KR20220116817A

KR20220116817A - 고성능 강섬유

Info

Publication number: KR20220116817A
Application number: KR1020210020141A
Authority: KR
Inventors: 신승철; 차경진
Original assignee: (주)코스틸
Priority date: 2021-02-15
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2022-08-23

Abstract

본 발명에 따른 강섬유는, 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제1 곡률반경을 갖는 제1 아치부; 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제2 곡률반경을 갖는 제2 아치부; 상기 제1 아치부의 일 단과 상기 제2 아치부의 일 단을 연결하는 연결부; 상기 제1 아치부의 타 단에 연결된 제1 부재; 상기 제2 아치부의 타 단에 연결된 제2 부재; 상기 제1 부재에 연결된 제1 단부; 및 상기 제2 부재에 연결된 제2 단부;를 포함하고, 상기 제1 아치부와 상기 연결부가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 연결아치부; 상기 제2 아치부와 상기 연결부가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 연결아치부; 상기 제1 아치부와 상기 제1 부재가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제3 연결아치부; 및 상기 제2 아치부와 상기 제2 부재가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제4 연결아치부; 를 더 포함하며, 상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제1 내지 제4 연결아치부의 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 갖는다.

Description

고성능 강섬유 {High Performance Steel fiber}

본 발명은 건축재료 및/또는 토목재료 보강용 고성능 강섬유에 관한 것으로, 구체적으로는 강섬유에 아치 형상을 포함시켜 시멘트계 조성물에 작용하는 휨 및/또는 인장력에 대한 에너지 흡수 효율을 높이는 구조에 관한 발명이다.

일반적으로 콘크리트 부재는, 압축강도, 내구성 및 강성이 우수하지만 인장강도, 휨 강도, 충격강도 및 에너지 흡수 능력이 낮다. 이 같은 특징에 따라 콘크리트 부재는 인장이나 동적 하중이 작용하는 경우 파괴될 가능성이 높다는 한계를 가지게 된다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 콘크리트 부재 내에 콘크리트 보강용 강섬유를 혼합시켜 인장력, 내충격성, 내박리성 등의 물성을 향상시키는 방법이 널리 사용되고 있다.

일반적으로, 콘크리트 보강용의 강섬유는 섬유 형태로 가공된 강의 재질을 가진다. 상대적으로 짧은 길이를 갖는 강섬유를 콘크리트 부재 내에 균등하게 분산시키는 경우, 큰크리트의 인장강도, 휨강도 및 전단강도 등의 물성이 향상될 수 있다. 또한 충격에 강한 특징을 가지게 되어 균열에 대한 저항력을 높이는 수단이 될 수 있다.

강섬유가 콘크리트에 결합하여 상기와 같은 물성을 나타내기 위하여는 강섬유가 콘크리트 내에 골고루 분산되어야 하고, 콘크리트와의 부착성이 높아 콘크리트 조성물 내에 잘 부착되어야 한다. 또한, 강섬유는 외부 응력에 대하여 높은 인장강도를 갖는 재질을 가져야 한다.

종래의 강섬유 기술에 대해 살펴보면, 대한민국 공개특허공보 제2013-0129385호에서 개시한 원형단면을 가진 직선형 강섬유에 양끝단을 구부린 후크-엔드 타입(hooked ends type) 강섬유가 존재한다. 또한 대한민국 등록특허공보 제1,403,659호는 양 단을 이격시킨 링 형상의 강섬유를 사용하였다.

상기 실시예 이외에도 숏크리트에 혼입 후 타설시 리바운드율을 감소시키고, 타설 후 뽑힘 현상을 방지하여 휨인성을 향상시키기 위한 강섬유의 실시예들이 다수 존재한다.

이와 같은 종래 콘크리트 보강용 강섬유는 터널 굴착시 2차 지보재인 숏크리트에 가장 많이 적용되어 왔다. 또한, 단면이 작아 철근보강이 어렵고 균열제어가 필요한 바닥 슬래브와 같은 곳에서도 흔히 사용된다.

숏크리트에 적용되는 강섬유의 경우, 지름 0.5~0.55mm, 길이 30~35mm 정도의 크기인데 비해, 바닥 슬래브에 보강되는 강섬유는 지름 0.75~0.90mm, 길이 50~60mm 정도의 크기를 주로 많이 사용한다.

종래의 엔드-후크 타입의 강섬유는 직선형태의 본체 양 끝단을 소정의 각도로 굽혀 후크 형태로 형성하는 것이 일반적이다. 이 같은 형상을 사용하는 경우, 균열발생 이후 작용하는 인장력에 의해 강섬유가 콘크리트로부터 인발될 때 후크부 이외의 직선부에서는 부착성능이 떨어져 인발저항강도가 급격하게 감소한다. 이와 같은 이유로 엔드-후크 타입의 강섬유를 사용하는 경우 콘크리트 부재의 역학적 성능을 향상시키는데 치명적인 한계가 있었다.

이러한 한계점을 해결하기 위한 것으로, 대한민국 등록특허공보 제1,073,393호나 대한민국 등록실용신안공보 제361,900호 및 제406,191호에서부터 미국 등록특허 제6,060,163호에 이르기까지 나름의 특징들을 구현한 기술들이 개시되어 있다.

하지만, 상기의 특허들과 같이 부착성능을 향상시키기 위해 고안해 낸 강섬유들은 목적달성을 위한 성능을 발휘하기 위하여 상대적으로 짧은 길이를 갖거나 높은 인장강도를 가져야 하는 문제점이 있다.

특히, 대한민국 등록특허공보 제1,403,659호와 같이 이격된 링 형상의 강섬유의 경우, 이격된 링 형상의 양단은 중심부보다 상부에 위치하고, 상기 양단 내측 하방으로 경사지게 돌출되는 밀착부를 구비하고 있으나, 원형의 경우 양단이 겹이음 용접처리가 필요하므로, 용접불량으로 인한 품질저하의 문제점 또는 생산성이 저하되는 문제점을 안고 있다.

대한민국 등록특허 제 10-1596246과 같이 아치형의 형상을 갖는 강섬유의 경우, 부재의 성능 향상 정도와 대비하여 강섬유의 혼입량을 감소시키는 특징을 개시하고 있다. 그러나 이는 콘크리트에 작용하는 인장력에 대하여 에너지 흡수량이 충분하지 못하다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점으로부터 착안된 것으로, 강섬유 본체의 형상에 아치 구조와 양단부에 추가 구성을 포함시키는 것을 특징으로 한다. 상기 형상을 가지는 강섬유를 시멘트계 재료 내부에 분포시키는 것을 통하여, 강섬유가 포함된 시멘트계 부재의 역학적 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명을 이용하면, 상대적으로 적은 재료를 활용하여 시멘트계 부재가 원하는 물성치 값을 가질 수 있게 하는 이점이 존재할 수 있다.

또한 기존에 존재하는 강섬유들은 시멘트 내부에 혼입되어 굳어지는 경우, 부재 전체에 균일하게 분산되지 않는 문제가 존재한다. 본 발명에 따른 강섬유를 사용하는 경우 같은 투입량 대비 콘크리트 부재의 역학적 성능이 더 우수한 효과를 가질 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유는, 건축 및/또는 토목 공사에서 이용되는 부재를 보강하는 데 사용될 수 있다. 또한, 건축용 내외장재의 보강에 사용될 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 강섬유는, 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제1 곡률반경을 갖는 제1 아치부; 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제2 곡률반경을 갖는 제2 아치부; 상기 제1 아치부의 일 단과 상기 제2 아치부의 일 단을 연결하는 연결부; 상기 제1 아치부의 타 단에 연결된 제1 부재; 상기 제2 아치부의 타 단에 연결된 제2 부재; 상기 제1 부재에 연결된 제1 단부; 및 상기 제2 부재에 연결된 제2 단부;를 포함하고, 상기 제1 아치부와 상기 연결부가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 연결아치부; 상기 제2 아치부와 상기 연결부가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 연결아치부; 상기 제1 아치부와 상기 제1 부재가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제3 연결아치부; 및 상기 제2 아치부와 상기 제2 부재가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제4 연결아치부; 를 더 포함하며, 상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제1 내지 제4 연결아치부의 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 갖는다.

