KR20090130952A - 콘크리트 구조물 보강공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물 보강공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용이하면서도 효율적으로 콘크리트 구조물을 단면증설 방식으로 보강할 수 있는 콘크리트 구조물 보강공법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 보강공법은 복수의 관통공이 관통 형성되어 있는 보강부재를 콘크리트 구조물의 둘레에 배치하는 보강부재 배치단계와, 보강부재를 둘러싸도록 거푸집을 설치하는 거푸집 설치단계와, 거푸집에 시멘트를 포함하는 보강재료를 타설하는 타설단계와, 타설된 보강재료를 양생하는 양생단계를 포함한다.

망사형 보강부재, 단면증설, 보강공법, 콘크리트 구조물

Description

콘크리트 구조물 보강공법{Method for reinforcing concrete structure}

본 발명은 콘크리트 구조물 보강공법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 콘크리트 구조물의 단면적을 증가시킴으로써 콘크리트 구조물의 강도를 증가시키는 콘크리트 구조물 보강공법에 관한 것이다.

콘크리트 구조물의 보강공법으로는, 강재를 에폭시로 콘크리트 구조물의 외측면에 접착하는 강판접착 보강공법과, 탄소섬유시트나 유리섬유시트 등의 신소재 섬유를 콘크리트 구조물에 접착하는 신소재섬유 접착공법 등이 있다.

강판접착 보강공법은 콘크리트 구조물에 접착되는 강재가 우수한 연성을 가진다는 장점이 있으나, 강재가 부식되는 것을 막는 조치를 하여야 한다는 점 및 강재를 콘크리트 구조물에 정착시키기가 어려운 점 등의 문제점이 있다. 그리고, 신소재섬유 접착공법은 시공이 용이하고 신소재섬유가 가벼우면서 고강도를 가진다는 장점이 있으나, 신소재섬유가 소성변형되지 않고 취성적으로 파괴가 된다는 점 및 신소재섬유가 외부에 노출되어 화재 및 화학적인 침식에 취약하다는 점 등의 문제점이 있다. 또한, 이러한 보강재 접착방식의 보강공법은 압축측의 콘크리트 단면적이 거의 증가되지 않기 때문에 그 보강 효과가 제한적이라는 단점이 있다.

상기한 보강공법들의 단점을 개선하고, 보강효과를 높이면서 보다 효율적으로 콘크리트 구조물을 보강하기 위한 방법으로 단면증설 방식의 보강공법이 이용되고 있다. 종래의 경우, 새로이 보강재(철근)를 매설하기 위하여 기둥이나 보와 같은 콘크리트 구조물에 소정 깊이로 복수 개의 구멍을 뚫은 다음, 이 구멍에 새로이 배근되는 철근을 정착시킨다. 이후, 새로 배근된 철근 둘레에 거푸집을 설치한 후, 콘크리트나 모르타르 등을 타설한 후 양생한다.

하지만, 종래의 경우 상기한 바와 같이 새로 배근되는 철근을 정착시키기 위하여 콘크리트 구조물에 복수 개의 구멍을 형성하여야 하는 번잡한 공정이 있을 뿐만 아니라, 구멍을 형성할 때 콘크리트 구조물 내부에 기 매설되어 있는 철근이 손상되지 않도록 매설된 철근의 위치를 피해서 구멍을 형성하여야 하는 시공상의 어려움도 있다.

