핵심요약

이 연구에서 워싱턴 주의 시애틀에 위치한 오로라 에베뉴(Aurora Avenue)교의 십자형 교각의 내진성능 향상을 위한 개선책을 조사하게 되었다. 이 연구의 일차적인 목표는 기둥의 내진전단강도를 강화하기 위해 FRP 합성보강의 효과를 평가하는 것이었다. 7과 1/3 규모의 열십자형 기둥의 표본은 지진력 하중을 나타내는 주기적인 변위수준을 증가시키고 있었다.

이 연구의 시험결과는 오로라 에베뉴 교의 십자형 교각은 연성 휨 힌지를 발전시키기에 전단강도가 불충분함을 보여주고 있다. 완성상태를 나타내는 기둥표본에 대한 시험결과 가벼운 변위 수준에서 전단파괴를 초래했으며, 기둥에 심한강도, 강성 및 물리적 저하가 수반되었다.

오로라 에베뉴 교의 밀실한 기둥을 나타내는 기둥표본에 FRP 자켓으로 보강하여 시험한 결과 완공상태를 나타내는 기둥표본에서 얻은 성능과 비교해 보면 성능이 향상됐음을 알 수 있다. FRP 자켓으로 보강되고 리엔트란트 코너정착이 없는 견고 한 기둥표본은 코너정착에서 FRP를 뽑아내자 전단파괴의 결과가 발생했다. FRP 자켓으로 보강된 밀실한 기둥표본은 휨 힌지로 발전되었고 전단 응력이 없는 연성방법에서는 파괴되었다. 에폭시 수지 스틸앵커로 리엔트란트 코너에 정착시킨 절곡철판으로 보강된 기둥표본이 파괴되는 것은 콘크리트 성능저하와 에폭시 앵커의 파괴로 소성힌지영역에서 FRP 자켓이 파손되었기 때문이었다. 마지막으로 밀실한 기둥표본은 리엔트란트 앵커를 위한 FRP 앵커에 더해 기둥의 맨 위와 아래에 그라우트로 채운 스틸칼라로 보강되었다. 이 표본으로 에너지 분산 능력에 주목할 만한 향상을 이루었고 소성힌지영역에 어떤 벌어짐 파괴 없이 표본의 전반적인 휨 용량이 발전되었다. 이 표본의 파괴는 여러 축 방향 철근의 저 사이클 피로 파괴를 이끄는 확장한 휨 힌지 때문이었다.

오로라 에베뉴 교의 쪼개진 기둥을 나타내는 기둥표본에 힌지영역에 FRP 주입과

스틸칼라로 정착시킨 FRP 보강과 더불어 쪼개진 기둥의 맨 위에 코어를 제공함으로써 보강하여 시험한 결과는 연성응답과 양호한 에너지 분산이었다. FRP 보강은 완전히 결합된 상태로 남아 있었고 실험을 통해 두 쪼개진 면 사이에서 어떤 움직임도 일어나지 않았음을 알게 되었다. 파괴는 축 방향 철근의 저 사이클 피로 파괴를 유발하는 확장한 힌지 때문이었다.

이 연구의 결과는 FRP 보강은 부서지기 쉬운 전단파괴를 막기 위한 요구되는 전단강도 강화 제공에 효과적이다. FRP 포장은 효과적이기 위해서 기둥의 리엔트란트 코너에 고정시킬 필요가 있다. 더구나 기둥의 열십자 모양 때문에 FRP 보강은 기둥에 연성 휨 힌지를 발전시킬 영역에 충분한 구속을 제공하지 않는다. 고강도 그라우트를 채운 스틸칼라는 요구되는 구속에 효과적이다. 리엔트란트 코너 정착과 스틸칼라 구속 모두를 결합하는 마지막 보강설계로 기둥의 완전한 휨 능력을 개선시켰고 기둥의 축 방향철근의 파손결과를 가져왔다. 에폭시수지 앵커와 FRP 앵커 및 절곡강판은 기둥의 리엔트란트 코너에 FRP 보강 판을 정착시키는데 효과적이었지만 FRP 앵커는 교각의 외형을 현저하게 변형시키지 않았고 설치하기는 너무 쉬웠다.

