유거푸집을 제조한 후, 이를 기존의 띠철근 대용으로 사용하는 공법이다. 이 공법을 이용하게 되면 띠철근을 적게 쓰는 대신에 탄소섬유거푸집을 콘크리트 교각에 일체로 성형하므로서 띠철근의 양을 최소한으로 줄여줄 수가 있어 인건비 절감 및 공기단축의 효과를 얻을 수 있다. 또한 시공방법에 따라서는 단면을 시공 한 후 거푸집을 철거할 필요가 없어 시공성이 획기적으로 개선될 수 있다.

탄소섬유시트를 사용하여 구조물의 성능을 향상시키는 방법으로는, 기존 철근콘크리트 구조물의 보, 바닥판 및 기둥 등에 탄소섬유시트를 접착시켜 구조물의 휨강성 및 연성을 증가시키는 공법이 있다. 하지만, 이 공법은 기존 노후화 된 구조물의 성능을 향상시키기 위한 보수,보강공법으로 신설 구조물의 내진설계 및 시공에 관한 공법은 아니다.

또 이러한 보수,보강의 공법을 신설구조물의 성능 향상에 응용한 종래의 기술로써, 교각을 시공하고 콘크리트 양생 후 구조적 결함이 발견된 경우에 탄소섬유시트로 성능을 보강하는 기술을 시도한 적이 있었다. 그러나 이것 역시 보수,보강 공법의 일종으로 볼수 있다.

신설 교각의 설계 및 시공에 있어서 교각 완성 후 탄소섬유시트를 사용하여 교각을 보강을 하는 기술은 다음의 이유로 고려 할 수가 없었다.

탄소섬유시트 접착 보강공법이 기존 구조물의 보수, 보강 공법으로는 다른 보강공법과 비교하여 비교적 경제적이고 시공이 간편하고 빠르며 시공장소의 영향을 거의 받지 않는 등의 장점을 가지고 있다. 하지만, 신설 구조물에 적용하는 것은, 교각 완성 후 탄소섬유시트를 접착시키기 위한 콘크리트 표면 처리, 탄소섬유시트의 부착등 완전히 새로운 공사의 시작을 의미하는 것으로서 부가적인 시공비가 소요되고 공기가 연장되어 탄소섬유시트를 이용하여 얻을 수 있는 혜택에 비하여 손실이 크다. 이러한 이유로 신설교각에 탄소섬유시트를 적용하는 기술은 사용되지 않고 있다.

그러므로 종래에는 교량이나 고가도로의 교각에 내진 설계 및 시공을 하게 되면 지진의 수평력에 의한 휨모멘트를 크게 받아 소성힌지가 발생하는 교각 하부의 소성힌지부에 대한 연성을 향상시키기 위하여 띠철근을 많이 배근하게 되는데, 띠철근량이 많아지면 띠철근의 간격이 좁아져 콘크리트 굵은 골재의 치수를 고려한 띠철근의 최소간격을 확보하지 못하는 경우가 발생한다. 최소 띠철근 간격을 확보하지 못하면, 골재분리 현상이 발생하여 교각의 강도감소는 물론 빈 공간으로 수분이 침투하여 철근의 부식이 발생할 수도 있다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 교각 단면을 확대하여 시공하는 경우도 있으나, 이 경우는 필요이상의 교각 단면이 확대 시공되어 비경제적인 시공이 된다.

본 고안은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 교량의 내진교각용 탄소섬유 거푸집을 제조하고 그 거푸집을 이용하여 내진 교각을 시공하는 방법을 개발하여 철근콘크리트 교각의 내진성능을 향상시킴은 물론 시공성을 개선하는데 그 목적이 있다.

