기존교량구조는 노후 및 열화, 풍화, 환경부하등 영향에 따라 유지관리가 필요하게 되며 보수.보강이 필요하게 된다. 사회간접 자본은 신규사업계획 시 막대한 예산이 필요하게 되므로 가능한 기존구조물의 수명연장을 통하여 비용절감을 꾀하게 된다. 이 보고서는 교량의 보수.보강에 FRP 외부접착식으로 공용성을 회복하는 설계기준을 마련하는 목적으로 연구된 프로젝트 보고서이다.

국내에서도 FRP를 이용한 보수.보강이 소개되어 있으나 실무적용사례는 드물며 이에 대한 공식적인 설계기준이 마련되어 있지 않은 것으로 알고 있다. FRP제품은 고 인장 경량제품으로 인장 부위 보강에 사용이 유리하고 경량이므로 강재를 사용한 보강보다 유리하며 부식도 없으며 작업 및 보수, 연결, 시공이 용이하여 공사비가 절감되고 경제적이다. 또한 FRP 제품은 장래 건설구조 재료로 전망이 촉망되는 대체재료다. 이의생산에 탄소배출 등 환경적 부하가 강재생산 보다는 작을 것으로 생각된다.

FRP는 앞으로 철근대체 및 구조물구체, 케이블교량에 주재료로 사용하려는 많은 연구가 외국에서 시행되고 있으나 국내에서는 아직 미약한 수준인 것으로 알고 있다. 장래 건설 기술의 국제적 위치확보를 위하여 FRP재료를 보수.보강만이 아닌 구조물 본 구조 재료로서 활용하고 이용할 수 있는 연구가 국내에서도 이루어지고 그에 대한 설계기준마련도 고려하는 것이 바람직하며 이 분야에 많은 건설지식을 축적하여 발전시킬 수 있는 가치가 있는 기술로 생각된다.

-서론

이 보고서는 콘크리트 교량부재의 보강과 보수를 위한 외부접착 섬유보강 폴리머(FRP)시스템의 설계에 대한 추천안내 기준을 제의하고 있다. 이 안내기준은 다른 하중조건(휨, 전단과 비틀림 그리고 출력과 휨의 조합)에 종속하는 부재에 대한 설계요구조건을 설명하고 있다. 안내서는 다른 FRP 보강 적용에 대한 사용을 사례로하여 설계예로 보충되었다. 안내서는 AASHTO LRFD 교량 설계기준으로 편입 및 사용을 촉진하기위해 AASHTO LRFD형식으로 제출되었다. 이 보고서에 있는 자료는 FRP 합성자재를 사용한 콘크리트 구조의 보수보강에 연관된 기술자와 다른 사람에게 홍보하는데 직접적인 관심이 있어야할 것이다. 철근 및 PS콘크리트 구조의 보수.보강에 대한 외부접착 FRP 시스템의 사용은 그 기술과 경제적 이익 때문에 몇 개 주가 도로 관리국에 의해 시행하고 있다. 그 같은 FRP 시스템은 경량이며 고강도를 나타내고 설치하기도 쉽다.: 이러한 특징이 비용 절감을 초래하고, 장기수명 달성을 발휘하며, 보수와 건설 촉진 및 다루기가 편리하다. 더하여 연구는 외부접착 FRP 합성재료가 콘크리트 교각과 기둥의 능력을 증가하고, 콘크리트 부재의 연성거동을 개선하는 것을 보여주고 있다. 그 잠재적 유익성에도 불구하고, 외부접착 FRP시스템의 사용은 교량에 대한 국가적으로 승인된 설계기준의 결핍으로 방해받고 있다. 그래서 연구는 그 같은 보수.보강 시스템에 대한 추천 안내기준을 개발하고 이용할 수 있는 정보를 재검토하는 것이 필요하였다. ‘콘크리트 교량부재의 보수.보강을 위한 외부접착 FRP시스템의 설계를 위한 안내서’, NCHRP 프로젝트 10-73하에서 조지아기술학회는 합리적인 국내외 정보검토를 수행하였고 LRFD 설계방법을 사용한 신뢰성에 기초한 안내서를 개발하였고, 안내서 개발에 필요한 항목을 분류 및 확인 하였다. 안내서는 각개 규정의 제한과 적용, 배경을 설명할 필요가 있는 주석을 덧붙이고 있다. 더하여 설계 예제가 다른 보강 요구사항에 대한 제안 안내서의 사용을 사례로 제공하고 있다. 추천안내서는 경제적 및 다른 이익을 줄 것으로 기대되는 선택을 돕고, 콘크리트 교량부재의 보수.보강에 이용할 수 있는 선택공법 중에 FRP시스템의 고려를 촉진할 것이기 때문에 고가도로 관리국에 특히 유용할 것이다. AASHTO 교량설계기준으로 추천안내서의 편입은 콘크리트 교량 부재의 보수.보강을 위해 외부접착 FRP시스템의 설계를 위해 필요한 정보에 쉽게 접근을 제공할 것이다.

