KR20100104737A - 합성 콘크리트 보 및 그 시공방법 - Google Patents

합성 콘크리트 보 및 그 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전단에 대한 강성 즉 전단 강도가 향상되고 시공성이 개선된 구조의 합성 콘크리트 보 및 그 시공방법을 개시한다. 본 발명에 따른 합성 콘크리트 보는: 콘크리트를 타설하여 형성되는 콘크리트 보; 그리고 상기 콘크리트 보의 전단 강도를 보강시키기 위하여, 상기 콘크리트의 타설에 의해 상기 콘크리트 보의 내부에 매립되어 상기 콘크리트 보와 일체로 되는 에프알피(FRP) 재질의 전단보강부재를 포함하여 구성된다.
상술한 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 인장강도 및 인장에 대한 저항력이 우수한 에프알피(섬유강화플라스틱)의 특성을 갖는 상기 에프알피 재질의 전단보강부재가 콘크리트 보와 일체적 거동을 하면서 전단에 대한 저항력을 증가시키고, 기존 콘크리트 보 구조물에 비해 철근 등의 재료비가 절감되며, 더 나아가 기존 전단보강근 대신 경량의 에프알피 재질의 전단보강부재를 사용함으로써 자중이 감소된다.
Figure P1020090023357
FRP 전단보강부재, 콘크리트 보, 상부근, 하부근, 상부근 연결부재, 하부근 연결부재, 결합력 강화부

Description

합성 콘크리트 보 및 그 시공방법{Composite Concrete Beam and Constructing Method for The Same}
본 발명은 합성 콘크리트 보 및 그 시공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트의 타설로 형성되는 콘크리트 보와 에프알피 재질의 전단보강부재가 일체화되어 전단에 대한 저항력이 향상되므로 전단 강도가 증대되고 재료비가 절감되며 시공성이 향상될 수 있는 구조의 합성 콘크리트 보 및 그 시공방법에 관한 것이다.
일반적으로, 건축 구조물 또는 토목 구조물에 있어서 콘크리트 보(beam:들보)는 하중을 주로 휨(굽힘)으로 지탱하는 구조 요소를 뜻한다. 상기 콘크리트 보(beam)는 주로 중력에 따른 수직 하중을 받지만, 돌풍 등으로 인한 풍하중, 지진하중 등의 수평하중을 받기도 한다. 상기 보(beam)에 재하된 하중은 기둥, 벽이나 거더 등을 거쳐 구조물 전체로 전달된다.
주로 양단이 고정된 콘크리트 보에 하중이 재하되면, 상기 콘크리트 보의 내부적으로 압축과 인장 및 전단 응력이 발생하게 되는데, 상기 콘크리트 보의 보강을 위하여 상기 콘크리트 보의 내부에 상기 압축과 인장 및 전단응력에 대한 저항 력을 증가시키기 위한 상부근과 하부근 및 전단 보강근이 각각 구비된다.
도 1과 도 2를 참조하면, 종래 콘크리트 보 구조물(10)은 콘크리트 보(1)와 상기 콘크리트 보(1)의 내부에 구비되는 상부근(2), 하부근(3) 및 전단 보강근(4)을 포함하여 구성된다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 전단 보강근(4)을 상기 상부근(2)과 하부근(3)을 둘러싸는 형태로 거푸집 내부에 설치하고 상기 거푸집에 콘크리트를 타설하여 상기 상부근(2)과 하부근(3) 및 전단 보강근(4)이 콘크리트 보(1)와 일체화되며, 상기 콘크리트의 양생후에 상기 거푸집이 제거됨으로써 종래의 콘크리트 보 구조물(10)이 완성된다.
여기서, 상기 콘크리트 보(1)와 그 상부를 따라 길게 매설되는 상부근(2)은 주로 압축에 저항하는 역할을 하고, 상기 콘크리트 보(1)의 하부를 따라 길게 매설되는 하부근(3)은 인장에 저항하는 역할을 하며, 상기 상부근(2)과 상기 하부근(3)에 수직하게 설치되는 상기 전단 보강근(4)은 상기 콘크리트 보(1)의 전단파괴에 저항하는 역할을 하게 된다.
다시 말해서, 상기 콘크리트 보(1)에 전단균열이 발생하더라도 콘크리트 보(1)가 파괴되지 않도록, 상기 전단 보강근(4)이 상기 콘크리트 보(1)가 상기 전단균열에 의한 전단면을 기준으로 분할되는 것을 방지함으로써 콘크리트 보 구조물의 전단강도를 향상시킨다.
상기 전단 보강근(4)은 상기 콘크리트 보(1)의 길이방향을 따라 복수개가 이격되게 배치되며, 각각의 전단 보강근(4)은 상기 콘크리트 보(1)의 축선에 수직하 게 되도록 상기 콘크리트 보(1)의 내부에 매립된다. 상기 전단 보강근(4)들의 간격은 상기 콘크리트 보(1)에 작용하는 전단력의 크기에 따라 조절된다.
그러나, 종래 콘크리트 보 구조물(10)은 다음과 같은 문제점이 있었다.
상기 전단 보강근(4)은 긴 철근을 이용하여 제조되어 상기 콘크리트 보(1)에 작용하는 전단에 대한 저항력을 증가시키는데, 상기 전단 보강근(4)을 상기 콘크리트 보(1)의 내부에 설치하기 위해서는 시공현장에서 긴 철근을 대략 사각형으로 구부리는 벤딩(bending) 작업과 철근의 절단작업 및 상기 상부근(2)과 하부근(3)에 와이어(wire)를 이용하여 연결하는 조립작업을 요구하므로, 설치작업이 복잡하고 어려워져 시공성이 떨어지며, 이로 인해 작업시간이 오래 소요되는 문제점이 있었다.