상기 제1 부재와 상기 제1 단부가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 단부아치부; 및 상기 제2 부재와 상기 제2 단부가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 단부아치부;를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제1 내지 제2 단부아치부의 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 가질 수 있다.

상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제1 내지 제4 연결아치부, 상기 제1 내지 제2 단부아치부의 곡률반경보다 큰 값을 가질 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 강섬유는, 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제1 곡률반경을 갖는 제1 아치부; 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제2 곡률반경을 갖는 제2 아치부; 상기 제1 아치부의 일 단과 상기 제2 아치부의 일 단을 연결하는 연결부; 상기 제1 아치부의 타 단에 연결된 제1 부재; 상기 제2 아치부의 타 단에 연결된 제2 부재; 상기 제1 부재에 연결된 제1 단부; 및 상기 제2 부재에 연결된 제2 단부;를 포함하고, 상기 연결부는, 제3 곡률반경을 갖고 상기 제1 아치부와 연결되는 제3 아치부; 및 제4 곡률반경을 갖고 상기 제2 아치부와 연결되는 제4 아치부; 를 포함하고, 상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제3 곡률반경 및 상기 제4 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 갖는다.

상기 제3 아치부는 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖고, 상기 제4 아치부는 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 가질 수 있다.

상기 제3 아치부는 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖고, 상기 제4 아치부는 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 가질 수 있다.

상기 제1 아치부와 상기 제3 아치부가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 항하여 볼록한 형상을 갖는 제1 연결아치부를 포함하고, 상기 제2 아치부와 상기 제4 아치부가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 연결아치부를 포함할 수 있다.

상기 제1 연결아치부와 상기 제3 아치부는 제3 부재에 의하여 연결되며, 상기 제2 연결아치부와 상기 제4 아치부는 제4 부재에 의하여 연결될 수 있다.

상기 제1 아치부와 상기 제1 부재가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제3 연결아치부를 포함하고, 상기 제2 아치부와 상기 제2 부재가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제4 연결아치부를 포함할 수 있다.

상기 제3 곡률반경 및 상기 제4 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제1 내지 제4 연결아치부의 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 가질 수 있다.

상기 강섬유는 상기 연결부의 중심이 되는 점을 기준으로 대칭적인 형상을 가질 수 있다.

상기 강섬유의 직선길이는 18mm 이상 80mm 이하일 수 있다.

상기 강섬유 단면의 직경은 0.3mm 이상 1.0mm 이하일 수 있다.

상기 강섬유를 이루는 강은 500Mpa 이상 2800Mpa 이하의 인장강도를 가질 수 있다.

상기 강섬유는 시멘트계 재료를 보강하는 데 사용될 수 있다.

상기 강섬유는 합성수지계 재료를 보강하는 데 사용될 수 있다.

상기 강섬유는 건축용의 내외장재를 보강하는 데 사용될 수 있다.

실시예들에 따른 건축재료 및/또는 토목재료 보강용 강섬유에 의하면, 서로 대칭적인 아치 구조를 이루는 형상을 포함시킴으로써 종래보다 더 높은 인발저항강도를 가지게 할 수 있다.

또한, 실시예들에 따른 강섬유가 포함된 시멘트 복합체의 인장강도, 휨 강도 및/또는 에너지 흡수능력 같은 역학적 성능을 향상시키는 기술효과를 얻을 수 있다.

후크부 이후 직선단에서 인발저항강도가 급격히 감소하는 것이 종래의 후크형 강섬유의 특징이다. 이와 달리, 실시예들에 따른 강섬유는 섬유의 전체 길이가 인발에 저항함으로써 인발저항강도를 유지하는 특징이 존재한다.

또한 종래 반원형 강섬유의 경우, 시멘트 복합체 내부에 배합될 때 섬유의 뭉침현상으로 작업성의 문제가 발생하고, 시멘트계 복합체 내에서 인발시 시멘트 매트릭스 내에 급한(steep) 마찰가를 가지게 한다. 따라서 인발성능 향상을 위한 종래 강섬유의 재질은 일반적으로 사용되는 강선의 인장강도보다 높은 수준의 것이 요구된다.

실시예들에 따른 건축재료 및/또는 토목재료 보강용 강섬유는, 본체의 길이방향으로 두 쌍 및/또는 한 쌍의 대칭적인 아치 형상을 가질 수 있다. 강섬유에 포함된 아치 형상은 적절한 곡률 반경을 가질 수 있으며, 시멘트 매트릭스 내에서 수월하게 인발되어 별도로 높은 수준의 인장강도가 요구되지 않을 수 있고, 작업성이 우수한 강점을 가질 수 있다.

또한 실시예들에 따라, 대칭적인 아치 모양을 한 쌍 및/또는 두 쌍 배치하여 하나의 아치 형상을 가지는 강섬유 부재보다 에너지 흡수율을 증가시키는 것이 가능하다.

실시예들에 따른 건축재료 및/또는 토목재료 보강용 아치형 강섬유에 의하면, 종래의 건축재료 보강용 강섬유와 비교하여 성능 대비 강섬유의 혼입량을 획기적으로 줄이는 효과가 존재할 수 있다. 또한, 소모자재 양과 비용을 절감시켜 경제적인 이점을 얻는 효과가 존재할 수 있다.

실시예들에 따른 건축재료 및/또는 토목재료 재료 보강용 아치형 강섬유에 의하면, 아치형 본체의 탄력으로부터 시멘트 복합체 건축물의 수명 연장을 위한 내구성을 확보할 수 있으며, 간소한 기술구성으로 인하여 제조 및 생산성의 향상이 도모될 수 있다.

실시예들에 따른 건축 및/또는 토목 재료 보강용 아치형 강섬유를 사용하는 경우, 콘크리크의 초기 양생 균열저항력이 높아지기 때문에 균열로 인한 건축물의 하자보수 비용을 줄이는 효과가 존재할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 강섬유의 외형 및 기하학적 요소 값을 나타낸 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 강섬유의 외형 및 기하학적 요소 값을 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예들에 따른 강섬유에 힘이 작용할 때, 강섬유의 부착력 및 변형에 대한 저항력을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 강섬유가 시편의 인장성능에 미치는 영향을 실험하기 위한 풀아웃(pull out) 테스트 시편을 나타낸 것이다.
도 5는 기존에 존재하는 타입의 강섬유인, 엔드-후크 타입 강섬유에 대한 풀아웃 테스트의 실험 결과이다.
도 6은 기존에 존재하는 타입의 강섬유인, 싱글 아치형 강섬유에 대한 풀아웃 테스트의 실험 결과이다.
도 7은 제1 실시예에 따른 강섬유의 풀아웃 테스트 실험 결과이다.
도 8은 제2 실시예에 따른 강섬유의 풀아웃 테스트 실험 결과이다.
도 9는 제3 실시예에 따른 강섬유의 풀아웃 테스트 실험 결과이다.
도 10은 제4 실시예에 따른 강섬유의 풀아웃 테스트 실험 결과이다.
도 11은 제5 실시예에 따른 강섬유의 풀아웃 테스트 실험 결과이다.
도 12는 강섬유가 시편의 휨 성능에 미치는 영향을 실험하기 위한 휨 성능 테스트의 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 13은 엔드-후크 타입, 싱글 아치형 타입 및 제1 실시예에 따른 강섬유 대한 휨 성능 테스트의 실험 결과이다.
도 14는 엔드-후크 타입, 싱글 아치형 타입 및 제1 실시예에 따른 강섬유 대한 휨 성능 테스트의 실험 결과이다.

이하 상기 발명의 목적을 구체적으로 이해 및 실현할 수 있도록, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의성을 위하여 과장되게 도시될 수 있다. 또한 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자 및 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

한편 본 발명에서 '제1' '및/또는' '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만 사용될 뿐이다. 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있으며, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 정의 및 이해되어야 한다.

이하 실시예들에 따른 아치형 강섬유(1)를 콘크리트에 포함시켜, 시멘트계 부재의 물성치를 향상시키는 방법에 대하여 알아본다.

콘크리트 등의 시멘트계 부재는 크기나 모양에 제한을 받지 않고 구조물을 만들 수 있으며, 재료의 확보와 운반이 용이한 특징을 가진다. 콘크리트는 압축강도가 다른 재료에 비해 크고, 필요로 하는 임의의 강도를 자유롭게 얻을 수 있는 장점이 있어 건축물 시공에 널리 사용되는 재료이다.