-요약

섬유보강 폴리머(FRP) 합성재료는 교량구조 넓은 범위의 하중전달 능력을 향상시키고 강화하는데 사용되고 있다. 이 재료는 매우 경쟁적인 건설시장에서 성공하기 위하여 기술 및 경제적 이익을 제공함에 틀림없다. FRP 합성재가 기존구조의 복구를 위해 전통적 건설재료와 조합으로 사용이 증가하는 반면에 시방, 구조물 조건 평가를 위한 표준, 합성재료를 사용한 교량구조의 복구와 평가는 기존대로가 아니다. 대부분 FRP 합성재료에 대한 설계정보는 주로 합성재료 산업에 의해 개발되고 있다. 이보고서는 철근 및 PS콘크리트 고가교량부재의 보수？보강에 대한 외부 부착 FRP 합성 시스템의 설계를 위한 추천안내서 개발에 대한 NCHRP 프로젝트10-73DPTJ 수행된 연구를 요약하였다. 이정보는 FRP사용을 위해 합리적 근거를 가지고 교량기술자에게 제공함으로서 철근 콘크리트와 PS 콘크리트 교량부재를 보강하는데 FRP재료 사용을 촉진할 것이다. 이 연구는 콘크리트 교량 부재의 보수보강을 위한 부착FRP 보강시스템의 설계를 위한 추천안내서를 작성하였다. 이안내서는 AASHTO에 의해 채용되고 그들의 생각을 촉징하기 위하여 4판(2007) AASHTO LRFD 교량설계기준의 안내서를 유사하게 하는 형식으로 제출되었다. 이추천 안내서는 여기에 포함된 규정의 한계, 적용, 배경을 설명하는 주석을 동반하고 있다. 조로 사용되는 FRP 보강 적용의 6가지 사례에 대해 추천안내서에 일치하는 단계별 계산이 포함되어 있다. 이 예제가 실제로 교량 보강 프로젝트에 접근하는 방법과 설명서로서 역할을 하게 될 것이다. 이보고서는 추천 안내서의 수준향상과 장래 개정을 지속하기 위한 깊이 있는 연구를 위해 안내서와 추천서를 이해하기 위한 제안으로 결론 짖고 있다.

제1장 서론과 연구접근

1.1 배경

철근 및 PS콘크리트 교량구조의 보수.보강을 위한 외부접착 섬유보강 폴리머(FRP)의 사용으로 이뤄지는 기술적, 경제적 이익 때문에 교량구조의 이 복구방법은 많은 주립 고가도로 관리국에서 시행이 받아들여지고 있다. 그 같은 FRP시스템은 비용절감을 초래하고 장기수명성과를 발휘하며 보수와 건설촉진 및 다루기가 편리하다. 더하여 FRP합성재료의 외부접착은 콘크리트 교각과 기둥의 능력을 증가하고 콘크리트 부재의 연성거동을 개선하고 있다. 그 잠재적 유익성에도 불구하고 외부접착 FRP시스템의 사용은 콘크리트 교량부재의 보수.보강에 FRP사용을 위한 국가적으로 승인된 설계기준의 결핍으로 방해받고 있다. NCHRP 프로젝트 10-73은 외부접착 FRP시스템의 설계를 위해 추천 안내서를 개발하고 이용할 수 있는 정보를 재검토하는 것으로 착수되었다. 이 기준은 경제적인 것과 다른 이익을 줄 것으로 기대되는 선택을 하고 콘크리트 교량부재의 보수.보강을 위한 선택사이에 고가도로 관리국이 FRP시스템을 고려하는데 도움이 될 것이다.

1.2 프로젝트 목적과 범위

이 프로젝트의 목적은 철근 및 PS콘크리트 고가도로 교량부재의 보수？보강에 FRP 사용을 위한 외부접착 FRP 합성 시스템의 설계를 위한 추천 안내서를 개발하는 것이다. 이 프로젝트에 포함되는 FRP합성 시스템은 탄소, 유리, 아미드섬유에 의해 보강되는 열경화성 폴리머를 포함하고 있다.