그리고, 상기 전단 보강근(4)의 설치 간격이 조밀할수록 전단에 대한 저항력은 강해지는 반면, 상기 전단 보강근(4)의 설치 간격이 조밀할 수록 상기 전단 보강근(4) 사이의 간격이 좁아지기 때문에, 거푸집에 콘크리트 타설시 콘크리트의 골재가 상기 전단 보강근(4) 사이의 간격을 통과하기 어렵고 이로 인해 콘크리트 골재가 고르게 배치되지 않아 콘크리트 보 구조물(10)의 성능 저하를 유발하는 문제점이 있었다.
또한, 상기 전단 보강근(4)은 철근을 구부리고 절단하여 제조되므로 무게가 무거우며, 상기 전단 보강근(4)의 설치 간격이 조밀할 수록 상기 전단 보강근이 차지하는 무게가 증가하여 상기 콘크리트 보 구조물의 하중이 증가되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 시공이 쉽고 전단에 대한 저항력, 즉 높은 전단 강도를 가지는 합성 콘크리트 보와 그 시공방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 높은 전단 강도를 가지면서도 하중이 감소되는 합성 콘크리트 보와 그 시공방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, FRP 재질의 전단보강부재와 콘크리트 보의 일체성이 향상된 구조의 합성 콘크리트 보 및 그 시공방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은: 콘크리트를 타설하여 형성되는 콘크리트 보; 그리고 상기 콘크리트 보의 전단 강도 보강시키기 위하여, 상기 콘크리트의 타설에 의해 상기 콘크리트 보의 내부에 매립되어 상기 콘크리트 보와 일체로 되는 에프알피(FRP) 재질의 전단보강부재를 포함하여 구성되는 합성 콘크리트 보를 제공한다.
상기 전단보강부재는 판형상으로 구성되며, 상기 콘크리트 보의 내부에는 상기 전단보강부재가 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.
그리고, 상기 전단보강부재는 상기 콘크리트 보의 내부에 수직하게 세워진 상태로 구비되는 것이 바람직하다. 다시 말해서 상기 전단보강부재의 표면이 수직한 상태로 설치되는 것이 좋다.
여기서, 상기 전단보강부재는 상기 콘크리트 보의 길이방향과 나란하게 구비될 수 있으며, 상기 콘크리트 보의 내부에는 상기 콘크리트 보의 길이방향을 따라 상기 전단보강부재가 복수개 이격배치된 전단보강라인이 형성될 수 있고; 상기 전단보강라인은 상기 콘크리트 보의 내부에 적어도 1열 이상이 구비되는 것이 바람직하다.
상기 전단보강부재의 하부에는 상기 콘크리트 보의 내부에 매립되는 하부근이 연결되고, 상기 전단보강부재의 상부에는 상기 콘크리트 보의 내부에 매립되는 상부근이 연결된다.
이 때, 상기 전단보강부재의 상부에는 상기 전단보강부재와 상기 상부근을 연결하는 상부근 연결부재가 결합될 수 있고, 상기 전단보강부재의 하부에는 상기 전단보강부재와 상기 하부근을 연결하는 하부근 연결부재가 결합됨으로써 상기 전단보강부재와 상부근 및 하부근이 상호 조립될 수 있다.
상기 전단보강부재는 상기 전단보강부재의 외부에 타설되는 상기 콘크리트와 상기 전단보강부재의 결합력을 강화하는 결합력 강화부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 결합력 강화부는; 상기 전단보강부재를 두께방향으로 관통하는 적어도 하나의 관통홀을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 결합력 강화부는; 상기 전단보강부재의 표면에 일체로 코팅되어, 상기 전단보강부재의 외부에 타설되는 콘크리트와 결합되는 콘크리트부착 코팅층을 포함하여 구성될 수도 있다.
다른 일 형태로서 본 발명은: 건축 또는 토목 구조물에 적용되는 합성 콘크리트 보의 시공방법으로서, 판형상으로 된 에프알피 재질의 전단보강부재의 하부가 상기 합성 콘크리트 보의 하부근에 연결되어 지지되고, 상부가 상기 합성 콘크리트 보의 상부근에 연결되도록 상기 전단보강부재를 설치하는 단계; 그리고 상기 전단보강부재의 외부에 콘크리트를 타설하여 상기 상부근과 하부근 및 에프알피 전단보강부재가 내부에 일체화된 콘크리트 보를 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 합성 콘크리트 보의 시공방법을 제공한다.
본 발명에 따른 합성 콘크리트 보와 그 시공방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 따르면, 가볍고 시공이 편리하며 인장에 대한 저항력이 우수한 FRP재질로 성형된 전단보강부재가 콘크리트 보와 일체화되어 콘크리트 보의 전단파괴에 대한 저항력과 연성능력이 크게 향상될 수 있다.
둘째, 본 발명에 따르면, FRP 재질의 전단보강부재는 무게가 가벼워 합성 콘크리트 보의 중량이 감소되고 건축 또는 토목 구조물 전체의 시공비용이 현저히 절감되며, 제조 및 설치가 용이하므로 공기단축에 의한 시공비 절감도 기대할 수 있다.
셋째, 본 발명에 따르면, FRP 재질의 전단보강부재가 판형상으로 제조되어 성형이 용이하고, 합성 콘크리트 보의 시공시 FRP 전단보강부재와 상부근 및 하부근이 상부 및 하부 연결부재에 의해 연결되므로, 전단보강부재의 연결작업이 용이 하여 작업성이 향상되고 전단보강부재의 조립을 위해 소요되는 시간이 최소화된다.
넷째, 본 발명에 따르면, 콘크리트 보와 FRP 전단보강부재의 일체성이 향상되어 콘크리트 보의 전단파괴에 대한 저항력이 크게 향상될 수 있다.
이하 상기 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명 및 중복되는 설명은 하기에서 생략된다.
