US-6 도로 상에 있는 비버크릭 교량(Beaver Creek Bridge)은 미국 유타(Utah) 주에서 유리 섬유 강화 폴리머(Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP)로 보강된 프리캐스트 포스트텐션 교량(precast post-tensioned bridge) 상판에 대한 시범 프로젝트임. 이 교량은 2009년에 프리캐스트 상판 패널뿐만 아니라 프리캐스트 프리스트레스트 거더(precast prestressed girders)를 사용하여 건설되었음. 서쪽 방향의 교량 상판은 12개의 프리캐스트 패널로 구성되었는데, 각각의 패널은 41피트 5인치의 길이, 6피트 10인치의 폭, 9와 1/4인치의 두께로 무게는 대략 33 kips에 달함. 그때, 이러한 패널들은 미국에서 가장 긴 GFRP 보강 패널이었음.

유타 교통부(Utah Department of Transportation, UDOT)는 교량 상판에서 철근에 대한 대안으로써 GFRP 보강바를 평가하기로 결정하였음. 유타 교통부는 전체 교량의 서비스 수명과 맞추기 위해 교량 상판의 수명을 늘리기를 바랬음. GFRP 바의 속성때문에, 내재된 앵커(embedded anchors) 대신에 스트랩(straps)을 사용하여 패널은 4개의 점에서 올려졌음. 4점 리프팅 동안에 패널은 약간의 변형과 변위를 보였음. 게다가 리프팅 이후에 패널에는 머리카락 굵기의 균열보다 큰 균열은 발견되지 않았음.

비버크릭 교량의 상판은 유타 주에서 교통 방향으로 포스트텐션이 적용된 최초의 프리캐스트 상판임. 포스트텐션 교량의 상판은 유타 주에서 표준 공정으로 될 예정임. 패널의 포스트텐션은 패널 간의 이음을 증가시키고, 부식의 가능성에서 이음부(joints)를 보호해줌.

교량에서 2개의 프리캐스트 상판 패널과 다른 구조 부재에 대한 장기 모니터링이 이 보고서에 상세하게 기술되어 있음. 프리캐스트 콘크리트 패널을 활용한 교량의 상판에 대한 세부사항도 제시되어 있음. 4번의 트럭 하중 시험 동안 프리스트레스트 거더의 성능이 평가되었음. 정적, 그리고 동적 트럭 하중 시험 결과가 논의되고, 교량 상판의 변형에서 관찰된 반응과 거더의 영향 요소에 대해 결론이 내려졌음.

지속적인 모니터링으로부터, 교량에 적용된 하중은 원격으로 수집되고 데이터는 분석되었음. 수집된 데이터에는 상판 패널의 변위와 굴절, 거더에 대한 패널의 상대적인 변위, 상판에 적용된 하중으로부터 가속도계(accelerometers)를 통해 측정된 거더의 수직 가속도(vertical accelerations) 등이 포함됨. 굴절, 변위 및 가속도 데이터를 사용하여, 시험 결과와 설계 요구사항을 비교함으로써 상판의 반응에 대해 결론이 내려졌음. 이 결과는 컴퓨터가 만든 모델로부터의 유한요소분석(finite element analyses)과도 비교되었음.

GFRP 바의 사용은 교량의 자본 비용에서 8%를 증가시키긴 하지만, 제빙용 염분에 노출된 교량의 상판 수명을 45년에서 100년으로 연장시킬 수 있음. 게다가, 가속화된 건설 사례와 결합한 GFRP 바의 사용은 유지관리에서 발생하는 장기간의 사용자 지체를 줄일 수 있음. 자본 비용에서의 차이점은 설계자가 GFRP 바에 더 익숙해지고 더 경험을 쌓으면서 줄어들 것임. GFRP 바로 보강된 프리캐스트 콘크리트 교량 상판 패널의 모니터링에 근거할 때, 서비스를 시작한 지 2년 후에, 프리캐스트 상판을 포함한 교량의 성능은 설계 요구사항에 충분히 부합하고 있음.
 

최근, 유타 교통부는 사용자의 지체를 줄이면서 교량의 수명을 늘릴 수 있는 진보적인 대책을 취해왔음. 이러한 대책에는 가속화된 교량 건설 사례의 사용과, 부식으로부터의 유지관리 수요를 줄일 수 있는 물질에 대한 탐색이 포함됨. UDOT는 교량 상판에서 철근을 사용하는 대신 GFRP 보강 바를 평가하기로 결정하였음.