과업1. 콘크리트 교량부재의 보수.보강에 사용되는 FRP시스템의 설계에 적합한 정보가 수립, 검토되는 것이다. 이 정보는 미국 콘크리트 학회 ‘콘크리트 구조 보강을 위한 외부접착 FRP시스템의 설계 및 건설을 위한 안내서’와 유사한 출판물을 포함하여 다른 구내와 자료와 산업조직, 운송관리국과 접촉하여 출판 및 비출판 보고서로부터 정리되었다.

과업2. 과업1에서 모아진 정보를 기초로 안내서를 개발하는데 필요한 항목이 분류되고 확인되었다.

과업3. 과업1,2에서 얻어진 정보를 기초로 설계사례와 주석에 따라 안내서를 개발하기 위한 제안 안내서와 작업계획의 임시초안이 작성되었다. 그 계획은 기준 서에 다른 설계기준과 적절한 저항계수를 포함하기 위한 제안 접근을 서술하고 있다.

과업4, 안내서 개발을 위한 계획이 이행되었다. 이작업의 결과를 기초로 안내서가 개발 되었다.

과업5. 과업4에서 개발된 기준을 사용하는데 기준의 사용을 보여주는 설계 예와 주석이 작성되었다.

과업6. 설계 예와 주석; 추천안내서를 포함하는 모든 연구를 첨부한 최종보고서가 작성되었다.

1.3 고가도로 업무수행에 결과적용

이 프로젝트로부터 얻은 연구결과는 교량복구와 개량에 FRP보강을 사용하기 위해 기술적으로 완전한 문서작성 기초를 제공하고 있다. FRP보강의 사용은 주 및 국가기준에 교량유지관리 및 복구의 경제성에 중대한 영향을 가질 것이며 재시공보다 쉬운 시설설치 회복을 통해서 교량부재의 하중전달 능력을 향상시킬 수 있다. 추천 안내서는 이 특성이 얻어지는 전제하에 유사조건에 그 같은 재료특성을 사용하기 위해 교량설계와 유지관리 기술자에게 허용하는 시기에 재료특성을 보고하기 위해 FRP제조자에게 확고한 기초를 제공한다. 별첨A로 제출된 주석과 안내서는 AASHTO에 의한 채택과 고려를 촉진하기 위하여 구성되었다.

1.4 보고서 구성

이 보고서는 4장과 2개 별첨으로 구성된다. 제1장은 목적을 달성하기 위해 수행되는 여러 업무를 명시하고 목적을 서술하고 있다. 제2장은 이 연구의 결과물을 나타내고, 제3장은 제안 안내서가 개발된 것에 대해 기반을 형성한 시험적 자료와 분석적 공식을 설명하고 있다. 제4장은 더 깊이 있는 연구를 위한 추천사항과 결론을 나타내고 있다. 별첨A는 콘크리트 교량부재의 보수.보강을 위해 외부접착 FRP 보강시스템에 대한 추천안내서와 주석을 나타내고 있다. 별첨B는 실제로 교량보강 프로젝트에 접근하는 방법에 대한 설명서로서 제공되는 단계별 사례 예제를 포함하고 있다.

제2장 결과물

제3장 해설, 평가, 적용

제4장 깊이 있는 연구를 위한 추천사항과 수행, 결론

4.1 결론

이 연구는 콘크리트 교량부재의 보수？보강을 위한 외부접착 FRP보강 시스템의 설계를 위한 추천안내서의 기준안을 개발하였다. 이 안내서에 포함된 규정은 LRFD 설계방법을 사용하고 AASHTO - LRFD 교량설계기준 4판(2007)에 기초한 하중조합 요구조건을 이용하고 있다. 하중과 저항계수는 하중의 현재 확률적/통계적 모델에 기초한 구조적 신뢰성 이론으로부터 개발되었고 현재 AASHTO 설계와 평가안내서에 이미 포함되어 있는 신뢰수준을 달성하기 위해 설계되고 있다. 추천안내서는 여기에 포함된 조건의 제한과 적용, 배경을 설명하는데 필요한 주석에 의해 동반되고 있다. 안내서와 주석은 AASHTO에 의한 채택과 FRP의 고려를 촉진하기 위하여 AASHTO LRFD 교량설계기준의 내용을 모방하는 형식으로 발표되고 있다. 안내서는 5장으로 구성되고 있다. 제1장은 제안서의 설계기초와 일반요구사항, 조건을 설명하고 있다. 제3장은 콘크리트 교량부재의 보수？보강에 대한 사용을 위해 의도되는 폴리머 합성재료 시스템에 대한 요구사항을 정의하고 있다. 2장에 포함된 재료조건은 이 특성이 얻어지는 조건과 재료특성 보고서 작성을 위하여 일관된 근거를 주고 있다. 제3,4,5장은 각각 축 하중과 휨 조합, 전단, 휨에 종속하는 강재보강 콘크리트 부재의 응답을 지배하는 제한 상태에 기초한 추천 설계조건을 포함하고 있다. 더하여 추천안내서에 일치하는 단계별 계산은 일반적인 FRP보강 적용의 예로서 제공되고 있다. 이 예제는 제안 안내서의 5장을 망라하여 실제 교량보강 프로젝트에 접근하는 방법의 설명서로서 제공될 것이다.