먼저, 도 3 내지 도 6c를 참조하여, 본 발명에 따른 합성 콘크리트 보의 제1실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 합성 콘크리트 보의 제1실시예를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면도이며, 도 5는 도 3의 측면 구성도이고, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 에프알피 전단보강부재의 실시예들을 나타낸 도면들이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 합성 콘크리트 보(100)는, 콘크리트를 타설하여 형성되는 콘크리트 보(110)와, 상기 콘크리트 보(110)의 전단 강도를 보강시키기 위하여 상기 콘크리트 보(110)와 일체로 거동하는 에프알피(FRP) 재질의 전단보강부재(140; 이하 FRP 전단보강부재라 칭함)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 합성 콘크리트 보(100)는 건축 또는 토목 구조물에 적용되어 하중을 지탱한다. 상기 콘크리트 보(110)는 콘크리트의 타설에 의해 형성되는데, 보다 상세하게는 거푸집에 설계조건에 맞는 두께와 길이로 콘크리트를 타설하고 이를 양생함으로써 형성된다.
그리고, 상기 합성 콘크리트 보(100)는 하중분포 및 자중 등의 설계조건에 맞게 압축 및 인장에 대한 우수한 저항력과 아울러 전단에 대한 우수한 저항력을 필요로 하는데, 본 발명은 FRP의 특성 중 우수한 인장강도를 이용하여 콘크리트 보의 전단강도를 보강함으로써 콘크리트 보의 전단 파괴를 방지하고 재료비를 절감하는 동시에 합성 콘크리트 보(100)의 중량을 최소화한다.
상기 FRP의 구체적인 예로서, CFRP(탄소섬유 강화플라스틱)와 GFRP(유리섬유 강화플라스틱)와 AFRP(아라미드섬유 강화플라스틱) 등이 있으며, 상기 FRP 전단보강부재(140)는 상기 합성 콘크리트 보의 전단강성/강도를 향상시킬 수 있는 기타 다른 재질을 더 포함하여 복합재질로 구성할 수도 있다.
상기 FRP 전단보강부재(140)는 상기 콘크리트 보(110)의 내부에 매립되어 상기 콘크리트 보(110)와 일체적 거동을 하는 구조를 갖으며, 상기 콘크리트 타설에 의해 상기 콘크리트 보(110)와 직접 일체화된다.
그리고 상기 FRP 전단보강부재(140)가 상기 콘크리트 보(110)에 발생되는 전단에 대응하여 합성 콘크리트 보의 전단강도를 보강하도록 상기 콘크리트 보의 내부에 수직하게 또는 경사지게 구비되는데, FRP 전단보강부재(140)는 판형상으로 구성되거나 기타 봉형상이나 막대형상이나 블록 형상 등 다양한 형상으로 구성될 수 있고 그 길이방향이 수평선에 대하여 수직하거나 경사지도록 상기 콘크리트 보의 내부에 구비된다.
본 실시예에 있어서는, 상기 FRP 전단보강부재(140)가 판 형상으로 구성되며 거푸집의 내부에 세워진 설치된 상태에서, 상기 거푸집에 콘크리트가 타설되어 양생되면 상기 판 형상의 FRP 전단보강부재(140)가 상기 콘크리트 보(110)의 내부에 매립되어 상기 콘크리트 보(110)와 일체화되며, 이에 따라 상기 판 형상의 FRP 전단보강부재(140)가 상기 콘크리트 보(110)의 내부에 세워진 상태로 구비된다.
다시 말해서, 판형상으로 성형된 상기 FRP 전단보강부재(140)가 상기 콘크리트 보의 축선, 즉 길이방향에 수직하거나 나란한 상태가 되도록 상기 콘크리트 보의 내부에 매립되는 것을 말하는데, 예를 들면 상기 콘크리트 보가 사각형 단면(축선에 수직한 단면)을 갖는 경우에 상기 판 형상 FRP 전단보강부재(140)의 양면이 상기 콘크리트 보(110)의 하단면에 수직한 것을 말하며 양측 모서리가 수직하게 세워진 것을 한정하는 것은 아니므로, 상기 판 형상 FRP 전단보강부재(140)는 도 6c 또는 하기의 표 1에 도시된 실시예2에서와 같이 평행 사변형 형상으로 제조되어, 양측 모서리가 사선방향으로 경사진 형태가 될 수도 있다. 다시 말해서, 판형상으로 성형된 상기 FRP 전단보강부재(140)의 면벡터(면에 수직한 벡터)가 상기 콘크리트 보의 하단면과 나란한 상태가 되는 것을 말한다. 물론 상기 콘크리트 보의 단면 형상이 상술한 사각형에 한정되는 것은 아니며 원형이 될 수도 있고 설계조건에 따라 다양하게 변경될 수도 있다.
그러나 상기 판 형상 FRP 전단보강부재(140)의 배치 구조가 상술한 것에 한정되는 것은 아니며 상기 FRP 전단보강부재(140)의 양면이 상기 콘크리트 보(110)의 하단면에 경사지게 배치될 수도 있다.
상기 FRP 전단보강부재(140)가 판 형상으로 되는 경우 정사각형, 직사각형, 평행 사변형, 마름모 형상 등 다양한 형상이 적용될 수 있으며, 사각형에 한정되는 것이 아니고 다른 형상도 적용될 수 있고 설계조건상 전단파괴가 예상되는 위치에 그 양면이 수직 또는 경사지게 배치될 수 있다.
상기 FRP 전단보강부재(140)는 일부가 상기 콘크리트 보(110)의 외부로 노출되도록 매립될 수도 있으나, 본 실시예에서는 상기 콘크리트 보(110)의 내부에 완전히 매립되어 상기 콘크리트 보(110)의 외부로 노출되지 않도록 구성한다.
