KR100709292B1

KR100709292B1 - 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 및 그제조방법

Info

Publication number: KR100709292B1
Application number: KR1020060051865A
Authority: KR
Inventors: 심종성; 오홍섭; 문도영; 주민관
Original assignee: 주식회사 스틸코리아; (유) 다산엔지니어링
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2007-04-19

Abstract

섬유강화 복합체에 의해 소정 봉형태로 형성된 보강근 코어와; 보강근 코어의 외주에 돌출되게 형성되며, 가공재료로 이루어진 리브; 보강근 코어의 내부에 일체로 마련되며, 보강근 코어가 설치되는 콘크리트 구조물의 주요거동을 감지할 수 있는 광섬유 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 및 그 제조방법이 개시된다.

광섬유, 모니터링, 철근대체, FRP 보강근, 리브

Description

광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 및 그 제조방법{A hybrid fiber reinforced plastic rebar having a optic sensor for concrete}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근을 나타내 도인 평면도.

도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ 선 단면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조방법을 설명하기 위한 흐름도.

도 4는 도 3에 도시된 흐름도에 따라서 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근을 제조하는 공정을 나타내 보인 모식도.

도 5는 도 4에 도시된 금형을 나타내 보인 평면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10..콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 20..보강근 코어

30..리브 41..섬유

50..에폭시 수지 함침탱크 60..섬유 조합기

71,72..금형 73..가열판

100..광섬유 110..센서부

본 발명은 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 콘크리트 속의 철근이 제설재나 해수환경 등의 각종 환경적 요인에 의해 심각한 부식이 초래되어 특성이 저하되는 철근의 내구성 보강을 위하여 내 부식성 및 내구성이 우수하며 구조적 거동을 직접 모니터링할 수 있는 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 콘크리트 속의 철근이 각종 환경적 요인에 의해 심각한 부식을 겪지 않을 수 없음은 이미 널리 알려진 사실이다.

또한, 제설재나 해수환경 등의 영향으로 인한 심각한 철근부식 문제를 겪고 있는데, 기존 철근 보강근의 경우 에폭시 코팅 등을 하더라도, 염화 콘크리트 환경하에서는 심각한 부식을 피할 수 없다는 것이 문제점으로 부각되고 있다. 이와 같이, 철근이 부식으로 인하여 녹이 발생하게 되면, 철근의 강도가 저하되어 건축물의 내구성이 저하되며, 내구성을 증대시켜 건물수명을 연장하기 위해서는 별도의 녹발생 방지시공을 해야 하므로 비용이 이중으로 소요된다. 또한, 고층건물 흔들림 시 탄성력과 인장력의 저하로 건물벽에 균열과 누수가 발생할 뿐만 아니라, 작업시 무거운 중량으로 인하여 설치와 운반 및 보관이 불편한 등의 문제점이 있다.

따라서, 근래에는 내식, 내열, 내부식성이 우수할 뿐만 아니라, 매우 큰 강도를 지니고 있어 전 산업분야에 걸쳐서 응용분야가 확대되고 있는 반영구적 신소 재인 섬유강화 복합체(FRP : Fiber Reinforced Plastic, 이하 FRP라 함)가 활발히 개발되고 있다.

이러한 FRP는 1970 -1980년대 항공 및 첨단산업에 경량, 초고강도 부재의 필요에 의해 개발되었으며, 이후 타 분야로의 가능성이 제기되면서 각 분야에서 많은 연구가 수행되고 있다. 특히, 토목분야에서는 1980년대 압출성형 공법의 개발과 함께 경제적인 대량 생산이 가능하게 되면서부터 FRP의 건설재료로서의 가능성이 크게 증대되었다. 상기한 FRP는 섬유와 강도전달체인 매트릭스로 이루어져 있으며, 이는 경량의 재료이나, 강재에 비해 약 15배의 비강도를 보유한 고강도 재료일 뿐 아니라, 내부식성, 내알칼리성 등을 보유하고 있는 고내구성 재료이다. 따라서, 최근 철근콘크리트 구조물의 철근 및 프리스트레스 콘크리트 구조물의 긴장재의 부식에 대한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 최적의 재료로 인식되고 있다.

FRP 보강근의 생산에 일반적으로 사용되는 방법은 성형압출(pultrusion)과 필라멘트 와인딩(filament winding), 브레이딩(braiding) 과정 등이 있다.

