본 연구는 GFRP plate 보강세그먼트를 TBM 터널 지보재로 적용하기 위한 성능평가를 실시하였다. 세그먼트의 철근량 감소와 균열제어 및 파손 등의 국부적인 손상 방지를 위하여 최근 SFRC세그먼트 적용되고 있다. 그러나 SFRC세그먼트에 사용되는 강섬유는 섬유 부식에 의한 내구성 저하 문제가 제기되고 있으며, RC세그먼트와 비교하여 SFRC세그먼트의 최대 휨하중 감소는 TBM 터널 세그먼트의 폭넓은 적용범위를 저해하고 있다. 따라서 SFRC세그먼트의 최대하중 증가를 위한 보강재로 GFRP plate 고려하였으며, 강섬유의 대체재로 부식 우려가 없는 구조용 합성섬유를 사용하였다. 보강섬유의 종류 및 GFRP plate 두께를 주요 변수로 하여 세그먼트의 휨 성능평가를 실시한 결과, 보강섬유와 3 mm 두께의 GFRP plate로 보강한 세그먼트는 섬유로만 보강한 세그먼트와 비교하여 섬유 종류별로 최대하중이 21.78~23.03%, 휨인성은 0.5~7.96% 증가하여 우수한 휨성능 효과를 보여주었다.
본 연구는 GFRP plate 보강세그먼트를 TBM 터널 지보재로 적용하기 위한 성능평가를 실시하였다. 세그먼트의 철근량 감소와 균열제어 및 파손 등의 국부적인 손상 방지를 위하여 최근 SFRC세그먼트 적용되고 있다. 그러나 SFRC세그먼트에 사용되는 강섬유는 섬유 부식에 의한 내구성 저하 문제가 제기되고 있으며, RC세그먼트와 비교하여 SFRC세그먼트의 최대 휨하중 감소는 TBM 터널 세그먼트의 폭넓은 적용범위를 저해하고 있다. 따라서 SFRC세그먼트의 최대하중 증가를 위한 보강재로 GFRP plate 고려하였으며, 강섬유의 대체재로 부식 우려가 없는 구조용 합성섬유를 사용하였다. 보강섬유의 종류 및 GFRP plate 두께를 주요 변수로 하여 세그먼트의 휨 성능평가를 실시한 결과, 보강섬유와 3 mm 두께의 GFRP plate로 보강한 세그먼트는 섬유로만 보강한 세그먼트와 비교하여 섬유 종류별로 최대하중이 21.78~23.03%, 휨인성은 0.5~7.96% 증가하여 우수한 휨성능 효과를 보여주었다.
This study was performed to evaluate the performance of GFRP plate reinforced segments for TBM tunnel support. Recently, the SFRC segment has been applied to prevent local damage such as reduction of the amount of reinforcing bars of the segment, crack control and breakage. However, the steel fiber ...
This study was performed to evaluate the performance of GFRP plate reinforced segments for TBM tunnel support. Recently, the SFRC segment has been applied to prevent local damage such as reduction of the amount of reinforcing bars of the segment, crack control and breakage. However, the steel fiber used in the SFRC segment has a problem of durability deterioration due to fiber corrosion. Compared with the RC segment, the maximum flexural load reduction of the SFRC segment hinders the broad application range of the TBM tunnel segment. Therefore, GFRP plate was considered as a stiffener for the maximum load increase of SFRC segment, and structural synthetic fiber without corrosive concern was used as a substitute for steel fiber. The flexural performance of the segment was evaluated by using the type of reinforcing fiber and GFRP plate thickness as the main parameters. As a result, the maximum load and the flexural toughness were increased by 21.78~23.03% and 0.5~7.96%, respectively, as compared with the segments reinforced with reinforcing fiber and GFRP plate of 3 mm thickness.