소개

소개 및 배경

1971년 산 페르디난도 지진과 그 외 아주 최근에 발생한 지진은 옛 설계 기준을 이용해 건설한 교량이 지진하중 하에서 파손에 취약할 수 있다는 사실을 증명했다. 미국에서 많은 주 간 교량이 1950년대와 1960년대에 건설되었고 강한 지각운동 하에서 중대한 파손이나 심지어 붕괴를 피하기 위해서 대처해야만 하는 결함을 내포하고 있다.

1971년 이 전에 건설되었던 교량에서 나타나는 흔한 결함은 횡 철근 부족과 겹 이음 길이가 충분하지 못하다는 것이다. 게다가, 횡 철근의 적절한 정착 부족을 포함하는 잘못된 상세, 기초 가로대의 드문 활용, 포텐셜 소성힌지 영역에 위치한 겹 이음은 노후된 기둥을 파괴되기 쉽게 만든다. 결함 있는 기둥에서 발생할 수 있는 파괴유형은 전단 파괴, 조기 휨 파괴, 겹 이음 파괴 등이다.

모든 결함 있는 교량을 교체하는 것은 재정적으로 실현 가능성이 없다. 그러므로 기존의 결함 있는 교량을 보강하는 것이 필수적인 선택이다. 철근콘크리트 보강과 강판 보강과 같은 여러 가지 보강기술이 구조적으로 부족한 교각을 재시공 하기 위해 개발되었다. 지난 10년 동안, FRP 합성보강은 철근콘크리트 교량 요소들을 보강하기 위한 대안 방법으로서 연구가와 교량오너들의 관심을 끌어왔다.

이 보고서는 FRP 합성물질을 활용하여 보강된 십자형 기둥에 실시된 실험연구의 결과물을 나타낸다. 워싱턴 주 시애틀에 있는 오로라 에베뉴 교의 교각을 나타내고 있는 7과 1/3 규모의 기둥표본을 시험했다. 횡 철근이 부족한 완공상태 기둥의 성능을 검사하기 위해 2개의 보강되지 않은 기둥표본을 시험했고 5개의 기둥표본은 탄소섬유 FRP 합성보강으로 보강한 후에 실험했다. 또한 보강된 기둥표본 가운데 4개에 FRP를 위한 리엔트란트 코너 정착을 포함시켰고 나머지 보강표본에는 리엩느란트 코너 정착을 넣지 않았다. 모든 표본은 등가정적, 역 사이클 하중을 받는다.

표본의 시험 수행은 파괴모드, 파괴전에 도달하는 첨두 변위 수준, 이력거동에 기인하여 평가되었다.

프로젝트 목표

이 연구의 목적은 이미 실증된 구조적 결함이 있는 십자형 교각의 내진성능을 향상시키기 위한 보강기법으로서 FRP 보강을 평가하는 것이다. 이 목표를 달성하기 위해서 4대 주요업무가 실행되었다.

1) 내진하중 하에서 오로라 에베뉴 교에서 십자형 기둥의 취약점 확인

2) 오로라 에베뉴 교각을 나타내는 십자형 기둥의 내진성능 향상을 위한 보강 방안 으로서 FRP 합성포장 평가

3) FRP 보강의 소요능력을 발전시키기 위해서 기둥의 리엔트란트 코너에서 FRP 포장 정착을 위한 여러 가지 방법 평가

4) 결함 있는 십자형 교각을 보강하기 위해 FRP 합성보강의 실행 가능성과 효과에 대한 결론 내리기

결론과 추천사항

결론

이 연구의 실험결과는 오로라 에베뉴 교의 십자형 교각은 연성 휨 힌지를 발전시키기에 전단강도가 부족하다는 것이다. 완공상태를 나타내는 기둥표본에 대한 시험결과 가벼운 변위 수준에서 기둥에 심한 강도, 강성 저하 동반으로 전단파괴를 초래했다.

