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콘크리트 구조물 보강에서는 철판에 의한 보강법과 콘크리트 증타(增打)로 보강이 실시되었지만 구조물 중량의 증가와 시공성이 좋지 않다는
등의 이유로 보강공법의 계속적인 개발을 필요로 하게 되었다. 최근 경량성, 고강도, 고탄성, 우수한 내구성과 내식성의 특성을 지닌 섬유를
소재로 하는 섬유 시트 보강공법이 이용되고 있다. 시트공법에서는 1983년 이라크의 알샤히드 기념비 돔의 외장 타일 패널에 세계 최초로
탄소섬유를 적용한 이래 세계 각국에서 섬유 보강공법을 연구개발해 있고 있다. 따라서 여기서는 현재 보강재료로 가장 널리 사용되고 있는
재료인 섬유와 수지재료에 대해 기술한다.
1. 강재(철판보강)
가. 개 요
강재는 95%이상의 철분과 함께 탄소, 크롬, 망간, 몰리브덴, 니켈 등의 부가물들을 함유하고 있는 금속이다. 강재는 사용면에서 내구성과
전성이 크고 경제적이며, 재료의 성질면에서는 강도가 높고 불연성이며 용접성과 인성이 뛰어난 재료이다. 재료가공시 강재의 역학적인
성질에 영향을 미치는 요인으로서는 강재의 화학적 성분, 열처리 및 잔류응력 등이 있으며, 가동 후 강재 사용시에 영향을 미치는 요인들은
부재형재, 온도 및 작용하중의 가력속도 등을 들 수가 있다. 지금까지 주로 강판 및 형강이 앵커볼트나 에폭시에 의한 접착으로 사용되어
오고 있다. 지금까지 주로 강판 및 형강이 앵커볼트나 에폭시에 의한 접착으로 사용되어 오고 있다. 최근에는 항공기분야 등에서 사용되던
탄소섬유가 쉬트나 판의 형태로 사용되기 시작하고 있다.
보강재료로 사용되는 강재는 주로 일반구조용 강재가 사용되는데 강판과 형강 외에 PS용 강재, 철근등이 사용될 수 있다. 강재의 종류는
재질에 따라 일반구조용 압연강재 SS400, SS490, SS540(KS D 3503)가 있으며 용적구조용 압연강재로서 SWS400, SWS490, SWS490Y, SWS520, SWS570(KS D 3515)등이 있다. 콘크리트 구조물의 구조물의 보강용으로는 대개 3.0mm이상의 강판을 사용한다.
증설보용으로는 슬래브의 강성을 높일 목적으로 형강이 사용되며 주로 H형강, ㄱ형강, ㄷ 형강등이 사용되고 있다. 형강의 단면크기는
제조회사나 설계규준 또는 KS규준에서 명시되어 있어 설계시 참고로 하면 된다.
나. 강재의 특성 및 보강효과
보강재료로 주로 사용되는 것이 강재와 탄소섬유쉬트이다. 강재의 역학적 특성은 인장시험, 굽힘시험, 충격시험 등의 재료시험을 통하여
결정된다. 강재의 시험은 한국공업규격(KS)규준에서는 인장시험을 KS B 0801, KS B 0802, 굽힘시험을 KS B 0803,
KS B 0804에
충격시험을 KS B 0809, KS B 0810에 규정하고 있다.
이중에서 강재의 특성을 잘 나타내주는 대표적인 시험방법이 인장시험이다. 중요한 역학적 성질에는 응력-변형도 관계, 비례한도,
항복강도,
인장강도, 탄성계수, 포아슨비, 피로강도 등이 있다. 강재의 응력-변형도곡선은 강재 재질에 따라 연강과 고장력강으로 구별된다. 항복강도가
2.4 t/㎠인 철근 또는 강판의 경우에는 탄성구간에서 비례한도가 분명하여 소성변형 구간이 항복변형의 10배 이상으로 충분한 연성을 확보
할 수 있다. 반면에 항복강도 5.0 t/㎠이상의 고장력강재는 탄성구간의 비례한도가 불분명하며 연강에 비해 소성변형 구간이 짧은 편이다.
그러나 어떠한 경우에도 강재의 최대변형률은 5%이상으로써 항복강도에 상응하는 변형률 이상에서는 항복강도의 값을 사용할 수 있다.
대한건축학회에서는 강재의 탄성계수를 2100 t/㎠으로 설정하였으며 국내 생산되는 강재의 최소 항복강도는 2.2~4.3 t/㎠,
또한 인장강도는 4.1~5.8 t/㎠로 제한하고 있다.
항복강도는 강재의 재질에 따라 여러종류가 있으므로 적절한 것을 선택하여 사용하면 된다. 현재 가장 많이 사용되는 강재는 SS400이다.
또한 부식성이 있으며, 내화성이 좋지 않다. 예로서 600℃ 온도에 노출되는 경우 항복강도가 1/2로 줄어드는 경향이 있다. 따라서 강재를
보강재료로서 사용할 경우 방청과 내화처리를 특별히 고려하여야 한다.