압출성형(pultrusion) 과정은 건설재료로 사용하기 위한 FRP 보강근을 제조하는데 가장 널리 이용되는 방법으로 자동공정에 의하여 FRP 보강근이 생산된다. 가장 널리 사용되는 압출성형 과정을 개략적으로 살펴보면, 생산공정은 첫번째로 섬유꾸러미에서 섬유가 자동적으로 풀려 폴리머 탱크로 이동한다. 이때 섬유는 한가지 종류일 수도 있고 하이브리드 효과를 이루기 위하여 여러 가지 섬유꾸러미를 설치할 수도 있다. 폴리머탱크에서 폴리머를 함침한 섬유는 초기에 일정한 모양을 형성시키는 틀을 통과하여 가열판으로 이동한다. 가열판에서는 열경화성 폴리머가 사용되었을 경우 양생을 촉진시키며 섬유의 함량이 많을 때는 폴리머의 침투를 촉진시켜 FRP 보강근의 모양 형성을 촉진시킨다. 압출기는 일정한 형상을 가진 FRP 보강근의 표면 형상을 주는 역할과 FRP 보강근을 압착하여 밀어내는 역할을 한다. 마지막으로 압출기를 통과한 FRP 보강근을 일정한 크기로 잘라낸다.

압출성형방법에 의해서 가장 많이 생산되는 재료는 유리섬유와 폴리에스터 수지를 사용한 GFRP 보강근이다. 또한 아라미드와 탄소섬유도 에폭시, 비닐에스터 등 열경화성수지를 사용하여 압출성형과정을 통하여 다양한 단면적과 형상을 가진 AFRP 보강근과 CFRP 보강근을 생산할 수 있다. 압출성형과정은 FRP 보강근을 생산하는 매우 빠른 공정이며 섬유의 체적비가 높은 보강근을 제조할 때 효과적인 방법이다.

필라멘트 와인딩은 간단하면서도 다목적으로 사용될 수 있는 방법이다. 즉 FRP 보강근의 모양과 크기를 다양하게 제조할 수 있고 서로 다른　폴리머와 섬유를 사용할 수 있으며 우수한 역학적 특성을 가질 수 있도록 섬유의 방향도 선택할 수 있다. 그런데 이러한 필라멘트 와인딩은 적절한 필라멘트 와인딩의 설계를 위해서는 복합체의 설계, 폴리머의 특성 및 생산과정에 대한 상당한 수준의 공학적 지식 및 기술이 요구된다. 필라멘트 와인딩 과정을 보면, 먼저, 실린더모양의 축이 다양한 속도로 회전하면서 섬유가 실린더모양의 회전축을 감아 외부형상을 만드는 것이다.

필라멘트 와인딩 공정은 압출공정에 비하여 가격이 비싸지만 자동화를 통한 생산량을 증대시켜 이를 어느 정도는 해결할 수 있다. 필라멘트 와인딩 공정은 대 부분의 섬유에 대해 적용이 가능하고 다양한 와인딩 각도를 선택할 수 있어 콘크리트의 보강재료용으로 만들었을 때 부착특성을 향상시킬 수 있다.

브레이딩(braiding)은 FRP 보강근을 제조할 때 2차원 및 3차원 제작을 통한 전단에 대한 저항성과 강도를 증가시킬 목적으로 개발한 시스템이다. 이 방법은 브레이딩, 폴리머함침, 일정한 모양을 만드는 장치, 양생, 압출 및 찌르기의 6단계의 생산방법으로 구성된다. 브레이딩 방법은 FRP 보강근의 생산이 쉽고 다양한 섬유를 사용함으로써 강도 및 전단에 대한 저항성의 향상에 유리한 방법이다.

그런데, 상기와 같은 여러 가지 방법에 의해 제조되는 기존의 GFRP 보강근의 경우에는, GFRP봉의 외주에 요철 형태를 형성하여 시멘트와의 접촉성을 높임으로써, 코트리트의 유효강도 및 유효강성이 떨어지는 현상을 극복하려는 시도를 하고 있으나, 그 전단성능이 떨어지는 등의 문제점이 있다. 즉, 요철을 형성하기 위해서 복합재 표면을 프레스 또는 기계적 가공에 의해 요철을 형성하여 표면적을 증대시키는 방법을 일부 사용하고 있으나, 이 과정에서 강화섬유의 절단 등으로 인하여 FRP 보강근 자체의 강도 특히, 전단특성이 저하되는 문제점 등이 있다.

