KR20070017795A - 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근 - Google Patents

다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마디에 작용하는 전단력을 지지하기 위하여, 마디와 리브에 의하여 구획된 공간의 형상을 다면형으로 고정 형성시켜, 각 마디를 기준으로 일측면으로 형성된 리브와 타측면으로 형성된 리브가 서로 상, 하로 엇갈려 위치되도록 함으로서 마디에 작용하는 전단력을 효과적으로 저항하도록 한 섬유보강복합체 보강근에 관한 것이다.
보강근, FRP, 마디, 리브

Description

다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근{Fiber Reinforced Polymer Bar with Polyhedral Deformation}
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 종래의 바(Bar or Rod)형 FRP 보강근을 도시한 것이다.
도 1e는 종래의 원형 리브 및 마디가 형성된 이형돌기가 감싸진 바(Bar or Rod)형 FRP 보강근을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근의 작용상태도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 섬유보강복합체 보강근을 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예 2의 섬유보강복합체 보강근을 도시한 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예 3의 섬유보강복합체 보강근을 도시한 것이다.
도 6a, 도 6b, 도 6c, 도 6d, 도 6e 및 도 6f는 본 발명의 실시예 4의 섬유보강복합체 보강근을 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근
110,111,112,113,114,115,116: 마디
120,121,122,123,124,125: 리브
130:내부심재 200:내부심재
300a,300b:반원형 이형돌기
A:다면형 구획공간
본 발명은 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 철근콘크리트 구조물을 포함하는 콘크리트 구조물 내부에 매립되어 콘크리트와 부착력을 높이기 위하여 설치되며, 마디와 리브로 구성된 이형돌기가 형성된 구조물용 섬유보강복합체 보강근에 관한 것이다.
종래의 콘크리트 구조물에서 콘크리트(Concrete)는 압축에는 강하지만 인장에는 약하기 때문에, 인장응력이 발생되는 부위에 통상 철근을 배치시켜 인장응력을 부담하도록 하고 있다. 즉, 콘크리트에 작용하는 인장응력을 철근이 부담하도록 함으로써, 콘크리트와 철근 각각의 재료적 특성을 최대한 이용하는 콘크리트 구조물 설계 및 제작방법이 현재 이용되고 있다.
이러한 콘크리트 구조물에 사용되는 철근은 압축강도 및 인장강도가 크고, 가공이 비교적 용이한 물성을 가지고 있어 콘크리트 보강재로서 폭넓게 활용되고 있는데, 외부하중에 의해 항복된 이후 추가적인 응력 부담 없이 변형률이 증가하는 연성적 파괴거동 특성을 나타내므로, 콘크리트에 배근되는 철근량을 조절하여 콘크리트 구조물의 취성파괴를 방지할 수 있다.
이러한 장점에도 불구하고, 철근은 콘크리트 피복의 손상 등의 이유로 외부에 노출되는 경우 부식이 용이하게 진행되어, 구조물의 내구성이 저하될 수 있어 구조물 안전에 심각한 영향을 끼칠 여지가 많고, 중량이 상당히 크므로 운반 및 설치에 많은 노력과 비용이 요구되는 문제점이 있었다.
이에 이러한 철근을 대체할 수 있는 콘크리트 구조물의 보강재 개발이 요구되었으며, 이러한 요구를 충족시켜 줄 수 있는 것 중의 하나가 섬유강화폴리머(Fiber Reinforced Polymer)로 제조된 보강재(이하 “FRP 보강재")이다.
상기 FRP 보강재는 경량이며, 비부식성, 절연성이 우수하여 고강도의 장점으로 인하여 현재 콘크리트 보강재로써 다양한 형태로 개발되어 실용화되고 있다. 통상 FRP 보강재에 사용되는 복합섬유는 탄소섬유, 아라미드섬유, 유리섬유 등이 있다.
특히 콘크리트 구조물용 보강재로 이용되는 FRP 보강재의 경우 그 이용형태 및 적용대상에 따라 다양한 적용공법이 개발되어 왔는데, 쉬트(Sheet)형 또는 판(laminate)형 및 철근과 같은 바(Bar or Rod)형 FRP 보강재가 이에 해당한다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 특히 직조된 이형돌기를 가지는 상용화된 바(Bar or Rod)형 FRP 보강재를 도시한 것이다.
도 1a의 바(Bar or Rod)형 FRP 보강재(10)는 일정한 공칭직경을 가지면서, 내부심재의 외피에 콘크리트와의 부착력을 향상시키기 위하여 나선형 거친면(11)이 직조(Braiding)되어 형성되도록 한 것이며,
도 1b의 바(Bar or Rod)형 FRP 보강재(20)는 일정한 공칭직경을 가지면서, 내부심재의 외피에 새끼줄을 꼬듯이 직조물(21)을 보강재 외부표면에 형성시킨 것이며,
도 1c의 바(Bar or Rod)형 FRP 보강재(30)는 혼성 FRP 보강재로서 내부심재의 외피에 그물형태로 직조물(31)이 형성되도록 한 것이며,
도 1d의 바(Bar or Rod)형 FRP 보강재(40)는 내부심재의 외피를 가공하여 수직 환상 마디(41)가 연속 이격되어 직조물이 형성되도록 한 것이다.
