1. 소개         
- 1997년부터 퀸즐랜드 간선도로국에서는 새로운 교량, 목재 거더(대들보) 대체재 및 수중교량 파일 보수용에 구조 엔지니어링 개념을 실현하기 위해 화이버(섬유) 복합재 업계와 협력해 왔다.

- 2002년 퀸즐랜드 정부는 투움바에 있는 바그너 CFT(화이버 복합재 기술)회사를 통해 신생 화이버 복합재 산업의 후원을 시작하였고, 남부 퀸즈랜드의 화이버 복합재 설계 및 개발대학 (FCDD-the University of Southern Queensland’s Fibre Composite Design and Development)도 투움바에 위치해 있음.

- 화이버 복합재 산업계에 의해 건설된 다양한 인프라 사업 성공의 결과로, 간선도로국은 현재 두 가지 주요 분야에 화이버(섬유) 복합재 사용을 조사하고 있음
    * 표준 콘크리트 기초 상부의 신규 구조물에 화이버 복합재 교량상판을 시공
    * 목재 교량의 목재 거더 대체재로서 화이버 복합재 거더를 시공
  
- NSW 도로교통공단과 함께 간선도로국은 FCDD의 수중교량파일 보수용 설계자료 데이터 입력을 계속하고 있음.
- 향후 수년 내에 이러한 용도의 제품에 대한 시험이 이루어질 것으로 기대함.
- 화이버 복합재 업계와 간선도로국의 참여는 다른 산업계에 의해 수행된 화이버 복합재 연구 사업에서 나온 개념을 상호 보완하는데 도움이 됨.
- 이와 같은 것에는 철도 침목, 철도횡단 교량 빔, 전주 가로대(cross-arms), 휴대용 교량 구조물, 부교 통로발판, 녹방지 구조물 및 건물 패널 등에 대한 조사를 포함함.
- 간선도로국의 참여는 공공 인프라와 관련하여 화이버 복합재 기술의 이해증진에 도움을 주며 기반시설 소유주 입장을 관철시키는데 도움을 줌.

- 본 기술보고서의 목적은 화이버 복합재에 관한 일반적인 정보뿐만 아니라 화이버 복합재 기술을 사용하는 간선도로국 사업에 관한 상세한 정보를 제공하는 것임.

2. 화이버 복합재란 무엇인가?        
- 화이버 복합재는 탄소, 유리 및 아라미드 섬유로 보강된 폴리머로 구성되어 있음.
- 이 재료들은 강재 또는 콘크리트에 비해 4~6배 강하지만 무게는 그 일부에 불과함.
- 또한 이 재료들은 비 부식성(non-corroding)과 비자성(non-magnetic)의 속성을 가지고 있으며 필요한 곳에 요구되는 강성으로 설계될 수 있음.
- 잠재적인 총 생애비용의 이점도 상당한 것으로 생각되지만 이것은 실제 이루어지는지 미래에 모니터링 할 필요가 있을 것임.

- 화이버 복합재는 원래 항공우주 산업용으로 개발되었으며, 교통(자동차, 철도, 선박), 스포츠(스쿼시, 테니스, 골프, 스키, 자전거), 의료과학(보철기기, 휠체어), 건물 및 건설산업(교량, 구조물, 연안구조물 및 건축자재)용 등을 포함한 훨씬 더 광범위한 용도로 사용될 수 있다는 것이 알려져 왔음. 

- 건설업계에서 화이버 복합재의 적용은 100년이 가도 거의 변화가 없는 새롭고 혁신적인 방법의 구조물용으로 기회를 넓혀 나가고 있음.
- 화이버 복합재의 독특한 기계화학적 특성은 무게와 부식에 민감한 분야에서는 특히 강철, 목재 및 콘크리트 등과 같은 기존 재료의 특성을 완전히 넘어서는 수준임.

3. 화이버 복합재의 장점        
- 화이버 복합재는 튼튼하고 경제적이며 조립하기 쉽고 내구성이 있는 건설용 자재에 대한 수요 증가에 부합하고 있음.
- 또한 초기 설치비용이 적절하고 유지관리 비용도 저렴한 편이며, 총생애비용도 기존 건설자재보다 대체로 저렴함.

- 화이버 복합재 구조물은 보다 작고, 더 슬림하면서 주변 여건에 부합하는 우수하고 유연한 설계품질로 높은 강도와 가벼운 중량을 특성으로 하고 있음.

