본 연구에서는 철근의 부식 문제를 근본적으로 해결하기 위하여 고속도로 교각 두부보에 GFRP 보강근을 적용하고 구조설계 및 3차원 유한요소해석을 수행하였다. AASHTO LRFD 설계기준에 근거하여 교란영역(D-region)인 두부보를 설계하였으며, 기존 연구결 과를 바탕으로 설계기준보다 완화된 계수를 적용하여 결과를 비교하였다. 또한, 두 가지 설계에 대해 각각 3차원 유한요소해석을 수행 하여 설계 결과를 검증하였다. 본 연구의 결과로부터 완화된 계수 적용을 통해 GFRP 보강 교각 두부보의 경제성 확보가 가능하다는 결과를 얻었으며, 이는 다양한 GFRP 보강 콘크리트 구조물의 실용화에 기여할 수 있을 것이라 기대된다.

본 연구에서는 철근 부식 문제의 근본적인 해결책으로 각광받고 있는 GFRP 보강근을 교각의 두부 보에 적용하기 위해 철근 보강 콘크리트로 설계된 고속도로 교각의 두부보를 철근 대신 GFRP 보강근 으로 대체하여 설계하고 실용화를 위해 필요한 요소를 발굴하였다. 교란영역(D-region)인 두부보 설계 를 위해 8도로교량의 콘크리트 바닥판, 콘크리트 방호울타리 등의 휨 지배 구조물9의 설계로 적용범위 를 한정하고 있는 국내 설계기준 대신 8AASHTO LRFD Bridge Design Guide Specifications for GFRP-Reinforced Concrete 2nd Edition9을 적용하여 설계하였다. 이를 통해 철근 대비 지나치게 보 수적인 설계 요소 및 GFRP 재료가 철근 대체재로 활용되기 위해서 보완되어야 할 점을 제시함으로써 향후 GFRP 보강근 적용 부재의 확대 및 실용화에 기여할 수 있을 것이라 기대한다.

본 연구에서는 콘크리트 구조물의 내구성 고도화를 위하여 고속도로용 교각 기둥부에 대하여 내부 식성이 우수한 GFRP 보강근 적용하였으며, 설계적 분석, 축소모형 시험체 제작 및 성능 시험을 통하 여 실용화의 타당성를 검증하였다. 설계적으로 교각의 기둥부는 축방향 주철근을 GFRP 보강근으로 대체하였다. 일반적으로 GFRP는 압축부에 취약한 것으로 알려져 있으며, 국외 기준의 경우는 압축부 에 대하여 GFRP 보강근은 저항력이 없는 것으로 가정하고 있다. 본 연구에서는 탄성 교각에 대하여 기존 철근을 대체할 수 있는 GFRP 보강근의 설계적 방안 제시 및 실물 시험을 통한 성능 검증을 수 행하여 결과를 제시하였다. 본 연구 결과는 고속도로용 탄성 교각 기둥의 내구성 증진을 위한 설계 및 실용화에 있어 가능한 가이드라인을 제시할 것으로 기대된다. 다만, 본 연구에서 다룬 기둥부는 주철 근만을 GFRP 보강근으로 대체한 것으로, 향후 GFRP 나선형 보강근 등의 적용, GFRP의 축하중 분담 률 및 건조수축 크리프 특성, 기둥부의 최소 보강근비 산정 그리고 GFRP 보강근의 압축강도 측정법 등 상세 사항에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이다.

교각의 내구성 증진 및 내진 보강을 위하여 원형철근 콘크리트 교각 외부에 강판을 보강한 경우, 교각 외부에서 발 생하는 화재에 대해 보강된 교각의 내화성능을 정량적으로 평가하였다. 범용유한요소해석프로그램 ABAQUS를 이용하였으며 ISO 834-1의 표준화재곡선을 적용하여 교각의 거동을 해석하였다. 해석 변수로는 강판보강두께와 원형교각 지름의 비, 교각에 수직으로 작용하는 축력비를 적용하였다. 교각의 상부와 하부는 힌지-롤러 경계조건을 고려하여 상부는 수직으로 변위가 발생하 도록 하였으며, 교각 외부 전체에 열하중을 가하였고 편심 없는 순수 축하중을 교각 중앙에 가력하였다. 온도에 따른 콘크리트, 철근 및 강재의 비열, 열전도율, 탄성계수 등을 고려하여 보강에 따른 교각의 내화 성능 향상도를 평가하였다. 강판으로 보강한 원형철근 콘크리트 교각은 콘크리트의 중심부일수록 강판 두께의 영향을 받지 않으며 강판 두께별 축력을 주 었을 때 내화시간은 축력비 0.7에서 최대 약 3분 향상되었다. 또한, 보강두께가 두꺼울수록 내하력이 향상하며 60분 이후에 모 두 내하력비가 1.0 이하로 감소하기 시작하는 것을 알 수 있었다. 강판보강공법은 내화성능을 향상시킬 수 있으며 강판 보강 두 께와 보강 지름의 비가 클수록 화재에 대해 축방향에 대한 변위와 내하력이 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구결과를 토대로 원형철근 콘크리트 교각의 외부 강판 보강을 통하여 교각의 내화 성능을 향상시킬 수 있음을 정량적으로 판단할 수 있었다.

