KR20070046581A - 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의프리스트레싱 정착 시스템 및 그를 이용한 방법 - Google Patents

콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의프리스트레싱 정착 시스템 및 그를 이용한 방법 Download PDF

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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 탄소섬유판을 이용하여 콘크리트의 보나 슬래브의 휨 보강을 하는 경우에 있어서, 콘크리트 구조물의 보수보강에 가장 유효하게 사용되어지는 프리스트레싱 공법을 이용하여 탄소섬유판을 프리스트레싱하는 방법과 상기 프리스트레싱 공법에 의한 효과 및 프리스트레싱을 가장 효과적으로 부가할 수 있는 탄소섬유판 단부 정착 시스템에 관한 것이다.
따라서, 상기 프리스트레싱 공법과 탄소섬유판 단부 정착 시스템을 이용함으로써 콘크리트 구조물의 보수보강을 효과적으로 시행할 수 있게 하며, 또한 콘크리트 구조물의 휨 보강 및 전단보강 효과를 가질 수 있을 뿐만 아니라 내하력을 증진시킬 수 있는 효과를 제공한다.
콘크리트, 탄소섬유판, 프리스트레싱, 정착 시스템, 유압장치

Description

콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착 시스템 및 그를 이용한 방법{A Prestressing Anchorage System of Carbon Fiber Reinforced Polymer Plate for Flexural Strengthening of RC Structures and method using it}
도 1은 본 발명에 따른 프리스트레싱 정착방법을 이용하여 콘크리트 보나 슬래브를 보수보강하기 위한 정착 시스템의 개요도.
도 2는 본 발명에 따른 콘크리트 보 시험체의 상세도.
도 3은 콘크리트강도에 따른 하중-처짐을 나타낸 그래프.
도 4는 콘크리트 보의 프리스트레싱 정착방법에 따른 최대하중의 비교 그래프.
도 5는 콘크리트 보의 프리스트레싱 정착방법에 따른 하중-처짐 곡선을 나타낸 그래프.
도 6은 동일한 강도를 나타내는 콘크리트 보에 탄소섬유판의 프리스트레싱 수준을 변화하여 부가된 시험체의 하중 및 변형률 곡선을 나타낸 그래프.
도 7은 동일한 강도를 나타내는 콘크리트 보에 탄소섬유판의 프리스트레싱 수준을 변화하여 부가된 시험체의 최대하중을 나타낸 그래프.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 프리스트레싱 정착방법을 이용한 보의 보수보강을 실시할 수 있도록 하는 파형을 가진 단부 정착 시스템를 나타낸 개요도
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110: 시험체 120: 탄소섬유판
130: 가동단 140: 고정단
150: 유압장치
111: 콘크리트 강도 21㎫, 0.8%(88.7kN 프리스트레싱력)프리스트레싱 수준을 가한 인장철근비 0.86% 시험체
112: 콘크리트 강도 28㎫, 0.6%(70.9kN 프리스트레싱력)프리스트레싱 수준을 가한 인장철근비 0.86% 시험체
113: 콘크리트 강도 28㎫, 0.4%(46.1kN 프리스트레싱력)프리스트레싱 수준을 가한 인장철근비 0.86% 시험체
114: 콘크리트 강도 28㎫, CFRP판 표면부착 상태의 인장철근비 0.86% 시험체
115: 콘크리트 강도 28㎫, 무보강 상태의 인장철근비 0.86% 시험체
본 발명은 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착 시스템 및 그를 이용한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소섬유판을 이용하여 콘크리트 보나 슬래브의 보수보강시 가장 효과적으로 탄소섬유판을 프리스트레싱할 수 있는 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레 싱 정착 시스템 및 그를 이용한 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 콘크리트 구조물은 수명이 다한 경우나 예기치 못한 응력이 가해져 균열발생 또는 발생우려가 있는 경우에 이를 무시하는 경향이 팽배했으나, 구조물 안전에 관한 의식이 높아짐에 따라, 그리고 건축 및 토목분야 기술의 발전으로 인해 콘크리트 구조물의 안전진단 및 이를 바탕으로 한 보수보강 기술이 발전을 거듭하고 있다.
상기 콘크리트 구조물을 보수보강하기 위한 기술 중 하나로 국외의 탄소섬유 보강재를 이용한 정착방식이 있는데, 이는 에폭시를 이용한 표면부착 방법에 국한되어 왔으며, 일부 선진국(예를 들면, 스위스 등)에서 보강재의 프리스트레싱과 관련된 방식으로 콘크리트 구조물의 보수보강을 수행하고 있는 예가 실시되고 있다.
그러나, 상기와 같은 선진국에서도 보강재의 프리스트레싱과 관련하여 프리스트레싱 도입이나 단부정착에 대한 체계적인 설계지침이나 명확한 시방서 등이 구비되지 않고 있는 실정에 있다.