또한, 철근 하나하나를 일일이 구멍에 끼우고 정착하여야 하므로, 철근을 배근하는데 많은 시간과 노동력이 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 보강 효과를 높이면서도 용이하고 효율적으로 콘크리트 구조물을 보강할 수 있는 콘크리트 구조물 보강공법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 보강공법은 복수의 관통공이 관통 형성되어 있는 보강부재를 콘크리트 구조물의 둘레에 배치하는 보강부재 배치단계와, 상기 보강부재를 둘러싸도록 거푸집을 설치하는 거푸집 설치단계와, 상기 거푸집에 시멘트를 포함하는 보강재료를 타설하는 타설단계와, 상기 타설된 보강재료를 양생하는 양생단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 콘크리트 구조물에 구멍을 형성하지 않고도 보강부재를 콘크리트 구조물에 정착시킬 수 있다. 따라서, 콘크리트 구조물 내에 배근되어 있는 기존의 철근을 손상시킬 위험이 방지됨과 동시에, 짧은 시간 안에 용이하고 간편하게 콘크리트 구조물을 보강할 수 있다. 따라서, 시공상에 있어서 시간과 노동력이 현저하게 감소되며, 그 결과 생산성이 증가 된다.

또한, 보강부재가 망사형의 판상 형태로 이루어져 있으므로 보강부재와 보강재료의 접촉면적이 증가되며, 그 결과 보강부재가 콘크리트 구조물에 안정적으로 정착된다. 따라서, 콘크리트 구조물을 보다 더 효율적으로 보강할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물 보강공법의 흐름도이며, 도 2는 도 1의 보강부재 배치단계 및 앵커링 단계가 완료된 상태의 콘크리트 보의 사시도이며, 도 3은 보강된 콘크리트 보의 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에서의 콘크리트 구조물은 수평 방향으로 길게 형성된 보(100) 형태로 이루어지며, 그 단면은 직사각형 형상으로 형성된다.

본 실시예에 따른 콘크리트 구조물 보강공법(M100)은 보강부재 배치단계(M10), 거푸집 설치단계(M20), 타설단계(M30) 및 양생단계(M40)를 포함한다.

보강부재 배치단계(M10)에서는 복수의 관통공이 관통 형성되어 있는 보강부재를 콘크리트 보(100) 둘레에 배치한다. 특히, 본 실시예의 경우 시중에서 제작 판매되는 망사형 철판(10)이 사용된다. 망사형 철판에는 6각형 형상으로 형성된 다수개의 관통공(111)이 관통 형성되어 있다. 상기한 망사형 철판(10)을 콘크리트 보(100)에 대응되는 형상, 즉 '

' 같이 구부린 후 콘크리트 보의 하측에 끼우면 망사형 철판(10)이 콘크리트 보(100)에 임시로 정착된다.

거푸집 설치단계(M20)에서는 망사형 철판(10)을 둘러싸도록 거푸집(미도시)을 설치한다. 특히, 본 실시예의 경우 망사형 철판의 형상에 대응되는 형상, 즉 '

' 같은 형태로 거푸집을 설치한다.

타설단계(M30)에서는 거푸집 내부로 보강재료를 타설한다. 보강재료로는 시멘트를 포함하는 재료, 예를 들어 콘크리트나 모르타르 등이 사용될 수 있다. 특 히, 본 실시예에서는 고강도 모르타르(20)가 사용되며, 타설된 모르타르는 망사형 철판의 각각의 관통공(111)에 채워지게 된다.

양생단계에서는 타설된 모르타르를 양생한다. 양생된 모르타르는 기존의 콘크리트 보(100)와 망사형 철판(10) 사이에서 전단력을 전달하는 기능을 함과 동시에, 망사형 철판(10)을 콘크리트 보(100)에 정착시키는 기능을 수행한다.

상술한 바와 같이 본 실시예에 따르면, 종래와 같이 콘크리트 구조물에 보강부재, 즉 철근을 정착시키기 위하여 콘크리트 구조물에 구멍을 뚫는 과정을 거치지 않고도, 보강판을 정착할 수 있다. 따라서, 콘크리트 기둥에 구멍을 뚫는 과정에서 콘크리트 내에 배근되어 있는 기존 철근을 손상시킬 위험이 방지됨과 동시에, 짧은 시간 안에 용이하고 간편하게 콘크리트 구조물을 보강할 수 있다.

