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-. 본 신기술은 기존 철근의 7배에 가까운 인장력을 가진 주재료 아라미드, 탄소, 유리섬유를 ROD화 시킨 후 접착력(인발력)향상을 위한 가넷을 코팅 처리함으로써 철근굵기를 7배 가까이 줄여 철근 콘크리트 피복두께 이하의 모르터나 콘크리트내에 삽입 시킬 수 있는 조건을 부여함으로써 콘크리트 표면에 부착시키는 기존 재래식 공법의 불합리성을 개선,보강 효과를 가장 극대화 시킬 수 있는 기법을 제시한 것이다.
단, 전제조건으로써 박막의 20mm∼30mm로 로드를 삽입 시킬 수 있는 모르터나 콘크리트 소재는 기존 재료와 비교해서 압축강도 400kgf/㎠, 휨강도 100kgf/㎠, 접착강도 25kgf/㎠, 이상의 강한 물성을 가진 고강도 모르터를 개발하여 적용한다.
또한, 외부하중에 의한 접착 취약부 계면 파괴를 방지하기 위한 보완으로 함침모르터 시공 후 일정간격으로 세트앙카를 고정하고 R E-뿜칠 모르터를 충분한 피복두께로 피복함으로써 Seperation 방지 및 전단균열 억제효과를 가져올 수 있도록
하였다.
 
 
 
 
- 시공상세
 
 
1)섬유별 ROD 강도
 
제 품 항복강도(kgf/㎠) 인장강도(kgf/㎠)
철근 SD30
3,000 이상
4,500∼6,100
SD40
4,000∼5,200
5,700 이상
유리섬유 ROD
2400
8000
아라미드 섬유 ROD
4200
14000
탄소섬유 ROD
6900
23000
주) * 섬유 ROD의 경우 인장강도 ×0.3을 항복강도로 채택함.
 
2) ROD 제조 및 가넷 코팅 공정
 
모든 철근 콘크리트 구조물에 적용 가능한 기술로

1) 철도 및 도로 교량과 항만의 잔교 빔, 슬라브 보강
2) 철도 및 지하철과 도로의 고가 빔, 슬라브 보강
3) 철도 및 지하철과 도로의 터널 라이닝 보강
4) BOX형 공동구 및 하수암거와 상·하수도 구조물 보강

 
 
■ 고강도 폴리머 몰탈 및 섬유 Rod를 적용한 콘크리트 구조물의 동적시험에 의한 성능향상 효과분석
 
1. 연구개발의 배경 및 필요성
 
최근 철근 콘크리트 구조물의 보강에 주로 적용되는 공법은 외부에 신소재섬유를 부착함으로써 휨 및 전단력에 대한 내하성능을 향상시키는 외부 부착형 Sheet형의 보강공법으로 단순 일방향 섬유보강재가 주로 국내에 도입되어 사용되고 있다.
이와 같은 섬유부착 보강공법은 추가사하중의 부담이 적고, 시공이 간편하며, 부식에 대한 저항성능이 우수함으로 기존의 강판보강공법을 대체하는 공법으로 널리 사용되고 있다. 그러나, 보강공법을 적용할 때, 보강재료가 동일하더라도 보강 적용부위의 구조적 거동특성과 손상의 원인에 따라 각기 다른 보강공법이 고려되어야 하며, 특히 현장의 누수 조건 및 환경적 조건에 따라 적용되는 함침재 및 코팅과 같은 타 공정이 현장의 특징에 따라 달리 적용됨으로써 유연성을 확보할 수 있는 공법의 개발이 필요하다.
최근 에 각광받고 있는 Carbon Fiber Sheet(이하 CFS라 함) 및 Glass Reinforced Plastic(이하 GFRP라 함)등을 이용한 공법은 주로 건축구조물의 거더 및 슬래브, 교량구조물의 거더 및 교각 등에 주로 이용되는 공법으로, 각 보강재의 부착특성 및 성능이 보강성능을 주로 좌우하는 것으로 나타났다. 반면 상기한 바와 같은 공법은 보강재가 외부에 노출되어 있어 해양구조물, 오수관거 등과 같이 환경적 손상발생이 우려되는 구조물의 경우 그 적용에 한계가 있는 것으로 판단된다.
따라서 기존의 조강공법의 단점을 극복할 수 있는 즉, 부착성능이 우수하며, 보강 적용부위의 환경 및 손상원인에 따라 적용을 달리할 수 있는 유연성 있는 보강공법의 개발이 필요한 실정이다.
본 연구의 "고강도 폴리머 몰탈 및 섬유 Rod를 적용한 보강공법"은 각 섬유의 파단시의 강도에 차이가 있기 때문에 콘크리트 부재에 적용시 기존의 일방향 섬유 보강재에서 획득할 수 없는 연성을 확보할 수 있는 장점이 있으며, 가넷으로 Rod표면을 함침시킴으로써 몰탈과의 부착성능을 향상시켜 구조적 일체화 효과를 기대할 수 있을 뿐만 아니라 보강재의 조기파괴의 위험을 최소화 할 수 있다. 또한 고강도 폴리머몰탈로 단면을 Overlay하여 철근 콘크리트 구조물을 보강함으로써 기존의 철근과 같은 부착성능을 기대할 수 있는 공법으로 특히, 보강 적용 부위가 해양 및 오수관거 등의 환경적 영향이 있는 경우 보강재가 몰탈에 의해 보호됨으로써 보강재의 내구성을 확보할 수 있다. 또한 몰탈면마감재를 목적에 따라 달리 적용하여, 즉 환경적 영향이 심한 경우 화학적 작용에 저항할 수 있는 코팅재를 적용함으로써 보강부위에 대한 내구성을 확보할 수 있는 공법이다. 그러나 탄소섬유Rod는 원형의 형태로 부착에 대하여 민감한 성능차이가 발생할 수 있으며, 콘크리트외에 고강도 몰탈과같은 취성재료를 적용하기 때문에 그 거동이 매우 복잡하다. 따라서 이와 같은 보강공법의 해석적, 실험적 성능규명 및 보강설계에 대한 연구가 필요하다.
 