일반적으로, 국내외 전체 건설 시장 가운데 보수보강을 위한 투자는 급격히 늘어나고 있으며, 장기적인 관점에서 볼 때 역학적인 특성뿐만 아니라 내부식성의 장점을 갖고 있는 탄소섬유 보강재와 같은 복합 신소재의 활용이 요구되고 있으나, 복합재료 및 강판을 이용한 기존의 보강방법은 주로 표면부착을 통해 보강이 수행되므로 보강재 단부에서의 응력집중과 환경적 요인(통기성, 수분 접촉 등)에 의해 부식 및 박리가 발생하여 충분한 성능을 발휘하기도 전에 조기 파괴되는 문제점을 안고 있다.
또한, 국내·외적으로 노후화된 콘크리트 구조물이 증가함에 따라 강판이나 FRP(fiber reinforced polymer)등을 이용한 구조물 보강사례가 증가하고 있으며, 이와 함께 전체 건설시장 가운데 구조물 보수·보강 분야의 비중은 크게 증가하고 있는 실정이다.
이에 따라, 장기적인 관점에서 역학적인 특성뿐만 아니라 내부식성의 장점을 갖고 있는 탄소섬유 보강재와 같은 복합 신소재가 기존의 강판대용으로 이용되면서 콘크리트 구조물의 유지관리 및 보수·보강 비용을 절감할 수 있게 되었다.
그러나, 이러한 장점에도 불구하고 FRP를 이용한 보강공법은 고가의 보강재료의 사용으로 인한 경제성 문제와 FRP로 보강된 구조물이 파괴되는 경우 취성적으로 파괴되는 문제점을 안고 있어 그 사용이 제한적이었다.
따라서, 최근에는 FRP 생산업체의 증가와 제조기술의 발전으로 인해 저렴한 FRP의 생산이 가능하게 되었으며, 무엇보다도 FRP를 현장 시공하는 경우 기존 보강재료에 비해 공사기간을 크게 줄일 수 있어 결과적으로 전체 시공경비를 절감할 수 있게 되어 현재는 그 사용이 급격히 증가하고 있는 실정이다.
그러나, 이러한 복합재료를 이용한 기존의 보강방법은 주로 표면부착을 통해 보강이 이루어지므로 보강재 단부에서의 응력집중과 환경적 요인(통기성, 수분 접촉 등)에 의해 부식 및 박리가 발생하여 보강재가 충분한 성능을 발휘하기도 전에 조기 파괴되는 문제점을 안고 있으며, 이러한 현상은 육안으로 관측되지 않기 때문에 진행된다 하더라도 감지할 수가 없고 추측에 의한 정성적인 평가에 의존할 수 밖에 없는 실정이다.
통상적으로 현재 사용되고 있는 국내의 프리스트레싱에 의한 보강공법으로 외부 강선의 긴장을 통한 콘크리트 구조물 보강공법 등이 이용되고 있으나, 이 방법은 우수한 휨성능 증대효과를 기대할 수는 있으나, 정착부에 큰 응력집중을 발생시키며 외관상 미관을 해치고, 장기적인 측면에서 강선의 부식으로 인한 구조물의 성능저하가 발생할 수 있는 단점을 지니고 있어 이를 개선시킬 수 있는 보강방법이 요구되고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 탄소섬유판을 이용하여 콘크리트의 보나 슬래브의 보수보강을 효과적으로 시행할 수 있게 하며, 또한 콘크리트 구조물의 휨 보강 및 전단보강 효과를 가질 수 있을 뿐만 아니라 내하력을 증진시킬 수 있는 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 프리스트레싱 정착 시스템을 이용하여 상기 프리스트레싱 공법에 의한 효과 및 프리스트레싱을 가장 효과적으로 부가할 수 있는 탄소섬유판을 콘크리트 구조물에 프리스트레싱하는 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 단부정착 시스템를 구분하여 고정단 및 가동단으로 나누어 프리스트레싱 공법을 이용하여 보의 보수보강 공법을 최적화할 수 있는 프리스트레싱 보수보강 표준공정을 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 시스템의 구성은, 탄소 섬유판(CFRP)을 이용하여 콘크리트의 보나 슬래브를 보수보강하기 위한 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판보강재의 프리스트레싱 정착 시스템에 있어서, 콘크리트 보나 슬래브로 이루어지며, 소정 위치에 앵커볼트공이 천공된 시험체; 보강재로서 상기 시험체의 표면에 부착된 탄소섬유판; 상기 시험체와 상기 탄소섬유판의 일측에서 앵커볼트에 의해 설치되어서 프리스트레싱력을 조절하여 부가하는 가동단; 상기 시험체의 타측에 상기 탄소섬유판을 견고하게 부착시킬 수 있도록 앵커볼트에 의해 설치된 고정단; 및 상기 탄소섬유판에 프리스트레스력을 가하기 위해 상기 가동단 측에 설치된 유압장치;를 포함하여 이루어진다.
상기 탄소섬유판, 가동단, 및 고정단은 에폭시 수지에 의해 상기 시험체에 부착되어 이루어진다
상기 앵커볼트가 앵커볼트공에 체결될 때 에폭시 수지가 주입되어 이루어진다.
