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문제 정의
- 본 논문은 콜루게이트(corrugate) 형태의 심재를 갖는 샌드위치 구조인 완전 GFRP 슬래브 교량이 2002년 국내 법정 도로에 국내 최초로 가설되어 공용중에 있어 현재 10년이 되어가고 있으며, 본 교량에 대한 현장재하시험을 일정기간 계속 수행하여 얻은 자료를 분석하여 장기성능을 평가하는 데 주요 목적이 있다. 현장재하시험을 현재까지 2002년, 2004년 그리고 2011년 총 3번 실시하였다.
- 초기 현장재하시험에서 얻어진 응답치는 그 이후로 일정기간 계속되는 본 GFRP 슬래브 교량의 현장재하시험 기준치로 제시되었다. GFRP 슬래브 교량이 가설 후 9년이 경과한 상태에서 실시한 현장재하시험의 의의는 공용중 GFRP 슬래브 교량에 대한 장기성능 평가의 주요 자료이며, 향후 이어지는 공용중 GFRP 슬래브 교량의 주요 부재 위치별 응답치의 비교를 위한 기준치로 제공하기 위함이다. 현장 재하시험대상 GFRP 슬래브 교량의 현황은 표 4와 같다.
- 국내에서 처음으로 완전 GFRP 슬래브 교량이 2002년 5월에 법정도로에 가설 된 후 9년이 경과되어 현재까지 공용중에 있다. 본 GFRP 슬래브 교량에 대한 공용중 성능평가를 위한 기초자료를 얻기 위해서 계속해서 일정기간 현장재하시험을 실시하였다. 본 논문에서는 가설 후 9년이 지난 GFRP 슬래브 교량의 재하시험을 통하여 장기성능 평가를 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 GFRP 슬래브 교량에 대한 공용중 성능평가를 위한 기초자료를 얻기 위해서 계속해서 일정기간 현장재하시험을 실시하였다. 본 논문에서는 가설 후 9년이 지난 GFRP 슬래브 교량의 재하시험을 통하여 장기성능 평가를 하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 현장재하시험시 사용한 평균 차량하중 총중량이 253.
가설 설정
- 처짐에 대한 안전성을 확보하기 위하여 허용처짐량(Δ)을 AASHTO(1996) 기준인 # (L:교량지간)로 설정하였다. 본 GFRP 슬래브 교량의 상부구조의 설계는 예비설계 단계로서 다음 식 (1)과 같이 가상일의 원리를 이용하여 요구되는 최소 단면2차모멘트(Imin)을 계산하였으며, 식 (2)을 만족시키는 GFRP 교량의 상부구조 단면을 가정하여 단면2차모멘트(Isection)값을 계산하였고 상세설계 단계로서 GFRP 슬래브 교량 상부구조의 재료설계, 적층설계 및 방호벽 등 부대설계를 최종적으로 하였다(지효선 등, 2001).
제안 방법
- 본 논문은 콜루게이트(corrugate) 형태의 심재를 갖는 샌드위치 구조인 완전 GFRP 슬래브 교량이 2002년 국내 법정 도로에 국내 최초로 가설되어 공용중에 있어 현재 10년이 되어가고 있으며, 본 교량에 대한 현장재하시험을 일정기간 계속 수행하여 얻은 자료를 분석하여 장기성능을 평가하는 데 주요 목적이 있다. 현장재하시험을 현재까지 2002년, 2004년 그리고 2011년 총 3번 실시하였다. 2002년에 실시한 현장재하시험 결과를 기준하였으며 그 이후 2002년에 실시한 동일한 조건에서 현장재하시험을 실시하여 GFRP 슬래브 교량의 성능평가를 실시하였다.
- 현장재하시험을 현재까지 2002년, 2004년 그리고 2011년 총 3번 실시하였다. 2002년에 실시한 현장재하시험 결과를 기준하였으며 그 이후 2002년에 실시한 동일한 조건에서 현장재하시험을 실시하여 GFRP 슬래브 교량의 성능평가를 실시하였다. 공용중 교량에 대한 성능평가로서 주로 현장재하시험이 이용되고 있다.
- 본 시험을 통하여 얻은 GFRP 슬래브 교량에 대한 정적 및 동적시험 응답을 연도별로 비교 분석하였으며, 시험치와 이론치를 비교하기 위해 범용유한요소해석 프로그램인 ANSYS(2005)를 이용하여 검증하였다. 본 교량의 공용중 내하력을 평가하기 위해 허용응력설계이론에 내하력 평가를 실시하였다. 이러한 장기성능 평가 자료는 중소형교량의 신설 및 노후교량 성능 개선 공사시 GFRP 슬래브 형태의 상부구조를 설계할 때 교량기술자들에게 설계의 기초자료로 충분히 활용될 수 있을 것이다.
