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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.7 No.3 pp.65-71
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.3.065

Applicability of GFRP Reinforcements for the Structural Design of Steel Box Girder Bridge Decks

Jin-Woo Lee1, Sang-Youl Lee2
1Managing director, Seoyoung Engineering Co., Seongnam, Korea
2Associate Professor, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea
Corresponding author: Lee, Sang-Youl Department of Civil Engineering, Andong National University, 388 Songchon-dong, Andong, Kyoungsangbuk-do 760-749, South Korea. +82-54-820-5847, lsy@anu.ac.kr
September 2, 2016 September 11, 2016 September 19, 2016

Abstract

This paper dealt with the applicability of GFRP materials as reinforcements for a steel box girder bridge deck. The purpose of this study is to provide detailed design procedures with a code-based text for GFRP composites for civil engineering structures. From the example design, the deck was optimized from a serviceability perspective but was quite overdesigned with regard to flexural strength and creep rupture stress, due to its relatively low longitudinal modulus but high strength. We may conclude from these results that it is advisable to check the serviceability limits before optimizing the design for strength or starting the design from the serviceability calculation.


강상자형 교량의 바닥판 구조설계를 위한 GFRP 보강근의 적용성

이 진우1, 이 상열2
1㈜서영엔지니어링 상무
2안동대학교 토목공학과 부교수

초록


    Andong National University

    1.서 론

    FRP 보강근은 기존 콘크리트의 철근이나 프리스트레 스 강선 대신에 사용되는 봉(Bar) 형상의 보강재이다. FRP 보강근은 기존 철근의 부식 문제의 대안으로 30 여년 전부터 개발이 시작되어 슬래브(Slab)나 보 (Beam) 구조에 적용 가능하도록 고안되었다. FRP 보 강근은 재료적으로 열경화성 수지(비닐에스테르, 에폭 시), 유리(glass), 탄소(carbon), 아라미드(aramid) 계열이 있다. 아라마드-FRP나 탄소-FRP 보강근은 경제성 때 문에 건설용으로는 잘 사용하지 않으며 주로 유리 -FRP 계열의 보강근이 사용되고 있다(Bank, 2006; Berg et al., 2006; Kon et. al., 2013).

    국외의 경우 선진국을 중심으로 다양한 FRP 보강 근이 개발되어 적용되고 있으며, 설계 및 시공기준도 폭넓게 제정되어 꾸준히 개정되고 있다(ACI, 2006). 그러나, 국내에서는 FRP 보강근 적용을 위한 구조설 계 기준이 명확하지 않으며, 교량 바닥판에 적용하여 설계 및 시공을 수행한 실적은 많지 않은 편이다. 이 러한 이유는 설계단계에서 참조해야할 설계기준이 제 대로 존재하지 않는다는 점과 아직까지 기존의 철근 콘크리트 구조 설계개념에서 크게 벗어나지 못하는 보수적인 설계관점 등을 들 수 있다. 우리나라의 경 제적 수준을 고려할 때 FRP와 같은 소재가 건설용으 로 더욱 활발하게 적용해야 할 시점으로 판단되며, 이를 위하여 다양한 적용 사례가 필요할 것이다. 따 라서 본 연구에서는 교량 바닥판 구조에 적용되는 GFRP 보강근에 대한 국외 설계 기준을 상세 분석하 고 실제 구조물을 대상으로 구조설계를 수행하여 적 용성을 검증하도록 한다. 구조 설계 예제는 실제 설계 를 수행한 강상자형 교량의 바닥판을 대상으로 기존의 철근을 대신하여 GFRP 보강근을 적용하기로 한다.

    2.FRP 보강근 적용 설계 개념

    FRP 보강근 적용에 대한 대표적인 구조 설계 기준은 미국 콘크리트학회에서 제정한 ACI Technical Committee 440 시리즈이다. 440.1R은 FRP 보강근의 기본 설계기준이며, 440.4R는 FRP 텐던 프리스트레스 설계기준을 제시한다(ACI, 2006). FRP 보강근의 최신 설계기준은 2015년에 개정되어 ACI 440.1R-15로 출판 되었다.

