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문제 정의
- 본 연구에서는 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿을 가진 PSC 박스거더 교량형식의 장 . 단점과이 교량형식에 사용된 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿의 특징에 대하여 소개하고, 이 형식의 교량에 적용되는 FRP 외양관의 적용성을 평가하기 위하여 수행한 FRP 외양관의 시편실험과 FRP로 피복된 콘크리트 부재의 압축실험 결과에 대하여 서술하였다. 실험결과로부터 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿은 철근콘크리트의 극한강도 뿐만 아니라 극한하중의 작용시 연성 및 에너지 흡수 능력의 증가를 확인할 수 있었다.
- 따라서 본 실험에서는 먼저 FRP 피복에 따른 콘크리트의 극한강도 증가효과를 검증하기 위해 FRP 외양관으로 피복된 콘크리트 부재의 일축압축실험을수행하였다. 이때 FRP 외양관은 합성부재로 작용하는것이 아니라 내부 콘크리트의 구속으로 인한 극한내력향상이 주목적이므로 하중이 내부 콘크리트 부재에만전달되도록 하중을 가하였다.
제안 방법
- FRP 피복된 콘크리트 부재의 압축실험에 앞서 콘크리트 공시체에 대한 압축실험을 실시하여 콘크리트의 압축강도를 확인하였다. 압축강도는 27~ 30MPa 이었으며 FRP 피복 콘크리트 부재의 압축실험 결과에서도 FRP관의 구속효과가 구현되기 전의 강도는대략 25~ 30MPa인 것으로 추정되었다.
- 이러한 요구물성값을 만족할 수 있도록 필라멘트 와인딩(filament winding) 방식으로 FRP 외양관을 제작하였다. 구조부재로 사용하기 위한 내경 340mm 크기의 FRP 외양관의 경우 생산설비가 갖추어져 있지 않기 때문에 현재 생산이 가능한 비슷한 크기의 시제품을 제작하여 FRP 외양관의 적용성을 평가하였다. 또한 국내 제작업체의 제작능력과 품질을 검증하기 위하여 두 개의 기업(제품 A, 제품 B)에서 시제품을 제작하여 시편 실험을 실시하였다.
- 이때 FRP 외양관은 합성부재로 작용하는것이 아니라 내부 콘크리트의 구속으로 인한 극한내력향상이 주목적이므로 하중이 내부 콘크리트 부재에만전달되도록 하중을 가하였다. 본 연구에서 실험장비는공시체 규모의 소형 FRP 피복 콘크리트에 대한 기존문헌의 검토결과(탄소섬유시트로 횡구속된 콘크리트공시체의 압축강도가 무보강 시험체의 1.17 ~ 2.85배까지 증가)에 따라 본 실험체도 약 2배 이상의 압축강도 증가가 예상되어 10, 000kN UTM을 사용하여 실험을 수행하였다. Fig.
- 요구된다. 이러한 요구물성값을 만족할 수 있도록 필라멘트 와인딩(filament winding) 방식으로 FRP 외양관을 제작하였다. 구조부재로 사용하기 위한 내경 340mm 크기의 FRP 외양관의 경우 생산설비가 갖추어져 있지 않기 때문에 현재 생산이 가능한 비슷한 크기의 시제품을 제작하여 FRP 외양관의 적용성을 평가하였다.
- 5mm/min으로 하였다. 인장실험은 제품별로각각 5개의 인장시편에 대해 실시하였다.(3)
- 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿의 실제품에 대한실모 형 실험을 수행하기 전에 FRP 외양관의 적용성을 평가하기 위하여 현재 생산이 가능한 크기로 두 가지 시험체를 제작하여 split-disk test와 FRP로 피복된 콘크리트 부재의 일축압축실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 5mm)로 정의하고 있지만, 뒤틀림으로 인한 실험의 부정확성을 방지하기 위하여 인장시편 폭(b)은 25mm, 시편의 내경(D)은 300mm로 ASTM Standard D2290-04보다 크게 제작하였다. 파괴 예측 면에 원주방향으로 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였으며 인장시편 실험의 하중재하속도 조건은 1.5mm/min으로 하였다. 인장실험은 제품별로각각 5개의 인장시편에 대해 실시하였다.
- 한국화학시험연구원에 의뢰하여 두 제품의 섬유함유량을 측정하였다. 시험결과는 제품 A와 제품 B의 섬유함유량이 각각 67.
대상 데이터
- 구조부재로 사용하기 위한 내경 340mm 크기의 FRP 외양관의 경우 생산설비가 갖추어져 있지 않기 때문에 현재 생산이 가능한 비슷한 크기의 시제품을 제작하여 FRP 외양관의 적용성을 평가하였다. 또한 국내 제작업체의 제작능력과 품질을 검증하기 위하여 두 개의 기업(제품 A, 제품 B)에서 시제품을 제작하여 시편 실험을 실시하였다. 이때 시편의 내경과 두께는 각각 300mm와 5mm로 제작하였으며, 요구물성값은 설계시 적용하였던 값으로서 원주방향과 길이방향 각각의 탄성계수는 30GPa과 6GPa, 원주방향인장강도는 370MPa 이었다.