본 실시예에 있어서, 상기 FRP 전단보강부재(140)는 상기 콘크리트 보(110)의 길이방향과 나란하게 구비될 수 있으며, 상기 콘크리트 보(110)의 내부에는 상기 콘크리트 보의 길이방향을 따라 상기 FRP 전단보강부재(140)가 복수개 이격배치되어 전단보강라인이 형성될 수 있다. 이 때, 상기 전단보강라인은 상기 콘크리트 보(110)의 내부에 적어도 1열 이상이 구비되는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 상기 콘크리트 보의 내부에 2열의 전단보강라인이 설치된 것을 개시하나 3열 이상의 전단보강라인이 설치될 수도 있다.
자세하게 도시하진 않았지만, 상기 콘크리트 보(110)의 내부에 상기 FRP 전단보강부재(140)를 복수개 이격배치하여 1열의 전단보강라인을 형성하는 대신, 상기 콘크리트 보(110)의 내부에 판형상으로 길게 형성된 단일의 일체형 FRP 전단보강부재를 상기 콘크리트 보의 길이방향으로 배치하여 1열의 전단보강라인을 형성할 수도 있다. 물론 1열의 전단보강라인을 형성하는 단일의 FRP 전단보강부재를 서로 나란하게 복수개로 설치하여 2열이상의 전단보강라인을 형성할 수도 있다.
그리고, 상기 FRP 전단보강부재(140)는 상기 콘크리트 보(110)의 내부에 수직하게 세워진 상태로 매립될 경우, 본 실시예에서와 같이 상기 콘크리트 보(110)의 길이방향과 나란하게 구비될 수도 있지만, 상기 콘크리트 보(110)의 길이방향과 교차하도록 구비될 수도 있다.
상기 FRP 전단보강부재(140)의 두께는 설계조건(하중조건 등)에 의해 변경될 수 있으며, 상기 FRP 전단보강부재(140)의 설치위치에 따라 두께를 다르게 할 수도 있다.
한편, 상기 FRP 전단보강부재(140)의 상부에는 상기 콘크리트 보(110)의 내부에 매립되는 상부근(120)이 연결되고 상기 FRP 전단보강부재(140)의 하부에는 상기 콘크리트 보(110)의 내부에 매립되는 하부근(130)이 연결되어 상기 FRP 전단보강부재가 상기 상부근과 하부근에 의해 지지되어 그 설치위치가 고정될 수도 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 FRP 전단보강부재(140)의 상부에는 상기 FRP 전단보강부재(140)와 상기 상부근(120)을 연결하는 상부근 연결부재(150)가 결합되고, 상기 FRP 전단보강부재(140)의 하부에는 상기 FRP 전단보강부재(140)와 상기 하부근(130)을 연결하는 하부근 연결부재(160)가 결합된다.
상기 상부근 연결부재(150)는 상기 FRP 전단보강부재(140)의 상단부가 결합되는 하측 결합부(151)와 상기 상부근(120)이 결합되는 상측 결합부(152)를 포함하여 구성되며, 상기 FRP 전단보강부재(140)의 상단부와 상기 상부근(120)은 상기 하측 결합부(151) 및 상기 상측 결합부(152)에 각각 압입, 결속선, 부착 등 다양한 방식으로 고정될 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 상부근 연결부재의 상측 결합부(152)는 상기 FRP 전단보강부재가 끼워지도록 상기 FRP 전단보강부재의 상단에 대응되는 형상의 하부결합홈을 가지며, 상기 상측 결합부(152)는 상기 상부근(120)이 끼워지도록 상기 상부근의 단면 형상에 대응되는 형상의 상부 결합홈을 가진다.
이 때, 상기 상측 결합부(152)에는 상기 상부근(120)이 압입 방식으로 결합되어 고정될 수도 있는데, 이러한 경우 상기 상측 결합부(152)가 상기 상부근(120)의 둘레를 절반 이상 감싸도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 상측 결합부(152)에 상기 상부근(120)이 압입 방식으로 설치될 시, 상기 상부근(120)이 끼워질 때 상기 상측 결합홈이 탄성적으로 벌어지며 상기 상부근이 완전히 끼워지면 상기 상측 결합홈이 탄성력에 의해 오무려지고, 이에 따라 상기 상측 결합부(152)가 상기 상부근(120)의 외주면을 절반 이상 감싸게 됨으로써 상기 상측 결합부(152)로부터 상기 상부근(120)이 쉽게 분리되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
상기 상측 결합부(152)와 하측 결합부(151)는 상호 일체형으로 제조되는데, 예를 들면 플라스틱 재질로 일체로 성형될 수 있으며, 상기 상측 결합부(150)와 상기 하측 결합부 사이에는 측면홈(153)이 형성될 수도 있는데, 상기 상부근(120)과 FRP 전단보강부재(140)가 상기 상부근 연결부재(150)에 의해 일체로 고정되는 경우 상기 측면홈(153)은 상기 콘크리트 보와의 일체성을 강화할 수 있다.
그리고 상기 하부근 연결부재(160)는 상기 상부근 연결부재(150)와 동일한 형상을 가지며, 상기 하부근과 전단보강부재의 연결을 위해서 상기 상부근 연결부재(150)와 대칭되게 설치된다.
상기 하부근 연결부재(160)는 상기 상부근 연결부재(150)와 대칭되는 형태로 상기 FRP 전단보강부재(140)의 하단부가 결합되는 상측 결합부(161)와 상기 하부근(130)이 결합되는 하측 결합부(162)를 포함하여 구성되며, 상기 FRP 전단보강부재(140)의 하단부와 상기 하부근(130)은 전술한 상부근 연결부재(150)와 마찬가지로 상기 상측 결합부(161) 및 상기 하측 결합부(162)에 각각 압입, 결속선, 부착 등 다양한 방식으로 결합될 수 있다.