한편, 주요 콘크리트 붕괴사고는 수많은 인명피해와 경제적 손실 뿐 아니라, 대외적인 국가의 신뢰도를 하락, 국가 경쟁력을 악화시킨다. 그러나 콘크리트 구조물은 붕괴하기 전 반드시 재료의 파괴 및 변형을 동반하며, 이를 사용자가 미리 인지할 수 있다면 구조물의 안전성을 확보하고, 죄적의 유지관리 방안을 수립 적용함으로써 구조물의 수명을 연장하고 효율을 극대화시킬 수 있다.

이와 같이 구조물의 붕괴를 사전에 방지하는 방법으로 현재 가장 적극적으로 사용되고 있는 방법은 구조물의 실시간 상태 모니터링방법이며, 구조물의 처짐 및 변형률을 계측하기 위한 변위계(Linear Variable Differential Transformer), 변형률계(Strain gage)등이 일반적으로 사용된다. 또한, 계측장비로부터 획득된 계측데이터를 분석함으로써 구조물의 상태 및 손상을 검출하고자 하는 SI(System Identification)기법이 연구되고 있다. 그러나 이러한 모니터링 기법은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

첫째, 측정위치와 손상 및 파괴지점을 일치시키기 어려우며, 이를 개선하기 위해서는 많은 양의 센서와 데이터 처리장비가 동반되어야 하며, 따라서 대형 구조물의 경우 이와 같은 모니터링 기술은 비경제적이다.

둘째, 전기저항식 센서의 사용은 장비간의 간섭과 로거와 센서간의 연결선의 저항에 의한 거리 제한을 크게 받는다. 또한 처짐측정의 경우, 대상 부재하부에 하천 등과 같은 장애물이 있는 경우 경사계 등을 이용한 간접적인 처짐측정을 고려하여야 한다. 따라서 이와 같은 계측 모니터링방법은 현장 적용성이 떨어지는 문제점이 있다.

셋째, 센서 및 연결케이블 등이 노출되어 있음으로 계측장비의 유지 및 관리가 용이하지 않다.

상기한 바와 같은 문제는 구조물의 모니터링 기술의 혁신적인 개선을 요구하고 있으며, 최근에는 구조물의 신설시 자체 모니터링이 가능한 스마트 재료를 적용함으로써, 재료자체의 변형률 및 온도 등의 정보를 이용하여 구조물의 상태를 평가하고자 하는 스마트 구조시스템의 개발이 대안으로 평가받고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 기존의 콘크리트 보강근로서의 철근을 대체할 수 있으면서도, 시멘트와의 접착력 등이 향상되는 동시에 구조물의 모니터링 기술을 개선할 수 있도록 센서를 자체적으로 보유할 수 있도록 구조가 개선된 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근은, 섬유강화 복합체에 의해 소정 봉형태로 형성된 보강근 코어와; 상기 보강근 코어의 외주에 돌출되게 형성되며, 가공재료로 이루어진 리브; 상기 보강근 코어의 내부에 일체로 마련되며, 상기 보강근 코어가 설치되는 콘크리트 구조물의 주요거동을 감지할 수 있는 광섬유 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 광섬유 센서는, 상기 보강근 코어의 내부에 상기 보강근 코어의 길이방향으로 마련된 광섬유부와; 상기 광섬유부의 소정 위치에 적어도 하나 이상 마련되는 센서부;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 리브들은 상기 보강근 코어의 외측에 일체로 형성되며, 상기 보강근 코어의 길이방향에 대해서 소정 각도 기울어지도록 형성된 것이 좋다.

또한, 상기 리브들은 상기 보강근 코어의 외주면을 기준으로 일정한 높이를 가지며, 상기 보강근 코어의 외주면을 기준으로 일정한 두께로 연장된 것이 좋다.

