[표지]
요약문
Summary
목차
제1장 서론 25
1. 연구의 필요성 및 배경 25
2. 연구목표 및 내용 26
2.1. 최종 연구목표 26
2.2. 연차별 연구목표 및 내용 27
3. 국내외 현황 30
3.1. 국내 현황 32
3.2. 국외 현황 34
4. 연구수행 방법 38
4.1. 기술개발지도 38
4.2. 연구추진 체계 및 전략 38
5. 1차년도 보고서 구성 내용 40
6. 기대 및 파급효과 41
제2장 FRP Hybrid Bar 관련 설계기준 조사 43
1. 콘크리트 설계기준 43
1.1. 배경 및 목적 43
1.2. 조사범위 43
1.3. 주요 국가별 시공기준 44
1.4. 주요 국가별 설계기준 50
1.5. 소결 62
2. 해양항만구조물 설계기준 63
2.1. 배경 및 목적 63
2.2. 항만 및 어항 설계기준 64
2.3. 항만 및 어항공사 표준시방서 72
2.4. 소결 73
제3장 FRP Hybrid Bar 적용 해양항만구조물 수요 분석 75
1. 해양항만구조물 활용분야 75
1.1. 항만구조물의 분류 75
1.2. 철근콘크리트 구조 해양항만구조물 77
1.3. 철근콘크리트 항만구조의 파손 사례 79
1.4. 소결 83
2. 해양항만구조물 설계 경향 83
2.1. 설계경향 83
2.2. 기타 해상구조물 88
2.3. 소결 90
3. 국내 중장기 항만시설 확충 계획 91
3.1. 접안시설 91
3.2. 화물부두 92
3.3. 여객부두 93
3.4. 항만구역을 활용한 신재생에너지 단지 조성 93
3.5. 주요항만 방재기능 강화 94
3.6. 소결 94
4. 기존 항만 및 어항 시설의 보수·보강 계획 95
4.1. 보수·보강 대상 항만 95
4.2. 보수·보강 대상 시설 95
4.3. 보수·보강 방법 98
4.4. 보수·보강 대상 어항 100
4.5. 소결 103
제4장 FRP Hybrid Bar 설계 105
1. FRP Hybrid Bar 설계 기술 105
2. 구성 소재 108
3. FRP 피복철근 110
4. 고성능 FRP Hybrid Bar 116
5. 경제형 FRP Hybrid Bar 119
5.1. 제작 방법 120
5.2. 제작 결과 123
6. 소결 124
제5장 FRP Hybrid Bar 제작 및 역학적 성능평가 127
1. FRP Hybrid Bar 인장성능 평가 127
1.1. 시험체 제작 127
1.2. 계측센서 설치 137
1.3. 시험방법 138
1.4. 시험결과 140
1.5. 소결 147
2. 부착성능 평가 148
2.1. FRP Hybrid Bar의 부착특성 148
2.2. FRP Hybrid Bar 부착특성 평가 방법 151
2.3. FRP Hybrid Bar 부착시험체 및 시험 153
2.4. FRP Hybrid Bar 부착시험 결과 및 분석 160
2.5. 소결 169
3. 부착성능의 해석적 검토 170
3.1. 개요 170
3.2. 유한요소 해석 171
3.3. 소결 174
제6장 FRP Hybrid Bar 내부식성 및 장기성능 평가 175
1. 실험개요 176
2. 노출환경 177
3. 실험결과 및 고찰 179
3.1. 시간에 따른 선형 Bar의 부식 거동 179
3.2. 시간에 따른 절곡형 Bar의 부식 거동 185
3.3. FRP Hybrid Bar의 부식 개시 시기 189
4. 소결 190
제7장 해사적용 콘크리트 특성 분석 및 FRP Hybrid Bar 내구성능 평가 191
1. 해사 적용 콘크리트 특성 분석 191
1.1. 국내외 기술개발 현황 191
1.2. 해사 사용에 따른 콘크리트 중 염소이온과 철근 부식 193