한편, 상기 FRP 전단보강부재(140)와 상기 콘크리트 보(110)는 재료의 이질성, 즉 이형성으로 인해 서로 잘 붙지 않는 문제점이 있다. 물론, 콘크리트 타설 후 양생과정에서 콘크리트의 수축으로 인해 상기 FRP 전단보강부재(140)가 콘크리트 보(110) 내부에 매립된 상태로 고정되어 양 부재간의 일체성이 확보되지만, 진동이나 하중작용으로 인한 합성 콘크리트 보의 휨거동(처짐)시 상기 FRP 전단보강부재(140)와 상기 콘크리트 보(110) 사이에 슬립(Slip)현상 등의 분리현상이 발생할 수도 있다.
이러한 양부재간의 분리현상을 방지하고 상기 콘크리트 보(110)와 상기 FRP 전단보강부재(140)의 일체성을 더욱 견고히 하기 위하여, 상기 FRP 전단보강부재(140)는 상기 FRP 전단보강부재(140)의 외부에 타설되는 상기 콘크리트와 상기 FRP 전단보강부재(140)의 결합력을 강화하는 결합력 강화부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 결합력 강화부는 본 실시예에서와 같이 상기 FRP 전단보강부재(140)를 두께방향으로 관통하는 적어도 하나의 관통홀(140a)을 포함하여 구성될 수 있으나, 상기 FRP 전단보강부재(140)의 외부 표면에 형성된 돌기나 홈을 포함하여 구성될 수도 있다.
또한, 상기 결합력 강화부의 예가 상술한 것에 한정되는 것은 아니며, 상기 FRP 전단보강부재(140)의 외부 표면에 콘크리트부착 코팅층을 형성하여 상기 FRP 전단보강부재(140)와 외부에 타설되는 콘크리트와의 결합력을 강화할 수도 있다.
예를 들면, 상기 FRP 전단보강부재(140)의 외부 표면에 접착성 물질을 도포한 후 콘크리트와의 결합성이 우수한 규사 등의 모래나 가넷(garnet) 등의 재료로 상기 FRP 전단보강부재(140)의 외부 표면을 코팅하는 방식으로 상기 결합력 강화부를 형성할 수도 있다.
물론, 상기 결합력 강화부가 상술한 관통홀(140a)과 돌기와 홈과 콘크리트부착 코팅층 중 2이상을 포함할 수도 있다.
한편, FRP는 가볍고 성형이 쉬우며 우수한 인장강도를 가지는데, 상기 FRP 전단보강부재(140)를 성형하는 방법의 일 예로는 섬유 필라멘트를 교차되게 배열하면서 성형하는 방식이 있다. 즉, 섬유 필라멘트를 가로방향으로 배열하고 다시 이에 직교되는 세로방향으로 섬유 필라멘트를 배열하여 적층하면서 경화제 등을 이용하여 경화시킴에 따라 원하는 두께와 형상을 갖는 FRP 전단보강부재를 제작할 수도 있고, 상기 섬유 필라멘트를 사선방향으로 배열할 수도 있다.
이 때, 상기 FRP 전단보강부재(140)가 체크무늬가 되도록 섬유 필라멘트를 교차되게 배열함으로써 상기 결합력 강화부의 일 예인 관통홀(140a)을 형성할 수 있다. 보다 상세하게는 도 6a에 도시된 바와 같이 상호 이격된 복수의 기준행들과 이에 교차되며 상호 이격된 복수의 교차열에 의해 상기 관통홀(140a)이 형성될 수 있는데, 예를 들면 상기 섬유 필라멘트를 가로방향으로 길게 배열하여 각각의 기준행을 형성하고 세로방향으로도 섬유필라멘트를 길게 배열하여 각각의 교차열을 형성하는데, 이 때 상기 복수의 기준행들이 서로 나란하게 이격 배치되고 복수의 교차열들이 서로 나란하게 이격배치되어 상기 기준행들과 교차열들이 서로 교차되도록 구성되면 상기 관통홀(140a)이 형성된다.
상기 관통홀(140a)의 형상과 크기와 수는 상기 행과 열의 폭과 행들간의 간격 및 열들간의 간격 등의 조건에 의해 조절될 수 있다.
그리고, 상기 FRP 전단보강부재(140)를 성형하는 과정에서 그 표면에 상기 결합력 강화부의 다른 일 예인 돌기나 홈을 형성할 수도 있다.
또한, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 FRP 전단보강부재(141)는 섬유 필라멘트가 우상향의 사선방향으로 길게 배열되는 복수의 기준행들과 이와 교차되도록 좌상향의 사선방향으로 섬유 필라멘트가 길게 배열된 복수의 교차열을 포함하여 구성될 수도 있는데, 예를 들면 양의 45도 방향으로 섬유 필라멘트를 배열하여 기준행을 형성하고 이에 직교하는 사선방향 예를 들면 음의 45도 방향으로 섬유 필라멘트를 배열하여 상기 교차열을 형성할 수 있다. 이 때 상기 복수의 기준행들이 서로 나란하게 이격 배치되고 복수의 교차열들이 서로 나란하게 이격배치되어 상기 기준행들과 교차열들이 서로 교차되도록 구성되면 상기 관통홀(140a)이 형성된다.
물론, 도 6b에 도시된 바와 같이 사선방향으로 섬유 필라멘트가 배열된 형상의 전단보강부재의 제조를 위하여, 도 6a를 참조하여 설명된 방식으로 가로방향과 세로방향으로 섬유 필라멘트를 배열하여 복수의 기준열들과 교차열들을 형성한 판 형상의 FRP 전단보강부재를 성형한 후, 이를 소정각도, 예를 들어 45도 회전시켜 사각형으로 절단하면 사선방향으로 교차된 체크무늬 판 형상이 제조될 수 있다.
또한 상술한 FRP 전단보강부재의 성형과정에서 기준행을 이루는 섬유 필라멘트와 교차열을 이루는 섬유 필라멘트가 상호 직교하지 않고 예각 또는 둔각으로 교차되게 배열될 수도 있다.
