요약
철근콘크리트 구조물의 지속성을 위협하는 주요 요소 중 하나는 철근 부식입니다. 이 문제를 해결하기 위해 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)이 대안으로 떠오르고 있습니다. CFRP는 기존 철근보다 우수한 내구성과 강도를 제공하며, 부식 문제를 효과적으로 해소할 수 있습니다. 최근에는 CFRP 보강재의 연결 기술이 발전하고 있으며, 새로운 커넥터 시스템은 결합력과 내구성을 강화하여 구조물의 안전성을 크게 향상시킵니다. 이로써 유지보수 비용을 절감하고, 건축물의 수명을 연장할 수 있습니다. 또한, 건설 산업에 친환경적인 영향을 미치며, 교량, 터널, 고층 건물 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 커지고 있습니다.
기본 정보
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특허명: CFRP 보강재의 커넥터 및 연결방법
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발명자: 허종완 교수
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출원번호: 10-2022-0113455
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등록번호: 10-2727307
상세 정보
배경 기술
기존 철근콘크리트 구조물의 문제점
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기존 철근콘크리트 구조물은 경제적이고 내구성이 우수하지만, 철근의 부식으로 인해 장기적인 내구성에 문제가 발생함. 특히 염소이온과 이산화탄소의 침투는 철근 부식을 가속화시켜 구조물의 안정성을 저하시킴.
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철근 부식은 콘크리트에 균열과 박리를 일으키며, 이로 인해 철근이 쉽게 노출되어 구조물의 안전성과 내구성을 저하시킬 수 있음. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 대안적인 보강재 사용이 필요함.
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구조물의 안전성과 내구성을 향상시키기 위한 대체 보강재로 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)이 주목받고 있음. CFRP는 철근 대비 우수한 강도와 내구성을 제공하며, 부식 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 잠재력을 가짐.
CFRP 보강재의 장점 및 현재의 과제
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CFRP 보강재는 철근보다 가볍고 강하며, 부식에 강한 특성이 있어 장기적인 구조물 안정성을 제공함. 하지만 기존 CFRP 보강재의 연결 기술은 여전히 복잡하여 실용성을 높일 필요가 있음.
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기존 CFRP 연결 방식에서는 휘어짐으로 인한 파단의 문제와 연결 내구성의 부족으로 인해 사용에 제약이 있음. 따라서 새로운 연결 기술이 요구됨.
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본 발명은 CFRP 보강재의 커넥터를 통해 결합력과 내구성을 강화할 수 있는 혁신적인 연결 방법을 제시하며, 구조적 효율성을 극대화함.
CFRP 보강재 연결 및 내구성 강화의 필요성
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CFRP 보강재 연결의 내구성을 높이기 위해 커넥터 내부에 강화재를 추가하고, 에폭시 라이닝을 통해 방수성을 증대시키는 기술이 필요함. 이로 인해 유지보수 비용 절감이 가능함.
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커넥터의 내구성과 내열성을 강화하기 위해 열경화와 열가소성 수지의 복합 사용을 통해 구조적 안정성을 확보하는 것이 중요함. 이러한 접근은 향후 구조물의 수명 연장에 기여할 수 있음.
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CFRP 보강재의 사용은 부식 문제를 해결하고, 건축물의 내구성과 안전성을 보장할 수 있음. 이는 장기적인 경제적 이점을 제공하며, 환경적 영향도 최소화할 수 있음.
구현 방법
기술의 원리
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CFRP 보강재 커넥터는 탄소 강화 섬유로 구성된 관을 수직으로 연결하는 데 사용되며, 내부에 열경화성 물질로 구성된 강화부가 위치함. 이 강화부는 열을 가하면 결합력과 내구성을 증가시켜 커넥터의 전반적인 성능을 높임
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커넥터의 강화부와 덮개부는 에폭시 라이닝 처리를 통해 방수성을 향상시키고 부식 방지 및 유지보수 비용 감소에 기여함. 이러한 처리는 외부 환경과의 접촉으로부터 커넥터를 보호함
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CFRP 보강재는 돌출부가 있으며, 이 돌출부는 결합홈에 맞춰 끼워져 강력한 결합을 형성함. 이러한 설계로 인해 연결된 구조의 인장 강도가 증대됨
구체적인 구현 방법
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첫 번째로, 바닥면에 베이스플레이트를 설치하여 구조의 기초를 마련함. 여기에는 열경화성 수지나 콘크리트를 사용할 수 있음. 이는 강화부를 지지하는 역할을 함
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강화부는 베이스플레이트 위에 설치되며, 열경화성 물질로 형성되어 수직 결합부가 돌출되도록 디자인됨. 이 강화부는 열을 가하면 견고한 결합을 제공하도록 함
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덮개부는 열경화성 수지로 형성되며, 강화부와 맞물리는 구조로 제작되어 수직 결합홈에 삽입됨. 덮개부와 강화부는 CFRP 보강재를 감싸 결합되어 내구성과 강도를 높임
기술의 장점
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CFRP 보강재 커넥터는 기존 철근을 대체할 가능성을 제공하며, 내구성과 부식에 대한 저항력을 강화함. 이를 통해 장기적으로 구조물의 안전성을 보장할 수 있음
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커넥터는 에폭시 라이닝을 통해 방수성을 높여 외부 환경의 유해 요인으로부터 보호함. 또한, 유지보수 비용 절감에 기여하고 커넥터의 수명을 연장함
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열가소성과 열경화성 재료 모두를 사용하여 구조적으로 안정된 결합을 형성함. 이는 장기적인 사용에도 구조적 일체성을 유지하도록 보장함
실험 및 결과
실험의 목적
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CFRP 보강재 커넥터의 연결 방법이 내구성과 연결력을 향상시키기 위해 본 실험을 수행함. 커넥터 내부에 강화재를 추가하여 다수의 CFRP 보강재 연결 시 결합력을 증강하고, 사용성 개선 효과를 검증하고자 함.