1.3. 국내외 염분허용 기준 및 부식방지 기준 209
2. 해사사용 콘크리트의 FRP Hybrid Bar 내구성능 분석 215
2.1. 사용재료 215
2.2. 부식실험용 콘크리트 시편 제작 216
2.3. 실험방법 217
2.4. 염화물 환경에서 FRP Hybrid Bar 사용 콘크리트 부식 거동 221
3. 콘크리트 피복두께 감소화 방안 225
3.1. 설계기준 검토 225
3.2. 콘크리트 피복두께 결정을 위한 요소별 영향 검토 227
3.3. 콘크리트 피복두께 결정을 위한 연구 계획 231
4. 소결 232
제8장 FRP Hybrid Bar 경제성 평가 233
1. 배경 및 목적 233
2. FRP Hybrid Bar의 원가분석 234
3. 경제성 분석 238
4. 소결 239
제9장 결론 및 향후 연구내용 241
1. 1차년도 연구결과 요약 241
1.1. FRP Hybrid Bar 시작품 개발 241
1.2. FRP Hybrid Bar 관련 설계기준 및 해양항만 구조물 설계기준 조사 242
1.3. 해양항만 구조물 설계기준 및 활용분야 조사 243
1.4. FRP Hybrid Bar의 역학적 성능 평가 244
1.5. FRP Hybrid Bar 내부식성 및 장기성능 평가 244
1.6. FRP Hybrid Bar 경제성 평가 245
2. 차년도 연구내용 246
참고문헌 247
서지자료 252
Bibliographic Data 253
판권기 254
표 1.1. 기존 FRP 보강근 기술의 한계 27
표 1.2. 연차별 연구목표 및 내용 28
표 1.3. 비부식 금속계 보강근의 종류 및 문제점 30
표 1.4. 국내 FRP 보강근 개발 현황 32
표 1.5. 국내 접안시설 및 컨테이너 부두 확충 계획 34
표 1.6. 전국 항만인프라 확충 투자 계획 34
표 1.7. 캐나다의 FRP 보강재 개발과 관련된 주요 활동 36
표 1.8. 기존 FRP 보강근의 형상 37
표 2.1. FRP 보강근 관련 규정 44
표 2.2. 시공기준의 목차 상호 비교 45
표 2.3. 설계기준의 주요 내용 비교 51
표 2.4. 항만 및 어항공사 표준시방서 관련 기준 72
표 3.1. 주요 항만 시설물 75
표 3.2. 적용대상 신설 해양·항만 구조물(안) 81
표 3.3. 선박 및 장비 대형화에 따른 설계 변화 83
표 3.4. 시설계획 방향에 따른 설계 변화 84
표 3.5. 방파제 상부구조물의 변화 85
표 3.6. 울산신항 방파제 제원 및 형식 87
표 3.7. 포항영일만항 제원 및 형식 88
표 3.8. 접안시설 확충 계획 91
표 3.9. 화물부두 확충 계획 92
표 3.10. 여객부두 확충 계획 93
표 3.11. 무역항 보수·보강 대상 시설 96
표 3.12. 연안항 보수·보강 대상 시설 97
표 3.13. 보수·보강 우선순위를 위한 그룹 기준 100
표 3.14. 관련 공사에 따른 최우선 반영 대상 어항(1그룹) 101
표 3.15. 관련 공사에 따른 우선 반영 대상 어항(2그룹) 101
표 3.16. 보수·보강이 시급히 필요한 어항(3그룹) 102
표 3.17. 향후 모니터링 결과에 따라 보수·보강 계획 수정이 필요한 어항(4그룹) 102
표 3.18. 항내 정온도 개선 필요한 어항(5그룹) 103
표 4.1. 섬유계열 강화재료의 특징 109
표 4.2. 금속계열 강화재료의 특징 109
표 4.3. FRP Hybrid Bar의 개발 재료 110
표 4.4. FRP 피복철근 1차 시작품의 종류 및 제작 방법 111
표 4.5. FRP 피복철근 2차 시작품의 종류 및 제작 방법 113
