An Experimental Study on the Application of FRP Tube to the Struts of PSC Box Girder Bridge

Abstract

In recent, the investigations related to the FRP(Fiber Reinforced Polymers) have been increased due to their superior material and mechanical properties such as environmental resistance, high specific strength and stiffness. Considering these advantages, the FRP tube may be proper for strut on the PSC box girder bridge that can maximize the efficiency of cross section and are effective on economics and aesthetics of bridges. In this research, the specimen tests of the FRP tube and compression tests of the concrete member enclosed with the FRP were performed in order to evaluate the suitability of the FRP tubes, which are applied to the PSC box girder bridge with strut. The specific strength of concrete and the energy absorbing capacity as well as ductility were increased according to the experimental results, and it was found that FRP tubes have sufficient safety as strut member

요 지

최근 건설구조물에 대한 FRP의 활용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. FRP는 단위중량당의 강도와 강성이 기존 건설재료인 강재나 콘크리트에 비해 매우 크고, 부식에 대한 저항성이 뛰어나는 등의 여러 가지 물리적, 화학적 장점이 있다. 이러한 장점을 이용하여 FRP 외양관을 단면의 효율성을 극대화할 수 있고 경 제성과 경관에 매우 효과가 큰 스트럿을 가진 PSC 박스거더교의 스트럿 부재의 피복재로 적용하고자 한다.

본 논문에서는 스트럿을 가진 PSC 박스거더에 사용되는 FRP 외양관의 적용성을 평가하기 위하여 이와 관 련한 FRP 외양관의 시편실험과 FRP로 피복된 콘크리트 부재의 압축실험을 수행하였으며, 실험결과로부터 콘크리트 강도와 에너지 흡수능력 및 연성이 증진되어 스트럿 부재로써 충분한 안전성을 확보할 수 있음을 확인하였다.

Keywords : FRP, PSC box girder bridge, Strut 핵심 용어 : FRP, PSC 박스거더교, 스트럿

스트럿을 가진 PSC 박스거더교의 FRP 외양관 적용성 평가를 위한 실험연구

An Experimental Study on the Application of FRP Tube to the Struts of PSC Box Girder Bridge

송 재 준

^*

^**

^***

^****

Song, Jae-Joon Hwang, Yoon-Koog Lee, Young-Ho Lee, Seung-Hye

1)

* 정회원, 한국건설기술연구원 선임연구원 ** 정회원, 한국건설기술연구원 책임연구원 *** 정회원, 한국건설기술연구원 선임연구원

**** 정회원, 한국건설기술연구원 연구원

E-mail : [email protected] 031-910-0639

•본 논문에 대한 토의를 2009년 2월 28일까지 학회로 보내 주시면 2009년 5월호에 토론결과를 게재하겠습니다.

Fig. 1 스트럿을 가진 PSC 박스거더교⁽¹⁾

1. 서 론

중지간 교량의 건설에 있어서 PSC 박스거더의 교 량형식은 타 형식의 교량에 비해 미관적⋅경제적 측면 에서 우수하여 상당히 선호되고 있다. 그러나 기존의 PSC 박스거더 교량은 상부 슬래브의 폭이 넓어지면 박스단면이 커지게 되므로 교각 단면 역시 커지거나, 상⋅하행선을 분리 시공해야 하는 단점이 있다. 기존 의 PSC 박스거더 교량형식을 보다 효율적으로 변형시 킨 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿을 가진 PSC 박스 거더 교량형식은 상부구조의 자중과 하부구조의 크기 를 경감하여 경제적이며 아름다운 교량의 건설이 가능 하도록 한다. 본 연구에서는 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿을 가진 PSC 박스거더 교량형식의 장⋅단점과 이 교량형식에 사용된 철근콘크리트 충전 FRP 스트 럿의 특징에 대하여 소개하고, 이 형식의 교량에 적용 되는 FRP 외양관의 적용성을 평가하기 위하여 수행 한 FRP 외양관의 시편실험과 FRP로 피복된 콘크리 트 부재의 압축실험 결과에 대하여 서술하였다. 실험 결과로부터 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿은 철근콘 크리트의 극한강도 뿐만 아니라 극한하중의 작용시 연 성 및 에너지 흡수 능력의 증가를 확인할 수 있었다.