- 환경적으로 화이버 복합재는 추가적인 화학처리나 보호의 필요성이 없음.
- 바이오 폴리머와 함께 미래환경 편익에 재생자원을 이용한 화이버 복합재 생산이 포함 될 수 있음.
- 한 예를 들면, 바그너(Wagners) CFT회사는 Energex에 예전에 사용하던 목재 가로대를 대체하는 화이버 복합재 전주용 가로대(cross-arms, 그림 1)를 공급하고 있음.
- 화이버 복합재가 이 분야에 제공하는 경량성, 내부식성, 설치의 간편성 및 신속성, 불활성 등과 같은 유익한 특성은 교량 부재에도 적합함.

- 특정 상황에서 화이버 복합재의 내부식성은 훨씬 더 중요함.
- 2001년 말 브리즈번 강으로 연결되는 획기적인 부교발판 사업에 본 화이버 복합재 기술이 사용될 수 있는지 여부를 확인하기 위해 FCDD는 브리즈번 시의회와 접촉함.

- 개별 수상 플랫폼에 연결발판을 하나의 구조물로 고정시키기 위해 800m 길이의 새로운 형태의 구조물이 요구되었음.
- 기존의 목재나 철제로 시공하는 방안은 강한 소금물에 부식되어 10-15년 이내에 아주 값비싼 유지관리비가 예상되었음.
- 새로운 폴리머 콘크리트 기술이 개발되었기 때문에 CDD는 시의회가 요구하는 100년 설계수명 조건을 만족하면서 높은 연결발판의 구조하중을 수용할 수 있는 “waler beam(월러 빔)” 개념을 창안하였음.

<표 1 - 기술특성 비교>

 
4. 기술특성        
- 두 가지 종류의 화이버 복합재에 대한 개괄적인 기술특성이 강철, 콘크리트, 목재와 비교하여 표 1에 표시되어 있음.
- 밀도별로 가장 무거운 것에서부터 가장 가벼운 것까지 나열하여 표시함.

- 이들 재료의 혼합물을 사용하는 구조설계는 바람직한 휨응력과 처짐한계 범위에 맞도록 교량빔의 시공을 가능하게 함. 

- 강철, 유리 섬유와 콘크리트 또는 연결빔에 사용하도록 다음 속성을 나타낼 수 있도록  조합하여 설계 될 수 있음
      * 콘크리트는 가장 값싼 압축강도용 자재이며 빔의 압축응력 부위에 사용됨.
      * 강철은 유리보다 강성이 크며 초기인장력의 대부분을 부담함.
      * 하중을 증가시키는 중에 빔의 “Softening(연화)”현상은 인접빔에 하중을 전달해서 모든 빔의 총부하용량이 부여된 하중을 고루 분담하는데 사용될 수 있음.  이러한 거동은 재료비를 최소화하면서 적절한 안전을 보장함.

- 경량 인프라가 필요로 하는 많은 부식환경은 그들의 설계속에 화이버 복합재를 많이 사용하는 반면에 다른 인프라가 원하는 결과를 달성하기 위해 화이버 복합재를 포함하여 가장 경제적인 재료의 조합을 사용할 것이라고 말하는 것은 당연하다.
- 화이버 복합재는 이러한 관점에서 아주 유연함.

5. 간선도로국의 목재 대체 화이버 복합재 거더(Girder) 사업
- 이 사업의 목적은 점차 구하기 힘들고 값이 비싸지고 있는 목재 거더를 대체할 수 있으며 실현가능하고 비용효과적인 자재를 조사하는 것이었음. 
- 충분한 직경, 길이 및 품질로 오랜 성장을 거쳐 나무숲에서 구할 수 있는 목재를 수급하는 것은 점점 더 어려워지고 있음.
- 이러한 활동은 장기적으로는 환경적으로 지속가능하지 않다는 것은 명백하여 가까운 미래에 정부가 이러한 목재의 사용을 대폭 제한할 것이라는 것도 충분히 있을 수 있는 일임. 

- 간선도로국은 약 500개의 목재교량을 유지관리하고 있으며 콘크리트 교량으로 교체하는 프로그램에 따라 이들 목재교량을 교체하는 데에는 수년이 걸릴 것임.
- 호주의 도로 및 철도망에는 약 2만 여개의 목재교량이 있는 것으로 추산하고 있음.
- 부두, 창고 및 건물과 같은 기타 낡은 수많은 목재 구조물들도 열악한 상태임.
- 이 사업으로 시행된 공사는 전체적으로 건설산업에 편익연동효과를 가져올 것이라 믿어짐.