표 4.6. FRP 피복철근 2차 시작품 절곡 후 피복 상태 114
표 4.7. FRP 피복철근 3차 시작품의 종류 및 제작 방법 115
표 4.8. 고성능 FRP Hybrid Bar의 형식 별 제작 방법 예 117
표 4.9. 경제형 FRP Hybrid Bar의 제작 방법 예 119
표 4.10. PE 중공관 종류 및 제원 120
표 5.1. FRP Hybrid Bar 2차 시작품 리스트 128
표 5.2. 인장시험용 시작품 단면 형태 128
표 5.3. FRP Hybrid Bar 3차 시작품 리스트 129
표 5.4. 사용몰탈 물성시험 결과 133
표 5.5. 변형률게이지 주요 제원 136
표 5.6. 인장시험용 시작품 단면 형태 및 강재 비율 140
표 5.7. D13 FRP Hybrid Bar 인장시험 결과 140
표 5.8. D19 FRP Hybrid Bar 인장시험 결과 141
표 5.9. D13 FRP Hybrid Bar 시편 리스트 144
표 5.10. D13 FRP Hybrid Bar 인장시험 결과 144
표 5.11. FRP Hybrid Bar 시작품 설명 및 실험변수 154
표 5.12. 사용 시멘트의 물리적 특성 155
표 5.13. 사용 시멘트의 화학적 특성 155
표 5.14. 굵은 골재 최대치수 25 mm의 물리적 특성 155
표 5.15. 사용 잔골재의 물리적 특성 155
표 5.16. 사용 배합표 157
표 5.17. 부착시험 결과 161
표 6.1. FRP Hybrid Bar의 종류 및 제작 방법 177
표 6.2. 3.5% NaCl 용액에 노출된 선형 Bar의 부식(노출기간: 30일) 184
표 6.3. 3.5% NaCl 용액에 노출된 절곡 Bar의 부식(노출기간: 30일) 189
표 7.1. 대기 중의 염소이온량과 콘크리트 내의 염소이온 침투량과의 관계 198
표 7.2. 전위차에 따른 철근 상태(ASTM C876-80) 203
표 7.3. 철근의 부식방지를 위한 최대 수용성 염소이온량(ACI 318) 209
표 7.4. 특정 노출조건에 대한 물-결합재비 규정(ACI 318) 210
표 7.5. ACI Committee 201.2R의 염분허용기준 211
표 7.6. ACI Committee 222R의 염분허용기준 211
표 7.7. BS CP 110의 염분허용기준 212
표 7.8. GLC Code의 염분허용기준 212
표 7.9. 일본 토목학회의 염분허용기준 213
표 7.10. 국내의 염분 허용기준 214
표 7.11. 시멘트 화학성분 및 물리적 성질 215
표 7.12. 골재의 물리적 성질 215
표 7.13. 혼화제의 물리적 성질 216
표 7.14. 콘크리트 공시체의 부식촉진실험 조건 216
표 7.15. 전위를 이용한 부식 평가 기준 219
표 7.16. 철근콘크리트 구조물의 외기 노출 조건 228
표 7.17. 콘크리트 피복두께 결정을 위한 연구 계획 232
표 8.1. FRP 보강근 제품 가격 비교 233
표 8.2. FRP Hybrid Bar의 제작 원가 분석 234
표 8.3. 원가 분석을 위한 구성비 계산 236
표 8.4. 각 유형별 재료 원가 237
표 8.5. 보강근별 생산 원가 조사 결과 238
표 8.6. 보강근별 판매가 조사 결과 238
표 8.7. 국외 Aslan 100 제품의 판매가 239
표 8.8. 대량생산 시 경제성 분석 결과 240
그림 1.1. 연구 필요성 26
그림 1.2. 철근대체재 개발 역사 30
그림 1.3. 형상에 따른 FRP 보강근의 분류 31