    FRP 보강근은 내부식성, 경량(강재의 1/5~1/4), 고 강도(종방향), 비자성, 피로내구성, 낮은 열 및 전기 전도성(절연성) 등의 장점을 갖는다. 반면, 높은 초기 공사비, 낮은 탄성계수(특히 G-FRP), 높은 열팽창계 수, 저강도(횡방향), 시간에 따른 강도저하, 응력-변형 률 거동이 파괴전까지 선형탄성거동 후 취성파괴되는 점(Fig.1 참조), 자외선 노출에 민감, 습윤 환경에 취 약(G-FRP) 등의 단점도 갖는다. 이러한 FRP 보강근의 다양한 특성을 합리적으로 설계에 반영해야 기존 구 조물 보다 더욱 개선된 구조물을 건설할 수 있을 것 이다.

    GFRP 보강근의 부착, 장기 내구성 항목의 물성치 는 실험에 의해 결정되는데, (ACI, 2006), 부착성질은 유리전이온도에 따라 결정되고 유리섬유 특성상 고온 에 민감하다. 횡방향 열팽창계수는 종방향 열팽창계 수와 같지 않으며, 횡방향이 10배정도 크다. 이것은 재료의 이방성에 기인한다. 또한, 일반적으로 열경화 성으로 만드는 FRP 보강근은 현장에서 절곡이 불가 능하므로 절곡근은 사전제작이 필요하며, 이때 강도 는 감소해야 한다. 반면, 열가소성 고분자 수지로 만 든 FRP 보강근은 현장에서 절곡이 가능하다. FRP 보 강근의 압축거동 경우, 충분한 연구가 아직 진행되어 있지 않으며 경우에 따라 인장물성치보다 압축물성치 가 낮을 수 있다. Table 1은 북미에서 생산되는 대표 적인 유리섬유 FRP 보강근의 물성을 보여준다.

    2.1.휨 설계

    FRP 보강근으로 보강된 콘크리트 구조의 설계개념은 미국의 경우 기본적으로 하중저항계수법(Load and resistance factors for design)을 적용하고 있다. 복합재 료로 보강된 휨 부재의 목표신뢰도지수 β=3.5으로서, AASHTO-LRFD와 동일하며 한국 3.7, 유럽 3.8이다. 즉, 설계수명 100년에 대한 극한한계상태 하중조합에 서 구조물의 파괴확률이 10-3.5이다. 휨 저항계수(Φ)는 많은 연구로 기준에 정리되어 있으나(ACI, 2006), 전 단저항계수에 대한 정립은 미미한 실정이다. 휨 저항 계수에 대한 ACI 기준은 다음과 같다(Fig.2 참조).

    φ = 0.55   for   ρ f ρ fb 0.3 + 0.25 ρ f ρ fb   for   ρ fb < ρ f 1.4 ρ fb 0.65   for   ρ f 1.4 ρ fb
    (1)
    ρ f = A f bd , ρ fb = 0.85 β 1 f c f fu E f ϵ cu E f ϵ cu + f fu
    (2)

    여기서, ρf는 FRP 보강근비, ρfb는 FRP 균형보강근 비, β1은 콘크리트 강도에 의한 결정되는 계수 (27.6MPa에 대하여 0.85), f'c는 콘크리트 압축강도, Ef는 FRP 보강근의 탄성계수, εcu는 콘크리트의 극한 압축변형률(=0.003), 그리고 ffu는 FRP 보강근의 설계 강도를 각각 의미하며 다음과 같다.

    f fu = E f × ϵ cu 2 4 + 0.85 β 1 × f c ρ f E f × ϵ cu 0.5 E f × ϵ cu
    (3)

    철근과 달리 압축 측 FRP 보강근은 무시하며 전단 저항계수 φ=0.75이다(ACI 318-08). 저보강보의 경우, 휨에 대한 최소 보강근비 규정을 두어 갑작스런 취 성파괴를 예방한다. 절곡부 강도의 경우는 설계 강도 가 감소되며, ACI 440.1R-06 이론식 또는 제조사의 ACI 440.3R-04에 따른 시험 결과 값을 적용한다.

    f fb = 0.05 r b d b + 0.3 f fu f fu
    (4)