도1은 탄소섬유시트의 일부절개 평면도

도2는 사각형 탄소섬유 거푸집의 일부 절개사시도

도3은 탄소섬유 거푸집의 제조 공정도

도4는 탄소섬유 거푸집과 기존거푸집을 동시에 사용하여 시공하는 경우의 거푸집 조립 사시도

도5는 탄소섬유 거푸집만을 사용하여 시공하는 경우의 거푸집 조립사시도

도6은 탄소섬유거푸집에 의하여 완성된 내진교각의 사시도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3: 탄소섬유시트 5: 비닐시트

6: 에폭시수지 7: 주철근

8: 띠철근 10: 탄소섬유거푸집

11: 기존거푸집 20: 성형틀

25: 소성힌지부 30: 교각

본 고안의 내진교각용 탄소섬유 거푸집과 상기 탄소섬유 거푸집을 제조하기 위한 제조방법과 상기 탄소섬유 거푸집을 이용하여 내진교각을 시공하는 방법에 대하여 일 실시예에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

탄소섬유 거푸집(10) 제조에 사용되는 탄소섬유시트(3)는 내진교각(30)의 소성힌지부 높이에 맞는 크기를 가진 탄소섬유시트(3)를 제조하여 이용하는 것이 바람직 하지만, 특별한 제조공정을 거치지 않도록 하기 위하여 기존에 제품화 되어진 규격을 사용 할수도 있다. 기존 제품인 탄소섬유시트(3)의 규격은 폭 1m이며 길이는 20∼30m이고, 탄소섬유 방향은 길이 방향과 같다.

그리고 탄소섬유거푸집(10)을 제조하기 위하여 탄소섬유시트(3)를 다수겹 적층하게 되며 탄소섬유시트와 탄소섬유시트 간의 접착은 에폭시수지를 도포하여 접착하게 되는데 탄소섬유시트(3)에 에폭시수지를 도포하게 되면 탄소섬유시트에 에폭시수지가 일부 침투되어 강성을 가지므로서 에폭시 수지는 탄소섬유시트로 탄소섬유거푸집(10)을 제조 할 때 거푸집의 형태를 유지시켜주는 중요한 역할을 하게된다.

또한, 탄소섬유거푸집(10)을 제조하기 위한 탄소섬유시트(3)는 에폭시 수지에 탄소섬유시트(3)를 침지 시켜, 탄소섬유시트(3)에 에폭시수지가 침투되게 한 다음 건조하여 사용 할 수도 있다.

본 고안에서 사용되는 수지는 에폭시수지를 이용하고 있지만, 접착 및 인장강도면에서 에폭시수지와 대등한 강도를 가진 수지라면 다른 수지를 이용하여도 상관 없다.

먼저, 본 고안 탄소섬유 거푸집(10)에 대한 탄소섬유 거푸집(10)의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 원형, 사각형, 다각형등의 교각(30) 단면과 동일한 형상 및 크기의 성형틀(20)을 제작한다. 이 경우 교각(30)의 단면이 사각형인 경우 각 모서리를 모접기(19) 하여 성형틀(20)을 제작한다. 이 때 모접기(19)의 곡률은 최소 30mm이상으로 한다. 이는 곡률이 작을 경우 탄소섬유시트(3)의 모서리에 응력 집중이 발생하여 모서리부가 파괴 될수 있기 때문이다.

2. 성형틀(20)과 탄소섬유 거푸집(10)과의 분리를 용이하게 하기 위하여 성형틀(20)에 비닐시트(5)를 감싼다.

3. 비닐시트(5)를 감싼 성형틀(20)에 제1탄소섬유시트(1)를 감싸며 제1탄소섬유시트(1)의 연결부는 겹침 이음으로 하여 에폭시수지(6)를 도포하여 접착하며 연결부는 적어도 5cm이상으로 한다.

4. 제1탄소섬유시트(1)에 에폭시수지(6)를 전면 도포하여 제2탄소섬유시트(2)를 부착한다.

5. 설계에서 얻어진 탄소섬유시트(3)의 횡보강량 또는 콘크리트 측압에 대응하는 강도가 얻어질 때까지 에폭시수지(6)를 도포하여 탄소섬유시트(3)를 더 부착하는 과정을 반복한다.

이때 탄소섬유시트 횡보강량의 계산은 다음 식으로 한다.

여기서, ρCF = 탄소섬유시트의 적정 사용비

ρs = 내진설계를 하였을 경우의 띠철근비

σy = 띠철근의 항복응력

σCF = 탄소섬유시트의 인장파괴 응력

α = 탄소섬유시트의 취성파괴를 막기 위한 보정계수 (0.8사용)

6. 적층된 탄소섬유시트(3)와 성형틀(20)을 분리하고 내부의 비닐시트(5)를 제거하여 탄소섬유 거푸집(10)을 완성한다.

