정착판을 갖는 GFRP 근(Rebar)의 인발성능
Pull-Out Performance of Headed GFRP Rebar
지효선(Hyo-Seon Ji)
부회장｜대원대학교 철도건설공학과｜부교수｜[email protected]
1. 서론
앵커(Anchor) 공법은 가시설 흙막이 벽체, 사면 보강 및 지반굴착시 가설 토목구조물에 작용하는 외부 하중에 저항하기 위해 가설 구조물과 지반과 의 사이에 앵커를 정착시키고 프리스트레스(Prestress) 를 가함으로서 구조물의 안전성을 도모하는 것으로 써 토목구조물의 안전성을 확보하기 위한 지반보강 공법으로 많이 사용되고 있다. 앵커 공법이 실용화 된 지는 약 30년 정도 이상으로 앵커 시스템은 그 종류와 용도에 따라 적용범위가 확대되고 있으며 설계방법, 구성요소, 시공방법 등의 개선이 점차 이루어지고 있다. 이에 관한 이론적 기사가 국내외 적으로 활발히 진행되고 있다.
국내에서의 앵커에 대한 기사로는 터널과 암 사 면 등의 안정을 위한 기사가 주로 수행되어 왔다.
신방웅 등은 지반조건에 따른 헬리컬 앵커의 실내 모형실험을 통하여 지반특성과 근입비에 따른 헬리 컬 앵커의 극한인발력과 한계근입비를 제시하였으 며, 조용선 등은 모래지반에 묻힌 나선형 앵커에 대한 실내모형실험으로부터 얕은 기초의 파괴모양
을 근거로 인발력 산정식을 제안하였고 김래현 등은
그라운드 앵커에 대한 적절한 지침을 제시하기 위
하여 풍화토 지반에 그라운드 앵커의 현장시험을
수행하여 압축형 앵커와 인장형 앵커에 따른 하중
전이 양상을 보고하였다. 그러나 국내에서는 아직
앵커의 설계, 시공 및 시험방법에 관한 적절한 지
침이 없는 상태이며 현재에는 새로운 개념의 앵커
들이 많이 개발되었고 시공기술이 발전하였기 때문
에 국내의 지반조건에 따른 앵커의 거동특성에 대
한 기사가 요구되는 상황이다. 대부분의 절취 사면
은 대부분 중량이 많이 나가는 콘크리트 지압판을
이용하는 지압형 앵커 등으로 가설되고 있어, 공사
특성상 각종 가설용 중장비 동원 등이 어려움이 있
으며 주변 녹색 환경과 어울리지 않아 경관을 해치
고 있어 구조의 경량화 및 주변 경관가 조화가 반
드시 필요한 실정이다. 또한 주 보강재로서 철근을
사용하고 있어 지중에 지하수에 의한 장기간 노출
되어 있어 발생되는 부식에 의한 지반환경 오염문
제 등이 지적되고 있는 실정이다. 이와 같은 문제
점을 위하여 본 기사에서는 경량ㆍ내부식성ㆍ고강도
및 내피로 특성이 우수한 유리섬유강화(Glass Fiber
Reinforced Polymer, GFRP) 녹색 패널을 이용한 절 취사면 보강 앵커 시스템 개발로서 기존 강재 보강재 와 콘크리트 지압판을 대체하는 GFRP를 이용한 앵커시스템 개발과 인발성능시험을 통한 성능평가 내용을 기술하는 데 그 목적을 두고 있다.
대부분의 절취 사면은 대부분 중량이 많이 나가 는 콘크리트 지압판을 이용하는 지압형 앵커 등으 로 가설되고 있어, 공사 특성상 각종 가설용 중장 비 동원 등이 어려움이 있으며 주변 녹색 환경과 어울리지 않아 경관을 해치고 있어 구조의 경량화 및 주변 경관가 조화가 반드시 필요한 실정이다.
본 문제에 대한 해결 방법으로서 경량ㆍ내부식성ㆍ 고강도 및 내피로 특성이 우수한 섬유강화 GFRP 라 할 수 있다. 현재 참여기업은 GFRP로 만든 격 자형 녹색 패널을 생산하여 국내외적으로 공급을 계속 늘리고 있다. 특히 본 녹색 패널을 일본으로 수출하고 있으며 이미 일본에서는 이를 이용한 절 취사면 보강공법을 개발하여 친환경적이면서 저탄 소 녹색 건설공법으로 자리매김하고 있다. 국내에 서도 이러한 격자형 패널을 이용한 저탄소 녹색 건 설공법인 사면보강을 위한 앵커 시스템 개발의 필 요성이 제기되어 기존 앵커시스템을 좀 더 개선시 킨 지압형 앵커를 개발하게 되었다. 주요 개발 내용 으로서 설계 해석 기술, 성형 제조기술 및 시험평가 기술 및 응용 양산화 기술을 개발하며 가설현장에 서 작업인원 2∼3인이 중장비 동원 없이 지압판 구 조물 설치가 가능하고, 중량 저감으로 인한 공사기 간과 공사비를 획기적으로 줄일 수 있는 저탄소 녹 색 공법의 시공과정을 제시하고 자 한다.