손상된 콘크리트 구조물은 적절한 보수 및 보강을 통해 성능과 기능을 회복시켜야 한다. 장기간 공기 중에 노출된 콘크리트는 동결융화 작용으로 균열 및 박리를 일으켜 내부 철근의 부식을 유발하게 되는 주요 요인이 된다. 본 연구에서는 동 결융해 손상을 입은 콘크리트 교각의 FRP 보강의 연성에너지 증가 효과를 분석하였다. 보강 FRP 재료와 보강 높이, 보강 겹수 에 따라 동결융해 손상 콘크리트의 푸쉬오버 매개변수 해석을 수행하여 모멘트 곡률의 연성에너지를 비교 분석하였다. FRP 보 강 높이는 소성 힌지 이상의 높이 보강은 비효율적이며, 동결융해 손상이 커질수록 FRP 보강으로 인한 연성에너지 증가량은 커 지는 것을 확인하였다. 보강으로 인한 연성에너지 증가를 위해서는 고강도 FRP 재료보다는 높은 탄성계수를 갖는 FRP 재료가 효율적으로 나타났다. 또한 각 FRP 재료의 특성에 따라 일정 보강 겹수 이상에서 보강 효과가 나타나는 것을 확인하여 FRP 보 강으로 인한 손상된 콘크리트 교각의 연성에너지를 비교 분석하였다.

본 연구에서는 직관적인 적용 및 응용이 가능한 FRP 구속 콘크리트의 재료모형을 반영하는 단면해석 기법을 적용하여 FRP 보강 RC 교각의 성능 증진효과 분석을 수행하였다. 분석 대상 교각은 국내 시설물 내진성능평가 지침인 ｢기존 시설물 (교량)의 내진성능 평가요령 해설 및 예제집(국토해양부, 2015)｣에서 제시하고 있는 예제 모델을 대상으로 하였으며, Lam and Teng. (2003)의 FRP 구속 콘크리트 재료 모델을 활용하여 단면해석을 수행하였다. 미국 콘크리트 학회(ACI, American Concrete Institute)의 구조물 FRP 보강 매뉴얼인 ACI440.2R-17에서 제시하고 있는 구조물 보강용 FRP 소재 물성 제원을 활용하였으며, 구조물 FRP 보강 설계 세부 조항을 따랐다. 국내 내진성능 평가요령에 제시된 교각의 축방향 철근 겹침이음을 조항을 고려하여 기존 교각의 콘크리트 재료 물성을 가정하여 매개변수 연구를 수행하였으며, FRP 보강재 소재별 보강 겹수를 고려하여 FRP 보강 RC 교각의 휨 성능 증진 효과 분석을 수행하였다.

내진설계규정이 정립되기 전에 시공된 콘크리트 교각의 경우 횡철근을 겹침이음하거나 최소한의 배근으로 최적화를 유도하였다. 따라서 지진하중 발생 시 지진에너지를 소산할 수 있는 에너지 감쇠의 효과가 기존 교각들에는 미흡한 실정이다. 본 논문은 반복하중을 받는 원형콘크리트 교각 외부에 강판, GFRP, CFRP 보강을 적용한 경우, 교각의 지진대응 성능 향상도를 정량적으로 평가하였다. 범용유한요소해석프로그램인 ABAQUS의 다양한 3차원 요소를 적용하여 교각 구조물을 모델링하였으며,하중은 교각 상부에 횡방향 동적하중과 교각 전체 자중이 고려되었다. 하중-변위 곡선, 응력-변형률 곡선, 연성도, 에너지 흡수 능력(연성도), 손상도를 고려하여 보강에 따른 교각의 내진성능 향상도를 비교분석하였다. 비보강 콘크리트 교각의 경우 연성도는 78%로 취성파괴 구조물이었으나, 강판보강의 경우 91.0%, GFRP보강의 경우 91.9%, CFRP보강의 경우 92.0%이다. 세 가지 보강의 종류를 비교한 결과 강도, 연성도, 손상도 모두에 있어서 CFRP보강의 경우가 가장 큰 증진 효과를 보이고 있다.