도 6c를 참조하면, 섬유 필라멘트들이 가로방향과 사선방향으로 배치된 판 형상의 FRP 전단보강부재(142)가 도시되어 있다. 그리고 상기 FRP 전단보강부재(142)에 관통홀(142a)이 형성되도록, 가로방향으로 섬유 필라멘트들이 길게 배열된 기준행들이 서로 나란하게 이격배치되고, 사선방향, 예를 들면 45도방향으로 섬유 필라멘트들이 길게 배열된 교차열들이 서로 나란하게 이격배치될 수도 있다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 판 형상의 FRP 전단보강부재(142)가 서로 나란하게 이격 배치된 복수의 기준행들과 상기 기준행들과 예각(또는 둔각)을 이루며 서로 나란하게 이격 배치된 복수의 교차열들을 가지면, 상기 FRP 전단보강부재(142)에 사선방향으로 기울어진 사각형태(대략 평행 사변형 형상)의 관통홀(142a)이 형성된다.
상기 FRP 전단보강부재(140)는 상기 상부근 연결부재(150) 및 하부근 연결부재(160)를 통해 상기 상부근(120) 및 하부근(130)과 결합되어 일체로 모듈화된 상태로 시공현장으로 이송될 수도 있고, 시공현장에서 직접 상기 상부근 연결부재(150) 및 하부근 연결부재(160)를 이용하여 상기 상부근(120) 과 하부근(130) 사 이에 상기 FRP 전단보강부재(140)를 결합될 수도 있으며, 상기 FRP 전단보강부재(140)에 상기 상부근(120) 및 하부근(130)이 결합된 다음 상기 콘크리트 보(110)의 형성을 위한 콘크리트를 타설하여 양생하면 본 발명에 따른 합성 콘크리트 보(100)가 시공된다.
따라서, 본 발명에 의한 합성 콘크리트 보(100)에 의하면, 상기 상부근 연결부재(150) 및 하부근 연결부재(160)를 통해 상기 FRP 전단보강부재(140)의 상단부와 하단부에 상기 상부근(120) 및 하부근(130)을 용이하게 설치할 수 있어 시공성이 향상되며, 상기 FRP 전단보강부재(140)의 우수한 인장력을 콘크리트 보(110)의 전단파괴에 대한 저항력으로 이용함으로써 합성 콘크리트 보(100)의 전단강도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 기존 전단보강근 대신 무게가 현저히 감소된 경량의 FRP 전단보강부재(140)를 사용함으로써 합성 콘크리트 보(100)의 자중을 감소시킬 수 있다.
상기와 같이 구성된 FRP 전단보강부재(140)를 이용하여 합성 콘크리트 보(100)를 시공하는 방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 먼저, 거푸집으로 폼(form)을 형성하고, 상기 거푸집 안에 상기 하부근 연결부재(160)를 이용하여 판형상으로 된 상기 FRP 전단보강부재(140)의 하단부와 상기 하부근(130)을 연결하여 결합한다. 그리고, 상기 상부근 연결부재(150)를 이용하여 상기 FRP 전단보강부재(140)의 상단부와 상기 상부근(120)을 연결하여 결합한다.
그리고, 상기 FRP 전단보강부재(140)의 외부에 콘크리트를 타설하여 상기 상부근(120)과 하부근(130) 및 FRP 전단보강부재(140)가 내부에 일체화된 합성 콘크 리트 보(100)를 형성한다. 그 다음, 상기 콘크리트의 양생 과정이 완료된 후 상기 거푸집을 제거하면 상기 콘크리트 보(110)와 상기 상부근(120) 및 하부근(130)과 상기 FRP 전단보강부재(140)가 일체화된 합성 콘크리트 보(100)가 완성된다.
다음으로, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 본 발명에 따른 합성 콘크리트 보의 제2실시예를 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 합성 콘크리트 보의 제2실시예를 나타낸 사시도이고, 도 8은 도 7의 단면도이며, 도 9는 도 7의 측면 구성도이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 합성 콘크리트 보(200)는, FRP 전단보강부재(240)와 상부근의 정렬을 위한, 즉 콘크리트 타설시에 상기 FRP 전단보강부재(240)가 수직하게 세워진 상태를 유지할 수 있도록 상기 제1실시예에 따른 합성 콘크리트 보에 지지부재(270)가 부가된 것이다.
다시 말해서, 상부근 연결부재(250)와 하부근 연결부재(260)에 의해 상기 FRP 전단보강부재(240)의 상단부와 하단부에 각각 상부근(220) 및 하부근(230)이 결합된 상태에서 콘크리트 보(200) 형성을 위한 콘크리트가 타설되는데, 이 때 상기 FRP 전단보강부재(240)가 수직하게 세워진 상태에서 기울어지거나 넘어가지 않도록 상기 FRP 전단보강부재(240)를 지지하는 지지부재(270)를 더 포함하여 구성됨으로써, 상기 FRP 전단보강부재(240)와 상부근의 위치가 유지될 수 있다.
본 실시예에서 상기 FRP 전단보강부재(240)는 상기 콘크리트 보(210)의 길이방향을 따라 복수개 이격배치되어 2열의 전단보강라인을 형성하는 것을 일 예로 개시하였으며, 이에 따라 상기 지지부재(270)는 2열의 전단보강라인을 동시에 지지할 수 있도록 상기 2열의 전단보강라인의 상측에 길게 구비되는 2개의 상부근(220)에 각각 상기 지지부재(270)의 일단과 타단이 결합되어 2개의 상부근(220)을 동시에 지지하는 형태를 가지나, 상기 FRP 전단보강부재(240)와 상부근의 위치를 유지할 수 있는 것이면 된다.