오로라 에베뉴 교의 밀실한 기둥을 나타내는 기둥표본에 FRP 보강으로 보강하여 시험한 결과 완공상태를 나타내는 기둥표본에서 얻은 것과 비교해서 향상된 성능을 보였다. FRP 포장으로 보강되고 리엔트란트 코너 정착이 없는 밀실한 기둥표본은 완공된 밀실한 기둥표본과 비교해서 에너지 분산 능력과 연성도에서 약간의 향상을 보였다. 그러나 시험하는 동안 발생하는 기둥의 리엔트란트 코너에서 FRP 보강을 없애자 표본에 여전히 전단 파괴 현상이 일어났다. 시험 후 표본의 조사 결과 FRP 보강이 벗겨진 것은 콘크리트에서 FRP 보강의 탈착 보다는 힌지 영역에서 보강아래의 콘크리트가 깨진 것 때문이라는 사실이 드러났다. 이 시험의 결과는 리엔트란트 코너 정착이 FRP 보강이 벗겨지는 것을 막고 그것의 소요능력을 발전시키기 위해 요구되는 것을 지적하고 있다.

FRP 보강으로 보강된 밀실한 기둥표본과 리엔트란트 코너 정착은 휨 힌지로 발전되었고 전단 응력이 없는 연성 방법에서는 파괴되었다. FRP 포장 뿐 만아니라 절곡강판과 에폭시 스틸앵커로 구성되는 리엔트란트 코너 정착으로 보강된 표본은 전반적 내진 에너지 분산능력 강화와 파괴 이전에 지속되었던 변위 수준으로 전반적인 내진응답에서 향상을 보였다. 이 기둥의 파괴는 힌지 영역에서 FRP 보강이 벌어짐으로 파괴됨으로써 일어났고 콘크리트가 부서지고 리엔트란트 코너 정착이 파괴되었다. 소성힌지 영역에서 구속을 제공하기 위해 마지막 기둥표본은 리엔트란트 코너 정착을 위한 FRP 앵커에 더해 기둥의 맨 위와 아래에 그라우트로 채운 스틸칼라로 보강되었다. 이 표본은 에너지 분산 능력에서 상당한 향상을 보였고 소성힌지 영역에서 어떤 벌어지는 파괴도 없이 표본의 완전한 휨능력을 보여 주었다. 표본에서 보인 파괴는 여러 축 방향 철근의 저 사이클 피로 파괴를 이끄는 확장하는 힌지 때문이었다.

오로라 에베뉴 교의 쪼개진 기둥을 나타내는 기둥표본에 힌지영역에 FRP 주입과

스틸칼라로 정착시킨 FRP 보강과 더불어 쪼개진 기둥의 맨 위에 그라우트코어를 제공함으로써 보강하여 시험한 결과는 연성거동과 완전한 에너지 분산이었다. FRP 보강은 완전히 결합된 상태로 남아 있었고 실험을 통해 두 쪼개진 면 사이에서 어떤 움직임도 일어나지 않았음을 알게 되었다. 파괴는 축 방향 철근의 저 사이클 피로 파괴를 유발하는 확장하는 힌지 때문이었다.

이 연구의 결과는 FRP 보강은 부서지기 쉬운 전단파괴를 막기 위한 필수적인 전단강도 강화 제공에 효과적임을 보여준다. FRP 보강은 효과적이기 위해서 기둥의 리엔트란트 코너에 고정시킬 필요가 있다. 더구나 기둥의 열십자 모양 때문에 FRP 보강은 기둥에 연성 휨 힌지를 발전시킬 힌지영역에 충분한 구속을 제공하지 않는다. 고강도 그라우트를 채운 스틸칼라는 요구되는 구속에 효과적이다. 리엔트란트 코너 정착과 스틸칼라 구속 모두를 결합하는 마지막 보강설계는 기둥의 완전한 휨능력을 발전시켰고 기둥의 축방향철근의 파손결과를 가져왔다. 에폭시수지 앵커가 있는 절곡강판과 FRP 앵커는 기둥의 리엔트란트 코너에 FRP 보강을 정착시키는데 효과적이었지만 FRP 앵커는 교각의 외형을 현저하게 변형시키지 않았고 설치하기는 이주 쉬웠다.