상기와 같이 탄소섬유 거푸집(10)을 제조함에 있어서, 탄소섬유 거푸집(10)과 기존거푸집(11)을 동시에 사용하는 경우에는 콘크리트 타설시의 콘크리트 측압을 기존거푸집(11)에서 받아주므로서 탄소섬유시트(3)를 띠철근(8)방향으로만 배치하여도 탄소섬유 거푸집(10)의 변형이 생길 우려성이 없지만, 탄소섬유 거푸집(10)만을 사용하여 시공하려고 하면, 탄소섬유 거푸집(10)을 제조할 때 교각(30)의 주철근(7) 방향으로 탄소섬유시트(3)를 적어도 1장은 설치하는 것이 바람직 하다. 이는 띠철근(8) 방향만으로 탄소섬유시트(3)를 배치하여 탄소섬유 거푸집(10)을 제조할 경우, 탄소섬유시트(3)가 가지는 1방향성 때문에 탄소섬유 거푸집(10)의 변형이발생할 수도 있기 때문에 이를 보완하기 위해서다.

그리고, 기존 탄소섬유시트(3) 제품을 사용하는 경우, 교각(30) 소성힌지부(25)의 길이가 1m를 초과하면, 소성힌지부(25)의 길이에 맞게, 폭 1m인 기존제품에 기존제품을 재단한 탄소섬유시트(3)를 연결하여 탄소섬유 거푸집(10)을 제조하게 되는데, 상하 탄소섬유시트(3)를 연결하기 위한 연결부는 적어도 5cm이상 겹친 이음으로 하거나, 폭 20cm이상의 탄소섬유시트를 연결부재로 하여 이 연결부재에 에폭시수지(6)를 도포하고 상하 연결부에 연결부재를 접착하는 덧댄 이음으로 한다. 이 경우 폭 20cm이상의 탄소섬유시트는 보강재라는 역학적 의미는 없으며 단지 상하 탄소섬유시트(3)를 연결하는 역할만을 한다.

먼저, 본 고안의 탄소섬유 거푸집(10)과 기존 거푸집(11)을 동시에 사용하는 내진교각(30) 시공방법을 일 실시예에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 교각의 철근(7,8)을 배근한다(제1공정).

2. 철근(7,8) 외부로 탄소섬유 거푸집(10)을 씌우고 탄소섬유 거푸집(10) 외부에 기존 거푸집(11)을 거푸집 조임틀(13)로 고정 한다. 이때 폼타이를 함께 사용하면 더 견고하게 고정 된다(제2공정).

3. 탄소섬유 거푸집(10) 내에 콘크리트를 타설하고 양생시킨 다음 기존 거푸집(11)을 분리하여 탄소섬유 거푸집(10)이 부착된 철근콘크리트 교각(30)의 소성힌지부(25)가 완성된다(제3공정).

4.교각의 소성힌지부(25) 상부로 철근(7,8)을 배근하고 기존 거푸집(11)을 조립 고정 한 후 거푸집 내에 콘크리트를 타설하고 양생시키는 공정을 반복하면서 교각(30)의 상부 구조를 시공 하므로서 교각을 완성한다(제4공정).

상기에서 설명한 탄소섬유 거푸집(10)과 기존 거푸집(11)을 동시에 사용하는 시공방법은 탄소섬유 거푸집(10)에 의해 교각(30)의 연성이 향상될 수 있고, 기존 거푸집(11)을 동시에 사용함으로서 콘크리트 타설중에 발생할 수 있는 높은 측압을 기존 거푸집(11)이 받아줌으로서 콘크리트의 측압 및 탄소섬유거푸집의 변형을 고려 할 필요가 없으므로 탄소섬유 거푸집(10)을 좀 더 경제적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.

다음은, 본 고안의 탄소섬유 거푸집(10)만을 사용하는 내진교각(30) 시공방법을 일실시예에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 교각의 철근(7,8)을 배근한다(제1공정).