This study was performed to evaluate the performance of GFRP plate reinforced segments for TBM tunnel support. Recently, the SFRC segment has been applied to prevent local damage such as reduction of the amount of reinforcing bars of the segment, crack control and breakage. However, the steel fiber used in the SFRC segment has a problem of durability deterioration due to fiber corrosion. Compared with the RC segment, the maximum flexural load reduction of the SFRC segment hinders the broad application range of the TBM tunnel segment. Therefore, GFRP plate was considered as a stiffener for the maximum load increase of SFRC segment, and structural synthetic fiber without corrosive concern was used as a substitute for steel fiber. The flexural performance of the segment was evaluated by using the type of reinforcing fiber and GFRP plate thickness as the main parameters. As a result, the maximum load and the flexural toughness were increased by 21.78~23.03% and 0.5~7.96%, respectively, as compared with the segments reinforced with reinforcing fiber and GFRP plate of 3 mm thickness.
구조용 합성섬유 보강 세그먼트 배합의 경우 구조용 합성섬유만으로 보강한 SSF 배합, 구조용 합성섬유와 1mm 두께의 GFRP plate를 혼용한 SSF+GFRP1 배합, 구조용 합성섬유와 3 mm 두께의 GFRP plate를 혼용한 SSF+GFRP3 배합으로 설정하여 실험을 진행하였다.
섬유 및 GFRP plate 보강 세그먼트에 사용하는 GFRP plate 크기는 세그먼트와 GFRP plate간의 피복두께가 40 mm가 되도록 120 mm × 470 mm 제작하였으며, GFRP plate 크기와 세그먼트 시편에 GFRP plate를 적용한 모습은 Fig. 3과 같다.
섬유 종류 및 GFRP plate 두께에 따른 최대휨강도, 휨인성 및 등가휨강도는 ASTM C 1609 및 KS F 2566에 준하여 계산하였으며, 하중-변위 곡선의 최대 하중(PP)과 첫 피크 하중(P1)이 상이한 경우에는 각 하중에 대한 휨강도 f1과 fP를 구하고 P600과 P150을 읽고 그에 해당하는 휨강도 f600, f150을 산정하였다.
이에, 본 연구는 SFRC세그먼트의 최대 휨하중 증가를 위하여 조립이 간편한 Plate형의 유리섬유강화플라스틱 (Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP)을 보강재로 적용하였으며, 강섬유의 대체재로는 최근에 사용되고 있는 구조용 합성섬유를 사용하여 시편을 제작 한 후 하중 재하 실험을 통하여 섬유보강재 종류 및 GFRP plate의 두께 변수에 따른 휨성능 효과를 분석하였다.
, 2016) 조립비 절감과 세그먼트 폭 축소에 대응하기 위하여 유리섬유와 폴리머 수지를 사용한 plate형식을 사용하였으며, 그 특성은 Table 5와 같다. 콘크리트와 GFRP plate간의 부착성능을 향상시키기 위하여 GFRP plate 표면에 규사를 분사시켜 사용하였다(Fig. 2).
대상 데이터
, 2018). 강섬유 혼입량은 해외 TBM 터널현장에서 시공된 사례가 있는 철근보강 없이 강섬유로만 보강된 세그먼트에 사용된 혼입량 40 kg/m3 으로 결정하였으며, 구조용 합성섬유는 NATM 터널 지보재로 사용되는 강섬유 보강 숏크리트의 상대적인 성능과 비교하여 사용되는 혼입률 1%를 적용하여 9 kg/m3 사용하였다. 본 연구에서 적용된 배합비는 Table 6과 같다.
그러나 도심지에서 일반적인 왕복 2차선 차도로 구성되는 사거리 교차로를 통과하기 위한 최대 곡선반경은 30 m이며, 폭 600 mm 이하인 세그먼트가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 GFRP plate를 사용한 세그먼트의 휨성능 실험을 위한 세그먼트 시편 폭은 300 mm로 하였으며, 세그먼트 시편 두께는 기존 전력구 터널에 보편적으로 사용되는 200 mm로 하여 제작하였다. 실물 크기의 세그먼트 길이는 2,200 mm이나 실내실험이 가능하도록 실물 세그먼트의 약 1/4 크기로 축소하여 550 mm로 제작하였으며, 동일 변수에 대하여 3개의 시편을 제작하였다.
