KR20120103197A - 헬리컬 바아를 이용한 교각부 내진보강 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 헬리컬 바아를 이용하여 교량, 고가 도로의 교각(橋脚)구조물의 내진성능을 증가시키는 데 있다.
이러한 본 발명은 콘크리트 기둥 소성힌지 부분 중점으로 헬리컬 바아를 나선형 형태로 헬리컬 바아를 시험체에 양날 그라인더를 이용하여 시험체 표면을 25mm정도 절단 후 헬리컬 바아를 매립하여 시험체와 보강제를 고정시킨 다음 마무리는 시험체와 보강재, 그라우트가 일체가 되어 반복하중 재하시 그라우팅 부분이 먼저 파괴가 되지 않도록 초속경고강도 그라우트를 사용하여 기둥에 표면을 시공하여 마무리 함으로써, 내진성을 증진시키는 보강성을 갖게 한 것이다.

Description

헬리컬 바아를 이용한 교각부 내진보강 구조{Anti-Seismic Reinforcement Performance Evaluation}

본 발명은 교각이 지진과 같은 급격한 대변위에 견디도록 설계되는 교각의 내진 보강 구조에 관한 것으로서, 기둥에 대한 보강재로서 헬리컬 바아(helical bar)를 이용하여 지진하중과 같은 반복하중에 대해 연성부족과 같은 문제점들을 최대한 방지하여, 교각부 구조물에 내진성을 증대시킬 수 있도록 하는 내진 보강 구조에 관련한 것이다.

기둥 내진 보강은 1992년 이전에 건설 되어진 교각은 내진설계를 고려하지 않아 내력의 부족과 기초 상부에서 교각 주철근에 겹침이음을 하거나 충분한 겸침이음 길이가 확보되어 있지 않은 경우가 많아 연성부족과 같은 문제점들이 있으며, 지진에 의해서 구조물은 비선형 거동을 하게 되고, 이에 따른 연성도를 확보하고 있어야 하는데 소성힌지 영역 내에 주철근의 겹침이음이 있게 되면 충분한 정착길이를 가지고 있어도 지진하중과 같은 반복하중을 받게 되면 겸침이음부 조기파괴가 발생하게 되어 급격한 내진성능의 저하가 발생하여 구조물의 갑작스런 붕괴가 발생 되며 이러한 내진설계가 고려되지 않은 교각 구조물의 내진성능을 증가시키는데 있다.

현재 국내에서 개발되고 사용 중인 교각부 내진 보강재로는 강판, FRP섬유, 아라미드 스트립 등이 있다.

강판보강공법은 노후화 혹은 부실 시공된 콘크리트 구조물에 내하력을 향상시킬 목적으로 적용되었는데, 이는 시공기간이 짧고 사용 중인 구조물에도 적용이 가능하며, 인장은 물론 압축이나 휨, 전단을 받는 구조물에도 적용할 수 있어, 내진보강재로도 널리 적용되고 있다.

그러나, 강판보강공법은 강판의 취급이 불편하고 부식 및 내화 성능이 취약하며, 취성적인 보강판 탈락현상을 보이며 시공후의 내부 변화를 관찰하기 곤란한 단점이 있다.

FRP 보강근은 섬유로 보강된 폴리머 매트릭스로 정의 할수 있다. FRP 보강재료는 탄소, 유리, 아라미드 등의 섬유를 폴리머 매트릭스인 비닐에스터, 에폭시, 폴리에스터에 정착시킨 것으로 콘크리트의 보강재료로서 FRP 보강근에 요구되는 주요 성질은 부식저항, 고 인장강도, 낮은 릴렉세이션, 고인성 및 피로저항성, 치수안정성 등이 있다.