그러나, 콘크리트는 취성재료의 성질을 가지며, 압축강도에 비하여 인장강도 및 휨 강도가 작다는 단점이 존재한다. 부재의 운반 과정에서 또는 콘크리트의 자중에 의하여 부재 양 단에 인장력 등이 발생할 수 있다. 상기와 같은 이유로 부재가 파괴되는 것을 막기 위하여, 콘크리트 부재 내부에 강재를 포함시켜 물성을 보완할 수 있다.

콘크리트와 달리 강(steel)은 연성재료의 성질을 가지며 인장력에 강한 특징을 가진다. 섬유와 같이 가는 모양을 갖는 강을 강섬유(1)라고 한다. 콘크리트 부재를 사용한 시공과정에서 강섬유(1)를 콘크리트 내에 균일하게 분포시킬 수 있다. 이는 압축력에 강한 콘크리트의 성질에, 인장력 및 휨에 강한 강(steel)의 성질을 더하는 역할을 할 수 있다. 결과적으로 콘크리트의 장점 및 강(steel)의 장점 모두를 갖는 이상적인 부재를 얻을 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는 건축재료 및/또는 토목재료를 보강하기 위해서 사용될 수 있으며, 특히 시멘트계 재료를 보강하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 강섬유(1)는 건축용 내외장재를 보강하기 위해서 사용될 수 있다. 강(steel) 재질을 가지는 섬유를 콘크리트 중에 균일하게 분산시킴에 따라, 인장강도, 휨 강도, 균열에 대한 저항성, 인성, 전단강도 및 내충격성 등의 개선을 도모할 수 있다. 또한, 와이어 메쉬 혹은 철근의 설치 작업이 필요 없게 되는 효과를 가져 경제성, 시공성 및 안전성의 향상을 도모할 수 있다.

강섬유(1)를 통한 부재의 성능 향상을 위해서는, 강섬유(1) 하나하나가 부재 내부에서 콘크리트에 잘 부착되어야 하고, 결과적으로 두 물질로 이루어진 부재가 일체적인 거동을 하게끔 만들어야 한다. 강섬유(1)가 콘크리트에 붙는 성질을 부착이라고 하며, 부착이 얼마나 잘 되었는지는 부착강도라는 척도를 통하여 나타낼 수 있다. 강섬유(1)가 콘크리트에 더 강하게 부착될수록, 강섬유(1)와 혼합된 철근 콘크리트 부재의 특성 또한 개선될 수 있다.

직선길이(L)는, 강섬유(1)가 길이방향으로 갖는 거리의 최대값을 의미할 수 있다. 즉 강섬유(1)의 직선길이(L)는, 제1 부재(21)가 제1 아치부(11)와 연결되어있지 않은 쪽인 제1 부재(21)의 타 단과, 제2 부재(22)가 제2 아치부(12)와 연결되어있지 않은 쪽인 제2 부재(22)의 타 단 간의 직선거리일 수 있다.

강섬유(1)의 평균저항길이(Lt)는, 강섬유(1)를 직선으로 펼쳤을 때 강섬유(1)가 갖는 길이를 의미할 수 있다. 즉 평균저항길이(Lt)는, 강섬유(1)의 부피를 강섬유(1)의 단면적으로 나눈 값일 수 있다.

이하 도 1을 참조하여, 실시예들에 따라 한 쌍의 아치 형상을 가지는 시멘트계 재료 보강을 위한 강섬유(1)의 형상을 살펴본다.

도 1(a)는 실시예들에 따라 한 쌍의 대칭되는 아치 형상을 가지는 강섬유(1)의 구조를 나타낸 것이다. 도 1(b)는 실시예들에 따른 강섬유(1)의 직선길이(L) 및 평균저항길이(Lt)를 나타낸 것이다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 가지며 제1 곡률반경(R1)을 가지는 제1 아치부(11) 및 제1 방향(B1)과 반대되는 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 가지며 제2 곡률반경(R2)을 갖는 제2 아치부(12)를 포함할 수 있다. 또한 강섬유는, 제1 아치부(11)의 일 단 및 제2 아치부(12)의 일 단을 서로 연결하는 연결부(20)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는 제1 아치부(11)의 타 단에 연결된 제1 부재(21) 및 제2 아치부(12)의 타 단에 연결된 제2 부재(22)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는 제1 부재(21)에 연결된 제1 단부(41) 및 제2 부재(22)에 연결된 제2 단부(42)를 더 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 아치부(11)와 연결부(20)가 연결되는 부분에, 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 연결아치부(31)를 포함할 수 있고, 제2 아치부(12)와 연결부(20)가 연결되는 부분에, 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 연결아치부(32)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 아치부(11)와 제1 부재(21)가 연결되는 부분에 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제3 연결아치부(33)를 포함할 수 있고, 제2 아치부(12)와 제2 부재(22)가 연결되는 부분에 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제4 연결아치부(34)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 부재(21)와 제1 단부(41)가 연결되는 부분에 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 단부아치부(35)를 포함할 수 있고, 제2 부재(22)와 제2 단부(41)가 연결되는 부분에 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 단부아치부(36)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 제1 연결아치부(31)의 곡률반경은 제1 길이(D1)이고, 제2 연결아치부(32)의 곡률반경은 제2 길이(D2)이고, 제3 연결아치부(33)의 곡률반경은 제3 길이(D3)이고, 제4 연결아치부(34)의 곡률반경은 제4 길이(D4)일 수 있다. 또한, 제1 단부아치부(35)의 곡률반경은 제5 길이(D5)이고, 제2 단부아치부(36)의 곡률반경은 제6 길이(D6)일 수 있다.

이 때 제1 곡률반경(R1) 및 제2 곡률반경(R2)은 제1 연결아치부(31), 제2 연결아치부(32), 제3 연결아치부(33), 제4 연결아치부(34), 제1 단부아치부(35) 및 제2 단부아치부(36) 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 가질 수 있다. 즉, 제1 및 제2 아치부(11, 12)의 아치의 길이가 제1 내지 제4 연결아치부(31, 32, 33, 34), 제1 및 제2 단부아치부(35, 36) 중 적어도 하나보다 길며, 다시 말해 직선길이(L) 및/또는 평균저항길이(Lt)가 길도록 구성될 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 연결부(20)의 중심이 되는 점을 기준으로 대칭적인 형상을 가질 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 강섬유(1)의 일 끝에서 타 끝 간의 거리를 나타내는 직선길이(L) 및/또는 강섬유(1) 바디 전체의 길이인 평균저항길이(Lt)를 달리함에 따라, 콘크리트 물성 향상의 정도가 달라질 수 있다.

이하 도 2를 참조하여, 다른 실시예들에 따라 두 쌍의 아치 형상을 가지는 시멘트계 재료 보강을 위한 강섬유(1)의 형상을 살펴본다.

도 2(a)는 실시예들에 따라 두 쌍의 대칭되는 아치 형상을 가지는 강섬유(1)의 구조를 나타낸 것이다. 도 2(b)는 실시예들에 따른 강섬유(1)의 직선길이(L) 및 평균저항길이(Lt)를 나타낸 것이다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제1 곡률반경(R1)을 갖는 제1 아치부(11), 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 가지며 제2 곡률반경(R2)을 갖는 제2 아치부(12)를 포함할 수 있다. 또한 제1 아치부(11)의 일 단과 제2 아치부(12)의 일 단을 연결하는 연결부(20)를 포함할 수 있다.

또한 실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 아치부(11)의 타 단에 연결된 제1 부재(21) 및 제2 아치부(12)의 타 단에 연결된 제2 부재(22)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 연결부(20)는, 제3 곡률반경(R3)을 갖고 제1 아치부(11)와 연결되는 제3 아치부(13) 및 제4 곡률반경(R4)을 갖고 제2 아치부(12)와 연결되는 제4 아치부(14)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제3 아치부(13)가 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 갖고, 제4 아치부(14)가 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 강섬유(1)일 수 있다. 또한 강섬유(1)는, 제1 아치부(11)와 제3 아치부(13)가 연결되는 부분에 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 연결아치부(31)를 포함할 수 있고, 제2 아치부(12)와 제4 아치부(14)가 연결되는 부분에 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 연결아치부(32)를 포함할 수 있다.