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에폭시 라이닝 적용으로 인한 방수 효과와 유지 보수 비용 절감 기여도를 평가하여 커넥터 연결의 장기적 안정성을 확인하기 위한 시험임.
실험 방법 및 과정
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실험은 다섯 단계로 진행되며, 첫 번째는 베이스플레이트 설치, 두 번째는 강화부 설치, 이어서 CFRP 보강재 배치, 덮개부 결합, 최종적으로 가열 및 에폭시 라이닝 단계를 포함함. 각 단계는 특정 조건 하에서 수행됨.
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강화부 설치 단계에서는 열경화성 물질로 만들어진 강화부를 배치하여, 수직결합부가 돌출된 형상으로 베이스플레이트 위에 설치함.
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마지막 단계에서는 강화부와 덮개부를 결합하고 열을 가함으로써 모든 구성 요소가 용융되어 경화되는 것을 목표로 함. 에폭시 라이닝을 통해 방수 효과를 극대화함.
실험 결과
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실험 결과, CFRP 보강재의 커넥터는 연결력과 내구성 측면에서 상당한 개선을 보임. 특히 수직 연결 부위에서 인장 및 압축 강도가 안정적으로 유지되었으며, 외부 충격에 대한 내성이 강화됨.
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에폭시 라이닝을 통한 방수 성능 테스트 결과, 물 및 화학물질의 침투를 효과적으로 막아줌으로써 커넥터의 내구성을 크게 향상시킨 것으로 나타남.
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열가소성과 열경화성 특성의 상호작용을 통해 커넥터의 물리적 특성이 강화되어 장기적인 사용에도 안정적인 성능을 지원할 수 있음.
활용 방안 및 기대효과
활용 방안
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CFRP 보강재 커넥터는 철근콘크리트 구조물에서 철근을 대체할 수 있는 소재로 사용되며, 내구성과 결합력을 크게 향상시킴. 철근의 부식 문제를 해결하여 구조물의 장기적인 안전성을 높이고 유지보수 비용을 줄일 수 있음.
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건설 분야에서는 CFRP 보강재의 내구성과 방수성을 고려하여 교량, 터널 및 고층 건물의 주요 구조 부위를 보강하는 데 사용됨. 특히 염분이나 습기에 노출되기 쉬운 환경에서 그 효과가 극대화됨.
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CFRP 커넥터의 사용은 기존 철근의 복잡한 연결 문제를 해결하고, 구조적 안정성을 높이기 위한 효과적인 대안이 될 수 있음. 이를 통해 안전성 향상과 더불어 시공 비용 절감이 가능함.
기대효과
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CFRP 보강재의 커넥터는 부식 방지 기능을 통한 유지보수 비용 절감 효과가 큼. 에폭시 라이닝을 통해 방수 성능이 강화되어 외부의 유해 요소로부터 보호됨으로써 구조물의 수명을 연장시킬 수 있음.
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고강도의 CFRP 커넥터는 인장 및 압축 강도를 일정하게 유지하여 안정적인 구조를 제공함. 이는 장기적으로 어떤 환경에서도 강한 내구성을 보장함으로써 건설 산업의 신뢰도를 높일 수 있음.
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CFRP 보강재 시스템의 활용은 에너지 및 자원 절약 측면에서도 긍정적인 효과가 기대됨. 재사용 및 재활용 가능성이 높아 친환경적 건설 프로젝트에 기여할 수 있음.
시장 동향
FRP 보강 시스템 시장
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대표도면
인천대학교 산학협력단
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CFRP 보강재의 커넥터 및 연결방법