2. 스트럿을 가진 PSC 박스거더 교량 형식의 특징

이 교량형식의 구조적 특징은 균일한 간격으로 배치

한 경사진 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿으로 캔틸 레버 슬래브를 지지하는 형식의 PSC 박스거더교로 해 외에서는 독일의 Kochertal교 등 25년 이상의 역사 가 있으나 국내에서는 시공된 전례가 없는 형식으로서 캔틸레버 슬래브의 폭은 넓어지고 하부 바닥판의 폭은 좁아지므로 박스거더 단면적이 작아져 상부구조가 가 벼워지게 되며 이로 인하여 교각의 단면적과 기초의 규모가 작아지는 장점이 있다(Fig. 1). 기존의 상⋅하 행선 분리 또는 일체형 PSC 박스단면과 본 교량 형식 의 단면효율성을 비교한 결과, Fig. 2에서 제시된 바 와 같이 상부구조는 약 9% 정도 경량화 되고 이로 인 하여 하부구조 단면은 약 49%의 단면 감소효과가 있 으며 이에 따른 내진성능 및 횡방향 효율성의 증가, 교량 하부의 개방감 향상에 의한 하부 공간이용 및 경 관 개선의 효과를 꾀할 수 있는 것으로 나타났다.

3. 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿의 구조적 특징

연구대상 교량은 직경 350mm의 프리캐스트로 제

작한 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿을 3m 간격으로

배치하며 스트럿의 길이는 가설공법과 위치에 따라

5.735m∼7.535m이다. 이 스트럿은 지진하중과 같은

극한하중의 작용 시 붕괴유발부재로 고려할 수 있는

구조로서 피복콘크리트의 탈락을 방지하기 위하여

FRP 외양관으로 감싸고 있으며, 이 외양관은 스트럿

콘크리트를 제작할 때 거푸집으로의 역할도 하게 된다.

confined concrete

unconfined

concrete FRP

confined concrete

confined concrete

RC FRP + RC

confined concrete

Fig. 3 극한하중시 유효단면의 개념도

•

㎡

• 기둥단면적 : 28.00

㎡

• 상ᆞ하부 규모 큼

• 2주식교각 번잡함 상ᆞ하행 분리 단면

•

㎡

• 기둥단면적 : 26.25

㎡

• 상부 중량 저감효과 없음

• 벽식교각 압박감 상ᆞ하행 일체단면

•

㎡

• 기둥단면적 : 14.31

㎡

• 상부경량화, Slender화

• 하부규모 축소 스트럿 부착 단면

•

㎡

• 기둥단면적 : 28.00

㎡

• 상ᆞ하부 규모 큼

• 2주식교각 번잡함 상ᆞ하행 분리 단면

•

㎡

• 기둥단면적 : 26.25

㎡

• 상부 중량 저감효과 없음

• 벽식교각 압박감 상ᆞ하행 일체단면

•

㎡

• 기둥단면적 : 14.31

㎡

• 상부경량화, Slender화

• 하부규모 축소 스트럿 부착 단면

Fig. 2 형식별 상⋅하부 단면 효율성 비교⁽¹⁾

내 용

구 조 기 능 두 께 재 료

최내층 콘크리트 알칼리에 대한 FRP의

내화학성 0.5mm 에폭시 수지

중간층 형상유지, 내력저항 3.0mm 유리섬유+에폭시 수지

최외층 UV차단, 내후/내화성,

차후 보수/보강대비 1.5mm UV차단포+유리섬유

+에폭시 수지

도장층 내후성, 미관 ≥ 60μ 불소도장(유색)

Table 1 FRP 관의 단면 구성

섬유층의 최대두께는 최적설계 결과 1.82mm이지 만, 제작상의 문제 및 안전율을 고려하여 3.0mm로 최종 결정되었다. FRP 외양관의 단면 구성은 4개 층 으로 구성되어 있으며 각 층의 기능은 Table 1에 기 술한 바와 같다.

FRP 외양관의 효과를 좀 더 구체적으로 살펴보면, 극한하중 작용 시 철근콘크리트 스트럿은 콘크리트의 취성과 낮은 인장강도의 특성으로 인해 피복콘크리트 가 쉽게 파괴되며 피복콘크리트 파괴이후 Fig. 3과 같 이 유효단면의 손실로 인한 강성의 감소가 발생하게 된다. 그러나 FRP 외양관으로 피복된 스트럿의 경우 는 비록 피복콘크리트가 파괴된다 할지라도 FRP 외 양관에 의해 구속되어 여전히 단면을 형성함으로 정적 내력 뿐만 아니라 극한내력이 떨어지지 않게 되며, 특 히 콘크리트가 파괴된 후에도 내력을 견디므로 철근의

항복강도 이후에도 변형경화상태까지 내력을 견딤으로 써 연성변위도 및 에너지 흡수 능력이 증대하게 되는 장점이 있다.

