경동대학교 건축토목공학부 교수 정환목(hmjung@k1.ac.kr) 디자인기초 11주차(10주차 체육대회) 경동대학교 건축토목공학부 교수 정환목(hmjung@k1.ac.kr)

1) 병에 걸린 건축물은 어떤 약을 먹여야 완쾌될까? 10주차주제 : 1) 병에 걸린 건축물은 어떤 약을 먹여야 완쾌될까? 2) 건강한 건축물은 보통 몇 살까지 살까? 10.1 건축물 보수 보강법 개요 10.2 보수공법 소개 10.3 보강공법 소개 10.4 건축물 보수 보강 사례 소개 10.5 건축물 수명 퀴즈 1) 균열이 간 콘크리트를 붙이는 접착제는 어떤 것이 있는가? 2) 콘크리트 강도는 나이를 먹을 수록 강해질까? 약해질까?

보가 아파요….

내가 진단 하여 고쳐 줄께요 !!! (=보수, 보강해 줄께요!!!) 내가 진단 하여 고쳐 줄께요 !!! (=보수, 보강해 줄께요!!!)

10.1 건축물 보수 보강법 개요 사람은 중병에 걸리면 약을 먹고 완쾌된다. 병에 걸린 사람은 그 병명에 따라 알맞은 약을 먹어야 완쾌될 것이다. 건축물도 병에 걸리면 약을 먹어야 한다. 병명에 따라 적당한 약을 먹여야 한다. 병에 걸린 건축물을 위한 약은 보수, 보강이다.

건축물의 건전도 건강진단을 하여 사람의 건강상태를 표기하는 것처럼 건축물도 안전진단을 하여 그 조치사항을 표기한다. 구조물의 건전도 평가표 조치단계 조치사항 Ⅰ 일반적으로 발생할 수 있는 노후화 현상으로 구조적으로 안전한 상태이다 Ⅱ 경미한 노후화 현상으로 보수를 필요로 하지는 않으나 추가적인 노후화 현상의 진전 가능성이 있으므로 주기적인 관찰을 필요로 하는 상태 Ⅲ 주의를 필요로 하는 노후화 현상으로서 시멘트 페이스트나 모르터로 자체보수를 실시한 후 주기적인 관찰을 필요로 하는 상태 Ⅳ 전문가적인 주의를 필요로 하는 노후화 현상으로 보수전문가에 의해 노후현상의 점검 및 보수를 실시하고 주기적인 관찰을 필요로 하는 상태 Ⅴ 구조물에 심각한 노후화 현상이 발생하여 구조전문가에 의한 안전진단이 필요한 상태 Ⅵ 구조물의 붕괴징후가 있으므로 거주자 및 주요 기자재를 긴급 대피시킨 후 구조전문가에 의한 안전진단이 필요한 상태

■ 보수, 보강의 정의

■ 보수 공법 정의 추가 일반적으로 보수란 구조물의 성능을 향상시키기보다는 구조물의 손상이 더 이상 진해되는 상태를 중지시키기 위해서 적용하는 방법으로써 구조물의 사용성과 기능성을 향상시키기 위한 모든 행위를 말한다. 보수설계는 손상된 구조물의 기능회복을 목적으로 적절한 재료 및 공법을 선정하는 것이 바람직하다. 보수설계에 있어서는 안전진단 결과에 따라 보수의 범위 및 규모를 설정하여야 한다. 손상 원인, 발생상황, 구조물의 중요도, 환경조건 등을 파악하여야 하며 보수 목적 및 회복 목표를 정한 후 재료와 공법을 선택하여야 한다. 2. 보수 및 보강의 정의 일반적으로 보수란 구조물의 성능을 향상시키기보다는 구조물의 손상이 더 이상 진해되는 상태를 중지시키기 위해서 적용하는 방법으로써 구조물의 사용성과 기능성을 향상시키기 위한 모든 행위를 말한다. 보수설계는 손상된 구조물의 기능회복을 목적으로 적절한 재료 및 공법을 선정하는 것이 바람직하다. 보수설계에 있어서는 안전진단 결과에 따라 보수의 범위 및 규모를 설정하여야 한다. 손상 원인, 발생상황, 구조물의 중요도, 환경조건 등을 파악하여야 하며 보수 목적 및 회복 목표를 정한 후 재료와 공법을 선택하여야 한다. 구조물의 안전진단 결과 보수만으로 강도와 내구성 및 사용성을 확보할 수 없다면 적절한 재료와 공법으로 보강을 하여야 한다. 이 때는 손상의 원인, 재하조건, 보강의 범위와 규모, 안전성, 경제성, 관리의 용이성 등을 고려해야 한다. 보강이란 구조물의 성능을 원상태 혹은 그 이상의 성능을 갖도록 구조물이나 부재의 내력을 증가시키는 방법이다. 보강의 목표는 부재의 내력을 확보함으로써 건축물에 가해질 하중에 대해 보다 안전하게 건축물이 유지 할 수 있도록 부재를 강화하는 것이다.