상기 에폭시 수지는 상온에서 2일 이상 경화된다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 방법의 구성은, 탄소섬유판(CFRP)을 이용하여 콘크리트의 보나 슬래브를 보수보강하기 위한 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착방법에 있어서, 상기 탄소섬유판이 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 표면에 용이하게 부착되도록 하는 표면처리단계; 상기 프리스트레싱 전에 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 표면에 탄소섬유판 및 정착판을 에폭시를 이용하여 부착하기 위한 부착단계; 프리스트레스력을 도입하고 상기 정착판을 이용하여 상기 콘크리트 보나 슬래브의 표면에 탄소섬유판을 부착고정시키기 위한 가력 및 부착고정단계; 및 상기 콘크리트의 보나 슬래브와 탄소섬유판 및 정착판 사이에 주입된 에폭시를 양생하기 위한 에폭시 양생단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 표면처리단계는, 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 표면을 연삭기를 이용하여 그라인딩 처리하는 단계와, 해머드릴을 이용하여 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 소정 위치에 앵커볼트공을 천공하는 단계와, 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 표면 및 천공된 앵커볼트공을 물과 공기를 이용하여 고압세척하는 단계와, 고압세척된 상기 콘크리트의 보나 슬래브를 건조시키는 단계로 이루어진다.
상기 부착단계는, 상기 탄소섬유판을 콘크리트 보나 슬래브 모체의 표면에 부착하는 단계와, 고정단쪽 정착판과 가동단쪽 정착판을 프리스트레싱 전에 콘크리트 보나 슬래브 모체 및 탄소섬유판 상에 앵커볼트를 이용하여 부착시키는 단계와, 상기 엥커볼트의 유동을 최소화하기 위해 앵커볼트공에 에폭시를 주입하는 단계와,상기 정착판들을 상기 콘크리트 보나 슬래브 모체와 일체화시킨 후, 에폭시를 경화시키는 단계로 이루어진다.
상기 가력 및 부착고정단계는, 상기 정착판에 앵커볼트를 체결하여 상기 탄소섬유판의 일측 끝단을 고정시키는 단계와, 상기 탄소섬유판 에폭시를 상기 콘크리트 보나 슬래브의 하면과 상기 탄소섬유판 상에 균일하게 바른 후 압착시키는 단계와, 상기 탄소섬유판의 가동단에 유압장치를 이용하여 밀어내어 프리스트레스력을 가하는 단계와, 상기 가동단쪽 정착판의 볼트를 조여 고정시키는 단계로 이루어진다.
상기 에폭시 양생단계는 상온에서 2일 이상 행해진다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 프리스트레싱 정착방법을 이용하여 콘크리트 보나 슬래브를 보수보강하기 위한 것으로, 본 발명의 실시가 가능하도록 설계 제작된 프리스트레싱 정착 시스템의 개요도이다.
도시된 바와 같이 프리스트레싱 정착 시스템은 시험체(110), 탄소섬유판(120), 가동단(130), 고정단(140), 및 유압장치(150)로 구성된다.
상기 시험체(110)는 콘크리트 보나 슬래브로 이루어지며, 소정 위치에는 앵커볼트(미도시)에 의해 가동단(130) 및 고정단(140)의 정착판이 장착되도록 하는 앵커볼트공(미도시)이 천공 형성된다.
상기 탄소섬유판(120)은 콘크리트 보나 슬래브의 보강재로서 상기 시험체(110)의 표면에 에폭시 수지에 의해 부착되며, 정착판에 의해 고정설치된다.
상기 가동단(130)은 시험체(110)와 탄소섬유판(120)의 일측에서 에폭시 수지에 의해 부착되며 앵커볼트에 의해 설치되어서 프리스트레싱력을 조절하여 부가하는 역할을 한다.
상기 가동단(130)을 콘크리트 보나 슬래브 즉, 시험체(110)에 체결하는 앵커볼트가 앵커볼트공에 체결될 때 에폭시 수지가 주입되어서 엥커 볼트의 유동을 최소화한다.
상기 고정단(140)은 시험체(110)의 타측에 탄소섬유판(120)을 견고하게 부착 시킬 수 있도록 하는 역할을 하며, 에폭시 수지에 의해 부착되며 앵커볼트에 의해 고정설치된다.
상기 유압장치(150)는 탄소섬유판(120)에 프리스트레스력을 정확하게 가하기 위해서 가동단(130) 측에 설치된다.
상기 탄소섬유판(120), 가동단(130), 및 고정단(140)을 콘크리트 보나 슬래브로 이루어진 시험체(110)에 부착하기 위한 에폭시 수지는 상온에서 2일 이상 경화시키는 것이 바람직하다.
상기와 같은 프리스트레싱 정착 시스템을 이용하여서 콘크리트 구조물 프리스트레싱 공법을 통해 탄소섬유판재의 보강성능을 규명하기 위해 무보강된 기준실험체와 보강된 실험체와의 극한 하중, 극한상태에서의 처짐, 철근 및 보강재의 변형률 그리고 파괴모드 등을 비교·분석하였다.
