[논문]GFRP 근 보강 콘크리트 교량 바닥판의 설계지배인자

조정래; 박영환; 박성용; 조근희; 김성태

doi:10.14346/jkosos.2015.30.6.70

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In this study, the governing design factors of GFRP-reinforced concrete bridge deck are analyzed for typical bridges in Korea. The adopted bridge deck is a cast-in-situ concrete bridge deck for the prestressed concrete girder bridge with dimensions of 240 mm thickness and 2.75 m span length from cen...

In this study, the governing design factors of GFRP-reinforced concrete bridge deck are analyzed for typical bridges in Korea. The adopted bridge deck is a cast-in-situ concrete bridge deck for the prestressed concrete girder bridge with dimensions of 240 mm thickness and 2.75 m span length from center-to-center of supporting girders. The selected design variables are the diameters of GFRP rebar, spacings of GFRP rebars and concrete cover thicknesses, Considering the absence of the specification relating GFRP rebar in Korea, AASHTO specification is used to design the GFRP-reinforced concrete bridge deck. The GFRP-reinforced concrete bridge deck is proved to be governed by the criteria about serviceability, especially maximum crack width, while steel reinforced concrete bridge deck is governed by the criteria on ultimate limit state. In addition, GFRP rebars with diameter of 16 mm ~ 19 mm should be used for the main transverse direction of decks to assure appropriate rebar spacings.

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문제 정의

. GFRP 근의 적용이 늘어나는 주 원인이 겨울철의 과도한 제설제 사용, 해양 환경 등 부식 환경에 노출된 구조물의 철근을 무부식 재료인 GFRP 근으로 대체하기 위해서이다. GFRP 근 관련 설계기준으로 미국의 ACI 440 위원회에서 2006년 ACI 440.
GFRP 근 직경, GFRP 근 배치 간격, 피복 두께 등을 설계변수로 설정하였다. 본 연구를 통해 기존 철근 콘크리트 바닥판과 비교되는 GFRP 근 보강 콘크리트 교량 바닥판의 설계 지배인자를 분석하고, 현실적으로 적용 가능한 GFRP 근 직경 및 배근 간격을 찾고자 한다.
본 연구에서는 국내의 전형적으로 적용되는 교량 바닥판 형식을 대상으로 GFRP 근으로 보강된 콘크리트 교량 바닥판의 설계지배인자를 분석하였다. 분석에 사용된 교량 바닥판은 거더 중심 간격 2.
본 연구에서는 국내의 전형적인 교량 바닥판 형식인 프리스트레스트 거더 교량의 현장타설바닥판을 대상으로 설계지배인자를 분석하였다. 극한 강도 한계 상태의 휨강도가 설계를 지배하는 철근 콘크리트 바닥판과 달리 GFRP 근 보강 콘크리트 바닥판은 GFRP 근의 낮은 강성으로 인해 사용성, 특히 최대균열폭이 설계를 지배함을 확인하였다.

가설 설정

6은 피복 두께 50 mm를 제외하고 동일한 조건의 철근 콘크리트 바닥판에 대한 설계모멘트 및 최대 균열폭에 대한 설계결과를 배근 간격에 따라 도시한 것이다. 도로교설계기준¹⁵⁾에 따라 설계하였으며 설계 등급 D를 가정하였고 한계균열폭은 0.3 mm를 적용하였다. 따라서 극한모멘트(M_u)는 GFRP 근 보강 콘크리트 바닥판과 동일하나 한계균열폭이 0.

제안 방법

75 m의 프리스트레스트 거더 교량의 현장 타설 콘크리트 교량 바닥 판이며 두께는 240 mm를 선택하였다. GFRP 근 직경, GFRP 근 배치 간격, 피복 두께 등을 설계변수로 설정하였다. 본 연구를 통해 기존 철근 콘크리트 바닥판과 비교되는 GFRP 근 보강 콘크리트 교량 바닥판의 설계 지배인자를 분석하고, 현실적으로 적용 가능한 GFRP 근 직경 및 배근 간격을 찾고자 한다.
콘크리트 기준 압축강도는 30 MPa이다. 설계지배인자 분석에 사용된 매개변수는 (1) GFRP 근 직경(13 mm, 16 mm, 19 mm), (2) 보강근의 콘크리트 피복(30 mm, 40 mm, 50mm), (3) GFRP 근의 배근 간격(50 mm ~ 250 mm, 10 mm 간격으로 설계 수행)이다. 표 1은 적용된 GFRP 근의 역학적 특성을 정리한 것이다¹⁾.
철근의 항복이 먼저 발생하도록 규정하는 철근 콘크리트 부재 설계와 달리 GFRP 근 보강 콘크리트 바닥판에서는 콘크리트 및 GFRP 근의 파괴를 모두 허용하고 있다. 콘크리트 파괴 및 GFRP 근 파괴 등 파괴 모드의 판단은 균형보강비(p_fb)를 계산한 후 실제 보강비(p_f = A_f/bd)와 비교를 통해 결정하며 각각의 파괴 모드에 따른 공칭모멘트 계산식을 제공한다. Fig.
한편 AASHTO⁴⁾에서 제시하는 한계균열폭 0.5 mm는 강제 규정이 아닌 점을 감안하여 한계균열폭과 피복두께가 GFRP 근 보강 콘크리트 바닥판의 설계에 미치는 영향을 분석하였다. 보다 완화된 한계균열폭 기준 0.

