플로리다 주 교통부의 신호 구조물에 대한 대체 물질

요약

건설산업은 역사적으로 석재, 목재, 콘크리트 및 강재의 네가지 물질을 사용해 왔음. 최근, 토목 공학자들은 환경 영향에 덜 취약한 강재와 콘크리트의 대안물질을 찾고 있음. 공사 기간 동안의 교통 지체에 대한 대중의 걱정이 증가함에 따라 이에 점차 영향을 받는 토목 공학자들은 더 신속한 공사를 가능케하는 물질과 방법을 찾고 있음. 동시에 비용에 있어서는 교통 인프라의 유지를 위한 공공의 자원이 감소됨에 따라 전통적인 물질과 경쟁가능하여야 함. 섬유강화 폴리머 (fiber-reinforced polymer: FRP) 복합재는 잠재적인 대안물질으로 주목을 받고 있음.

플로리다 교통부에 의해 검사된 표지 구조물들은 강재 구조물 부재에서 조기 부식의 발생이 확인되었음. 따라서, 플로리다 교통부 공학자들은 이러한 구조물에 적용될 수 있는 대안물질을 찾고 있음.

북 플로리다 대학교의 연구원들이 현재 미국 전역을 대상으로 FRP의 적용사례에 대한 문헌검토를 수행하는데 참여하였음. 이 검토 결과에 따르면, FRP 복합재는 유망한 물질 특성을 가지고 있음. FRP 복합재는 상당히 낮은 밀도를 가지고 있어, 낮은 공사 비용으로 귀결되고 부식을 피함으로써 서비스 수명을 증가시킬 수 있음.

그러나 전통적인 건설재료와 비교할 때, 신기술의 시행과 관련해서 단기간의 프리미엄이 있을 것임. 게다가, FRP 복합재는 전통적인 건설재료와 비교할 때, 보다 급작스럽게 파괴되는 경향이 있음. 결과적으로, 증명된 설계기준, 특히 연결부의 세부사항,에 대한 필요가 폭넓은 구조물 시행에 결정적일 것임.

1단계의 문헌검토 결과에 따라, 플로리다 교통부는 플로리타의 표지 트러스 구조물들에 대해 FRP 복합재를 사용하는 것에 대한 장점을 평가하고 시험하는 선행 프로젝트에 참여할 것이 제안됨. 이렇게 제안된 2단계 선행 프로젝트의 일환으로 상업적으로 가용한 다른 물질들과 다른 연결부 세부사항에 대한 평가가 제안됨.

목적

플로리다 교통부에 의해 최근 실시된 검사결과에 따르면 튜브형태의 표지와 조명 구조물들은 내부에서 조기 부식의 발생이 발견되었음. 그 결과, 플로리다 교통부 공학자들은 이러한 구조물의 새로운 건설에 적용될 수 있는 대안물질을 찾고 있음. 그러나, 대안물질의 실제규모 시험 및 평가 프로그램에 앞서, 현재 가용하면서 가장 유망한 물질들을 파악하는데 종합적인 문헌검토가 필요함.

경제성

FRP의 초기비용

초기비용을 조사할 때, FRP 복합재는 탄소 FRP (CFRP)와 유리 FRP (GFRP)의 두 종류로 나뉨. FRP 바에 대한 가격은 파운드 당 3~4달러임. 철근은 파운드 당 0.5~1.6달러 수준임. 구조물의 비율에 따른 비용을 가정하면 GFRP의 초기비용은 철근의 3배 정도로 추정됨.

오크리지 국립연구소 (Oak Ridge National Laboratory)에 의하면, 최근 상업적으로 탄소 섬유를 구매하는 비용은 파운드 당 8~10달러임. 따라서 CFRP의 초기비용은 GFRP의 2~3배 정도이며 철근의 8배 정도인것으로 추정됨. 결과적으로 GFRP가 CFRP보다 구조물의 생산에서 훨씬 더 사용되고 있음. CFRP는 손상된 구조물의 수리에 폭넓게 사용되고 있음.

생애주기비용

국립표준기술원 (National Institute of Standards and Technology: NIST)의 응용경제국 (Office of Applied Economics)는 교량 상판에 대하여 전통적인 철근콘크리트와 다양한 FRP에 대한 생애주기비용을 분석 (Life Cycle Cost Analysis: LCCA)하였음. 이 사례에서 LCCA는 담당 기관의 비용, 사용자의 비용, 제3자의 비용 등을 고려하였음. 기관의 비용은 초기 건설비용 – 운영, 유지관리 및 수리비용 - 과 폐기비용의 관점에서 평가되었음.

이 연구의 결론에 따르면, FRP 복합재는 신기술 시행 (New Technology Implementation: NTI) 비용을 고려할 때 더 비싸게 되는데 전통적인 건설재료의 2배 정도임. 그러나 NTI 비용을 제외하고 사용자 및 제3자 비용을 고려하면, FRP 시스템에 대한 생애주기비용이 전통적인 건설재료보다 낮음. 연구자들은 또한 이 비교에서 NTI비용을 제외하는 것이 바람직하다고 판단하였음. 왜냐하면 신기술이 인기를 얻고 지역의 공학자 및 계약자들이 경험을 축적하면서 NTI비용이 줄어들기 때문임.