또한, 제1 연결아치부(31)와 제3 아치부(13)는 제3 부재(23)에 의하여 연결되며, 제2 연결아치부(32)와 제4 아치부(14)는 제4 부재(24)에 의하여 연결될 수 있다.

다른 실시예들에 따른 강섬유(1)는 제3 아치부(13)가 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖고, 제4 아치부(14)가 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 가질 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 곡률반경(R1) 및 제2 곡률반경(R2) 중 적어도 하나가 제3 곡률반경(R3) 및 제4 곡률반경(R4) 중 적어도 하나보다 큰 값일 수 있다. 즉, 제1 및 제2 아치부(11, 12)의 아치의 길이가 제3 및 제4 아치부(13, 14) 중 적어도 하나보다 길며, 다시 말해 직선길이(L) 및/또는 평균저항길이(Lt)가 길도록 구성될 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제3 곡률반경(R3) 및 제4 곡률반경(R4) 중 적어도 하나가 제1 연결아치부(31), 제2 연결아치부(32), 제3 연결아치부(33), 제4 연결아치부(34), 제1 단부아치부(35) 및 제2 단부아치부(36) 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 가질 수 있다. 즉, 제3 및 제4 아치부(13, 14)의 아치의 길이가 제1 내지 제4 연결아치부(31, 32, 33, 34), 제1 및 제2 단부아치부(35, 36) 중 적어도 하나보다 길며, 다시 말해 직선길이(L) 및/또는 평균저항길이(Lt)가 길도록 구성될 수 있다.

또 다른 실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제3 아치부(13)가 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖고, 제4 아치부(14)가 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 강섬유(1)일 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 서로다른 직선길이(L) 및 평균저항길이(Lt) 값을 가질 수 있다.

이하 도 3를 참조하여 강섬유(1)의 끝단에 당기는 힘이 작용할 때, 실시예들에 따른 강섬유(1)의 형상이 시멘트계 재료에 미치는 영향을 살펴본다.

도 3(a)는 강섬유(1)의 일 단을 당길 때, 강섬유(1)에 힘이 작용하는 매커니즘을 설명하기 위하여 강섬유(1)를 제1 영역(1001) 내지 제4 영역(1004)으로 분리한 도면이다. 도 3(b)는 제2 영역(1002)에 힘이 작용할 때, 작용힘에 대한 강섬유(1)의 저항을 설명하기 위하여 제2 영역(1002)을 따로 나타낸 도면이다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 부재(21) 및 제1 부재(21)쪽 제1 아치부(11)의 절반을 포함하는 제1 영역(1001)을 포함하고, 제1 아치부(11)와 연결된 쪽의 연결부재 절반 및 연결부재와 연결된 쪽의 제1 아치부(11) 절반을 포함하는 제2 영역(1002)을 포함하고, 제2 아치부(12)와 연결된 쪽의 연결부재 절반 및 연결부재와 연결된 쪽의 제2 아치부(12) 절반을 포함하는 제3 영역(1003)을 포함하고, 제2 부재(22) 및 제2 부재(22)쪽 제2 아치부(12)의 절반을 포함하는 제4 영역(1004)을 포함할 수 있다.

실시예들에 따라, 제1 영역(1001)은 제1 부재(21), 제1 저항부(2001) 및/또는 제2 저항부(2002)를 포함할 수 있다. 제2 영역(1002)은 제3 저항부(2003), 제4 저항부(2004) 및/또는 제5 저항부(2005)를 포함할 수 있다. 제3 영역(1003)은 제6 저항부(2006), 제7 저항부(2007) 및/또는 제8 저항부(2008)를 포함할 수 있다. 제4 영역(1004)은 제9 저항부(2009), 제10 저항부(2010) 및/또는 제2 부재(22)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 제1 영역(1001)에서 제1 부재(21)가 위치한 끝 및/또는 제4 영역(1004)에서 제2 부재(22)가 위치한 끝에 당기는 힘이 작용할 수 있다. 이 때, 강섬유(1)의 제1 영역(1001), 제2 영역(1002), 제3 영역(1003) 및/또는 제4 영역(1004)이 당기는 힘에 의한 에너지를 흡수할 수 있다.

강섬유(1)를 포함하는 콘크리트에 인장력이 작용하고 상기 인장력에 의하여 강섬유(1)의 변형이 발생할때, 강섬유(1)의 최대인발하중 및/또는 에너지 흡수율은 강섬유(1)의 직선길이(L), 강섬유(1)의 평균저항길이(Lt) 및/또는 강섬유(1)의 바디에서 곡선을 이루는 부분의 특징에 따라 달라질 수 있다.

강섬유(1)는 콘크리트 내부에 부착되어 굳어 있으므로, 콘크리트 및/또는 강섬유(1)에 힘이 작용할 때, 강섬유(1)의 표면과 콘크리트간에는 응력이 발생할 수 있다. 따라서 강섬유(1)의 표면적이 넓다면, 동일한 응력에 대하여 더 큰 부착력이 발생할 수 있다. 동일한 직선길이(L)를 가지는 강섬유(1)라도, 더 긴 평균저항길이(Lt)를 갖는 강섬유(1)는 더 넓은 표면적을 가질 수 있다. 더 넓은 표면적을 가지는 강섬유(1)는 콘크리트와의 부착력이 더 강할 수 있다.

또한, 강섬유(1)가 양 방향으로 당겨질 때 강섬유(1)는 직선으로 곧게 펴지게 되는 힘을 받게 된다. 강섬유(1)가 곡선의 모양을 갖는다면, 직선으로 강을 피려는 인장력에 대하여 강 자체가 가진 저항력이 발생한다. 변형에 대한 저항력은, 콘크리트에 작용하는 인장력에 의한 에너지를 흡수할 수 있다.

도 3(b)를 참조하여, 실시예들에 따른 강섬유(1)의 제2 영역(1002)에서 부착력이 작용하는 태양을 살펴본다.

제2 영역(1002)의 일 단에 잡아당기는 힘(F) 이 작용하는 경우, 제3 저항부(2003), 제4 저항부(2004) 및/또는 제5 저항부(2005)가 에너지를 흡수할 수 있다. 이 때, 각각의 저항부의 존재로 인하여, 제2 영역 직선길이(L2)에 비하여 제2 영역 평균저항길이(Lt2)가 더 길어지는 효과를 가질 수 있다.

상기와 같은 효과로 인해, 실시예들에 따른 저항부를 포함하는 제1 영역(1001) 내지 제4 영역(1004)을 포함하는 강섬유(1)는 직선길이(L)대비 평균저항길이(Lt)가 증가할 수 있다. 평균저항길이(Lt)가 증가하면 강섬유(1)의 부착력이 높아져, 강섬유(1)가 에너지를 흡수하는 정도가 커지는 효과를 가질 수 있다.

구체적으로, 직선의 바디 양 쪽에 후크를 지닌 타입의 강섬유(1) 및/또는 하나의 아치만을 가진 강섬유(1)와 비교할 때, 두 개의 대칭적인 아치 형상을 가지는 강섬유(1)는 직선길이(L) 대비 평균저항길이(Lt)가 더 길어지는 특징을 가질 수 있다. 이는 강섬유(1)의 표면적을 넓히는 효과를 가지게 할 수 있다. 또한, 강섬유(1)와 콘크리트간에 작용하는 부착력이 증가하는 특징을 가지게 할 수 있다.

도 3(b)를 참조하여, 실시예들에 따른 강섬유(1)의 제2 영역(1002)에서 변형에 대한 저항력의 작용 태양을 살펴본다.

제2 영역(1002)의 일 단에 잡아당기는 힘(F) 이 작용하는 경우, 제3 저항부(2003), 제4 저항부(2004), 제5 저항부(2005)는 모두 일직선으로 펴지는 힘을 받게 된다. 이 때, 각각의 저항부는 직선으로 펴지는 것에 대한 저항력을 가질 수 있다.

이 때, 변형에 대한 제2 영역(1002)의 저항력은 제3 저항부(2003)의 곡률반경인 제1 곡률반경(R1), 제4 저항부(2004)의 곡률반경 및/또는 제5 저항부(2005)의 곡률반경에 따라 달라질 수 있다.