■ 보강 공법 정의 추가 구조물의 안전진단 결과 보수만으로 강도와 내구성 및 사용성을 확보할 수 없다면 적절한 재료와 공법으로 보강을 하여야 한다. 이 때는 손상의 원인, 재하조건, 보강의 범위와 규모, 안전성, 경제성, 관리의 용이성 등을 고려해야 한다. 보강이란 구조물의 성능을 원상태 혹은 그 이상의 성능을 갖도록 구조물이나 부재의 내력을 증가시키는 방법이다. 보강의 목표는 부재의 내력을 확보함으로써 건축물에 가해질 하중에 대해 보다 안전하게 건축물이 유지 할 수 있도록 부재를 강화하는 것이다.

■ 콘크리트 보수약(보수제) 보수제로는 에폭시수지, 시멘트 페이스트, 수지 모르타르, 폴리머시멘트 모르타르, 모르타르, 콘크리트풀 등 그 종류는 무수히 많다. 보수재 특성 - 충전성 : 유동성, 재료분리 저항성 - 무수축성 : 침강 소, 건조수축 소, 저 발열성, 적당한 팽창성 - 내구성 : 수밀성, 균열 소, 강재보호특성, 중성화 소 - 역학특성 : 압축강도 유지, 부착강도 유지, 영계수 유지

■ 에폭시수지와 콘크리트 물리적 성질 비교 ■ 에폭시수지 사용례 소개 1) 나고야 돔 실험 2) 지하주차장 균열보수 사례 성질 재료 비중 압축강도(kg/cm2) 인장강도(kg/cm2) 휨강도(kg/cm2) 탄성계수*104 (kg/cm2) 열팽창계수 *10-5 (/oc) 에폭시수지 1.1 -1.3 600-1500 500-800 300-1200 3.0 4.5-6.5 콘크리트 2.4 200-250 25-30 40-60 20-23 1.0 ■ 에폭시수지 사용례 소개 1) 나고야 돔 실험 2) 지하주차장 균열보수 사례

보수재료와 보수공법의 관계 구분 재료의 종류 표면처리 공법 주입 충전 장단점 수지계 재료 레진모르터 ○ 사용부위 및 환경조건에 적절한 점도 선택 에폭시 수지 가소성 에폭시 수지 탄성 실링재 도막 탄성 방수재 시멘트계 폴리머, 시멘트 슬러리 내후성, 중성화 등의 저항성 폴리머 시멘트 페이스트 폴리머 시멘트 모르타르 시멘트 휠러 팽창시멘트 그라우트

10.2 보수 공법 소개 1. 표면처리공법 2. 충전공법 3. 주입공법 4. 단면보수공법

■ 표면처리공법 미세한 균열(폭 0.2㎜ 이하)위에 도막을 형성하여, 방수성, 내구성을 향상시킬 목적으로 행하는 공법이며 균열 내부에 처리와 활동성의 균열에 대하여는 균열의 거동에 대처하기 어려운 점이 있어 경미한 균열에 적용하며, 균열 부분만을 피복하는 방법과 전면을 피복하는 표면처리공법에는 결함부위 에폭시수지 도포공법과 결함부위 에폭시수지 주입공법이 있다. 균열의 선장이 정지된 산태에서는 단순히 표면처리 하여 보수할 수 있다. 즉 균열선을 따라 폭 50~100㎜를 와이어 브러쉬로 닦아 낸 후 폴리머시멘트 페이스트나 모르터(두께 약 2㎜ 정도)로 균일하게 도포한다. 균열의 성장이 진행되는 경우에는 경화 후의 재질이 단단한 폴리머시멘트 페이스트나. 모르터르로 보수를 하면, 보수부위에 다시 균열이 발생하므로, 변형성. 신장성이 큰 재료를 사용한다. 즉. 균열 면을 와이어브러쉬로 완전히 청소한 후 균열선을 중심으로 폭 10~15mm 테이프를 부착하고, 테이프를 중심으로 폭 30~50mm, 두께 2~4mm로 시일재를 도포 하여 바닥의 변형을 이 테이프 사이에서 흡수할 수 있도록 한다.

