[논문]복합신소재 슬래브교량의 장기성능

지효선

문제 정의

본 기사는 국내에서 최초로 가설된 콜루게이트(Corrugate) 형태의 면재를 갖는 복합신소재 교량의 공용중 장기성능의 응답을 조사하기 위해 현장재하실험과 현장 육안조사를 통한 얻어진 내용을 기술하고 있다. 복합신소재 교량이 가설 후 9년이 경과한 상태에서 2002년, 2004년 현장재하실험을 했을 때와 동일한 조건에서 현장재하시험을 2011년 6월에 재하시험을 실시하여 장기성능을 평가하였다.
이와 같은 공용상태에서 복합신소재 교량에 대한 내하력 평가를 실시하므로서 복합신소재 교량의 장기성능을 확인하였다. 이러한 자료는 향후 복합신소재를 이용한 소형 신설 및 노후교량 성능 개선공사 시 실제적으로 교량기술자들이 설계의 기초자료로 충분히 활용될 수 있도록 하고자 한다.
본 시험을 통하여 복합신소재 교량에 대한 정적 및 동적시험을 통하여 얻어진 응답값을 분석하였으며 그 응답값을 가지고서 공용중 내하력 평가를 실시하였다. 이와 같은 공용상태에서 복합신소재 교량에 대한 내하력 평가를 실시하므로서 복합신소재 교량의 장기성능을 확인하였다. 이러한 자료는 향후 복합신소재를 이용한 소형 신설 및 노후교량 성능 개선공사 시 실제적으로 교량기술자들이 설계의 기초자료로 충분히 활용될 수 있도록 하고자 한다.

제안 방법

또한 복합신소재 슬래브 교량이 보유하고 있는 고유진동수 및 진동영향을 평가하기 위하여 상부구조 하면 중앙부에 연직방향 가속도계를 설치하여 동적응답을 얻었으며, 2002, 2004 및 2011년에 각각 측정된 감쇠 고유진동수 결과를 유한요소 해석 값과 함께 Table 7에 나타내었다. 따라서 차량진동에 의한 감쇠효과는 다소 양호하고 공명발생에 대한 가능성도 적을 것으로 기대된다.
현장재하시험은 공용중 교량의 내하력 평가하는데 매우 유용한 방법이다. 복합신소재 교량의 상부구조의 정적 및 동적특성을 평가하기 위한 것으로써 대상교량에 대해 실험차량을 실제 상황과 유사하게 재하시켜 그 때의 처짐량, 변형률 및 가속도 등을 측정하고 이론적인 계산치와 비교ㆍ검토하여 복합신소재 대상교량의 구조적 정적 및 동적응답특성을 평가하였다. 지금까지본 교량의 성능을 평가하기 위해 3번의 현장재하시험을 2002년 5월, 2004년 11월 그리고 2011월 6월에 걸쳐서 실시하였다.
본 기사는 국내에서 최초로 가설된 콜루게이트(Corrugate) 형태의 면재를 갖는 복합신소재 교량의 공용중 장기성능의 응답을 조사하기 위해 현장재하실험과 현장 육안조사를 통한 얻어진 내용을 기술하고 있다. 복합신소재 교량이 가설 후 9년이 경과한 상태에서 2002년, 2004년 현장재하실험을 했을 때와 동일한 조건에서 현장재하시험을 2011년 6월에 재하시험을 실시하여 장기성능을 평가하였다. 본 시험을 통하여 복합신소재 교량에 대한 정적 및 동적시험을 통하여 얻어진 응답값을 분석하였으며 그 응답값을 가지고서 공용중 내하력 평가를 실시하였다.
복합신소재 슬래브교량 상부구조의 동적거동 특성을 확인하기 위하여 동적재하실험을 실시하였다. 주행속도는 10 ～ 60 km 로 10 km 간격으로 실시하였으며 마지막으로 최대속도로 7회 실시하였다.
본 기사에서 제시된 복합신소재 슬래브교량에 대한 현장재하실험을 통한 내하력 평가와 이를 기초로 한 장기성능을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 재하시험 평균 차량하중 25.
복합신소재 교량이 가설 후 9년이 경과한 상태에서 2002년, 2004년 현장재하실험을 했을 때와 동일한 조건에서 현장재하시험을 2011년 6월에 재하시험을 실시하여 장기성능을 평가하였다. 본 시험을 통하여 복합신소재 교량에 대한 정적 및 동적시험을 통하여 얻어진 응답값을 분석하였으며 그 응답값을 가지고서 공용중 내하력 평가를 실시하였다. 이와 같은 공용상태에서 복합신소재 교량에 대한 내하력 평가를 실시하므로서 복합신소재 교량의 장기성능을 확인하였다.
교량가설후 9년이 경과한 상태에서 실시한 현장재하시험의 의의는 우선, 복합신소재 교량의 장기 성능을 확인하고, 두 번째로, 교량공용 중 향후 모니터링 계측시 기준값을 제시하기 위함이다. 일반적으로 현장 재하실험에 있어서 사용하중 상태에서 복합신소재 교량 상부구조의 거동을 파악하기 위하여 상부구조 중앙부에 설계하중(DB-24)과 동일한 내력을 발생시키는 집중하중을 재하할 수가 없어 교량설계하중의 60% 범위에서 실제 차량을 재하시킴으로서 특성을 평가하고자 하였으며 실험대상 복합신소재 교량의 현황은 Table 1과 같다.
재하차량은 Fig. 7과 같이 교량 지간에서 최대모멘트를 일으키는 위치에 미리 표시하여 차량을 재하하여 정적응답을 측정하였다.
정적재하실험을 위해 차량을 중앙에 위치시키기 위해서 교량끝에서 중앙쪽으로 5km/hr 이동하여 재하시켰다. Table 4는 2002, 2004 및 2011년에 각각 측정된 응답값을 비교하여 보여 주고 있다.
복합신소재 교량의 상부구조의 정적 및 동적특성을 평가하기 위한 것으로써 대상교량에 대해 실험차량을 실제 상황과 유사하게 재하시켜 그 때의 처짐량, 변형률 및 가속도 등을 측정하고 이론적인 계산치와 비교ㆍ검토하여 복합신소재 대상교량의 구조적 정적 및 동적응답특성을 평가하였다. 지금까지본 교량의 성능을 평가하기 위해 3번의 현장재하시험을 2002년 5월, 2004년 11월 그리고 2011월 6월에 걸쳐서 실시하였다. 교량가설후 9년이 경과한 상태에서 실시한 현장재하시험의 의의는 우선, 복합신소재 교량의 장기 성능을 확인하고, 두 번째로, 교량공용 중 향후 모니터링 계측시 기준값을 제시하기 위함이다.
3에 제시된 제원을 갖는 덤프트럭을 이용하여 사용하중에서 정적 및 동적주행실험을 실시하였다. 차량을 지간중앙에 좌측만 재하, 우측만 재하, 좌ㆍ우측 동시 재하실험을 실시하였고, 동적 재하실험은 주행속도 10 ～ 60km로 10km 간격으로 6회 실시하였다.
0m 인 2개의 복합신소재 상부구조로 분할 제작하여 최소의 작업인원으로 교량건설 현장까지 운반하였다. 크레인을 이용하여 교량현장에 하차한 다음, 2개의 상부구조를 현장에서 최종 조립을 하였다. 조립을 한 후 크레인으로 한번에 기 설치된 철근콘크리트 교대 위에 가설 5시간만에 거치를 하였다.
Table 1 복합신소재 슬래브교량 현황