- 공용중 교량에 대한 현장재하시험은 교량상부구조의 실제 구조거동과 안전성을 평가하는데 효과적인 수단이다 (Stallings 등, 1993). 장기성능 자료를 획득하기 위해서 일 정기간 계속해서 GFRP 슬래브 교량에 대한 현장재하시험을 실시하였다. 대상교량에 대해 시험차량을 실제 상황과 유사하게 재하시켜 시험을 실시하였다.
- 장기성능 자료를 획득하기 위해서 일 정기간 계속해서 GFRP 슬래브 교량에 대한 현장재하시험을 실시하였다. 대상교량에 대해 시험차량을 실제 상황과 유사하게 재하시켜 시험을 실시하였다. 주요 시험의 내용으로서 정적 및 동적재하시험이며, GFRP 슬래브 하면의 주요 위치별로 각 시험에 대한 처짐, 변형률 및 가속도를 측정하였다.
- 대상교량에 대해 시험차량을 실제 상황과 유사하게 재하시켜 시험을 실시하였다. 주요 시험의 내용으로서 정적 및 동적재하시험이며, GFRP 슬래브 하면의 주요 위치별로 각 시험에 대한 처짐, 변형률 및 가속도를 측정하였다. 본 교량의 공용중 성능을 평가하기 위해 2002년 5월, 2004년 11월 그리고 2011월 6월에 걸쳐서 3번의 현장재하시험을 실시하였다.
- 주요 시험의 내용으로서 정적 및 동적재하시험이며, GFRP 슬래브 하면의 주요 위치별로 각 시험에 대한 처짐, 변형률 및 가속도를 측정하였다. 본 교량의 공용중 성능을 평가하기 위해 2002년 5월, 2004년 11월 그리고 2011월 6월에 걸쳐서 3번의 현장재하시험을 실시하였다. 초기 현장재하시험은 2002년 5월에 실시되었다(Ji 등, 2010).
- 연도별 재하시험에 사용된 덤프트럭간 총중량의 차이가 ±5% 이내가 되도록 하였다. 현장재하시험은 표 5와 그림 3에 제시된 제원을 갖는 덤프트럭을 사용하여 정적 및 동적재하시험으로 나누어서 수행되었다. 재하시험용 차량 접지폭은 200mm이다.
- 재하시험용 차량 접지폭은 200mm이다. 트럭의 재하 차선위치와 차량대수에 의한 하중조건별로 2회 시험을 하여 데이터를 측정하였다.
- 그림 5는 2011년도 현장재하시험에서 측정을 위하여 GFRP 슬래브 교량 하면에 그림 4에서 보여준 계측 위치별로 부착된 변위계, 스트레인 게이지 및 가속도계 기기를 보여주고 있다. 시험동안 계측 기기가 습기, 이물질에 의한 손상 및 간섭을 받지 않도록 방습 및 보호처리를 하였다.
- 현장재하시험의 하중조건은 표 7과 같다. 그리고 시험 데이터의 획득을 위해서 동적 변형률 측정기를 사용하였으며 시그널을 얻기 위해서 정적재하시험에서는 1초에 1개, 동적재하시험에서는 1초에 100개의 데이터 취득율(sampling rate)로 데이터를 취득하였다.
- 표 7의 재하시험의 하중 조건에 따라 재하차량은 교량 시점(그림 4 하행)에서 교량 중앙 위치로 5km/hr 속도로 이동하여 그림 6과 같이 교량 지간에서 차량하중에 의한 최대 모멘트(최대 처짐)를 일으키는 미리 표시된 위치에 재하차량을 멈추어 약 60초 동안 재하하였으며, 측정 위치별로 변위 및 변형률을 측정하였다.
- 표 7과 같은 각각의 하중조건에서 재하시험을 실시하여 측정 위치별로 측정된 변위 및 변형률에 대한 결과 및 분석내용은 참고문헌(지효선, 2002a)에 수록하였다. 본 논문에서는 현재 차량의 교행을 감안할 때 표 7에 제시된 하중조건에서 하중조건이 LC3인 경우와 매우 유사함을 고려하여 하중조건 LC3인 경우에 대해서 측정하여 얻은 값을 현장재하시험 실시 연도별로 비교하였다.
- 주행속도는 단계 10∼60km/hr 까지 10km/hr 속도를 증가시켰으며, 마지막으로 최대속도로 7회 측정하였다.
