철근의 부식은 철근콘크리트 교량 바닥판의 성능 저하에 큰 요인으로 작용한다. FRP는 비부식성 재료이기 때문에 이를 활용하여 보강근을 개발하려는 노력이 이루어지고 있다. 여러 종류의 FRP 보강근이 개발되었으나 아직 활용 실적은 많지 않은 상황이다. 그 이유로는 FRP 보강 콘크리트 구조물에 대한 단/장기 검증 데이터가 부족하기 때문이다. 이 연구에서는 GFRP 보강 바닥판에 대한 피로성능을 관찰하기 위해서 길이 4000 mm, 폭이 3000 mm, 높이 240 mm인 실제 크기의 교량 바닥판을 도로교설계기준을 준용하여 제작한 후 실험을 실시하였다. 하부 보강비를 변수로 설정하였으며 DB-24 하중이 바닥판 중앙에 집중 작용하는 것으로 실험을 실시하였다. 사용하중의 3.5, 4.5, 5.0배에 해당하는 다양한 하중을 2백 만회 이상 반복 재하하여 GFRP 보강 바닥판의 피로성능을 관찰하였다. 실험 결과 거더가 횡구속된 GFRP 보강 바닥판의 최대성능은 보강근비에는 민감하지 않았고, 피로성능은 보강비보다는 적용하중의 크기에 민감하며, 바닥판이 200만회 이상 반복재하에 저항하기 위해서는 재하되는 집중하중의 크기는 최대하중의 58% 수준 이하이어야 하며, 이 연구의 실험 대상 GFRP 보강 바닥판의 피로수명은 철근 콘크리트 바닥판의 수명 예측값보다는 다소 낮은 값을 나타내었고 FRP 보강 콘크리트 바닥판의 기존 예측값보다는 높은 값을 나타내었다.
철근의 부식은 철근콘크리트 교량 바닥판의 성능 저하에 큰 요인으로 작용한다. FRP는 비부식성 재료이기 때문에 이를 활용하여 보강근을 개발하려는 노력이 이루어지고 있다. 여러 종류의 FRP 보강근이 개발되었으나 아직 활용 실적은 많지 않은 상황이다. 그 이유로는 FRP 보강 콘크리트 구조물에 대한 단/장기 검증 데이터가 부족하기 때문이다. 이 연구에서는 GFRP 보강 바닥판에 대한 피로성능을 관찰하기 위해서 길이 4000 mm, 폭이 3000 mm, 높이 240 mm인 실제 크기의 교량 바닥판을 도로교설계기준을 준용하여 제작한 후 실험을 실시하였다. 하부 보강비를 변수로 설정하였으며 DB-24 하중이 바닥판 중앙에 집중 작용하는 것으로 실험을 실시하였다. 사용하중의 3.5, 4.5, 5.0배에 해당하는 다양한 하중을 2백 만회 이상 반복 재하하여 GFRP 보강 바닥판의 피로성능을 관찰하였다. 실험 결과 거더가 횡구속된 GFRP 보강 바닥판의 최대성능은 보강근비에는 민감하지 않았고, 피로성능은 보강비보다는 적용하중의 크기에 민감하며, 바닥판이 200만회 이상 반복재하에 저항하기 위해서는 재하되는 집중하중의 크기는 최대하중의 58% 수준 이하이어야 하며, 이 연구의 실험 대상 GFRP 보강 바닥판의 피로수명은 철근 콘크리트 바닥판의 수명 예측값보다는 다소 낮은 값을 나타내었고 FRP 보강 콘크리트 바닥판의 기존 예측값보다는 높은 값을 나타내었다.
The corrosion of steel reinforcement in reinforced concrete bridge decks significantly affects the degradation of the capacity. Due to the advantageous characteristics such as high tensile strength and non-corrosive property, fiber reinforced polymer (FRP) has been gathering much interest from desig...