2. 철근(7,8) 외부로 탄소섬유 거푸집(10)을 씌우고 지지대(12) 및 거푸집 조임틀(13)로 고정 한다. 이때 폼타이를 함께 사용하면 더 견고하게 고정 된다(제2공정).

3. 탄소섬유 거푸집(10) 내에 콘크리트를 타설하고 양생시킨 다음, 지지대(12) 및 거푸집 조임틀(13)을 해체하여 탄소섬유 거푸집(10)이 부착된 철근콘크리트 교각(30)의 소성힌지부(25)가 완성된다(제3공정).

4.교각(30)의 소성힌지부(25) 상부로 철근(7,8)을 배근하고 기존 거푸집(11)을 조립 고정 한 후 거푸집 내에 콘크리트를 타설하고 양생시키는 공정을 반복하면서 교각(30)의 상부 구조를 시공 하므로서 교각을 완성한다(제4공정).

상기 공법은 기존의 거푸집(11)을 사용하지 않고 탄소섬유 거푸집(10)만을 사용하는 공법이므로 탄소섬유 거푸집(10)의 제조시 콘크리트의 측압을 고려하여 추가적인 탄소섬유시트(3)를 사용하여야 하므로 거푸집 제조 비용이 높아지는 단점은 있으나, 기존 거푸집(11)을 추가로 설치하지 않음으로 인하여 본 공사시 기존거푸집(11)의 설치 및 해체 공정이 생략 되므로서 시공이 매우 간편해지므로 탄소섬유 거푸집(10)과 기존 거푸집(11)을 동시에 사용하는 내진교각(30) 시공방법과 비교하면 전체적으로 볼 때 더 경제적이다.

본 고안에 의한 탄소섬유 거푸집은 탄소섬유시트 재료의 경량성으로 인하여 수작업이 가능하고 탄소섬유시트를 상온에서 에폭시 수지를 사용하여 접착 경화시키는 간단한 공정으로 제조할 수 있어 탄소섬유 거푸집을 제조 하는데 숙련공이 필요 없으며, 탄소섬유 거푸집을 띠철근 대용으로 사용하므로서 띠철근 간격을 충분히 둘 수 있어, 골재 분리와 같이 구조물 내력에 악영향을 미치는 요인을 제거할 수 있고, 탄소섬유시트의 인장강도는 30,000kg/cm²이상으로 강재의 약 10배이므로적은 양의 탄소섬유시트를 사용하여 내진교각의 단면을 최소화 할 수 있으며, 에폭시 수지와 탄소섬유만으로 만들어지기 때문에 열악한 환경에서 염해, 열화 등에 대하여 안정적이고, 피로에 대해서도 강재이상의 내구성을 발휘한다.

또한, 사용하는 탄소섬유시트의 양에 따라 조금씩 차이는 있으나, 내진 설계에 의한 교각 단면의 확대에 따른 비용증가, 띠철근 재료비 및 띠철근 설치 인건비, 공사기간 등을 포함하여 종합적으로 보면 시공 가격 면에서도 매우 우수한 효과가 있다.

Claims (5)

1. 탄소섬유시트를 적어도 2장이상 에폭시수지를 도포하여 접착하므로서 일체로 이루어지는 탄소섬유시트 적층체로 구성하되, 교각의 소성힌지부의 단면 형상 및 크기에 대응되는 하나의 거푸집으로 이루어지는 내진교각용 탄소섬유 거푸집.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄소섬유 거푸집의 사각형 모서리는 모접기 형상으로 되는 내진교각용 탄소섬유 거푸집.
3. 제1항에 있어서, 상기 탄소섬유시트는 에폭시수지에 침지시켜 건조된 탄소섬유시트로 되는 내진교각용 탄소섬유 거푸집.
4. 제1항에 있어서, 탄소섬유 거푸집의 탄소섬유시트 섬유방향은 띠철근 방향으로 되는 내진교각용 탄소섬유 거푸집.
5. 제1항에 있어서, 탄소섬유 거푸집의 탄소섬유시트가 적어도 1장은 섬유방향이 주철근 방향으로 되는 내진교각용 탄소섬유 거푸집.