현장 재하시험은 Table 2와 Fig.3에 제시된 제원을 갖는 덤프트럭을 이용하여 사용하중에서 정적 및 동적주행실험을 실시하였다. 차량을 지간중앙에 좌측만 재하, 우측만 재하, 좌ㆍ우측 동시 재하실험을 실시하였고, 동적 재하실험은 주행속도 10 ～ 60km로 10km 간격으로 6회 실시하였다.

대상 데이터

본 실험에서 얻어진 응답값들은 향후 유사한 조건에서 실시되는 복합신소재 슬래브교량의 성능평가시 비교값으로 제시된다. 그 이후 공용중인 복합신소재 슬래브교량에 대한 현장재하실험은 2004년 11월과 2011년 6월에 각각 실시되었다. Fig.
국내에서 처음으로 설계, 제작 그리고 가설된 복합신소재 교량 상부구조는 비등방성 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer) 면재와 콜루게이트 심재를 갖는 샌드위치 구조의 완전 복합신소재 교량의 상부구조이다. 본 복합신소재 교량 상부구조는 경간이 L = 10.0m이고, 폭 B=8.0m 의 제원을 갖는 단순교이며 철근콘크리트 교대 위에 가설되었다. 그리고 하중은 표준트럭하중 DB-24로 설계하였다.
본 복합신소재 교량의 상부구조는 중소형교량에 매우 적합한 것으로 판단된다. 약 1개월에 걸쳐서 상부구조 구성요소를 수적층(hand lay-up)으로 제작하여 폭이 4.0m , 연장 10.0m 인 2개의 복합신소재 상부구조로 분할 제작하여 최소의 작업인원으로 교량건설 현장까지 운반하였다. 크레인을 이용하여 교량현장에 하차한 다음, 2개의 상부구조를 현장에서 최종 조립을 하였다.

성능/효과

62mm이다. 이 값은 허용처짐 12.5mm(L/800) 이내로 나타나 사용성 측면에서 구조적 안정성이 있음을 확인할 수 있었다. 처짐에 있어서 정적 및 동적시험에서 큰 값의 차이가 없었으나 변형률에 있어서는 25.
017 나타났다. 이처럼 충격의 영향이 도로교 표준시방서 규정보다 작은 것으로 나타났으며, 차량속도가 40km/hr 일 때 가장 큰 충격을 주는 것으로 나타났다. 따라서 복합신소재 상부구조를 갖는 교량의 동적효과를 정적인 설계에 반영할 때 일반 교량과 동일하게 충격계수를 이용하여 적용하면 될 것으로 사료된다.
처짐에 있어서 정적 및 동적시험에서 큰 값의 차이가 없었으나 변형률에 있어서는 25.9%정도 동적 변형률 값이 크며 파괴변형률( 1.9317×10 - 3 )의 약 7%정도로 나타났다.