본 연구에서 사용한 GFRP는 유리섬유로 강화된 플라스틱계 복합재료로, 경량 · 내식성 · 성형성 등이 뛰어난 고성능 ․ 고기능성 재료이다(Sim et al., 2010; Park and Choi, 2013).
본 연구에서 사용한 굵은 골재는 최대치수 25mm의 부순 골재를 사용하였으며, 잔골재는 강사를 사용하였다. 그 특성은 Table 3과 같다.
본 연구에서 사용한 보강섬유는 섬유보강콘크리트에 가장 널리 적용되고 있는 강섬유(Kang et al., 2017; Ku et al., 2014)와 부식 우려가 없는 구조용 합성섬유를 사용하였다(Fig. 1). 섬유보강재는 형상비(L/D) 60, 길이 30mm, 직경 0.
본 연구에서 사용한 시멘트는 밀도 3.15 g/cm3의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 세그먼트의 내구성 및 수밀성을 확보하기 위하여 고로슬래그 미분말을 사용하였으며, 그 특성은 Table 1, 2와 같다.
1). 섬유보강재는 형상비(L/D) 60, 길이 30mm, 직경 0.5 mm인 hook type의 강섬유와 형상비(L/D) 30, 길이 30mm, 직경 1mm인 crimped type의 폴리올레핀계 구조용 합성섬유를 사용하였으며, 특성은 Table 4와 같다.
15 g/cm3의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 세그먼트의 내구성 및 수밀성을 확보하기 위하여 고로슬래그 미분말을 사용하였으며, 그 특성은 Table 1, 2와 같다.
따라서 본 연구에서는 GFRP plate를 사용한 세그먼트의 휨성능 실험을 위한 세그먼트 시편 폭은 300 mm로 하였으며, 세그먼트 시편 두께는 기존 전력구 터널에 보편적으로 사용되는 200 mm로 하여 제작하였다. 실물 크기의 세그먼트 길이는 2,200 mm이나 실내실험이 가능하도록 실물 세그먼트의 약 1/4 크기로 축소하여 550 mm로 제작하였으며, 동일 변수에 대하여 3개의 시편을 제작하였다.
이론/모형
본 연구의 세그먼트 배합설계는 국내 세그먼트 설계기준 강도인 42 MPa을 만족하는 기존 연구의 배합설계를 참고하여 실시하였다(Lee et al., 2018). 강섬유 혼입량은 해외 TBM 터널현장에서 시공된 사례가 있는 철근보강 없이 강섬유로만 보강된 세그먼트에 사용된 혼입량 40 kg/m3 으로 결정하였으며, 구조용 합성섬유는 NATM 터널 지보재로 사용되는 강섬유 보강 숏크리트의 상대적인 성능과 비교하여 사용되는 혼입률 1%를 적용하여 9 kg/m3 사용하였다.
성능/효과
1. 섬유로만 보강된 SF, SSF 배합의 경우에는 균열이 발생하는 순간 최대 하중에 도달하는 것으로 나타났으며, 섬유와 GFRP plate를 모두 사용한 SF+GFRP1, SF+GFRP3, SSF+GFRP1, SSF+GFRP3 배합은 첫 번째 피크값에서 콘크리트가 파괴되면서 균열 발생하였고 GFRP plate가 하중을 지지하다 두 번째 피크값에서 GFRP plate가 항복된 것으로 판단된다.
2. 강섬유 보강 세그먼트의 경우, SF 배합과 SF+GFRP1 배합은 최대 하중 108.8 kN, 110.0 kN으로 유사하였으나, SF+GFRP3 배합의 경우, 최대 하중 132.5 kN으로 SF 배합보다 21.78% 증가하는 것으로 나타났다. 합성 섬유 보강 세그먼트의 경우, SSF 배합과 SSF+GFRP1 배합은 최대 하중 97.
3. GFRP plate 1 mm를 사용한 SF+GFRP1, SSF+GFRP1 배합은 GFRP 보강효과가 크게 발생하지 않았으나 GFRP plate 3 mm를 사용한 SF+GFRP3, SSF+GFRP3 배합은 강도증진 효과가 크게 나타났다.