그림 1.4. KICT 개발 FRP 보강근 형상 32
그림 1.5. FRP 보강근 적용 소파블록 개발 사례 33
그림 1.6. 해양항만인프라 확충 계획 33
그림 1.7. 기술개발 로드맵(안) 38
그림 1.8. FRP Bar의 하이브리드 효과 40
그림 3.1. 외곽시설(돌제) 76
그림 3.2. 외곽시설(이안제) 76
그림 3.3. 외곽시설(호안) 77
그림 3.4. 계류시설(돌핀) 77
그림 3.5. 잔교식 안벽 개념도 77
그림 3.6. 셀블록식 안벽 개념도 77
그림 3.7. 경사제 방파제 개념도 78
그림 3.8. 케이슨식 혼성제 방파제 개념도 78
그림 3.9. 안벽 콘크리트 파손, 철근 노출 및 부식 79
그림 3.10. 콘크리트 파일 파손 및 강파일 부식 79
그림 3.11. 콘크리트 방파제 파손 80
그림 3.12. 소파블록 유실 및 파손 80
그림 3.13. 적용대상 항만구조물 개요도 81
그림 3.14. 케이슨식 방파제 형상 81
그림 3.15. 소파 블록 형상 81
그림 3.16. 유공 방파제 형상 82
그림 3.17. 유공 파제제 형상 82
그림 3.18. 잔교식 안벽 형상 82
그림 3.19. 잔교단면 형상 82
그림 3.20. 케이슨 구조물 형상 82
그림 3.21. 콘크리트 파일 형상 82
그림 3.22. 해상교량 형상 83
그림 3.23. 침매터널(해저터널) 형상 83
그림 3.24. 방파제 케이슨의 진화 86
그림 3.25. 울산신항 남방파제 케이슨 공사 위치 86
그림 3.26. 포항영일만항 공사 위치 87
그림 3.27. FRP Hybrid Bar 적용 예상 구조물 88
그림 3.28. 진동형파력발전소 개념도 89
그림 3.29. 마산항 아라미르 프로젝트 개념도 90
그림 3.30. 주요 항만의 방재시설 사업 94
그림 3.31. 전국 항만 위치도 95
그림 3.32. 상치콘크리트 보수·보강 방안 98
그림 3.33. 사석경사제 피복제 보수·보강 방안(1) 98
그림 3.34. 사석경사제 피복제 보수·보강 방안(2) 99
그림 3.35. 직립제 피복제 보수·보강 방안(1) 99
그림 3.36. 직립제 피복제 보수·보강 방안(2) 100
그림 4.1. FRP Hybrid Bar의 단면 구조 및 제작 개요 105
그림 4.2. 제작단계별 공정 106
그림 4.3. 보강근 선단부 인발 장치 107
그림 4.4. FRP Hybrid Bar의 응력 전달 메카니즘 108
그림 4.5. FRP 피복철근 단면 구조 및 제작 개요-브레이드 적용 111
그림 4.6. FRP 피복철근 단면 구조 및 제작 개요-섬유매트 적용 111
그림 4.7. 1차 시작품의 외형 112
그림 4.8. FRP 피복철근 3차 시작품 절곡 후 피복 상태 116
그림 4.9. 고성능 FRP Hybrid Bar 단면 구조 및 제작 개요-이형철근 적용 117
그림 4.10. 고성능 FRP Hybrid Bar 단면 구조 및 제작 개요-소선 적용 117
그림 4.11. 섬유 및 소선용 가이드 118
그림 4.12. FRP Hybrid Bar의 절곡 후 상태-이형철근 적용 118
그림 4.13. FRP Hybrid Bar의 절곡 후 상태-소선 적용 119
그림 4.14. 고성능 FRP Hybrid Bar 단면 구조 및 제작 개요-중공관 적용 120
그림 4.15. FRP Hybrid Bar 인장시험용 치구 121
그림 4.16. FRP Hybrid Bar 수직응력 분포도 121
그림 4.17. 대직경 FRP Hybrid Bar 개념도 122
그림 4.18. 중공형 FRP Hybrid Bar 제작 광경 123