    여기서, ffb는 FRP 보강근의 절곡에 대한 설계 인 장 강도(MPa)이며, db는 보강근의 직경(mm), rb는 절 곡 반경(mm), 그리고 ffu 는 기준강도(f*fb)에서 환경 조건을 고려한 설계 인장강도(MPa)를 의미한다. FRP 가 알칼리, 산 등의 화학적 반응에 취약하고, 특히 고 온에서 성능이 떨어질 수 있기 때문에 환경저감계수 (CE)를 적용하여 다음과 같은 식을 적용한다.

    f fu = C E f fu
    (5)

    Table 2는 FRP의 종류에 따른 환경저감계수를 나 타낸 것이다. GFRP는 알카리성, 중성에서 부식에 민 감하며, AFRP는 침출되지는 않지만 기계적과 물리적 성질을 잃어버리면서 습윤과 팽창이 이루어진다. 반 면, CFRP는 극단적인 습윤 환경에서도 화학적으로 안정한 특성을 보인다. 일반적으로 FRP 보강근의 외 부표면이 화학적 반응에 제일 취약하며, 일단 외부표 면이 화학반응이 일어나면 내부로 화학적 용해의 확 산이 빠르게 일어날 수 있다. 이러한 경우를 방지하 고자 보강근을 나선형이나 이형 모양으로 제작한다.

    기타사항으로, 철근처럼 FRP 보강근으로 설계하는 콘크리트에서는 종방향 물성치만 적용한다. FRP 재료 의 비등방성으로 인해 횡방향 물성치가 종방향 물성 치보다 아주 낮은 것으로 알려져 있지만, 단면의 휨 거동에서는 크게 영향을 주지 않는다. 또한, 파괴직전 까지 거동이 선형탄성이므로 소성힌지가 발생하지 않 아 모멘트 재분배를 고려할 수 없다. 다층구조의 FRP 보강근이 사용된 경우, 각 층마다 모멘트를 달리 계 산해야 한다. 일반적인 철근은 극한 파괴시 항복응력 에 모든 철근이 동일하게 도달하여 도심축의 철근으 로 저항력을 산정해도 무리가 없지만, FRP 근의 경 우 최외측 철근이 파괴에 기인하기 때문에 부재의 허용 휨용량을 결정하는데 최외측 FRP 보강근으로 검토하는 것이 필요하다.

    압축 측에 대한 보강근은 아직 충분한 연구가 진 행되지 않았으며, 일반적으로 압축 측 보강근을 고려 하지 않는다. 만약, 배치가 되어 있어도 압축부재로 효과는 없다고 간주해야 하며, 국부좌굴로 인한 콘크 리트 압축파괴를 방지하기에 구속되어야 한다. 또한, 전단마찰 효과나 스트럿 타이 적용은 충분한 시험과 검증된 연구결과가 미미한 상황이므로 고려하지 않는 다. Table 3은 FRP 보강근을 적용한 휨부재의 구조 설계과정을 요약한 것이다.

    2.2.사용성 설계

    FRP 보강근에 대한 사용성 설계에 있어서 처짐(사용 하중)은 1방향 휨부재로 간주한다. 강성이 작아 처짐 에 민감하므로 2가지 방법으로 제어되는데, 간접제어 는 슬래브 최소두께(초기 단면가정용)로, 직접제어는 유효단면 2차 모멘트로서 초기처짐 설계를 적용하며 장기처짐은 계수를 사용한다. 처짐 계산을 위한 FRP 보강근 단면에 대한 유효단면 2차 모멘트(Ie)는 식(5) 와 같다. FRP의 경우 기존 RC 단면에 대한 2차 모멘 트 계산식과의 차이점은 감소계수 βd 를 고려하는 것이다.

    I e = M cr M a 3 β d I g + 1 M cr M a 3 I cr I g
    (6)
    β d = 1 5 ρ f ρ fb 1.0
    (7)

    여기서, Ma는 사용하중 단계에서 부재의 휨모멘 트, Mcr 은 균열모멘트를 각각 의미한다. 국내 도로교 설계기준식에 의한 균열 2차 모멘트는 다음과 같다.

    I cr = bd 3 3 k 3 + n f A f d 2 1 k 2
    (8)
    k = ρ f n f 2 + 2 ρ f n f ρ f n f
    (9)

    사용하중 조합에 의한 초기 처짐은 지점조건에 따 라 일반적으로 알려진 처짐 식을 사용한다. 지속하중 에 의한 장기 처짐의 경우는 다음 식을 적용한다.