- 기존의 PSC 박스거더 교량형식을 보다 효율적으로 변형시킨 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿을 가진 PSC 박스거더 교량형식은 상부구조의 자중과 하부구조의 크기를 경감하여 경제적이며 아름다운 교량의 건설이 가능하도록 한다. 본 연구에서는 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿을 가진 PSC 박스거더 교량형식의 장 . 단점과이 교량형식에 사용된 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿의 특징에 대하여 소개하고, 이 형식의 교량에 적용되는 FRP 외양관의 적용성을 평가하기 위하여 수행한 FRP 외양관의 시편실험과 FRP로 피복된 콘크리트 부재의 압축실험 결과에 대하여 서술하였다.
- 연구대상 교량은 직경 350mm의 프리캐스트로 제작한 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿을 3m 간격으로배치하며 스트럿의 길이는 가설공법과 위치에 따라 5.735m ~7.535m이다. 이 스트럿은 지진하중과 같은극한하중의 작용 시 붕괴유발부재로 고려할 수 있는구조로서 피복콘크리트의 탈락을 방지하기 위하여 FRP 외양관으로 감싸고 있으며, 이 외양관은 스트럿콘크리트를 제작할 때 거푸집으로의 역할도 하게 된다.
- 또한 국내 제작업체의 제작능력과 품질을 검증하기 위하여 두 개의 기업(제품 A, 제품 B)에서 시제품을 제작하여 시편 실험을 실시하였다. 이때 시편의 내경과 두께는 각각 300mm와 5mm로 제작하였으며, 요구물성값은 설계시 적용하였던 값으로서 원주방향과 길이방향 각각의 탄성계수는 30GPa과 6GPa, 원주방향인장강도는 370MPa 이었다.
이론/모형
- 실험이다. FRP 관에 대해 인장시편 실험방법으로는 split-disk test와 burst pressure test의 두 가지 방법이 있으며, 본 연구에서는 일반적으로 관모양의 소성제품들에 대해 관의 인장강도를 결정하기위하여 사용되는 split-disk test 방법을 사용하였다. split-disk test는 FRP관을 정해진 시편 폭으로 절단하고, 그 시편을 두 개의 반원으로 나누어진 원반 디스크에 장착한 뒤 각각의 반원에 인장력을 주어 인장강도를 측정하는 방법이다.
- split-disk test는 FRP관을 정해진 시편 폭으로 절단하고, 그 시편을 두 개의 반원으로 나누어진 원반 디스크에 장착한 뒤 각각의 반원에 인장력을 주어 인장강도를 측정하는 방법이다. split-disk test는 미국의 ASTM Standard D2290-04에 따라 실험장치 및 시편을 제작, 실험을 수행하였다. ASTM 기준에서는 시편 폭을 0.
성능/효과
- 1) 제품의 생산수준을 가늠하기 위한 제품치수 및 역학적 성능에 대한 검토결과, 내경은 두 제품 모두 301mm 정도로 기준을 충족하였으며 섬유의 배향각도는 제품 A가 약 10°, 제품 B가 약 20° 정도로 상이하였으나, 최종적인 역학적 요구성능은 모두 만족하는 것을 확인하였다. 따라서 국내 생산제품을 이용하여 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿을제작하는 것은 무리가 없음을 확인할 수 있다.
- 2) FRP 외양관의 역학적 성능을 검증하기 위한 실험 방법으로 split-disk test가 적합한 것으로 판단된다.
- 3) FRP 피복 콘크리트 부재의 일축압축실험 결과, 두 제품 모두 2배 이상의 압축강도 증가 및 10배이상의 연성증가가 발생하여, 충분한 구속효과가있는 것으로 확인되었다. 따라서 향후 이와 같은역학적 거동을 바탕으로 하는 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿의 설계기법의 개발이 필요하다고 판단된다.
- 6에 나타내었다. 두 제품 모두 전술한 제작요구성능기준을 만족하고 있음을 확인할 수 있었으며, FRP 외양관을 국내에서 생산하여도 품질에 문제가없음을 확인하였다. 제품 A가 파괴인장응력과 탄성계수 모두 약 30% 정도 큰 결과를 나타내었는데 이는유리섬유의 배향각도에 의한 영향인 것으로 판단된다.
- 만족하는 것을 확인하였다. 따라서 국내 생산제품을 이용하여 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿을제작하는 것은 무리가 없음을 확인할 수 있다.
- 마지막으로, 각 제품에 따른 실험결과의 편차가크지 않은 것으로부터 국내에서 생산되는 제품의 신뢰도가 충분함을 알 수가 있다.
- 섬유층의 최대두께는 최적설계 결과 1.82mm이지만, 제작상의 문제 및 안전율을 고려하여 3.0mm로최종 결정되었다. FRP 외양관의 단면 구성은 4개 층으로 구성되어 있으며 각 층의 기능은 Table 1에 기술한 바와 같다.