The corrosion of steel reinforcement in reinforced concrete bridge decks significantly affects the degradation of the capacity. Due to the advantageous characteristics such as high tensile strength and non-corrosive property, fiber reinforced polymer (FRP) has been gathering much interest from designers and engineers for possible usage as a alternative reinforcement for a steel reinforcing bar. However, its application has not been widespread, because there data for short- and long-term performance data of FRP reinforced concrete members are insufficient. In this paper, seven full-scale decks with dimensions of $4000{\times}3000{\times}240mm$ were prepared and tested to failure in the laboratory. The test parameter was the bottom reinforcement ratio in transverse direction. The decks were subjected to various levels of concentrated cyclic load with a contact area of $577{\times}231mm$ to simulate the vehicle loading of DB-24 truck wheel loads acting on the center span of the deck. It was observed that the glass FRP (GFRP) reinforced deck on a restraint girder is strongly effected to the level of the applied load rather than the bottom reinforcement ratio. The study results showed that the maximum load less than 58% of the maximum static load can be applied to the deck to resist a fatigue load of 2 million cycles. The fatigue life of the GFRP decks from this study showed the lower and higher fatigue performance than that of ordinary steel and CFRP rebar reinforced concrete deck. respectively.
The corrosion of steel reinforcement in reinforced concrete bridge decks significantly affects the degradation of the capacity. Due to the advantageous characteristics such as high tensile strength and non-corrosive property, fiber reinforced polymer (FRP) has been gathering much interest from designers and engineers for possible usage as a alternative reinforcement for a steel reinforcing bar. However, its application has not been widespread, because there data for short- and long-term performance data of FRP reinforced concrete members are insufficient. In this paper, seven full-scale decks with dimensions of $4000{\times}3000{\times}240mm$ were prepared and tested to failure in the laboratory. The test parameter was the bottom reinforcement ratio in transverse direction. The decks were subjected to various levels of concentrated cyclic load with a contact area of $577{\times}231mm$ to simulate the vehicle loading of DB-24 truck wheel loads acting on the center span of the deck. It was observed that the glass FRP (GFRP) reinforced deck on a restraint girder is strongly effected to the level of the applied load rather than the bottom reinforcement ratio. The study results showed that the maximum load less than 58% of the maximum static load can be applied to the deck to resist a fatigue load of 2 million cycles. The fatigue life of the GFRP decks from this study showed the lower and higher fatigue performance than that of ordinary steel and CFRP rebar reinforced concrete deck. respectively.
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문제 정의
많은 연구자들이 철근 또는 FRP 보강근으로 보강된 바닥판의 피로수명을 예측하고자 하였다. 몇몇 연구자들이 제안한 바닥판의 피로수명 예측식을 아래에 나타내었다.
용하여 보강된 바닥판의 장기성능 중 하나인 피로성능을 평가하고자 하였다. 보강비를 변수로 하여 길이 4000 mm, 폭이 3000 mm, 높이 240 mm인 실제 크기의 교량 바닥판 7개를 제작하였고 다양한 크기의 반복하중에 대한 성능을 평가하였다.
4배 정도의 하중으로 반복재하하는 경우 피로파괴가 나타났다고 보고하였다. 이 결과를 바탕으로 피로수명 예측식을 제안하였다. El-Ragaby 등13)은 GFRP 보강근이 사용된 무철근 바닥판에 대하여 일정 횟수마다 하중을 다르게 적용한 피로실험을 수행하여 누적된 손상과 바닥판 수명과의 관계를 관찰하였다.
이 연구에서는 국내에서 개발된 GFRP 보강근으로 보강된 콘크리트 바닥판의 설계를 위한 기초자료를 마련하고자 이에 대한 피로성능을 평가하였다. 실험을 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.
제안 방법
GFRP 보강근으로 보강된 바닥판에 하중을 반복적으로 재하 후의 성능을 비교하기 위하여 먼저 GD 1-1 바닥판과 이에 비해 하부 종횡방향 보강비를 2배 증가시킨 GD 3-1 실험체에 대해 정적성능 실험을 실시하였으며 그 결과를 Table 4에 나타내었다.
가력점과 지점 주변의 변위를 관찰하기 위하여 변위계를 바닥판 하면에 설치하였으며 균열 계측을 위해 Ω형게이지를 이용하였다.
바닥판의 크기는 폭과 길이, 두께가 각각 3000 mm(순지간 2200 mm), 4000 mm, 240 mm이며, 600×300×14×23규격의 H형강을 이용하여 거더를 구성하였다. 거더의 복부는 9 mm 두께의 강판으로 보강하였으며 C형강으로 거더의 종방향 양단을 보강하였다. 바닥판의 제원을 Fig.
국내에는 FRP 보강 콘크리트 구조물에 대한 설계기준이 없기 때문에 도로교설계기준15)을 준용하여 바닥판을 설계하였고 해외 기준에 대해 검토하였다.
바닥판의 정적성능을 살펴보기 위하여 GD 1과 GD 3 바닥판은 0.5 mm/min의 속도와 변위제어로 정적실험을 먼저 수행하였다.