즉, 실시예들에 따른 강섬유(1)에서, 제2 저항부(2002) 및/또는 제3 저항부(2003)의 곡률반경인 제1 곡률반경(R1)과 제8 저항부(2008) 및/또는 제9 저항부(2009)의 곡률반경인 제2 곡률반경(R2)을 적절하게 조정할 수 있다. 또한, 제1 저항부(2001), 제4 저항부(2004), 제7 저항부(2007) 및/또는 제10 저항부(2010)의 곡률반경을 적절하게 조정할 수 있다. 또한, 제5 저항부(2005) 및/또는 제6 저항부(2006)의 곡률반경을 적절하게 조정할 수 있다. 이 같은 조정에 따라, 변형을 일으키는 힘에 대한 강섬유(1)의 저항력을 변화시킬 수 있다.

상기와 같은 효과로 인해, 실시예들에 따른 저항부를 포함하는 강섬유(1)는, 직선 형상을 갖는 강섬유(1)에 비하여 에너지를 흡수하는 정도가 커지는 효과를 가질 수 있다.

즉, 직선의 바디 양 쪽에 후크를 지닌 타입의 강섬유(1) 및/또는 하나의 아치만을 가진 강섬유(1)와 비교할 때, 두 개의 대칭적인 아치 형상을 가지는 강섬유(1)는 더 많은 저항부를 가질 수 있다. 이는 강섬유(1)의 저항력을 증가시키는 효과를 가질 수 있다. 또한, 콘크리트에 작용하는 인장력이 강섬유(1)를 변형시키려 할 때 강섬유(1)의 저항력을 높일 수 있다.

또한, 실시예들에 따른 강섬유(1)는 연결부(20)의 중심이 되는 점을 기준으로 점대칭 구조를 가짐으로써, 구조적으로 모든 방향에 대하여 휨인성 능력이 향상되는 효과를 가진다.

이하 도 4 내지 도 11을 참조하여 강섬유(1)들의 실시예에 따른 최대 인발하중 및 에너지 흡수량의 실험 결과를 살펴본다.

도 4는 실시예들에 따른 강섬유에 적용된 풀아웃 테스트 시편에 관한 도면이다. 시편의 재질은 시멘트 몰탈이며 높이는 76.2mm 이다. 강섬유가 위치한 부분의 시편 단면은, 한 변이 25.4mm의 길이를 가지는 정사각형이다.

실시예들에 따른 실험은 풀아웃 테스트 방식으로 진행되었으며, 콘크리트 시편 내부에 강섬유(1)를 포함시켜 콘크리트의 양 방향에 인장력을 작용하는 방식으로 이루어졌다. 이 실험을 통하여 콘크리트 및/또는 그 내부에 포함된 강섬유(1)에 작용하는 최대 인장하중을 측정할 수 있다. 또한, 이 실험을 통하여 콘크리트 및/또는 그 내부에 포함된 강섬유(1)에 작용하는 인장력에 의한 부재들의 변위를 측정할 수 있다.

실시예들에 따른 실험에 의하여 하중-변위 그래프를 얻을 수 있다. 세로축은 강섬유(1)에 작용하는 최대 인발하중을 나타내고, 가로축은 강섬유(1)의 변형을 나타낸다. 강섬유(1)가 흡수한 에너지는, 그래프의 면적을 통하여 구할 수 있다.

실시예들에 따른 실험에 의하여 에너지-변위 그래프를 얻을 수 있다. 세로축은 강섬유(1)가 흡수한 에너지를 나타내고, 가로축은 강섬유(1)의 변형을 나타낸다. 에너지-변위 그래프는 하중-변위 그래프의 적분값이다.

도 5 내지 도 11의 실시예들은, 직경 0.75mm 의 서로다른 강섬유(1)를 사용하여 실험을 진행한 것의 결과물이다. 각각의 실시예들에서 사용된 강섬유(1)의 인장강도는 1500MPa 이다.

도 5는, 엔드-후크 타입 강섬유에 대한 풀아웃 테스트의 실험 결과이다.

도 5의 실험은, 기존에 널리 사용되던 엔드-후크 타입의 강섬유에 대하여 풀아웃 테스트를 진행한 것이다. 도 5의 실험에 따른 엔드-후크 타입 강섬유는, 60mm의 직선길이(LH)를 가진다. 시험체는 5개가 사용되었다.

도 5(a)는 하중-변위 그래프, 도 5(b)는 에너지-변위 그래프, 도 5(c)는 엔드-후크 타입 강섬유의 풀아웃 순간의 최대하중과 변형량을 정리한 표, 도 5(d)는 강섬유 종류별 최대 에너지 흡수량을 정리한 표이다.

도 5(e)는 기존에 널리 사용되던 엔드-후크 타입의 강섬유의 형상을 나타낸 도면이다.

엔드-후크 타입의 강섬유에 대한 실험은, 5개 시험체의 평균에 따라 240.82N의 최대하중 및 1971.02 N*mm 의 평균 흡수 에너지량을 도출하였다.

도 6는, 싱글 아치형 강섬유에 대한 풀아웃 테스트의 실험 결과이다.

도 6의 실험은, 하나의 아치형상만을 가지는 싱글 아치형 강섬유에 대하여 풀아웃 테스트를 진행한 것이다. 도 6의 실험에 따른 싱글 아치형 강섬유는, 60mm의 직선길이(LH)를 가진다. 시험체는 3개가 사용되었다.

도 6(a)는 하중-변위 그래프, 도 6(b)는 에너지-변위 그래프, 도 6(c)는 싱글 아치형 강섬유의 풀아웃 순간의 최대하중과 변형량을 정리한 표, 도 6(d)는 강섬유 종류별 최대 에너지 흡수량을 정리한 표이다.

하나의 아치구조만을 포함하는 강섬유에 대한 실험은, 3개 시험체의 평균에 따라 249.79N의 최대하중 및 1740.04 N*mm 의 평균 흡수 에너지량을 도출하였다.

이하 도 7은, 제1 실시예에 따른 풀아웃 테스트의 실험 결과이다.

제1 실시예에 대한 실험은, 제3 곡률반경(R3) 및 제4 곡률반경(R4)이 무한대의 값을 가져, 한 쌍의 대칭적인 아치를 갖는 강섬유(1)에 대하여 풀아웃 테스트를 진행한 것이다. 제1 실시예에 따른 강섬유(1)는 60mm의 직선길이(L)를 가진다. 시험체는 5개가 사용되었다.

도 7(a)는 하중-변위 그래프, 도 7(b)는 에너지-변위 그래프, 도 7(c)는 제1 실시예 시험체의 풀아웃 순간의 최대하중과 변형량을 정리한 표, 도 7(d)는 강섬유 종류별 최대 에너지 흡수량을 정리한 표이다.

제1 실시예에 따른 실험은, 5개 시험체의 평균에 따라 422.09N의 최대하중 및 4232.77 N*mm 의 평균 흡수 에너지량을 도출하였다.

이하 도 8은, 제2 실시예에 따른 풀아웃 테스트의 실험 결과이다.

제2 실시예에 대한 실험은, 제3 곡률반경(R3) 및 제4 곡률반경(R4)이 무한대가 아닌 값을 가져, 두 쌍의 대칭적인 아치를 갖는 강섬유(1)에 대하여 풀아웃 테스트를 진행한 것이다. 제2 실시예에 따른 강섬유(1)는 60mm의 직선길이(L)를 가진다. 시험체는 4개가 사용되었다. 제2 실시예에 따른 실험에서, 두 개의 시험체에 Fracture 가 발생하여, Fracture가 발생한 두 개의 시험체는 최대인발강도 분석에만 포함시키고, 에너지흡수성능 분석에서는 제외하였다.

도 8(a)는 하중-변위 그래프, 도 8(b)는 에너지-변위 그래프, 도 8(c)는 제2 실시예 시험체의 풀아웃 순간의 최대하중과 변형량을 정리한 표, 도 8(d)는 강섬유 종류별 최대 에너지 흡수량을 정리한 표이다.