■ 표면처리공법

■ 주입공법 균열의 수지계 또는 시멘트계의 재료를 주입하여 방수성, 내구성을 향상시키는 공법. 주입방법의 종류 압입식 수동식 주입(인력) 기계식주입(공기압식, 유압식, 기어식) 저압․저속식 주입(고무, 용수철, 공시 등의 압력) 흡입식 균열의 양단에 흡입구와 충전재 주입구를 설치하여 흡입펌프로 충전재를 흡입 주입

■ 충진공법 균열의 폭이 0.5㎜ 이상인 경우의 보수에 적합한 공법으로 균열이 진행되고 있는 경우에 적합 균열을 따라 몰탈마감 또는 콘크리트를 V 컷트하여 그 부분에 보수재를 충전한다. 거동이 비교적 적은 균열에는 가소성 에폭시 수지를, 거동이 크다고 생각되는 균열에는 우리탄계, 변성 실리콘계의 실링 재료를 사용한다. 이 공법은 철근이 부식되어 있는 경우와 부식되지 않는 경우에 따라 보수방법이 다르다.

■ 철근이 부식되지 않은 경우 철근이 부식되지 않은 경우에는 균열 선을 따라 약 10mm폭으로 콘크리트를 U형 또는 V형으로 절단한 후 절단부분에 폴리머 모르터나 폴리머 시멘트 모르터를 충전 U형 절단 방법는 균열 선을 중심으로 양쪽에 커터로 홈을 낸 후 그 사이의 콘크리트를 제거하는 것 V형 절단 방법은 원추형의 다이아몬드 조각을 전동드릴 끝에 장치하여 균열 선을 따라 제거하는 방법 V형으로 절단하는 방법은 간단하지만 폴리머 시멘트 모르터로 충진하는 경우는 박리현상이 일어나기 쉬우므로 U형 절단 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

■ 철근이 부식되지 않은 경우 U형 V형

■ 철근이 부식된 경우 철근이 부식된 경우- 철근이 부식한 부분을 제거하고 철근에 방청 처리를 한 후 폴리머 모르터나 폴리머 시멘트 모르터로 충진. 이 방법은 철근이 부식된 철근 콘크리트 구조물의 내구성 회복을 목적으로 함 ■ 부식방지 방법 ㉠ 보수재료를 사용하여 물리적으로 부식을 방지하는 방법 ㉡ 콘크리트에 알카리성을 갖게 하여 화학적으로 부식을 억제하는 방법 ㉢ 상기 두 가지 방법을 조합한 방법

■ 철근이 부식된 경우

■ 충진. 도포 병용공법 누수부위를 U형 또는 V형으로 홈을 낸 후, 충진공법과 동일한 방법으로 바탕처리를 하고 그 부분에 시멘트계 도포제를 흙손이나 솔로 가압하면서 도포 함. 콘크리트에 침투한 방수제(활성실리카계)는 콘크리트 내부의 수분이나 누수에 의해 생긴 수화반응 생성물과 반응하여 불용성의 규산칼슘계의 결정체를 생성하는데 이 결정체가 침입수를 저지하여 방수효과를 높임.

■ 지수공법 폴리우레탄 지수 공법은 콘크리트 구조물의 균열(Crack)이나 공극(Air Void) 등에서 스며나오는 물 또는 지하 구조물이나 댐(DAM)등의 과다한 수압에 의한 누수를 영구적으로 지수하여 구조물의 안전성을 지속시킬수 있는 공법 수화 발포성인 저점도의 폴리우레탄 수지를 주입장비(210kg/cm2)에 의하여 누수부위에 직접 주입시키는 방법으로, 이미 널리 사용되고 있는 우수한 지수공법

■ 지수공법에 대한 시공법 1. 누수 부위 조사 2. 천공 및 주입작업 3. 폴리우레탄 수지 등 주입작업 4. 마감작업

10.3 보강 공법 소개 단면증설보강 강판접착보강 강재앵커의 접합보강 프리스트레스에 의한 보강 탄소섬유시트 공법

■ 단면증설보강 콘크리트 단면을 덧붙이기 하여 보강하는 방법

■ 강판접착공법 강판접합공법은 콘크리트면에 강판을 접착시켜 기존의 콘크리트와 강판을 일체화 시키는 방법이다. 이때 강판의 역할은 콘크리트 부재에서 철근이 하는 역할과 같다. 그러므로 보강설계시 기존부재의 철근비를 검토하여 추가강판의 폭 및 두께를 제한해야 한다. 연속보 또는 골조시스템에 의해 모멘트 재분배가 허용되는 경우에는 이러한 모멘트 재분배를 이용하여 단부와 중앙부의 추가내력을 조정할 수 있다. 그러나 어떠한 경우에도 강판을 접착함으로써 최대철근비를 초과해서는 안된다.