보다 상세하게, 상기 지지부재(270)는 몸체부(271)와, 상기 몸체부(271)의 양단에 구비되어 상기 2개의 상부근(220)에 각각 결합되는 한 쌍의 결합부(272)를 포함하여 구성되며, 상기 2개의 상부근(220)과 상기 한 쌍의 결합부(272)는 각각 끼움조립, 용접, 부착 등 다양한 방식으로 결합될 수 있으나, 별도의 추가 작업이 필요없는 끼움조립방식, 예를 들면 압입결합방식이 바람직하다.
예를 들면, 상기 한 쌍의 결합부(272)에 각각 끼움홈이 형성되고 상기 끼움홈에 상기 상부근(220)이 끼워져서 조립될 수 있는데, 상기 끼움홈이 형성된 상기 결합부가 상기 상부근(220)의 둘레를 절반 이상 감싸도록 형성되면 상기 상부근(220)이 상기 결합부(272)의 끼움홈에 압입된 후 상기 상부근과 상기 결합부(272)의 결합상태가 유지될 수 있다.
물론 상기 결합부(272)에 상기 상부근이 끼워질 때 상기 끼움홈의 입구가 탄성적으로 벌어지며, 상부근이 완전히 끼워진 상태에서는 상기 끼움홈의 입구가 복원되어 오무려진다. 그리고 상기 지지부재(270)는 상기 상부근 연결부재(250)와 간섭되지 않도록 상기 콘크리트 보(210)의 길이방향을 따라 상기 상부근 연결부재(250)의 사이 사이에 적어도 하나씩 배치되도록 구비되는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 전술한 제1실시예에서 설명된 발명의 내용 중 상기 지지부재(270)를 제외한 부분은 본 발명의 제2실시예에 전체적으로 동일하게 적용될 수 있으므로, 그에 대한 반복적인 설명을 생략하며, 거푸집의 내벽과 상부근 사이의 간격을 유지하기 위한 스페이서가 설치된다.
이하에서는 본 발명에 따른 합성 콘크리트 보의 구체적인 실시예를 기재하여 종래의 비교예와 전단변형을 비교하였다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 특징이 적용된 하나의 구체적 예를 예시한 것에 불과하며, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
비교예
(기존 전단보강근 적용)		 실시예 1
(CFRP 전단보강부재 적용)		 실시예 2
(CFRP 전단보강부재 적용)
인장강도 400㎫ 1500㎫ 1500㎫
사이즈 직경 10㎜ 500*500*0.5(두께)㎜ 500*500*0.5(두께)㎜
형태
Figure 112009016523707-PAT00001
Figure 112009016523707-PAT00002
Figure 112009016523707-PAT00003
배치도
Figure 112009016523707-PAT00004
Figure 112009016523707-PAT00005
Figure 112009016523707-PAT00006
단면적 143㎟ 100㎟ 100㎟
유효깊이 600㎜(가정) 600㎜(가정) 600㎜(가정)
배치간격 150㎜ 600㎜ 600㎜
전단강도 228kN 450kN 636.4kN
여기서, 상기 표 1에 보인 바와 같이, 비교예는 기존 전단보강근이 적용된 콘크리트 보 구조물을 그 예로 들었으며, 실시예 1과 실시예 2는 CFRP(탄소섬유 강화플라스틱) 재질의 전단보강부재가 적용된 합성 콘크리트 보를 그 예로 들되 실시예 1은 탄소섬유 필라멘트를 수평, 수직방향으로 배열하여 표1에 도시된 바와 같은 수치로 된 성형한 FRP 전단보강부재이고, 실시예 2는 탄소섬유 필라멘트가 가로방향과 우상향 45도 방향으로 교차되게 배열된 FRP 전단보강부재를 표 1에 도시된 수치로 적용한 FRP 전단보강부재이다.
비교예는 직경 10mm의 철근을 표 1에서와 같이 대략 4각의 링 형상으로 제조하여 콘크리트 보의 내부에 수직하게 배치한 것이고, 실시예1과 실시예2는 콘크리트 보의 내부에 2열의 전단보강라인이 배치된 것이다.
그리고, 상기 실시예 1에 의한 관통홀이 형성된 세로열부분(표1에서 두번째 세로열과 네번째 세로열)은 무시하는(없는) 것으로 가정하면, 가로 100mm폭(세로 500mm)의 소형 FRP 전단보강판이 100mm 간격으로 콘크리트 보의 내부에 규칙적으로 배치되는 타입이 된다.
표 1에 기재된 실시예 1의 배치간격(600mm)은 그림과 같이 500mm X 500mm 크기의 FRP 전단보강부재의 중심에서 그에 이웃하는 FRP 전단보강부재의 중심까지의 거리이므로, 관통홀이 형성된 세로열부분(두개 열)을 무시하면 가로폭 100mm(세로 500mm 높이)의 소형 FRP 전단보강부재가 100mm 틈색 간격을 두고 콘크리트 보의 내부에 규칙적으로 이격 배치되어, 소형 FRP 전단보강부재들의 중심간 거리(s)가 200mm인 타입이 되며, 이를 기준으로 전단강도(FRP 전단보강부재가 부담하는 전단강도)를 산출하였다.
다음으로, 실시예 2는 사선방향(45도 방향)으로 관통홀들이 배치되어 있는데, 사선방향으로 관통홀들 형성된 열(사선열 2개 열)을 무시하는 것으로 가정하였을 때, 100mm 폭의 소형 FRP 전단보강판이 100mm의 틈새 간격을 두고 계속하여 규칙적으로 배열되어, 소형 FRP 전단보강부재들의 중심간 거리(s)가 200mm인 타입이 되며, 이를 기준으로 전단강도(FRP 전단보강부재가 부담하는 전단강도)를 산출하였다.