통상 위와 같은 바 형 FRP 보강재(10,20,30,40)의 콘크리트에 대한 부착메커니즘은 화학적 접착력, 콘크리트와의 마찰력 및 지압력에 의해 이루어지며, 이중에서 FRP 보강재의 콘크리트에 대한 부착강도는 FRP 보강재의 외피에 형성되어 있는 이형돌기와 콘크리트와의 맞물림작용(Interlocking)에 의해 지배되는 것으로 보고 되고 있다.
하지만, 도 1a 내지 도 1c의 FRP 보강재(10,20,30)의 경우 내부심재를 감싸 형성된 직조물의 돌출 형태로는 콘크리트와의 맞물림 작용(Interlocking)이 충분히 발생될 수 있는 마디(Deformation)를 형성시키기 어렵다는 문제점이 있었으며,
도 1d의 경우에도 FRP 재질의 수직 환상 마디가 상당히 돌출 형성되어 있기는 하지만, 제작과정에 있어서 롤러를 이용하여 내부심재 외주면을 볼록 및 오목형태로 변형시키는 방식을 취하기 때문에 내부심재에 큰 압력이 걸리고, 이로 인한 내부심재의 절단현상이 발생할 수도 있고, 무엇보다도 내부심재 외주면으로부터 절 곡된 마디로 인하여 오히려 전체적인 보강재의 인장강도 및 강성이 감소될 수 있다는 문제점이 지적되었다.
도 1e의 바(Bar or Rod)형 FRP 보강재(50)는 이형철근과 유사하게 내부심재의 외피에 마디(61)와 리브(62)가 일체로 형성된 원형 합성수지로 제조된 이형돌기(60)가 감싸져 형성되도록 한 것이다.
하지만, 상기 이형돌기(60)를 내부심재 외주면 전체에 일체로 완전하게 부착시키는 작업은 매우 어려울 뿐만 아니라, 합성수지(폴리스틸렌, 염화비닐, 폴리에스테르 등)로 제작되는 이형돌기의 특성상, 전단강도가 이형철근과 비교하여 매우 낮을 수밖에 없어, 이형철근과 비교하여 매우 낮은 하중에서도 FRP 보강재의 마디의 전단파괴가 발생한다는 문제점이 지적되었다.
본 발명의 목적은 보다 효율적으로 전단강도에 저항할 수 있는 마디와 리브로 구성된 이형돌기가 외피에 형성된 바(Bar or Rod)형 FRP 보강재 제작방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,
내부심재 외피에 마디, 마디와 마디 사이에 형성된 리브를 연속으로 다수 형성시킨 섬유보강폴리머체 보강근(100)에 있어서,
마디(110)에 작용하는 전단력을 지지하기 위하여, 마디(110)와 리브(120)에 의하여 구획된 공간의 형상을 다면형(A)으로 고정 형성시켜, 마디(110)를 기준으로 일측면으로 형성된 리브와 타측면으로 형성된 리브가 서로 엇갈려 위치되도록 한 이형돌기를 내부심재(130) 외피에 형성시킴으로서 마디(110)에 작용하는 전단력을 효과적으로 분산 저항하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마디(110) 및 리브(120)의 작용을 도 2를 기준으로 설명하면 아래와 같다.
도 2의 섬유보강폴리머체 보강근(100)은 내부심재(130), 수직으로 형성된 마디(110) 및 수평으로 형성된 리브(120)가 형성되어 있으며, 상기 마디(110) 및 리브(120)에 의하여 구획된 공간의 형상이 사각형태로 형성된 것이다.
상기 마디(110)를 기준으로 보면, 좌측면에는 소정의 간격을 두고 상, 하로 리브(120a,120b)가 수평으로 형성되어 있으며, 우측면에는 상기 상, 하 리브 사이에 즉, 좌측 리브와 단차를 지면서 직각으로 엇갈리게 리브(120c)가 수평으로 형성되어 있다.
이때, 콘크리트와의 기계적 맞물림(Interlocking)에 의한 전단력(F)이 좌측으로부터 마디(110)에 작용하게 되면 결국, 마디(110) 좌측면에 상, 하로 형성된 리브(120a,120b)는 압축지지 부재로서 전단력을 저항하게 된다.
이때 마디(110)는 좌측방향으로 밀리는 힘을 받게 되므로 마디 우측면에 형성된 리브(120c)의 경우에는 인장지지 부재로서 전단력에 저항하게 된다.