    Δ cp + sh = 0.6 ξ Δ i sus
    (10)

    FRP 근으로 보강된 단면은 초기 처짐이 크며 상대 적으로 중립축에서 압축부까지 높이가 작으므로 0.6 의 계수를 고려하는 것에 유의해야 한다. 또한 ξ는 지속하중의 재하기간에 따라 달라지는 계수(ACI 318-05 참조)이며, 5년은 2.0이다. FRP-콘크리트 균열 폭에 대한 산정식은 다음과 같다.

    w = 2 f f E f β k b d c 2 + s 2 2
    (11)
    β = h kd d 1 k
    (12)
    f fs = M DL + LL n f d 1 k I cr = M DL + LL E f d c EI
    (13)

    여기서 ff는 사용하중 하에서의 응력이며, s는 주 근 간격이다. 또한, kb는 부착상관계수이며 일반적으 로 1.4를 사용하며, 철근보다 열악한 실험값이 있으면 사용 가능하다. 허용균열폭은 철근 콘크리트단면보다 다소 큰 데, 캐나다 설계기준(CHBDC, 2006)에서는 0.5/0.7mm로(외부/내부) 제한하고 있다.

    FRP 보강근 단면은 재료특성상 크리프 파쇄 및 피로에 의한 파괴방지를 위해 지속하중 조합에서 응 력을 제한하고 있다. 크리프 및 피로 응력은 식 (13) 으로 나타낼 수 있다. Table 4는 FRP 종류에 따른 크 리프 파괴응력의 한계를 보여주며, Table 4는 사용성 설계 순서를 나타낸다.

    f f , creep = M s n f d 1 k I cr = M s A f d 1 k 3
    (14)

    미국의 경우는 바닥판이 노후화된 교량들이 많으 므로 내구성이 좋아 유지관리측면에서 유리한 FRP 보강근으로 구성된 교량 바닥판 적용이 기존 에폭시 철근을 대신하여 고속도로 등에 늘어나고 있는 추세 이다. 차량 진행방향에 직각으로 주철근을 배근하며 (ACI 440-1R.06, AASHTO Standard Specification for Highway Bridges, 2002), 하중계수는 AASHTO LFD 설 계법(USD)에서 채택한다. 고정하중은 1.3×1.0=1.3, 활 하중은 1.3×1.67=2.17 (HS20), 그리고 저항계수는 ACI 440-1R.06을 참조하여 결정한다. 충격계수는 최대 30%이며, 바닥판 설계는 대부분 1.3이다. 활하중 모 멘트 계산시, 콘크리트 거더는 거더 간격, 강 거더는 상부플랜지 돌출폭의 중간사이 간격을 적용하며, 3개 이상 거더 시에는 80%를 적용한다.

    바닥판 설계 시 유의해야 할 사항은 기존 RC 바닥 판은 전단, 처짐, 균열 검토가 필요하지 않으나, FRP 보강 바닥판은 전단(펀칭전단 포함), 처짐, 균열폭, creep 파쇄응력의 검토 필요하다. 펀칭 전단에 대하여 횡방향 재하 폭은 길이 방향에 2.5배로 산정한다 (AASHTO, 2002). 또한, FRP 보강근이 적용된 방호벽 은 미국 교통국에서 아직 미승인되었으며, 시험적으 로 적용되고 있는 추세이다.

    3.설계 예제

    3.1.설계 모델

    전술한 FRP 보강근의 설계 기법을 기반으로 국내에 서 실제로 설계하여 적용한 강상자형 교량의 바닥판 에 대하여 적용하기로 한다. Fig.3은 설계 모델에 대 한 제원을 보여준다. 예제로 적용된 교량 바닥판에 대하여 포장두께는 50mm이며, fck=35MPa, εcu =0.003, Ec=28,101MPa, ff=640MPa, Ef= 44,500MPa, εf =0.014, β1=0.85, CE =0.7로 각각 산정하였다. 또한, FRP-콘크리트의 단위중량은 23.8kN/m3, 포장 콘크 리트는 23.0kN/m3이며 사용한 FRP 보강근은 Table 1에 근거하여 size-6 (D19mm)이며, 공칭면적은 285mm2이다.

    3.2.설계조건 및 하중산정

    전술한 설계 절차를 기반으로 FRP 보강근 바닥판의 휨 및 사용성 설계를 수행하였으며 국내외 기준을 근거로 안전성 검토를 수행하였다.