또한, 보강판이 망사형으로 형성되어 있으므로 보강판과 모르타르의 접촉면적이 증가하게 된다. 따라서, 보강판이 콘크리트 보에 보다 더 안정적으로 정착되며, 그 결과 보다 더 효율적으로 콘크리트 보를 보강할 수 있다.

한편, 콘크리트 보(100)의 길이가 짧아서 보강판과 모르타르의 접촉면적이 충분히 크지 않은 경우, 도 1에 가상선으로 도시된 바와 같이 앵커링 단계(M15)를 추가할 수 있다.

앵커링 단계(M15)는 망사형 철판(10)을 콘크리트 보(100)에 보다 더 안정적으로 정착하기 위한 단계이다. 앵커링 단계(M15)에서는, 먼저 콘크리트 보에 일정한 깊이로 작은 구멍을 형성하는데, 이때 망사형 철판에 형성된 관통공의 모서리와 인접한 지점에 구멍을 형성한다. 이후, 앵커 볼트(12)의 볼트부를 구멍에 삽입한 뒤 앵커 볼트의 너트부를 조이면, 구멍에 삽입된 앵커 볼트의 볼트부가 좌우로 벌어지게 되어 앵커 볼트(12)가 콘크리트 보에 고정되고, 망사형 철판(10)은 콘크리트 보(100)에 밀착 고정되게 된다.

본 실시예에 따르면, 앵커 볼트에 의해 망사형 철판이 콘크리트 보에 고정될 뿐만 아니라, 거푸집을 설치하거나 모르타르를 타설 및 양생하는 단계에서 망사형 철판의 위치가 변동되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상술한 콘크리트 구조물 보강방법의 효과를 확인하기 위해, 하기하는 실험을 진행하였다. 도 4 및 도 5는 각 시험체의 규격 및 보강방법 등을 나타내는 표이며, 도 6은 기준시험체 및 보강된 시험체의 단면을 나타내는 도면이며, 도 7 내지 도 12는 하중에 따른 콘크리트 보의 처짐을 나타내는 그래프이다.

도 4 내지 도 12를 참조하면, 총 19개의 시험체를 제작하였으며, 이중 5개는 보강하지 않은 기준시험체(A1,B1,C1,D1,E1)로 제작하였으며, 나머지 14개의 시험체는 보강을 하였다. 각 기준시험체의 가로(b), 세로(D) 및 길이(L) 및 보강된 시험체의 가로(B), 세로(H) 및 길이(L)는 도 5에 기재된 바와 같다.

19개의 시험체는 기준시험체의 규격을 기준으로 하여, 전단스팬(a)과 보의 세로 방향의 길이(d)의 비율(a/d)에 따라, 비율이 3.5인 A,C 그룹, 비율이 5.3인 B 그룹 및 비율이 2.2인 D,E 그룹으로 구별하였다. 여기서, 전단스팬은 외력이 가해지는 지점과 보의 지지점(외력에 대한 반작용력이 발생되는 지점) 사이의 거리를 의미한다.

A,B 및 C 그룹에서는 콘크리트 보의 측면 보강 높이(h')를 달리해가면서, 측 면 보강 높이(h')에 따라 콘크리트 보가 보강되는 효과를 측정하였다. 이때, A,B 및 C 그룹 모두 앵커 볼트를 설치하지 않았다.

D 및 E 그룹에서는 콘크리트 보의 측면 보강 높이(h')는 동일하게 한 상태에서, 앵커 볼트의 종류와, 개수와, 설치위치를 달리해가면서 앵커 볼트에 의해 콘크리트 보가 보강되는 효과를 측정하였다. 특히, 앵커볼트의 유무에 따른 보강효과를 비교하기 위하여 E4 시험체의 경우에는 앵커 볼트를 설치하지 않았다.

A2SW 및 C4SW 시험체는 각각 A2 및 C4 시험체와 동일하게 제작하되, 가운데 부분이 용접에 의해 이어진 망사형 철판을 사용하였다.