그림 4.19. 중공형 FRP Hybrid Bar 1차 시작품 124
그림 5.1. 시험체 제원(D13) 130
그림 5.2. 시험체 제원(D16) 131
그림 5.3. 시험체 제원(D19) 132
그림 5.4. 시험체 제작과정 134
그림 5.5. F Type 변형률 게이지 주요 특성 136
그림 5.6. 시험체 D13 센서 설치 위치 136
그림 5.7. 시험체 D16 센서 설치 위치 137
그림 5.8. 시험체 D19 센서 설치 위치 137
그림 5.9. 변형률게이지 부착 순서 138
그림 5.10. 시험체 세팅 138
그림 5.11. 시험 광경 139
그림 5.12. 사용 너트 139
그림 5.13. 응력-변형률 곡선(2차 시작품) 141
그림 5.14. 강재비율에 따른 탄성계수 변화 곡선 142
그림 5.15. D13, D16 시작품 강재비율에 따른 탄성계수 변화 곡선 143
그림 5.16. 인장시험에 따른 파괴 형상 143
그림 5.17. 응력-변형률 곡선(3차 시작품) 145
그림 5.18. 삽입 소선 직경에 따른 탄성계수 변화 곡선 146
그림 5.19. 강재 비율에 따른 탄성계수 변화 곡선 146
그림 5.20. 부착특성 시험 모식도 150
그림 5.21. FRP Hybrid Bar의 개요도 151
그림 5.22. 보강근 이형부의 뒷지지력(Backstay of Protrusion) 151
그림 5.23. 공시체의 부착력 시험 장치(KS F 2441) 152
그림 5.24. 인발시험 모식도(ACI 440.3R-04) 152
그림 5.25. FRP Hybrid Bar 부착특성 시험체 개념도 153
그림 5.26. FRP Hybrid Bar 시작품 제작 과정 154
그림 5.27. 사용 굵은 골재 최대치수 25 mm의 입도분포 156
그림 5.28. 사용 잔골재의 입도분포 156
그림 5.29. FRP Hybrid Bar 부착 시험체 제작 과정 157
그림 5.30. 비부착구간 시험체 제작 과정 158
그림 5.31. FRP Hybrid Bar 부착시험 과정 159
그림 5.32. 방사형 응력 형태에 따른 매트릭스 인장강도 160
그림 5.33. 이형철근 시험체의 부착파괴 형태의 예 163
그림 5.34. 에폭시코팅철근 시험체의 부착파괴 형태 예 163
그림 5.35. 이형철근을 적용한 FRP Hybrid Bar 시험체의 부착파괴 형태 예 164
그림 5.36. 중공 FRP Hybrid Bar 시험체의 부착파괴 형태 예 165
그림 5.37. 이형철근과 에폭시코팅철근의 부착강도(부착길이 50 mm) 166
그림 5.38. 이형철근 vs. GFRP 브레이드 두께 변화에 따른 부착강도(부착길이 50 mm) 167
그림 5.39. 이형철근 vs. GFRP 브레이드 두께 변화에 따른 부착강도(부착길이 100 mm) 168
그림 5.40. 중공 GFRP 브레이드 두께 변화에 따른 부착강도(부착길이 50 mm) 169
그림 5.41. EBP 모델 171
그림 5.42. 유한요소해석 모델 형상 173
그림 6.1. 내부식 성능 검증용 FRP Hybrid Bars 176
그림 6.2. 갈바닉 부식전류의 원리 178
그림 6.3. 갈바닉 전류 측정 Set-Up 178
그림 6.4. 30일간 3.5% NaCl 용액에 노출된 선형 Normal Bar의 갈바닉 부식전류 179
그림 6.5. 1일간 3.5% NaCl 용액에 노출된 선형 Normal Bar의 갈바닉 부식전류 180
그림 6.6. 노출환경에 따른 선형 Normal Bar의 갈바닉 부식전류 180