2. 연구목적
 
본 연구의 목적은 고강도 폴리머 몰탈 및 탄소섬유 Rod를 적용한 보강된 콘크리트 구조물의 실험적 연구를 통하여 본 공법의 보강효과 및 거동 특성을 분석하고자 하였으며, 궁극적으로 내하력 향상 및 균열제어를 위한 체계적이며 합리적인 보강기법에 대한 기초자료와 보강설계(안)을 도출하고자 하였으며, 다음과 같이 정리하였다.
- 본 공법으로 보강된 보 및 2방향 슬래브 시험체의 정·동적 실험을 통해 보강공법의 내하력 증진 효과 확인
- 앵커볼트에 의한 부착성능 효용성 검증
- 유효한 앵커볼트 시공방안 도출
- 교량 바닥판 보강설계(안) 도출
 
3. 연구내용 및 범위
 
본 연구는 실험적 연구로써, 휨 부재인 보 및 2방향 거동 부재인 슬래브 시험체를 제작한 후 본 보강공법을 적용하여 실험하였으며, 그 결과를 통해 본 보강공법의 유효성 및 시공상세를 제안하고, 각 부재 특성에 적합한 보강설계 방안을 제안하였다. 이를 정리하면 다음과 같다.
① 고강도 폴리머 몰탈 및 탄소섬유 Rod를 적용한 보 시험체의
- 정적 4점 재하 시험을 통해 보강공법의 유효성을 검증하였으며,
- 피로 시험을 통해 본 공법의 피로하중의 장기적인 성능을 검증하였으며,
- 앵커볼트의 위치 등을 변수로 하여 정·동적 실험을 수행함으로써 효용성을 극대화할 수 있는 앵커볼트 시공방안을 제시하였다.
② 실제 교량에 적용되어 사용되고 있는 교량바닥판과 동일한 시험체를 제작하여 피로시험을 수행함으로써
- 피로수명 예측을 위한 기초자료를 제시하고,
-각 방향의 보강량을 변수로 하여 우수한 피로거동을 확보할 수 있는 시공방안을 제안하였다.
③ 위의 실험결과를 바탕으로 본 공법의 성능을 검증한다.
 
4. 연구개발 결과
 
본 연구에서 수행된 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
-보 시험체 -
(1) 탄소섬유 Rod로 보강된 시험체는 무보강 시험체에 비해 약 40~50%의 극한하중 증가를 나타냄으로써 본 보강에 대한 내하성능이 향상되는 것을 알 수 있었다. 또한 BS-CA(전면앵커) 시험체는 BS-EA(단부앵커) 시험체보다 약 10% 향상된 보강효과를 나타내었다.
(2) 보강재의 하중-변형률 고찰결과, 보강재의 항복시까지 하중부담이 원활히 이루어지는 것을 볼 수 있으며, 따라서 섬유부착공법의 큰 단점인계면 파괴등에 의한 취성적인 파괴형태가 나타나지 않아 거동면에서 우수한 공법임을 알 수 있다.
(3) 보의 피로수명을 예측하기 위한 S-N 선도에서는 보강시험체가 무보강 시험체보다 대략 3%의 피로성능을 향상시켜 주는 것으로 나타났다.
또한 각 보강시험체별로 살펴보면 BS-EA(단부앵커) 시험체에 비해 BS-CA(전면앵커) 시험체가 약 4%의 피로성능 향상을 나타냈다.
-슬래브 시험체-
(무보강 및 보강 Control 시험체)
(1) 무보강 시험체와 탄소섬유 Rod으로 보강한 시험체의 보강효과를 비교해보면 보강 시험체가 약 3.2%의 강성증진 및 약 9.5% 향상된 극한하중을 나타내었다.
(2) 보강 시험체가 무보강 시험체에 비해 파괴시 최대변위가 작게 나타났다. 이는 고강도의 탄소섬유 Rod와 단면증설에 의한 보강효과로 인해 구조체의 강성이 증대된 것으로 판단된다.
(등방성(SI) 및 이방성 보강(SO) 시험체)
(3) 하중-변위선도에서는 각각의 시험체가 거의 유사한 거동을 보였으나 상대적으로 보강량이 적은 SO시험체가 많은 반복횟수에 비해 작은 소성 변위량을 나타냄으로써 SO 보강이 SI 보강시험체보다 강성이 우수한 것으로 나타났다.
(4) 탄소섬유 Rod로 보강한 시험체는 무보강 시험체에 비해 약 30%의 피로성능 향상효과가 있었으며 이중 SO 시험체가 SI 시험체에 비해 3.3 %의 높은 피로성능을 나타냈다.
(5) 에너지소산 측면에서 보면 SO보강 시험체가 SI시험체보다 많은 반복횟수에 비해 적은 에너지 소산비율을 보임으로써 탄성회복 능력이 우수한 것으로 판단되었다.
(6) 탄성보 해석에 의한 내하력 측면에서 보면 이방성 시험체가 무보강 시험체에 비해 약 74% 정도 내하력이 증진되는 것으로 나타났다. 또한 본 공법의 내하력 해석 및 설계시 펀칭전단 이론에 의한 해석법이 유효함을 알 수 있었다.