추천사항

FRP 보강은 전단에 결함 있는 십자형 기둥의 내진성능을 개선하는데 효과적이다. FRP 보강에 요구되는 효과적인 두께(tj)는 이 전에 개발된 다음과 같은 지침(Seible 외 1995)을 활용하여 결정될 수 있다.

tj=(V0/？-(VC+VS))/(2fjdDcotθ)

(방정식 4)

V0는 보강되지 않은 기둥에 휨항복을 시작하는데 필요한 전단력의 1.5배, ？는 0.85배 이다. VC 와 VS 는 보강되지 않은 기둥의 콘크리트 및 횡 철근에서 전단 강도에 대한 기여이다. D는 하중 방향에서 기둥 치수이고 θ는 주요한 압축 스트러트의 전단 균열의 기울기 이다. 보강에 대한 설계 응력 수준( fjd)는 FRP 제조자가 명기한다. Priestley (1996)등은 fjd는 0.004 Ej 를 초과하지 않아야 한다고 권하고 있다. Ej가 콘크리트에 팽창 변형을 한정하기 위해서 적용된 전단 방향에 탄성보강계수이다. ACI 440(2006) fjd 는 0.75 εju Ej를 초과하지 않아야 한다고 명시하고 있다. εju가 FRP의 최대 변형이다. 그리고 시간이 지나면서 강도의 손실을 설명하는 전단 강도에 대한 FRP의 기여도에 0.95라는 추가적인 안전계수를 부과하고 있다.

이 연구의 결과는 에폭시 스틸앵커가 있는 절곡철판과 FRP 앵커 모두 기둥의 리엔트란트 코너에 FRP 자켓을 정착하는데 효과적이라는 것을 보여주고 있다. 그러나 절곡판 정착은 기둥의 표면에서 튀어나온 에폭시 스틸앵커의 머리 때문에 기둥의 외형을 현저하게 바꾸고 있다. 강판은 아주 좁은 틈새에서 직각을 이루는 면에 놓여있는 앵커 때문에 건설에 어려움을 주고 있다. 앵커홈의 위치는 기둥 축방향철근의 손상을 피하고 리엔트란트 코너에 적절한 가설 절곡철판을 허용하기 위해 매우 엄격한 허용오차를 유지해야만 한다. 반대로 FRP 앵커는 기둥의 외형을 크게 변화시키지 않고 앵커홈 위치의 유연성 때문에 건설하기가 훨씬 더 쉽다. 그래서 FRP 앵커는 실제 보강에 이용되어야 한다고 권장되고 있다.

이 연구에서 활용되는 FRP 앵커의 설계는 12.8k/ft (187kN/m)의 기둥높이에 맞는 필수 앵커장치를 근거로 한 것이었다. 각각 직경 1/2인치 (13mm)의 FRP 앵커는 6.3kip(28kN)의 유효 인장력을 제공하도록 가정되었다. 앵커는 장력에만 효과적인인 것으로 가정되었고 중심에서 4인치(0.1m)의 공간은 리엔트란트 코너의 각면에 필요했다. 이 설계는 기둥에 FRP 자켓의 필요한 정착을 제공했고 비슷한 앵커공간은 마지막 보강설계에 사용되어야 한다고 추천되고 있다.

쪼개진 영역의 길이에 대해 코어링과 그라우팅으로 이루어져 있는 보강대책들은 쪼개진 기둥표본에 완전한 합성작용을 달성하는데 효과적인 것으로 밝혀졌다. 시험표본의 기둥과 달리 크기나 디테일이 있는 쪼개진 기둥은 합성활용을 달성하기 위한 쪼개진 경계면 전체를 보강할 필요가 있을 수 있다.