4. 강섬유 보강 세그먼트가 합성섬유 보강 세그먼트보다 휨성능이 약 0.5~7.4% 높게 나타났다. 따라서 합성섬유로 보강할 경우 강섬유 대비 동등 이상의 휨성능을 발휘하기 위해서는 추가 혼입량이 필요할 것으로 판단된다.
5. 각 섬유별로 GFRP plate 사용 및 두께에 따른 휨인성 및 등가휨강도를 분석한 결과, 합성섬유 보강 세그먼트의 휨인성 및 등가휨강도 최대 증가율은 SSF+GFRP3 배합이 SSF 배합 대비 7.96%로 나타났으며, 강섬유 보강 세그먼트의 휨인성 및 등가휨강도 최대 증가율은 SF+GFRP3 배합이 SF 배합 대비 7.34%로 나타났다.
6. 본 연구는 기존 세그먼트에 사용하지 않는 GFRP plate를 적용한 세그먼트의 휨성능을 검토하였으며, GFRP plate를 사용함으로써 휨인성 및 등가휨강도 등이 증가하여 지보성능이 우수하다는 것을 알 수 있었다. 또한 콘크리트와 GFRP plate 간의 재료분리는 일어나지 않아 섬유보강콘크리트에 휨강성 증진을 위한 보강재로 사용이 가능할 것으로 판단된다.
SF 배합과 SF+GFRP1 배합은 최대 하중 108.8kN, 110.0 kN으로 유사하였으나 SF+GFRP3 배합의 경우, 최대 하중 132.5 kN으로 SF 배합보다 21.78% 증가하는 것으로 나타났다.
SF+GFRP1의 휨인성 및 등가휨강도가 SSF+GFRP1보다 0.5% 높았으며, SF+GFRP3의 휨인성 및 등가휨강 도가 SSF+GFRP3보다 6.7% 높게 나타났다.
강섬유 보강 세그먼트가 합성섬유 보강 세그먼트보다 휨성능이 약 0.5~7.4% 높게 나타났다. 따라서 합성섬유로 보강할 경우 강섬유 대비 동등이상의 휨성능을 발휘하기 위해서는 추가 혼입량이 필요할 것으로 판단된다.
각 배합별 Φ100mm × 200mm의 표준공시체를 3개씩 제작하여 압축강도를 측정하였으며, 그 결과는 Table 7에 나타내었다. 강섬유 보강 세그먼트와 합성섬유 보강 세그먼트 배합 모두 설계기준강도인 42 MPa를 만족하였다.
강섬유 보강 세그먼트와 합성섬유 보강 세그먼트의 휨인성 및 등가휨강도를 비교 분석한 결과, SF 배합의 평균 휨인성는 130.934 kN · mm, 평균 등가휨강도는 1.637 MPa이며, SSF 배합의 평균 휨인성는 121.952 kN · mm, 평균 등가휨강도는 1.524 MPa로 SF 배합의 휨인성 및 등가휨강도가 SSF 배합보다 7.37% 높은 것으로 나타났다.
강섬유 보강 세그먼트의 GFRP plate 사용 및 두께에 따른 휨인성 및 등가휨강도를 분석한 결과, SF+GFRP1 배합이 SF 배합보다 휨인성 및 등가휨강도가 6.46% 높은 것으로 나타났으며, SF+GFRP3 배합은 SF 배합보다 휨인성 및 등가휨강도가 7.34% 높은 것으로 나타났다.
섬유와 GFRP plate 1 mm를 사용한 SF, SF+GFRP1, SSF, SSF+GFRP1 배합은 GFRP 보강효과가 크지 않았으나 GFRP plate 3mm를 사용한 SF+GFRP3, SSF+GFRP3 배합은 강도증진 효과가 크게 나타났다.
합성섬유 보강 세그먼트의 GFRP plate 사용 및 두께에 따른 휨인성 및 등가휨강도를 분석한 결과, SSF+GFRP1 배합이 SSF 배합보다 휨인성 및 등가휨강도가 6.72% 높은 것으로 나타났으며, SSF+GFRP3가 SSF 배합보다 휨인성 및 등가휨강도가 7.96% 높게 나타났다.