도 7 및 도 13을 참조하면, 보강된 시험체(A2,A3)가 기준시험체(A1)에 비하여 최대하중(P_max)이 57%~89%의 증가하였고, 연성능력도 저하되지 않은 것으로 나타났다. 이로부터 본 실시예에 따른 콘크리트 구조물 보강공법이 효율적으로 콘크리트 구조물을 보강할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실험체 A2 및 A3를 비교하면, 측면 보강 높이(h')가 길수록 콘크리트 구조물을 보다 더 효율적으로 보강할 수 있음을 알 수 있다. 그리고, 이러한 사실은 그룹 B 및 그룹 C의 실험결과를 나타내는 도 8 및 도 9를 통해 확인할 수 있다.

도 10을 참조하면, 보강된 시험체(D2,D3,D4)가 기준시험체(D1)에 비하여 최대하중이 80~85%의 증가를 보였다.

반면에, 보강된 시험체(D2,D3,D4)들은 설치된 앵커 볼트의 종류, 개수 및 설치위치가 서로 상이함에도 불구하고, 그 그래프의 형태와 최대하중이 서로 유사한 것으로 나타났으며, 이러한 사실은 그룹 E의 실험결과를 나타내는 도 11을 통해서도 확인할 수 있다. 특히, 시험체 E4의 경우에는 앵커 볼트를 설치하지 않았음에도 불구하고 그래프의 형태와 최대하중이 앵커 볼트를 설치한 시험체(E2,E3)의 그래프의 형태 및 최대하중과 유사하다는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 이러한 결과로부터 앵커 볼트가 콘크리트 구조물의 강도에 미치는 효과는 작으며, 앵커 볼트를 설치하지 않더라도 망사형 철판을 정착시켜서 콘크리트 구조물을 충분히 보강할 수 있음을 알 수 있다.

도 12를 참조하면, 시험체 A2 및 A2SW와, 시험체 C4 및 C4SW의 그래프가 각각 유사함을 확인할 수 있으며, 이로부터 망사형 철판의 용접 여부는 콘크리트 구조물의 보강효과에 영향을 끼치지 않으며, 여러 개의 철판을 용접으로 연결하여 사용하더라도 동일한 보강효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

한편, 보강된 시험체의 강도는 하기하는 식에 의해 계산될 수 있다.

C_c = C₁ + C₂ = (0.85f_ck)(a)(b₁+b₂)

f_ck = (f_ck1b₁+2_fck2b₂) / (b₁+b₂)

여기서, f_ck1 는 보강 전 기준시험체의 콘크리트 압축강도, f_ck2 는 보강되는 모르타르의 압축강도, f_ck 는 환산된 단일 압축강도, C₁은 기존 콘크리트 보의 콘크리트가 받는 압축력, C₂는 보강 모르타르가 받는 압축력, b₁은 보강 전의 콘크리트 보의 가로길이(폭), b₂는 모르타르의 보강 두께이다.

보강된 콘크리트 보의 인장력 T, 압축력 C 및 공칭모멘트 M_n은 다음과 같다.

T = T₁ + T₂ = (A_s1 + (A_s2f_y2cos(30) / f_y1))×f_y1

C = C_c + C_s = 0.85f_cka(b₁+2b₂) + A_s'f_s'

Mn = C_c(d_s - a/2) + C_s(d_s - d') = 0.85f_cka(b₁+2b₂)(d_s - a/2) + A_s1'f_s'(d_s - d')

여기서, A_s1은 인장철근의 단면적, A_s2는 보강판의 단면적, A_s1'는 압축철근의 단면적, f_y1은 인장철근의 항복강도, f_y2는 보강판의 항복강도, f_s'은 압축철근의 응력, C_c는 보강된 단면의 콘크리트와 모르타르에 작용되는 압축력, C_s는 압축철근에 작용되는 압축력, d_s는 인장철근과 보강판의 합력 위치에서 압축 측 콘크리트 연단까지의 거리이다.