또한, 상기 섬유강화 복합체는, 주 보강재료로 사용된 복합섬유와, 결속재인 에폭시레진을 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 가공재료는, 분말형태로 가공된 섬유(milled fiber)와, 결합제가 소정 비율로 혼합된 것이 좋다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조방법은, 내부에 광섬유 센서가 개재되도록, 섬유강화 복합체로 형성된 보강근 코어를 봉 형태로 형성하는 제1단계와; 상기 봉 형태로 형성된 보강근 코어의 외주에 소정 가공재료를 이용하여 리브를 돌출되게 형성하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1단계는, 권선되어 있는 섬유와, 센서부를 가지는 광섬유 센서를 함께 공급하는 단계와; 공급된 섬유와 광섬유 센서를 수지에 함침시키는 단계와; 수지가 함침된 섬유와 광섬유 센서를 조합하여 봉 형태로 인발하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2단계에서는, 상기 리브가 형성될 보강근 코어 형상에 대응되는 금형틀을 가지는 상부 및 하부금형을 준비하는 단계와; 상기 상부 및 하부금형 각각의 금형틀에 상기 가공재료를 충진하는 단계와; 상기 가공재료가 충진된 상부 및 하부금형 중 어느 하나에 상기 보강근 코어를 장착하는 단계와; 상기 상부 및 하부금형을 고온 및 고압으로 압착하는 단계;를 포함하여, 상기 압착하는 과정에서 상기 가공재료가 상기 보강근 코어의 외주에 일체로 형성되는 것이 좋다.

또한, 상기 가공재료는, 분말형태로 가공된 가공섬유(milled fiber)와, 결합제가 소정비율로 혼합된 것이 좋다.

또한, 상기 가공섬유와 결합제는 서로 동일한 비율로 혼합된 것이 좋다.

또한, 상기 고온 및 고압으로 압착하는 단계에서는, 120℃ 내지 220℃ 사이의 온도로 5 내지 25분간 압착하는 것이 좋다.

또한, 상기 광섬유 센서는, 상기 보강근 코어의 길이에 대응되는 광섬유부와; 상기 광섬유부의 길이 방향으로 일정 간격으로 마크형태로 마련된 센서부;를 가지는 것이 좋다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 및 제조방법을 자세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근을 나타내 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근(10)은, 섬유강화 복합체에 의해 소정 봉 형태로 형성된 보강근 코어(20)와, 상기 보강근 코어(20)의 외주에 돌출되게 형성되며, 소정 가공재료로 형성된 리브(30) 및 상기 보강근 코어(20)의 내부에 마련된 광섬유 센서(100)를 구비한다.

상기 보강근 코어(20)는 소정 길이를 가지며, 사용 목적에 따라서 소정 두께 및 길이로 형성될 수 있다. 이 보강근 코어(20)의 재료는 섬유강화 복합체로서, 주 보강재료로 사용된 복합섬유와, 결속재인 에폭시레진을 포함한다. 에폭시레진이 복 합섬유에 함침됨으로써, 복수 가닥의 섬유들이 견고하게 결합될 수 있게 된다. 상기 복합섬유로는 유리섬유가 사용될 수 있다.

상기 유리섬유는, 17세기 영국의 과학자 Robert Hooke에 의해서 개발된 섬유로 FRP의 생산에 가장 널리 사용되는 섬유이다. 유리섬유의 주성분은 Si02이며 Al203, CaO, MgO, B2O3등의 성분으로 구성되어 있다. 상업적으로 이용되는 유리섬유의 장점은 가격이 싸면서도 고강도 및 우수한 절연 특성을 가지고 있다는 것이다. FRP 보강근의 생산에 가장 널리 사용되고 있는 유리섬유의 종류는 크게 두 가지 종류로 구분하는데, E(electrical )-유리섬유와 S(silica)-유리섬유이다. E-유리섬유는 우수한 강도와 강성을 가지고 있어 가장 널리 사용된다. S-유리섬유는 E-유리섬유와 비교하여 더욱 우수한 강도와 강성 및 알칼리 저항성을 가지고 있지만 경제성이 좋지 않다. 따라서 현재 사용되고 있는 유리섬유의 약 90%는 E-유리섬유이다. 유리섬유의 직경은 5～25㎛로 둥근 모양을 가지고 있다.

상기 리브(30)는 보강근 코어(20)의 외주에 일정한 간격으로 복수 개 마련된다. 이러한 리브(30)는 소정의 공정을 통해서 보강근 코어(20)와 일체로 형성된다. 그리고 리브(30)는 보강근 코어(20)의 재료가 되는 상기 가공재료는, 특수하게 가공된 가공섬유(milled fiber)와 결합제가 소정 비율로 혼합된 것이다. 여기서 상기 가공섬유(milled fiber)는 섬유를 분말형태로 가공한 것이며, 결합제로서는 에폭시수지가 사용되는 것이 좋다. 이러한 가공섬유(milled fiber)와 결합제는 대략 50 : 50의 비율로서 혼합되는 것이 바람직하다. 즉, 도 1의 Ⅰ-Ⅰ 선 단면을 나타내 보인 도 2에서 볼 때, 도면부호 31은 주 재료인 분말형태의 가공섬유(milled fiber) 를 나타내고, 도면부호 33은 결합제를 나타낸다.

