시설물 유지관리 가이드 9 - 철근콘크리트 구조물·강구조물 인장부에도 섬유보강공법으로 구조적 내력보완 가능

[가람(이명찬)]

1. 섬유 보강공법
① 개요 및 적용
섬유보강은 에폭시수지의 강한 접착력으로 보강섬유를 구조물의 부재 표면에 부착시켜 일체화시킴으로서 구조적 내력 보완 및 보강하는 기법이다. 이는 철근콘크리트 구조물뿐만 아니라 강구조물의 H-형강 인장부에도 적용하는 사례가 있다. 그러나 에폭시가 열에 취약하다는 단점이 있다.

② 재료
주재료로 사용되는 보강섬유는 경량재이면서 고강도, 고탄성재의 특성과 함께 강한 인장력을 지니고 있어 보강재로 적합하다. 보강섬유재 중에 탄소섬유(Carbon sheet)가 90% 이상의 시장 점유율로 가장 많이 쓰이고 있다. 그 외 유리섬유 및 브론섬유가 있으며, 유기질계로서는 아라미드섬유가 있다.
·무기질계: 탄소섬유(CF), 유리섬유(GF), 브론섬유(BF)
·유기질계: 아라미드 섬유(AF)

③ 시공 방법
보강하고자 하는 부재의 바탕면을 그라인딩 및 공극충진 등으로 평활하게 한 후 모든 분진 및 이물질 등을 깨끗이 제거해 바탕 전처리를 한다. 롤러나 브러시로 프라이머 및 에폭시수지를 도포한 후 탄소섬유시트를 도배하듯이 부착하고 그 위에 다시 에폭시수지 함침재를 도포해 경화시키면 모든 작업이 마무리된다. 보강섬유 표면의 도색은 반드시 에폭시계 또는 불소계 페인트를 사용해야 한다.

④ 시공시 주의사항 및 관리요점
1) 탄소섬유는 일방향성으로 구조설계에 의한 부착방향을 준수해야 하며, 탄소섬유 부착시 겹침은 길이방향으로 10cm 이상 유지해야 하며, 폭방향은 겹침하지 않아도 되지만 틈새가 없도록 해야 한다.
2) 우천이나 누수·결로 등의 바탕면은 건조시킨 후 작업해야 하며, 섬유부착 전 바탕면의 돌출부, 각진 곳의 모서리 면처리, 움푹 파인 곳의 에폭시퍼티 충진 등 바탕면 평활도를 위한 바탕처리를 해야 한다.
3) 섬유부착 전에 바탕면 균열을 모두 주입 보수해야 하며, 섬유시트 부착시 기포가 발생하면 에폭시를 주입 보수해야 한다.
4) 보강섬유면 위 마감이 에폭시 수지계열이기 때문에 에멀션페인트나 유성페인트를 도색하는 경우 변색, 조기 박리 등의 하자가 발생하므로 반드시 불소계 또는 우레탄계나 에폭시계 페인트를 사용해야 한다.

2. 전단·인장 텐셔닝 보강공법
① 개요 및 적용
전단력과 인장력을 동시에 보강시킬 수 있는 강연선 텐셔닝 보강공법으로서 조립방식이므로 콘크리트 부재의 미장이나, 내화피복, 단열재 등의 마감재를 제거하지 않으며, 경량철골천정의 부분제거 또는 천정 속 작업이 가능하므로 그 적용범위가 넓다.

② 재료 및 공법 구성
1) 지지봉 및 체결너트: 부재의 양단 상부측에서 보강시스템을 구조체로부터 지지해주는 강봉 및 체결용 너트
2) 인장보강구: 보강부재에 새들 역할을 하는 것으로서 텐셔닝에 의해 발생되는 부상력을 구조체에 전달해주는 기구
3) 전단보강구: 인장보강구를 지지봉과 연결시켜주는 철물로서 전단균열과 직교방향으로 설치돼 전단력을 보강시켜주는 기구
4) PC강연선: 양측 인장보강구간을 연결해 인장기에 의해 텐셔닝을 일으키는 강선으로 노출형과 부식방지용 피복형이 있다.

③ 시공 방법
·보강하고자 하는 보나 거더의 양단부 상단에 코어드릴기를 이용해 50mm 규격으로 천공 후 철제 지지단을 정착하고 지지봉을 삽입한다.
·하부에는 스팬(Span)의 1/4지점에 인장보강구를 슬라이딩 형태로 설치하며, 상단의 지지봉과 하단의 인장보강구를 전단보강구로 연결하고, 하부 양단에 설치된 인장보강구간에 체결콘을 이용해 강연선을 1차 배선한다.
·단부에서 인장기에 의해 강연선에 긴장력을 가하면 중앙부에 인장보강용 부상력, 인장보강구가 있는 1/4지점에도 전단보강용 부상력이 작용해 전단과 인장을 동시에 보강하는 효과를 나타낸다. 통상 강연선이 2가닥 이상이므로 각 강연선마다 번갈아가며 인장해야 한다.

④ 시공시 주의사항
1) 시공 전 보강부재의 콘크리트 압축강도가 130~150kg/㎠ 이상이어야 하며, 강연선에 텐셔닝을 가하는 경우 일시에 설계치의 긴장력을 가하지 않고 서서히 1차·2차·3차 인장으로 나눠 시행해야 한다. 강연선이 여러 가닥 배선돼 있는 경우에는 번갈아가며 2차·3차로 나눠 시행하되, 모든 텐셔닝은 인장계측과 병행해야 한다.
2) H-Beam 등의 강구조물에 적용하는 경우에는 지지봉에 작용하는 지압축력을 강구조 부재에 분산시킬 수 있도록 보강지지판을 용접 시공해 정착시킨다.
3) 텐셔닝 작업이 완료된 후에는 긴장돼 있는 강연선의 상태를 확인하고 작업을 마무리하되, 필요에 따라 릴렉세이션(인장력)의 발생여부 확인 등 정기적 관찰을 위한 계측시스템을 설치한다.
4) 텐셔닝에 의한 보강작업은 위험성이 따르므로 전문기술자에 의해 이뤄져야 한다.

<대한시설물유지관리협회 제공>