대상 데이터

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 국내에서 전형적으로 적용되는 교량 바닥판 형식인 프리스트레스트 거더 교량에서 연속판 조건의 현장타설 교량 바닥판으로 선정하였다. 거더 중심간 간격은 2.
본 연구에서는 국내의 전형적으로 적용되는 교량 바닥판 형식을 대상으로 GFRP 근으로 보강된 콘크리트 교량 바닥판의 설계지배인자를 분석하였다. 분석에 사용된 교량 바닥판은 거더 중심 간격 2.75 m의 프리스트레스트 거더 교량의 현장 타설 콘크리트 교량 바닥 판이며 두께는 240 mm를 선택하였다. GFRP 근 직경, GFRP 근 배치 간격, 피복 두께 등을 설계변수로 설정하였다.
8은 FRP 근 D16과 D19에 대해 피복두께 30 mm, 40 mm, 50 mm를 적용한 경우 극한 강도 한계 상태의 휨모멘트 및 사용 한계 상태의 최대균열폭에 대한 결과를 도시한 것이다. 한계 균열폭이 AASHTO⁴⁾에서 정의한 0.5 mm인 경우와 보다 완화된 기준인 CHBDC의 0.7 mm(외기 노출)를 적용하였다. 이전 절의 분석결과와 동일하게 사용 한계 상태의 균열에 의해 설계가 지배됨을 알 수 있다.

이론/모형

연구에 사용된 설계법은 GFRP 근 관련 국내 설계기준이 없는 점을 감안하여 AASHTO⁴⁾를 적용하였다. 이 기준은 교량 바닥판 및 난간에 한정적으로 적용 가능한 LRFD 설계법을 따르는 기준이며 극한 강도 한계 상태, 사용 한계 상태, 피로 및 크리프 파괴 한계 상태 등에 대해 요구조건을 만족하도록 규정하고 있다.
4를 적용할 수 있다. 이와 같이 직접적으로 균열폭을 계산하는 방식은 ACI 440.1R-06²⁾에서 채용한 것이다. 최근 ACI 440.