4. 시편실험

극한하중 작용시 파괴되는 콘크리트의 구속을 위한

Fig. 4 Split-disk 실험전경 Table 2 FRP 스트럿 인장시편 실험결과 비교

제조회사 파괴하중(tonf) 파괴응력(MPa) 평균파괴변형률(με) 탄성계수(MPa)

A 15.93 624.64 10,639 48,790

B 11.99 477.08 10,190 37,003

FRP 외양관으로 사용하기 위해서는 부재의 특성상 길이방향 보다는 원주방향의 강도가 크게 요구된다.

이러한 요구물성값을 만족할 수 있도록 필라멘트 와인 딩(filament winding) 방식으로 FRP 외양관을 제작 하였다. 구조부재로 사용하기 위한 내경 340mm 크기 의 FRP 외양관의 경우 생산설비가 갖추어져 있지 않 기 때문에 현재 생산이 가능한 비슷한 크기의 시제품 을 제작하여 FRP 외양관의 적용성을 평가하였다. 또 한 국내 제작업체의 제작능력과 품질을 검증하기 위하 여 두 개의 기업(제품 A, 제품 B)에서 시제품을 제작 하여 시편 실험을 실시하였다. 이때 시편의 내경과 두 께는 각각 300mm와 5mm로 제작하였으며, 요구물 성값은 설계시 적용하였던 값으로서 원주방향과 길이 방향 각각의 탄성계수는 30GPa과 6GPa, 원주방향 인장강도는 370MPa 이었다.

4.1 FRP 외양관의 시편형상 및 섬유함유량

한국화학시험연구원에 의뢰하여 두 제품의 섬유함유 량을 측정하였다. 시험결과는 제품 A와 제품 B의 섬 유함유량이 각각 67.08% 와 73.17%로, 제품 B가 약 6% 정도 섬유함유량이 많은 것으로 나타났다. 제 품의 두께는 제품 A가 4.2mm, 제품 B가 5.3mm 내 외였으며, 내경은 두 제품 모두 301mm 정도였다. 섬 유배치각도는 제품 A가 10〫 내외, 제품 B가 20〫 내 외로 측정되었다.

4.2 FRP 외양관의 시편 인장실험

인장시편 실험은 인장하중에 대한 복합재료의 탄성 계수, 강도, 포아송비, 파단연신율 값 등을 구하는 실 험으로 복합재료의 특성실험 중에서 가장 대표적이고 기본적인 실험이다. FRP 관에 대해 인장시편 실험방 법으로는 split-disk test와 burst pressure test의

두 가지 방법이 있으며, 본 연구에서는 일반적으로 관 모양의 소성제품들에 대해 관의 인장강도를 결정하기 위하여 사용되는 split-disk test 방법을 사용하였다.

split-disk test는 FRP관을 정해진 시편 폭으로 절 단하고, 그 시편을 두개의 반원으로 나누어진 원반 디 스크에 장착한 뒤 각각의 반원에 인장력을 주어 인장 강도를 측정하는 방법이다. split-disk test는 미국의 ASTM Standard D2290-04에 따라 실험장치 및 시 편을 제작, 실험을 수행하였다. ASTM 기준에서는 시 편 폭을 0.5in(=12.5mm)로 정의하고 있지만, 뒤틀 림으로 인한 실험의 부정확성을 방지하기 위하여 인장 시편 폭(b)은 25mm, 시편의 내경(D)은 300mm로 ASTM Standard D2290-04보다 크게 제작하였다.

파괴 예측 면에 원주방향으로 게이지를 부착하여 변형 률을 측정하였으며 인장시편 실험의 하중재하속도 조 건은 1.5mm/min으로 하였다. 인장실험은 제품별로 각각 5개의 인장시편에 대해 실시하였다.

FRP 스트럿 인장시편 실험결과를 Table 2에 나타내

었다. 실험결과, 제품 A의 인장시편은 평균 파괴 인장응

력은 624MPa이고 평균 파괴 변형률은 10,639×10

로 계측되었으며, 이로부터 추정된 원주방향 탄성계수

는 48.8GPa이었다. 제품 B는 평균 파괴 인장응력은

Fig. 7 FRP 피복된 콘크리트의 압축실험

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

0 100 200 300 400 500 600 700

ORI-1 ORI-2 ORI-3 ORI-4 ORI-5

Stress (MPa)

Strain

Fig. 5 제품 A 인장시편의 응력-변형률 곡선

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

0 100 200 300 400 500 600 700

PNP-1 PNP-2 PNP-3 PNP-4 PNP-5

Stress (MPa)

Strain

Fig. 6 제품 B 인장시편의 응력-변형률 곡선

477MPa, 평균 파괴 변형률은 10,190×10

으로 계 측되었으며, 이로부터 추정한 원주방향 탄성계수는 37GPa이었다. 인장시편의 응력-변형률 곡선을 Fig.