- 일반적으로 일부 부자재만 변질되어 목재 부자재의 교체가 필요할 때 전체 목재교량을 교체하는 것은 경제적으로 합리적이지 않음.
- 콘크리트 및 강철 빔을 목재 거더로 바꾸는 것은 속성이 아주 다르기 때문에 일반적으로 적절하지 않음.
- 가장 큰 이유는 강성의 차이 때문임.
- 현재의 기술로 가공된 목재 제품은 유사한 기하학적 특징과 설치에 유연성을 지니고 있는 반면에 대체로 낡은 유칼리나무 거더처럼 설치가 어렵다.
- 화이버 복합재는 다음과 같은 특성이 있기 때문에 적절한 대체재가 될 수 있음.
    * 기하학적 제약을 유지하면서 좋은 품질의 목재 거더와 유사한 강도와 강성을 나타낼 수 있는 유연한 설계
    * 기존 목재 거더 중량의 약 50-60%인 700-800kg의 중량
    * 교량 목수가 전통적인 기술을 사용하여 제품을 맞출 수 있도록 현장에서 절단하고 구멍 뚫고 가공할 수 있는 장점
    * 자연에서 성장한 목재 거더와 비교하여 훨씬 더 우수한 제품의 균일성
    * 대체로 불활성이며 습기에 썩지 않고 흰개미 침입을 막을 수 있는 거더

- 2005년 기준으로 시험용 화이버 복합재 거더의 가격은 목재 거더 보다 2-3배 더 비싼 7000-7500달러 수준임.
- 그러나 화이버 복합재 거더의 총 생애비용은 위에 나열한 장점들 때문에 작아질 것으로 예상됨.
- 목재 거더의 비용은 더 많은 숲이 상업적 용도로 제한됨으로 미래에 상당히 상승할 것으로 예상됨.
- 화이버 복합재 거더는 대량생산으로 값이 내려갈 것으로 예상됨.
- 가격은 4500-5500달러 범위가 될 가능성이 높음.

5.1 간선도로국의 기술 기준
- 최근의 목재 거더 연구로 간선도로국은 고품질의 유카레나무 목재 거더의 기술적 특성을 규정하는 것이 가능해졌음.
- 이 작업은 화이버 복합재 거더를 평가하는데 필요한 기술성능 기준을 개발하는데 사용되었으며, 자세한 사항은 표 2에 나타나 있음.

- 다른 평가기준에는 중량, 내구성, 외관, 코팅, 치수 안정성, 취급, 기존의 거더 설치 기술과 함께 설치에 대한 적합성, 내화학성 등을 포함함.
- 실제 규격의 파괴 및 피로도 시험이 바그너 CFT와 FCDD의 아주 다른 두 개의 대안에 대한 설계이론을 증명하기 위해 시행되었음.

5.2 바그너 CFT 회사의 화이버 복합재 거더
- 바그너 화이버 복합재 거더는 주로 인발성형(pultrusions)의 유리강화섬유로 만들어지며 강성 요구조건에 부합하기 위해 약간의 강철을 포함하고 있음.
- 무게 약 700kg, 길이 9.7m 2개의 거더가 간선도로국 RoadTek에 의해서 기존 목재 교량위에 내외부 거더로 설치되었음. 
- 이 교량은 투움바(Toowoomba) 지역의 Horse Trough 하천을 가로질러 가고 있었음.
- 공사는 2005년 5월 10일 준공되었음.

- 바그너 거더(Wagners girder)는 아래 언급한 결과와 같이 모든 면에서 성능 기준에 부합하였음.
      * 불활성 물질의 사용으로 우수한 내구성을 보일 것으로 예상하고 있음.  부재내의 강철은 화이버 복합재에 의해 잘 보호되고 있으며 목재 부자재는 사용되지 않음.  따라서 흰개미, 곰팡이 공격, 풍화작용 또는 부식에 취약하지 않음. 
      * 기존의 절단, 볼트 조이기 및 고정방법과 걸맞으나, 절단날과 드릴비트에 다이아몬드 절단팁(diamond cutting tips)이 필요함. 일부 개선이 필요한 사소한 설치문제도 있으나 전반적으로 설치방법은 목재교량 작업방법과 유사함.  

- 시험용 거더의 성능을 보장하기 위해 휨응력, 전단 및 피로도 등 포괄적인 시험 프로그램이 성공적으로 수행되었음.
- 비파괴시험 결과는 그림 3과 같이 입증되었으며 그림 4는 부재 설치 사진임.