성능/효과

본 연구에서는 국내의 전형적인 교량 바닥판 형식인 프리스트레스트 거더 교량의 현장타설바닥판을 대상으로 설계지배인자를 분석하였다. 극한 강도 한계 상태의 휨강도가 설계를 지배하는 철근 콘크리트 바닥판과 달리 GFRP 근 보강 콘크리트 바닥판은 GFRP 근의 낮은 강성으로 인해 사용성, 특히 최대균열폭이 설계를 지배함을 확인하였다. 또한 적절한 배근 간격을 유지하기 위해서는 직경 16 mm, 19 mm의 GFRP 근이 주근으로 사용되어야 함을 확인하였으며 각각의 배근간격은 100 mm와 150 mm이다.
극한 강도 한계 상태의 휨강도가 설계를 지배하는 철근 콘크리트 바닥판과 달리 GFRP 근 보강 콘크리트 바닥판은 GFRP 근의 낮은 강성으로 인해 사용성, 특히 최대균열폭이 설계를 지배함을 확인하였다. 또한 적절한 배근 간격을 유지하기 위해서는 직경 16 mm, 19 mm의 GFRP 근이 주근으로 사용되어야 함을 확인하였으며 각각의 배근간격은 100 mm와 150 mm이다. 콘크리트 피복 두께는 30 ~ 40 mm가 설계를 만족함을 확인하였다.
5 mm는 강제 규정이 아닌 점을 감안하여 한계균열폭과 피복두께가 GFRP 근 보강 콘크리트 바닥판의 설계에 미치는 영향을 분석하였다. 보다 완화된 한계균열폭 기준 0.7 mm를 적용할 경우 보다 경제적인 GFRP 근의 사용이 가능함을 확인하였고, 지나친 피복두께를 적용하는 것은 GFRP 근의 과도한 사용이 필요함을 확인하였다.
또한 적절한 배근 간격을 유지하기 위해서는 직경 16 mm, 19 mm의 GFRP 근이 주근으로 사용되어야 함을 확인하였으며 각각의 배근간격은 100 mm와 150 mm이다. 콘크리트 피복 두께는 30 ~ 40 mm가 설계를 만족함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FRP 복합재료 보강재 개발 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 건설기술 개발연구의 한계점은?	국내에서 GFRP 근에 대한 최초의 종합적인 연구는 한국건설기술연구원이 산업기술연구회의 지원으로 수행한 “FRP 복합재료 보강재 개발 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 건설기술 개발(2003-2008)”이다1). 이 연구를 통해 우수한 역학성능을 갖는 KICT Bar가 개발되었으나, 국내의 관련 시험 규격 및 설계 기준 미비로 본격적인 실용화가 이루어지지는 않았다. 최근에는 한국건설기술연구원의 주요사업의 일환으로 수행중인 “FRP 재료를 활용한 인프라구조물 구조성능기술 개발 (2013-2017)” 과제의 세세부과제인 “FRP Hybrid Bar를 활용한 해양항만 구조물 수명향상 기술 개발” 과제에서 하이브리드 GFRP 근의 개발이 추진되고 있으며, 국토교통과학기술진흥원이 발주한 “ICT 기반 교량 수명 연장을 위한 부분교체 및 저탄소 소재 활용 기술 개발” 연구단 과제의 세세부과제 “콘크리트 부재 장수명화를 위한 FRP 보강근 실용화 기술 개발(2013-2017)”을 통해 국내 GFRP 근의 시험규격 및 구조설계기준을 정비하고, 이를 토대로 국내 여건에 적합한 GFRP 근 실용화를 위해 연구 중이다.
	GFRP 근의 적용이 늘어나는 주 원인은?	건설 분야에 FRP 복합재료가 도입된 것은 1950년대 이며, GFRP 근이 건설 분야에 도입된 것은 1970년대 후반으로, 초창기 Marshall-Vega 사가 미국의 GFRP 근 시장을 이끌었으며 이후 북미 지역을 중심으로 ASLAN, IsoRod(이후 V-Rod로 변경) 등 다양한 GFRP 근 제조사가 등장하게 된다1). GFRP 근의 적용이 늘어나는 주 원인이 겨울철의 과도한 제설제 사용, 해양 환경 등 부식 환경에 노출된 구조물의 철근을 무부식 재료인 GFRP 근으로 대체하기 위해서이다. GFRP 근 관련 설계기준으로 미국의 ACI 440 위원회에서 2006년 ACI 440.
	AASHTO란?	AASHTO에서는 LRFD 설계법에 근거한 기준4)(이하 AASHTO)을 제시한 바 있다. AASHTO는 ACI 440.1R-062)에 기초하고 있으며 교량 바닥판 및 난간에 한정적으로 적용가능한 기준이다. 캐나다에서는 2006년 Canadian Highway Bridge Design Code(이하 CHBDC)5), 2007년 ISIS Design Manual6) 등이 제시되었으며 최근 기준은 CSA-S806-127)이다.

참고문헌 (15)

Korea Institute of Construction Technology, Development of FRP Rebar and its Application Technology, 2008.
ACI Committee 440, Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bar (ACI 440.1R-06). American Concrete Institute, 2006.
ACI Committee 440, Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer(FRP) Bars (ACI 440.1R-15), American Concrete Institute, 2015.
AASHTO, AASHTO LRFD Bridge Design Guide Specifications for GFRP-Reinforced Concrete Bridge Decks and Traffic Railings, 2009.
Canadian Standards Association, Canadian Highway Bridge Design Code(CSA-S6-06), 2006.
ISIS Canada, Design Manual Stregthening Reinforced Concrete Structures with Externally-Bonded Fibre Reinforced Polymer, 2007.
Canadian Standards Association, Design and Construction of Building Structures with Fibre-reinforced Polymers (CSA-S806-12), 2012.
L. Taerwe and S. Matthys, Fib Model Code for Concrete Structures 2010. Ernst & Sohn, Wiley, 2013.
D.-W. Seo, B.-S. Han and S.-W. Shin, "Behaviour of One-Way Concrete Slabs Reinforced with Fiber Reinforced Polymer(FRP) Bars", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 19, No. 6, pp.763-771. 2007.

원문보기 상세보기
B.-S. Choi, "Deflection Behavior of Concrete Members Reinforced with FRP Bars", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 12, No. 2, pp.936-943. 2011.

원문보기 상세보기
Y.C. Choi, K.S. Park, H.K. Choi and C.S. Choi, "Behavior of Reinforcement Ratio on Concrete Beams Reinforced with Lap Spliced GFRP Bar", Journal of Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol. 15, No. 1, pp.67-76. 2011.

원문보기 상세보기
J.-S. Sim, H.-S. Oh, M.-K. Ju and J.-H. Lim, "New Suggestion of Effective Moment of Inertia for Beams Reinforced with the Deformed GFRP Rebar", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 20, No. 2, pp.185-191. 2008.

원문보기 상세보기
S.-S. Ha and D.-U. Choi, "Development Length of GFRP Bars", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 22, No. 1, pp.131-141. 2010.

원문보기 상세보기
J.-Y. Lee, C. Yi, T.-Y. Kim, J.-S. Park and Y.-H. Park, "Bond Failure Surface of Glass Fiber Reinforced Polymer Bars", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 20, No. 3, pp.383-391. 2008.

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Korea Road and Transportation Association, Korean Highway Bridge Design Code, 2012.

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