제2 실시예에 대한 실험은, 4개 시험체의 평균에 따라 350.62N의 최대하중을 얻었고, 2개 시험체의 평균에 따라 4006.62 N*mm 의 평균 흡수 에너지량을 도출하였다.

이하 도 9는, 제3 실시예에 따른 풀아웃 테스트의 실험 결과이다.

제3 실시예에 대한 실험은, 제3 곡률반경(R3) 및 제4 곡률반경(R4)이 무한대의 값을 가져, 한 쌍의 대칭적인 아치를 갖는 강섬유(1)에 대하여 풀아웃 테스트를 진행한 것이다. 제3 실시예에 따른 강섬유(1)는 55mm의 직선길이(L)를 가진다. 시험체는 5개가 사용되었으며, 도 9(a)는 하중-변위 그래프, 도 9(b)는 에너지-변위 그래프, 도 9(c)는 제3 실시예 시험체의 풀아웃 순간의 최대하중과 변형량을 정리한 표, 도 9(d)는 강섬유 종류별 최대 에너지 흡수량을 정리한 표이다.

제3 실시예에 대한 실험은, 5개 시험체의 평균에 따라 372.05N의 최대하중 및 3377.92 N*mm 의 평균 흡수 에너지량을 도출하였다.

이하 도 10은, 제4 실시예에 따른 풀아웃 테스트의 실험 결과이다.

제4 실시예에 대한 실험은, 제3 곡률반경(R3) 및 제4 곡률반경(R4)이 무한대가 아닌 값을 가져, 두 쌍의 대칭적인 아치를 갖는 강섬유(1)에 대하여 풀아웃 테스트를 진행한 것이다. 제4 실시예에 따른 강섬유(1)는 55mm의 직선길이(L)를 가진다. 시험체는 5개가 사용되었다. 제4 실시예에 따른 실험에서, 세 개의 시험체에 Fracture 가 발생하여, Fracture가 발생한 세 개의 시험체는 최대인발강도 분석에만 포함시키고, 에너지흡수성능 분석에서는 제외하였다.

도 10(a)는 하중-변위 그래프, 도 10(b)는 에너지-변위 그래프, 도 10(c)는 제4 실시예 시험체의 풀아웃 순간의 최대하중과 변형량을 정리한 표, 도 10(d)는 강섬유 종류별 최대 에너지 흡수량을 정리한 표이다.

제4 실시예에 대한 실험은, 5개 시험체의 평균에 따라 342.25N의 최대하중을 얻었고, 2개 시험체의 평균에 따라 3580.16 N*mm 의 평균 흡수 에너지량을 도출하였다.

이하 도 11은, 제5 실시예에 따른 풀아웃 테스트의 실험 결과이다.

제5 실시예에 대한 실험은, 제3 곡률반경(R3) 및 제4 곡률반경(R4)이 무한대가 아닌 값을 가져, 두 쌍의 대칭적인 아치를 갖는 강섬유(1)에 대하여 풀아웃 테스트를 진행한 것이다. 제5 실시예에 따른 강섬유(1)는 42mm의 직선길이(L)를 가진다. 시험체는 5개가 사용되었다.

도 11(a)는 하중-변위 그래프, 도 11(b)는 에너지-변위 그래프, 도 11(c)는 제5 실시예 시험체의 풀아웃 순간의 최대하중과 변형량을 정리한 표, 도 11(d)는 강섬유 종류별 최대 에너지 흡수량을 정리한 표이다.

제5 실시예에 대한 실험은, 5개 시험체의 평균에 따라 390.46N의 최대하중 및 2976.51 N*mm 의 평균 흡수 에너지량을 도출하였다.

이하 제1 실시예 내지 제5 실시예에 따른 실험의 결과값을, 기존 엔드-후크 강섬유의 실험 결과값과 비교한다.

제1 실시예, 제2 실시예 및 기존에 사용되던 엔드-후크 강섬유에 대한 실험에서는, 세 실험 모두 60mm의 직선길이(L)를 갖는 실험체를 사용하였다.

한 쌍의 아치를 갖는 제1 실시예의 에너지 흡수량은 4232.77 N*mm 로서 엔드-후크 강섬유 대비 약 114% 가 증가하였다. 또한, 최대인발하중은 422.09 N 으로서 엔드-후크 강섬유 대비 약 75% 가 증가하였다. 따라서 제1 실시예는 엔드-후크 강섬유보다 우수한 성능을 가질 수 있다.

두 쌍의 아치를 갖는 제2 실시예의 에너지 흡수량은 4006.62 N*mm 로서 엔드-후크 강섬유 대비 약 103% 가 증가하였다. 또한, 최대인발하중은 350.62N 으로서 엔드-후크 강섬유 대비 약 45% 가 증가하였다. 따라서 제2 실시예는 엔드-후크 강섬유보다 우수한 성능을 가질 수 있다.

제3 실시예 및 제4 실시예는 55mm의 직선길이(L)를 갖는 실험체를 사용하였다.

한 쌍의 아치를 갖는 제3 실시예의 에너지 흡수량은 3377.82 N*mm 로서 엔드-후크 강섬유 대비 약 71% 가 증가하였다. 또한, 최대인발하중은 372.05 N 으로서 엔드-후크 강섬유 대비 약 54% 가 증가하였다. 따라서 제3 실시예는 엔드-후크 강섬유보다 직선길이(L)가 더 짧음에도 불구하고, 엔드-후크 강섬유보다 우수한 성능을 가질 수 있다. 이는 더 적은 재료를 사용하여, 기존에 존재하는 강섬유보다 더 나은 효과를 얻을 수 있음을 의미한다.

두 쌍의 아치를 갖는 제4 실시예의 에너지 흡수량은 3580.16 N*mm 로서 엔드-후크 강섬유 대비 약 81% 가 증가하였다. 또한, 최대인발하중은 342.25N 으로서 엔드-후크 강섬유 대비 약 42% 가 증가하였다. 따라서 제4 실시예는 엔드-후크 강섬유보다 직선길이(L)가 더 짧음에도 불구하고, 엔드-후크 강섬유보다 우수한 성능을 가질 수 있다. 이는 더 적은 재료를 사용하여, 기존에 존재하는 강섬유보다 더 나은 효과를 얻을 수 있음을 의미한다.

제5 실시예는 42mm의 직선길이(L)를 갖는 실험체를 사용하였다.

두 쌍의 아치를 갖는 제5 실시예의 에너지 흡수량은 2976.51 N*mm 로서 엔드-후크 강섬유 대비 약 51% 가 증가하였다. 또한, 최대인발하중은 390.46N 으로서 엔드-후크 강섬유 대비 약 62% 가 증가하였다. 따라서 제5 실시예는 엔드-후크 강섬유보다 직선길이(L)가 더 짧음에도 불구하고, 엔드-후크 강섬유보다 우수한 성능을 가질 수 있다. 이는 더 적은 재료를 사용하여, 기존에 존재하는 강섬유보다 더 나은 효과를 얻을 수 있음을 의미한다.

이하 제1 실시예 내지 제5 실시예에 따른 실험의 결과값을, 기존 싱글 아치형 강섬유의 실험 결과값과 비교한다.

제1 실시예, 제2 실시예 및 기존에 사용되던 싱글 아치형 강섬유에 대한 실험에서는, 세 실험 모두 60mm의 직선길이(L)를 갖는 실험체를 사용하였다.

한 쌍의 아치를 갖는 제1 실시예의 에너지 흡수량은 4232.77 N*mm 로서 싱글 아치형 강섬유 대비 약 143% 가 증가하였다. 또한, 최대인발하중은 422.09 N 으로서 싱글 아치형 강섬유 대비 약 69% 가 증가하였다. 따라서 제1 실시예는 싱글 아치형 강섬유보다 우수한 성능을 가질 수 있다.

두 쌍의 아치를 갖는 제2 실시예의 에너지 흡수량은 4006.62 N*mm 로서 싱글 아치형 강섬유 대비 약 130% 가 증가하였다. 또한, 최대인발하중은 350.62N 으로서 싱글 아치형 강섬유 대비 약 40% 가 증가하였다. 따라서 제2 실시예는 싱글 아치형 강섬유보다 우수한 성능을 가질 수 있다.