본 기사는 지압형 앵커시스템으로서 주요 개발 내용은 지반 속에 묻히는 기존 강재 보강재 대신 에 GFRP 보강재 개발과 철근콘크리트 지압판 대 신에 격자 형상의 GFRP 녹색 패널이 된다. 본 지 압형 앵커시스템을 이용한 절취사면 보강 앵커 시 스템의 합리적인 설계법 제시와 적용을 위해서 실
내 인발시험과 ANSYS 상용 유한요소프로그램을 이용한 수치해석결과의 비교, 분석을 실시하여 그 적용성을 평가하고자 한다. 이와 같이 실험과 수치 해석으로 통하여 얻어진 결과를 토대로 합리적인 지압형 GFRP 앵커시스템을 최종 개발하고자 한다.
그림 1은 본 기사에서 제시한 GFRP 녹색 패널을 이용한 절취사면 보강 앵커 시스템의 형태가 될 것이다.
그림 1. 절취사면 보강 GFRP 패널 앵커 시스템
2. GFRP 패널 앵카시스템 설계 및 제작
본 기사에서 제시한 GFRP 앵커 시스템은 그라
운드 앵커 공법으로서 사면지반 굴착 사면의 보강
을 목적으로 개발된 공법으로 기존 철근 보강재
대신에 정착판을 갖는 유리섬유보강재(Headed GFRP
Rebar)를 이용하여 그라우팅함으로써 지압체의 기
능을 첨가하여 지압력에 의해 인장력에 저항하며
정착되는 공법이다. 본 공법은 기존 강재 앵커체의
부식을 방지하며 자중이 가벼워 작업하기가 매우
용이하여서 타 공법에 비해 인발저항력을 최대한
확보하면서 지하수가 많은 지역에서도 적용할 수
있는 장점을 지니고 있다. 따라서 GFRP 앵커시스
템의 구조는 정착판을 갖는 GFRP 보강재와 지압 판으로 구성되어 있다.
2.1 GFRP 앵커시스템 보강재의 구조
GFRP 앵커시스템은 현장 지반에 천공을 실시하 고 소정의 긴장력을 가한 후에 그라우팅작업을 실 시하게 된다. 인발력 작용시에 앵커 단의 정착판에 의해 홀 주변의 지반을 밀어냄으로써 발생하는 홀 주변 지반의 전단강도 증가와 앵커－주변 지반 접 촉면의 마찰저항 증가 및 앵카의 지반 내부로의 정착에 의해서 발생하는 지압력에 의해 인발저항력 에 대해서 저항하는 구조로 되어 있다. 아래 그림 2는 정착판을 갖는 GFRP 앵카시스템 보강재의 구 조를 나타낸 것이다.
그림 2. 정착판을 갖는 GFRP 보강재의 구조도
2.2 GFRP 앵커시스템 지압판의 구조
현장 지반에 천공을 실시하고 GFRP 앵커시스템 보강재를 주입한 후 소정의 긴장력을 가한 후에 그라우팅작업을 실시하게 된다. 그라우팅 작업을 실시한 후 경화된 상태에서 인발력 작용을 GFRP 앵커시스템 보강재를 지압판에 정착시키는 데, 아 래 그림 3은 GFRP 앵커시스템 지압판의 구조를 나타낸 것이다.
그림 3. GFRP 격자형상의 판넬의 구조도
2.3 GFRP 앵커시스템 보강재의 제작
상기 1절에서 기술한 것처럼 본 기술개발의 핵 심 기술인 정착판을 갖는 GFRP 앵카시스템 보강 재의 제작을 아래 그림 4와 같이 제작하였다. 보강 재는 유리섬유 함유량이 70%로서 인발공법으로 유 리섬유보강(GFRP) 근(Rebar)을 제작하였으며 그리 고 수작업으로 정착판(Headed Plate)을 제작하여 GFRP 근에 접합하여 보강재를 제작하였다. 콘크리 트와의 부착력을 증대시키기 위해 규사 레진(에폭 시)을 GFRP 근 표면에 2회에 걸쳐 도포하여 보강 재 제작을 완료하였다.
그림 4. 정착판을 갖는 GFRP 보강재
3. 정착판 GFRP 바(Rebar) 인발성능시험
상기 절에서 제시한 GFRP 앵커시스템의 설계를
검증하기 위하여 실내 인발 성능시험을 실시하였
다. 인발시험은 GFRP 앵커시스템의 인발거동과 인 발저항력을 확인하기 위하여 실시하였다.
