건축물의 대공간 및 고층화에 대한 요구가 증가함에 따라 부분매입형합성보의 연구가 진행되고 있다. 부분매입형합성보는 휨 성능을 증대시키기 위해 내부에 철근을 보강하여 시공한다. 이는 철근의 부식으로 구조물의 내력 저하를 유발한다. 이를 보완하고자 내 부식성이 우수하고 고강도인 CFRP 보강근에 대한 연구가 진행 중이다. 하지만 CFRP 보강근은 임계온도가 250℃로 낮기 때문에 적절 한 내화피복과 철근량이 필요하다. 따라서 하부철근의 종류와 SFRM 두께를 변수로 표준화재에 노출된 부분매입형합성보의 열전달 해 석을 수행하였고 화재에 의한 저감계수를 고려하여 휨내력을 산정하였다. 또한, 열전달해석과 동일한 사이즈의 실험체를 통해 비재하 수평가열로 실험을 진행하여 열전달 해석 결과와 비교 분석하였다. 해석 결과 SFRM 30 mm 적용 시 1시간의 내화성능을 확보할 수 있다. 또한, 화재 시 하중 조합에 의한 내화성능 평가 시, 무피복임에도 2시간의 내화성능을 가지는 것으로 평가되었다.

탄소섬유보강근을 철근 대체재로 사용하기 위해서 단기 역학적 특성뿐 아니라 장기간 역학적특성에 대한 연구가 필히 수행 되어야 하고 현재도 진행 중이다. 이에 따라 본 연구에서는 CFRP bar의 지속하중에 대한 저항성을 평가하기 위해 ASTM 기준에 따라 약 1,000시간 동안 탄소섬유보강근 인장강도의 40%를 재하하는 크리프 시험을 진행 후 잔류 인장강도 확인을 위한 추가 인장시험을 진행하였다. 크리프 시험 결과, 탄소섬유보강근의 변형률은 지속하중 하에서 1,000시간 경과 후 하중재하 초기 변형률보다 약 4.9% 상 승하였고 크리프 파괴는 발생하지 않았다. 잔류 인장강도는 일반 인장강도의 95% 수준으로 측정되었고 잔류 탄성계수는 일반 탄성계 수의 85 % 수준이었다. 따라서 본 연구에서 진행한 인장강도의 40 %가 1,000시간 동안 재하되었을 때 탄소섬유보강근은 안전한 것으 로 확인되었다.

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.

최근 프리팹 부재간 비간섭 계면이음 설계기술이 도입되고 기계주입식 충진 기술의 실용화 성공으 로, 교량 프리캐스트 바닥판 시공의 저해요인이 상당히 해결될 수 있다. 이 때 프리팹 부재에 GFRP 보강근을 적용한다면 가공조립비 절감 효과가 있고, 프리팹 부재의 경량화로 경제성이 제고될 뿐 만 아니라, 현장 안전성과 작업편의성이 향상될 것으로 보인다. 기존 철근 연신율은 20% 내외 수준인데 반해 GFRP 보강근의 파괴변형율은 3% 내외이며 탄성계수는 50GPa (강재 대비 25%수준)이므로, 이 러한 재료특성 차이로 인한 휨성능에 대한 영향 평가가 필요하다. 특히 GFRP 보강근을 프리캐스트 바닥판과 거더 간 계면이음 적용에 따른 영향을 평가하기 위한 프로토타입 거더를 설계하고, 재료간 계면의 부착 특성을 고려한 유한요소해석 모델을 수립하고 극한 휨성능과 소요 계면 전단성능과의 상 관관계를 검토하였다. 추후 본 변수해석 연구에 대해 실험적 검증이 완수된다면, GFRP 보강근 설계기 술을 정립하는 데 기여할 것으로 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.

콘크리트 구조의 인장 보강재로 주로 사용되는 철근은 높은 인장강도와 연성이 우수한 변형 특성에 도 불구하고 부식이 발생할 수 있다는 단점을 갖고 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 부식이 발 생하지 않는 다양한 재료 중 FRP(Fiber Reinforced Polymer)를 철근과 유사한 형태의 Rod로 제작하 여 철근을 대체하는 보강재로 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그중에서도 인장강도가 우수한 탄 소 및 유리섬유를 일방향으로 성형하고 Rod 표면을 굴곡 처리한 CFRP 및 GFRP 보강근을 중심으로 콘크리트 구조에 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 연구에서는 FRP Rod를 보강근으 로 하는 콘크리트 부재의 부착특성과 균열폭, 처짐과 같은 사용성 평가에 중요한 역할을 하는 인장강 화효과를 포함한 균열거동 특성을 파악하기 위하여 단변의 피복두께와 FRP 보강근 지름의 비를 1.0에 서 3.5 까지 0.5배씩 증가하는 직사각형 단면을 갖는 길이 1,000mm의 인장부재를 제작하여 만능재료 시험기(Universal Testing Machine)를 이용한 직접인장실험을 수행한 후, 피복두께와 FRP 보강근의 지름 비에 따른 균열거동(Cracking Behavior) 및 인장강화효과(Tension Stiffening Effect)를 분석하고 현행 설계기준의 규정과 비교하였다. 작용하중에 따라 발생하는 균열에 대해서 횡방향균열(Transverse Crack)과 쪼갬균열(Splitting Crack)로 각각 구분하고, DAQ(Data Acquisition) 시스템을 이용하여 콘 크리트 인장부재에 매입된 CFRP 및 GFRP 보강근의 변형량 및 작용하중을 측정하였으며, 그 결과로 부터 하중-변형률 관계로 대표되는 인장강화효과를 분석하였다. 균열거동 및 인장강화효과를 분석한 결과, CFRP 또는 GFRP Rod를 보강근으로 하는 콘크리트 인장부재는 FRP 보강근과 콘크리트의 부 착강도를 감소시키는 쪼갬균열이 발생하지 않도록 피복두께를 보강근 지름의 2.5배 이상 확보하였을 때, 각 보강근별로 극한강도 fu의 60-70%에 해당하는 하중이 작용하는 단계에서 인장강화효과는 우 수한 것으로 나타났으며, 철근을 보강근으로 하는 현행 설계기준의 규정으로 예측한 결과보다 우수한 인장강화효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