5와 Fig. 6에 나타내었다. 두 제품 모두 전술한 제작 요구성능기준을 만족하고 있음을 확인할 수 있었으며, FRP 외양관을 국내에서 생산하여도 품질에 문제가 없음을 확인하였다. 제품 A가 파괴인장응력과 탄성계 수 모두 약 30% 정도 큰 결과를 나타내었는데 이는 유리섬유의 배향각도에 의한 영향인 것으로 판단된다.

4.3 FRP 피복된 콘크리트의 압축실험

전술한 바와 같이 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿 은 극한하중의 상태에서 축력과 모멘트가 작용 시 피 복콘크리트의 파괴와 더불어 철근의 변형경화상태에

이르는 극한하중에서도 견디는 것으로 설계가 되어있 다. 따라서 본 실험에서는 먼저 FRP 피복에 따른 콘 크리트의 극한강도 증가효과를 검증하기 위해 FRP 외양관으로 피복된 콘크리트 부재의 일축압축실험을 수행하였다. 이때 FRP 외양관은 합성부재로 작용하는 것이 아니라 내부 콘크리트의 구속으로 인한 극한내력 향상이 주목적이므로 하중이 내부 콘크리트 부재에만 전달되도록 하중을 가하였다. 본 연구에서 실험장비는 공시체 규모의 소형 FRP 피복 콘크리트에 대한 기존 문헌의 검토결과(탄소섬유시트로 횡구속된 콘크리트 공시체의 압축강도가 무보강 시험체의 1.17∼2.85배 까지 증가)에 따라 본 실험체도 약 2배 이상의 압축강 도 증가가 예상되어 10,000kN UTM을 사용하여 실 험을 수행하였다. Fig. 7은 FRP로 피복된 콘크리트 부재의 압축실험에 사용된 실험체와 실험 전경을 나타 내고 있다.

FRP 피복된 콘크리트 부재의 압축실험에 앞서 콘 크리트 공시체에 대한 압축실험을 실시하여 콘크리트 의 압축강도를 확인하였다. 압축강도는 27～30MPa 이었으며 FRP 피복 콘크리트 부재의 압축실험 결과 에서도 FRP관의 구속효과가 구현되기 전의 강도는 대략 25～30MPa인 것으로 추정되었다.

콘크리트 충전 FRP관의 압축실험 결과를 Table 3

에 나타내었다. 실험결과 제품 A로 구속된 콘크리트의

경우의 평균 압축강도는 65.1MPa, 평균 횡방향 파괴

변형률은 13,212×10

이었으며, FRP로 구속된 콘크

리트의 압축강도는 비구속된 콘크리트의 압축강도보다

약 2.4배 정도 증가하였다.

Fig. 10 압축실험 후 파괴모습 : (좌) 제품 A, (우) 제품 B

파괴하중 (tonf) 파괴응력 (MPa) 평균 파괴 변형률(με) 콘크리트항복 전 탄성계수(MPa)

콘크리트항복 후 탄성계수(MPa)

A

시편 1 460.9 64.0 13,212 75,250 2,800

시편 2 495.4 68.8 14,126 76,300 2,900

시편 3 450.7 62.6 12,297 74,300 2,950

평균 469.0 65.1 13,212 75,283 2,883

B

시편 1 357.9 49.7 18,801 68,800 1,000

시편 2 362.2 50.3 19,163 70,000 1,250

시편 3 364.2 50.6 19,279 65,000 1,250

평균 361.4 50.2 19,081 67,933 1,167

Table 3 콘크리트 충전 FRP관의 압축실험 결과비교

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 0

10 20 30 40 50 60 70

ORI-1 ORI-2 ORI-3

Stress (MPa)

Strain

Fig. 8 제품 A의 응력-변형률 곡선

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 0

10 20 30 40 50 60 70

PNP-1 PNP-2 PNP-3

Stress (MPa)

Strain

Fig. 9 제품 B의 응력-변형률 곡선

한편 제품 B로 구속된 콘크리트의 평균 압축강도는 50.2MPa, 평균 횡방향 파괴변형률은 19,081×10

이었으며, FRP로 구속된 콘크리트의 압축강도는 비구 속된 콘크리트의 압축강도보다 약 2.0배 증가하였다.