그러나 FRP 섬유보강의 문제점으로써는 인화성이 강하여 화재에 대하여 매우 취약하며, 에폭시계의 수지를 결합재료로 이용할 경우 표면에 피복이 없으면 자외선에 의한 강도저하가 발생된다. 또, 섬유시트 적층수의 증가에 따라 공기가 길어지며, 표면처리 후 훼손된 국부적인 불량부분은 단차가 1mm 이내가 되도록 시멘트 모르탈 혹은 레진 모르탈 등으로 복구공정이 필요한 문제점이 있다.

아라미드 스트립부재에 Peel-Ply를 부재양면에 부착하고 시공 시에는 열화 된 콘크리트표면을 제거한 후 시공하여 부재와 보강재의 부착성능을 획기적으로 강화하면서 시공이 간편한 철근콘크리트 내진보강 및 구조보강 기술로써, 아라미드 스트립 부재에 Peel-Ply를 양면 부착하여 인발하는 기술 및 철근 콘크리트 표면을 보강부재 두께만큼 취핑한 후 보강부재를 매입 시공하는 공법이다.

반면, 아라미드의 경우 화재에 대하여 매우 취약하며, 보강효과에 있어 현장기능공의 숙련도에 의존도가 높다.

본 발명은 내진설계를 고려하지 않아, 내력의 부족과 기초 상부에서 교각 주철근에 겹침이음을 하거나 충분한 겸침이음 길이가 확보되어 있지 않은 경우가 많아 연성부족과 같은 문제점들이 있으며, 이를 보안하기 위해 여러 보강재로 보강을 현재 채용하고는 있으나, 부식, 화재, 내부변화 관찰 곤란, 현장기능공의 숙련도에 의존, 표면에 피복이 없으면 자외선에 의한 강도저하를 보완할 수 있는 보강재로 내진 성능을 증가시킨다.

본 발명의 목적은 헬리컬 바아를 보강재로 사용함으로써 시공성과 강도성을 높여 보다 높은 인장강도로 보강함으로써 연성부족과 같은 문제점을 해결 하는데 있다.

원기둥에 나선형으로 매립한 니켈(Ni)-크롬(Cr) 합금강의 한 종류인 헬리컬 바아는 넓은 온도범위에 걸쳐 높은 인장강도와 양호한 연성, 인성을 나타내지만, 항복강도가 낮고, 항복비(항복강도/인장강도)도 작기 때문에 냉간가공이 용이하다. 그러나 냉간가공에 의해 경화하기가 쉽고, 특히 Ni 함유량이 작은 강종에서는 가공유기 마르텐사이트 변태가 일어나 현저히 가공경화한다. 이는 다른 스테인레스강에 비해 충격특성이 극히 우수할 뿐 아니라, 통상 페라이트강에서 나타나는 천이영역도 없다. 철근의 인장강도의 경우 360MPa이며, 이에 반해 헬리컬 바아의 경우 이보다 큰 588MPa의 인장강도를 가지며, 외력을 가할 시 일반철근을 사용한 전단 보강보다 훨씬 큰 교각부위 구속력을 가지며 따라서 지진으로 인한 보강재로써 큰 성능을 발휘 한다.

도 1은 콘크리트 기둥 시험체 단면도,
도 2는 콘크리트 기둥의 보강재로서의 헬리컬 바아의 사시도,
도 3은 도 2의 헬리컬 바아의 단면도,
도 4는 교각 원기둥에 헬리컬 바아를 나선형식으로 보강한 사시도,
도 5는 도 4의 콘크리트 원기둥에 헬리컬 바아를 매립한 상태를 예시한 단면구조도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지서을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.

도 1에서의 교각은 내진보강 실험을 하기 위해, 우선 내진설계기준이 적용되기 전에 시공된 교량들을 토대로 콘크리트 압축강도 및 철근비를 산정한다. 1992년 내진설계기준 적용이전의 교량들을 현황 파악한 결과, 일반콘크리트를 사용하여 압축강도가 20MPa 전후이다. 시험체의 단면직경은 40cm, 부재의 총길이는 190cm, 교각부 길이 130cm로 단면도는 도 1과 같으며 시험체의 연성거동 및 보강재의 성능을 평가한다.