- GFRP 슬래브교량 상부구조의 동적응답을 얻기 위하여 이동하중에 의한 동적재하시험을 실시하였다. 주행속도는 단계 10∼60km/hr 까지 10km/hr 속도를 증가시켰으며, 마지막으로 최대속도로 7회 측정하였다.
- 또한 GFRP 슬래브 교량이 보유하고 있는 고유진동수 및 진동영향을 평가하기 위하여 상부구조 하면 중앙위치(A5)에 연직방향 가속도계를 설치하여 동적응답을 얻었으며, 2002, 2004 및 2011년에 각각 측정된 감쇠 고유진동수 결과를 표 12에 나타내었다.
- 0, 2005). 경계조건은 단순지지이며, GFRP 슬래브와 방호벽 소단 탄성고무패드(pad)에 놓여진 경계조건으로서 일체화 하여 모델링하였다. ANSYS 해석을 위해 표 2의 Lamina의 물성을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다.
- 경계조건은 단순지지이며, GFRP 슬래브와 방호벽 소단 탄성고무패드(pad)에 놓여진 경계조건으로서 일체화 하여 모델링하였다. ANSYS 해석을 위해 표 2의 Lamina의 물성을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 상세한 유한요소 모델링은 그림 18과 같다.
- 상기 3.1절에서 언급하였듯이 현장재하시험년도에 따라 경계조건의 변화가 있었으며, 2002년에는 방호벽이 설치되지 않은 상태에서, 2004년과 2001년에는 그림 9와같이 방호벽 설치된 상태에서 유한요소 모델링을 하여서 유한요소해석을 실시하였다. 그림 19는 방호벽을 고려하여 하중조건 LC3에 대한 유한요소 해석을 실시하여 얻은 결과로서 GFRP 슬래브 상부구조의 변위와 변형률의 분포도를 보여주고 있다.
- 향후 스프링 요소에 적용되는 고무패드 스프링 계수(k)치에 대한 변수연구와 함께 컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation)을 실시할 예정이다. 공용중 현장재하시험으로 부터 취득한 응답치와 방호벽과 슬래브를 일체화한 유한요소 모델링을 통한 해석치를 기준하여 방호벽과 슬래브의 경게조건에 대한 합리적인 스프링계수(k)치를 찾아내어 타당성 있는 유한요소 모델링을 제시하고자 한다.
대상 데이터
- 본 연구에서 제시한 GFRP 슬래브 교량 상부구조는 유리섬유와 비닐 에스터 수지를 사용하였으며, 각 재료의 물성은 표 1과 같다.
- 본 연구에서 제안된 GFRP 슬래브교량의 상부구조는 상층 면재(upper flange), 심재(core) 및 하층면재(lower flange)의 3개의 구성요소를 갖는 샌드위치구조 슬래브이며, 각 구성요소에 대한 적층패턴은 표 3과 같다.
- 본 GFRP 슬래브 교량 상부구조는 경간이 L=10.0m이고, 폭 B=8.0m 의 제원을 갖는 단순교이며, 철근콘크리트 교대 위에 가설되었다. 그림 1은 공장에서 제작된 GFRP 슬래브 교량 상부구조를 현장으로 운반되어 가설하는 장면을 보여 주고 있다.
- 현장재하시험은 표 5와 그림 3에 제시된 제원을 갖는 덤프트럭을 사용하여 정적 및 동적재하시험으로 나누어서 수행되었다. 재하시험용 차량 접지폭은 200mm이다. 트럭의 재하 차선위치와 차량대수에 의한 하중조건별로 2회 시험을 하여 데이터를 측정하였다.
- FFT 분석에 고려된 계산 데이터 수는 4096으로 하였으며, 주행속도별로 샘플링 데이터 수는 1초에 100개 데이터 취득율(sampling rate)로서 4000개(10 km/hr), 2700(20 km/hr),1700개(30 km/hr), 5100개(40 km/hr), 1640개 (50 km/hr),12160개(60 km/hr), 4320개(75 km/hr)개이다. 표 10은 2002, 2004 및 2011년도 별로 하중조건 LC3에서 지간 중앙위치(D5)에서 이동차량 속도에 대한 동적변위를 비교하여 나타내고 있다.
-
0 (2005)을 이용하였다. 적용한 요소는 하나의
절점에 6개의 자유도를 가지는 4절점 쉘 요소 (Shell element 181) 이다. Shell 요소 181 는 본 연구에서 수행하고자 하는 복합 적층 특성을 잘 반영해주는 요소이다.