2009년 여름, 유타 주의 프라이스(Price) 에서 북쪽으로 20마일 정도 떨어진 곳에서 비버크릭 교량에 대한 공사가 시작되었음. 비버크릭 교량의 상판은 전통적인 철근 대신에 GFRP 바로 보강된 프리캐스트 패널을 사용하여 시공되었음. GFRP는 전통적인 철근에 비해 많은 이점을 제공하는데, 이러한 이점에는 인장 강도의 증가, 단위 중량의 감소, 부식 저항성 등이 포함됨. 교량의 상판에 GFRP 바를 사용하는 것은 교량 상판의 수명을 100년까지 연장할 수 있는 것으로 알려져있음.

비버크릭 교량은 야생동물 이동통로를 가지고 단경간으로 하천을 가로지르는 교량임. 이 교량은 거더에 수직으로 배치된 프리캐스트 콘크리트 패널 ？ 교통 흐름의 각 방향으로 12개의 패널 ？ 과 12개의 AASHTO 타입 4 프리스트레스트 거더로 구성되어 있음. 교량은 88피트 2인치 길이의 경간을 가지고 있음. 상판은 미국 콘크리트 연구소(American Concrete Institute, ACI)의 440.1 R-06(2006)에 따라 설계되었고, GFRP 바로 보강된 24개의 프리캐스트 상판 패널을 사용하여 시공되었음. 교량은 2단계에 걸쳐 시공되었는데, 각 교통 방향에 대해 1단계씩 소요되었음. 1단계에서, 동쪽 방향이 건설되었고, 12개의 프리캐스트 패널 ？ 길이 44피트 5인치, 폭 6피트 10인치, 두께 9와 1/4인치 ？ 이 사용되었음. 2단계에서, 서쪽 방향 교량이 건설되었고, 상판은 12개의 패널 ？ 길이 41피트 5인치, 폭 6피트 10인치, 두께 9와 1/4인치 ？ 로 구성되었음. 이 프로젝트는 2단계에 중점을 두고 있음.

24개의 상판 패널은 유타 주의 플레즌트 그로브(Pleasant Grove)에서 제작되어 64마일을 이동하여 교량 현장으로 옮겨져 올려졌음. 각 패널은 서비스 위치에 자리잡기 전에 전체 3번 올려졌음. 처음의 리프팅 과정에, 상판 패널은 거푸집에서 제거되었음. 리프트는 파라펫(parapet)이 주조되기 전에 일어났음. 일단 파라펫이 주조되면, 패널은 트랙터 트레일러의 받침대에 위치되었음. 마지막 리프트 중에, 패널은 교량의 거더 위에 위치되었음.

패널이 일단 자리에 있으면, 수평조절 볼트(leveling bolts)를 사용하여 수직방향으로 조정되었음. 일단 조정이 되면, 거더와 복합적인 활동을 제공하기 위해 패널은 전단 스터드(shear studs)와 비수축 그라우트(non-shrink grout)를 사용하여 거더에 연결되었음. 마지막으로, 2개 셋의 패널을 연결하기 위해 3피트의 폐색 충전(closure pour)이 이루어졌음. 패널 간의 그라우트 키의 전단 전이를 증가시키고, 균열에 대한 가능성을 줄이며, 조인트를 폐색하고, 미래의 누수를 예방하기 위해 상판 패널은 교통의 흐름 방향으로 포스트텐션되었음. 포스트텐션 스트랜드(strands)가 받게 되는 응력 강도(stress intensity)는 40.8 kips임.
 

GFRP 바는 전통적인 철근의 대체물로, 요즘 폭넓게 사용되는 섬유유리(fiberglass)와 비슷함. GFRP 바는 고강도의 E-글래스의 스트랜드로 만들어짐. 이 스트랜드는 S-글래스와 섞여짐. 첨가제와 충전제와 함께 2가지 타입의 유리 섬유는 비닐 에스터 수지(vinyl ester resin)와 결합됨. 이 절차는 외부의 부착 성질을 얻기 위해 코팅 절차와 연계되어 있음.

GFRP 바는 전통적인 철근에 비해 여러 이점을 제공함. GFRP 바는 산화하지 않기 때문에 콘크리트에 내재된 알카리나 염분 이온의 활동에 대해 침투가 되지 않아, 부식에 대한 저항성이 뛰어남. 부식에 대한 저항성은 교량 상판의 장기 비용을 줄이는데 가장 큰 인자이며, GFRP 바가 여기에서 사용된 주요 이유임.

두번째 이점은 중량임. GFRP는 경량이어서 입방 피트 당 135파운드의 단위 중량을 가지고 있음. 이는 처리와 배치에 있어 사용성을 늘림. GFRP는 어떤 금속체도 포함하지 않아서 비전도성임. 따라서, GFRP는 전자기적으로 중성적이며 민감한 전자장치의 사용에 간섭을 일으키지 않음. GFRP는 또한 열도 전도하지 않음.