2. 보강섬유
보강재로 이용되고 있는 주요 섬유는 탄소섬유(CF), 유리섬유(GF), 보론섬유(BF)의 무기 물질 섬유와 유기물질 섬유인 아라미드섬유(AF)가 있다.
가. 탄소섬유
1959년 미국의 유니온 카바이드사에 의해 개발, 상품화된 강도와 강성이 높은 탄소섬유는 아크릴, 레이온, 피치 등의 유기물 프리커서
(Precursor) 섬유를 탄화시켜서 만들어진 섬유로 유리섬유에서 얻을 수 없는 고강도.고탄성이 요구되는 분야에 최근 상당히 이용되고 있고
수요가 급속히 신장하고 있다. 탄소섬유의 특성은 다음과 같다.
-고탄성이며 고인장강도를 갖는다.
-경량이면서 높은 강성을 나타낸다.
-열.전기에 대한 전도성 재료이다.
-우수한 내식성 및 내약품성을 갖는다.
-X-선 투과성이 우수하다.
-진동 감쇄성이 우수하다.
-내피로성을 나타낸다.
-생체 적합성이 우수하여 의료용 재료로 적합하다.
나. 유리섬유
유리섬유는 1939년 미국의 오웬스 코닝(Owens-Corning)사에서 처음으로 대량 생산하였고 원료는 실리카가 대부분(50~60%)을
차지하며, 산화알루미늄, 붕산, 규사 등이 주를 이루고 있으며 그 조성에 따라 성질이 달라진다. 종류에는 A-Glass(고알칼리용),
C-Glass(화학용), E-Glass(전기 부품용), S-Glass(고강도용)등이 있다. 유리섬유의 특성은 다음과 같다.
-인장강도가 높고 섬유의 굵기(3.8~25㎛)가 가는 쪽이 강하다.
-온도 의존성이 거의 없고 치수 안정성이 좋다.
-전기 절연성이 우수하다.
-내열성이 높고 불연성이다.
-흡수성이 적다.
-내약품성이 우수하다.
다. 아라미드 섬유
합성 유기섬유 중에서 방향족 폴리아미드계의 것을 아라미드 섬유라 하면 1972년에 Dupont사가 최초로 Kevlar란 명칭으로 공업화하여
유명한 제품으로 이용되고 있으며 또한 서독 엔카사의 트와룸, 일본의 네이젼사의 테크노라도 많이 이용되고 있다. 아라미드섬유의 특성은
다음과 같다.
-고강도,고탄성율을 갖는다.
-저크리프성을 갖는다.
-내충격성이 우수하다.
-내마찰성이 크다.
-내마모성이 우수하다.
3. 수지재료
수지는 섬유제를 결합시켜 섬유에 가해지는 힘을 분산시키는 역할 및 우수한 내식성, 내열성을 부여하여 역학적 특성뿐만 아니라 화학적
특성의 향상에 기여한다. 전단하중일 때는 주로 수지재료가 하중을 지탱하므로 그 기계적 성질이 매우 중요하며 파괴 진행에 매우 결정적인
영향을 미친다.
복합재 성형수지 재료의 종류는 다음과 같다.
열경화성수지
-불포화폴리에스테르(UP)
-에폭시(EP)
-페놀(PH)
-폴리이미드(PI)
열가소성수지
- 폴리아미드(PA)
- 폴리카보네이트(PC)
- 폴리부틸렌테레프탈레이드(PBT)
- 폴리에테르에테르케톤(PEEK)
- 폴리에테르술폰(PES)
- 폴리아미드이미드(PAI)
- 폴리페닐렌설파이드(PPS)
* 열경화성수지의 특성
① 수지의 저점도의 액상으로서 보강재(Fiber)에 함침이 용이해야 한다.
② 수지의 경화는 상온에서 가능하고 또한 경화까지의 시간은 임의로 조절 할 수 있다.
③ 경화수축이 적다.
④ 보강재와의 접착력이 뛰어나다.
⑤ 경화물의 물성이 뛰어나다.
가장 널리 사용되는 수지는 불포화폴리에스테르와 에폭시이다. 하지만 불포화폴리에스테르는 ①,②를 만족하나 ③,④,⑤는 만족하지 않는
단점을 가지고 있다.
에폭시수지는 2개 이상의 에폭시기(epoxide)를 함유하고 있는 수지로 성형시에는 혼합하여 사용하는 경화체와 반응하여 3차원
경화물을 형성한다. 에폭시는 접착성, 인성이 우수하고 기계적 강도도 크며, 성형수축이 적고 열 및 치수 안정성이 좋다. 또한 내약품성이
양호하고 전기적 특성이 좋으나 점도나 점도가 약간 높고 또 경화시간의 조절이 용이하지 않다는 결점이 있다. | 