또한, 상기 프리스트레싱 보강방법의 효율성 및 적용성을 분석하기 위해 탄소섬유판을 콘크리트 보니 슬래브에 보강한 후 4점 휨실험을 수행하였으며, 콘크리트 보를 대상으로 무보강, 표면 부착 그리고 프리스트레싱 보강된 실험체의 거동특성을 비교·분석하였다.
상기 콘크리트 보의 보강을 위해 사용된 탄소섬유판은 스위스 에스(Swiss S)사에서 개발한 두께가 1.4mm인 라미네이트(Laminate) 150/2000 제품으로서, 철근과 비교하여 탄성계수는 거의 동일하지만 인장강도는 5배 정도 우수한 재료를 이용하였다.
상기 탄소섬유판의 재료물성치는 표 1과 같다.
탄성계수(MPa) 극한 강도(MPa) 극한 변형률(%)
S&P Laminate (150/2000) 165,000 2,700~3,000 1.4
상기 탄소섬유판(120), 가동단(130), 및 고정단(140)을 시험체(110)에 부착하기 위해 사용된 에폭시 수지는 스위스 에스(Swiss S)사의 제품인 에폭시 레진 220을 사용하였다.
상기 에폭시 수지는 주제와 경화제로 구성되어 있으며, 그 재료 물성치는 표 2와 같다.
압축강도*(MPa) 휨강도*(MPa) 부착강도**(MPa) 경도(HDD)***
Epoxy resin 220 80.3 42.2 3.0 84
Test method : * KS M 3015 - '97, ** KS F 4921 - '99, *** KS M 3043 - '90
본 발명에 따른 프리스트레싱 정착 시스템을 이용하여서 콘크리트 구조물 프리스트레싱 공법에 의한 콘크리트 보의 보강성능을 규명하는데 있어서, 약간의 휨실험 변수들이 적용되는 데, 그 변수들을 요약하면 표 3과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 콘크리트 보의 시험체에 대한 상세도로서, 탄소섬유판(120)으로 휨보강된 철근콘크리트 보의 휨성능 개선효과를 분석하기 위한 시험체(110)이다.
상기와 같은 콘크리트 보의 시험체(110)를 구성하여 탄소섬유판(120)을 콘크리트 보의 인장부에 부착한 후 시험체(110)에서 휨파괴나 탄소섬유판의 박리파괴가 발생하기 전에 전단파괴가 발생되는 것을 방지하기 위해 전단철근(160)을 150mm 간격으로 배근하였다.
상기 시험체(110)에 사용된 인장철근은 KS D 3504의 이형철근으로 SD 400을 사용하였다.
또한, 압축철근(170)과 전단철근(160)은 D10 철근을 사용하였으며, 그 재료 물성치는 표 4와 같다.
휨실험 변수
실험체명 콘크리트강도*(MPa) 보강방법 프리스트레싱 수준*(%) 프리스트레스력 (kN) 인장철근비 (%)
MU-III 28.0 (27.0) 무보강 - - 0.860.86
M0-III 28.0 (27.0) 표면부착 - - 0.860.86
M4-III 28.0 (27.0) 프리스트레싱 보강 0.4(0.40) 46.1 0.86
M6-III 28.0 (27.0) 프리스트레싱 보강 0.6(0.61) 70.9 0.86
M8-III 28.0 (27.0) 프리스트레싱 보강 0.8(0.80) 92.0 0.86
M4-I 28.0 (27.0) 프리스트레싱 보강 0.4(0.51) 58.3 0.30
M6-I 28.0 (27.0) 프리스트레싱 보강 0.6(0.60) 69.5 0.30
M8-I 28.0 (27.0) 프리스트레싱 보강 0.8(0.73) 84.4 0.30
M6-II 28.0 (27.0) 프리스트레싱 보강 0.6(0.61) 71.0 0.55
M8-II 28.0 (27.0) 프리스트레싱 보강 0.8(0.80) 92.6 0.55
M6-IV 28.0 (27.0) 프리스트레싱 보강 0.6(0.64) 74.0 1.26
M8-IV 28.0 (27.0) 프리스트레싱 보강 0.8(0.72) 83.4 1.26
L6-III 21.0 (21.8) 프리스트레싱 보강 0.6(0.59) 67.9 0.86
L8-III 21.0 (21.8) 프리스트레싱 보강 0.8(0.77) 88.7 0.86
H6-III 36.0 (33.0) 프리스트레싱 보강 0.6(0.57) 66.2 0.86
H8-III 36.0 (33.0) 프리스트레싱 보강 0.8(0.78) 90.5 0.86
U7-I 40.0 (44.1) 프리스트레싱 보강 0.7(0.65) 74.7 0.30
U7-II 40.0 (44.1) 프리스트레싱 보강 0.7(0.69) 80.2 0.55
U7-III 40.0 (44.1) 프리스트레싱 보강 0.7(0.70) 81.1 0.86
U7-IV 40.0 (44.1) 프리스트레싱 보강 0.7(0.77) 88.6 1.26
.1.1.1.1.1.1.* : 목표 강도(실제 강도), ** : 목표 프리스트레싱 수준(실제 프리스트레싱 수준)
철근치수 탄성계수(MPa) 인장강도(MPa) 항복강도(MPa) 신장률(%)
D10mm* 2×105 626.2 500.7 17.8
D13mm* 622.2 498.7 20.0
D16mm* 732.1 476.2 16.3
D19mm* 683.1 465.8 16.4
* KS D3504 SD400, INI Steel Company
상기와 같은 구성으로 이루어진 프리스트레싱 정착 시스템을 이용하여 다음과 같이 실험을 행하였다.