이러한 리브(30)는 기존 철근의 표면형상과 유사한 형태로 제작되는 것으로서, 시멘트에 대한 철근의 부착강도를 상회하는 FRP 보강근를 위해 마련된 것이다. 따라서, 바람직하게는 상기 리브(30)는 보강근 코어(20)의 길이방향에 대해서 소정 각도 기울어지게 형성되는 것이 좋으며, 그 리브(30)의 두께는 보강근 코어(20)의 외측면으로부터 일정한 두께로 연장되는 것이 좋다. 그리고 복수의 리브들(30)은 보강근 코어(20)의 외측면에 대해 원주방향으로 일정한 높이로 각각 형성된다.

이와 같이, 특수 가공된 가공섬유(milled fiber)와 결합제가 혼합된 가공재료로 형성된 리브(30)를 보강근 코어(20)의 외측에 마련함으로써, 철근 대체 고내구성 재료로서, 콘크리트 구조물의 내구성 향상 및 장수명화에 기여할 수 있게 된다.

특히, 상기와 같은 리브(30)를 보강근 코어(20)에 일체로 형성함으로써, 시멘트와의 접착력이 향상되어 철근대체 보강근으로서의 우수한 특성을 발휘할 수 있으며, 철근 대비 경량 보강근으로서 전체 구조물의 자중을 줄여줄 수 있을 뿐만 아니라, 기타 간접 유지관리 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 섬유강화 복합체 보강근(10)은, 콘크리트 구조물에 적용시, 고강도의 인장 보강근으로서의 역할과 동시에 염해와 같은 극한 외부환경에 대해 콘크리트 구조물의 내구수명을 향상시켜 줄 수 있는 이점이 있다.

특히, 상기 보강근 코어(20)와 함께 일체로 형성된 리브(30)가 특수 가공된 가공섬유(milled fiber)와 결합제가 혼합된 가공재료로 형성됨으로써, 그 리브(30) 의 두께를 더 두껍게 형성할 수 있으며, 따라서 리브(30)의 인장 및 전단특성이 향상된다. 그리고 보강근 코어와 리브가 동시에 일체로 형성되므로 구조물 적용시 코어와 리브의 분리가 발생하지 않는다. 결국 기존의 방법으로 제조되는 FRP 보강근에 비하여 고강도의 FRP 보강근을 얻을 수 있게 된다.

또한, 상기 섬유강화 복합체 보강근(10)을 철근대체용으로 사용할 때, 보강근이 콘크리트 내에 배근될 시 콘크리트의 고알칼리 화학작용에 의한 유리섬유의 내구성이 저하될 수 있다. 특히 보강근 코어(20)를 이루는 유리섬유에 대한 내화학적 보호가 필요하다. 따라서 본 발명은 기존 섬유강화 복합체 보강근의 리브를 이루는 가공섬유(milled fiber)를 내알칼리성이 확보된 ARG(Alkali Resistance Glassfiber) milled fiber로 대체하여 적용함으로써 콘크리트 알칼리화에 대한 보강근 코어부분을 보호할 수 있고, 리브의 알칼리 저항성으로 인해 콘크리트와의 부착내구특성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 광섬유 센서(100)는 보강근 코어(20)의 대략 중심에 그 보강근 코어(20)의 길이방향으로 나란하게 혼입되어 있다. 즉, 상기 광섬유 센서(100)는 보강근 코어(20)의 생성시 일체로 형성된다. 상기 광섬유 센서(100)는 콘크리트 구조물의 주요거동을 모니터링함으로써 실시간 계측이 가능하도록 하기 위한 것으로서, 광섬유부(110)와, 센서부(120)로 구분될 수 있다.