용하여 보강된 바닥판의 장기성능 중 하나인 피로성능을 평가하고자 하였다. 보강비를 변수로 하여 길이 4000 mm, 폭이 3000 mm, 높이 240 mm인 실제 크기의 교량 바닥판 7개를 제작하였고 다양한 크기의 반복하중에 대한 성능을 평가하였다.
이 연구에서는 GFRP 보강근으로 보강된 교량 바닥판의 반복하중에 의한 피로수명을 관찰하고자 세 가지 하중 수준에 대해 실험을 실시하였으며 그 결과를 Table 4에 나타내었다.
초기 균열은 사용하중 수준에서 발생하였으며 이를 표시한 후에 하중을 제거하고 균열 경로를 따라 Ω형 균열게이지를 부착하였다. 이후 각 바닥판별로 계획된 반복하중을 재하하였다.
차륜에 의한 집중하중을 모사하기 위하여 다양한 하중 수준에 대해 일정한 진폭으로 바닥판에 하중을 재하하였다. 포장체 하중과 반복재하시 충격하중을 방지하기 위하여 하중의 최소값은 15 kN으로 설정하였다.
피로성능 관찰을 위한 반복하중은 1000 kN 용량의 동적 엑츄에이터(actuator)를 이용하여 3 Hz의 속도로 재하 하였으며, 정해진 횟수마다 정적실험을 수행하여 변화량을 관찰하였다. 2백만 회 가력 후에 파괴가 발생하지 않았을 경우에는 3000 kN 용량의 엑츄에이터를 이용하여 파괴될 때까지 정적하중을 재하하였다.
대상 데이터
436%로 고정시켰고, 상하부 콘크리트 덮개는 모두 50 mm가 사용되었다. GD 1과 GD 3는 각각 3개씩, GD 2는 1개의 바닥판을 제작하였다. 바닥판별 보강비를 Table 2에 나타내었다.
바닥판의 크기는 폭과 길이, 두께가 각각 3000 mm(순지간 2200 mm), 4000 mm, 240 mm이며, 600×300×14×23규격의 H형강을 이용하여 거더를 구성하였다.
실험변수는 보강비이며 GFRP 보강근으로 보강된 바닥판 GD 1은 기준이 되는 실험체이다. GD 2와 GD 3 바닥 판은 GD 1에 비해 하부의 종횡보강비를 증가시킨 경우이다.
Table 1에는 개발된 보강근의 성능을 나타내었다. 이 실험대상 바닥판 실험체에는 D19 보강근이 사용되었다.
에 규정된 DB-24등급의 후륜 하중이 집중 재하되는 것으로 실험하였다. 이를 위해 후륜의 접지면적을 환산하여 폭 231 mm, 길이 577 mm, 두께 70 mm인 강판과 20 mm 두께의 고무판을 바닥판 중앙에 설치하였다.
이론/모형
모든 바닥판에 대해 도로교설계기준15)에 규정된 DB-24등급의 후륜 하중이 집중 재하되는 것으로 실험하였다. 이를 위해 후륜의 접지면적을 환산하여 폭 231 mm, 길이 577 mm, 두께 70 mm인 강판과 20 mm 두께의 고무판을 바닥판 중앙에 설치하였다.
성능/효과
1) 거더가 횡구속된 바닥판의 경우 바닥판 하부의 종횡 보강비 증가에 의한 정적 최대하중의 증가는 미미하다.
2) 사용하중의 4.5배에 해당하는 하중을 2백 만회 반복 재하한 후에도 보강비 증가에 따른 최대하중 증가 경향은 나타나지 않았다. 따라서 정적 실험과 반복 재하 실험으로부터 설계규정을 준수하여 제작된 GFRP 보강 바닥판의 최대하중은 보강근비에는 민감하지 않다.
3) GFRP 보강 바닥판이 2백만 회 이상의 반복재하에 저항하기 위해서는 재하되는 집중하중의 크기가 최대하중의 58% 수준 이하이어야 한다.
4) 설계기준에 따라 제작된 GFRP 보강 바닥판의 경우 보강비를 증가시키는 것은 피로성능에 긍정적인 영향을 미치지 않는다.
GD 1-1과 GD 3-1의 정적 최대하중은 각각 959 kN, 1067 kN으로 나타났다. GD 3-1은 GD 1-1에 비해 하부 종횡방향 보강비를 증가시킨 것으로 보강비가 2배 증가 하더라도 최대하중은 약 11% 정도만 증가하는 결과가 나타났다. You 등18)은 하부 횡방향 보강비가 0.