12와 같다. 휨 성능실험 후 파괴시편을 확인한 결과, 콘크리트와 GFRP plate의 재료분리는 일어나지 않은 것으로 나타나섬유보강콘크리트에 휨강성 증진을 위한 보강재로 사용이 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
본 연구는 기존 세그먼트에 사용하지 않는 GFRP plate를 적용한 세그먼트의 휨성능을 검토하였으며, GFRP plate를 사용함으로써 휨인성 및 등가휨강도 등이 증가하여 지보성능이 우수하다는 것을 알 수 있었다. 또한 콘크리트와 GFRP plate 간의 재료분리는 일어나지 않아 섬유보강콘크리트에 휨강성 증진을 위한 보강재로 사용이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 본 연구는 GFRP plate를 적용한 세그먼트 개발을 위한 기초연구로써, 추후 실용화하기 위해서는 실대형 크기의 GFRP plate 세그먼트를 제작하여 효과를 검증할 필요가 있다.
또한 콘크리트와 GFRP plate 간의 재료분리는 일어나지 않아 섬유보강콘크리트에 휨강성 증진을 위한 보강재로 사용이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 본 연구는 GFRP plate를 적용한 세그먼트 개발을 위한 기초연구로써, 추후 실용화하기 위해서는 실대형 크기의 GFRP plate 세그먼트를 제작하여 효과를 검증할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TBM 터널에 사용되는 세그먼트 라이닝의 구조적 특징은 무엇인가?
국내 터널 굴착은 NATM 공법이 주로 적용되어 왔으나, 환경문제, 소음 및 진동으로 인한 민원 발생 등을 이유로 도심지에서 TBM 장비를 활용한 기계굴착 공법이 증가하고 있는 추세이며, 현재는 지하철, 도로 뿐만 아니라 전력구, 통신구 등 다양한 종류의 터널 시공에 널리 적용되고 있다(Woo and Yoo, 2015; Yoo and Jeon, 2012). TBM 터널에 사용되는 세그먼트 라이닝은 공장이나 현장에서 미리 제작된 프리캐스트 세그먼트를 조립하여 영구구조 체로 사용되며, TBM 장비의 추진을 위한 반력지지 구조로 활용되고 있다(Lee et al., 2013; Moon et al.
최근 TBM 장비를 활용한 기계굴착 공법이 증가하는 이유는 무엇인가?
국내 터널 굴착은 NATM 공법이 주로 적용되어 왔으나, 환경문제, 소음 및 진동으로 인한 민원 발생 등을 이유로 도심지에서 TBM 장비를 활용한 기계굴착 공법이 증가하고 있는 추세이며, 현재는 지하철, 도로 뿐만 아니라 전력구, 통신구 등 다양한 종류의 터널 시공에 널리 적용되고 있다(Woo and Yoo, 2015; Yoo and Jeon, 2012). TBM 터널에 사용되는 세그먼트 라이닝은 공장이나 현장에서 미리 제작된 프리캐스트 세그먼트를 조립하여 영구구조 체로 사용되며, TBM 장비의 추진을 위한 반력지지 구조로 활용되고 있다(Lee et al.
TBM 터널 에 SFRC세그먼트 적용하는 것의 한계는 무엇인가?
세그먼트의 철근량 감소와 균열제어 및 파손 등의 국부적인 손상 방지를 위하여 최근 SFRC세그먼트 적용되고 있다. 그러나 SFRC세그먼트에 사용되는 강섬유는 섬유 부식에 의한 내구성 저하 문제가 제기되고 있으며, RC세그먼트와 비교하여 SFRC세그먼트의 최대 휨하중 감소는 TBM 터널 세그먼트의 폭넓은 적용범위를 저해하고 있다. 따라서 SFRC세그먼트의 최대하중 증가를 위한 보강재로 GFRP plate 고려하였으며, 강섬유의 대체재로 부식 우려가 없는 구조용 합성섬유를 사용하였다.
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