이들 결과로 부터 두 제품 모두 구속된 콘크리트의 응 력-변형률곡선은 증가하는 이선형(bi-linear) 형태로 FRP 외양관이 콘크리트 부재를 충분히 구속하고 있 음을 보이고 있으며(Fig. 8, 9 참조), Fig. 10은 피 괴하중에 도달하였을 때의 파괴모습이다.

또한 앞 절의 split-disk test보다 FRP 외양관의 횡방향 변형률이 증가되어 파괴되었는데, 이는 작용된 하중이 FRP 외양관의 원주방향으로 등분포로 작용되 었기 때문인 것으로 판단되며, 비록 압축하중에 대한 에너지흡수 능력이지만 상당히 증대되었음을 보여주고 있다. 마지막으로, 각 제품에 따른 실험결과의 편차가 크지 않은 것으로부터 국내에서 생산되는 제품의 신뢰 도가 충분함을 알 수가 있다.

5. 결론 및 향후계획

철근콘크리트 충전 FRP 스트럿의 실제품에 대한

실모형실험을 수행하기 전에 FRP 외양관의 적용성을

평가하기 위하여 현재 생산이 가능한 크기로 두 가지 시험체를 제작하여 split-disk test와 FRP로 피복된 콘크리트 부재의 일축압축실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 제품의 생산수준을 가늠하기 위한 제품치수 및 역 학적 성능에 대한 검토결과, 내경은 두 제품 모두 301mm 정도로 기준을 충족하였으며 섬유의 배향 각도는 제품 A가 약 10°, 제품 B가 약 20° 정도 로 상이하였으나, 최종적인 역학적 요구성능은 모 두 만족하는 것을 확인하였다. 따라서 국내 생산제 품을 이용하여 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿을 제작하는 것은 무리가 없음을 확인할 수 있다.

2) FRP 외양관의 역학적 성능을 검증하기 위한 실험 방법으로 split-disk test가 적합한 것으로 판단 된다.

3) FRP 피복 콘크리트 부재의 일축압축실험 결과, 두 제품 모두 2배 이상의 압축강도 증가 및 10배 이상의 연성증가가 발생하여, 충분한 구속효과가 있는 것으로 확인되었다. 따라서 향후 이와 같은 역학적 거동을 바탕으로 하는 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿의 설계기법의 개발이 필요하다고 판 단된다.

이와 같은 연구결론으로부터 PSC 박스거더교의 스 트럿 부재로 FRP로 피복된 철근콘크리트 부재를 사 용할 경우 연성과 에너지 흡수능력 증진효과가 충분하 여 FRP 외양관의 적용이 타당하다고 판단되며, 국내 FRP 외양관 시제품의 품질이 신뢰할 수준으로 실제 품을 제작하는데 문제가 없는 것으로 판단된다.

따라서 철근콘크리트 충전 FRP 스트럿을 가진 PSC

박스거더 단면은 전술한 바와 같이 단면의 구조효율성 을 극대화하고 내구성을 증진하여 경제성과 교량경관 에 탁월한 효과가 있는 단면이므로 향후 계획되어 있 는 실물구조실험을 통한 구조적 안정성에 대한 추가적 인 검증이 이루어지고, FRP 외양관과 철근콘크리트 사이의 합성거동에 대한 연구가 이루어진다면 경쟁력 있는 교량형식으로 자리매김할 것으로 기대된다.

감사의 글

이 연구는 국토해양부의 건설기술혁신사업의 연구비 지원(05건설핵심B09-차세대 시설물용 신재료 활용기 술 개발연구)에 의해 수행되었습니다. 연구 지원에 감 사드립니다.

참고문헌

1. 한국도로공사, 인천대교 연결도로 건설공사 실시설계 (제3공구) 일반보고서. 2005.

2. Mirmiran, A., Shahawy, M., Samaan, M., Echary, H.E., Mastrapa, J.C., and Pico, O. “Effect of column parameters on FRP-confined concrete”, Journal of Composites for Construction, Vol.

2, No. 4, 1998. pp. 175-185.

3. American Society for Testing and Materials,

“ASTM D2290-04 Standard Test Method for Apparent Hoop Tensile Strength of Plastic or Reinforced Plastic Pipe by Split Disk Method”, 2004.

(접수일자 : 2008년 6월 10일)

(심사완료일자 : 2008년 11월 10일)