상기 광섬유부(110)는 통상의 광섬유(bare optic fiber)에 해당되는 부분이며, 이러한 광섬유부(110)의 일정 부분에 상기 센서부(120)가 마련된다. 상기 센서부(120)는 예컨대, 광섬유부(110)에 소정 가공처리를 하여 센서의 기능을 할 수 있 도록 된 부분이다. 더욱 구체적으로는, 센서부(120)는 소정 주파수에 대해 반응하여 반사시킬 수 있는 소정 물질로 코팅 또는 그레이팅 처리된 마크로 이해될 수 있다. 따라서, 계측기에서는 예를 들어, 소정 주파수신호를 소정 위치에 있는 센서부(120) 각각으로 보내고, 되돌아오는 주파수신호를 블루투스방법에 의해 수신하고, 수신된 주파수신호를 분석하여 구조물의 변형 등을 모니터링할 수 있다. 즉, 구조물이 소정 형태로 변형됨에 따라서, 상기 각 센서부(120)의 변형이 발생하게 되므로, 각각의 센서부(120)에서 되돌아오는 주파수신호의 특성변화를 모니터링함으로써, 구조물의 변형특성과 변형률 등을 모니터링할 수 있게 된다. 이와 같이, 광섬유를 이용한 모니터링 계측방법은 항공, 우주, 및 보안기기 등에서는 많이 연구되고 있으나, 본 발명에서와 같이 토목구조물 분야에 적용한 예는 아직까지 없는 것으로 판단된다.

여기서, 상기 보강근 코어(20)의 길이에 대한 상대적인 센서부(120)의 개수 및 간격 등은 일정하지 않으며, 각각의 적용되는 구조물에 따라서 다양한 형태 및 구조로 설계 및 제작될 수 있다. 즉, 센서부(120)의 개수 및 간격은 다양하게 설계 및 적용될 수 있는 것은 당연하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 보강근 코어(20) 내부에 광섬유 센서(100)를 일체로 마련한 FRP 보강근(10)의 경우, 기존의 철근 콘크리트 구조의 주요 부위에 철근대체로 활용함으로써, 철근 부식으로 발생하는 구조적인 문제를 극복할 뿐 아니라, 구조물의 상태를 자가 모니터링(Self Monitoring)할 수 있는 구조시스템의 제작이 가능하다. 그리고 상기와 같은 구조의 FRP 보강근(10)을 가지고 콘크리트 구 조물을 시공시, 구조물의 유지관리기술의 개선뿐 아니라, 구조재료를 신소재로 대체함으로써, 구조물의 성능 및 내구성을 근본적으로 개선시키는 효과가 있다.

그 구체적인 효과는 다음과 같으며, 첫째로 모니터링 기술적에 관점에서는 다음과 같다.

구조물 자체가 센서 기능을 보유함으로써 예측하기 못한 구조물의 파괴를 미연에 방지할 수 있다. 또한, 기존의 유지관리 모니터링 기술의 전기저항 및 간섭의 문제를 해결함으로써 원거리 모니터링에 적합하며, 현장의 장애물 등의 영향을 적게 받아 현장 적용성이 우수하다. 시공중 계측 및 시공후 유지관리를 위한 계측이 가능함으로 구조물의 효율적인 유지관리가 가능하다. 센서부(120)가 구조물에 매립되어 있고, FRP 보강근(10)에 의해 보호됨으로써, 유지관리가 용이하고 장기간의 유지관리 계측이 가능하다.

둘째, 신개념의 콘크리트 구조기술적인 측면에서 보면, FRP 보강근(10)이 철근을 대체함으로써, 철근 콘크리트 구조물의 중성화에 의한 철근의 팽창, 마이크로 균열을 통해 침투되는 수분으로 인한 철근의 부식 등의 열화문제를 근본적으로 해결함으로써 구조물의 신뢰성 확보가 가능하다. 그리고 구조물의 자중을 경감함으로써, 구조최적화가 가능하다는 이점이 있다.

이하 상기 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근을 제조하는 방법을 자세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근을 제조하는 공정을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 4는 도 3에 도시된 공 정에 따라 섬유강화 복합체 보강근을 제조하는 방법을 공정별로 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근은 크게 2단계를 거쳐 제조된다. 즉, 섬유강화 복합체와 광섬유 센서(100)가 일체로 형성된 보강근 코어(20)를 봉 형태로 형성하는 제1단계(S10)와, 상기 봉 형태로 형성된 보강근 코어(20)에 리브(30)를 형성하는 제2단계(S20)로 구분될 수 있다.