소성힌지길이 제안식 중 Paulay & Priestley 식 을 사용하여 계산한 결과 244mm로 위험단면 구간은 소상힌지의 2배 높이인 500mm로 결정하였다.

본 발명의 내진 보강은, 통형 기둥에 헬리컬 바아를 나선형으로 매립하여 내진성을 가지게 하는 보강 구조로서 이루어진다. 바람직하기로는, 통형 기둥의 외주부에 나선형 홈을 일체형으로 형성하고, 이 나선형 홈에 헬리컬 바아를 매립한 후, 고강도 그라우팅 충전재를 충전하여 고화시키는 구조로 이루어져도 좋다.

물론, 통형 기둥의 콘크리트 양생 이전에 매립 시키는 방식을 채택해도 무방하다.

또, 상기 헬리컬 바아는, 도 3과 도 5의 단면도에서 알 수 있는 바와 같이, 원형의 중앙 몸체와 이 중앙 몸체를 중심으로 방사상으로 상기 중앙몸체를 따라 연속적으로 돌출 형성된 날개부를 구비하는 구성으로 됨이 바람직하다.

또한, 상기 날개부는 이웃하는 날개부의 돌출 형성 길이와 다른 길이로 돌출 형성되어 있다.

여기에서, 상기 헬리컬 바아는 통형 기둥의 길이방향으로 일정한 각도를 가지는 나선형으로 설치되며 일정 간격을 두면서 통형 기둥의 외주면 전체를 감싸도록 설치됨과 더불어 양 단부 모두는 긴장후 정착되도록 내부 철근에 고착 결합되도록 구성됨으로서 프리스트레스가 도입되어 지진하중에 의하여 저항할 수 있도록 하며, 고강도 그라우팅 충전재를 매개로 서로 일체화시켜 지진하중에 의한 응력을 교각으로부터 교각기초에 전달하여 보다 효율적인 내진보강 구조를 달성하게 되는 것이다.

다음에 본 발명에 따른 내진 보강 구조의 작용 효과를 설명한다.

헬리컬 바아의 매립 방법으로는 양날 그라인더를 사용하여 시험체 표면을 25mm절단 후, 헬리컬 바아를 매립하였다. 나선형 보강 시작지점과 끝지점에 50mm가량 홈을 파 매립하여 시험체와 보강재를 고정시킨다. 보강재를 시험체에 매립한 뒤 마무리는 시험체와 보강재, 그라우트가 일체가 되어 반복하중 재하시 그라우팅 부분이 먼저 파괴가 되지 않도록 초속경 고강도 그라우트를 사용하여 시공하였으며 보강부 단면도는 도 4와 같다.

상기와 같은 시공 방법으로 마련된 본발명의 헬리컬 바아의 내진 보강 방법은 보강되지 않은 기둥에 지진하중과 같은 반복하중을 받게 되면 겸침이음부 조기파괴가 발생하게 되어 급격한 내진성능의 저하가 발생하여 구조물의 갑작스런 붕괴가 발생 하는 것을 헬리컬 바아를 나선형으로 보강함으로써, 연성 부족과 같은 문제점들을 해결하며, 내진성능을 증가시킨다.

Claims (4)

1. 통형 기둥에 헬리컬 바아를 나선형으로 매립하여 내진성을 가지게 하는 매립형 헬리컬 바아를 이용한 내진보강 구조.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 헬리컬 바아는 원형의 중앙 몸체와 이 중앙 몸체를 중심으로 방사상으로 상기 중앙몸체를 따라 연속적으로 돌출 형성된 날개부를 구비한 것을 특징으로 하는 내진 보강 구조.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 날개부는 이웃하는 날개부의 돌출 형성 길이와 다른 길이로 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 내진 보강 구조.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 헬리컬 바아를 이용한 내진보강 방법.

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