상기 실험은 탄소섬유판(CFRP)을 이용하여 콘크리트의 보나 슬래브를 보수보강하기 위한 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판(120) 보강재의 프리스트레싱 정착방법과 동일한 방법으로 이루어졌으며, 그 방법은 다음과 같다.
상기 탄소섬유판(120)이 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 시험체(110)의 표면에 용이하게 부착되도록 하는 표면처리단계(S10); 상기 프리스트레싱 전에 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 시험체(110) 표면에 탄소섬유판(120) 및 정착판(130, 140)을 에폭시를 이용하여 부착하기 위한 부착단계(S20); 프리스트레스력을 도입하고 상기 정착판(130, 140)을 이용하여 상기 콘크리트 보나 슬래브의 시험체(110)표면에 탄소섬유판(120)을 부착고정시키기 위한 가력 및 부착고정단계(S30); 및 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 시험체(110)와 탄소섬유판(120) 및 정착판(130, 140) 사이에 주입된 에폭시를 양생하기 위한 에폭시 양생단계(S40);를 포함하여 이루어진다.
상기 표면처리단계(S10)는, 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 시험체(110) 표면을 연삭기를 이용하여 그라인딩 처리하는 단계(S11)와, 해머드릴을 이용하여 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 시험체(110) 소정 위치에 앵커볼트공을 천공하는 단계(S12)와, 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 시험체(110) 표면 및 천공된 앵커볼트공을 물과 공기를 이용하여 고압세척하는 단계(S13)와, 고압세척된 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 시험체(110)를 건조시키는 단계(S14)로 이루어진다.
상기 부착단계(20)는, 상기 탄소섬유판(120)을 콘크리트 보나 슬래브 시험체(110)의 표면에 부착하는 단계(S21)와, 고정단쪽 정착판(130)과 가동단쪽 정착판(140)을 프리스트레싱 전에 콘크리트 보나 슬래브 시험체(110) 및 탄소섬유판(10) 상에 앵커볼트를 이용하여 부착시키는 단계(S22)와, 상기 엥커볼트의 유동을 최소화하기 위해 앵커볼트공에 에폭시를 주입하는 단계(S23)와, 상기 정착판들(130, 140)을 상기 콘크리트 보나 슬래브 시험체(110)와 일체화시킨 후, 에폭시를 경화시키는 단계(S24)로 이루어진다.
상기 가력 및 부착고정단계(S30)는, 상기 정착판(130, 140)에 앵커볼트를 체결하여 상기 탄소섬유판(120)의 일측 끝단을 고정시키는 단계(S31)와, 상기 탄소섬유판(120) 에폭시를 상기 콘크리트 보나 슬래브 시험체(110)의 하면과 상기 탄소섬유판(120) 상에 균일하게 바른 후 압착시키는 단계(S32)와, 상기 탄소섬유판(120)의 가동단(130)에 유압장치(150)를 이용하여 밀어내어 프리스트레스력을 가하는 단계(S33)와, 상기 가동단쪽 정착판(130)의 볼트를 조여 고정시키는 단계(S34)로 이루어진다.
상기 에폭시 양생단계(S40)는 상온에서 2일 이상 행해지는 단계로 이루어진다.
상기와 같은 단계들로 이루어진 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판(120) 보강재의 프리스트레싱 정착방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 탄소섬유판으로 보강한 시험체의 휨실험을 위해 도 1에 도시된 바와 같이 정착시스템의 시험장비를 구성하였으며, 유압잭(152)과 로드셀(154)로 이루어진 유압장치(150)를 통해 하중이 재하되도록 하였다.
상기 하중재하는 500kN 용량의 유압장치(150)을 이용하였으며, 하중재하방식에 의해 4점 재하하였다.
상기 콘크리트 보의 중앙부에 위치한 인장철근에 3개의 변형률 게이지와 탄소섬유판(120)에 5개의 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였으며, 처짐을 측정하기 위해 변위계(linear variable displacement transducer, LVDT)를 2개 설치하여 그 평균값을 변위로 취하였다.
또한, 데이터 로거(data logger)를 이용하여 시험체(110)의 최종 파괴 시까지 시험체(110) 중앙부에서의 처짐과 철근, 콘크리트 그리고 탄소섬유판(120)의 변형률을 하중단계별로 측정하였다.
그리고, 상기 시험체(110)의 초기균열과 균열진행상황, 탄소섬유판(120)의 탈락 등을 육안으로 관찰하여 기록하였으며, 각 하중단계에서 발생되는 균열을 부재면에 기록하여 실험 종료 후 균열도를 작성하였다.