4.2 수행

이 연구에서 개발된 안내서의 성공한 수행은 외부 접착 FRP보강으로 보강된 강재보강 콘크리트 구조부재의 설계 및 거동에 관련한 조사절차, 제한, 가정, 기본으로 교량설계 기술자가 충분히 얻게되는 깊이 있는 교육을 요구할 것이다. 교육교재는 제안서의 모든 합리적인 조건의 상세와 중요자료를 강조할 것임이 틀림없다. 제안안내서가 잠재적인 개선을 확인하기 위하여 독립설계자에게 시험설계로 사용되는 것이 추천되고 있다.

4.3 보다 깊이 있는 연구를 위한 추천사항

이 연구의 한계와 결과물을 기초로, 철근 콘크리트와 PS콘크리트 구조부재의 FRP보강에 대한 보다 깊은 연구가 추천되고 있다. 다음의 주제가 제안되고 있다.

-FRP재료 요구사항. 제안 안내서에 재료요구사항은 FRP보강이 관심 있는 특성의 원래 값의 85%를 유지하도록 보장하는 것으로 시험되고 1000시간동안 그리고 4가지 특별 환경으로 조건이 주어지도록 규정하고 있다. 이런 요구는 프로젝트 공용수명에 걸쳐 등급저하의 평가를 할 수 있도록 1000시간, 3000시간 그리고 10000시간의 노출 기간 후 특성 측정을 요구하는 켈리포니아 운송국의 후원 하에 Hawkins 등(1999)과 Steckel등(1999a, 1999b)의 연구로부터 유도되었다. 연구는 1) 10000시간 이상 시험기간의 변별력을 시험하고, 2)어떤 장기간으로부터 결과자료를 보고하고 분석하는 방법의 표준수행사항을 수립하도록 이행될 것을 제안 받고 있다.

-FRP보강으로 외부보강 철근 콘크리트 부재의 응답에 대한온도의 효과 , 제안 안내서는 ASTM D4065에 일치하여 결정되는 (사용될 때) 점착성에 대해 그리고 합성 시스템의 유리 천이온도의 특성 값이 AASHTO LRFD 교량설계기준의 3.12.2.2절에 정의된 (Tmax design) 최대설계온도보다 적어도 40？F 이상 더 높아야 할 것이다. 이 연구는 안내서에 제안된 요구사항의 유효성을 검사하는 것이 필요하게 된다.

-FRP 보강 단부 피복을 설명하는 실험적 연구, FRP보강단부 피복설계 방정식은 안내서에 규정된 0,065√fc' 제한 피복응력의 유효성을 수립하기 위하여 여러 환경조건에 노출과 종적 그리고 피로하중 조건하에서 더 유효해야 할 것으로 제안되어 있다.

-FRP 보강을 한 철근 및 PS콘크리트 거더의 전단강도, 콘크리트 부재의 전단강도에 관한 자료는 제한되어 있다. FRP보강을 한 교량부재의 전단강도에 대한 연구가 필요하게 된다. 그 같은 연구는 (1)구조부재의 환전 됨 비틀림, (2)FRP 보강한 완전 됨높은 철근 콘크리트 보의 전단거동, (3)역학적 앙카를 조합한 FRP보강재로 보강한 높고 낮은 철근 콘크리트 보의 거동에 관계되는 설계기준과 안내서를 포함해야 할 것이다. 이러한 연구는 FRP보강(Schuman과 Karbhari 2004; Monti등, 2004a, 2004b)으로 연결사용을 위한 앙카에 대한 설계안내서와 안카 시스템에 대한 기준을 포함할 것이 추천되고 있다.

- 축하중과 조합 축하주과 휨하에서 한정된 구형기둥의 실험적 거동, FRP 보강으로 한정된 편심재하 압축 세장과 비세장 기둥에 대한 시험은 (1)설계목적을 위해 매우 적절한 극한 모델, (2)단면형상 비에 관하여 FRP보강의 효과, (3)축인장과 휨하에서 한정 보강 콘크리트 기둥의 실험적 거동을 설명하는 것이 필요하게 된다.