데이터처리
- 본 GFRP 슬래브 교량에 대한 현장재하시험의 주요 내용으로 정적 및 동적재하시험이 있다. 본 시험을 통하여 얻은 GFRP 슬래브 교량에 대한 정적 및 동적시험 응답을 연도별로 비교 분석하였으며, 시험치와 이론치를 비교하기 위해 범용유한요소해석 프로그램인 ANSYS(2005)를 이용하여 검증하였다. 본 교량의 공용중 내하력을 평가하기 위해 허용응력설계이론에 내하력 평가를 실시하였다.
- 2011년도에 측정한 가속도 이력곡선으로부터 GFRP 교량의 고유진동수를 산출하기위해 FFT(Fast Fourier Transformation) 분석과 스펙트럼 분석을 실시하였으며, 실측 가속도에 대한 스펙트럼 분석결과는 그림 11∼17과 같이 나타내었다.
-
2002, 2004 및 2011년에 현장재하시험으로부터 측정된 값에 대한 검증을 위해서 유한요소해석 상용프로그램인 ANSYS 7.0 (2005)을 이용하였다. 적용한 요소는 하나의
이론/모형
- 처짐에 대한 안전성을 확보하기 위하여 허용처짐량(Δ)을 AASHTO(1996) 기준인 # (L:교량지간)로 설정하였다.
- 국내외적으로 FRP 구조물에 대한 설계기준이 지금까지 제정되지 않았다. 본 연구에서 제안한 GFRP 슬래브 교량 상부구조는 미국의 Plastic 구조설계지침서와 유럽의 FRP 표준지침서를 준용하였다. 또한 국내 도로교 표준시방서(1999)에 준하면서 표준트럭하중 DB-24로 설계하였다.
- 본 연구에서 제안한 GFRP 슬래브 교량 상부구조는 미국의 Plastic 구조설계지침서와 유럽의 FRP 표준지침서를 준용하였다. 또한 국내 도로교 표준시방서(1999)에 준하면서 표준트럭하중 DB-24로 설계하였다. 처짐에 대한 안전성을 확보하기 위하여 허용처짐량(Δ)을 AASHTO(1996) 기준인 # (L:교량지간)로 설정하였다.
- 그리고 섬유와 수지의 함량에 따라 재료의 물성을 계산하는 방법인 혼합법(rules of mixture)을 이용하여 Lamina의 물성을 계산하여 표 2와 같이 나타내었다.
- 표 7과 같은 각각의 하중조건에서 재하시험을 실시하여 측정 위치별로 측정된 변위 및 변형률에 대한 결과 및 분석내용은 참고문헌(지효선, 2002a)에 수록하였다. 본 논문에서는 현재 차량의 교행을 감안할 때 표 7에 제시된 하중조건에서 하중조건이 LC3인 경우와 매우 유사함을 고려하여 하중조건 LC3인 경우에 대해서 측정하여 얻은 값을 현장재하시험 실시 연도별로 비교하였다.
성능/효과
- 동적재하시험의 처짐이 정적재하시험의 처짐보다 대체적으로 작게 나타내 보이고 있다. GFRP 슬래브 교량의 허용 처짐 12.5mm (L/800) 이내로서 정적 재하시험과 같이 본 GFRP 슬래브 교량 상부구조는 사용성면에서 구조적 안정성이 있음을 확인할 수 있었다.
- 2002년에 가설 후 실시된 현장재하시험 결과 GFRP 슬래브 교량 내하력(P)는 설계하중인 DB-24에 약간 못 미쳤으나 시험 후 국부적 처짐이 일부 발생된 GFRP 슬래브 내 공간을 우레탄 폼(foam)으로 충전하여 보강하였다. 그 결과 2004년, 2011년에 실시된 공용중 GFRP 슬래브 교량에 대한 현장재하시험으로부터 구한 내하력(P)은 설계하중 DB-24에 근접하는 것으로 나타났으며, 전체적으로 본 GFRP 슬래브 교량의 구조 성능에 이상이 없는 것으로 판단된다. 따라서 공용중인 GFRP 슬래브 교량은 DB-24까지 통과 가능하다고 판단된다.
- 본 논문에서는 가설 후 9년이 지난 GFRP 슬래브 교량의 재하시험을 통하여 장기성능 평가를 하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 현장재하시험시 사용한 평균 차량하중 총중량이 253.47 kN으로 본 차량하중에 측정된 처짐이 3.8mm이며, DB-24(432 kN)로 환산하면 6.48mm 임을 감안할 때 허용처짐 12.5mm (L/800) 이내로 들어오며, 사용성 측면에서 구조적 안정성이 있음을 확인할 수 있었다. 가설 후 9년이 지난 GFRP 슬래브 교량은 사용성 평가에서 처짐에 의한 문제점은 없는 것으로 판단된다.