기준 실험체 및 탄소섬유판(120)으로 프리스트레싱 휨보강된 콘크리트 보의 휨실험 결과는 다음의 표 5와 같다.
실험결과 기준실험체와 비교하여 탄소섬유판(120)을 표면부착한 경우 하중저항능력이 20.6% 증가함을 보였으며, 프리스트레싱 보강된 실험체는 46.7 내지243.0% 증가하여 보강효과가 표면 부착한 경우에 비해 크게 개선됨을 확인할 수 있었다.
또한, 보강된 실험체의 경우 기준실험체에 비해 초기균열 발생시점의 하중이 증가하여 초기균열 억제효과도 확인할 수 있다.
실험체 초기균열 (kN) 기준실험체예상파괴 하중(kN) 철근항복 시 최대하중 시 파괴모드
하중 (kN) 처짐 (mm) 하중 (kN) 처짐 (mm) 증가율 (%)
MU-III 11.1 74.3 60.0 18.3 74.1 69.7 - 휨파괴
M0-III 14.0 74.3 74.3 20.2 89.6 35.2 20.6 계면박리
M4-III 32.1 74.3 92.2 22.1 112.7 50.1 51.7 인장파괴
M6-III 33.6 74.3 98.2 22.9 118.4 42.2 59.4 인장파괴
M8-III 39.8 74.3 112.4 25.0 125.1 36.8 68.4 인장파괴
M4-I 29.7 30.3 72.0 22.0 81.7 41.7 169.6 인장파괴
M6-I 31.8 30.3 74.1 20.6 87.3 54.8 188.1 인장파괴
M8-I 35.5 30.3 80.1 21.7 90.6 49.5 199.0 정착판박락
M6-II 39.1 51.7 95.6 23.4 109.2 34.9 111.2 정착판박락
M8-II 35.8 51.7 104.3 28.6 116.3 40.4 125.0 인장파괴
M6-IV 37.0 99.5 137.8 29.2 146.0 36.4 46.7 인장파괴
M8-IV 32.2 99.5 137.1 28.8 151.9 41.4 52.7 인장파괴
L6-III 26.0 72.5 97.4 25.4 111.7 38.9 54.1 인장파괴
L8-III 28.8 72.5 110.1 25.6 121.9 35.7 68.1 인장파괴
H6-III 32.7 75.6 105.0 23.1 126.2 53.2 66.9 인장파괴
H8-III 39.2 75.6 110.8 24.9 126.8 46.6 67.7 인장파괴
U7-I 42.9 30.7 77.1 13.7 105.3 58.1 243.0 인장파괴
U7-II 47.8 53.0 102.2 19.6 125.4 60.6 136.6 인장파괴
U7-III 45.6 77.1 121.9 19.9 138.3 44.0 79.4 인장파괴
U7-IV 46.5 105.1 142.3 23.1 170.5 56.4 62.2 인장파괴
기준실험체의 파괴형태는 인장철근 항복이후 콘크리트의 압축부가 파괴되는 전형적인 휨파괴 형태를 보였지만, 탄소섬유판(120)을 표면부착 보강한 경우는 계면박리파괴, 그리고 탄소섬유판(120)을 프리스트레싱 보강한 경우는 철근의 항복 후에 탄소섬유판(120)을 접착시킨 에폭시가 파괴된 다음, 탄소섬유판(120)의 인장파괴양상과 정착판의 박락에 의한 파괴양상을 나타내었다.
도 3은 콘크리트 보의 강도에 따른 하중-처짐을 나타낸 그래프로서, 프리스트레싱 수준이 0.6%로 거의 동일하고 콘크리트 보의 강도가 다른 L6-III, M6-III, H6-III 실험체의 하중-CFRP판의 변형률 관계를 나타내었다.
프리스트레싱 수준이 동일하고 철근비가 동일한 경우 콘크리트 강도와 상관없이 하중-탄소섬유판의 변형률 곡선이 거의 동일하게 나타나고 있다.
이를 통해서 알 수 있듯이 모든 실험체의 파괴 시 변형률이 탄소섬유판의 직접 인장 시 극한 변형률 1.4%를 상회하는 것으로 휨 인장 극한 변형률이 더 크다는 것을 알 수 있다.
도 4는 콘크리트 보의 프리스트레싱 정착방법에 따른 최대하중의 비교 그래프이며, 도 5는 콘크리트 보의 프리스트레싱 정착방법에 따른 하중-처짐 곡선을 나타낸 그래프이다.
상기 도 4 및 도 5는 콘크리트 강도와 철근비가 동일한 실험체에서 보강방법과 프리스트레싱 수준에 따른 최대하중과 하중-처짐 곡선을 나타낸 것이다.