도 13은 상기한 강도해석법으로 구해진 이론값(P_th)과 실제 실험으로 구해지는 값을 비교한 표이다.

도 13을 참조하면, 실제로 콘크리트 보 상에 파괴가 발생될 때의 항복하중(P_y)과 이론값이 최대로는 약 9%, 평균적으로는 약 5%정도 차이가 남을 알 수 있으며, 이는 상당히 정확한 결과라고 판단된다. 따라서, 상기한 강도해석법을 기초로 하여 콘크리트 구조물의 보강설계를 할 수 있다.

한편, 본 발명에 의하면 앞서 설명한 바와 같이 보 형태의 콘크리트 구조물 이 아닌, 상하 방향으로 길게 형성된 콘크리트 기둥(200) 형태의 구조물도 보강할 수 있다. 도 14는 보강된 콘크리트 기둥의 단면도이다.

본 실시예에 따르면, 먼저 도 14에 도시된 바와 같이 망사형 철판(10A)을 콘크리트 기둥(200) 둘레에 '□'자 형태로 감아 임시로 고정시킨다. 그런 다음, 망사형 철판(10A) 둘레에 거푸집을 설치한 후, 거푸집에 모르타르(20A)를 타설하고 이를 양생시키면 콘크리트 기둥(200)의 보강이 완료된다. 그리고, 콘크리트 보의 보강과정에서 설명한 바와 같이, 상기한 과정 중 앵커 볼트를 설치하여 망사형 철판을 콘크리트 기둥에 보다 더 안정적으로 정착할 수도 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물 보강공법의 흐름도이다.

도 2는 도 1의 보강부재 배치단계 및 앵커링 단계가 완료된 상태의 콘크리트 보의 사시도이다.

도 3은 보강된 콘크리트 보의 단면도이다.

도 4 및 도 5는 각 시험체의 규격 및 보강방법 등을 나타내는 표이다.

도 6은 기준시험체 및 보강된 시험체의 단면을 나타내는 도면이다.

도 7 내지 도 12는 하중에 따른 콘크리트 보의 처짐을 나타내는 그래프이다.

도 13은 강도해석법으로 구해진 이론값과 실제 실험으로 구해지는 값을 비교한 표이다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따라 보강된 콘크리트 기둥의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

M100...콘크리트 구조물 보강공법 M10...보강부재 배치단계

M15...앵커링 단계 M20...거푸집 설치단계

M30...타설단계 M40...양생단계

100...콘크리트 보 10...망사형 철판

11...관통공 12...앵커 볼트

20...모르타르 200...콘크리트 기둥

Claims (6)

1. 복수의 관통공이 관통 형성되어 있는 보강부재를 콘크리트 구조물의 둘레에 배치하는 보강부재 배치단계;

   상기 보강부재를 둘러싸도록 거푸집을 설치하는 거푸집 설치단계;

   상기 거푸집에 시멘트를 포함하는 보강재료를 타설하는 타설단계; 및

   상기 타설된 보강재료를 양생하는 양생단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보강공법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 보강재료는 모르타르인 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보강공법.
3. 제1항에 있어서,

   앵커 볼트를 이용하여 상기 보강부재를 상기 콘크리트 구조물에 고정시키는 앵커링 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보강공법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 보강부재는 망사형의 판상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보강공법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 콘크리트 구조물은 수평 방향으로 길게 형성된 보 형태로 이루어지며,

   상기 보강부재 배치단계에서는,

   상기 콘크리트 구조물에 대응되는 형상으로 절곡된 보강부재를 상기 콘크리트 구조물에 끼우는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보강공법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 콘크리트 구조물은 수직 방향으로 길게 형성된 기둥 형태로 이루어지며,

   상기 보강부재 배치단계에서는,

   상기 보강부재를 상기 콘크리트 구조물에 대응되는 형상으로 절곡시켜가며 상기 콘크리트 구조물의 둘레를 감싸는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보강공법.

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