지진 하중에 의해 피해를 받는 교각의 보강을 위한 방법론과 다양성에 대한 연구가 활발히 진행되었지만, 단자유도에 대한 비선형 정적 분석에 대한 연구가 주로 수행되었으며, 교각을 구성하는 재료적 특성만이 변수로 간주되었다. 그러나, 교 각의 기하학적 요소와 보강 수단의 관계성에 관한 연구는 수행되지 않았다. 이에 본 연구에서는 CFRP 재킷을 사용하여 캘리포 니아에 존재하는 비 내진 상세 콘크리트 교량 교각을 보강하고 형상 변화에 따라 (교각 직경, 전단 경간 비, 보강 재킷의 길이) 교량 교각의 지진 취약성 곡선 도출하고 내진 성능을 평가하였다. 상기의 목표를 달성하기 위해 Opensees 프로그램를 사용하여 문헌에서 인용할 수 있는 실험체를 모델링하고 반복 하중을 가하여 결과 비교를 통해 해석방법의 적절성을 결정하였다.

이 연구는 지진하중 작용시 RC 교각의 겹침이음부에서 발생할 수 있는 종방향 철근의 부착파괴를 방지하기 위한 FRP 래핑 보강공법에 관한 실험적 연구이다. FRP 래핑공법은 수작업 또는 장비를 이용해 교각에 유리섬유를 래핑하고 에폭시 수지를 이용해 고정시키는 공법이다. FRP 래핑공법의 내진성능 보강효과를 확인하기 위해, 겹침이음부가 존재하는 6개의 교각 실험체에 대해 준정적실험을 수행하였다. 실험결과 FRP 래핑공법으로 보강한 교각은 변위연성도 및 에너지소산 능력이 증가하 였으며, 무보강 실험체에 비해 연성거동함을 확인하였다. 또한, FRP 래핑 보강량과 보강효과는 선형비례하지 않으므로 최적 설 계를 통해 교각을 보강하는 것이 효과적임을 확인하였다.

This study is planed to solve the overturning problem and manifestation of tensile cracking of plain concrete piers of railroad bridges. For the overturning problem, earth anchors are used to fix the bottom of a pier to a rock-foundation using prestressing cables. Composite of FRP (Fiber Reinforced Polymer)and Steel Plates (FSP) are attached longitudinally on the surface of the pier to prevent cracking. Then, FRP band strips are wrapped onto the FSPs to provide lateral confinement. Push-over tests in field show that the earth anchors are effective in preventing the overturning of the pier, and that the FSPs and the FRP strips prevent the cracking of concrete and increase the strength in bending.

기존의 해상교량 기둥의 외부보강에 따른 연구들은 현재까지 주로 중앙점 재하에 따른 성능을 평가하였다. 하지만, 장대교량의 기둥은 정확한 중심축을 기준으로 축하중을 받는 경우와 편심으로 인한 큰 모멘트가 동시에 작용하는 경우가 많이 발생한다. 이 연구에서는 해상장대교량의 고강도 철근콘크리트 기둥의 하중재하 위치와 2가지의 보강 재료인 탄소섬유 및 고성능 유리섬유를 각각 보강하여 그 효과를 분석하였다. 실험에 사용된 12개의 기둥 실험체는 모두 같은 크기로 제작 및 실험을 하였다. 그 중 6개 실험체의 횡보강 철끈은 띠철근으로 배근하였으며, 그 외 6개의 실험체는 나선철근으로 매끈하였다. 그리고 각각 3겹의 탄소섬유 및 고성능 유리섬유를 적용하여 감싸기 방법으로 보강하였다. 실험변수는 하중재하 위치에 따른 철근의 보강행태 및 보강재료가 고려되었다. 실험결과, 편심축에 따른 하중재하 기둥부재는 중심축 하중재하에 비해 최대 파괴하중이 감소하였지만 고성능 유리섬유를 보강한 기둥부재는 축하중 및 편심하중에서 탄소섬유를 보강한 경우보다 내력과 연성이 우수하였다.