여기서, MU-III(111)은 콘크리트 강도 21㎫, 0.8%(88.7kN 프리스트레싱력)프리스트레싱 수준을 가한 인장철근비 0.86% 시험체(110)이고, M0-III(112)는 콘크리트 강도 28㎫, 0.6%(70.9kN 프리스트레싱력)프리스트레싱 수준을 가한 인장철근비 0.86% 시험체(110)이고, M4-III(113)는 콘크리트 강도 28㎫, 0.4%(46.1kN 프리스트레싱력)프리스트레싱 수준을 가한 인장철근비 0.86% 시험체(110)이고, M6-III(114)는 콘크리트 강도 28㎫, CFRP판 표면부착 상태의 인장철근비 0.86% 시험체(110)이며, M8-III(125)는 콘크리트 강도 28㎫, 무보강 상태의 인장철근비 0.86% 시험체(110)이다.
상기 시험체(110)들을 이용하여 실험한 결과 M0-III은 MU-III에 비해 20.6%의 하중증가율을 보였고, M4-III, M6-III, M8-III은 각각 51.7%, 59.4% 68.4%를 나타내어 보강방법의 효율성을 확인할 수 있었다.
또한, 초기균열도 기준실험체에 비해 프리스트레싱 보강한 경우가 상당히 지연됨을 알 수 있었고, 보강방법에 따른 하중-처짐 곡선이 확연히 구분됨을 알 수 있었다.
게다가, 프리스트레싱 수준이 증가함에 따라 극한하중은 증가하나 그 이후의 거동에 있어서는 명확한 차이가 나타나지 않고, 표면부착한 경우에 비해 연성이 크게 증가함을 알 수 있다.
도 6은 동일한 강도를 나타내는 콘크리트 보에 탄소섬유판(120)의 프리스트레싱 수준을 변화하여 부가된 시험체(110)의 하중 및 변형률 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6을 통해서 알 수 있듯이, M0-III에서는 탄소섬유판(120)의 변형률이 약 0.67%에서 계면박리 파괴가 발생하여, 탄소섬유판(120) 재료성능의 50% 수준까지 성능을 발휘한 것으로 나타났다.
한편, M4-III, M6-III, 그리고 M8-III 실험체의 파괴 시 탄소섬유판(120) 변형률은 모두 1.4%를 상회하는 것으로 나타나 프리스트레싱 보강하는 경우 탄소섬유판(120)의 재료성능을 거의 100% 활용할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 7은 동일한 강도를 나타내는 콘크리트 보에 탄소섬유판(120)의 프리스트레싱 수준을 변화하여 부가된 시험체(110)의 최대하중을 나타낸 그래프이다.
도 7을 통해서 알 수 있는 바와 같이, 콘크리트 보의 인장철근비가 0.30%인 경우가 기준실험체에 비해 최대하중의 증가율이 169.6%, 188.1%, 199.0% 증가하는 것으로 나타났고, 모든 시험체에서 탄소섬유판(120)의 재료성능이 100% 발휘되는 것이며, 각 시험체에서 재료성능에 해당하는 휨성능이 증가하였다고 볼 수 있다.
여기서, 프리스트레싱 수준에 따라 하중이 증가하는 것은 프리스트레싱 수준이 커짐에 따라 초기균열 시점이 지연되고 최대하중 부근에서 에폭시가 떨어지는 시점이 지연되어 나타나는 현상이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 프리스트레싱 정착방법을 이용한 보의 보수보강을 실시할 수 있도록 하는 파형을 가진 단부 정착 시스템를 나타낸 개요도이다.
도 8a 내지 도 8c을 통해서 알 수 있는 바와 같이, 기준실험체에 비해 탄소섬유판(120)을 표면부착한 경우 파괴하중은 20.6% 증가하였으며, 프리스트레싱 보강한 경우는 46.7 내지 243.0%까지 증가하여 보강에 따른 휨성능 증대효과를 나타내었다.
또한, 표면부착 보강한 경우는 탄소섬유판(120)의 변형률이 약 0.67%에서 계면박리 파괴가 일어난 반면, 프리스트레싱 보강한 경우는 극한 변형률을 넘어 항복인장강도에 가까운 약 1.3~1.5%에서 파괴됨을 알 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유판(120)의 프리스트레싱 보강을 통해 콘크리트의 초기균열 발생시점을 상당히 지연시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었고, 프리스트레싱 보강한 경우 프리스트레싱 수준이 증가함에 따라 파괴하중이 증가함을 알수 있으며, 시험체의 인장철근비가 작을수록 하중증가율을 보여 보강효과가 크게 나타남을 알 수 있었다.
또한, 탄소섬유판(120)의 효과적인 프리스트레싱 보강을 위해서는 앵커볼트의 길이나 보강길이에 요구되는 적정 프리스트레싱 수준을 결정하는 것이 중요함을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
상기한 바와 같은 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판보강재의 프리스트레싱 정착 시스템 및 그를 이용한 방법을 이용하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째. 콘크리트 보의 보강의 효율성 증대와 함께 구조물 보강분야의 기술력 향상에 기여가 예상되며, 프리스트레싱 보강을 위해 개발된 제반 장치를 통해 현장적용이 용이하고 소요 공기를 단축할 수 있으며, 우수한 보강효과로 인해 기존 공법과 비교하여 보강량을 줄일 수 있어 재료 절감효과가 있다.