한 쌍의 아치를 갖는 제3 실시예의 에너지 흡수량은 3377.82 N*mm 로서 싱글 아치형 강섬유 대비 약 117% 가 증가하였다. 또한, 최대인발하중은 372.05 N 으로서 싱글 아치형 강섬유 대비 약 49% 가 증가하였다. 따라서 제3 실시예는 싱글 아치형 강섬유보다 직선길이(L)가 더 짧음에도 불구하고, 싱글 아치형 강섬유보다 우수한 성능을 가질 수 있다. 이는 더 적은 재료를 사용하여, 기존에 존재하는 강섬유보다 더 나은 효과를 얻을 수 있음을 의미한다.

두 쌍의 아치를 갖는 제4 실시예의 에너지 흡수량은 3580.16 N*mm 로서 싱글 아치형 강섬유 대비 약 106% 가 증가하였다. 또한, 최대인발하중은 342.25N 으로서 싱글 아치형 강섬유 대비 약 37% 가 증가하였다. 따라서 제4 실시예는 싱글 아치형 강섬유보다 직선길이(L)가 더 짧음에도 불구하고, 싱글 아치형 강섬유보다 우수한 성능을 가질 수 있다. 이는 더 적은 재료를 사용하여, 기존에 존재하는 강섬유보다 더 나은 효과를 얻을 수 있음을 의미한다.

두 쌍의 아치를 갖는 제5 실시예의 에너지 흡수량은 2976.51 N*mm 로서 싱글 아치형 강섬유 대비 약 71% 가 증가하였다. 또한, 최대인발하중은 390.46N 으로서 싱글 아치형 강섬유 대비 약 56% 가 증가하였다. 따라서 제5 실시예는 싱글 아치형 강섬유보다 직선길이(L)가 더 짧음에도 불구하고, 싱글 아치형 강섬유보다 우수한 성능을 가질 수 있다. 이는 더 적은 재료를 사용하여, 기존에 존재하는 강섬유보다 더 나은 효과를 얻을 수 있음을 의미한다.

이하 도 12 내지 도 14를 참조하여 전술한 제1 실시예에 따른 휨 성능 실험 결과를 살펴본다.

도 12는 실시예들에 따른 강섬유에 적용된 휨시험의 설명을 돕기 위한 도면이다.

도 12(a)는 휨 성능 테스트를 알아보기 위한 방법으로서, 2등분점 재하시험을 적용하는 방법을 설명을 위한 도면이다. 도 12(b)는 2등분점 재하시험의 노치 부분을 확대한 도면이다. 도 12(c)는 휨 성능 실험 결과에 따른 결과값을 나타낸 그래프이다.

전술한 바와 같이, 제1 실시예의 강섬유(1)는 제3 곡률반경(R3) 및 제4 곡률반경(R4)이 무한대의 값을 가져 한 쌍의 대칭적인 아치를 갖는 강섬유(1)이며, 이에 대하여 휨 성능 실험을 진행하였다.

시편의 재질은 시멘트 콘크리트이며 150mm x 150mm x 550mm의 각주형 공시체로 중앙부 하단에 노치를 두어 제작하였고 BS EN 14651(Test method for metallic fibered concrete - Measuring the flexural tensile strength) 시험 방법 규정에 따라 2등분점 재하시험으로 실험하였다.

구체적으로, 실시예들에 따른 실험에 의하여 CMOD - F 그래프를 얻을 수 있다. 세로축은 시편이 가지는 작용하는 잔류 휨 인장강도이며, 가로축은 노치부분에 크랙이 일어난 후의 변위값인 CMOD(Crack Mouth Opening Displacement)를 나타낸다.

도 13 및 도 14는, 전술한 엔드-후크 강섬유, 싱글 아치형 강섬유 및 제1 실시예의 강섬유(1)를 사용하여 실험을 진행한 결과값이다. 실험은 인장강도 1,500Mpa, 지름 0.75mm, 길이 60mm의 강섬유를 혼입량 30 kg/m^3으로 두어 실시하였다.

표 1은 휨 성능 확인을 위한 콘크리트의 배합비이다.

설계기준압축강도(MPa)	굵은골재 최대치수 (mm)	공기량(%)	S/a(%)	W/C(%)	단위재료량(kg/m³)
설계기준압축강도(MPa)	굵은골재 최대치수 (mm)	공기량(%)	S/a(%)	W/C(%)	물(W)	시멘트( C)	잔골재(S)	굵은골재(G)	고성능AE감수제(AD)
30	25	5	48.3	48.0	171	356	893	959	2.1

휨 성능은, 잔류휨 인장강도를 나타내는 Fr1, Fr2, Fr3, Fr4 및 휨 강도인 FL 를 통하여 파악할 수 있다. FL은 초기 균열이 발생할 때 휨 강도이다. Fr1 내지 Fr4는 잔류휨 인장강도이다. Fr1은 공시체 부위중 노치의 폭(A)이 0.5mm 벌어졌을 때 잔류휨의 강도이고, Fr2는 공시체 부위중 노치의 폭(A)이 1.5mm 벌어졌을 때 잔류휨의 강도이고, Fr3은 공시체 부위중 노치의 폭(A)이 2.5mm 벌어졌을 때 잔류휨의 강도이고, Fr4는 공시체 부위중 노치의 폭(A)이 3.5mm 벌어졌을 때 잔류휨의 강도이다.

휨 시험 결과는 도 13의 그래프를 통하여 확인할 수 있다.

도 13(a)는 제1 실시예와 엔드-후크형 강섬유의 휨 성능 실험결과를 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 13(b)는 제1 실시예의 강섬유(1)와 싱글 아치형 강섬유의 휨 성능 실험결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.

실험 결과값을 살펴보면, 제1 실시예의 경우 FL=5.34MPa, Fr1=4.06MPa, Fr2=4.74MPa, Fr3=4.39MPa, Fr4=3.79MPa 이다.

또한, 종래의 엔드-후크형 강섬유로 보강된 콘크리트의 경우 FL=4.0MPa, Fr1=3.26MPa, Fr2=3.58MPa, Fr3=3.61MPa, Fr4=3.51MPa 이다.

또한, 싱글 아치형 강섬유의 경우 FL=4.67MPa, Fr1=3.14MPa, Fr2=3.49MPa, Fr3=3.74MPa, Fr4=3.51MPa 이다.

도 14를 참조하여 종래의 엔드-후크형 강섬유를 사용한 경우와 제1 실시예의 강섬유(1)를 사용한 경우, 휨 성능을 서로 비교한다.

제1 실시예는 종래의 엔드-후크형 강섬유와 비교할 때, FL((5.34-4.0MPa)/4.0MPa)은 25.1%, Fr1((4.06-3.26MPa)/3.26MPa)은 24.5%, Fr2((4.74-3.58MPa)/3.58MPa)은 32.4%, Fr3((4.39-3.61MPa)/3.61MPa)은 21.6%, Fr4((3.79-3.51MPa)/3.51MPa)은 8.0% 만큼 증가한다. 따라서 제1 실시예의 강섬유(1)는 종래의 엔드-후크형 강섬유보다 휨에 대하여 뛰어난 성능을 나타냄을 알 수 있다.

도 14를 참조하여 싱글 아치형 강섬유를 사용한 경우와 제1 실시예의 강섬유(1)를 사용한 경우, 휨 성능을 서로 비교한다.

제1 실시예는 싱글 아치형 강섬유와 비교할 때, FL((5.34-4.67MPa)/4.67MPa)은 15.6%, Fr1((4.06-3.14MPa)/3.14MPa)은 29.3%, Fr2((4.74-3.49MPa)/3.49MPa)은 35.8%, Fr3((4.39-3.74MPa)/3.74MPa)은 17.4%, Fr4((3.79-3.61MPa)/3.61MPa)은 4.9% 만큼 증가한다. 따라서 제1 실시예는 싱글 아치형 강섬유보다 휨에 대하여 뛰어난 성능을 나타냄을 알 수 있다.

제1 실시예에 따른 강섬유(1)와 콘크리트간의 부착강도는 종래의 발명된 강섬유보다 우수하다. 따라서 제1 실시예의 강섬유(1)가 포함된 콘크리트 부재의 휨 성능 또한 우수해짐을 확인할 수 있다.