그림에서 Youn and Chang8)과 Matsui 등11)의 모델은 철근 콘크리트 바닥판의 실험으로부터 도출된 결과임을 감안하면 이 연구에서 사용된 철근과 유사한 돌기를 가진 GFRP 보강근으로 보강된 바닥판의 경우 Klowak 등13)과 El-Ragaby 등13)의 예측식보다 높은 하중 수준을 보이고 있어 개발된 GFRP 보강근을 사용한 바닥판은 상대적으로 우수한 피로성능을 나타내고 있음을 알 수 있다.
대부분의 바닥판에서 비록 영구변형이 발생하였으나 1백만 회까지 하중을 반복재하한 후에도 강성은 거의 변하지 않는 것으로 관찰되었다. GD 1-3 실험체만 1236943번의 하중이 재하된 뒤에 파괴되었는데 Fig.
모든 바닥판은 보통 중량의 레미콘을 사용하여 타설되었으며, 100×200 mm의 실린더형 시편을 이용하여 시험한 콘크리트의 평균 압축강도는 36 MPa이었다.
서술한 바와 같이 피로파괴가 발생한 GD 1-3 바닥판의 경우 파괴직전에 강성이 급격히 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 현상으로부터 비록 피로파괴가 발생하지는 않았으나 GD 1-2, GD 3-3 바닥판의 강성이 저하가 급격히 관찰되고 있어 곧 파괴될 가능성이 있는 것을 유추할 수 있다.
El-Ragaby 등13)은 GFRP 보강근이 사용된 무철근 바닥판에 대하여 일정 횟수마다 하중을 다르게 적용한 피로실험을 수행하여 누적된 손상과 바닥판 수명과의 관계를 관찰하였다. 실험 결과로부터 재하된 하중의 수준과 반복 재하 횟수 사이의 관계식을 도출하였으며, 다른 연구자들에 의해 수행된 다른 제원의 바닥판 수명도 적절히 예측할 수 있다고 하였다.
이의 결과를 사용하중의 약 3.5배 하중(432 kN, 최대하 중의 40%) 또는 약 5배 하중(630 kN, 최대하중의 66%)으로 가력한 바닥판 GD 3-2, GD 1-3의 결과와 비교해 보면, 작용하중 크기가 상대적으로 낮은 경우에는 반복재 하를 2백만회 또는 3백만 회 수행하여도 피로파괴는 발생하지 않았고 최대하중도 거의 유사한 것으로 나타났다. 그러나 상대적으로 큰 하중을 재하한 경우에는 약 1백만 회에서 피로파괴가 발생하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FRP를 이용한 보강근이나 긴장재를 개발하려는 연구가 이루어지는 이유는 무엇인가?
이러한 부식 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 방법중 하나는 비부식성 재료를 사용하여 철근을 대체할 수있는 보강근을 제작하는 것이고 그러한 재료 중 하나로 섬유복합재료(fiber reinforced polymer, 이하 FRP)가 주목 받고 있다. FRP는 비강도가 크고 무게가 가벼우면서 특히 비부식성 재료이기 때문에 이를 이용하여 철근을 대체할 수 있는 보강근이나 긴장재를 개발하려는 연구가 여러 나라에서 이루어지고 있으며, 몇몇 제품은 상용화 되어 실제 현장에 사용되고 있다.1)
철근 콘크리트 부재의 단점은 무엇인가?
철근 콘크리트 부재는 구조적으로나 재료적으로 많은 장점을 가지고 있지만 철근이 부식에 취약하다는 단점을 가지고 있고 이것은 전체 구조물의 성능저하에 중요한 요인으로 작용한다. 잘 알려져 있듯이 극심한 온도 편차와 염화칼슘 사용으로 철근의 부식이 촉진되고 이는 결국 구조물의 수명단축으로 이어진다.
철근 콘크리트 부재의 수명단축을 불러일으키는 요인에는 무엇이 있는가?
철근 콘크리트 부재는 구조적으로나 재료적으로 많은 장점을 가지고 있지만 철근이 부식에 취약하다는 단점을 가지고 있고 이것은 전체 구조물의 성능저하에 중요한 요인으로 작용한다. 잘 알려져 있듯이 극심한 온도 편차와 염화칼슘 사용으로 철근의 부식이 촉진되고 이는 결국 구조물의 수명단축으로 이어진다.
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