둘째. 전력구조물의 안전성 확보 및 수명연장에 기여할 수 있으며, 일반 구조물(토목, 건축 구조물)에도 확대 적용이 가능하므로 사용수명이 증가될 수 있다.
셋째. 국내 대형사고로 인해 사회간접시설물 이용에 불안해하는 국민들에게 본 시스템 구축은 구조물 안전에 대한 신뢰성 회복과 더불어 국가 이미지 제고에 이바지 할 것으로 기대되며 이를 통해 신뢰성 있는 구조물 성능개선 시스템 구축을 통한 관련 기술 분야의 국가 경쟁력 제고가 가능할 것이다.
넷째. 일반 구조물은 물론 원전구조물과 같은 중요 구조물에 대한 균열 제어 및 내하력 증진을 위해 직접 활용이 가능할 것으로 기대되며, 콘크리트 구조물 보강 분야의 기술 선도와 함께 노후화된 구조물의 리모델링(Re-modeling)에 많이 보급될 수 있다.

Claims (9)

  1. 탄소섬유판(CFRP)을 이용하여 콘크리트의 보나 슬래브를 보수보강하기 위한 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판보강재의 프리스트레싱 정착 시스템에 있어서,
    콘크리트 보나 슬래브로 이루어지며, 소정 위치에 앵커볼트공이 천공된 시험체(110);
    보강재로서 상기 시험체(110)의 표면에 부착된 탄소섬유판(120);
    상기 시험체(110)와 상기 탄소섬유판(120)의 일측에서 앵커볼트에 의해 설치되어서 프리스트레싱력을 조절하여 부가하는 가동단(130);
    상기 시험체(110)의 타측에 상기 탄소섬유판(120)을 견고하게 부착시킬 수 있도록 앵커볼트에 의해 설치된 고정단(140); 및
    상기 탄소섬유판(120)에 프리스트레스력을 가하기 위해 상기 가동단(130) 측에 설치된 유압장치(150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소섬유판(120), 가동단(130), 및 고정단(140)은 에폭시 수지에 의해 상기 시험체(110)에 부착되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 앵커볼트가 앵커볼트공에 체결될 때 에폭시 수지가 주입되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 상온에서 2일 이상 경화되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착 시스템.
  5. 탄소섬유판(CFRP)을 이용하여 콘크리트의 보나 슬래브를 보수보강하기 위한 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착방법에 있어서,
    상기 탄소섬유판이 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 표면에 용이하게 부착되도록 하는 표면처리단계(S10);
    상기 프리스트레싱 전에 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 표면에 탄소섬유판 및 정착판을 에폭시를 이용하여 부착하기 위한 부착단계(S20);
    프리스트레스력을 도입하고 상기 정착판을 이용하여 상기 콘크리트 보나 슬래브의 표면에 탄소섬유판을 부착고정시키기 위한 가력 및 부착고정단계(S30); 및
    상기 콘크리트의 보나 슬래브와 탄소섬유판 및 정착판 사이에 주입된 에폭시를 양생하기 위한 에폭시 양생단계(S40);를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 표면처리단계(S10)는,
    상기 콘크리트의 보나 슬래브의 표면을 연삭기를 이용하여 그라인딩 처리하는 단계(S11)와,
    해머드릴을 이용하여 상기 콘크리트의 보나 슬래브의 소정 위치에 앵커볼트공을 천공하는 단계(S12)와,
    상기 콘크리트의 보나 슬래브의 표면 및 천공된 앵커볼트공을 물과 공기를 이용하여 고압세척하는 단계(S13)와,
    고압세척된 상기 콘크리트의 보나 슬래브를 건조시키는 단계(S14)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 부착단계(20)는,
    상기 탄소섬유판을 콘크리트 보나 슬래브 모체의 표면에 부착하는 단계(S21)와,
    고정단쪽 정착판과 가동단쪽 정착판을 프리스트레싱 전에 콘크리트 보나 슬래브 모체 및 탄소섬유판 상에 앵커볼트를 이용하여 부착시키는 단계(S22)와,
    상기 엥커볼트의 유동을 최소화하기 위해 앵커볼트공에 에폭시를 주입하는 단계(S23)와,
    상기 정착판들을 상기 콘크리트 보나 슬래브 모체와 일체화시킨 후, 에폭시 를 경화시키는 단계(S24)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 가력 및 부착고정단계(S30)는,
    상기 정착판에 앵커볼트를 체결하여 상기 탄소섬유판의 일측 끝단을 고정시키는 단계(S31)와,
    상기 탄소섬유판 에폭시를 상기 콘크리트 보나 슬래브의 하면과 상기 탄소섬유판 상에 균일하게 바른 후 압착시키는 단계(S32)와,
    상기 탄소섬유판의 가동단에 유압장치를 이용하여 밀어내어 프리스트레스력을 가하는 단계(S33)와,
    상기 가동단쪽 정착판의 볼트를 조여 고정시키는 단계(S34)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착방법.
  9. 제5항 또는 제7항에 있어서, 상기 에폭시 양생단계(S40)는 상온에서 2일 이상 행해지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 휨보강용 탄소섬유판 보강재의 프리스트레싱 정착방법.
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