3.1 정착판 GFRP 근 인장시험체 제원
본 기사에서 고려한 시멘트 모르터 설계기준강도 는
이고 , 정착판 GFRP 근은 D-29mm을 대상으로 하였다. 그림 5는 인장실험을 위한 시험 체의 평면도 및 단면도이다. 정착판 GFRP 근 인장 시험체 제원에 따라 시험체 5개를 그림 6과 같이 제작하였다. 여기서 사용된 GFRP 근은 직경이 29mm (항복강도
)을 사용하였으며, 이때 앵 커의 항복하중은
이 되어 콘크리트의 파괴 이전에 앵커의 항복이 발생하지 않도록 고려 하였다.
그림 5. 인장시험체의 평면도 및 단면도
3.2 정착판 GFRP 근 인장시험체 제작
콘크리트용 앵커볼트의 실험방법은 ASTM E488-96 (Reap-Proved 2003)에서 규정하고 있는데, 본 규정 에서는 콘크리트의 파괴에 의한 내하력을 평가하고 자 할 경우 최소 5개의 시험체에 대한 실험을 요구 하고 있다. 따라서 본 기사에서는 정착판 GFRP 근 인장시험체 제원에 따라 시험체 5개를 그림 6과 같 이 제작하였다. 여기서 GFRP 근이 시멘트모르터속에 매입되는 깊이를 370mm, 340mm, 310mm, 280mm, 250mm로 하여 제작하였다. 이 때 시멘트모르터의 예상 파괴하중은 332kN이 된다. 여기서 매입길이 는 다음 접착 응력식 (1)을 이용하여 구하였다.
(1)
여기서,
=접착응력, =인발하중,
∙ ∙
,
= GFRP 근 직경,
=매입길이. 본 기사에서 사용된 GFRP 근의 제조회사에서 제시된 GFRP 근의 직경 이 29mm인 경우 항복강도
,
으로 나타났다.
그림 6. 인장시험체의 제작 과정 전경
정착판을 갖는 GFRP GFRP 근의 인발거동과 인 발저항력을 확인하기 위한 실내 인발 시험 전에 인장력 가력시 가력장치와 GFRP 근 연결 부위의 미끄럼 여부를 간이 유압실험기기를 이용하여 다음 그림 7과 같이 확인하여 그 결과에 의거 GFRP 근 의 인장 그립을 위한 웨지(Wedge) 형태를 설계 제 작하였다.
그림 7. GFRP 근 자체의 인발시험
그림 7과 같은 시험 결과에 의거 GFRP 근의 인 장 그립을 위한 웨지(Wedge)길이를 설계하여 그림 8과 같이 웨지형태의 인장그립을 시험체에 설치 완료하였다.
그림 8. 인장그립용 웨지로 구속된 GFRP 근 인발 시험용 시험체
3.3 실험 방법
그림 9는 실제 인장실험을 위한 작업 전경으로 서 시험체와 지지치구의 구속작업으로서 4개의 구 멍을 통해 강봉으로 시멘트모르터 시험체와 강결된 모습이며, 그리고 500kN의 액츄레이터를 이용 인 장력을 가력하기위하여 가력장치인 인장그립 치구 를 이용하여 시험체에 매입된 웨지로 구속된 GFRP 근을 연결하고 있는 전경이다.
그림 9. 인장그립용 웨지로 구속된 GFRP 근
그림 10은 실제 인발시험을 위한 전경을 보여
주고 있다. 인장하중의 평가는 시험체 상부표면에
3개의 LVDT를 설치하여 슬립(Slip)을 측정하면서
하중을 평가하였다. 변위계 설치 장면은 그림 10과
같다. 정착판 앵커의 내하력 평가 시험에서 가력속
도는 약 1mm/min의 속도로 변위제어방식으로 가 력하였다. 인장시험시 하중은 50kN 씩 증가할 때마 다 정지한 후 시험체 시멘트 모르터 상부의 균열 여부를 파악하고 다시 가력하는 절차로 종국 상태 까지 진행하였다.
그림 10. 인장시험 전경
4. 실험결과 분석
4.1 하중－변위선도
그림 11에서 15까지는 인장시험편 No. 1에서 5 까지에 대한 하중－변위 곡선을 보여주고 있다. 그 리고 5개 시험편의 최대하중 및 해당 변위(Slip)는 표 1과 같다.