도 13 및 도 14의 결과를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 종래의 엔드-후크형 강섬유 및 싱글 아치형 강섬유는 선대칭 구조를 가짐에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 강섬유(1)는 연결부(20)의 중심이 되는 점을 기준으로 점대칭 구조를 가짐으로써, 구조적으로 모든 방향에 대하여 휨인성 능력이 향상되는 효과가 있음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 더블 아치형 구조를 이루는 제1 아치부 및 제2 아치부 사이에는 연결부(20)가 존재하며, 이 연결부로 인하여 부착강도의 길이가 늘어나 휨인성 능력이 더욱 향상되는 효과가 있으며, 따라서 기존 제품들에 비해, 두 개의 아치 형태 및 그 사이에 개재된 연결부의 존재로 인하여 기계적 마찰 강도가 증대되고, 그로 인해 휨인성 성능이 향상되는 효과를 가진다.

종래의 강섬유는 공칭지름이 0.30mm 이상 1.00mm 이하의 규격을 가지며 사용되는 것이 일반적이었으므로, 실시예들 또한 0.30mm 이상 1.00mm 이하의 규격을 가질 수 있다.

또한 종래의 강섬유는 직선길이(L) 18mm 이상 80mm 이하의 규격을 가지며 사용되는 것이 일반적이었으므로, 실시예들 또한 18mm 이상 80mm 이하의 규격을 가질 수 있다.

또한 종래의 강섬유는 인장강도 500MPa 이상 2800Mpa 이하 값을 가지는 강을 재료로 하여 사용되는 것이 일반적이었으므로, 실시예들 또한 인장강도 500MPa 이상 2800Mpa 이하의 인장강도 값을 가질 수 있다.

종래의 강섬유는 건축 및/또는 토목 공사에 사용되는 재료 중 특히 시멘트계 재료의 보강을 위해 사용되는 것이 일반적이다. 그러나, 실시예들에 따른 강섬유는 합성수지계 재료의 보강에도 사용될 수 있을 것이다. 또한 실시예들에 따른 강섬유는 건축용 내외장재의 보강에도 사용될 수 있다.

이상 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않는다. 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명은 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 기술자에 의해 변형이 가능하고, 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

1 : 강섬유
11 : 제1 아치부
12 : 제2 아치부
13 : 제3 아치부
14 : 제4 아치부
20 : 연결부
21 : 제1 부재
22 : 제2 부재
23 : 제3 부재
24 : 제4 부재
31 : 제1 연결아치부
32 : 제2 연결아치부
33 : 제3 연결아치부
34 : 제4 연결아치부
35 : 제1 단부아치부
36 : 제2 단부아치부
41 : 제1 단부
42 : 제2 단부
R1 : 제1 곡률반경
R2 : 제2 곡률반경
R3 : 제3 곡률반경
R4 : 제4 곡률반경
D1 : 제1 길이
D2 : 제2 길이
D3 : 제3 길이
D4 : 제4 길이
D5 : 제5 길이
D6 : 제6 길이
B1 : 제1 방향
B2 : 제2 방향
L : 직선길이(L)
Lt : 평균저항길이(Lt)
L2 : 제2 영역 직선길이(L)
Lt2 : 제2 영역 평균저항길이(Lt)
1001 : 제1 영역
1002 : 제2 영역
1003 : 제3 영역
1004 : 제4 영역
2001 : 제1 곡선부
2002 : 제2 곡선부
2003 : 제3 곡선부
2004 : 제4 곡선부
2005 : 제5 곡선부
2006 : 제6 곡선부
2007 : 제7 곡선부
2008 : 제8 곡선부
2009 : 제9 곡선부
2010 : 제10 곡선부

Claims

제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제1 곡률반경을 갖는 제1 아치부;
상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제2 곡률반경을 갖는 제2 아치부;
상기 제1 아치부의 일 단과 상기 제2 아치부의 일 단을 연결하는 연결부;
상기 제1 아치부의 타 단에 연결된 제1 부재;
상기 제2 아치부의 타 단에 연결된 제2 부재;
상기 제1 부재에 연결된 제1 단부; 및
상기 제2 부재에 연결된 제2 단부;를 포함하고,
상기 제1 아치부와 상기 연결부가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 연결아치부;
상기 제2 아치부와 상기 연결부가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 연결아치부;
상기 제1 아치부와 상기 제1 부재가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제3 연결아치부; 및
상기 제2 아치부와 상기 제2 부재가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제4 연결아치부; 를 더 포함하며,
상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제1 내지 제4 연결아치부의 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 갖는 고성능 강섬유.
제 1항에 있어서
상기 제1 부재와 상기 제1 단부가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 단부아치부; 및
상기 제2 부재와 상기 제2 단부가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 단부아치부;를 더 포함하는 고성능 강섬유.
제 2항에 있어서
상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제1 내지 제2 단부아치부의 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 갖는 고성능 강섬유.
제 2항에 있어서
상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제1 내지 제4 연결아치부, 상기 제1 내지 제2 단부아치부의 곡률반경보다 큰 값을 갖는 고성능 강섬유.
제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제1 곡률반경을 갖는 제1 아치부;
상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제2 곡률반경을 갖는 제2 아치부;
상기 제1 아치부의 일 단과 상기 제2 아치부의 일 단을 연결하는 연결부;
상기 제1 아치부의 타 단에 연결된 제1 부재;
상기 제2 아치부의 타 단에 연결된 제2 부재;
상기 제1 부재에 연결된 제1 단부; 및
상기 제2 부재에 연결된 제2 단부;를 포함하고,
상기 연결부는
제3 곡률반경을 갖고 상기 제1 아치부와 연결되는 제3 아치부; 및
제4 곡률반경을 갖고 상기 제2 아치부와 연결되는 제4 아치부; 를 포함하고,
상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제3 곡률반경 및 상기 제4 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 갖는 고성능 강섬유.
제 5항에 있어서
상기 제3 아치부는 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖고
상기 제4 아치부는 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 고성능 강섬유.
제 5항에 있어서
상기 제3 아치부는 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖고
상기 제4 아치부는 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 고성능 강섬유.
제 6항에 있어서
상기 제1 아치부와 상기 제3 아치부가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 항하여 볼록한 형상을 갖는 제1 연결아치부를 포함하고
상기 제2 아치부와 상기 제4 아치부가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 연결아치부를 포함하는 고성능 강섬유.
제 8항에 있어서
상기 제1 연결아치부와 상기 제3 아치부는 제3 부재에 의하여 연결되며
상기 제2 연결아치부와 상기 제4 아치부는 제4 부재에 의하여 연결되는 고성능 강섬유.
제 5항에 있어서
상기 제1 부재와 상기 제1 단부가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 단부아치부; 및
상기 제2 부재와 상기 제2 단부가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 단부아치부;를 더 포함하는 고성능 강섬유.
제 5항에 있어서,
상기 제1 아치부와 상기 제1 부재가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제3 연결아치부를 포함하고
상기 제2 아치부와 상기 제2 부재가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제4 연결아치부를 포함하는 고성능 강섬유.
제 11항에 있어서
상기 제3 곡률반경 및 상기 제4 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제1 내지 제4 연결아치부의 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 갖는 고성능 강섬유.
제 1항 또는 제 5항에 있어서
상기 강섬유는 상기 연결부의 중심이 되는 점을 기준으로 대칭적인 형상을 갖는 고성능 강섬유.
제 1항 또는 제 5항에 있어서
상기 강섬유의 직선길이는 18mm 이상 80mm 이하인 고성능 강섬유.
제 1항 또는 제 5항에 있어서
상기 강섬유 단면의 직경은 0.3mm 이상 1.0mm 이하인 고성능 강섬유.
제 1항 또는 제 5항에 있어서
상기 강섬유를 이루는 강은 500Mpa 이상 2800Mpa 이하의 인장강도를 갖는 고성능 강섬유.
제 1항 또는 제 5항에 있어서,
상기 강섬유는 시멘트계 재료를 보강하는 데 사용되는 고성능 강섬유.
제 1항 또는 제 5항에 있어서
상기 강섬유는 합성수지계 재료를 보강하는 데 사용되는 고성능 강섬유.
제 1항 또는 제 5항에 있어서
상기 강섬유는 건축용의 내외장재를 보강하는 데 사용되는 고성능 강섬유.