상기 제1단계(S10)를 살펴보면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 섬유가 권선된 복수의 크릴(40) 각각으로부터 다수의 섬유(41)가 풀려나와 공급되는 동시에, 소정 권선부에 권선되어 있던 광섬유 센서(100)가 섬유(41)가 풀려나오는 동일한 방향 및 속도로 풀려나와 공급된다(S11). 여기서, 설명의 편의상 광섬유 센서(100)로 설명한 것으로서, 실질적으로는 센서부(120)가 소정 간격으로 마련된 광섬유부(110)가 풀려나오는 것으로 이해될 수도 있다. 그리고, 상기 섬유(41)는 유리섬유이거나, 다양한 종류의 복합 섬유일 수도 있다.

상기 크릴(40) 각각에서 풀려나오는 섬유(41)와 광섬유 센서(100)는 에폭시 함침탱크(50)를 경유하고, 상기 에폭시 함침탱크(50)에서 섬유(41) 및 광섬유 센서(100)에 에폭시 수지가 함침된다(S13).

다음 단계로서, 에폭시 수지가 함침된 복수의 섬유들(42) 및 광섬유 센서(100)는 섬유 조합기(60)를 거치면서 봉 형태로서 인발되어 보강근 코어(20)가 형성된다(S15). 이와 같이 형성된 보강근 코어(20)의 대략 중심에 상기 광섬유 센 서(100)가 일체로 혼입되게 된다.

상기와 같이 형성된 보강근 코어(20)에 의해 광섬유 센서(100)가 보호될 수 있게 된다.

한편, 상기와 같이 형성된 보강근 코어(20)는 상기 제2단계(S20)을 거치면서 그 보강근 코어(20)의 외측면에 리브(30)가 형성된다.

구체적으로는, 먼저 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 보강근 코어(20)의 외주에 리브(30)가 형성된 보강근(10)의 형상에 대응되는 금형틀(71a,72a)이 서로 대향되게 마련된 상부 및 하부금형(71,72)을 준비한다(S21). 여기서, 상기 각각의 금형(71,72)은 외측에 가열판(73)이 각각 마련된다. 이 가열판(73)은 소정의 전원공급부로부터 전원케이블(75)을 통해 전원을 공급받아 가열될 수 있다.

한편, 상기와 같이 마련된 금형(71,72)의 금형틀(71a,72a)에 상기 가공재료를 충진한다. 구체적으로는, 상기 금형틀(71a,72a)의 리브(30)에 해당되는 부분에 상기 가공재료를 충진한다(S23).

그런 다음, 상기 보강근 코어(20)을 가공재료가 충진된 어느 한 금형틀(71a)에 장착한다(S25).

다음으로, 상기 전원케이블(85)에 전원을 공급하면서 한 쌍의 금형(71,72)을 프레스기구(77)를 이용하여 고온 및 고압으로 소정 시간 압착한다(S27). 이때, 상기 압착하는 과정에서의 가열온도는 대략 120℃ 내지 220℃ 사이가 되도록 하며, 대략 5분 내지 25분 동안 압착하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 일정시간 고온 및 고압으로 압착하게 되면, 금형틀(71a,72a)에 충진되었던 가공재료가 보강근 코어(20)의 외주에 일체로 결합됨으로써, 일체로 된 리브(30)가 완성된다(S29).

상기와 같은 방법에 의해 섬유강화 복합체 보강근(10)을 제조하게 되면, 보강근 코어(20)의 내부에 구조물의 주요거동을 모니터링 할 수 있는 광섬유 센서(100)를 일체로 마련할 수 있고, 외주에는 리브(30)를 일체로 형성할 수 있게 된다. 또한, 상기와 같이 형성된 리브(30)는 기존의 방법에 비하여 두께도 증가시킬 수 있기 때문에, 기존의 제조방법에 비하여 전단특성 및 인장특성이 향상되고, 시멘트와의 접착력이 향상된 섬유강화 복합체 보강근를 얻을 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근에 따르면, 기존의 철근의 외형과 같이 보강근의 외주에 리브를 형성함으로써, 시멘트와의 접촉성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 보강근의 외주에 형성된 리브는 특수가공된 가공섬유(milled fiber)와 결합제로 이루어진 가공재료로서 보강근 코어와 일체로 형성됨으로써, 그 형성방법이 간단하고 용이하다.