탄소보강근(Carbon Fiber Reinforced Polymer)은 탄소섬유를 에폭시로 결합한 것으로 높은 인장강 도와 강한 내부식성으로 철근대체재로 각광받고 있다. 하지만 결합재인 에폭시의 특성상 고온에 취약 하다. 따라서 고온에 노출된 탄소보강근의 인장 시험을 통해 인장강도 및 탄성계수의 변화를 관찰하고 온도별 거동특성을 파악하고자 한다. 사용된 탄소보강근의 직경은 10mm이며 나선모양의 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer) 리브로 구성되어있다. 인장 시험체는 ASTM D 7205에 따라 강관으로 구 성된 그립부 700mm, 자유단 500mm 총길이 1,900mm로 제작하였다. 시험체 중앙부를 고온에 노출시 키기 위해 가열부 200mm의 퍼니스를 배치하였으며, 온도범위는 50~550℃이다. 시험결과 유리전이온 도인 150℃까지는 고온에 노출된 시험체가 상온 시험체에 비해 인장강도가 2.7~3.1% 감소하였으며, 탄성계수는 15.7~18.7% 감소하였다. 이후 250~550℃에서는 인장강도가 8.9~54.3% 감소하였고, 탄성 계수는 17.2~20.1% 감소하였다. 따라서 인장강도의 경우 550℃에서 최대 인장강도의 절반 이상으로 감소하는 것을 확인 하였고, 탄성계수는 인장강도에 비해 크게 감소하지 않는 것을 확인하였다.

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.

송전철탑의 심형기초 시공 시 안전확보가 매우 중요한데, 무거운 철근을 취급하는 작업자의 중대 재 해 위험이 크고 실제로 심형기초를 위한 철근공 작업자들의 사고가 끊이질 않는 실정이다. GFRP는 철근 이상의 인장강도를 갖도록 제작이 가능하고, 철근에 비해 무게가 가벼워 취급이 용이하며 시공 편이성이 높다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 철근을 대체하여 GFRP를 보강근으로 활용한 심 형 기초의 구조설계에 대해 다루었다. 국내 송전철탑 설계기준(가공송전선용 철탑기초 설계기준, DS-1110, 한국전력) 및 ACI440.1R-06 설계기준을 참고하여 GFRP 보강근이 적용된 심형 기초의 구 조검토를 수행하여 GFRP 보강근의 적용성을 검토하였다. 송전철탑의 심형 기초 단면에는 휨모멘트와 축력이 동시에 작용하며 심형기초의 주체부 및 구체부 특성에 따라 축력에 의한 편심모멘트가 추가로 작용한다. 이에 따라 설계 검토는 휨 및 축력이 동시에 작용하는 경우에 대해 수행되었다. 국내 기준 (DS-1110)의 구조검토는 허용응력설계법의 형식을 취하므로 축력과 휨모멘트에 의한 최대응력을 산 정하여 허용응력과 비교하였고, 강도설계법을 통한 구조검토는 보강된 단면의 P-M 상관도를 작도하 여 휨모멘트 및 축력이 동시에 작용하는 경우 구조 안전성 확보 유무를 판단하여 GFRP 보강재를 배 근한 단면의 설계적정성을 판단하였다.

전 세계 대부분의 국가들은 탄소배출량을 줄이기 위한 노력을 지속하고 있다. RC구조물의 탄소배출량을 줄이기 위해 수십 년간 건설 분야의 많은 연구자들이 철근콘크리트 구조물에서 철근을 FRP보강근으로 대체하기 위한 연구를 수행하여 왔다. 북미지역을 비롯한 일부 지역에서는 해양구조물이나 도로 등에 CFRP보강근을 사용한 바 있다. 그러나 건축물에는 철근을 CFRP보강근으로 대체한 사례와 적용을 위한 연구는 거의 진행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 예제건물을 선정하여 철근콘 크리트구조로 설계한 후, 철근을 CFRP보강근으로 대체하여 설계함으로써, 철근콘크리트건물에서 철근을 CFRP보강근으로 대체 하였을 때 철근량을 비교하였다. 그 결과 슬래브의 철근비가 0.005미만으로서 CFRP의 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 안전 율 측에서도 우수한 것으로 나타났다.

본 연구에서는 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)를 주 보강근으로 사용하였으며, 정착길이가 없는 시험체를 제작 하여 4점 재하 휨시험을 수행하였다. 각 변수는 공칭지름이며 공칭지름 D13, D16, D19, 총 3가지의 변수로 이루어져있다. 휨 모 멘트는 공칭지름이 커질수록 약24.17%, 45.92% 강도가 증가하였으나 공칭 휨 강도를 고려하였을 때, 인장 강도와는 달리 공칭 지름에 비례하여 유사한 성능을 나타냄을 알 수 있었다. LVDT로 보강근과 콘크리트와의 부착성능을 확인하였고, 그 값은 매우 미미하며 거의 발생 되지 않은 것으로 판단된다. 또한 DIC로 시험체의 처짐을 확인하였으며, 실세 처짐 값과 유사함을 알 수 있었다.