■ 앵커의 접합공법 균열을 가로질러 고리형 앵커 등을 설치해 균열을 방지하는 보강 공법

■ 프리스트레스에 의한 보강공법 PC 강재를 이용하여 부족 내력을 증가시키는 보강공법

■ 탄소섬유시트 공법 탄소섬유시트는 고성능 탄소섬유를 종이 같은 형태로 제작한 것을 의미하여 힘을 전달하는 방향에 따라 1방향시트와 2방향시트로 구분된다. 철보다 강하고(철의 10배), 알루미늄보다 가벼우며, 불에 타지 않고, 절대 녹슬지 않는 고강도 및 고탄성을 지닌 소재로서, 콘크리트 구조물의 보강공사에 있어 철판 압착 대체 공법으로 일반화되고 있는 공법이다.

■ 탄소섬유시트 공법 시공 철근 방청 처리 모서리 마감 열화층 제거 프라이머 도포 프라이머 도포 탄소섬유쉬트 접착

■ 탄소섬유시트 공법 시공 탄소섬유쉬트 도포 탄소섬유쉬트 도포 양생 및 마감처리

10.4 건축물 보수 보강 사례 소개 ■ 보강 필요 확인 위해 철근 탐지

■ 지하주차장 기둥 및 바닥 보수,보강 사례

■ 보수, 보강 대책 원인 : 수압에 의한 균열 조치 : - Rack anchor법 - NG - 기둥균열 보수( 충진공법)-OK - 바닥 슬래브 내부 Dewatering공법-OK

■ 탄소섬유시트에 의한 슬래브 보강 사례

■ 해결 방법 ■ 32PY 거실 발코니부의 탄소섬유시트 소요량 - 32PY 거실 발코니 중앙부의 하부근 보강은 탄소섬유시트(사용탄소섬유 재료 : FTS-C1-30) 1ply로서 보강할 것. - 보강길이는 lx/2+20cm = 450/2 + 20 = 245cm 로 해야 하며, 보강폭은 1m - 탄소섬유시트 FTS-C1-20을 1ply로서 보강하는 것은 보강내력 부족이므로 주의를 요한다. 즉 FTS-C1-30으로써 보강할 것.

■ 대공간 구조물 강관 부재 보강 사례

■ 강판 덧댐 공법으로 보강한 사례

■ 텐션링으로 보강한 사례

10.5 건축물 수명 건축물 수명은 구조적 수명과 기능적 수명이 있을 수 있다. 구조적 수명은 건물이 노후화되어 외력에 견딜 수 없는 상태가 수명을 다했다고 볼 수 잇다. 그러나 기능적 수명은 구조적으로는 안전하지만, 사용상 불편 등 기능적으로 마비가 된 상태가 되면 수명을 다했다고 볼 수 있다.

■ 구조적 관점에서의 수명 철근콘크리트 구조물의 경우 철근이 부식하거나 콘크리트가 부식하여 외력에 저항할 수 없으면 수명을 다한 것이다. 철근은 공기가 침입할 수 없는 콘크리트 속에서는 부식하지 않으므로 결국 철근콘크리트 구조물의 수명은 콘크리트의 수명과 더욱더 밀접한 관계가 있다. 콘크리트는 알카리성이며, 공기에 노출되면 중성화한다. 중성화되면 부식하는 것이다.

■ 콘크리트 중성화 속도 콘크리트 중성화 속도 공식 : t=7.3 x2 여기서, t :년도(단위 년), 예1) 즉, 1cm 콘크리트가 중성화하는데 소요되는 시간은 t=7.3*12=7.3년 소요됨 예2) 즉, 3cm 콘크리트가 중성화하는데 소요되는 시간은 t=7.3*32=66년 소요됨

■ 건물의 수명 일반적으로 철근콘크리트 건물에서 철근의 피복두께는 3~4cm 이므로 콘크리트가 중성화하는데는 약 66년 ~117년이 소요된다. 콘크리트가 중성화되면 콘크리트속의 철근은 공기와 접하게 되어 녹이 쓴다. 그러면 수명이 다하게 된다. 따라서 건물의 구조적 수명은 66년~117년이라고 할 수 있다. 그러나, 실제에는 외장재 등에 의해 콘크리트 중성화 속도가 이보다 느리게 진행되므로 철근콘크리트 구조물의 수명은 반영구적이라 할 수 있다.