GFRP는 또한 단점도 가지고 있음. 우선 철근에 비해 고가임. 그러나, 교량의 상판에 GFRP 바를 사용하는 것은 교량 비용의 4%만을 증가시킴. 비버크릭 교량의 경우에는 전체 비용의 8%가 증가하였음.

두번째 단점은 낮은 탄력계수임. GFRP는 6280 ksi의 탄성계수를 가지고 있는데, 이는 철근의 1/5 수준임. GFRP 바로 건설된 슬래브나 구조물은 더 높은 변형을 일으킬 수 있음.

또다른 단점으로는 현장에서 개조가 불가능하다는 것임. GFRP는 일단 양생이 된 후에는 굴절이 불가능함. 따라서, 모든 굴절에 대한 계획이 시공 전에 이루어져야 함. 따라서 설계의 변경 등은 고가의 비용을 들게 할 수 있음.
 

프로젝트 동안에 수행된 측정과 관찰로부터, 다음과 같은 결론이 내려질 수 있음:

-    바에 직접적으로 적용되는 전단응력을 최소화하기 위해, 아래에서 패널을 받치면서 패널은 스트랩을 사용하여 4점에서 리프트되었음. GFRP바에서 최대 인장변위는 125 ue였고, 이 변위는 최종 변위의 0.8%에 해당함. 이 프로젝트 동안에 관찰된 변위는 다른 곳에서 보고된 것과 일관적임.

-    상판 패널은 교량의 길이 방향으로 포스트텐션되었음. 길이 방향으로 부분적으로 포스트텐션을 가한 것은 164 ue의 최대압축 변위(평균변위는 130 ue였음)를 야기시켰음. 포스트텐션 스트랜드의 최초 인발력(jacking force)에서, 콘크리트의 변위에서 이론적인 변화는 62 ue로 계산되었음. 이는 VWSGs에 의해 기록된 130 ue의 절반 정도임. 그러나, 측정된 값에는 크립(creep, 장기적인 변위 증가), 수축과 스트랜드 이완과 같은 다른 변위 효과를 포함하는 것임. 포스트텐션은 교량 상판의 이음에 보탬이 되었고, 그라우트 키의 전단 전이를 증가시켜 패널이 전단 하중의 상당부분을 이웃 패널로 전이할 수 있도록 하였음.

-    교량은 정적, 동적 트럭 하중 시험을 받았음. 정적 시험 중에, 교량 상판 간의 상대적인 굴절(relative deflection)이 측정되었음. 상대적인 굴절의 최대 크기는 0.0007인치로, 비교적 작았고 상판  패널 간에 양호한 복합 활동이 있다는 것을 보여주었음. 0.0007의 시험 굴절은 설계 굴절인 0.101보다 93% 작았음. 그러나, 시험 하중은 설계 하중의 40% 정도였고 콘크리트 압축강도는 6200 psi였음(설계 강도는 4000 psi였음). 게다가, 이러한 굴절은 AASHTO 한계의 7%였음. 그러나, 실제 교통량으로부터의 모니터링 결과, 상대적인 굴절은 0.15인치까지 관측되었음.

-    정적 시험 중에 프리스트레스트 거더의 활하중 굴절은 AASHTO의 시방서에서 명시된 허용 굴절보다 상당히 작은 것으로 나타났음. 거더 간격의 감소와 이로 인한 거더 수의 증가, 콘크리트 압축 강도의 증가가 이를 설명함. 87.04 kips의 전체 무게를 가지고 경간의 중간에 위치한 2대의 트럭에 대해, 최대 굴절은 0.13인치였음.

-    GFRP 패널은 장기적으로 그 기능성과 무결성을 희생시키지 않고 시공되고 설치되었음. 균열에 대한 어떤 징후도 없었고, 응력과 굴절 모두 설계 한계치 이하였음.

-    GFRP 바의 사용을 용이하게 하기 위해 교량의 설계에 수행된 변화는 상판의 균열을 예방하는데 성공적이었음.

-    거더의 가속도는 동적 시험 과정에서 경간의 중앙에서 측정되었음. 65 mph로 달리는 43.2 kips의 트럭은 0.026 g의 수직 가속도를 보여주었음. 이는 다른 동적 트럭 하중 시험의 결과와 유사했음.

-    GFRP 보강 상판의 비용과 전통적인 방식의 비용이 비교되었음. GFRP 보강 상판에 대해서는 1년에 평방 피트 당 1.10달러, 철근 보강 상판에 대해서는 1.09달러가 소요되었음. GFRP 보강 상판의 수명에 대해 더 폭넓은 연구가 이루어졌고, 이는 서비스 수명의 연장으로 이어져 1년 단위의 비용을 낮추었음. 설계 수명을 100년으로 바꾸면, 연간 비용이 평방 피트 당 0.66달러로 낮아짐.