- 시험용 화이버 복합재 거더의 금액은 목재의 약 3배 정도인 7500달러(운반비 포함)이었음.  
- 보다 생산이 확대되면 이 금액은 5000달러로 감소될 것으로 기대하고 있음.
- 이번 검토 초기단계에서는 내부식성과 흰개미 방지성능 등의 장점으로 총 생애비용의 측면에서 화이버 복합재 거더를 선호할 것으로 예상하고 있음.
- 이 제품은 목재 거더에 비해 상태가 좋을 것이 분명해 보임.

6. 간선도로국의 화이버 복합재 교량상판 사업        
- 화이버 복합재는 경량성, 고강도성, 우수한 내부식성 및 내구성, 운반의 용이성, 생산중에 저에너지 소비성 등을 포함하여 교량 구조물의 적용에 매력적인 많은 특징들을 가지고 있음
     * 이 사업은 퀸즐랜드의 미래 교량 수요를 위한 화이버 복합재 교량 기술의 철저한 평가를 가능하게 할 것임.
     * 특히 사업 준공이 됨으로서 간선도로국은 다음 사항이 가능할 것임.
     * 호주에 있는 화이버 복합재 교량의 경제성에 대한 이해를 발전시키는 것.
     * 원격지 또는 섬을 잇는 일반교량에 까지 보다 확대 보급될 수 있을 때 까지 육성, 발전될 수 있는 그런 기술을 가능하게 할 수 있는 화이버 복합재 교량 기술의 틈새 적용을 확인하는 것.
     * 호주 화이버 복합재 산업의 현재 특성을 보다 완벽히 이해하고 산업의 성장 필요성을 인식하는 것.
     * 기존의 교량 기술과 함께 화이버 복합재 상부구조 기술과 관련된 문제점들을 식별하는 것.

6.1 바그너 CFT 화이버 복합재 교량 데크 - Taromeo Ck Bridge
- 바그너 CFT는 지난 3년에 걸쳐 호주와 미국에서 여러 개의 화이버 복합재 교량 데크를 설계, 제조, 시험 및 설치하여 왔음.

- 건설비용은 3년 동안 1/10로 하락하였음.
- 바그너의 목표는 콘크리트나 강제와 비슷한 금액수준으로 화이버 복합재 교량 데크 설치가격을 내리는 것임.
- 본 사업용의 시험용 화이버 복합재 상부구조의 금액은 현장에 운반비와 설치비를 포함하여 평방미터당 1,500달러였음.
- 이 금액은 퀸즐랜드에 사용된 표준 콘크리트 교량 상부 데크의 금액보다 2~3배 비싼 수준임.
- 그러나 이번 시험용을 통해 알게 된 바와 같이 화이버 복합재 교량의 금액은 앞으로 더 내려갈 것으로 예상됨.

- 그림 7의 Taromeo Creek bridge(교량)은 퀸즐랜드 간선도로국용으로 와그너 CFT의 첫 번째 교량이며 현재까지 가장 큰 화이버 복합재 교량임.
- Taromeo Creek bridge(교량)은 퀸즈랜드의 Blackbutt지역의 아귈라 고속도로상에 위치해 있음.
- 일일 교통량은 승용차 약 2,500대, 중차량 400(16%)대 정도임.
- 이 신규 교량은 전통적인 콘크리트 상부구조와 화이버 복합재 교량 데크를 사용하며 신규 두 스팬교량(10m + 12m 스팬)을 가진 구 목재교량을 교체한 것임.
- 교량 건설공사는 2005년 6월 1일에, 주변 도로포장 마감은 2005년 8월 중순에 완공되었음.

- 와그너 CFT “제4세대“ 설계는 그림 8과 같이 폭 2.1m와 2.6m의 공장제조 콘크리크판(데크) 4개를 조립하는 것이었음.
- 하루에 상부구조 두 스팬에 모두 8개의 데크가 설치되었음. 
- 줄눈에는 현장타설 고강도 그라우트재가 충진되었음.
- 이 데크의 단위 무게는 간선도로국의 표준 콘크리트 데크 중량의 60% 수준임.

6.2 FCDD의 화이버 복합재 교량 데크 - Sandy Creek Footbridge
- 간선도로국은 최근에 Sandy Creek, Nanango지역에 있는 화이버 복합재 인도교를 건설하기 위해 Darling Downs Region(지역)과 함께 일해 왔음.
- 개념과 설계단계는 AECOM에 의해 이행되었으며 간선도로국은 별도 설계점검을 시행하였음.

6.3 시험
- 지금까지 구조시스템의 성능은 그림 12에 보여준 바와 같이 수많은 시험용 빔을 시험함으로서 입증해왔음.
- 이번 시험의 결과는 고무적이었으며 교량개념 수립을 위해 연결부위를 입증하기 위한 추가 시험이 계획되어 있음.