- 측정하였다. 시험결과는 제품 A와 제품 B의 섬유함유량이 각각 67.08% 와 73.17%로, 제품 B가약 6% 정도 섬유함유량이 많은 것으로 나타났다. 제품의 두께는 제품 A가 4.
- 나타내었다. 실험결과 제품 A로 구속된 콘크리트의경우의 평균 압축강도는 65.1MPa, 평균 횡방향 파괴변형률은 13, 212x10-6이었으며, FRP로 구속된 콘크리트의 압축강도는 비구속된 콘크리트의 압축강도보다약 2.4배 정도 증가하였다.
- 실험결과, 제품 A의 인장시편은 평균 파괴 인장응력은 624MPa이고 평균 파괴 변형률은 10, 639'10-6 로 계측되었으며, 이로부터 추정된 원주방향 탄성계수는 48.8GPa이었다. 제품 B는 평균 파괴 인장응력은 477MPa, 평균 파괴 변형률은 10, 190x10-6 으로 계측되었으며, 이로부터 추정한 원주방향 탄성계수는 37GPa이었다.
- 단점과이 교량형식에 사용된 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿의 특징에 대하여 소개하고, 이 형식의 교량에 적용되는 FRP 외양관의 적용성을 평가하기 위하여 수행한 FRP 외양관의 시편실험과 FRP로 피복된 콘크리트 부재의 압축실험 결과에 대하여 서술하였다. 실험결과로부터 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿은 철근콘크리트의 극한강도 뿐만 아니라 극한하중의 작용시 연성 및 에너지 흡수 능력의 증가를 확인할 수 있었다.
- 압축강도를 확인하였다. 압축강도는 27~ 30MPa 이었으며 FRP 피복 콘크리트 부재의 압축실험 결과에서도 FRP관의 구속효과가 구현되기 전의 강도는대략 25~ 30MPa인 것으로 추정되었다.
- 이들 결과로 부터 두 제품 모두 구속된 콘크리트의 응력-변형률 곡선은 증가하는 이선형(bi-linear) 형태로 FRP 외양관이 콘크리트 부재를 충분히 구속하고 있음을 보이고 있으며(Fig. 8, 9 참조), Fig. 10은 피괴하중에 도달하였을 때의 파괴모습이다.
- 이와 같은 연구결론으로부터 PSC 박스거더교의 스트럿 부재로 FRP로 피복된 철근콘크리트 부재를 사용할 경우 연성과 에너지 흡수능력 증진효과가 충분하여 FRP 외양관의 적용이 타당하다고 판단되며, 국내 FRP 외양관 시제품의 품질이 신뢰할 수준으로 실제품을 제작하는데 문제가 없는 것으로 판단된다.
- 두 제품 모두 전술한 제작요구성능기준을 만족하고 있음을 확인할 수 있었으며, FRP 외양관을 국내에서 생산하여도 품질에 문제가없음을 확인하였다. 제품 A가 파괴인장응력과 탄성계수 모두 약 30% 정도 큰 결과를 나타내었는데 이는유리섬유의 배향각도에 의한 영향인 것으로 판단된다.
- 8GPa이었다. 제품 B는 평균 파괴 인장응력은 477MPa, 평균 파괴 변형률은 10, 190x10-6 으로 계측되었으며, 이로부터 추정한 원주방향 탄성계수는 37GPa이었다. 인장시편의 응력-변형률 곡선을 Fig.
- 기존의 상.하행선 분리 또는 일체형 PSC 박스단면과 본 교량 형식의 단면효율성을 비교한 결과, Fig. 2에서 제시된 바와 같이 상부구조는 약 9% 정도 경량화 되고 이로 인하여 하부구조 단면은 약 49%의 단면 감소효과가 있으며 이에 따른 내진성능 및 횡방향 효율성의 증가, 교량 하부의 개방감 향상에 의한 하부 공간이용 및 경관 개선의 효과를 꾀할 수 있는 것으로 나타났다.(1)
- 한편 제품 B로 구속된 콘크리트의 평균 압축강도는 50.2MPa, 평균 횡방향 파괴변형률은 19, 081x10-6 이었으며, FRP로 구속된 콘크리트의 압축강도는 비구속된 콘크리트의 압축강도보다 약 2.0배 증가하였다.
후속연구
- 따라서 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿을 가진 PSC 박스거더 단면은 전술한 바와 같이 단면의 구조 효율성을 극대화하고 내구성을 증진하여 경제성과 교량 경관에 탁월한 효과가 있는 단면이므로 향후 계획되어 있는 실물구조실험을 통한 구조적 안정성에 대한 추가적인 검증이 이루어지고, FRP 외양관과 철근콘크리트 사이의 합성거동에 대한 연구가 이루어진다면 경쟁력 있는 교량형식으로 자리매김할 것으로 기대된다.
- 것으로 확인되었다. 따라서 향후 이와 같은역학적 거동을 바탕으로 하는 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿의 설계기법의 개발이 필요하다고 판단된다.
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