재료

섬유 (Fibers)

FRP 복합재에는 보통 세 가지 섬유 타입이 사용됨: 유리, 탄소 및 아라미드 (aramid). 탄소 섬유가 공학적 특성에 있어 가장 뛰어남. 그 결과, 최근 FRP 적용에 있어 CFRP가 많이 사용되고 있음. GFRP 또한 자주 사용되는데, 이는 가용성 때문임. 아라미드 섬유는 비교적 비싼 가격때문에 방탄복과 같이 구조물 분야 이외에서 주로 사용됨.

폴리머 (Polymers)

폴리머는 섬유를 결합시키고 섬유가 열화되는 것을 방지함. 폴리머 매트릭스는 상대적으로 낮은 밀도를 가지고 있고 복합재를 강하지만 가볍게 유지시킴. 각각의 섬유들 사이의 힘은 전단응력을 통해 매트릭스로 전달됨. 매트릭스가 만들어지는 수지 (resins)에는 두 종류가 있음: 열가소성과 열경화성. 이러한 수지들은 각각의 분자 내에서는 아주 강한 결합력을 가지고 있지만 상대적으로 약한 힘에 의해 결합된 고분자로 구성됨. 열경화성 수지는 보통 구조공학 사례에 사용됨. 이러한 폴리머들은 일반적으로 우수한 열 안정성, 우수한 화학적 저항성, 낮은 이완성을 가지고 있음. 주요 열경화성 수지로는 폴리에스터, 비닐레스터 및 에폭시가 있음. FRP 교량 구조물은 인발 (pultrusion) 과정을 거친 비닐레스터 폴리머와 E-glass 섬유로 제작됨.

설계 안내서 (Design Guidance)

1970년대 초기 이후로 FRP 복합재 물질은 노후화된 전통적인 구조물들의 보수 및 교체나 새로운 건설을 위해 사용되어 왔음. 그러나 토목 구조물에 대한 설계 기준의 부족은 구조물에의 활용을 제한해왔음. 현재 적용사례들의 대부분은 제조사에서 제공된 연구나 가이드라인이나 단순히 경험에 의존하여 설계되었음. 그 결과, 구조물이 종종 과도하게 설계되었음.

가용한 안내 시방서 (Available Guide Specifications)

플로리다에서의 표지 구조물에 FRP 복합재를 시행하는 있어 안내서가 될 수 있는 세개의 핵심적인 문서가 있음.

·         NCHRP Report 494 “Structural Supports for Highway Signs, Luminaires, and Traffic Signals”– 이 문서는 2003년에 출간되었고 FRP 물질의 성능과 구조적 요소에 대한 유용한 시방서를 제공함.

·         플로리다 교통부 “FDOT Modifications to Standard Specifications for Structural Supports for Highway Signs, Luminaires, and Traffic Signals”– 이 문서는 2012년에 출간되었고 플로리다에 있는 구조물들에 대한 구체적인 설계 입력을 제공함.

·         위스콘신 대학교 “A Model Specification for FRP Composite for Civil Engineering Structures”– 이 모델 시방서는 FRP 물질들에 대한 분류 시스템을 제공하고 받아들일 수 있는 구성물질들과 선택된 구성물질의 부피에 대한 제한을 제시하며, 특정한 기계적/물리적 성질에 대한 테스트를 보여줌.

연결부 (Connections)

FRP 복합재 구조물에 대한 설계 세부사항에서 연결부응 특히 중요함. 잘 설계된 연결부는 설치시간을 줄이고 적절하게 하중을 전달하며 구조물의 생애주기에 걸쳐 열화에 저항함. FRP의 세가지 연결타입으로써, 스냅-핏 (Snap-Fit), 기계적 연결, 화학적으로 결합된 연결이 있음.

결론

문헌검토 결과에 기반하여, FRP 복합재는 높은 강도와 강성과 같은 유망한 물질 특성을 가지고 있는 것으로 보임. FRP 복합재는 전통적인 구조 물질들보다 훨씬 낮은 밀도로 생산될 수 있음. 이는 더 빠르고 용이한 건설을 가능케 하고 잠재적으로 낮은 건설비용으로 귀결될 것임. 더구나, FRP 복합재는 부식하지 않으며, 최소한의 유지관리를 통하여 서비스 수명을 연장할 수 있음.

한편, FRP 복합재는 전통적인 구조 재료들보다 갑작스럽게 파괴되는 경향이 있음. 따라서 증명된 설계기준 — 특히 연결부에 대한 세부사항 - 이 시행에 있어 결정적일 것임. 이러한 안내서 없이는 불확실성을 배제하기 위해 설계자들이 과다한 설계를 하게 됨. 이는 궁극적으로 덜 효율적이고 고비용의 설계로 이어질 수 있음.

부분적으로 FRP 디자인과 건설 방법에 대한 지식의 부족때문에, 시행에 대한 초기비용은 전통적인 물질의 3배 정도일 것임. 그러나, 산업계가 구조적인 활용사례들에 더 채택을 할수록 비용차이는 시간이 지남에 따라 줄어들 것임.