결국, 마디(110)를 기준으로 좌, 우측면에 엇갈리게 형성된 리브(120a,120b,120c)는 압축지지 및 인장지지 부재로서 전단력을 효율적으로 지지함으로서, 다면형 마디 및 리브로 구성된 이형돌기가 보다 효율적으로 작용하는 전단력 에 저항하도록 할 수 있게 된다.
이와 같이 마디를 기준으로 리브를 양 측면에서 엇갈리게 배치하는 방법(이하 "엇갈림 배치 방법" 이라 한다.)으로서 본 발명에서는 마디와 리브에 의하여 구획된 공간의 형상(A)을 다면형으로 고정 형성시키는 방법을 채택하고 있으며, 이러한 다면형으로 구획시키는 공간의 형상(A)과 관련하여 본 발명은 아래 3가지 실시예를 소개한다.
<실시예 1>
상기 실시예 1은 FRP 보강재의 내부심재(130) 주위에 이형돌기를 형성시킴에 있어서, 마디(110)와 리브(120)로 구획된 공간의 형상(A)을 사각형태로 형성시킨 경우이다.
도 3은 상기 실시예 1에 의한 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근의 사시도 및 정면도를 도시한 것이다.
이에 상기 마디(111,112,113,114,115,116,117,118)는 수직 마디형태로 내부심재(130)에 길이방향으로 이격되어 연속으로 형성되며 환상마디 형태로 설치되어 내부심재(130) 주위전체를 감아 링 형태로 설치된다.
이러한 마디(110) 중 중앙에 위치한 마디(115)를 기준으로 본다면, 상기 마디(115) 양 측면에는 수평으로 리브(121,122,123)가 형성되어 있되, 각 리브(121,122,123)는 마디(115)를 기준으로 상, 하로 서로 엇갈리게 직각으로 단차를 두면서 형성되게 된다.
이로서 상기 실시예 1의 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근은 마디 (110)와 리브(120)가 위에서 살펴본 본 발명의 작용에 의한 엇갈림 배치 방법으로 설치될 수 있게 된다.
이러한 엇갈림 배치 방법으로 설치된 마디(110)와 리브(120)는 내부심재와 일체로 연속하여 제작되거나, 내부심재(130)에 에폭시 수지와 같은 접착제에 의하여 연속적으로 부착되어 최종 완성될 수 있게 된다.
<실시예 2>
상기 실시예 2는 실시예 1의 변형례로서 FRP 보강재의 내부심재(130) 주위에 이형돌기를 형성시킴에 있어서, 마디(110)와 리브(120)로 구획된 공간의 형상(A)을 육각 형태로 형성시킨 경우이다.
도 4a 및 도 4b는 상기 실시예 2에 의한 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근(100)의 사시도 및 정면도를 도시한 것이다.
이에 상기 마디(110;111,112,113,114,115)는 수직방향으로 지그 재그로 내부심재(130)에 길이방향으로 이격되어 연속으로 형성되며 역시 환상마디 형태로 설치되어 내부심재 주위전체를 감아 링 형태로 설치된다.
이러한 마디(110) 중 중앙에 위치한 1 마디(113)를 기준으로 본다면, 역시 상기 마디(113) 양 측면에는 수평으로 리브(121,122,123)가 형성되어 있되, 각 리브(121,122,123)는 마디(113)를 기준으로 상, 하로 서로 엇갈리게 경사져 단차를 두면서 형성되게 된다.
이로서 상기 실시예 2의 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근은 마디(110)와 리브(120)가 위에서 살펴본 엇갈림 배치 방법으로 설치될 수 있게 된다.
이러한 엇갈림 배치 방법으로 설치된 마디(110)와 리브(120)는 내부심재와 일체로 연속하여 제작되거나, 내부심재(130)에 에폭시 수지와 같은 접착제에 의하여 연속적으로 부착되어 최종 완성될 수 있게 된다.
또한 서로 엇갈리게 형성된 리브 중 일측 리브(122)를 기준으로 본다면, 실시예 1과는 달리 마디(113, 113a,113b)가 지그 재그로 경사져 형성되기 때문에 국부적인 형태가 작용하는 전단력에 대하여 아치형태로 저항하게 되는 효과가 있어 더욱 효과적인 전단력의 저항이 가능하게 된다는 장점이 있다.
<실시예 3>
상기 실시예 3은 실시예 1,2의 변형례로서 FRP 보강재의 내부심재(130) 주위에 이형돌기를 형성시킴에 있어서, 마디(110)와 리브(120)로 구획된 공간의 형상(A)을 마름모 형태로 형성시킨 경우이다.
도 5a 및 도 5b는 상기 실시예 3에 의한 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근의 사시도 및 정면도를 도시한 것이다.