또한, 상기와 같이 형성된 리브는 보강근의 전단특성을 향상시키고, 시멘트와의 접착성을 향상시킴으로써 내구성이 향상된 보강근을 얻을 수 있게 된다.

따라서, 결국에는 기존의 철근에 비하여 내구성와 부착성이 향상되고, 철근에 비하여 경량인 섬유강화 복합체 보강근을 제공함으로써, 콘크리트 구조물의 내 구성을 향상시키고, 장수명화에 기여할 수 있는 이점이 있다.

상기 보강근 코어의 내부에 광섬유 센서를 일체로 마련함으로써, 구조물의 주요거동을 예컨대, 블루투스 방법에 의해 실시간으로 모니터링하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 구조물의 유지관리가 용이하고, 유지관리비용을 절감할 수 있으며, 구조물의 파손 등을 미연에 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서, 본 발명의 특정한 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지와 사상을 벗어남이 없이 당해 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 수정과 변형실시가 가능할 것이다.

Claims

섬유강화 복합체에 의해 소정 봉 형태로 형성된 보강근 코어와;

상기 보강근 코어의 외주에 돌출되게 형성되며, 가공재료로 이루어진 리브;

상기 보강근 코어의 내부에 일체로 마련되며, 상기 보강근 코어가 설치되는 콘크리트 구조물의 주요거동을 감지할 수 있는 광섬유 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근.
제1항에 있어서, 상기 광섬유 센서는,

상기 보강근 코어의 내부에 상기 보강근 코어의 길이방향으로 마련된 광섬유부와;

상기 광섬유부의 소정 위치에 적어도 하나 이상 마련되는 센서부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근.
제2항에 있어서, 상기 리브들은 상기 보강근 코어의 외측에 일체로 형성되며, 상기 보강근 코어의 길이방향에 대해서 소정 각도 기울어지도록 형성된 것을 특징으로 하는 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근.
제2항에 있어서, 상기 리브들은 상기 보강근 코어의 외주면을 기준으로 일정한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근.
제2항에 있어서, 상기 리브들은 상기 보강근 코어의 외주면을 기준으로 일정한 두께로 연장된 것을 특징으로 하는 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유강화 복합체는,

주 보강재료로 사용된 복합섬유와, 결속재인 에폭시레진을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공재료는,

분말형태로 가공된 섬유(milled fiber)와, 결합제가 소정 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 광센서를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근.
제7항에 있어서, 상기 분말형태로 가공된 섬유(milled fiber)는 내알칼리성이 확보된 ARG(Alkali Resistance Glassfiber)인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근.
내부에 광섬유 센서가 개재되도록, 섬유강화 복합체로 형성된 보강근 코어를 봉 형태로 형성하는 제1단계와;

상기 봉 형태로 형성된 보강근 코어의 외주에 소정 가공재료를 이용하여 리브를 돌출되게 형성하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서부를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 제1단계는,

권선되어 있는 섬유와, 센서부를 가지는 광섬유 센서를 함께 공급하는 단계와;

공급된 섬유와 광섬유 센서를 수지에 함침시키는 단계와;

수지가 함침된 섬유와 광섬유 센서를 조합하여 봉형태로 인발하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서부를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 제2단계에서는,

상기 리브가 형성될 보강근 코어 형상에 대응되는 금형틀을 가지는 상부 및 하부금형을 준비하는 단계와;

상기 상부 및 하부금형 각각의 금형틀에 상기 가공재료를 충진하는 단계와;

상기 가공재료가 충진된 상부 및 하부금형 중 어느 하나에 상기 보강근 코어를 장착하는 단계와;

상기 상부 및 하부금형을 고온 및 고압으로 압착하는 단계;를 포함하여,

상기 압착하는 과정에서 상기 가공재료가 상기 보강근 코어의 외주에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 센서부를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 가공재료는,

분말형태로 가공된 가공섬유(milled fiber)와, 결합제가 소정비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 센서부를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 가공섬유와 결합제는 서로 동일한 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 센서부를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 고온 및 고압으로 압착하는 단계에서는,

120℃ 내지 220℃ 사이의 온도로 5 내지 25분간 압착하는 것을 특징으로 하는 센서부를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 광섬유 센서는,

상기 보강근 코어의 길이에 대응되는 광섬유부와;

상기 광섬유부의 길이 방향으로 일정 간격으로 마크형태로 마련된 센서부;를 가지는 것을 특징으로 하는 센서부를 가지는 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조방법.