실제 합성 콘크리트 보의 공칭 전단강도는 하기 수학식 1에 의해 구해지며, 이때 콘크리트 보가 부담하는 전단강도는 하기 수학식 1에 이해 구해질 수 있으며, 콘크리트 보가 부담하는 전단강도, 즉 콘크리트 보의 공칭 전단강도는 하기 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112009016523707-PAT00007
(Vn=합성 콘크리트 보의 공칭 전단강도, Vc= 콘크리트 보가 부담하는 전단강 도, Vs= 전단보강근 또는 전단보강부재가 부담하는 전단강도)
Figure 112009016523707-PAT00008
(여기서, fck=콘크리트의 압축강도, bw=보 단면의 복부폭, d=보 단면의 유효깊이)
이때, 콘크리트를 타설하여 형성한 콘크리트 보가 부담하는 전단강도는 비교예와 실시예 1, 2가 거의 동일하기 때문에 무시한다고 가정하면, 비교예에 따른 전단보강근 또는 실시예1과 2에 따른 전단보강부재가 부담하는 부분만을 비교할 수 있으며, 비교예의 전단보강근과 실시예1에 따른 전단보강부재가 부담하는 전단강도는 하기 수학식 3에 의해 근사적으로 구해질 수 있고, 실시예 2에 따른 전단보강부재가 부담하는 전단강도는 하기 수학식 4에 의해 근사적으로 구해질 수 있다.
Figure 112009016523707-PAT00009
Figure 112009016523707-PAT00010
위 수학식 3과 4에서,
Av=Stirrup의 단면적, fy=Stirrup의 인장강도(비교예, 실시예1, 실시예2의 인장강도), d=유효 깊이(하부근에서 보 상부표면까지의 깊이), s=전단보강근 또는 소형 FRP 전단보강판의 중심간 간격 α=사선 경사각도(45도)가 된다.
상기 표 1에서와 같이 본 발명에 따른 구체적 실시예 1, 2와 비교예를 비교한 결과, 구체적 실시예 1, 2에 따른 합성 콘크리트 보의 전단강도는 전단보강을 위한 부재의 단면적이 줄어들었음에도 불구하고 비교예에 따른 종래의 전단보강근(비교예)에 비해 약 2배 및 2.8배 각각 증가한 것을 알 수 있으며, 이에 따라 본 발명에 따른 합성 콘크리트 보에 의하면 전단강도(강성)을 크게 향상시키는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.
그러므로, 상술된 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
도 1은 일반적인 콘크리트 보 구조물을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 콘크리트 보 구조물을 나타낸 측면 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 합성 콘크리트 보의 제1실시예를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 단면도이다.
도 5는 도 3의 측면 구성도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 에프알피 전단보강부재의 성형과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 본 발명에 따른 합성 콘크리트 보의 제2실시예를 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 7의 단면도이다.
도 9는 도 7의 측면 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 합성 콘크리트 보 110: 콘크리트 보
120: 상부근 130: 하부근
140: FRP 전단보강부재 140a: 관통홀
150: 상부근 연결부재 160: 하부근 연결부재
270: 지지부재

Claims (10)

  1. 콘크리트를 타설하여 형성되는 콘크리트 보; 그리고
    상기 콘크리트 보의 전단 강도를 보강시키기 위하여, 상기 콘크리트의 타설에 의해 상기 콘크리트 보의 내부에 매립되어 상기 콘크리트 보와 일체로 되는 에프알피(FRP) 재질의 전단보강부재를 포함하여 구성되는 합성 콘크리트 보.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전단보강부재는 판형상으로 구성되며, 상기 콘크리트 보의 내부에는 상기 전단보강부재가 적어도 하나 이상 구비되는 합성 콘크리트 보.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전단보강부재는 상기 콘크리트 보의 내부에 수직하게 세워진 상태로 구비되는 것을 특징으로 하는 합성 콘크리트 보.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전단보강부재는 상기 콘크리트 보의 길이방향과 나란하게 구비되며, 상기 콘크리트 보의 내부에는 상기 콘크리트 보의 길이방향을 따라 상기 전단보강부재가 복수개 이격배치된 전단보강라인이 형성되고; 상기 전단보강라인은 상기 콘크리트 보의 내부에 적어도 1열 이상이 구비되는 것을 특징으로 하는 합성 콘크리트 보.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전단보강부재의 하부에는 상기 콘크리트 보의 내부에 매립되는 하부근이 연결되고, 상기 전단보강부재의 상부에는 상기 콘크리트 보의 내부에 매립되는 상부근이 연결되는 것을 특징으로 하는 합성 콘크리트 보.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전단보강부재의 상부에는 상기 전단보강부재와 상기 상부근을 연결하는 상부근 연결부재가 결합되고, 상기 전단보강부재의 하부에는 상기 전단보강부재와 상기 하부근을 연결하는 하부근 연결부재가 결합되는 것을 특징으로 하는 합성 콘크리트 보.
  7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전단보강부재는 상기 전단보강부재의 외부에 타설되는 상기 콘크리트와 상기 전단보강부재의 결합력을 강화하는 결합력 강화부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 합성 콘크리트 보.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 결합력 강화부는; 상기 전단보강부재를 두께방향으로 관통하는 적어도 하나의 관통홀을 포함하여 구성되는 합성 콘크리트 보.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 결합력 강화부는; 상기 전단보강부재의 표면에 일체로 코팅되어, 상기 전단보강부재의 외부에 타설되는 콘크리트와 결합되는 콘크리트부착 코팅층을 포함하여 구성되는 합성 콘크리트 보.
  10. 건축 또는 토목 구조물에 적용되는 합성 콘크리트 보의 시공방법으로서,
    판형상으로 된 에프알피 재질의 전단보강부재의 하부가 상기 합성 콘크리트 보의 하부근에 연결되어 지지되고, 상부가 상기 합성 콘크리트 보의 상부근에 연결되도록 상기 전단보강부재를 설치하는 단계; 그리고
    상기 전단보강부재의 외부에 콘크리트를 타설하여 상기 상부근과 하부근 및 에프알피 전단보강부재가 내부에 일체화된 콘크리트 보를 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 합성 콘크리트 보의 시공방법.
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