A Study on the Guidelines on the Insertion of Metal Stiffeners in the Restoration of Stone Cultural Heritages

석조문화재 복원을 위한 금속보강재 매입방법 표준화 연구

Stone cultural heritages are repaired by the use of metal stiffeners. The problem is that this type of repair has been based on the experience of workers without specific guidelines and has caused various problems. This is to suggest the structural reinforcement and behavioral characteristics of metal rods to minimize the secondary damage of materials and have the specimens tested and verified to establish the guidelines on how to insert metal stiffeners. When only epoxy resin is applied to the cut surface, only 70% of the properties of the parent material are regenerated and it is required to structurally reinforce the metal stiffener for the remaining 30%. The metal rod is under the structural behavior after the brittle failure of stone material and the structural behavior does not occur when the metal stiffener is below 0.251%. When it accounts for over 0.5%, it achieves structural reinforcement, but causes secondary damage of parent materials. The appropriate ratio of metal stiffener for the stone material with the strength of $1,500kgf/cm^2$, therefore, should be between 0.283% and 0.377% of the cross section of attached surface to achieve reversible fracture and ductility behavior. In addition, it is more effective to position the stiffeners at close intervals to achieve the peak stress of metal rod against bending load and inserting the stiffener into the upper secions is not structurally supportive, but would rather cause damage of the parent material. Thus, most stiffeners should be inserted into the lower part and some into the central part to work as a stable tensile material under the load stress. The dispersion effect of metal rods was influenced by the area of reinforcing rods and unrelated to their diameter. However, it ensures stability under the load stress to increase the number of stiffeners considering the cross section adhered when working on large-scale structures. The development length is engineered based upon the diameter of stiffener using the following formula: $l_d=\frac{a_tf_y}{u{\Sigma}_0}$. Also, helically-threaded reinforcing rods should be used to perform the behaviors as a structural material.

파손된 석조문화재를 재사용하기 위한 방법으로 금속보강재를 사용하게 되는데 현재까지 보강재에 대한 보존처리 지침 없이 처리자의 경험에 의해서 이루어지다 보니 여러 가지 문제점이 도출되고 있다. 따라서 2차적인 원부재의 훼손을 최소화하기 위한 금속봉의 구조적 보강방법과 거동 특성 등을 제안된 실험체를 통해 검증 받아 금속보강재 매입방법에 관한 설계기준을 마련하고자 하였다. 절단면에 에폭시수지 접합만 할 경우 원 모재 물성의 70% 정도밖에 회복되지 않아 30%에 대한 금속보강재의 구조적 보강이 필요하다. 금속봉은 석재 취성파괴 후 구조적 거동을 받는데 금속보강재비가 0.251% 이하로 설계되면 구조적 거동은 발생하지 않으며, 0.5% 이상이면 구조적 보강은 이루어지나 모재의 2차 훼손을 유발시킨다. 따라서 $1,500kgf/cm^2$ 강도를 갖는 석재의 적정 금속보강재비는 접착단면적의 0.283~0.377% 정도로 설계되어야 가역성 있는 파손과 보강재의 연성거동이 이루어진다. 또한 휨 하중에 대응되는 금속봉의 최대 응력을 기대하기 위해서는 보강재 간격을 멀리하는 것보다 가깝게 유지하는 것이 효율적이며, 특히 상부에 보강재를 매입하는 것은 구조적으로 아무런 도움이 되지 못하고 오히려 원부재의 손상만 유발한다. 따라서 보강재는 하부에 집중배치하고 일부 중앙부에 매입하여야 안정적인 인장재 역할을 하면서 하중응력을 받는다. 금속봉의 분산효과는 보강봉의 면적에 영향을 받을 뿐 지름과는 무관하였다. 하지만 큰 규모를 대상으로 할 때는 접착 단면을 고려하여 보강재 개수를 늘려주는 것이 하중응력에 안정적이다. 이때 적용되는 정착길이는 보강재의 직경에 따라 다음과 같은 식($l_d=a_tf_y/u{\Sigma}_0$)에 의거하여 설계한다. 또한 구조재로서 거동을 하기 위해서는 반드시 마디가 있는 전산형 보강봉을 사용하여야 한다.