    Table 6은 하중산정 및 최소 바닥판 두께 검토 결과 를 보여준다. 도로교 설계기준에 근거하여 최대 계수 모멘트는 하중조합 중에서 가장 큰 값을 적용하며, 최대 사용 모멘트는 하중조합 중에서 가장 큰 값으 로 단면 검토를 실시하였다. 차도부분 바닥판의 최소 두께는 Table 6으로부터 얻어지는 값과 220mm 중에 서 큰 값으로 한다. 표에서 보는 바와 같이 국내설계 기준에 만족하는 것으로 나타났다.

    3.3.휨 설계 및 검토

    Table 7은 FRP 보강근 설계제원을 실제 적용했을 때, 균형보강근비, 보강근비, 설계강도 및 강도감소계수를 산정하였다. 마지막 검토에는 발생한 극한모멘트에 저항하는 공칭모멘트를 비교하였으며, 충분한 안전율 을 나타내었다.

    3.4.사용성 설계 및 검토

    Table 8은 사용성 설계를 위한 과정 및 계산 결과를 보여준다. FRP 보강근을 적용하여 바닥판을 설계하는 경우, 표에서 보는 바와 같이 FRP 보강근을 사용하 는 경우 사용성 부분에서 기준치를 만족하는 것으로 계산되었다. FRP 보강근을 적용한 바닥판 설계에 있 어서, 사용성 검토 부분은 어느 정도 최적화되지만, 강도 및 응력 부분은 여용력이 많은 경우가 있다. 이 것은 일반적으로 FRP 보강근 설계가 낮은 탄성계수 와 고강도 때문이다. FRP 보강근의 특성상 설계는 사용성 검토가 지배되는 경우가 많으므로 최적화 할 때 사용성 항목부터 검토하는 것이 필요하다.

    4.요약 및 결론

    본 연구에서는 FRP 보강근을 적용한 교량 바닥판 구 조 설계를 위하여 다양한 국외 설계 기준을 상세 분 석하고 실제 구조물을 대상으로 구조설계를 수행하였 다. 설계 예제는 실제 설계를 수행한 강상자형 교량 의 바닥판을 대상으로 기존의 철근을 대신하여 GFRP 보강근을 적용하였으며, 휨 및 사용성 설계를 중심으 로 수행하였다.

    강상자형 교량에 대하여 기존의 철근 콘크리트 바 닥판 대신에 GFRP 보강근을 적용하는 경우, 국외 설 계기준을 만족시키면서 강도 및 사용성에서 우수한 특성을 보임을 알 수 있었다. 따라서, 국내에서도 교 량 바닥판에 대하여 GFRP 보강근의 적용이 충분히 가능하다고 판단된다. 이를 위하여 FRP 보강근의 재 료 및 물리적 특성을 고려한 설계가 필요하며, FRP 보강 바닥판은 사용성 검토가 지배되는 경우가 많으 므로 최적화 설계를 수행하는 경우 사용성 항목부터 검토하는 것이 필요하다. 향후 전단에 대한 설계 및 FRP 보강근 상세 배치 등에 대한 적용성 연구를 추 가적으로 수행할 필요가 있다.

    감사의 글

    이 논문은 2016학년도 안동대학교 연구비에 의하여 연구되었음.

    Figure

    KOSACS-7-3-65_F1.gif

    Stress-strain curves of FRP (ACI, 2006)

    KOSACS-7-3-65_F2.gif

    Strength reduction factor as a function of the reinforcement ratio

    KOSACS-7-3-65_F3.gif

    Design model for the application of the GFRP bar (steel box girder bridge)

    Table

    Guaranteed properties of Glass FRP rebars produced in North America (2005)

    Environmental reduction factor for various fibers and exposure conditions (ACI, 2006)

    Design procedure for an FRP-reinforced flexural member

    Creep rupture stresses limits in the FRP reinforcement

    Design procedure for Serviceability

    Design source and calculation for loads and minimum thickness checks

    Design source, calculation and check for flexural design procedures

    Design source, calculation and check for serviceability design procedures

    Reference

    1. AASHTO (2002) “Standard specification for highway bridges” , American Association of State Highway and Transportation Officials Washington DC,
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