그림 11. 인장시험 하중－변위곡선(No. 1 시험체)
그림 12. 인장시험 하중－변위곡선(No. 2 시험체)
그림 13. 인장시험 하중－변위곡선(No. 3 시험체)
그림 14. 인장시험 하중－변위곡선(No. 4 시험체)
그림 15. 인장시험 하중－변위곡선(No. 5 시험체)
시험체명 최대하중
(kN) 변위(mm)
No.1 180.9 1.41
No.2 143.9 0.87
No.3 137.9 0.69
No.4 116.2 0.40
No.5 139.9 0.12
표 1. 인장실험 결과
4.2 파괴 형상
최대하중 도달 시 상부 표면에서는 일부 균열만 이 발견되었는데, 파괴 콘의 형상 분석을 위해 최대 하중 도달 이후에도 계속 재킹을 하였다. 그림 16은 No. 1 시험체의 파괴형상을 상부에서 촬영한 것이 고, 파괴 후 콘 형상은 그림 17과 같다. 한편, 그림 18은 No. 1 시험체에서 측정한 동서 및 남북 방향 파괴 단면의 예이며, 다른 시험체들에 대해서도 파 괴콘의 깊이를 동서 및 납북 방향으로 측정하였다.
파괴각은 No. 1 시험체에서 22°의 각도를 보였다.
다른 시험체에서도 이와 비슷한 각도를 보이고 있 다. 이는 CCD 이론의 35° 각도보다 다소 완만한 기 울기를 보였으며, 파괴면의 기울기 비는 CCD 이론 의 1:1.5보다 조금 완만한 1:2의 기울기에 해당한다.
그림 16. 인장시험 진행 중 균열 발생 현상
그림 17. 인장시험 종료 후 균열 및 파괴 형상
그림 18. 인장시험 종료 후 파괴 형상
4.3 ANSYS 해석모델
본 절에서는 시멘트모르터속에 매입된 정착판을 갖는 GFRP 근의 인발력 및 파괴메카니즘 등의 거 동을 알아보기 위하여 유한요소 범용 해석 프로그 램인 ANSYS을 사용하였다. 해석은 정착판 GFRP 근의 매입깊이 변화에 대한 내용을 수치해석적으로 검증하였다. 여기서 시멘트 모르터 속에 GFRP Rebar 매입 길이는 시험체 상부표면에서 370mm(No. 1), 340mm(No. 2), 310mm(No. 3), 280mm(No. 4), 250mm (No. 5)인 5개 시험체인 경우를 적용하였으며 정착 판 GFRP 근에 대한 제원과 GFRP에 대한 재료적 성질은 표 2와 같이 나타내었다. 사용된 시험체의 시멘트모르터의 재료적인 성질로서 설계기준강도, 탄성계수 및 포아송 비는 다음 값을 사용하였다:
, , . GFRP의 물성은 섬유의 분포나 배열에 따라 크게 좌우된다. 재료 물성을 추정하는 방법으로 많이 사용되는 재료역학 적인 방법인 혼합법을 이용하였으면 사용된 식은 다음과 같다.
f f f
f m
f m
w
V w w
ρ ρ ρ
=⎧⎪⎨ + ⎫⎪⎬
⎪ ⎪
⎩ ⎭
(2a)
m 1 f
V
= −V (2b)
여기서,
,
은 섬유와 수지의 무게비를 나 타내며,
,
은 비중을 나타낸다. 혼합법을 이용 하여 계산되는 Lamina의 재료물성은 식 (3)로 구할 수 있다.
1 f f m m
E = E V + E V (3a)
2
1
f m
f m
E V V
E E
= ⎧ ⎪ ⎨ + ⎫ ⎪ ⎬
⎪ ⎪
⎩ ⎭ (3b)
12
1
f m
f m
G V V
G G
= ⎧ ⎪ ⎨ + ⎫ ⎪ ⎬
⎪ ⎪
⎩ ⎭ (3c)
12 f
V
f m mV
ν = ν + ν (3d)
윗 식에서,
,
는 각각 Lamina의 섬유방향 및 섬유직각방향의 탄성계수를 말하며
,
는 lamina의 면내 전단탄성계수 및 프와송 비를 나타 낸다.
유한요소 범용 해석 프로그램인 ANSYS을 이용 하여 시멘트 모르터속에 매입된 정착판 GFRP 근 의 시험체에 대한 인발저항에 대한 거동을 모사하 기 위하여 그림 19, 20과 같이 모델링하였다.
GFRP bar Head Splice
SIZE Diameter 29mm 55mm 43mm
Material Properties
Strength fy=33GPa fy
= 33
GPaf
y=33GPa
E(young’s modulus) 20GPa 20GPa 20GPa
표 2. 수치해석에 사용된 제원 및 재료적 성질
D D1 D2 H1 H2 H3 d 1 d 2 H
SIZE 29mm 55mm 43mm 33mm 12mm 36mm 10mm 5mm 변수
총 하중 10톤
경계조건(고정)