후속연구

이처럼 충격의 영향이 도로교 표준시방서 규정보다 작은 것으로 나타났으며, 차량속도가 40km/hr 일 때 가장 큰 충격을 주는 것으로 나타났다. 따라서 복합신소재 상부구조를 갖는 교량의 동적효과를 정적인 설계에 반영할 때 일반 교량과 동일하게 충격계수를 이용하여 적용하면 될 것으로 사료된다.
017나타내고 있으며 이 값은 국내 도로교 표준시방서 규정보다 작은 것으로 나타났다. 따라서 복합신소재 상부구조를 갖는 교량의 동적효과를 정적인 설계에 반영할 때 일반 교량과 동일하게 충격계수를 이용할 수 있을 것으로 사료된다. 그리고 2002년에 개통한 후 9년이 경과한 복합신소재슬래브 교량의 공용중 내하력 평가결과 DB 24로 유지되는 것으로 나타났다.
또한 복합신소재 슬래브 교량이 보유하고 있는 고유진동수 및 진동영향을 평가하기 위하여 상부구조 하면 중앙부에 연직방향 가속도계를 설치하여 동적응답을 얻었으며, 2002, 2004 및 2011년에 각각 측정된 감쇠 고유진동수 결과를 유한요소 해석 값과 함께 Table 7에 나타내었다. 따라서 차량진동에 의한 감쇠효과는 다소 양호하고 공명발생에 대한 가능성도 적을 것으로 기대된다.
현재 공용중인 본 복합신소재 교량은 구조성능에 이상이 없는 것으로 판단된다. 바닥판과 주형의 기능을 갖는 복합신소재 교량 상부구조 설계, 제작, 설치, 현장재하시험 및 공용중 내하력 평가를 통하여 얻어진 기초자료는 향후 복합신소재 소형교량의 설계, 제작, 설치 및 유지관리시 활용될 수 있을 것이다. 복합신소재의 재료비가 고가인 관계로 인하여 초기 공사비가 증가하겠지만 급속시공과 같은 공사기간의 획기적인 단축, 유지보수비용 절감 등과 같은 생애주기비용(LCC)을 반영한다면 새로운 대안 교량형식으로서 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
2는 복합신소재 상부구조을 갖는 완성된 교량전경이다. 복합신소재의 재료비가 고가이지만 공사기간의 획기적인 단축, 작업 노무비 및 완공 후 유지보수비용 절감 등과 같은 생애주기비용(LCC)을 고려한다면 새로운 대안 교량형식으로서 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
바닥판과 주형의 기능을 갖는 복합신소재 교량 상부구조 설계, 제작, 설치, 현장재하시험 및 공용중 내하력 평가를 통하여 얻어진 기초자료는 향후 복합신소재 소형교량의 설계, 제작, 설치 및 유지관리시 활용될 수 있을 것이다. 복합신소재의 재료비가 고가인 관계로 인하여 초기 공사비가 증가하겠지만 급속시공과 같은 공사기간의 획기적인 단축, 유지보수비용 절감 등과 같은 생애주기비용(LCC)을 반영한다면 새로운 대안 교량형식으로서 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
9317×10^{- 3} )의 약 7%정도로 나타났다. 차량하중에 의한 강제진동수와 복합신소재 교량의 고유진동수와의 많은 차이가 있어 차량진동에 의한 감쇠효과는 다소 양호하고 공명발생에 대한 가능성도 적을 것으로 기대된다. 또한 동적확대계수는 1.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합신소재는 어떤 특징을 가지고 있는가?	이러한 사회의 요구에 부응하여 건설 산업에서 복합신소재의 출현과 적용은 위의 문제를 해결할 수 있는 새로운 재료로서 높은 관심을 모으고 있다. 복합신소재는 비강성, 비강도가 기존의 콘크리트나 강재에 비해 상대적으로 높고 비부식성, 경량성, 비전기성 등 재료적 장점과 방향성을 이용하여 우수한 역학적 성질을 얻을 수 있으며, 다양한 형태로 만들 수 있는 뛰어난 성형성을 가지고 있다. 무엇보다도 복합신소재의 가장 큰 장점 중의 하나는 섬유배열을 통해 부재의 물성을 사용자의 요구대로 설계(tailoring design)할 수 있다는 것이다.
	복합신소재 교량은 어느 국가를 중심으로 상용화 되고 있는가?	복합신소재 교량은 미국, 유럽 그리고 아시아를 중심으로 상용화되고 있다. 국내에서도 복합신소재 교량이 2002년에 가설되어 지금까지 공용중에 있다.
	국내 처음 설계된 교량 복합신소재 상부구조는 어떤 구조로 이루어져 있는가?	국내에서 처음으로 설계, 제작 그리고 가설된 복합신소재 교량 상부구조는 비등방성 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer) 면재와 콜루게이트 심재를 갖는 샌드위치 구조의 완전 복합신소재 교량의 상부구조이다. 본 복합신소재 교량 상부구조는 경간이 L = 10.

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