그림 6.7. 노출환경에 따른 선형 에폭시코팅철근의 갈바닉 부식전류 181
그림 6.8. 노출환경에 따른 선형 1-Layer Mat Bar의 갈바닉 부식전류 182
그림 6.9. 노출환경에 따른 선형 2-Layer Mat Bar의 갈바닉 부식전류 182
그림 6.10. NaCl 용액에 노출된 선형 Bar의 갈바닉 부식전류 비교 183
그림 6.11. NaOH 용액에 노출된 선형 Bar의 갈바닉 부식전류 비교 184
그림 6.12. 30일간 3.5% NaCl 용액에 노출된 절곡 Normal Bar의 갈바닉 부식전류 185
그림 6.13. 1일간 3.5% NaCl 용액에 노출된 절곡 Normal Bar의 갈바닉 부식전류 186
그림 6.14. 노출환경에 따른 절곡 Normal Bar의 갈바닉 부식전류 186
그림 6.15. NaCl 용액에 노출된 선형 및 절곡 Normal Bar의 갈바닉 부식전류 187
그림 6.16. NaCl 용액에 노출된 선형 및 절곡 에폭시코팅철근의 갈바닉 부식전류 188
그림 6.17. NaCl 용액에 노출된 절곡 Bar의 갈바닉 부식전류 비교 188
그림 6.18. 3.5% NaCl 용액에 노출된 Bar의 부식 개시 시기 190
그림 7.1. 염분의 침투경로 194
그림 7.2. 해사에 부착된 염소이온량 195
그림 7.3. 해안에서부터의 거리와 채취 깊이에 따른 염소이온 함유량 195
그림 7.4. 내부 염소이온에 의한 콘크리트 내의 염소이온 분포 모델 196
그림 7.5. 콘크리트의 표면에서부터의 깊이에 따른 수용성 염소이온 분포 197
그림 7.6. 15년간 해수에 침지한 콘크리트 공시체의 염소이온 분포 197
그림 7.7. 해안에서의 거리에 따른 콘크리트 표층부의 염소이온량 198
그림 7.8. 염소이온에 의해 유발되는 철근의 부식반응 200
그림 7.9. 염소이온에 의한 철근의 부식과정 201
그림 7.10. Pourbaix Diagram 204
그림 7.11. 철의 양극분극곡선 205
그림 7.12. 염소이온을 함유한 포화 수산화칼슘용액 내에서의 부식발생율 206
그림 7.13. 콘크리트 중의 염소이온량과 물-시멘트에 따른 부식면적율 206
그림 7.14. pH에 따른 부동태피막이 파괴되는 임계[Cl]/[OH] 207
그림 7.15. 콘크리트 중에서의 염소이온량과 부식전류밀도의 관계 208
그림 7.16. 부식 측정을 위한 콘크리트 시편 217
그림 7.17. 선형분극 실험장치 218
그림 7.18. 선형분극법에 의해 도출된 곡선 218
그림 7.19. 반전지 전위법 형상 219
그림 7.20. 갈바닉 전류 측정법 형상 220
그림 7.21. 질량 손실법 형상 221
그림 7.22. 염화물 혼입량이 상이한 콘크리트 중에 매립된 Normal Bar의 재령별 자연전위 222
그림 7.23. 염화물 혼입량이 상이한 콘크리트 중에 매립된 에폭시코팅철근의 재령별 자연전위 222
그림 7.24. 염화물 혼입량이 상이한 콘크리트 중에 매립된 1-Layer Mat Bar의 재령별 자연전위 223
그림 7.25. 염화물 혼입량이 상이한 콘크리트 중에 매립된 GFRP Bar의 재령별 자연전위 224
그림 7.26. 염화물 혼입량이 상이한 콘크리트 중에 매립된 FRP Hybrid Bar의 자연전위(재령 28일) 224
그림 7.27. ACI 318-08의 콘크리트 피복두께 규정에 대한 카테고리 분류체계 225
그림 7.28. 철근 부식에 근거한 콘크리트의 임계 노후화 시점 227
그림 7.29. 콘크리트 슬래브 설계 차트 예 229
그림 7.30. FRP Bar의 열팽창에 의한 균열 230