이에 상기 마디(110;111,112,113,114,115)는 수직방향으로 역시 지그 재그로 내부심재(130)에 길이방향으로 이격되어 연속으로 형성되며 역시 환상마디 형태로 설치되어 내부심재 주위전체를 감아 링 형태로 설치된다.
이러한 마디(110) 중 중앙에 위치한 마디(113)를 기준으로 본다면, 역시 마디(113) 양 측면에는 정점 형태의 리브(121,122,123)가 형성되어 있되, 각 리브(121,122,123)는 마디(113)를 기준으로 상,하로 서로 엇갈리게 역시 경사지게 단차를 두면서 형성되게 되며, 전체적으로 보면 마치 마디(110)만 연속적으로 형성된 것처럼 외관을 형성시키게 된다.
이로서 상기 실시예 3의 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근도 마디(110)와 리브(120)가 위에서 살펴본 엇갈림 배치 방법으로 설치될 수 있게 된다.
이러한 엇갈림 배치 방법으로 설치된 마디(110)와 리브(120)는 내부심재와 일체로 연속하여 제작되거나, 내부심재(130)에 에폭시 수지와 같은 접착제에 의하여 연속적으로 부착되어 최종 완성될 수 있게 된다.
또한 서로 엇갈리게 형성된 리브중 일측 리브(123)를 기준으로 본다면, 실시예 2와 같이 마디(113;113a,113b)가 지그 재그로 경사져 형성되기 때문에 국부적인 형태가 작용하는 전단력에 대하여 아치형태로 저항하게 되는 효과가 있어 더욱 효과적인 전단력의 저항이 가능하게 된다는 장점이 있다.
<실시예 4>
위에서 살펴본 실시예 1,2,3의 경우 공통적으로 내부심재의 외피에 다면형 구획공간(A)을 연속적으로 성형하는 것이 어려울 경우가 있을 수 있다. 이에 도 6a 내지 도 6f와 같이 마디와 리브가 각각 형성된 반원형 이형돌기(300a,300b)가 내부심재(130)를 감싸면서 설치되도록 하면서 각 이형돌기의 단부가 서로 압착, 연결되도록 하여 설치할 수도 있다.
도 6a 및 도 6b의 경우에는 실시예 1에 있어서, 반원형 이형돌기(300a,300b)를 적용한 경우이며, 각 반원형 이형돌기의 연결부위에 있어서 별도의 리브형태의 연결접합부가 없는 경우가 도 6a의 경우이고, 별도의 리브형태의 연결접합부(300c)가 있는 경우가 도 6b의 경우가 된다.
도 6c 및 도 6d의 경우에는 실시예 2에 있어서, 반원형 이형돌기(300a,300b)를 적용한 경우이며,
도 6e 및 도 6f의 경우에는 실시예 3에 있어서, 반원형 이형돌기(300a,300b)를 적용한 경우이다.
본 발명의 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근에 의하면, 리브가 마디를 기준으로 인장 및 압축지지부재로 설치됨으로서 보다 효과적인 전단력 저항 형태가 될 수 있어, 이형돌기의 전단 저항력이 증가되는 효과를 가질 수 있게되며,
서로 연계된 마디의 아치작용에 의하여 전단 저항력을 극대화 할 수 있게 되어, FRP 보강재로서 가장 큰 부착강도를 가질 수 있게 되고,
반원형 이형돌기를 부착하는 방식으로 제작되는 경우 제작의 합리성을 가질 수 있게 된다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

Claims (4)

  1. 내부심재 외피에 마디, 마디와 마디 사이에 형성된 리브를 연속으로 다수 형성시킨 섬유보강폴리머체 보강근에 있어서,
    마디에 작용하는 전단력을 지지하기 위하여, 마디와 리브에 의하여 구획된 공간의 형상을 다면형으로 고정 형성시켜, 마디를 기준으로 일측면으로 형성된 리브와 타측면으로 형성된 리브가 서로 엇갈려 위치되도록 함으로서 마디에 작용하는 전단력을 효과적으로 저항하도록 하는 것을 특징으로 하는 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 구회된 공간이 사각형태로 형성되어 마디를 기준으로 직각으로 양 측에 수평리브가 상하 차이를 두고 서로 엇갈려 형성되는 것을 특징으로 하는 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 구획된 공간이 마름모 형태 또는 육면형태로 형성되어 마디와 리브가 서로 경사져 연결됨으로서 서로 엇갈려 전단력에 대하여 아치형태로 저항하는 것을 특징으로 하는 중 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마디와 리브는 내부심재 주위를 연속적으로 일체로 형성시키거나, 마디와 리브가 각각 형성된 반원형 이형 돌기를 내부심재 주위에 감싸도록 하여 압착, 연결시킨 것을 특징으로 하는 다면형 마디를 가진 섬유보강복합체 보강근.
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