- 5mm (L/800) 이내로 들어오며, 사용성 측면에서 구조적 안정성이 있음을 확인할 수 있었다. 가설 후 9년이 지난 GFRP 슬래브 교량은 사용성 평가에서 처짐에 의한 문제점은 없는 것으로 판단된다. GFRP 슬래브 교량의 공용중 내하력은 설계하중 DB-24에 근접하는 것으로 나타 예상하였던 대로 전체적으로 구조성능에는 이상이 없는 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 얻어진 장기성능 평가의 기초자료는 향후 유사한 GFRP 슬래브 교량의 해석, 설계, 제작, 설치 및 유지관리에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 장기성능 평가 결과로 FRP 재료비가 기존 건설재료비에 비해 상대적으로 높으나 FRP 재료 특성에 맞는 샌드위치 교량 상부구조 형식개발, 급속시공으로 인한 공사기간 획기적인 단축 및 건설 중장비 사용배제, 유지보수비용 절감 및 생애주기 비용(LCC; Life Cycle Cost)을 고려하면, FRP 재료 교량 건설은 충분히 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 교량의 공용중 내하력을 평가하기 위해 허용응력설계이론에 내하력 평가를 실시하였다. 이러한 장기성능 평가 자료는 중소형교량의 신설 및 노후교량 성능 개선 공사시 GFRP 슬래브 형태의 상부구조를 설계할 때 교량기술자들에게 설계의 기초자료로 충분히 활용될 수 있을 것이다.
- 021m/ sec 2로 나타나서 차량하중에 의한 강제진동수와 GFRP 슬래브 교량의 고유진동수와의 차이가 많이 있음을 알 수 있다. 따라서 차량진동에 의한 감쇠효과는 다소 양호하고 공명발생에 대한 가능성도 적을 것으로 기대된다.
- 실제 방호벽과 슬래브의 경계조건이 분리되어 슬래브가 고무패드 위에 놓여 있으므로 향후 유한요소 모델링에서 슬래브와 방호벽의 경계부분은 스프링 요소(spring element)를 적용해야 할 것으로 판단된다. 이 때 예상되는 응답경향은 방호벽이 보와 같은 기능을 하므로 차량하중이 슬래브를 통해 방호벽으로 전달될 것으로 판단되므로 전체적으로 처짐과 변형률이 작아질 것으로 예상된다.
- 이 때 예상되는 응답경향은 방호벽이 보와 같은 기능을 하므로 차량하중이 슬래브를 통해 방호벽으로 전달될 것으로 판단되므로 전체적으로 처짐과 변형률이 작아질 것으로 예상된다. 향후 스프링 요소에 적용되는 고무패드 스프링 계수(k)치에 대한 변수연구와 함께 컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation)을 실시할 예정이다. 공용중 현장재하시험으로 부터 취득한 응답치와 방호벽과 슬래브를 일체화한 유한요소 모델링을 통한 해석치를 기준하여 방호벽과 슬래브의 경게조건에 대한 합리적인 스프링계수(k)치를 찾아내어 타당성 있는 유한요소 모델링을 제시하고자 한다.
- 그러나 차량 바퀴가 닿는 GFRP 슬래브 상부구조 상면에 포설된 규사레진과 아스팔트층의 접착강도의 저하 등으로 인하여 발생된 것으로 판단되는 균열이 조사되었으며, GFRP 슬래브와 접속슬래브구간인 익스패션 죠인트(Expansion Joint) 부분의 일부 파손이 조사되었다. 향후 이 부분에 대한 GFRP 교량 부대 설계할 때 좀 더 세밀한 설계와 제작이 필요할 것으로 판단된다.
- GFRP 슬래브 교량의 공용중 내하력은 설계하중 DB-24에 근접하는 것으로 나타 예상하였던 대로 전체적으로 구조성능에는 이상이 없는 것으로 판단된다. 본 연구에서 얻어진 장기성능 평가의 기초자료는 향후 유사한 GFRP 슬래브 교량의 해석, 설계, 제작, 설치 및 유지관리에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 장기성능 평가 결과로 FRP 재료비가 기존 건설재료비에 비해 상대적으로 높으나 FRP 재료 특성에 맞는 샌드위치 교량 상부구조 형식개발, 급속시공으로 인한 공사기간 획기적인 단축 및 건설 중장비 사용배제, 유지보수비용 절감 및 생애주기 비용(LCC; Life Cycle Cost)을 고려하면, FRP 재료 교량 건설은 충분히 가능할 것으로 판단된다.
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